植物营养中的硅元素是条“硬汉”

植物营养中的硅元素是条“硬汉”

编者唠：本文查阅《中国硅肥营养研究与硅肥应用》中的文献发现，植物营养中的硅能使作物拥有抗病性、抗虫性、抗旱性、抗弱光性、抗重金属毒害、抗紫外线伤害等等。可谓能力“爆表”，堪称“硬汉”。经常有人抱怨，桃瓜梨枣怎么没有原来好吃，外形不如原来好看。原因呢？？？关键是农作物营养失衡所致，需要营养调节。谁能担此重任呢？国内

外土肥学家指出，硅肥是一种很好的植物调节性肥料/保健肥料，可以说是植物的一款“健康粗粮”。目前市场上也有含硅

的肥料，如水溶性硅肥、硅镁肥、钙镁磷肥、硅钾矿物肥料、含硅植物营养调理品等，但即便有“硅肥”的称呼，也不能正名，有的未能在国家工商行政部门登记在册。“中国硅肥之父”蔡德龙在表示对硅肥没有”户口“的现状感到很是尴尬和委屈。

一、植物营养元素硅简介早在1804年，De Saussure就发现植物中含有硅，此后植物能从土壤中吸收硅的习性逐渐获得了早期植物学的公认。1840年，德国化学家李比西提出

矿物营养理论时，把硅列为与氮磷钾一样重要的元素。有160多年历史的世界最早的英国洛桑肥料试验站，110多年连续试验证明，硅具有活化天然磷的作用。硅在《植物营养学》书中归为植物有益元素，是水稻等禾本科作物的必需营养元素。硅在土壤中主要存在于土体和土壤溶液中，或被吸附在

土壤胶体表面。在土壤溶液中,硅主要以单硅酸(H4SiO4)即

Si(OH)4的形态存在。土壤有效硅含量通常作为衡量土壤供硅能力的指标。它受气候条件、土壤pH值、成土母质、土壤粘粒、施用有机肥、土壤水分及土壤温度等因素的影响。研究发现，Si在植物体内的存在形式主要是硅酸

(SiO2·nH2O)和多聚硅酸，其次是胶状硅酸和游离单硅酸[Si (OH)4]。目前认为,栽培作物的含Si量可分为三类:一是含Si 量很高的植物,在5%～20%,如水稻；二是含Si量中等的植物,在2%～4%,如小麦、大麦、燕麦等；三是含Si量很低的植物,在1%以下，如豆科植物和双子叶植物。据Thiagalingam等对包括豆科、谷类等22种植物的研究表明,植物含硅量的顺序是:谷类作物>牧草>蔬菜>果树>豆科。除

了上述植物物种差异以外，植物体内硅的含量还受植物的部位、生育期、栽培方式、环境条件等多种因素的影响。Si在植物体内的分布是不均匀的。二、从功能作用及其机理证明植物硅元素是条“硬汉”2.1 抗病能力及其机理：（1）水茂兴

等学者（2000年）从植物病理学研究证明了稻温病最易感

染时期是新叶展开的最初几天，过了这一时期（新叶展开4天后）即不再感染。供硅使新叶组织硅质化，有效地阻碍病菌侵入，使叶瘟病发生显著降低。从电子探针分析可知，施硅处理新嫩叶片表皮已有明显哑铃状硅化细胞出现，乳突粗大。X-射线硅的能谱分析在硅化细胞和乳突处出现较高的峰，

表示该处硅分布密度较高，即固体化；而不施硅/硅缺乏处理则相反。硅沉积在乳突体、表皮层或受真菌侵染部位、伤口处的硅增加了植物细胞壁的机械强度，起到天然的“机械或物理屏障”作用。（2）硅促进了作物根和叶片细胞壁对抗白粉病侵袭的局部防御区的形成，诱导酚类物质沿细胞壁积累，破坏病原菌吸器的完整性，限制真菌孢子萌发、吸器形成和菌丝生长。（3）硅参与了寄主与病原菌作用的代谢过程。硅诱导作物过氧化物酶和多酚氧化酶活性的增加并化合物聚合

形成坚固的屏障，并形成木质素，形成木质素过程中诱发产生的植保素而增强植物对病原菌的抵抗能力。（4）硅可以诱导植株产生抗毒素，诱导对真菌有毒的物质积累在被真菌侵染的作物叶片表皮层细胞中，调节类黄酮类抗毒素在黄瓜叶片的积累量，有效提高作物的抗病性。2．2 抗虫能力及其机理：硅增强作物细胞壁（硅化细胞壁）的物理特性及诱导作物产生毒素都是硅影响食草性生物危害程度的重要因素。植物细胞壁的力学特性直接影响植物受损的程度,含硅量较高的植物,由于硅化结构体填充在由纤维素胶团组成的细胞壁孔隙中,故可增强叶片的机械强度,进而阻止昆虫颚的撕裂作用或幼虫刺入和抵御各种外力的侵入。2.3抗倒伏能力及其机理：硅使植物机械组织细胞硅质化，表皮细胞的外侧细胞壁中纤维素微团空隙被硅胶充满为硅-纤维膜，与角质层形成角质-硅质双层结构，使茎叶硬度增强。2.4 抗旱能力及其

机理：（1）硅化作用。硅可以在水稻叶片及叶鞘表皮细胞上形成“角质－双硅层”，这种结构可有效屏蔽水分或水气渗透,保持细胞膜结构和功能的稳定性,使植物的凋萎减轻,蒸腾作用降低,保持细胞膜结构和功能的稳定性,以减少叶面水分消耗，降低呼吸速率，防止茎叶萎蔫和下垂，从而增强抗旱性。对施硅玉米叶片细胞进行了电镜照片分析认为，施硅改变了玉米叶片细胞形态结构,使细胞腔明显变小,细胞壁变皱、变厚,减少了玉米植株体内水分的渗透,抑制了植株内水分的无益蒸腾。（2）硅参与了干旱胁迫下作物的代谢活动。马成仓认为硅可以明显提高超氧化物歧化酶、过氧化氢酶、谷胱甘肽还原酶的活性，提高脂质不饱和脂肪酸、光合色素、可溶性蛋白和总硫醇的含量及小麦叶片净CO2同化速率。硅增加了叶片中各种色素的含量，提高了小麦的净光合作用，并使得干旱胁迫下小麦的光合午休不明显。一天当中中午作物蒸腾强烈,植物受到水分胁迫而关闭气孔,同时也就抑制CO2的吸收(即植物光合/午休现象),由于硅能使水分胁迫减轻,因此可以缩短强光条件下叶片的光/睡眠时间,使干物质增加。（3）硅可以影响气孔运动和细胞汁液浓度。随着硅酸的加入，玉米植株气孔的蒸腾速率明显降低；施加硅酸的玉米植株木质部汁液流动速度比未施加硅酸的玉米植株降低20 %，表明硅的沉积导致木质部导管汁液的亲和力增加。2.5 耐盐能力及其机理：（1）硅促进盐胁迫下作物对钠、钾的选择性

吸收。徐呈祥等认为硅在盐胁迫下作物根系等器官对Na+、K+的选择性吸收与区隔化机制中可能起重要作用。（2）硅有利于稳定盐胁迫下作物细胞膜的完整性、稳定性和功能性。硅有利于稳定盐胁迫下作物叶细胞的超微结构，提高叶绿体膜结构的完整度，减轻盐胁迫对基粒超微结构的损伤，改善细胞的长宽比例，使细胞更趋向于圆形，同时减少盐胁迫引起的畸形细胞，使细胞保持较旺盛的分裂和代谢能力，增强细胞的耐盐性。（3）硅参与作物代谢过程。硅提高盐胁迫下作物叶片酶活性，减少膜氧化带来的伤害，维持膜的最佳流动性。2.6 抗紫外线胁迫能力及其机理：紫外线辐射可以对作物生物大分子产生直接伤害，同时又激发植物体活性氧的产生而引起氧化伤害。作物类黄酮和其他酚类物质可以通过避免活性氧类物质的积累而减轻紫外辐射的伤害，因为这些化合物主要集中于叶片表皮细胞并具有较强的紫外线辐射

吸收能力。硅在作物叶片表面的积累与酚类化合物的合成相关联。硅可以诱导活体类黄酮及酚类物质的积累，提高酚类物质的含量，调节酚类物质的释放速度，增加酚类物质代谢的酶活性，有效提高水稻叶片的抗紫外线能力。2.7抗重金属胁迫能力及其机理：重金属通过植物(初级生产者)经食物链传递进入人体,对保证食物质量和食品安全及人体健康意义重大。（1）硅与重金属在介质和作物体内发生沉淀。?硅提高了土壤pH 值，促进了重金属离子的沉淀及硅酸盐复合

物的形成，降低了土壤中活性重金属离子的浓度及其流动性。?Baylis等(1994)认为施硅对重金属镉也有可能存在

Si-Cd复合物形态,发生沉淀，从而降低镉的有效性。?硅与

重金属离子在根的外层细胞壁共沉积，限制其从根部向茎部的运输，降低了植株共质体中重金属离子的浓度。王永锐等认为,由于可溶性硅酸盐在水溶液中水解生成凝胶状H4SiO4，可吸附有毒金属离子及其它有害物质,这可能是硅缓解毒害

作用的原因之一。2.8抗冻害能力及其机理：表皮细胞角质

－硅质双层的形成,增强了表皮的坚韧性,从而有利于提高植

株的抗寒性。在美国, Ulloa和Anderson报道了硅钙肥可增强甘蔗对寒冷的忍耐力。根据Ulloa的研究,在条播甘蔗中使用硅肥的试验结果表明,硅可缓解甘蔗的冻害。2.9 抗弱光能力及其机理：（1）硅提高植物类胡萝卜素的含量，类胡萝卜素可提高光合电子传递量子效率，增强植物抵御午间强光和高温的能力，减轻光抑制程度；（2）硅显著降低植物的蒸腾速率，提高水分利用率；（3）硅可降低烟草暗呼吸速率光补偿点、CO2 补偿点，提高光饱和点、表观量子效率、CO2 饱和点、和ＲuBP 羧化效率。弱光胁迫即通常所说的光照强度不足，是指环境中的光强持久或短时间显著低于光饱和点，但不低于限制植物生存的最低光照强度时的光环境。光照强度不足最直接的影响就是叶片叶绿素含量和光合作用降低，最终导致减产、品质降低等问题。已有研究表明，硅可以提

高水稻、甘蔗、小麦、番茄、黄瓜、烟草等的光合作用，使植物对光能的利用率提高20-25%。2.10其他功能及机理：硅肥可以改善农作物果实的色、香、味等感官效果。近年来，身边的朋友和上了年纪的亲人越来越多地抱怨，西瓜、苹果不甜，大米、小麦不香，番茄歪歪扭扭，黄瓜一头大一头小等等，其实这些都是在某种程度上氮肥施用过多、速生时作物营养失衡所致。而硅肥作为一种土壤中固有的天然矿物肥，不仅自身有益于作物生长，而且还可以调节作物的不同阶段对氮、磷、钾等其他元素的营养需求，在其他元素施用过量时有抑制供给的作用。硅肥的调节作用可以在本质上改善

作物的营养成分，使瓜果类的糖分和维生素、花生的脂肪、谷物的淀粉、小麦的蛋白质含量等明显提高。世界“硅肥之父”、日本山梨大学教授小林均等人做的试验表明，施过娃肥的水稻质量较之未施娃肥的要提高1～2个等级；浙江省土肥站

的试验也表明，施过硅肥的甘蔗糖度较之未施硅肥的也要提高2～3度。上述两方面的作用机理在于，硅肥有助于作物

根系的生长发育，增强吸收能力；同时，它还可以关闭植物表面气孔，减少植物体内水分蒸腾，保证养分有效供给，使作物所需营养始终处于充分、均衡状态，不致于因速生而

使营养失调。此外，硅肥使作物形成的娃化细胞的细胞壁，其坚硬是其他肥料所无法企及的，有助于细胞群的有序排列组合，使作物形状完美。这些作用机理，使作物的感官效果

赏心悦目，而在本质上则是作物品质的改善。二、肥料家族成员-硅的农业应用现状与建议3.1 农业对硅肥的需求大需

求蔡德龙认为，我国的硅肥研究进展缓慢，主要是因为氮磷钾肥料的推广应用比国外晚。黄河、淮河、长江三大河流中下游流域有效硅的含量在百万分之十以下，比世界上已经广泛使用硅肥的日本、菲律宾、韩国等国河流中有效硅含量都要低。我国土壤大面积缺硅土地抽样测量表明：全国有50 %即10亿亩左右的耕地缺硅，另外，环保部和国土资源部联

合发布《全国土壤污染状况调查公报》显示，全国土壤总的点位超标率16.1%，耕地总体情况不容乐观，部分地区土壤污染严重，耕地点位超标率19.4%，土壤镉超标率7.0%，

土其中镉重度污染点位比例为0.5%，土壤环境质量堪忧。

加大硅肥的研究推广与应用，就能改善污染土地的各项指标。每年需要3000万～3500万吨硅肥，市场容量500～1000亿。3.2硅肥“个性低调”，需农化服务推广由于硅元素是个“不爱动分子”，可以持久保持肥效，但也正是它的“不爱动”，即使把硅肥施于作物根部周围，也不容易进入根圈。要根据作物和土壤选择不同的施肥方式。根据我国的实际情况，国家测土配方已把是否缺少二氧化硅作为技术标准。目前，中国的农化服务水平相对落后，大多数农化服务工作者的推广重点在氮磷钾锌钙硼等元素上，由于这些元素一旦缺乏会在植物叶、花、果等部位明显表现出来，相比之下硅的缺乏症状

就显得“低调”了，导致许多农化服务人员一度认为只有水稻是需“硅”的，其他作物并不需要额外补充。其实，大多数作物生长过程都需要硅元素的参与。3.3硅肥是出身低，没“户口”在众人眼里，含硅肥料是由磷化工的废渣或硅矿石，矿物石头“烧”出来的，什么炉渣、炼铁水淬渣、黄磷电炉渣、粉煤灰等等是“磨”出来的。日本、韩国等国非常重视硅肥的施用，他们从中国进口钙镁磷肥等含硅肥料，自己也研发了各种水溶性硅肥。如钙镁磷肥参考日本标准，除规定P2O5含量外，还标明有效MgO、有效SiO2含量及碱度。即便”硅肥“的称呼，现在也可以说是名不正言不顺，未能在国家工商行政部门登记在册。硅肥处于没有”户口“的现状。3.4硅肥科学应用才能发挥其价值（1）控制用量，适量施硅。硅肥施用也有“临界值”研究表明，适量施硅可显著促进番茄生长，以1.2 mmol/L硅浓度处理效果较好，如进一步提高硅浓度至1.8 mmol/L,反而抑制番茄生长。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，施肥增产的效果越好，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。（2）与氮磷钾等元素配施，协同作用。郭彬等研究发现氮、硅肥配施水稻有效穗数、产量、植株氮、磷、钾、硅养分含量增幅均高于氮肥和硅肥单施。江立庚等研究表明，氮硅肥配施水稻氮素积累与硅素积累存在极显著

相关关系，原因可能是施硅可促进水稻对氮素的吸收，改善植株营养状况，提高地上部分物质积累量，从而增产。因此，建议喷施含硅叶面肥时补施氮肥或者冲施含硅的大量元素

水溶肥效果更佳。（3）找准时机“雪中送炭”。作物对各种元素的吸收和需求都有一个“营养临界期”和“营养最大效率期”。其中“营养临界期”一般在苗期，这个时期需要养分量较低但是缺乏的话又会严重阻碍作物生长，而“营养最大效率期”一般是作物生长最旺盛的时期，对养分的需求量和吸收最多，如能及时满足作物养分需求，其增产效果将非常显著。作物对硅元素的需求也遵循这个规律，例如，在水稻生产中应在水稻孕穗之前施用。因此我们要找准作物对硅的需求关键时期，及时施用硅肥，可达到低用量、高效率的效果。总之，硅肥是一种很好的植物调节性肥料/保健肥料，可以说是植物的一款“健康粗粮”。但由于硅元素是“低调”、“不爱动分子”、“没户口”等制约其推广应用，俗话说“酒香也怕巷子深”，“硅好也怕没名分”，因此，在此希望热爱“土壤-植物营养-人体健康”的科技工作、媒体朋友、农业管理部门等联合推动硅肥的应用。致谢：蔡德龙、周秀杰、张玉龙、夏石头、宫海军、唐旭、贾建新等推荐书籍《中国硅营养研究与硅肥应用》，蔡德龙主编作者：王宗抗、刘梦丹