硅肥应用研究进展*

房纪秀，李卓航，侯佳，韩松，宋林霞，徐振彪

（山东理工大学生命与医药学院，山东 淄博 255049）

1 研究背景

硅是土壤中仅次于氧的第二大元素，同时也是继N、P、K之后的第四大植物营养元素。由于之前人们对硅元素的认识不足，所以没有把硅元素作为植物的必须元素进行专门的补充。因此在很长一段时间，硅能促进植物生长发育的重要作用没有得到发现和较好的利用。产生这一现象的原因有很多，其中最主要的有两个原因，其一是硅元素在地壳中含量很高，因此人们认为土壤中的硅元素足够植物生长所用，不需要再去补充。另一原因是因为在实验中排除硅的影响很难，创造无硅的土壤环境难以实现。随着研究的深入，Ep-stein等[1]提出，硅是高等植物正常生长发育所必须的基本元素。一旦缺少硅就会发生植物生长异常、发育不良、减产等，补充硅元素后植株又可以正常生长，且植株的发育和产量也得到恢复。此外，在硅肥使用过程中人们可能会担心补充过多会不会有烧苗等状况出现，而研究表明硅过量时，不会对植物生长产生不利影响，植物体也不会出现任何异常。

硅参与了植物的许多生理活动和代谢作用，硅可以有效提高植物的光合作用、增强作物的抗病虫能力、提高植物的抗逆性与抗旱性、调节与修复酸性土壤、缓解金属离子对植株的毒害、促进营养物质积累、提高作物的产量与质量等。目前市面上存在的肥料大多存在有毒、有难闻气味、易变质、易流失、存在公害等问题。而硅肥作为中量元素肥料，是一种很好的保健肥料和植物调节性肥料，是一种多功能新型肥料。其可以作为土壤修复剂，改善土壤环境。此外硅肥还具有无毒、无味、不变质、不流失、无公害等突出优点。现在硅肥在农业发达的国家已被大面积推广与使用，未来硅肥将成为发展绿色生态农业的高效优质肥料。

2 农业作用与研究进程

2.1 重金属

土壤中重金属含量过多会对作物产生毒害作用，例如减少作物对土壤中水分和营养物质的吸收、抑制种子萌发、幼苗生长，进而影响作物的生长发育，使作物质量与产量降低。在作物生长发育过程中施用硅肥，可以减少镉、铅、铝等重金属对作物的毒害作用，其作用机制主要通过诱导作物合成抗氧化相关物质以及提高相关酶的活性，来抑制作物对重金属的吸收和转运，改变重金属在作物体内的分布[2]。张丽娜等[3]通过水稻幼苗水培试验研究发现，在镉污染的土壤中种植小麦时施用硅肥能够提高根系活力和部分抗氧化酶的活性，同时增加水稻幼苗的蛋白质和叶绿素含量。该研究最终得出，施用适量的硅肥可以显著抑制水稻幼苗对镉的吸收，且对水稻的生长发育有明显的促进作用。徐应星等[4]研究发现，在镉污染条件下施用硅肥能增加玉米的生物量，并且能够降低玉米茎叶中的镉含量。Maksimovic JD[5]研究发现在锰胁迫下，施用硅肥降低了黄瓜的脂质过氧化强度，提高了黄瓜体内抗氧化相关酶的活性。袁源远等[6]研究发现，稻田铜污染会抑制水稻幼苗光合作用、膜损伤、引起脂质过氧化等，导致水稻幼苗代谢紊乱，影响其正常生长。而施用硅肥可改善铜胁迫下水稻幼苗基本生长素质，同时还能减轻铜对水稻细胞膜的损伤和膜脂质过氧化程度，降低水稻根茎叶中铜含量。

2.2 土壤环境

土壤是作物生长的必要条件，土壤环境在作物的生长发育中发挥着重要作用。经众多研究表明，在作物生长期间施用硅肥可以改善土壤环境，促进作物生长发育。陈固等[7]研究发现，在酸性土壤种植水稻时施用硅肥可以增加水稻的穗实粒数和千粒数，使水稻产量增加，同时可以改良土壤的酸性环境。冀建华等[8]研究发现，施用含硅的肥料能提高南方稻田表层和亚表层土壤pH和酸碱缓冲容量，同时可以产生大量碱以用来改善酸性的土壤环境。合理施用含有硅的肥料对改善土壤环境、促进农业高效可持续发展具有积极意义。朱云等[9]研究发现，在盐碱地种植小麦时施用硅肥可缩短小麦生育期2～3 d，降低小麦赤霉病的发病率和发病指数，改善盐碱地土壤的供硅能力，提高小麦的产量。吴文利等[10]研究发现，在果园中种植梨时施用硅肥能够提高土壤pH值，改善土壤环境。同时可以增加土壤中有机质含量，活化土壤中微生物的活性，提高梨产量。

2.3 干旱胁迫

干旱是限制全球范围内作物生长和生产力的一个主要非生物因素，干旱对作物的生长与代谢有诸多的不利。根据气象学家的预测表明，未来气候的变化可能会常造成严重和频繁的干旱。而硅具有增强作物的耐旱性与耐受性的作用，因此针对干旱胁迫，许多科研人员从硅肥入手，探究硅肥对干旱胁迫下作物的影响。张杰等[11]通过比较干旱条件下施加外源硅的燕麦与不施加外源硅的燕麦的转录组得出，在干旱条件下，硅可以改变燕麦体内234个基因的表达水平。施加外源硅后，燕麦体内的众多基因的富集程度显著提高，其中包括与氧化还原酶活性、细胞氮化合物代谢、细胞大分子代谢过程等相关的基因。该研究表明施加外源硅可能使燕麦幼苗相关代谢基因表达量增加，进而增强燕麦的耐旱性。苟振宇等[12]研究发现，在旱地种植胡麻时施用含有硅的肥料能有效促进胡麻生殖生长中后期干物质积累。同时可以调控胡麻的灌浆速率，优化灌浆进程，对旱地胡麻的生长发育有明显促进作用。苏庆旺等[13]研究发现，在干旱条件下施用适量硅肥可以使水稻根系活力增加，进而增加叶片内叶绿素含量。同时可以减缓叶片的衰老，协调干物质的转运，进而通过增加水稻的穗数、穗粒数、结实率和千粒重增加干旱条件下的水稻产量。

2.4 作物产量

提高作物产量是解决粮食危机的一大重要方式，目前众多学者普遍认为施用硅肥可以显著提高作物产量。胡志华等[14]在江西省南昌市中稻-再生稻基地试验中发现，硅肥等改良剂可抑制土壤酸化对水稻的影响，使中稻-再生稻头季产量显著增加，并且其效果优于施用生物石灰。明亮等[15]通过盘锦市水稻试验，分析得出有机硅肥料可改善水稻成穗数、穗粒数等，有效增产。姜灏等[16]也在秧田试验中发现，喷施液体硅肥的水稻产量比常规对照增产288 kg/hm2，增产率达3.0%。苏庆旺等[17]在田间试验中发现，在灌浆期，适量施用硅肥能够缓解干旱条件对水稻的影响，能够促进水稻增产。郭荟等[18]通过早、晚稻实验发现，施用硅肥可以增加水稻有效穗数和穗粒数，以此实现增产。对于水果，前人研究表明生物有机肥可增加苹果和芒果产量。吴文利等[19]在福建省三明市梨园试验地的试验中发现，施用含有硅的改良剂可以改变梨体内的有机质含量，同时可以提高土壤中亮氨酸氨基转肽酶、N-乙酰-β-D-葡萄糖苷酶及酰基载体蛋白的活性，显著增加了梨的产量。林兆里等[20]在广西壮族自治区甘蔗农场试验中发现，硅肥能提高甘蔗的单茎重、有效茎数、成茎率和蔗茎产量。张志伟等[21]在潍坊昌邑市液体硅肥喷施小麦试验中发现，喷施硅肥可以增加小麦穗数、穗粒数和千粒重，进而提高小麦的产量。姜春月等[22]在海盐县农场试验中研究发现，硅肥处理可以有效缓解因倒伏造成的减产，提高小麦产量。

2.5 抗虫性

虫害是当今世界上作物种植所面临的难题之一，如何有效抑制虫害成为许多科研人员研究的重要方向。众多研究表明，施用硅肥可以起到防御植食性昆虫的作用。李克仁等[23]研究发现，施硅可以增强水稻自身的抗虫性、抗病性、抗旱性等。Kvedaras等[24]研究发现，施用硅肥可以磨损螟虫的取食口器，降低植株可食性。同时可以抑制螟虫的生长、发育和繁殖。林兆里等[25]在施用硅肥对甘蔗抗条螟性及其产量的影响实验中，在实验农场将实验组置于田间螟虫自然侵害下，统计了各组甘蔗枯心率，计算施硅量和枯心率的关系，证明了两者呈现负相关关系。对成熟期甘蔗施用不同含量的硅肥，发现枯稍率、螟害节率等抗条螟性指标随硅肥施用量增加而呈现降低趋势。这一发现初步证明了硅肥在抗条螟虫方面的作用。

2.6 营养物质积累

目前众多研究表明，施用硅肥可以促进玉米、小麦等作物的营养物质积累，增加作物的矿物质、有机质含量，具有很高的经济价值。徐呈祥等[26]研究发现硅肥与植物吸收矿物质的生理过程有很大的联系。增施硅肥后，作物的穗内氮含量提高，茎和叶内氮含量降低，转移了氮的分布地点，促进了光合作用的进行，提高了作物蛋白质和淀粉含量；同时，他们研究发现增施硅肥可以提高磷元素的有效性，可以促进含磷元素少的农作物吸收磷元素，抑制含磷元素多的农作物吸收磷元素，使磷元素更加平衡地分配到农作物当中，物尽其用，使磷元素发挥更大作用，促进农作物的生长，提高作物的营养价值。贾国涛等[27]研究发现，施外源硅增强了作物对氮、磷等元素的耐受性、有效调节了气孔开闭、提高了叶绿素含量等，进而增加光合产物的积累。江灏等[28]研究发现喷洒液体硅可以提高农作物中二氧化硅的含量，从而可以使农作物挺拔，增加有效的光照面积，提高光合作用，使农作物中淀粉含量增加，提高作物营养价值。鞠舒娜等[29]研究发现液体硅肥可以抑制农作物发生病虫害的概率，从而使农作物营养价值得到保证。同时液体硅肥具有促进早熟的作用，缩短农作物果实的发育时间，增加有机物含量，提高作物的营养价值。顾亮等[30]研究发现，增施硅肥后农作物的抗倒伏能力得到了提高，同时作物的有机质含量也得到了提高。在正常施加氮磷钾复合肥的同时，在根部和叶子上施加液态硅肥，可以显著提高作物可溶性糖、总酚含量及总黄酮含量。

2.7 盐胁迫

盐胁迫对植物的生长发育具有很大影响，盐胁迫会抑制植物的生长发育，破坏植物的细胞结构，并且会产生离子毒害和破坏正常代谢等。目前有研究表明，硅可以调控植物的耐盐性，能够提高植物的耐盐能力[31]。Garg等[32]研究发现，施用硅肥可以降低植物对Na+的吸收，增加K+与Na+的吸收比率，进而减弱盐胁迫对植物生长发育的影响。顾跃等[33]在湖南涉外经济学院校内温室的试验中发现，在盐胁迫下，施用硅肥可以提高植物中保护酶的活性，从而减轻在盐胁迫下活性氧自由基的伤害。张倩等[34]研究发现，施加外源硅可以降低棉花幼苗的活性氧积累，可以缓解盐胁迫对棉花幼苗生长的抑制作用，提高棉花幼苗抗盐性。

2.8 抗病性

近年来，硅肥作为第四大元素受到越来越多人的认可，施用硅肥不仅可以提高作物的产量与质量，还能提高作物的抗性。Dallagnol等[35]通过研究，最终发现在种植菜豆时施用硅肥可以提高超氧化物歧化酶、抗坏血酸过氧化物酶和谷胱甘肽还原酶活性，从而降低炭疽病菌对菜豆的危害。Rodrigues等[36]研究发现，在种植豌豆时施用硅酸钾可以增强几丁质酶和β-1，3 -葡聚糖酶的活性从而可以降低豌豆叶枯病的发病率。刘月等[37]研究发现，在种植甜瓜时对叶面喷施硅酸钠显著提高了甜瓜叶片中过氧化物酶、苯丙氨酸解氨酶及多酚氧化酶活性，增加了木质素、总酚和类黄酮含量，有效的增强了植株自身的免疫抗病系统，并且在生育后期对叶面喷施硅肥可有效增强光合特性，提高酶活性，降低白粉病发病率，促进植株生长，增加单株产量，提高果实品质。

3 现状分析与展望

目前的众多研究已经证明，在作物生长发育期间施用硅肥对作物有许多方面的益处。本团队在对大蒜的研究中也发现，科学使用无机纳米水溶硅可以促进大蒜发育，提高大蒜和蒜薹产量，提高蒜杆粗度，提高大蒜内蛋白质含量，诱导一些与产量有关的基因表达（数据待发表）。以上表明，硅可以作为一种常规高效的肥料被广泛应用于大多数硅累积型作物。

目前人们对硅肥作用的研究，多数是研究其对作物产量与抗病性方面的影响，对于作物面对盐胁迫和虫害时施用硅肥的研究较少。并且近些年来，对于硅肥的作用机理大多还停留在从物理屏障和生化生理方面进行分析研究，仅有少数是从分子机制方面进行研究的。对于这种情况我认为未来对于硅肥的研究应该主要从其分子机制方面入手，主要研究硅促进作用的关键路径和生化途径。未来我们可以利用基因组测序、蛋白质测定等方法对施用硅肥的作物与不施用硅肥的作物进行生物信息学分析，全面系统的对比研究其中的差异，从而为开发更加高效的使用硅肥奠定基础，为农业提质增效增产做出贡献。