水稻的硅素营养诊断与施肥

水稻的硅素营养诊断与施肥【摘要】硅在土壤中的含量仅次于氧。在土壤溶液中硅主要以硅酸的形式存在，其浓度一般为0.1～0.6mM。几乎所有的植物组织器官或多或少都含有硅。在以前的研究中，硅对植物生长发育所起的作用没有得到足够的重视，主要原因在于自然界中硅大量存在并且缺硅引起的植物的表型变化不明显。现在已经逐渐认识到缺硅是限制作物产量的一个重要因素，特别是对那些生长在硅含量较少的土壤上和硅大量积累的植物如水稻。硅是水稻生长发育所需要的有益元素，对水稻的产量和品质等方面有着重要的影响。水稻具有较强的吸硅能力，在地上部其含量可以达到干物重的10%，被认为是典型的吸硅作物。硅在水稻生长发育过程中具有重要作用，认识清楚水稻对硅元素的吸收特点和硅元素对水稻作用的机制，将会有利于人们更加合理的运筹肥料，最大限度的提高水稻产量和品质。本文主要就目前水稻硅营养的研究进展做简要综述。【关键词】水稻硅素营养硅肥施肥技术硅在自然界的分布占第3位，仅次于氧和氢。硅在地壳中的含量仅次于氧，居第2位，丰度为29.5%。作为单子叶植物研究的模式植物，有关水稻硅素营养的研究始于20世纪20年代。早在1926年，美国加州大学Sommer首先提出硅与水稻的正常发育有关，并提出了水稻是喜硅作物，硅素是水稻良好生长的必需元素[1]。至20世纪50年代中期，近30年的时间里，研究工作主要是探讨硅素在水稻生理上的作用。20世纪50年代后，以日本、韩国为首的主要产稻国，为增加稻米产量、缓解粮食短缺问题，着手进行水稻硅素营养的研究，德国和美国先后开发利用了工业废渣作为新型硅肥[2]，对提高水稻产量起到了一定作用。东南亚等产稻国已把硅肥列为继氮磷钾之后的第四大元素肥料[3]。我国是世界上主要产稻国之一，水稻生产在我国粮食生产中占有重要的地位。但我国对水稻硅素的研究起步较晚，从20世纪70年代开始着手，20世纪80年代初才逐步展开相关研究。本文主要从施硅肥的作用、水稻植株吸硅特性、施硅对水稻生产的影响等方面研究进行综述，以期提出相应的预防措施和施肥建议。1水稻对硅素的吸收特性一般认为，水稻所吸收的是溶解于水的离子或分子状态的硅酸。水稻作为喜硅植物，对硅酸有强大的吸收能力，并且是与代谢有关的积极吸收能力，但这种能力只局限于根部[4]。水稻的生育特点决定了在不同的生长期，同一生育期的不同器官，对硅的需求也各不相同。。水稻吸收硅的数量基本上随着生育进程而增加，进入生殖生长期，水稻对硅的吸收量开始增大。据报道，水稻对硅的吸收，营养生长期为9.1%～9.6%，生殖生长期为65.3%～66.5%，成熟期23.8%～25.6%[5]。由此可见，生殖生长期是水稻硅素营养的重要时期，在这一时期满足水稻对硅素的需求，对水稻高产有重要作用。另外，未曾发现水稻因大量吸收硅素而引起毒害现象。硅在水稻体内的分布遵循“末端分布律”，即地上部多于地下部，叶多于茎。就整个植株而言，硅含量是颖壳叶片叶鞘茎根。颖壳中硅含量可高达干重的20%左右，而根中仅约为2%。在不同叶位中，剑叶硅含量最高。从生育期上看，前期硅大量分布在茎和叶鞘上，后期则大量分布在穗上[6]。2水稻施硅肥的生理效应硅元素没有被列入植物必需的16种营养元素之中。但是，日本高桥英一研究了175种植物，其中：嗜硅植物有42种，占24%。对禾本科、莎草科等嗜硅植物，硅是必须元素，对非嗜硅植物如番茄、黄瓜等，缺硅易患生理病，硅是有益元素。作物对硅的吸收量远大于氮磷钾三要素的总合。水稻每生产100千克籽粒需硅22千克，是氮磷钾总和的4.4倍[7]。硅在植物生长生育中是否为必要元素,目前还没有一致结论，但对水稻的增产效果已无异议。2.1硅对水稻光合作用的影响施硅能改善水稻株型，使叶与茎夹角缩小，叶片挺立，减少叶片互相遮荫，形成受光良好的株型，硅主要通过沉积于茎叶表皮细胞，与角质层之间形成了硅一角质二层结构，从而影响叶片的直立度；硅可抑制植物的水分蒸腾，使叶片在强光下不致过度失水萎蔫；促进水稻叶肉细胞中叶绿体的体积增大，片层结构和基粒增多，有利于光合磷酸化的进行，使叶中ATP的含量较高；水稻中的硅化细胞对散射光透过量是绿色细胞的10倍，从而增加了对光的吸收，并且施硅可改善冠层受光姿态，增大最适叶面积，可以使冠层光合作用增加10%以上；施硅能提高叶片中叶绿素含量和剑叶光合速率，抑制基部叶片POD活性，从而减轻其木质化程度，有利于延缓基部叶片的早衰[8]。缺硅使部分幼叶失绿，叶片下垂，角度增大，受光姿态恶化，光合作用的效率下降。2.2硅对水稻根系的影响施硅能促进水稻根系发育，增加根量，提高根系氧化能力，延长根系的功能期，避免早衰[9]；施硅浓度增加，水稻根冠比降低，有可能在适宜的硅浓度（SiO280～100mg/kg）范围内，更能促进地上部分的生长[10]。研究表明，水稻施用硅肥后，增加了水稻根系的氧化力，使铁、锰在根系表面被氧化成不溶性的形态而沉积，降低了水稻对铁、锰的吸收，从而减轻亚铁和锰的毒害，增加了根量，促进了根系对其它养分的吸收。据赵全志[11]报道，水稻旱育秧苗施用硅肥处理后，根系氧化力较未施用硅肥处理的显著提高，且根系还原力也有一定提高；水育秧苗施用硅肥处理后，水稻根系氧化力略有提高，而根系还原力提高较明显。柯玉诗[12]报道，水稻施用硅肥与不施用硅肥相比，根活力提高1.12～1.13倍，发根量增加20%～30%。2.3硅对水稻抗逆性的影响有大量的研究表明，水稻施用硅肥后，水稻的抗病虫害能力和植株的抗倒伏性、抗旱性得到了增强。臧惠林报道，水稻施用硅肥后，纹枯病、稻瘟病的发病率与病情指数均低于不施用硅肥的水稻，并认为：硅素沉淀于表皮细胞，使之硅质化，起到了对病菌孢子机械屏障作用，抵抗其侵入力增大[13]。张翠珍等报道,水稻施用硅肥后,穗颈瘟病、胡麻叶斑病和稻曲病的发病率较对照有大幅度下降，且对螟虫的危害有一定的控制作用[14]；硅是细胞壁的组成成分，能使细胞壁增厚，维管束加粗，节间缩短，增强茎干、叶片的机械强度，使作物不易倒伏，抗倒伏能力可提高80%左右。作物吸收硅肥后，在作物体内形成硅化细胞，使茎、叶表层细胞壁加厚，角质层增加；硅的积累和分布的特点，使水稻表皮细胞的通透性显著降低，可降低蒸腾量30%以上，防止了水稻的过度蒸腾，相对提高了抗旱能力[15]。水稻叶片表皮细胞表皮下一层硅与纤维结合后被另一层覆盖，形成双硅层。双硅层能调节气孔开闭,，减少水分蒸腾损失，抗干热风，有利于提高抗旱性[7]。2.4硅对其它营养元素吸收的影响硅对水稻的矿质营养有很重要的作用。施硅能促进水稻对氮、磷、钾的吸收，改善植株的磷素营养。据王一凡研究，采取硅、磷及硅、氮、磷复混施用，可提高氮、磷肥的利用率，其中，氮的利用率提高幅度为18.6%～26.2%，并且可调整硅氮比和硅磷比，使营养更协调[16]。另有研究表明，水稻施用硅肥后，可降低水稻高氮的负面影响，使水稻所含氮素的百分比降低，它使稻株茎叶部分含氮量减少，而穗部含氮量增加，有利于籽粒中蛋白质等的形成和淀粉的合成。有试验结果表明，施用硅肥可以调节水稻在不同阶段对氮、磷、钾元素的需求，在它们施用过量时，有抑制供给的作用。例如，在磷肥供给非常充足时，施用硅肥有抑制磷吸收的一面，但是当磷缺乏时，施用硅肥会促进植物体内已经吸收的磷的移动，对磷的吸收产生积极的影响。另外，我们初步实验结果表明，施用硅肥可增强土壤中磷的有效性。水稻施用硅肥对钾肥的影响，一般认为，在钾肥需量保证的情况下，水稻施用硅肥的效果会更好。但关于施用硅肥对钾素的影响，国内报道意见相左，有的研究结果认为硅对钾素的吸收影响规律不明显，有的研究结果则认为水稻施用硅肥后植株钾含量增加[2]。3水稻缺硅素营养原因在以前，我国农业生产水平不高，作物产量较低，农民又有施用含有硅养份的有机肥的习惯，因此作物从土壤中吸收的硅量就够了。自从我国开展“两高一优”的农业政策以来，化肥用量不断增加，而农家肥用量越来越少，使土壤缺硅矛盾日益突出。另外，有研究显示，水稻对硅的吸收量远大于氮磷钾三要素的总和。每生产100kg水稻籽粒需硅22kg，是氮磷钾总和的4.4倍。加上水稻持续高产，土地复种指数较高，每年农作物从土壤中带走的硅素远远大于氮磷钾养分的总和，靠土壤硅的自然风化已难以维持平衡，再加上硅的淋溶渗漏损失，土壤很有可能缺硅。一般植物吸收土壤硅素主要是土壤溶液中单硅酸，而水稻吸收的硅70%以上是由土壤供应，约30%来自灌溉水。是否需要施硅，通常是以土壤供硅水平—有效硅含量和水稻植株含硅量来进行判断。土壤的供硅能力受很多因素的影响，例如成土母质、土壤质地、土壤有机质含量、耕层土壤中胶体态铁的氧化物含量、土壤淹水条件等。不同成土母质上发育而形成的土壤，硅的含量有很大差别，一般而言，发育在花岗岩、石英斑岩和泥炭上的土壤较易缺硅，而发育在玄武岩以及新火山灰上的土壤供硅能力较强[17]；土壤有效硅含量与土壤pH值和粘粒含量相关，认为土壤质地砂性和土壤反应酸性者缺硅。土壤有效硅主要来源于粘粒部分，粘粒含量与有效硅的相关性明显。除此而外，砂性土壤漏水，硅酸易随水流失，亦是缺硅的因素之一；有机质在嫌气分解下产生一些中间产物有机酸根，能助长阴离子的促溶，此种阴离子与硅素络合物能增加其溶解度，此外，厩肥、沤肥、河泥等农家有机肥含有一定的溶性硅素；另外，无定形铁含量高的水稻土易出现硅素供应不足现象，土壤淹水条件影响土壤供硅能力。4水稻硅素营养的评价指标及缺素症状Kauaguchi指出耕层土壤中有效硅含量低于105mg/kg时表示水稻缺硅，水稻植株含硅酸在5%～8%以下时易发生缺硅现象[18]。从外观看，水稻茎秆绵软、叶片披散如垂柳状、出现褐斑的可能是缺硅。分析SiO2含量，水稻剑叶小于12%为缺硅，茎秆小于10%为缺硅。但是不同地方的缺硅指标并不统一，如臧惠林提出水稻成熟茎叶SiO2含量100mg/g以下可以作为硅肥施用的指标。日本和朝鲜提出的指标为110mg/g，中国台湾省早稻为90mg/g。而秦遂初等提出把稻草含硅量11%作为施硅肥的临界指标[8]。水稻缺硅，叶片和谷壳上呈现褐色斑点，叶片成“垂柳叶”状。硅酸能促进作物体内磷素的移动，在硅不足的情况下增施氮肥，会导致稻叶中硅酸含量的下降，叶片下垂，影响光合作用，使其软弱倒伏，易受病虫危害。水稻发生缺硅的症状表现为：生长发育差，茎叶弯曲，叶片上产生褐色褪绿斑，抽穗迟，发生白穗，空瘪粒多，常出现畸形稻谷，在谷粒上产生褐色小斑点等。主要特征为：茎叶软弱，叶片披垂，手感柔软，植株易倒伏，易感染稻瘟病等。水稻缺乏硅素营养，除引起水稻植株倒伏和叶片下垂以外，还会引起水稻发生稻瘟病和胡麻叶斑病等。缺硅使部分幼叶失绿，叶片下垂角度增大，受光姿态恶化，光合作用的效率下降。5水稻硅肥的合理施用5.1施用范围土壤供硅能力是确定是否施用硅肥的重要依据。土壤缺硅程度越大，施肥增产效果越好，因此，硅肥应优先分配到缺硅地区和缺硅土壤上，有效SiO2含量在400mg/kg以下均可施用。不同作物对硅需求程度不同，喜硅作物施用硅肥效果明显，应重点安排在喜硅作物上，水稻属于典型的喜硅作物。由于硅肥具有改良土壤的作用，硅肥应施用在受污染的农田以及种植多年的保护地上。另外，酸性或微酸性红壤水稻土、漏水漏肥的红砂土、冷水田、低湿田、易发稻瘟病的田块适宜施用硅肥。5.2施用方法由于硅肥不易结块、不易变质、稳定性好，也不会下渗、挥发等损失，所以在土壤中保留时间很长，具有肥效期很长的特点。因此，硅肥不必年年施用，最好2-3年施用一次。其施用方法可以与有机肥、氮、磷、钾肥一起作基肥施用；养分含量高的水溶态的硅肥既可以作基肥也可以作追肥，但追肥时期应尽量提前。例如，在水稻生产中应在水稻孕穗之前施用，以更好地发挥硅肥肥效。5.3硅肥施用量应根据不同地块土壤有效硅的含量与硅肥水溶态硅的含量确定硅肥施用量。严重缺硅的土壤可适量多施，而轻度缺硅的土壤应少施。有效硅含量达到50%～60%的水溶态硅肥，每亩可施用6～10千克；有效硅含量为30%～40%的钢渣硅肥，每亩可施用30～50千克；有效硅含量低于3