关于土壤中施用固体硅肥有效利用率的探讨

张娟,张智,张广鑫,刘传玉,宋继富

（1.黑龙江省科学院高技术研究院，哈尔滨150020；2.黑龙江省科学院石油化学研究院，哈尔滨150040）

关于土壤中施用固体硅肥有效利用率的探讨

张娟1,2,张智1,2,张广鑫1,刘传玉1,2,宋继富2

（1.黑龙江省科学院高技术研究院，哈尔滨150020；2.黑龙江省科学院石油化学研究院，哈尔滨150040）

随着农业科技的不断进步，人们已经认识到硅素对农作物增产和改善品质的重要性。特别是水稻等喜硅作物，硅素施用的价值尤显突出，甚至提出把硅作为水稻的继氮、磷、钾后的第四大营养元素。然而，现在市售的硅肥主要指一类碱性、含枸溶性无定形玻璃体物料，主要包括化工、冶炼行业的各种废渣。本文将重点论述由于这类肥料呈碱性，从能调节土壤中的酸度作用看，可施用于酸性土壤；作硅肥时，在酸性土壤中施用时，硅的有效利用率很低，约60%为土壤所固定，无效化相当严重，同时在某种程度上造成土壤板结。

土壤；酸碱性；固体硅；利用率

稳定的土壤肥力是农业可持续发展的必要条件，而土壤养分供应平衡则是土壤肥力的重要基础。硅素是禾本科作物良好生长所必需的元素，发达国家已把硅列为氮、磷、钾后的第四个肥料品种，作物生长发育需数十种化学元素，喜硅作物的植株体内，除C、H、O外，硅的含量是其他元素的几倍乃至几十倍，水稻一生需要的硅素超过氮、磷、钾的总需求量。硅虽然是土壤的主要组成部分，占70%左右，但都是非常稳定的结晶态和不定型态，植物无法吸收利用。农业的连年丰收，农作物的连续高产稳产、对土壤有效硅的需要量日益增加，靠土壤硅的风化以及秸秆还田所补充的有效硅，已远远无法维持平衡。我国不少地方缺硅占土地面积的50%左右，所以补充有效硅元素已是当务之急。

硅肥最早是以一种含硅酸钙为主的玻璃体、矿物肥料，其外观根据原料的不同，呈白色、灰褐色或黑色粉末，具有无毒、无臭、无腐蚀性、不变质及不易流失等特征。早在20世纪，相关研究人员就针对江苏、江西、浙江、河南、湖北等地进行有效二氧化硅的调查，目前我国存在大面积的缺硅土壤，其中浙江省缺硅总面积达73%，河南省耕地缺硅60%左右。值得引起重视的是，随着农业生产的进行，耕地缺硅的面积也逐年增大。我国氮磷钾肥料施用量占世界施用量的32%，氮磷钾肥料的大量施用，消耗土壤中大量的中微量元素以及有益元素，现在到了应该补充土壤硅营养的时候了。

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。常见的多为炼钢厂的废钢渣、粉煤灰、矿石经高温煅烧工艺等加工而成，适合做土壤基施。施用量较大，有效硅含量低。而且钢渣中同时含有少量的重金属元素，存在重金属污染的风险。水溶性硅肥相对于枸溶性硅肥而言，是可以溶于水，被农作物直接吸收，肥料利用率比较高。生产工艺较为复杂，需要较高的成本付出，在平时施肥中，常用来叶面喷施，在大田中也可以做底肥，施用量小，流失较快［1-4］。

1　当前土壤中施用的固体硅肥的性状、种类

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

以上这些硅肥的共同特点是：

第一，呈碱性。第二，属枸溶性肥料。第三，有效利用率低，施用量大。第四，速效性差，属缓效性肥料，只能作基肥施用。第五，化学组成较为复杂。第六，主要剂型为30～100目的粉剂，少数制成小颗粒施用，施用方法主要是人工，很难实现机播。

2　我省土壤环境状况

我省可耕地主要是黑土和白浆土两大类。

2.1黑土

在我国仅见于黑龙江和吉林两省，主要分布在小兴安岭西侧，大兴安岭中北部的东坡及张广才岭山地西缘的山前坡状台地（漫岗），在三江平原和兴凯平原的高阶地也有分布，其主要特点是：第一，含有深厚的黑色腐殖质层。第二，土壤团粒结构好。第三，多呈微酸性至中性反应。

2.2白浆土

主要分布在东北，范围大致北起黑龙江，南起辽宁的丹沈铁路以北，东自乌苏里江沿岸，西达大兴安岭完达山、长白山及大兴安岭东坡的山间盆地和山前台地。其主要特点是：第一，养分含量低，速效氮和速效磷缺乏。第二，物理性质不良，下面沉淀层有脱水作用，土壤上层滞水，旱季又缺水。第三，多呈微酸性。

3　土壤的酸碱性成因

根据土壤pH值大小，人们把土壤分为七种类型，强酸性pH＜4，中等酸性pH4～5，微酸性pH5～6，中性pH6～8，微碱性pH8～9，中等碱性pH9～10，强碱性pH＞10。

3.1土壤酸度的来源

第一，化学风化，如黄铁矿氧化：

降水越多的地区，土壤酸化程度越高。

第二，土壤中微生物在降解有机质过程中产生的有机酸，如柠檬酸、富里酸、腐殖酸等。植物和微生物呼吸过程释放出来的CO2都会使酸性增加。

第三，土壤酸碱性还取决于吸附在胶体表面上的阳离子的种类。当土壤胶体吸附的H＋（或Fe3＋、Al3＋）被土壤中盐溶液中的阳离子代换时产生的酸称为代换性酸或潜在酸。如：使土壤与中性盐溶液相互作用，则H＋被代换入溶液，等当量的K＋则被胶体吸附：

土壤胶体-H＋＋KCl→土壤胶体-K＋＋HCl

第四，大气酸沉降和农业氮肥的使用是土壤酸性的两大重要人为来源。

土壤中的NH4＋的氧化可生成强酸。NH4＋可以来自土壤中的有机质，化肥，大气气溶胶的沉降，通过下面反应释放出H＋,这是农业土壤中最大的酸性来源：

3.2土壤的碱性

土壤的碱度来自土壤中的NaCO3、NaHCO3、CaCO3及土壤胶粒上的交换性钠离子，它们经水解后呈碱性：

如：NaCO3＋H2O=2NaOH＋H2CO3

土壤胶粒-Na＋＋H2O=土壤胶粒-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。各国都根据土壤有效硅含量的实际情况确定土壤硅素的临界指标。如日本与朝鲜使用105mg/kg作为临界指标。目前我国诊断水稻施用硅素的临界指标在95～105mL/kg。

当前市售的固体硅肥在标注营养元素含量方面有误导，有的企业把硅含量标成有效硅含量。其实土壤中的硅含量是很丰富的，土壤硅含量与地壳硅含量相当，以二氧化硅表示时，平均达60%左右。而土壤中有效硅含量仅是土壤硅含量的万分之1～2（1～2/104）。

5　酸性土壤中施硅肥时，硅的有效利用率很低，无效化相当严重

有的资料介绍硅的有效利用率约60%，本文将从反应机理上加以探讨。通常以偏硅酸H2SiO3代表硅酸，硅酸为二元弱酸，K1=1.7×10-10,K2=1.2×10-12，比碳酸还弱。硅酸盐中只有钾、钠的盐溶于水，其他为枸溶性或不溶性的盐。

当水溶性或枸溶性硅酸盐遇到较强酸时（包括碳酸），就会生成偏硅酸（即硅酸）。硅酸难溶于水，是多硅酸的胶体或硅酸凝胶。如：

写成通式：

另外硅酸钠溶液可夺走NH4＋中的质子放出氨气生成凝胶或沉淀：

由上面的基本化学反应我们不难推导出，在酸性土壤中，不论什么途径产生的酸，大多数是比硅酸强的酸，当水溶性或枸溶性硅肥施入酸性土壤中，上述反应都会发生，结果使硅素转化成凝胶或沉淀而被固定，使硅的有效利用率降低，达到无效化。

一类强酸弱碱盐组成的化肥［NH4Cl、（NH4）2SO4］与硅肥一起施入土壤中，硅酸根和铵根发生双水解反应（4）不但降低化肥肥效，同时使硅素被固定。

另据研究报道，我国南方酸性红壤区属缺硅地理区域，有人报到四川省境内由砂岩黄壤、老冲积黄壤和酸性紫色土等母质发育的水稻土有效硅含量低（平均69.6mg/kg），而由碳酸盐紫色土和中性紫色土母质发育的水稻土有效硅含量较高（189mg/kg）。

原始酸性母质土发育成的土壤速效硅含量低与我们所推导的酸性土壤中使固体硅肥有效利用率低的结论是一致的。

6　硅肥施入土壤中反应历程

硅肥施入土壤中反应历程可以这样描述：当固体硅肥（粉面或颗粒）遇到土壤中水分，先被润湿，然后缓慢溶解，释放出少量有效硅。有效硅有两种主要去向，一是被植物根部吸收，二是按（3）式发生无效化反应。我们通过下面的数字对比看哪个是主导方向：

粗略按施肥层厚度10cm，土壤比重1.5g/cm3，则1亩（667m2）施肥土重约100t，我们按最大施硅量100kg/亩，则相当于土壤重的1/103。

若土壤pH为5，硅肥溶解pH为9，则浓度比较为pH=5，则［H＋］=10-5mol/L，pH=9，则P［OH］=5，即［OH］=10-5mol/L。

按土壤重量是硅肥重1 000倍计，则土壤［H＋］=10-2mol/L。相当于硅肥溶解的［OH］的1 000倍。

按第五部分中（3）式，当一种反应物大过量时，有利于另一个反应物反应完全，即［H＋］比MeSiO3大过量，有利于生成H2SiO3↓。也就是说，当固体硅肥在土壤中释放少量有效硅时，发生无效化反应是主导方向。

表2　不同种硅肥施用效果调查表Tab.2Using effect survey of silicon fertilizer in different species

7　由试验示范调查结果看在酸性土壤中施用固体硅的有效利用率

2007年农垦牡丹江分局856分公司全面试验了隆垦速效高硅叶面肥，几种固体硅肥的施用情况，调查结果表总结如下：

试验单位：农垦牡丹江分局856分公司第十管理区（附件-02）。

时间：2007年。

土壤状况：草甸白浆土，pH值5.79。

试验处理：

处理1：固体硅肥40kg/亩，做基肥施入土壤。

处理2：多元（固体）硅30kg/亩，土壤施入。

处理3：速效高硅叶面肥（液态）400mL/亩，叶面喷施。

处理4：速溶硅，250g/亩（固态），使用时溶水后喷施。

处理5：CK。

由表中数据看出，在酸性土壤中施用固体硅肥，虽然施用量很大，但由于该固体硅肥属缓效肥料，速效性差，少量释放的有效硅又有随时被土壤固定的可能，使得有效性降低，无效化严重，以致造成亩增效益明显下降，甚至减产。

8　结论

第一，水溶性或枸溶性固体硅施入酸性土壤中，当作硅肥施用时，硅素有效利用率很低，无效化相当严重，60%以上被土壤固定。

第二，当前市售的固体硅肥属缓效性硅肥，为了维持肥效，每年都要加大投入量，连年使用对土壤肥效，土壤理化性能等综合影响都要认真对待。

第三，市售固体硅肥化学成分复杂，属碱性物料，当用以调节土壤酸碱度时，或用于提供其他营养元素时，可以施用。

第四，大量的工业废渣连年施入土壤，会使土壤沙化，同时会带来新的环境污染。

［1］高玉凤，焦峰，沈巧梅.水稻硅营养与硅肥应用效果研究进展［J］.中国农学通报，2009，25(16)：156-160．

［2］黄彬，韩永圣，秦政．硅素的肥料效应及补硅途径［J］．江苏农业科学，1997，(03)：47-49.

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

［4］鄢继伟，齐晓磊，黄琦.水稻施用硅肥的效果研究进展［J］.农技服务，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

张娟（1960-），女，高级实验师。