有機硅改性復合肥對玉米養分和鎘吸收的影響

黃衡亮，楊發文，宋福如，肖 平，乜雪雷，何 璇，王章偉，熊雙蓮，涂書新，6*

（1.華中農業大學資源與環境學院，湖北 武漢 430070；2.河北硅谷農業科學院，河北 邯鄲 057151；3.湖北省公安縣農業局農科所，湖北 荊州 434300；4.河北省永年區農牧局，河北 邯鄲 057151；5.湖北省恩施州鶴峰縣農業生態環境保護站，湖北 恩施 445800；6.主要糧食作物產業化湖北省協同創新中心，湖北 荊州 434045）

玉米是我國主要的糧食作物。近些年來，我國玉米的種植面積及總產不斷增長，但據統計預測，隨著國際貿易爭端和關稅問題常態化，我國仍將存在玉米生產安全及需求缺口的問題［1-3］。施用化肥可增加糧食單產55%～57%，但肥料的不合理使用會造成資源浪費和環境污染問題［4-5］，因此，通過提高作物對養分的吸收提高作物產量是解決玉米需求問題的重要途徑之一。

硅在地殼和土壤中含量豐富，主要以硅酸的形式被植物吸收。大量研究均表明，施用硅肥促進植物生長發育，提高作物對養分的吸收、積累［6-12］。朱從樺等［9］研究結果顯示，施硅肥不僅能提高土壤速效磷含量，還能提高玉米植株氮、磷、鉀吸收量及籽粒產量。不過，過去的這些研究采用的是無機硅，運用有機硅肥提高作物養分吸收和積累的報道卻鮮見。

鎘是環境中毒性最強的重金屬之一，農田中少量的鎘（土壤鎘0.3～0.8 mg/kg）就會對農產品產生污染，危害生態環境和人體健康。施用硅肥能有效鈍化土壤鎘［13-14］，有效降低鎘的生物有效性［13，15］，減少農作物對重金屬的吸收［15-16］。但有關有機硅與肥料結合對于鎘的防控作用尚未見報道。本研究采用大田試驗，探討了有機硅改性復合肥對玉米養分和鎘吸收的影響，為有機硅改性復合肥在玉米生產、重金屬污染防控的應用提供依據和手段。

1 材料與方法

1.1 供試材料

本試驗為田間小區試驗。試驗于2017年5～11月在湖北省公安縣章莊鋪鎮（東經 111°58′33″，北緯 29°52′40″）進行。供試土壤為棕紅壤，土壤pH值5.18，有機質28.20 g/kg，堿解氮90.54 mg/kg，有效磷9.35 mg/kg，速效鉀97.10 mg/kg，Cd含量0.25 mg/kg。種植作物為夏玉米（Zea maysL.），品種為臨奧一號。

供試有機硅改性復合肥（OSiF）（18-18-18）由河北硅谷農業科學院生產并提供。OSiF含有氮磷鉀及有機硅等多種植物必需的營養成分，是一種完全水溶并具有緩釋性能的復合肥［17］。

1.2 試驗設計

本試驗研究不同肥料對玉米的肥料效果及降低玉米重金屬的作用。共設計4個處理，分別為（1）不施肥，處理代號CK；（2）普通復合肥（27-10-14），市售肥料，施用量按當地農戶習慣，為825kg/hm2；（3）OSiF（18-18-18），施用量 750kg/hm2，處理代號OSiF750；（4）OSiF（18-18-18），施用量1 050kg/hm2，處理代號OSiF1050。

肥料按整地時基肥70%、大喇叭口期追施穗肥30%的方式施用。每個處理3個重復，每個重復小區面積為20 m2（4 m×5 m）。2017年5月31日取土壤基本樣，整地施肥；6月1日玉米播種；6月18日進行間苗補苗，每個試驗小區保苗120株；9月8日取成熟期樣品。其他農事管理根據需要統一進行。

1.3 化學測定方法

1.3.1 基本指標及養分含量測定

在整地施肥前五點取樣進行本底土樣的采集，土樣制備、過0.85 mm篩，運用常規方法進行土壤pH值（電極法）、有機質（重鉻酸鉀容量法-外加熱法）、堿解氮（堿解擴散法）、有效磷（0.5 mol/L NaHCO3法）、速效鉀（NH4OAc浸提，火焰光度法）的測定［18］。

玉米成熟期，每個處理選取具有代表性的3個重復，測定玉米株高，取樣，按莖稈、籽粒、苞葉、棒子分裝于檔案袋中，105℃殺青0.5 h后60℃烘干至恒重，分別稱重，測量棒長，然后分部位粉碎供氮磷鉀的測定。氮（N）、磷（P）、鉀（K）含量采用H2SO4-H2O2消煮，N、P采用流動注射分析儀分析法，K采用火焰光度法進行測定。

1.3.2 重金屬Cd及其形態的測定

分別取制備后過0.15 mm篩的本底土樣和玉米拔節期的土樣，土壤全鎘采用HNO3-HCl-HClO4法消解，石墨爐原子吸收分光光度法測定；土壤不同形態Cd含量采用改進BCR法進行測定［19］；玉米拔節期和成熟期各部位植物樣Cd含量采用混酸（HNO3∶HClO4=9∶1）法消解，石墨爐原子吸收分光光度法進行測定［20］。

1.4 數據統計分析

使用SPSS 20進行數據統計分析，采用LSD方法（P＜0.05）進行平均值的顯著性比較。圖表采用Excel 2016和SigmaPlot 12.0進行繪制。

2 結果與分析

2.1 有機硅改性復合肥（OSiF）對玉米生長及產量的影響

施用OSiF顯著促進玉米生長（表1）。成熟期測定玉米株高的結果表明，與不施肥相比，施用有機硅改性復合肥OSiF750和OSiF1050分別顯著提高玉米株高24%和32%；與施用普通復合肥相比，施用有機硅改性復合肥OSi750和OSi1050分別提高株高9%和16%。

表1 不同肥料對玉米株高、干重及產量的影響

從表1中玉米各部位干重可以看出，施用肥料顯著增加玉米各部位的干重。施用普通復合肥相比于不施肥對照，莖葉、玉米棒、苞葉干重分別增加29%、115%和174%，總干重增加82%，其中莖葉和籽粒差異未達到顯著水平。施用OSiF相比于不施肥干重增加更為明顯，OSiF750和OSiF1050處理玉米莖葉、玉米棒、苞葉和總干重分別增加45%和45%、165%和173%、174%和154%、192%和189%，差異均達到顯著水平。而與普通復合肥處理相比，OSiF750和OSiF1050處理的玉米總干重顯著增加了60%和59%。

有機硅改性復合肥能顯著提高玉米產量。由表1可知，OSiF750和OSiF1050處理與不施肥處理相比的玉米產量顯著增加368%和361%；而相對普通復合肥處理也增產顯著，增產率分別為127%和123%。不同有機硅改性復合肥施用量的產量差異不顯著。計算整株干重中籽粒的分配比（收獲系數）可知，不施肥、普通復合肥、OSiF750和OSiF1050處理分別為37%、41.5%、59%、58%，結果表明有機硅改性復合肥更利于提高玉米產量。

2.2 有機硅改性復合肥對玉米養分吸收的影響

表2的結果表明，各處理莖葉中N積累量順序為普通復合肥＞OSiF1050＞OSiF750＞CK。普通復合肥、OSiF1050、OSiF750處理中N積累量相比不施肥處理分別增加了150%、143%、38%。苞葉中的N積累量與莖葉類似，分別增加了345%、62%、51%。而玉米棒和籽粒中的N積累量情況與此不同，OSiF1050和OSiF750處理中N積累量最高，其次是普通復合肥處理，OSiF1050、OSiF750和普通復合肥3個處理的玉米棒和籽粒中N積累量相比于不施肥處理分別增加了96%、177%、89%和510%、452%、221%。整株N積累量從高到低分別是OSiF1050、OSiF750和普通復合肥處理，比不施肥處理分別增加了333%、271%、194%。

表2 不同肥料處理的成熟期玉米各部位N積累量 （mg/株）

值得注意的是，相比于普通復合肥，有機硅改性復合肥OSiF1050、OSiF750處理的玉米籽粒N積累量顯著增加90%和72%。有機硅改性復合肥OSiF750和OSiF1050處理含氮（N）分別是135 和189kg/hm2，均小于普通復合肥中含氮（N）222.75kg/hm2，說明有機硅復合肥相比普通復合肥更能促進玉米對N的吸收利用。

此外，在不考慮施用氮量多少的情況下，普通復合肥處理主要將N素積累在莖葉和苞葉中，而有機硅復合肥處理主要將N積累在籽粒和玉米棒中，說明有機硅改性復合肥促進養分向籽粒中運轉，利于產量形成。

玉米不同部位P積累量結果見表3。結果表明，莖葉中以普通復合肥處理P積累量最高，其次是OSiF1050和OSiF750處理，分別比不施肥處理增加了106%、102%和79%；苞葉中P積累量趨勢與此略有不同，普通復合肥處理比不施肥處理增加了99%，而OSiF1050和OSiF750顯著下降50%左右。同N積累量一樣，OSiF1050和OSiF750處理的玉米棒和籽粒中的P積累量相比普通復合肥處理明顯增加，除OSiF1050處理的玉米棒外。玉米整株總P積累量以OSiF750處理最高，OSiF750、OSiF1050和普通復合肥處理的總P積累量比不施肥處理分別顯著增加了186%、181%和136%。

表3 不同肥料處理的成熟期玉米各部位P積累量 （mg/株）

玉米不同部位K積累量結果見表4。結果表明，OSiF1050和OSiF750處理的玉米各部位K積累量均最高，其中莖葉部分K積累量增加較為明顯，相比于不施肥處理分別顯著增加了139%和150%，相比于普通復合肥處理分別增加了36%和42%。OSiF與普通復合肥同不施肥處理相比，玉米整株中總K積累量均顯著增加，與籽粒中K積累量趨勢一致，OSiF1050和OSiF750處理相比于不施肥處理分別增加了159%和182%，相比于普通復合肥處理分別增加了38%和51%。

表4 不同肥料處理的成熟期玉米各部位K積累量 （mg/株）

2.3 有機硅改性復合肥對玉米中Cd含量的影響

由圖1可知，不同肥料處理的拔節期玉米莖葉中Cd含量差異顯著。不施肥處理的玉米莖葉Cd含量最低，施用肥料后玉米Cd含量顯著增加，其中普通復合肥處理的玉米Cd含量最高。與普通復合肥處理相比，施用OSiF的玉米Cd含量顯著下降，OSiF750和OSiF1050處理分別下降了40%和45%，說明OSiF能顯著降低拔節期玉米莖葉鎘含量，但增加用量對降鎘沒有顯著差異。

圖1 不同肥料處理的拔節期玉米莖葉鎘含量

圖2反映了不同肥料處理的成熟期玉米莖葉、玉米棒、籽粒和苞葉中的鎘含量。由圖2A、B、C可知，與普通復合肥處理相比，OSiF750和OSiF1050的玉米各部位鎘含量有所下降，其中莖葉、籽粒中下降明顯，分別下降了43%和44%、11%和13%；玉米棒中下降了47%和61%。由圖2D可知，苞葉中鎘含量狀況相反，施用OSiF750和OSiF1050相比普通復合肥處理增加了17%和14%，差異不顯著。由圖2C可知，施用OSiF750和OSiF1050處理的玉米籽粒Cd含量降低到不施肥處理籽粒Cd含量以下，分別下降了31%和32%，說明OSiF能有效降低成熟期玉米中鎘含量。

圖2 不同肥料處理的成熟期玉米各部位鎘含量

2.4 有機硅改性復合肥對土壤pH和鎘形態的影響

2.4.1 對土壤pH值的影響

圖3是施用不同肥料后土壤pH值測定的結果。結果顯示，普通復合肥處理的土壤pH值相對不施肥處理幾乎沒有變化，而OSiF750和OSiF1050處理的土壤pH值分別增加了0.13和0.23個單位，相對于普通復合肥處理也分別增加了0.11和0.21個單位，說明有機硅改性復合肥能提升酸性土壤的pH值。

圖3 不同肥料處理的土壤pH值

2.4.2 對土壤鎘形態的影響

由圖4可知，與不施肥及普通復合肥處理相比，OSiF處理土壤可交換態鎘占各種形態中比例下降了3%～7%及8%～11%。同時，相比于普通復合肥處理，OSiF1050處理可還原態鎘比例增加21%，但可氧化態和殘渣態鎘所占比例差別不大；OSiF750處理結果和OSiF1050處理類似，但殘渣態鎘增加最多，為21%。上述測定結果表明，施用有機硅改性復合肥后，代表土壤活性鎘的土壤可交換態鎘下降，而代表緩效態或者無效態鎘的可還原態鎘及殘渣態鎘含量增加，說明有機硅改性復合肥處理能使土壤中鎘鈍化。

3 討論

在田間條件下，研究了有機硅改性復合肥和普通復合肥對于玉米生長、產量形成及養分吸收和鎘含量的影響。本試驗條件下，施用有機硅改性復合肥顯著提高玉米產量123%～127%（表1）。其機制首先可能是由于有機硅改性復合肥提高玉米對養分的吸收積累。與普通復合肥相比，玉米N的積累量提高26%～47%（表2），P的積累量提高19%～21%（表3），K的積累量提高38%～51%（表4），特別是籽粒中N、P、K積累量分別顯著提高72%～90%、72%～82%、103%～128%（表2、3、4）。這一結果再次表明，籽粒中的養分含量與作物產量顯著正相關。結果與朱從樺等［21］配施無機硅肥促進植物對N、P、K的吸收，增加產量的研究結果一致。其次，玉米產量的提高主要依賴于總干物重及收獲系數的增加。本研究中，與普通復合肥相比，有機硅改性復合肥增加玉米總干重59%～60%，收獲系數提高40%（表1），這成為玉米增產的基礎。Fageria 等［22］、Gardner等［23］和齊文增等［24］有類似報道。如，齊文增等［24］的研究結果表明，高產夏玉米DH661莖、葉中的養分分配比例低于ZD958，而在籽粒和根系中的分配比例高于ZD958，說明籽粒中分配較多的養分有利于獲得較高的收獲系數，進而影響產量。另外，本研究結果表明，有機硅改性復合肥處理的玉米莖葉、玉米棒及苞葉K含量也明顯提高，表明植物的抗逆性提高。任軍等［25］研究表明，施硅能提高玉米抗逆性，改善玉米體內營養狀況，增加產量。

本研究條件下，與普通復合肥相比，施用有機硅改性復合肥玉米拔節期莖葉Cd含量顯著下降40%～45%，成熟期籽粒Cd含量下降11%～13%，說明有機硅改性復合肥能有效降低玉米中鎘含量（圖1、2）。許多研究表明，施用無機硅能降低玉米中鎘含量［15-16，26］，這與有機硅對鎘的影響類似。在探討硅降低鎘吸收的機制方面，武成輝等［14］研究了硅酸鹽對小白菜的降鎘效果和機制，結果表明，硅酸鹽調理劑使酸性土壤pH值升高約1.4個單位，弱酸溶解態鎘含量分別下降19.8%和9.40%。本研究也有類似結果，施用有機硅改性復合肥土壤pH值升高了0.13～0.23個單位（圖3），表明有機硅改性復合肥主要通過升高pH值，控制重金屬氫氧化物的溶解平衡移動，促進鎘沉淀的生成。本研究也表明，施用有機硅改性復合肥土壤可交換態鎘比例下降了8%～11%（圖4），表明有機硅能夠將土壤中有效態鎘轉變成難以利用的形態，從而抑制鎘的吸收［15］。此外，有機硅還可能通過對玉米生理生化性狀的調節來降低植物體中的鎘。史新慧等［27］研究表明，硅通過調節植物的生理過程，增強植物抗氧化系統，提高清除自由基的能力來減輕鎘對植物體造成的傷害；馬捷［28］報道了在鎘脅迫下，有機硅能改善細胞內蛋白質利用效率，并維持細胞正常生理生化功能來抑制鎘離子的吸收和運轉。

圖4 不同肥料處理的土壤鎘形態

4 結論

有機硅改性復合肥促進玉米生長，提高玉米產量。與普通復合肥相比，有機硅改性復合肥顯著提高玉米對肥料N、P、K的吸收利用，提高植株各部位干物重及收獲系數。同時，有機硅改性復合肥降低玉米中Cd含量，主要通過提升酸性土壤pH值，促進土壤可交換態鎘向緩效態鎘轉化來實現。