關(guān)于土壤中施用固體硅肥有效利用率的探討

張娟,張智,張廣鑫,劉傳玉,宋繼富

（1.黑龍江省科學(xué)院高技術(shù)研究院，哈爾濱150020；2.黑龍江省科學(xué)院石油化學(xué)研究院，哈爾濱150040）

關(guān)于土壤中施用固體硅肥有效利用率的探討

張娟1,2,張智1,2,張廣鑫1,劉傳玉1,2,宋繼富2

（1.黑龍江省科學(xué)院高技術(shù)研究院，哈爾濱150020；2.黑龍江省科學(xué)院石油化學(xué)研究院，哈爾濱150040）

隨著農(nóng)業(yè)科技的不斷進(jìn)步，人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到硅素對(duì)農(nóng)作物增產(chǎn)和改善品質(zhì)的重要性。特別是水稻等喜硅作物，硅素施用的價(jià)值尤顯突出，甚至提出把硅作為水稻的繼氮、磷、鉀后的第四大營養(yǎng)元素。然而，現(xiàn)在市售的硅肥主要指一類堿性、含枸溶性無定形玻璃體物料，主要包括化工、冶煉行業(yè)的各種廢渣。本文將重點(diǎn)論述由于這類肥料呈堿性，從能調(diào)節(jié)土壤中的酸度作用看，可施用于酸性土壤；作硅肥時(shí)，在酸性土壤中施用時(shí)，硅的有效利用率很低，約60%為土壤所固定，無效化相當(dāng)嚴(yán)重，同時(shí)在某種程度上造成土壤板結(jié)。

土壤；酸堿性；固體硅；利用率

穩(wěn)定的土壤肥力是農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必要條件，而土壤養(yǎng)分供應(yīng)平衡則是土壤肥力的重要基礎(chǔ)。硅素是禾本科作物良好生長(zhǎng)所必需的元素，發(fā)達(dá)國家已把硅列為氮、磷、鉀后的第四個(gè)肥料品種，作物生長(zhǎng)發(fā)育需數(shù)十種化學(xué)元素，喜硅作物的植株體內(nèi)，除C、H、O外，硅的含量是其他元素的幾倍乃至幾十倍，水稻一生需要的硅素超過氮、磷、鉀的總需求量。硅雖然是土壤的主要組成部分，占70%左右，但都是非常穩(wěn)定的結(jié)晶態(tài)和不定型態(tài)，植物無法吸收利用。農(nóng)業(yè)的連年豐收，農(nóng)作物的連續(xù)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)、對(duì)土壤有效硅的需要量日益增加，靠土壤硅的風(fēng)化以及秸稈還田所補(bǔ)充的有效硅，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法維持平衡。我國不少地方缺硅占土地面積的50%左右，所以補(bǔ)充有效硅元素已是當(dāng)務(wù)之急。

硅肥最早是以一種含硅酸鈣為主的玻璃體、礦物肥料，其外觀根據(jù)原料的不同，呈白色、灰褐色或黑色粉末，具有無毒、無臭、無腐蝕性、不變質(zhì)及不易流失等特征。早在20世紀(jì)，相關(guān)研究人員就針對(duì)江蘇、江西、浙江、河南、湖北等地進(jìn)行有效二氧化硅的調(diào)查，目前我國存在大面積的缺硅土壤，其中浙江省缺硅總面積達(dá)73%，河南省耕地缺硅60%左右。值得引起重視的是，隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的進(jìn)行，耕地缺硅的面積也逐年增大。我國氮磷鉀肥料施用量占世界施用量的32%，氮磷鉀肥料的大量施用，消耗土壤中大量的中微量元素以及有益元素，現(xiàn)在到了應(yīng)該補(bǔ)充土壤硅營養(yǎng)的時(shí)候了。

枸溶性硅肥是指不溶于水而溶于酸后可以被植物吸收的硅肥。常見的多為煉鋼廠的廢鋼渣、粉煤灰、礦石經(jīng)高溫煅燒工藝等加工而成，適合做土壤基施。施用量較大，有效硅含量低。而且鋼渣中同時(shí)含有少量的重金屬元素，存在重金屬污染的風(fēng)險(xiǎn)。水溶性硅肥相對(duì)于枸溶性硅肥而言，是可以溶于水，被農(nóng)作物直接吸收，肥料利用率比較高。生產(chǎn)工藝較為復(fù)雜，需要較高的成本付出，在平時(shí)施肥中，常用來葉面噴施，在大田中也可以做底肥，施用量小，流失較快［1-4］。

1　當(dāng)前土壤中施用的固體硅肥的性狀、種類

表1　一些常見的含硅肥料Tab.1 Some common silicon-containing fertilizer

以上這些硅肥的共同特點(diǎn)是：

第一，呈堿性。第二，屬枸溶性肥料。第三，有效利用率低，施用量大。第四，速效性差，屬緩效性肥料，只能作基肥施用。第五，化學(xué)組成較為復(fù)雜。第六，主要?jiǎng)┬蜑?0～100目的粉劑，少數(shù)制成小顆粒施用，施用方法主要是人工，很難實(shí)現(xiàn)機(jī)播。

2　我省土壤環(huán)境狀況

我省可耕地主要是黑土和白漿土兩大類。

2.1黑土

在我國僅見于黑龍江和吉林兩省，主要分布在小興安嶺西側(cè)，大興安嶺中北部的東坡及張廣才嶺山地西緣的山前坡狀臺(tái)地（漫崗），在三江平原和興凱平原的高階地也有分布，其主要特點(diǎn)是：第一，含有深厚的黑色腐殖質(zhì)層。第二，土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)好。第三，多呈微酸性至中性反應(yīng)。

2.2白漿土

主要分布在東北，范圍大致北起黑龍江，南起遼寧的丹沈鐵路以北，東自烏蘇里江沿岸，西達(dá)大興安嶺完達(dá)山、長(zhǎng)白山及大興安嶺東坡的山間盆地和山前臺(tái)地。其主要特點(diǎn)是：第一，養(yǎng)分含量低，速效氮和速效磷缺乏。第二，物理性質(zhì)不良，下面沉淀層有脫水作用，土壤上層滯水，旱季又缺水。第三，多呈微酸性。

3　土壤的酸堿性成因

根據(jù)土壤pH值大小，人們把土壤分為七種類型，強(qiáng)酸性pH＜4，中等酸性pH4～5，微酸性pH5～6，中性pH6～8，微堿性pH8～9，中等堿性pH9～10，強(qiáng)堿性pH＞10。

3.1土壤酸度的來源

第一，化學(xué)風(fēng)化，如黃鐵礦氧化：

降水越多的地區(qū)，土壤酸化程度越高。

第二，土壤中微生物在降解有機(jī)質(zhì)過程中產(chǎn)生的有機(jī)酸，如檸檬酸、富里酸、腐殖酸等。植物和微生物呼吸過程釋放出來的CO2都會(huì)使酸性增加。

第三，土壤酸堿性還取決于吸附在膠體表面上的陽離子的種類。當(dāng)土壤膠體吸附的H＋（或Fe3＋、Al3＋）被土壤中鹽溶液中的陽離子代換時(shí)產(chǎn)生的酸稱為代換性酸或潛在酸。如：使土壤與中性鹽溶液相互作用，則H＋被代換入溶液，等當(dāng)量的K＋則被膠體吸附：

土壤膠體-H＋＋KCl→土壤膠體-K＋＋HCl

第四，大氣酸沉降和農(nóng)業(yè)氮肥的使用是土壤酸性的兩大重要人為來源。

土壤中的NH4＋的氧化可生成強(qiáng)酸。NH4＋可以來自土壤中的有機(jī)質(zhì)，化肥，大氣氣溶膠的沉降，通過下面反應(yīng)釋放出H＋,這是農(nóng)業(yè)土壤中最大的酸性來源：

3.2土壤的堿性

土壤的堿度來自土壤中的NaCO3、NaHCO3、CaCO3及土壤膠粒上的交換性鈉離子，它們經(jīng)水解后呈堿性：

如：NaCO3＋H2O=2NaOH＋H2CO3

土壤膠粒-Na＋＋H2O=土壤膠粒-H＋＋NaOH

4　土壤有效硅

土壤有效硅即指土壤中可以被水溶解的有效性二氧化硅的量。各國都根據(jù)土壤有效硅含量的實(shí)際情況確定土壤硅素的臨界指標(biāo)。如日本與朝鮮使用105mg/kg作為臨界指標(biāo)。目前我國診斷水稻施用硅素的臨界指標(biāo)在95～105mL/kg。

當(dāng)前市售的固體硅肥在標(biāo)注營養(yǎng)元素含量方面有誤導(dǎo)，有的企業(yè)把硅含量標(biāo)成有效硅含量。其實(shí)土壤中的硅含量是很豐富的，土壤硅含量與地殼硅含量相當(dāng)，以二氧化硅表示時(shí)，平均達(dá)60%左右。而土壤中有效硅含量?jī)H是土壤硅含量的萬分之1～2（1～2/104）。

5　酸性土壤中施硅肥時(shí)，硅的有效利用率很低，無效化相當(dāng)嚴(yán)重

有的資料介紹硅的有效利用率約60%，本文將從反應(yīng)機(jī)理上加以探討。通常以偏硅酸H2SiO3代表硅酸，硅酸為二元弱酸，K1=1.7×10-10,K2=1.2×10-12，比碳酸還弱。硅酸鹽中只有鉀、鈉的鹽溶于水，其他為枸溶性或不溶性的鹽。

當(dāng)水溶性或枸溶性硅酸鹽遇到較強(qiáng)酸時(shí)（包括碳酸），就會(huì)生成偏硅酸（即硅酸）。硅酸難溶于水，是多硅酸的膠體或硅酸凝膠。如：

寫成通式：

另外硅酸鈉溶液可奪走NH4＋中的質(zhì)子放出氨氣生成凝膠或沉淀：

由上面的基本化學(xué)反應(yīng)我們不難推導(dǎo)出，在酸性土壤中，不論什么途徑產(chǎn)生的酸，大多數(shù)是比硅酸強(qiáng)的酸，當(dāng)水溶性或枸溶性硅肥施入酸性土壤中，上述反應(yīng)都會(huì)發(fā)生，結(jié)果使硅素轉(zhuǎn)化成凝膠或沉淀而被固定，使硅的有效利用率降低，達(dá)到無效化。

一類強(qiáng)酸弱堿鹽組成的化肥［NH4Cl、（NH4）2SO4］與硅肥一起施入土壤中，硅酸根和銨根發(fā)生雙水解反應(yīng)（4）不但降低化肥肥效，同時(shí)使硅素被固定。

另據(jù)研究報(bào)道，我國南方酸性紅壤區(qū)屬缺硅地理區(qū)域，有人報(bào)到四川省境內(nèi)由砂巖黃壤、老沖積黃壤和酸性紫色土等母質(zhì)發(fā)育的水稻土有效硅含量低（平均69.6mg/kg），而由碳酸鹽紫色土和中性紫色土母質(zhì)發(fā)育的水稻土有效硅含量較高（189mg/kg）。

原始酸性母質(zhì)土發(fā)育成的土壤速效硅含量低與我們所推導(dǎo)的酸性土壤中使固體硅肥有效利用率低的結(jié)論是一致的。

6　硅肥施入土壤中反應(yīng)歷程

硅肥施入土壤中反應(yīng)歷程可以這樣描述：當(dāng)固體硅肥（粉面或顆粒）遇到土壤中水分，先被潤(rùn)濕，然后緩慢溶解，釋放出少量有效硅。有效硅有兩種主要去向，一是被植物根部吸收，二是按（3）式發(fā)生無效化反應(yīng)。我們通過下面的數(shù)字對(duì)比看哪個(gè)是主導(dǎo)方向：

粗略按施肥層厚度10cm，土壤比重1.5g/cm3，則1畝（667m2）施肥土重約100t，我們按最大施硅量100kg/畝，則相當(dāng)于土壤重的1/103。

若土壤pH為5，硅肥溶解pH為9，則濃度比較為pH=5，則［H＋］=10-5mol/L，pH=9，則P［OH］=5，即［OH］=10-5mol/L。

按土壤重量是硅肥重1 000倍計(jì)，則土壤［H＋］=10-2mol/L。相當(dāng)于硅肥溶解的［OH］的1 000倍。

按第五部分中（3）式，當(dāng)一種反應(yīng)物大過量時(shí)，有利于另一個(gè)反應(yīng)物反應(yīng)完全，即［H＋］比MeSiO3大過量，有利于生成H2SiO3↓。也就是說，當(dāng)固體硅肥在土壤中釋放少量有效硅時(shí)，發(fā)生無效化反應(yīng)是主導(dǎo)方向。

表2　不同種硅肥施用效果調(diào)查表Tab.2Using effect survey of silicon fertilizer in different species

7　由試驗(yàn)示范調(diào)查結(jié)果看在酸性土壤中施用固體硅的有效利用率

2007年農(nóng)墾牡丹江分局856分公司全面試驗(yàn)了隆墾速效高硅葉面肥，幾種固體硅肥的施用情況，調(diào)查結(jié)果表總結(jié)如下：

試驗(yàn)單位：農(nóng)墾牡丹江分局856分公司第十管理區(qū)（附件-02）。

時(shí)間：2007年。

土壤狀況：草甸白漿土，pH值5.79。

試驗(yàn)處理：

處理1：固體硅肥40kg/畝，做基肥施入土壤。

處理2：多元（固體）硅30kg/畝，土壤施入。

處理3：速效高硅葉面肥（液態(tài)）400mL/畝，葉面噴施。

處理4：速溶硅，250g/畝（固態(tài)），使用時(shí)溶水后噴施。

處理5：CK。

由表中數(shù)據(jù)看出，在酸性土壤中施用固體硅肥，雖然施用量很大，但由于該固體硅肥屬緩效肥料，速效性差，少量釋放的有效硅又有隨時(shí)被土壤固定的可能，使得有效性降低，無效化嚴(yán)重，以致造成畝增效益明顯下降，甚至減產(chǎn)。

8　結(jié)論

第一，水溶性或枸溶性固體硅施入酸性土壤中，當(dāng)作硅肥施用時(shí)，硅素有效利用率很低，無效化相當(dāng)嚴(yán)重，60%以上被土壤固定。

第二，當(dāng)前市售的固體硅肥屬緩效性硅肥，為了維持肥效，每年都要加大投入量，連年使用對(duì)土壤肥效，土壤理化性能等綜合影響都要認(rèn)真對(duì)待。

第三，市售固體硅肥化學(xué)成分復(fù)雜，屬堿性物料，當(dāng)用以調(diào)節(jié)土壤酸堿度時(shí)，或用于提供其他營養(yǎng)元素時(shí)，可以施用。

第四，大量的工業(yè)廢渣連年施入土壤，會(huì)使土壤沙化，同時(shí)會(huì)帶來新的環(huán)境污染。

［1］高玉鳳，焦峰，沈巧梅.水稻硅營養(yǎng)與硅肥應(yīng)用效果研究進(jìn)展［J］.中國農(nóng)學(xué)通報(bào)，2009，25(16)：156-160．

［2］黃彬，韓永圣，秦政．硅素的肥料效應(yīng)及補(bǔ)硅途徑［J］．江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，1997，(03)：47-49.

［3］傅云榮.舍硅化合物作肥料的研究［J］.湖北化工，1993，(04)：52-54.

［4］鄢繼偉，齊曉磊，黃琦.水稻施用硅肥的效果研究進(jìn)展［J］.農(nóng)技服務(wù)，2016，33（5）：98-99.

Discussion on effective utilization rate of solid silicon fertilizer in soil

ZHANG Juan1,2,ZHANG Zhi1,2,ZHANG Guang-xin1,LIU Chuan-yu1,2,SONG Ji-fu2
(1.Institute of Advanced Technology of Heilongjiang Academy of Sciences,Harbin 150020,China; 2.Institute of Petrochemistry of Heilongjiang Academy of Sciences,Harbin 150040,China)

With the continuous progress of agricultural science and technology,people have recognized the importance of silicon for crop yield and quality improvement.Especially rice and other silicon crops,the value of silicon application is particularly prominent,and people even put the silicon as the fourth largest nutrient element after nitrogen,phosphorus and potassium for rice.However,the commercially available silicon fertilizer mainly refers to a kind of alkaline containing citrate-soluble amorphous vitreous material,which includes a variety of waste residue in chemical and metallurgical industry.This kind of fertilizer can be applied to acidic soil for it can regulate the acidity of soil;the effective utilization of silicon is low in acidic soil(about 60%)with high invalidation,which results in soil compaction to some extent.

Soil;Acidity and alkalinity;Solid silicon;Utilization rate

S154

A

1674-8646（2016）19-0008-04

2016-09-13

張娟（1960-），女，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師。