微纳米硅肥的研制开发背景及应用效果

陈庆峰，吕 刚，于广武，于树林，李晓冰

(1.黑龙江省富锦市农业技术推广中心 黑龙江富锦 156100； 2.中国科学院东北地理与农业生态研究所 黑龙江哈尔滨 150040； 3.齐齐哈尔市松土肥业有限公司 黑龙江齐齐哈尔 161041；4.东北农业大学资源与环境学院 黑龙江哈尔滨 150030)

0 前言

硅是自然界中仅次于氧的第2多元素，拥有与钻石相同的构造。硅肥既可以用作肥料为作物提供养分，又可以用作土壤调理剂改良土壤，此外还兼有防病、防虫和减毒的作用，是一种新型多功能肥料。

1840年，德国化学家李比希提出矿质营养理论，奠定了现代化学肥料工业的基础，他最早提出硅与氮、磷、钾一样重要，是植物必需的养分。英国科学家在洛桑肥料试验站(创建于1843年，至今已有176年的历史，是世界上最早的肥料试验站)连续170多年试验证明，硅肥具有活化土壤中磷的作用。

早在1926年，美国加州大学的农业研究人员就开始研究硅肥并肯定了硅素的肥效。1935年，日本开始进行硅肥的研究，1954年开始生产和应用硅肥，1957年成立日本硅肥协会。日本现有硅肥生产企业超过30家，硅肥在日本等发达国家已经有60多年的使用历史。日本政府于1955年以肥料法的形式确定硅肥为一种新型肥料并大面积推广使用，每年施用量超过1 500 kt，硅肥的大量施用给日本农业生产带来了高效益。

东南亚地区的韩国、朝鲜、菲律宾、印度、斯里兰卡、泰国等国先后引进日本硅肥生产技术，并迅速推广氮、磷、钾+硅的施肥配方。据报道，硅肥在水稻上的增产效果已超过磷肥和钾肥。朝鲜每年硅肥的用量达750 kt；中国台湾进行了20万亩(1亩=666.67 m2，下同)水稻施用硅肥的示范和推广，结果亩增产水稻40 kg，增产率达到12%；东南亚地区生产水稻的国家已将硅作为氮、磷、钾后的第四大营养元素；美国、澳大利亚已在甘蔗种植上普遍施用硅肥。

我国从20世纪70年代中期开始进行硅肥研究，80年代后期才实现工业化生产。近几年来，我国在河南、山东、浙江、安徽、湖北、广西、海南、河北、四川等对喜硅作物和缺硅土壤施用硅肥，其增产幅度为水稻10%～20%、小麦10%～15%、花生15%～35%、大豆10%～20%、甘蔗10%～25%、玉米12%～20%、芝麻15%以上、棉花10%～15%、麻类10%～25%、竹类10%～20%、蔬菜15%～20%、草莓30%～50%、西瓜10%～25%。

硅肥不仅可以提高作物的产量，而且可以提高作物的质量，如施用硅肥后，苹果的含糖量、着色率、耐贮性、运输性等都有所提高。此外，硅肥还能起到防病防虫的作用，如稻瘟病、叶斑病、茎腐病、纹枯病、霜霉病、灰霉病、白粉病、锈病、烂根病以及二化螟、稻飞虱、蚜虫等。

齐齐哈尔市松土肥业有限公司以中科院、清华大学、哈尔滨工业大学、东北农业大学为技术依托，自主研发的“硅博源”微纳米硅肥将微纳米技术与生物技术相结合，是一种优良的品质肥料、植物调节性肥料。

1 研发背景

1.1 防治土壤污染，改变生态环境的需要

在《水污染防治行动计划》和《土壤污染防治行动计划》中，明确提出“蓝天常在、青山常在、绿水常在”的奋斗目标。根据中国国土资源部在2005—2013年的调查结果显示，全国土壤总点位超标率为16.1%，耕地超标率为19.4%。造成土壤污染的各种原因中，包括工厂有毒废弃物的排放、污水灌溉、过渡使用农药和高浓度化肥等。据统计，我国耕地面积不足全世界的10%，却使用了全世界近40%的化肥，单位面积农药使用量是世界平均水平的2～3倍。除了化肥和农药的滥用，近年来粮食重金属污染事件屡见报端，全国耕地重金属污染面积在16%以上，大中城市、工矿区周边情况尤为严重。如：广州有50%的耕地受镉、砷、汞等重金属污染；辽宁省八家子铅锌矿区周边耕地镉、铅含量超标60%以上。

因此，土壤治理迫在眉睫，采用微纳米硅、腐殖酸、氨基酸、中微量元素等土壤调理剂、改良剂治理被污染的土壤是切实可行、效果显著的途径之一。

1.2 发展绿色生态农业的需要

由于生态农产品可以解除消费者对食品安全的担心，故生态农业已经得到广大消费者、政府和企业经营者的一致认可。据有机市场观察机构(Organic Monitor)提供的数据，2006年全球有机产品的销售额达到了386亿美元，主要消费地区集中在北美洲和欧洲。美国的有机食品销售额逐年上升，1990年的销售额为10亿美元，1996年上升至33亿美元，2002年销售额达110亿美元，2005年的销售额已接近146亿美元。由此可见，生态食品已成为世界农业的主流和发展方向。

20世纪90年代以来，各国对食品卫生和质量的监控越来越严，标准也越来越高，尤其是对与农产品生产和贸易有关的环保技术和产品卫生安全标准的要求更加严格，食品生产的方式及其对环境的影响日益受到重视，这就要求食品在进入国际市场前由权威机构按照通行的标准加以认证，获得一张“绿色通行证”。目前，国际标准化委员会(ISO)已制定了环境国际标准ISO 14000，与之前制定的ISO 9000一起作为世界贸易标准，有效促进了生态农业的发展。

微纳米硅肥是生态农业大发展环境下的产物，将有助于生态农业的发展。

1.3 贯彻落实重大部署的需要

党和国家始终高度重视农业发展，针对现代农业发展作出了一系列部署，把发展现代农业作为建设社会主义新农村的首要任务，明确了走中国特色农业现代化道路的基本方向；明确把发展现代农业作为加快转变经济发展方式的重大任务，对加强主产区粮食生产能力、建设现代农业示范区和完善现代农业产业体系等都提出了要求。创建现代农业示范区是贯彻落实发展现代农业重大部署的具体举措，有利于用现代物质条件装备农业，用现代科学技术改造农业，用现代产业体系提升农业，用现代经营形式推进农业，用现代发展理念引领农业，用培养新型农民发展农业，加速中国特色农业现代化进程。

1.4 大力推广微纳米硅肥的需要

微纳米硅肥在黑龙江、吉林、辽宁、内蒙古、河北、山东、浙江、湖南等省区的水稻、玉米、大豆、谷子、棉麻、葡萄、苹果、草莓、生姜及多种蔬菜作物上进行了试验、示范和应用，取得了显著的生态效益、社会效益和经济效益。仅在湖南省就有14个地市51个县市大面积施用推广成功，取得了粮食产量提高5%～10%、氮肥全生育期施用量减少10%、果蔬产量提高近40%、水稻食味值提高2～3点、土壤中重金属含量降低、土壤有机质明显增加和土壤肥力明显提高、农业生态环境得到明显改善的显著成效。为进一步推广微纳米硅肥，扩大其使用面积，2018年10月14日在衡阳市衡山县店门镇柏树村对微纳米硅肥在晚稻中的应用效果进行测产验收，专家组充分肯定了微纳米硅肥的效果

1.5 改善生态环境、提高人体健康水平的需要

自然界中的硅元素几乎都是以非反应性和反应性的有机硅和无机硅氧化的固态和砂土状组成，如砂土、石块、晶体等，这些硅元素是人类无法直接吸收的。因此，在大自然未受到污染之前，人类除了从地下水、地表水、山泉水中摄取偏硅酸及人体所需要的矿物质营养成分外，主要从农作物中摄取所能吸收的硅元素及各种中微量矿物质元素，即人类足以通过饮食摄取到足够的硅和其他基础营养素。

但随着工业化的快速发展，尤其是化学工业的飞速发展，给地表水造成了不同程度的污染，土壤中丰富的硅元素因大量投入化学肥料、农药等而遭到破坏，使土壤中的硅元素及微量元素大量流失，农作物中的硅元素含量逐渐减少。由于无法通过饮食摄取到足够的自然生态硅元素和其他营养素，从而导致人体患上多种疾病。

施用微纳米硅肥可以为作物、动物以及人体补充硅营养，是提高人体健康水平的有效措施之一。

2 应用效果

微纳米硅肥是一种以硅酸钙为主矿物的肥料，亦称硅钙肥或硅钙镁肥，无毒、无味、无腐蚀性、不变质、不易流失，自2016年推向市场以来，在全国15个省区、多个点次的粮食作物、经济作物和果蔬作物上进行了试验、示范和推广，取得了可观的生态、社会和经济效益。

微纳米硅肥之所以具有节水、节肥、省工、提质、抗逆、增产功能，主要体现在4个方面。

(1)吸附性。由于微纳米硅肥的表面积巨大，同时还含有诸多微孔，使其成为天然的具有超强吸附性的氨稳定剂。将微纳米硅肥加入氮肥中，其对游离氨分子的吸附率可达80%以上，在常温下能起到吸附和储存氨分子的作用，从而将氮肥释放周期由不足40 d延长至90～120 d。

(2)高活性。土壤中的营养元素大都是转化为离子形态后才能被作物吸收利用，微纳米硅肥遇水则变成导体，可活化土壤，增加透气性，激活土壤中沉积的磷和钾，促进肥料中养分离子的释放并被作物更好地吸收，从而提高了肥料利用率，可减少施肥量20%～30%。

(3)抗逆性。微纳米硅肥的水溶性极好，可被作物充分吸收利用。随着植株体内硅元素的增加，作物体内导管刚性增大，促使通气性增强，可有效调节叶片气孔的开闭，控制水分蒸腾作用，从而提高作物的抗逆性。这对水稻尤其重要，不但可使根系快速生长，还可预防根系腐烂和早衰，使其抗倒伏、抗病能力提高80%。

(4)平衡性。微纳米硅肥进入土壤可直接形成硅离子，并充分调动土壤中的硫酸根、硼酸根等阴离子的活性，调节土壤阴阳离子的平衡。其携带的钙、镁、铁、铜离子可使土壤更富营养化，可使土壤pH降低0.9～1.5，并刺激作物根系对营养元素的吸收，促早熟抗早衰，实现大田作物增产10%～15%、经济作物增产15%～20%的效果。

由于微纳米硅肥具有以上显著的特点和生理活性，适宜在各类土壤(尤其是南方酸性土壤)、各种作物上施用，施用方法多样。经多年多种作物试验、示范，微纳米硅肥具有如下的显著作用。

2.1 节水、节肥，提高肥料利用率

水稻中的硅化细胞能够有效调节叶片气孔的开闭及水分蒸腾，减少水稻用水量，一般可节水17%以上。硅能减少磷在土壤中的固定,活化土壤中的磷，并促进磷在作物体内的运转，从而提高结实率。调节作物对氮、磷、钾各元素的平衡吸收，并能抑制对铁、锰的过量吸收和毒害。活化土壤中的磷素，调节水稻不同生育阶段对氮、磷、钾等营养元素的需求，可分别提高氮、磷和钾的利用率1.9%、6.4%和2.8%，提高肥料利用率20%以上。

2.2 减轻或消除土壤中的重金属污染

硅肥中所含的硅酸根离子可与镉、汞、铅等重金属发生化学反应，形成新的不易被植物吸收的硅酸化合物而沉淀下来；施硅肥增强了蔬菜等作物根系氧化能力，可氧化镉、锰等重金属，减小了其溶解度，从而抑制了作物对重金属的吸收，有效防止重金属对蔬菜的污染，从而使蔬菜达到国家规定的安全标准要求。

硅肥可防止重金属对水田的污染，减轻重金属对水稻的危害，同时可防治硫化氢、甲烷等有害气体对水稻根系的危害，尤其是对南方水稻重金属镉污染有明显的防治效果，污染程度可降低87%。根据湖南省衡阳市农业科学研究所在大广村的示范结果，与对照相比，施用微纳米硅肥的稻米的镉含量最高可降低0.254 mg/kg，平均可降低0.188 mg/kg。

2.3 提高抗逆性

水稻硅化细胞的形成可促使水稻表皮细胞壁加厚、角质层增加，从而增强了水稻对病虫害的抵抗能力。特别是对水稻稻瘟病、纹枯病、胡麻斑病及螟虫、叶蝉等病虫害的抵抗能力明显增强，水稻褐变穗、鞘腐病病情指数分别降低4%和7%，叶片虫食缺刻明显减轻，水稻稻瘟病发病率降低30%左右。硅素还能增强水稻基部茎杆强度，促使导管刚性增强，提高水稻内部的通气性，促使水稻白根增多，活性增强，防止根系早衰，减轻有毒气体对其危害，对水稻烂根病(根腐病)具有较强的防治作用，水稻抗倒伏能力提高80%，倒伏与倒折率减少40%～70%，令作物茎杆挺直，有利于作物密植。由于角质和硅质双层结构的存在，降低了叶面的蒸腾作用，有效提高了作物的抗旱、抗干热风和抗低温能力，故在干旱地区种植的作物施硅后增产作用尤为显著。施硅后作物的茎叶挺直，减少遮阴，叶片光合作用加强，叶绿素含量大幅增加，如施硅后水稻的叶片角度减小25.4°，冠层光合作用提高10%以上。硅素还能改善植株体内通气组织，根系氧化能力、抗渍能力等增强，这对水稻、芦苇等水生和温生作物有重要意义。此外，硅肥中含有较多的钙、镁并含有一定量的磷、锌、镁、硼、铁等中微量元素，对作物具有复合营养作用。

2.4 提高产品品质和产量

高产不优质、优质不高产是一直困扰我国农作物种植的问题。微纳米硅肥不仅有助于作物根系的生长发育，增强吸收能力，同时可以关闭表面气孔，减少植物体内水分的蒸腾，保证养分的有效供给，使作物所需营养始终处于充分、均衡状态，不至于因速生而使养分失调。此外，作物吸收微纳米硅肥后形成的硅化细胞的细胞壁十分坚硬，有助于细胞群的有序排列组合，使作物形状完美，可达到改善作物品质的目的。

微纳米硅肥能增强花粉的活力，在开花期施硅肥能增强瓜果类的坐果率；改变植株态势，如水稻吸收硅肥以后，形成的硅化细胞提高了水稻细胞壁强度，植株挺拔、茎叶直立，受光态势明显改善， 有利于通风透光和有机物的积累。硅素能提高水稻叶绿素的含量，延长生育期，促进水稻生长。由于硅肥改变了水稻的群体结构，有效分蘖率提高4%，出穗期提早2～3 d，下部枯叶少，茎基部粗壮，成熟期提早，有效穗数和穗粒数增加，结实率提高，秕粒率降低，增产作用明显，平均增产幅度约为10%。

2.5 改良土壤，提高有机质含量

硅能改良土壤，促进有机肥料分解。微纳米硅肥进入土壤后可以直接形成硅离子，并充分调动土壤中的硫酸根、磷酸根、硼酸根等阴离子的活性，调节土壤阴阳离子的平衡，其携带的钙、镁、铁、铜等离子可使土壤更富营养化。微纳米硅肥为碱性肥料，能改良土壤，矫正土壤的酸度，提高土壤盐基，促进有机肥分解，抑制土壤病菌，抗板结、抗重茬。且硅肥中所含的硅、钙、镁离子能够与红土壤中大量积聚的铁、铝和钠离子发生置换反应，形成无害化合物，减少有害成分，同时补充作物生长急需的硅、钙、镁离子。

3 发展前景

微纳米硅肥是一种很好的植物调节性肥料、品质肥料、保健肥料，在改善作物品质、提高作物产量、提高水稻抗倒伏、缓解土壤板结、改良盐碱地等方面效果突出。

据考察，国内耕地均有不同程度的缺硅现象，在国内4.5亿亩水稻田中，一半以上缺硅。国内硅肥市场有40 000 kt/a的潜在缺口，硅肥的使用潜力比氮、磷、钾肥大。

硅肥的应用、硅元素的循环利用正在我国兴起，其前景广阔。2018年10月14日，由中国农业科学院衡阳红壤实验站、衡阳市农业科学研究所等组成的专家组在衡阳市衡山县店门镇柏树村对晚稻的测产验收结果显示，施用微纳米硅有机生物肥料的一季晚稻(品种为玉针香)平均亩产432.9 kg，与对照相比增产70.2 kg/亩，增产率19.3%，增收210元/亩，节省肥料成本50元/亩、农药成本40元/亩，合计节本增收300元/亩。测产专家组认为微纳米硅有机生物肥具有三增(增产、增效、增加有机质含量)、二抗(抗病虫害、抗倒伏)、一降(降低重金属含量)的作用，效果明显。该产品将微纳米技术与新型缓控释技术结合，通过硅肥、生物肥和有机肥的科学配比，率先把微纳米技术应用到肥料生产中，填补了长江以南地区微纳米硅有机生物肥料应用上的空白。

综上所述，微纳米硅有机生物肥料产品试验示范效果显著，经济效益良好，应用前景广阔，是改良土壤、生产无公害农产品、绿色有机农产品的理想肥料。建议深入进行相关的机理研究，进一步改进生产工艺以降低生产成本，促进其推广应用。