水淬渣與鋼渣硅肥對玉米硅、磷養分吸收及產量的影響①

馬 新，陳家杰，劉 濤，唐 誠，褚貴新

(新疆生產建設兵團綠洲生態農業重點實驗室，石河子大學農學院農業資源環境科學系，新疆石河子 832000)

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水淬渣與鋼渣硅肥對玉米硅、磷養分吸收及產量的影響①

馬 新，陳家杰，劉 濤，唐 誠，褚貴新*

(新疆生產建設兵團綠洲生態農業重點實驗室，石河子大學農學院農業資源環境科學系，新疆石河子 832000)

摘 要：硅作為有益元素對促進作物生長發育及增強抗逆性等方面有顯著效果。本研究在2013—2014年進行了2年田間小區試驗，對比研究了水淬渣硅肥和鋼渣硅肥對玉米生長發育及產量的影響，分析了施硅對玉米硅、磷營養吸收及硅肥利用率的效應。結果表明：施硅可顯著提高土壤有效硅含量(P＜0.05)，如在抽雄、乳熟及成熟期水淬渣硅肥處理的土壤有效硅含量分別比不施硅肥處理(CK)處理提高36.9%、15.3% 和9.7%；施硅處理均顯著提高了玉米葉面積指數、干物質量和產量(P＜0.05)，水淬渣和鋼渣硅肥處理的玉米產量為17 979 kg/hm2和17 134 kg/hm2，分別比CK處理提高18.9% 和13.3%。2年結果均顯示硅肥處理顯著提高了成熟期玉米植株的吸硅量與吸磷量(P＜0.05)，水淬渣與鋼渣硅肥處理的年均吸硅量分別比CK處理增加14.6% 和10.4%，其年均吸磷量分別比CK處理增加11.5% 和8.7%。玉米吸硅量與吸磷量呈極顯著正相關(P＜0.01)，硅肥處理可顯著改善玉米生育期內磷素營養，提高磷肥偏生產力；水淬渣硅肥和鋼渣硅肥年均硅肥利用率分別達38.9% 和27.8%，且水淬渣硅肥利用率明顯高于鋼渣硅肥。

關鍵詞：鋼渣；水淬渣；硅肥；玉米；硅素營養；磷素營養

雖然硅(Si)不是植物必需營養元素，但越來越多的研究證實硅在提高作物產量[1]、增強作物對生物與非生物脅迫的系統抗性[2-3]、降低植物對重金屬元素吸收積累[4]等方面發揮顯著作用。硅在地殼中是繼氧之后含量第二的元素，土壤全硅含量約為310 g/kg，但主要以不溶性SiO2以及極難溶性的各種硅酸鹽礦物形態存在，可被植物利用的有效硅僅占全硅的0.02%～0.04%[5]。自Sommer首次提出硅是水稻生長必需的元素后，許多學者對硅肥肥效展開研究，施硅在水稻[6]、玉米[7]、花生[8]等作物上均表現出較好增產效應。研究表明，硅肥肥效與土壤pH、黏粒含量、Eh、有機質含量等影響土壤硅有效性的因素緊密相關[9]。同時，硅與其他營養元素的交互作用也是影響其肥效的重要因素，如由于硅和磷在化學性質和結構上具有相似性，因而許多學者對磷、硅交互作用進行了研究[10-11]。研究表明施用硅酸鈣等外源硅增加了土壤溶液中的磷濃度，提高了有效磷的含量[12]。SiO32-與H2PO4-競爭黏土礦物表面的吸附位點，增加土壤有效磷含量，改善植物的磷素營養[13]。施硅增加了土壤溶液中磷的含量，顯著增加了水稻穗及籽粒的磷累積量[14]。但也有學者認為，對硅累積量低的作物，施硅可促進其對磷的吸收，但對硅積累量高的作物，施硅則會抑制作物對磷的吸收[13]。

鋼渣和水淬渣是工業煉鋼產生的廢棄物且每年排放數量大，因其含硅量高(鋼渣、水淬渣有效硅含量分別為80～200 g/kg[9]、300～350 g/kg[15])，因此通過一定工藝處理鋼渣和水淬渣是高效利用廢棄物研制開發硅肥的途徑。日本于20世紀50年代開始利用鋼渣等工業廢渣作為硅肥大面積應用到水稻、玉米等作物上，并取得明顯成效。美國、德國、東南亞地區等國家已將施用硅肥作為提高作物產量的重要措施[1]。我國于20世紀80年代開始利用鋼鐵廠高爐渣、粉煤灰等作為硅肥施用[9]，結果表明鋼渣對玉米增產效果明顯，施加鋼渣玉米產量可平均增加30.0%[16]；施入鋼渣和水淬渣兩種不同的渣硅肥，均可顯著促進水稻的生長、病害的防御和產量的形成[9]；鋼渣可顯著改善土壤肥力，對土壤酸度的改良也具有良好的效果[17]。玉米是重要的糧、飼作物，也是一種喜硅作物。本文對比研究了鋼渣硅肥和水淬渣硅肥對新疆石灰性土壤有效硅含量、玉米硅素營養及產量的影響，并分析了施用硅肥對玉米硅、磷營養關系及其利用效率的影響，旨在研究硅肥在石灰性土壤的肥效，為硅肥合理施用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗于2013—2014年在沙灣縣烏蘭烏蘇氣象站進行(44°17′N，85°51′E)。供試土壤為灌耕灰漠土(灌淤旱耕人為土，Calcaric Fluvisals)，耕層(0～20 cm)土壤pH 8.52，有機質16.7 g/kg，全氮1.13 g/kg，速效磷23.87 mg/kg，速效鉀246.8 mg/kg，有效硅(SiO2)261.3 mg/kg。供試硅肥分別為山西曲沃縣瑞豐硅肥廠生產的鋼渣硅肥(含SiO2200 g/kg)和河北秦皇島領先科技生產的水淬渣硅肥(含SiO2251.7 g/kg)，兩種硅肥均作追肥于苗期開溝條施。由于玉米采用1 膜2行的栽培模式，在每1行的外側各開1條深度為0.15 m的溝施入硅肥，SiO2施用量為180 kg/hm2。供試氮肥為尿素(含N 460 g/kg)，磷肥為磷酸一銨(含P2O5610 g/kg)，鉀肥為硫酸鉀(含K2O 510 g/kg)，N、P2O5、K2O施用量分別為330、90、90 kg/hm2。試驗共設3個處理：對照，即僅施用氮磷鉀肥；鋼渣硅肥+氮磷鉀肥；水淬渣硅肥+氮磷鉀肥。氮磷鉀肥施用方式均為水肥一體化隨水滴施。供試玉米品種為春玉米“良玉66號”(Zea mays L.cv Liangyu 66)。每年4月27—28日播種，0.4 m + 0.8 m寬窄行覆膜種植，膜寬0.7 m，膜間距0.6 m，株距0.145 m，1 膜2行，種植密度為105 000 株/hm2。試驗采用隨機區組設計，重復4次，小區面積為24 m2(2.4 m×10.0 m)。6月16日開始滴水灌溉，灌水定額為6 750 m3/hm2，整個生育期滴灌 10次，施肥8次，其他管理措施同一般大田。具體水肥分配情況見表1。

表1　玉米不同生育時期水肥分配狀況Table 1 Distribution proportion of water and fertilizer during maize growth period

1.2 測定項目及方法

在玉米抽雄期(播種后第80天)、乳熟期(播種后第110天)和成熟期(播種后140天)，測定葉面積指數。葉面積指數利用冠層儀(LAI-2000)測定。按莖、葉、果穗不同部位采集植株樣本，105℃ 殺青 30 min后，75℃ 烘干至恒重，測定干物質量。樣品烘干稱重后經粉碎測定各器官含硅量和含磷量。植株含磷量利用鉬銻抗比色法測定，含硅量采用鎳坩堝堿消融-硅鉬藍比色法測定。收獲前進行田間調查測定產量，收獲后室內考種。同時，分別在以上3個時期采集各處理0～20 cm土層土壤樣本，每個處理小區地膜內取5鉆，每鉆相距0.2 m，地膜外5鉆，每鉆相距0.2 m，然后把10鉆土壤樣品混合均勻后采用四分法取1.0 kg 的樣品作為該處理的分析樣品，在陰涼處風干，磨碎，以測定土壤有效硅含量。土壤有效硅采用檸檬酸浸提-硅鉬藍比色法測定。

硅肥利用率(apparent efficiency of Si fertilizer)=(硅肥處理作物地上部吸硅總量－對照處理作物地上部吸硅總量)/ 硅肥投入量[18]；磷肥偏生產力(partial factor productivity of applied P)= 施肥處理作物產量/磷肥投入量。

1.3 數據處理

利用Excel 2007進行數據整理，SPSS 17.0 統計軟件進行統計分析和不同處理間顯著性檢驗。利用Graphpad prism 5.0軟件(Graphpad software,Inc.,USA)進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 硅肥處理對土壤有效硅含量的影響

土壤有效硅是指能被當季作物吸收利用的硅。從圖1可以看出，各處理土壤有效硅含量均隨玉米生育期而降低，如兩個施硅處理的有效硅均值由抽雄期的327.9 mg/kg降低至成熟期的247.9 mg/kg。與對照處理相比，施硅可顯著提高土壤有效硅含量(P＜0.05)，如在抽雄、乳熟及成熟期水淬渣硅肥處理的土壤有效硅含量分別比對照處理提高了36.9%、15.3% 和9.7%，鋼渣硅肥處理的有效硅含量在3個時期也顯著高于對照處理，但兩種硅肥處理之間差異不顯著(抽雄期除外)。

2.2 硅肥處理對玉米干物質量和葉面積指數的影響

從表2看出，玉米干物質積累量隨生育期而增加。硅肥處理顯著增加了抽雄、乳熟及成熟期玉米的干物質量(P＜0.05)。抽雄期水淬渣硅肥和鋼渣硅肥處理的干物質量較對照處理分別增加了25.6% 和

11.9%，水淬渣硅肥比鋼渣硅肥處理的干物質量提高了12.3%，處理間差異顯著(P＜0.05)。在乳熟和成熟期水淬渣硅肥和鋼渣硅肥處理較對照處理分別增加了12.1%、5.6% 和19.4%、14.9%，但2種硅肥處理之間差異不顯著。玉米葉面積指數隨玉米生育期而下降。硅肥處理顯著增加了抽雄、乳熟及成熟期玉米的葉面積指數(P＜0.05)，如與對照處理相比，抽雄期水淬渣硅肥和鋼渣硅肥處理葉面積指數增加幅度分別為27.6% 和21.5%，成熟期，葉面積指數增加幅度分別為62.4% 和 49.8%，但硅肥處理之間差異不顯著。

圖1　不同硅肥處理土壤有效硅動態變化Fig.1 Changes of soil available Si contents under different silicon fertilizers

表2　不同硅肥處理對玉米干物質量和葉面積指數的影響Table 2 Dry matter accumulations and leaf area indexes of maize under different Si fertilizers during corn different growth stage

2.3 硅肥處理對玉米硅素、磷素吸收的影響

由表3可知，玉米吸硅量隨生育期而增加(2013 和2014年)。硅肥處理間玉米吸硅量在各時期沒有顯著性差異，但都顯著高于對照處理(2013和2014年)(P＜0.05)。如水淬渣硅肥和鋼渣硅肥處理的玉米吸硅量在抽雄期較對照處理分別增加了60.7% 和49.0%，成熟期分別增加了15.5% 和10.0%(2013年)。2014年呈現出同樣規律。玉米吸磷量隨生育期而增加(2013和2014年)。硅肥處理顯著增加了成熟期玉米吸磷量(P＜0.05)，水淬渣硅肥和鋼渣硅肥處理的玉米吸磷量分別比對照處理增加11.2% 和7.7%，但2種硅肥處理之間差異不顯著(2013年)。抽雄期和成熟期硅肥處理均顯著增加玉米吸磷量(P＜0.05)，水淬渣硅肥和鋼渣硅肥處理的玉米吸磷量在抽雄期分別比對照處理增加43.0% 和24.1%，在成熟期分別增加11.7% 和 9.6%(2014年)。

表3　不同硅肥處理對玉米抽雄期和成熟期植株吸硅量、吸磷量的影響(kg/hm2)Table 3 Absorbed amounts of Si and P by maize under different Si fertilizers at teaseling and maturing stages

由表4可知，玉米含硅量隨生育期而增加(2013 和2014年)。硅肥處理間玉米含硅量在各時期沒有顯著性差異，但都顯著高于對照處理(2013和2014年)(P＜0.05)。如水淬渣硅肥和鋼渣硅肥處理的玉米含硅量在抽雄期較對照處理分別增加了14.5% 和11.5%，成熟期分別增加了28.0% 和23.8%(2013年)。2014年呈現出同樣規律。玉米含磷量隨生育期而增加(2013 和2014年)。硅肥處理顯著增加了成熟期玉米含磷量(P＜0.05)，水淬渣硅肥和鋼渣硅肥處理的玉米含磷量分別比對照處理增加27.7% 和19.3%，但2種硅肥處理之間差異不顯著(2013年)。抽雄期和成熟期硅肥處理均顯著增加玉米含磷量(P＜0.05)，水淬渣硅肥和鋼渣硅肥處理的玉米含磷量在抽雄期分別比對照處理增加13.7% 和13.1%，在成熟期分別增加7.2% 和5.3%(2014年)。

表4　不同硅肥處理對玉米抽雄期和成熟期植株含磷量、含硅量的影響(g/kg)Table 4 Si and P contents in maize under different Si fertilizers at tesseling and maturing stages

2.4 硅肥處理對玉米產量及產量構成的影響

由表5可知，硅肥處理與對照處理相比增產明顯(P＜0.05)，施用水淬渣硅肥和鋼渣硅肥玉米產量分別為17 979和17 134 kg/hm2，較對照處理分別增產18.9% 和13.3%，但2種硅肥處理之間差異不顯著。從產量構成因素上看，硅肥處理顯著增加單穗重和百粒重(P＜0.05)，如與對照處理相比，水淬渣硅肥和鋼渣硅肥處理玉米單穗重分別增加15.9% 和11.8%，百粒重分別增加7.7% 和5.9%。施用硅肥可增加穗長、穗粒數(且水淬渣硅肥優于鋼渣硅肥)，降低禿尖長，但處理間沒有顯著差異。

表5　不同硅肥處理玉米產量及相關性狀變化Table 5 Changes of maize yield and yield traits under different Si fertilizers

2.5 玉米硅、磷營養相互間關系及對硅、磷養分利用效率的影響

由圖2A可知玉米吸硅量和吸磷量呈極顯著正相關(R2=0.462 9，P＜0.01)。玉米吸硅量與干物質積累量呈極顯著正相關(R2=0.692 2，P＜0.01，圖2B)。硅肥利用率和磷肥偏生產力均是表征肥料利用效率的參數。由圖2C可知，水淬渣硅肥處理的硅肥利用率在2013年和2014年分別高達39.3% 和38.6%，較鋼渣硅肥處理顯著提高55.7%(P＜0.01**)和27.5%(P＜0.05*)。由圖2D可知，硅肥處理顯著提高磷肥偏生產力(2013年和2014年)(P＜0.05)，水淬渣硅肥和鋼渣硅肥處理磷肥偏生產力2013年分別為179.4和173.0 kg/kg，較對照處理增加15.9% 和11.8%；2014年分別為220.1 和207.8 kg/kg，較對照處理增加21.4% 和14.6%；但硅肥處理間差異不顯著(2013和2014年)。

3 討論

本研究結果表明：施用硅肥能夠顯著提高玉米產量(P＜ 0.05)，其中，施用水淬渣硅肥和鋼渣硅肥玉米產量較對照處理分別增產了18.9% 和13.3%。對產量構成因素的分析表明，兩種硅肥均顯著增加玉米百粒重(P＜0.05)，這和前人的研究結論一致[1,19]。在2013年水淬渣硅肥比鋼渣硅肥的利用率提高了55.7%，2014年提高了27.5%，水淬渣硅肥利用率高且增產效果優于鋼渣硅肥。其原因可能是前者為粉狀，由于粉狀比表面積大，施入土壤后充分與土壤中的水分接觸，生成水溶物后易于被植物所吸收，可充分利用肥料中的有效硅成分，而鋼渣硅肥生產工藝為粒狀，且顆粒大小不均，施入土壤需要經過一段時間才能釋放一定量的硅元素供植物吸收利用，且釋放速率受顆粒大小影響。有研究表明，硅肥中硅的植物有效性隨著粒徑的縮小而呈增加的趨勢[20]。

本研究中，玉米施用硅肥后顯著增產的原因，一方面可能是本試驗區石灰性土壤有效硅含量雖然比較高(261.3 mg/kg)，但同時碳酸鈣含量也很高，而大部分有效硅與非活性硅鈣結合物存在，難以水解，不易被作物吸收利用，而施用硅肥后明顯提高了土壤有效硅濃度。玉米屬于喜硅作物，其吸收利用硅為主動吸收[21]。劉鳴達等[22]在堿性土壤(pH 8.8)中研究表明，有效硅含量超250 mg/kg的土壤施用硅肥，增產效果仍然明顯，這與本研究結果相似。另一方面可能是硅肥的施入促進了作物對土壤磷素的活化[23]。由本試驗結果可知，硅肥處理較對照處理顯著提高了磷肥偏生產力(P＜0.05)。硅肥處理可顯著提高玉米植株的吸磷量，并且玉米植株吸磷量和吸硅量存在極顯著正相關關系(P＜0.01)，這與任軍等[24]研究結論一致。也有學者認為施用硅肥可增加葉面積指數，進而提高光合能力增加干物質量，這是硅促進作物產量提高的另一因素，如周青等[25]研究認為硅肥提高產量的一個主要生理原因是施硅可延長葉片的功能期，促進葉片的生長進而增加干物質量。本研究也發現施入硅肥顯著提高玉米生育期內葉面積指數(P＜0.05)，尤其在成熟期，水淬渣硅肥和鋼渣硅肥處理較對照處理可增加62.4% 和 49.8%，而干物質分析發現，施入硅肥可顯著提高玉米群體干物質量(P＜0.05)，這與葉面積指數總體變化動態相一致。

節水滴灌作為一種現代農業技術使新疆農業栽培方式發生了巨大變化。近年來，新疆膜下滴灌面積發展迅速，大部分玉米均采用節水滴灌施肥，主要包括常規的氮、磷、鉀肥，而硅肥的施入主要以基施和追施為主。水肥一體化灌溉模式在提高水分利用效率的同時，可提高硅肥中有效硅的釋放[15]，進而滿足玉米對硅的需求，水肥互作效應可得到充分發揮。本研究在氮、磷、鉀肥施用量相同的情況下，水淬渣硅肥和鋼渣硅肥處理均顯著提高了玉米產量，由此說明產量的提高與硅素的吸收有密切的關系，滴灌條件下根據玉米對硅的需求適量補硅，可實現硅素養分資源高效利用和產量的協同提高。

圖2　玉米硅、磷營養相互關系及對硅、磷養分利用效率的影響Fig.2 Relationship between maize Si and P nutrients and its effects on maize utilization efficiencies of Si and P nutrients

4 結論

1)水淬渣硅肥和鋼渣硅肥均可顯著提高石灰性土壤有效硅含量，玉米葉面積指數、干物質量，玉米分別增產18.9% 和13.3%(P＜0.05)，水淬渣硅肥效果大于鋼渣硅肥。

2)施硅可顯著促進玉米對硅、磷的吸收，水淬渣硅肥和鋼渣硅肥2年的硅肥平均利用率分別達38.9%和27.8%。

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Comparison of Water Cooling Slag and Steel Slag Amendment on Maize Growth,Si and P Nutrition as well as Yield

MA Xin,CHEN Jiajie,LIU Tao,TANG Cheng,CHU Guixin*
(Oasis Eco-agriculture Key Laboratory of Xinjiang Production and Construction Group/Department of Resources and Environmental Science,Agronomy College,Shihezi University,Shihezi,Xinjiang 832000,China)

Abstract:As a beneficial element,Si plays a significant role on crop growth promotion and resistance strengthen.In the present study,a two-year field experiment was carried out in 2013 and 2014.The influence of water-cooling slag and steel slag on the growth and yield of maize were studied,and the effects of Si application on maize Si and P uptake as well as Si fertilizer utilization efficiency were analyzed.It was found that both Si fertilizers of water-cooling slag and steel slag significantly increased soil available Si content(P＜0.05).For instance,compared to the CK,the treatment of water-cooling slag application increased soil available Si by 36.9%,15.3% and 9.7% in tesseling,dough and mature stage,respectively.The two kinds of Si fertilizer treatments significantly improved the leaf area index and dry matter accumulation of maize(P＜0.05).Also,maize yields of 17 979 kg/hm2in water-cooling slag treatment and 17 134 kg/hm2in steel slag treatment were gained,18.9% and 13.3% higher than the CK,respectively.Compared with the CK,Si fertilizer application increased Si and P uptake by maize plant significantly(P＜0.05),by 14.6% for Si uptake and 11.5% for P uptake in water-cooling slag treatment and by 10.4% for Si uptake and 8.7% for P uptake in steel slag treatment,respectively.A significant positive correlation was observed between maize Si uptake and P nutrition(P＜0.01)furthermore,Si fertilizer application increased obviously plant P nutrition and P partial productivity.Si fertilizer utilization efficiency was 38.9% in water-cooling slag treatment and 27.8% in steel slag treatment,indicating water-cooling slag fertilizer is better than steel slag.

Key words:Steel slag; Water-cooling slag; Si fertilizer; Maize; Si nutrition; P nutrition

作者簡介：馬新(1989—)，男，新疆博樂人，碩士研究生，主要從事植物營養生理生態與新型肥料研究。E-mail:mx501393782@126.com

* 通訊作者(chuguixinshzu@163.com)

基金項目：①國家科技支撐計劃項目(2013BAB03B02)資助。

DOI:10.13758/j.cnki.tr.2016.01.010

中圖分類號：S147.5