硅藻土基硅肥的研究進(jìn)展

張育新，丁杰航，鄢文磊，饒勁松，劉冬，高立洪，張嵌

1.重慶大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400044；2.重慶大學(xué) 機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，重慶400030；3.中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所，廣東 廣州 400799；4.重慶市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，重慶401329；5.江西農(nóng)業(yè)大學(xué)，江西 南昌 330045

引 言

保證國(guó)家糧食穩(wěn)定供應(yīng)是民生的根本，修復(fù)耕地、提高耕地質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)糧食增產(chǎn)，肥料是不可忽視的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。但我國(guó)化肥使用仍然存在結(jié)構(gòu)不合理、利用率低、過(guò)量使用等問(wèn)題。肥料施用量不合理增加的背后原因是較低的化肥利用率，大量肥料通過(guò)淋溶、揮發(fā)、徑流等途徑流失，造成土壤及水體的污染。土壤中殘留的氮、磷、鉀等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)隨徑流進(jìn)入水體中，不僅影響了水體的水質(zhì)，更造成了嚴(yán)重的水體富營(yíng)養(yǎng)化。

化肥亂用濫施給土壤、水體、大氣造成了不良影響，糧食增產(chǎn)-良田悖論使得傳統(tǒng)化肥的施用陷入惡性循環(huán)，為突破化肥困境尋求新的糧食增產(chǎn)點(diǎn)，功能型硅肥的功效逐漸脫穎而出。植物中硅是必不可少的第四元素，對(duì)植物質(zhì)量、穩(wěn)定性和生產(chǎn)率起著重要作用。施用硅肥可以給植物、動(dòng)物和人體輸入有機(jī)硅[1]。硅是植物細(xì)胞壁的重要構(gòu)成元素，與水果酸、聚脲酸等植物物質(zhì)構(gòu)成穩(wěn)定性較高的細(xì)胞壁。硅與木材形成溶解盤(pán)復(fù)合體，聚集在細(xì)胞壁上，提高組織的機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定性，防止害蟲(chóng)入侵，加厚表皮細(xì)胞壁；加粗維管束，抗倒伏性能力增強(qiáng)，能有效提升作物產(chǎn)量，改善品質(zhì)[2-4]。硅酸能置換土壤中的磷酸根離子，從而增加有效磷的釋放。此外，施加硅肥能降低土壤對(duì)磷的吸附結(jié)合能，從而增加了易解吸磷的含量，改善功能葉的生態(tài)，促進(jìn)對(duì)氮、磷、鉀元素的吸收。硅肥對(duì)水稻的抗逆增產(chǎn)、抗倒伏、抗病蟲(chóng)害、減輕Fe、Mn毒害效果顯著[5-7]。硅還能增加葉面積指數(shù)，提高氨基酸產(chǎn)量和轉(zhuǎn)氨酶活性[8]，從而提高開(kāi)花后干物質(zhì)生成能力，提高抗逆性和營(yíng)養(yǎng)儲(chǔ)存強(qiáng)度，最終提高種群質(zhì)量。

硅素肥料雖然功能強(qiáng)大，可以一定程度促進(jìn)作物增產(chǎn)優(yōu)品，但是目前主流硅肥存在一定的問(wèn)題，如通過(guò)鍛造工業(yè)廢渣制得的硅肥，可能存在重金屬超標(biāo)的隱患，施入土壤中，會(huì)損害土壤性能，對(duì)環(huán)境造成污染；市面上的硅復(fù)合肥盡管營(yíng)養(yǎng)組分豐富，但有效硅的含量較低，僅大于20%；現(xiàn)代合成硅肥有效硅含量高，但由于操作工藝復(fù)雜，成本較高，難以普及。

硅藻土是由硅藻遺骸和軟泥固結(jié)形成的硅質(zhì)沉積巖。作為肥料載體和物質(zhì)緩釋調(diào)節(jié)劑，硅藻土可以增強(qiáng)肥料的理化性能，抑制肥料中養(yǎng)分的釋放，減少土壤養(yǎng)分的外流，提高肥料的利用率。用硅藻土制作硅肥的增產(chǎn)效果較好，肥料成本適宜，硅藻土緩釋作用節(jié)約肥料且肥力柔和，產(chǎn)出投入比遠(yuǎn)高于硅酸鈉，且其呈弱堿性的肥料特性，并符合農(nóng)民的施用習(xí)慣，能與農(nóng)民習(xí)慣施用的碳酸氫銨等常規(guī)酸性肥料拌和而不影響肥效。在硅營(yíng)養(yǎng)缺乏的條件下，從目前市場(chǎng)產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益來(lái)分析，除去肥料成本后，施用硅藻土能獲得最佳的施肥效益。硅藻土基硅肥擁有其他硅肥所不具有的優(yōu)良特性，故而對(duì)硅肥及硅藻土基硅肥的研究具有重要的意義。

硅藻土基硅肥是活化土壤、修復(fù)土壤酸度、加速有機(jī)物分解、提高農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)的高級(jí)肥料，并有利于貯存和運(yùn)輸[9]，兼具硅藻土與硅肥的統(tǒng)一功效。硅藻土含有豐富的有機(jī)質(zhì)，又具有獨(dú)特的多孔結(jié)構(gòu)，可為微生物菌劑的生長(zhǎng)、繁殖和存活提供良好的微環(huán)境條件，是生物菌肥的良好載體。硅藻土孔隙率高、持水性好，不僅對(duì)長(zhǎng)期保持菌肥內(nèi)部的水分含量有利，同時(shí)還可為土壤微生物生存提供良好的微環(huán)境條件，促進(jìn)土壤自適應(yīng)循環(huán)能力。硅藻土通透性?xún)?yōu)秀，能加快氣體擴(kuò)散，增大氧氣濃度，還可以吸附培養(yǎng)液中的氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)用來(lái)維持細(xì)菌的生長(zhǎng)，所以硅藻土基硅肥在供給農(nóng)作物養(yǎng)分的同時(shí)還參與土壤微生物的養(yǎng)護(hù)，修復(fù)土壤，實(shí)現(xiàn)1+1>2的功效。

1 硅藻土基硅肥與傳統(tǒng)硅肥對(duì)比分析

1.1 傳統(tǒng)硅肥與硅藻土基硅肥的定義

傳統(tǒng)硅肥可分成三種：一是熔渣硅肥，熔渣硅肥主要原料來(lái)自煉鋼鐵的副產(chǎn)品熔渣[10]。在鐵冶煉過(guò)程中，鐵礦石中的多種污染物不可避免地向鋼鐵渣中遷移，導(dǎo)致BFS(主要是Ni、Cu、Hg、Zn、Cd、Cr、As、Pb、Se、F、Cl)和SS(主要是Ni、Cr、Cd、Zn、F、C)中的污染物富集，其中部分污染物(特別是Cr、Ni、F、Cl)超過(guò)了土壤和地下水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的限值,鋼鐵渣中錳、鋇、釩的元素含量高于土壤環(huán)境背景值[11]。為保證土壤健康、食品安全和環(huán)境質(zhì)量，如果對(duì)鋼鐵渣等工業(yè)固體廢棄物不進(jìn)行任何減少有害污染物的預(yù)處理，不能將其直接用于農(nóng)田土壤修復(fù)或固體廢棄物處置，以防止污染物進(jìn)入食物鏈，危害人體健康。

第二種是水溶性硅肥。以硅酸鈉、硅酸鉀等為主，其他輔助成分含量少，水溶性二氧化硅含量為50%～60%，有效硅含量高，但成本較高[12]。

第三種是硅復(fù)合肥，是將硅肥添加到N、P、K復(fù)合肥中經(jīng)造粒而成，營(yíng)養(yǎng)元素全面，非常適合測(cè)土配方施肥[13]。優(yōu)點(diǎn)是含有營(yíng)養(yǎng)元素，施用方便，農(nóng)民易操作，但其有效硅含量較低。

硅藻土基硅肥是一種新型可溶性硅緩釋肥，用松香包膜劑包被，經(jīng)造粒制備而成。硅酸鹽以硅藻土為原料制備，有效硅含量高達(dá)70%，同時(shí)硅藻土中各類(lèi)重金屬含量低。這種肥料溶于水，能緩慢釋放肥效，與土壤的親和性可以促進(jìn)土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成[14]。硅藻土基硅肥用經(jīng)過(guò)改性處理后的具有多孔結(jié)構(gòu)的硅藻土為承載體，其可以搭載硅藻等微生物和硅肥有機(jī)肥，也可以吸附土壤重金屬，具有優(yōu)良的實(shí)用價(jià)值。四種硅肥綜合對(duì)比如表1所示。

表1 四種硅肥綜合對(duì)比

1.2 硅藻土基硅肥與傳統(tǒng)硅肥的對(duì)比

劉冬提出一種硅藻土基硅肥的通用制備方法[15]，其包括：將硅藻土浸置于堿性溶液中，一般為含鉀、鈉離子等溶解度較大的強(qiáng)堿性溶液。形成懸濁液后對(duì)懸濁液進(jìn)行充分的加熱處理，提取出有效硅成分。然后冷卻靜置進(jìn)行過(guò)濾，取出上層濾液。向?yàn)V液中加入適量生石灰充分反應(yīng)一段時(shí)間后，冷卻靜置過(guò)濾，取濾渣干燥后研磨即為緩釋硅鈣鹽。以畜禽糞便、作物秸稈、餐廚垃圾等有機(jī)廢物為材料，通過(guò)官能團(tuán)的定向改造和微生物靶向賦能，創(chuàng)制集氮磷流失阻控、土壤重金屬鈍化、微生物活化于一體的氮磷重金屬多向阻控有機(jī)肥。然后將硅鈣鹽、硅藻土、多向阻控有機(jī)肥充分均勻進(jìn)行造粒，并用黏結(jié)劑作為支撐層、石蠟作為有機(jī)外層的復(fù)合包膜，最終形成一種硅藻土基緩釋多向阻控復(fù)合硅肥。

重慶大學(xué)張育新團(tuán)隊(duì)研制出得一款硅藻土基硅肥，具體執(zhí)行細(xì)節(jié)如下：所述強(qiáng)堿性溶液一般為含鉀、鈉離子等溶解度較大的能與二氧化硅反應(yīng)的強(qiáng)堿性溶液，該堿性溶液加入量與改性后的硅藻土的比例有關(guān)，能使得硅藻土中有效硅大部分被溶解出來(lái)。將硅藻土和堿溶液充分混合得到的懸濁液進(jìn)行加熱(溫度90～100 ℃為宜)，以加快反應(yīng)速度。冷卻靜置處理后進(jìn)行過(guò)濾，需反復(fù)粗濾后再進(jìn)行精濾得到上層清液。向上層清液中加入生石灰，有效硅將以固態(tài)的硅酸鹽形式產(chǎn)出，取濾渣清洗后干燥處理，再研磨成細(xì)粉狀。造粒成分為硅鈣鹽、硅藻土、有機(jī)肥填料，將三者混合均勻備用，用凹凸棒粉作為支撐層，石蠟作為有機(jī)外層，通過(guò)高速攪拌機(jī)將凹凸棒粉分散在熔融的石蠟溶液中，制備復(fù)合包膜液進(jìn)行包膜，該硅肥有效硅含量高達(dá)70%以上。

相比之下，目前國(guó)內(nèi)多數(shù)小型硅肥廠，生產(chǎn)硅肥的原料主要有4個(gè)來(lái)源[16]：(1)煉鐵過(guò)程中產(chǎn)生的有效硅含量?jī)H為25%～30%的高爐熔渣；(2)黃磷或磷酸生產(chǎn)中產(chǎn)生的有效硅含量達(dá)20%～30%的廢渣；(3)粉煤灰，有效硅含量達(dá)15%～20%；(4)鉀長(zhǎng)石。高爐熔渣、黃磷渣和粉煤灰是廢棄資源綜合利用，生產(chǎn)成本低，但粉煤灰用量大、肥效低，而以鉀長(zhǎng)石為原料生產(chǎn)的硅肥活性硅含量達(dá)35%，但是其養(yǎng)分有部分水溶態(tài)，總養(yǎng)分含量較低。小規(guī)模的硅肥廠都是用球磨機(jī)處理原料，造粒后當(dāng)作硅肥出售。制得的硅肥比土壤中的硅更易被吸收，但由于其溶解度非常低，植物吸收非常緩慢，施用后效果甚微。

相比其他硅源，硅藻土作為一種十分豐富的礦產(chǎn)資源，由于其具有多孔性、吸附力強(qiáng)、質(zhì)輕、化學(xué)性能穩(wěn)定、有效硅含量高等特點(diǎn)，非常適合與肥料相結(jié)合應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。廣西勤德亞熱帶作物研究院通過(guò)對(duì)硅藻土礦產(chǎn)進(jìn)行一系列科學(xué)化精細(xì)加工，在生產(chǎn)應(yīng)用上使其與有機(jī)肥、無(wú)機(jī)肥、復(fù)混肥產(chǎn)品相結(jié)合，達(dá)到了保水保肥、化肥緩控釋放以及為作物大量補(bǔ)充硅元素的多重功效[17]。硅藻土制成肥料成本適宜，硅藻土緩釋作用節(jié)約肥料且肥力柔和，并符合農(nóng)民的施用習(xí)慣，產(chǎn)出投入比遠(yuǎn)高于硅酸鈉，且其呈弱堿性的肥料特性，能與農(nóng)民習(xí)慣施用的碳酸氫銨等常規(guī)肥料拌和而不影響肥效[18]。

2 硅藻土基硅肥的作用原理

2.1 硅藻土基硅肥提高植物抗病、抗蟲(chóng)、抗旱的原理

施加硅藻土基硅肥能夠?qū)χ参锴o腐病、小麥菌核病、白葉枯病、胡麻葉斑產(chǎn)生抗性。這種阻力抗性是由于細(xì)胞質(zhì)硅濃度增加導(dǎo)致細(xì)胞中硅層厚度增加，進(jìn)而導(dǎo)致葉結(jié)構(gòu)發(fā)生變化產(chǎn)生的。其抗病性主要是通過(guò)增強(qiáng)硅對(duì)細(xì)菌細(xì)胞入侵的結(jié)構(gòu)應(yīng)激抵抗力，促進(jìn)細(xì)菌免疫物質(zhì)的分泌和釋放，調(diào)節(jié)生理代謝，從而減少細(xì)菌的傷害。硅藻土基硅肥無(wú)定形SiO2含量很高，這些硅素積極參與了生物化學(xué)防御過(guò)程，可以誘導(dǎo)感病植物產(chǎn)生酚醛類(lèi)、黃酮類(lèi)等抗毒素物質(zhì)[19]。

抗蟲(chóng)害方面，施用硅藻土基硅肥可以增加根部厚度、內(nèi)源干重，增加內(nèi)部硅酸鹽和纖維素含量，降低半纖維素含量，提高抗彎強(qiáng)度，因此硅在一定程度上增加了植物的抗性，降低了植物害蟲(chóng)的選擇性，賦予植物對(duì)外界害蟲(chóng)特定的物理抗性，從而降低害蟲(chóng)的入侵程度。而且，富含硅的植物降低了昆蟲(chóng)的消化能力，從而降低害蟲(chóng)生長(zhǎng)繁育速度，增加了對(duì)害蟲(chóng)的抵抗力[20]。此外硅藻土基硅肥中保留部分完整的硅藻土多孔顆粒，毛細(xì)作用使得其可以通過(guò)孔道吸收水分或肥料進(jìn)入其空腔內(nèi)部，這種強(qiáng)烈的吸水性，可對(duì)根部害蟲(chóng)進(jìn)行體液消耗，同時(shí)微觀上硅藻土具有銳利的微小邊緣，能刺破害蟲(chóng)體表，對(duì)根系防治害蟲(chóng)具有顯著功效。

硅藻土基硅肥對(duì)植物的抗旱作用主要是通過(guò)提供高質(zhì)量的有效硅增加根系的數(shù)量和長(zhǎng)度，增加足夠的接觸面積，吸收更多水分。同時(shí)，由于硅藻土空腔可以貯存一定量的水或肥料，使得植物在抗旱階段可以有重要補(bǔ)給。硅藻土基硅肥中的硅素能通過(guò)減少膜的氧化損傷，提高了植物對(duì)水分脅迫的耐受力，從而提高了根的透水系數(shù)。硅藻土基硅肥中的硅素處理不會(huì)直接促進(jìn)根系生長(zhǎng)，但會(huì)提高植物根系的分枝率，增加水分吸收，增強(qiáng)植物營(yíng)養(yǎng)素的攝入。研究表明，硅藻土基硅肥中的硅酸鹽處理后的植物可以保持較高的氣孔導(dǎo)性、蒸騰率、葉片含水量、根和植物整體水力傳導(dǎo)性[21]。

2.2 硅藻土基硅肥減緩重金屬毒害的原理

硅藻土基硅肥的應(yīng)用可以有效減少土壤中特定重金屬的毒性作用，對(duì)土壤重金屬吸附率高達(dá)70%。硅酸根離子螯合會(huì)形成重金屬硅酸鹽化合物，通過(guò)影響根的氧化力減少重金屬的活動(dòng)。植物對(duì)重金屬的吸收受土壤pH的影響，而硅藻土基硅肥呈現(xiàn)弱堿性可以調(diào)節(jié)土壤酸堿度來(lái)促進(jìn)重金屬的鈍化，硅素可以影響植物內(nèi)蛋白質(zhì)的含量，來(lái)增強(qiáng)其對(duì)重金屬的抗性。硅藻土基硅肥中的硅藻土成分運(yùn)用水滑石LDH靶向改性技術(shù)，使得硅藻土進(jìn)一步增大表面孔隙率，可針對(duì)性地吸附絕大部分重金屬離子。硅藻土基硅肥釋放的硅素在植株地上部分的沉淀，從而阻礙重金屬向地上部分的遷移或雨水沖刷重金屬到地下水的流動(dòng)。研究表明，施用硅藻土基硅肥可有效降低水稻對(duì)土壤中鎘、鉛的吸收以及減弱對(duì)植物的毒性[22-23]。許鳳麗發(fā)現(xiàn)不同形式的硅肥對(duì)砷也有不同的影響[24]。由于硅和砷對(duì)土壤測(cè)試物質(zhì)的相互吸附，施用硅藻土可使土壤中硅的濃度提高到適合植物生長(zhǎng)的水平，同時(shí)也能減少砷的攝入量。硅藻土基硅肥處理后，隨著光照強(qiáng)度的增加，羧化酶活性、可溶性蛋白含量、根干鮮重和成熟黃瓜葉片對(duì)重金屬的抗性均增加。

2.3 硅藻土基硅肥增產(chǎn)的原理

研究表明，硅藻土基硅肥中的硅有助于將碳水化合物運(yùn)輸?shù)焦麑?shí)中。主要原因包括：硅藻土基硅肥中的硅改善了根的活動(dòng)并防止它們?cè)诤笃诶匣?；施用硅藻土基硅肥后的植物的機(jī)械組織堅(jiān)挺，迎光面積大光線較好，同時(shí)葉綠體的大小增加，基粒的大小增加，進(jìn)而產(chǎn)量增加。硅藻土基硅肥的緩釋效果促進(jìn)每株煙草植物的葉片數(shù)量增加，延遲成熟，使得煙草葉片純熟晚于莖枝，這不僅保證了煙草葉片營(yíng)養(yǎng)充分，延緩生長(zhǎng)發(fā)育期，推遲早期生長(zhǎng)，為煙草葉片的生長(zhǎng)提供充分的保障，提高養(yǎng)分濃度，從而保證煙葉的品質(zhì)和產(chǎn)量[25]。肖尚華等[26]發(fā)現(xiàn)，在土壤中施加硅藻土基硅肥后可以提高根系細(xì)胞的氧化力，在土壤中增加了根部細(xì)胞的氧化作用，降低了重金屬元素和還原劑對(duì)根系的毒性，而硅藻土基硅肥中負(fù)載的活性硅藻能夠進(jìn)行光合作用，為根系供應(yīng)充分的氧氣，強(qiáng)化根系生理作用吸收養(yǎng)料。鄧接樓[2]注意到使用硅藻土基硅肥有助于提高膜脂過(guò)氧化作用，減少功能葉片的老化，改善植物干物質(zhì)的組成和積累，增加酸度；同時(shí)通過(guò)提高酸性蔗糖轉(zhuǎn)化酶、蔗糖磷酸合成酶等相關(guān)酶活性，促進(jìn)了可溶性糖向淀粉的轉(zhuǎn)移。

2.4 硅藻土基硅肥減少化肥的原理

由于硅藻土基硅肥中的硅與其他養(yǎng)分相互作用，硅藻土基硅肥的施用可以調(diào)節(jié)植物對(duì)氮、磷的過(guò)量吸收，增強(qiáng)了植物對(duì)高氮的抵抗能力，緩解因?yàn)槭┯玫什划?dāng)而引發(fā)的貪青晚熟和倒伏[27-29]。硅藻土肥料具有納米級(jí)、表面積大、微孔多、天然重金屬吸附性、游離氨分子吸附強(qiáng)度達(dá)80%以上等優(yōu)勢(shì)。氨分子可在常溫下被吸附儲(chǔ)存，延長(zhǎng)氮肥釋放時(shí)間。硅藻土中富含有機(jī)質(zhì)，其中以蛋白質(zhì)為主。氮、磷、鉀的含量也比較豐富，此外還含有豐富無(wú)機(jī)鹽成分，可為土壤微生物的生長(zhǎng)繁殖提供良好的營(yíng)養(yǎng)條件，可活化土壤中被固定的營(yíng)養(yǎng)元素，刺激根系的生長(zhǎng)和吸收，可以減少相應(yīng)營(yíng)養(yǎng)元素的施肥量?？偟膩?lái)說(shuō)，硅藻土基硅肥中的硅在所有被分析的植物種類(lèi)和所有土壤類(lèi)型中是相似的，影響著植物對(duì)養(yǎng)分的吸收。Maria Greger等[30]研究表明，硅提高了土壤中Ca、P、S、Mn、Zn、Cu、Mo的有效性，Cl、Fe的有效性有提高的趨勢(shì)；硅對(duì)鉀、鎂的有效性影響不大；S、Mg、Ca、B、Fe、Mn營(yíng)養(yǎng)元素的吸收量增加，N、Cu、Zn、K、P營(yíng)養(yǎng)元素的吸收量減少，Cl、Mo營(yíng)養(yǎng)元素的吸收量不受影響。Mg、Ca、S、Mn、Mo等向地上部運(yùn)輸量增加，F(xiàn)e、Cu、Zn營(yíng)養(yǎng)元素的運(yùn)輸量減少，K、P、N、Cl、B營(yíng)養(yǎng)元素的運(yùn)輸量不受影響。結(jié)果表明，在土壤中培養(yǎng)植物，硅藻土基硅肥中的硅素能保持土壤溶液中養(yǎng)分的有效性，能夠彌補(bǔ)這些營(yíng)養(yǎng)元素在植物組織濃度的降低。

2.5 硅藻土基硅肥節(jié)水及土壤改良的原理

硅藻土基硅肥能影響農(nóng)作物蒸騰作用，以及提高根系導(dǎo)水率，可節(jié)約水資源。硅化細(xì)胞能增強(qiáng)植物細(xì)胞壁的強(qiáng)度。植株大，莖葉直，光照條件、通風(fēng)條件大大改善[31]。Yu Shi[21]研究表明，硅藻土基硅肥中的硅加入，解決了番茄生長(zhǎng)和光合作用受限的問(wèn)題，改善了水分脅迫下番茄的水分狀況。水分脅迫使番茄根系導(dǎo)水率下降，施硅顯著提高了根系導(dǎo)水率。水分脅迫增加了活性氧類(lèi)的產(chǎn)生并誘導(dǎo)了氧化損傷，而硅則逆轉(zhuǎn)了這些過(guò)程。此外，施硅還能提高根系中超氧化物歧化酶和過(guò)氧化氫酶的活性，增加抗壞血酸和谷胱甘肽的含量。Coskun devirm[32]研究還表明，硅藻土基硅肥中的硅使細(xì)胞膜氧化損傷的減少、根系導(dǎo)水率的增加，而硅通過(guò)提高番茄植株的根系導(dǎo)水率和吸水量來(lái)提高植株的抗逆性。另外硅藻土基硅肥中的硅藻土具有優(yōu)良的吸水性，能夠有效緩解水分下滲、蒸發(fā)。

硅藻土基硅肥進(jìn)入土壤后，可以直接釋放硅酸根離子，充分調(diào)動(dòng)土壤中硫酸鹽、磷酸鹽、硼酸鹽等陰離子的活動(dòng)，調(diào)節(jié)土壤陰離子和陽(yáng)離子的平衡。硅藻土基硅肥攜帶的鈣、鎂、鐵、銅等陽(yáng)離子也可使土壤元素更均衡化，硅藻土基硅肥是一種呈堿性的納米級(jí)肥料，能有效改善土壤的酸度(我國(guó)南方土壤普遍偏酸性)、促進(jìn)有機(jī)質(zhì)降解、抑制土壤基質(zhì)板結(jié)[33]，使得土壤的毛細(xì)管孔隙度總量在所有土壤高度，特別是0～20 cm處增加，毛細(xì)管孔隙度和總量位于10～20 cm高度的土壤增加最多，孔隙度增加達(dá)到5.47%。硅藻土基硅肥表現(xiàn)出水溶性，可以大幅度改善土壤透過(guò)性和土壤特性[34-35]。

圖1 各類(lèi)脅迫下硅藻土基硅肥增產(chǎn)修復(fù)

3 硅藻土基硅肥研究與應(yīng)用分析

3.1 硅藻土基硅肥研究分析

研究員劉冬[15]提出了一種硅藻土基硅肥制備方法，以硅藻土為硅素來(lái)源，制備了一種易于作物吸收的可多樣化施用的硅藻土基硅肥，從來(lái)源上降低有害雜質(zhì)含量，同時(shí)制備的有效硅易于吸收。張育新團(tuán)隊(duì)在此基礎(chǔ)上開(kāi)創(chuàng)了“硅三角一體化”的技術(shù)體系，開(kāi)創(chuàng)性地將“硅藻—硅藻土—硅酸鹽”構(gòu)建閉環(huán)：以硅藻土作為硅素來(lái)源制備硅酸鹽，同時(shí)作為優(yōu)良載體搭載硅酸鹽便于造粒，硅藻土在土壤堿化作用下分解為硅酸鹽再次被利用；硅藻作為土壤中唯一能夠進(jìn)行光合自養(yǎng)的土壤微生物能夠?yàn)橥寥捞峁┯袡C(jī)質(zhì)，增加土壤氧氣量，修復(fù)土壤微生物群落；硅酸鹽由硅藻土制備，有害雜質(zhì)含量低，可直接被作物吸收提升抗逆性以及調(diào)節(jié)光合作用和蒸騰作用，也是硅藻繁育所必需的營(yíng)養(yǎng)元素。硅藻土基硅肥應(yīng)用功效在于既解決現(xiàn)有硅肥使用弊端又強(qiáng)化了硅肥對(duì)植物的功能作用，同時(shí)硅三角體系拓展了硅藻土基肥料的研究意義，為進(jìn)一步深入研究提供了思路。

3.2 硅藻土基硅肥在果園、菜園中的應(yīng)用

硅藻土基硅肥可廣泛適用于蘋(píng)果、梨、桃、葡萄、棗樹(shù)、香蕉、柑橘、荔枝、龍眼、石榴、楊梅、芒果等多種果樹(shù)[36]。蔡德龍[37]證明，硅藻土基硅肥在蘋(píng)果上的施用可使產(chǎn)量提高10%以上。蔡德龍[38]研究表明，施用硅藻土基硅肥后，草莓產(chǎn)量增加約23.9%。與此一致，硅藻土基硅肥可以顯著提高對(duì)番茄、香蕉、棗和葡萄的產(chǎn)量[39]。

硅藻土基硅肥可改善蔬菜品質(zhì)。閆素芹[40]發(fā)現(xiàn)，給韭菜施用0.27%濃度的硅藻土基硅肥可溶性蛋白含量增加62.5%，維生素C含量增加19.8%，可溶性糖含量增加69%，韭菜品質(zhì)得到巨大優(yōu)化。

菜園、果園施用方法：施硅可分三季點(diǎn)施和溝施，單獨(dú)施用或與其他肥料混施均可，但硅藻土基硅肥與氮磷肥配合施用比單獨(dú)施用硅藻土基硅肥的增產(chǎn)效果和經(jīng)濟(jì)效益好。常見(jiàn)施用方法有穴施法、環(huán)狀溝施法、放射狀溝施法、條狀溝施法、全園施肥法[41]。

3.3 硅藻土基硅肥在大田農(nóng)作物中的應(yīng)用

推廣使用硅藻土基硅肥最適合的農(nóng)作物是水稻。根據(jù)農(nóng)民施氮磷肥的習(xí)慣，配合施用硅藻土基硅肥對(duì)水稻增產(chǎn)增收有顯著影響，不僅能提高株高、有效穗數(shù)、每穗粒數(shù)等水稻生物學(xué)特性，也提高了水稻抗旱、抗病蟲(chóng)害的能力。硅藻土基硅肥的施用可以加快水稻的成熟，硅源富足的水稻，植株堅(jiān)挺、葉尖直立、葉片迎光性好，光合作用效果佳；根系穩(wěn)固透水性好吸收養(yǎng)料活性強(qiáng)。硅素不充分的水稻一般具有下垂的葉子、細(xì)莖、短根、弱的抗病性和容易倒伏。嚴(yán)重的硅缺乏會(huì)導(dǎo)致葉片早衰和自下而上的位錯(cuò)，結(jié)實(shí)稻粒小，呈褐色。而使用硅藻土基硅肥能夠有效解決缺硅導(dǎo)致的鐵和錳中毒、根腫脹、根腐爛、水稻早期老化等問(wèn)題。硅藻土基硅肥與氮磷肥配合施用比單獨(dú)施用硅藻土基硅肥的增產(chǎn)效果和經(jīng)濟(jì)效益好，少量分次施用比一次性底施效果好。此外，硅藻土基硅肥中的硅藻土的介孔特性使得其成為適用于農(nóng)業(yè)應(yīng)用的不同分子的納米載體，對(duì)促進(jìn)植物發(fā)育、提高植物生產(chǎn)力具有廣闊應(yīng)用前景[42]。

3.4 施用方法

硅藻土基硅肥是功能肥料，必須與主流營(yíng)養(yǎng)肥料配合，實(shí)行氮、磷、鉀、硅肥科學(xué)地配合施用，決不能用硅藻土基硅肥來(lái)代替氮、磷、鉀肥。硅藻土基硅肥能改良土壤，價(jià)格便宜，最好每季連續(xù)施用。硅藻土基硅肥不易板結(jié)、不易失效、舒緩釋放肥效穩(wěn)定性好，也不會(huì)有下滲、揮發(fā)等損失，具有肥效期長(zhǎng)的特點(diǎn)。硅藻土基硅肥雖具有多種作用，但施用時(shí)需注意以下幾點(diǎn)：(1)硅藻土基硅肥雖然具有抗病蟲(chóng)害作用，但不能完全代替農(nóng)藥；(2)氮、磷、鉀肥不能代替硅藻土基硅肥，必須科學(xué)配合施用；(3)普通常規(guī)硅肥會(huì)造成碳銨中氨的揮發(fā)，降低氮的利用率，但是硅藻土基硅肥整體呈現(xiàn)中性或弱堿性，因此硅藻土基硅肥可以與碳銨肥混合施用；(4)因?yàn)楣柙逋粱璺史鄢柿?，所以使用時(shí)最好將其和適量的濕土或氮、磷、鉀肥混施造粒，避免粉塵飛揚(yáng)，且減少被雨水沖刷而流失營(yíng)養(yǎng)。

4 結(jié)論與展望

當(dāng)前有關(guān)硅藻土基硅肥的問(wèn)題包括：探索硅藻土改性處理方法，進(jìn)一步改善其介孔性使得能夠負(fù)載更廣泛的改良添加劑；為改善作物產(chǎn)量而進(jìn)行的研究越來(lái)越多，但為改善作物質(zhì)量而進(jìn)行的研究卻不足。硅肥應(yīng)用存在南北差異，在長(zhǎng)江流域和南部較多，但在北方則分布較少；禾本科等糧食農(nóng)作物比其他經(jīng)濟(jì)作物研究熱度更高，不利于推廣拓展硅藻土基硅肥潛在研究?jī)r(jià)值；對(duì)硅藻土基硅肥的研究尚處在初級(jí)階段，理論原理有待進(jìn)一步驗(yàn)證開(kāi)發(fā)以及施用驗(yàn)證。另外，硅與其他營(yíng)養(yǎng)元素的相互作用、硅參與下植物周期性轉(zhuǎn)化的機(jī)制以及改善土壤的機(jī)制尚不清楚。目前普遍認(rèn)為，硅的作用是通過(guò)提高細(xì)胞壁強(qiáng)度來(lái)增強(qiáng)生物抗壓能力，但很難確定硅是否在分子防御信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中也起直接作用，這應(yīng)該與硅對(duì)葉子組織提供額外物理保護(hù)的作用無(wú)關(guān)，但是這樣可以提高植物對(duì)疾病的抵抗力，大幅減少殺菌劑的使用。硅對(duì)植物病害抗性的調(diào)節(jié)機(jī)制不止一個(gè)方面，物理屏障保護(hù)機(jī)制與生化保護(hù)過(guò)程可能同時(shí)存在。硅與植物關(guān)鍵的壓力信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)相互作用，最終可能誘發(fā)對(duì)病原菌的抵制，但該領(lǐng)域的確切機(jī)制尚不清楚，是未來(lái)研究的熱點(diǎn)。