含硅熔渣对水稻养分吸收及产量的影响.doc

-专业文档，值得下载!-专业文档，值得珍藏！-含硅熔渣对水稻养分吸收及产量的影响高明，魏朝富，车福才，慈恩，谢德体西南农业大学资源环境学院，重庆400716摘要：采用盆栽试验方法，研究了不同含硅熔渣对水稻养分的吸收和产量的影响，结果表明，在施用氮、磷、钾肥的基础上，增施不同类型的含硅熔渣，可提高水稻中硅和磷的含量，降低根系、茎叶和籽粒中的氮、钾含量，增加水稻对氮、磷、钾、硅的总吸收量。不同含硅熔渣的增产效果差异较大，增产最显著的是铁渣和黄磷炉渣，分别比对照增产43.4%和31.6%，施用含硅熔渣的各处理比对照平均增产19.1%，各处理间的产量经方差分析和多重比较达显著或极显著差异水平。扩散方程、Elovich方程和多项式方程均能很好地描述水稻生长期内水稻对N、P、K、Si的吸收过程，尤以多项式方程拟合最佳。关键词：含硅熔渣；水稻；养分；产量中图分类号：X705文献标识码：A文章编号：1672-2175（2004）04-0587-05含硅熔渣是冶炼工业中，原料在炉内经高温变成液态、分层，通过排渣口分离、冷却、凝固后废弃的固态物质。含硅熔渣作为一种重要的硅肥资源和土壤改良剂，在农业生产上早已被广泛应用13。自20世纪50年代，日本人应用含硅炉渣改良退化稻田成功后，有关土壤和水稻中硅的研究文献日渐增多。20世纪70年代后，些主要产稻国已将施用硅肥作为提高水稻产量的重要措施研究表明46，适量供给硅可以促进水稻生长发育，提高光能利用率，改善呼吸作用，降低蒸腾作用，增强抗逆性，调节水稻对某些养分的吸收和利用，进而保证水稻的高产稳产。此外硅还有提高水稻遗传物质稳定性的作用7因此，硅已被列入水稻生长必需的大量元素之中1据有关资料表明8，我国目前缺硅土壤面积相当大，每年需要硅肥30004000万t，可是目前生产硅肥能力只有30万t，并且只集中在个别省份。因而，利用各种工业含硅熔渣废物生产硅肥，不仅资源丰富，而且生产成本低，最重要的是为废物资源的有效化利用开辟一条新的途径，具有良好的社会效益、环境效益和经济效益。本研究试图通过对重庆地区不同冶炼厂生产的不同熔渣类型对水稻养分吸收及产量的影响研究，以期筛选出增产潜力大的熔渣类型，为生产含硅多元复合肥提供理论依据。1材料与方法1.1材料1.1.1供试土壤选用由三迭系须家河组石英砂岩母质发育的黄砂土为供试土壤，其pH5.4，有机质13.4g/kg，全氮1.15g/kg，全磷0.293g/kg，全钾15.41g/kg，有效硅54mg/kg。1.1.2作物种类水稻，品种为优838，秧龄57d。1.2试验方法1.2.1试验处理在对重庆主要含硅废渣调查、取样、分析的基础上，选取有效硅含量较高，年排放量大的不同含硅熔渣类型进行盆栽试验，供试熔渣的主要化学组成和有效硅含量分别见表1。每盆钵装过3mm筛的风干土9kg，在土装钵之前，每钵施用w（N）46%的尿素3.02g，w（N）12%、w（P2O5）42%的磷酸铵，w(K2O)60%的氯化钾1.35g，不同类型的硅渣10g，各肥料与土壤充分混合后装钵(底肥一次施用)，淹水浸泡7d后栽秧，每钵栽均匀一致的秧苗3株，其试验处理编号如下:CK1：N+P+K(CK1)，CK2：N+P+K+偏硅酸钠10g/钵(CK2)，R1：N+P+K+含硅铁渣10g/钵(江津钢厂)，R2：N+P+K+硅锰渣10g/钵(重庆铁合金厂)，R3：N+P+K+中低微碳铬渣10g/钵(重庆铁合金厂)，R4：N+P+K+黄磷炉渣10g/钵(长寿化工厂)。R5：N+P+K+硅锰渣10g/钵(重钢四厂)R6：N+P+K+铁渣10g/钵(重钢七厂)CK1R4重复9次，其中6次用于水稻吸收硅、氮、磷、钾养分的动力学研究，3次重复用于收产；R5、R6重复3次。随机区组排列。表1供试含硅熔渣的主要化学组成及有效硅含量采样地点熔渣类型处理号pHFe2O3Al2O3SiO2CaOMgOK2OP2O5MnO可溶性硅水溶性硅有效性硅w/(gkg-1)w(SiO2)/(gkg-1)江津钢厂铁渣R19.810.3155.2330.1425.560.417.00.767.82130.917.85重庆铁合金厂硅锰渣R29.010.3189.2346.1341.7.22.821.20.4714.12260.344.68重庆铁合金厂中低微碳铬渣R311.117.3133.5306.7459.665.80.70.620.92245.310.79长寿化工厂黄磷炉渣R410.57.652.8331.8450.411.816.88.0565.1751.274.16重钢四厂硅锰渣R59.44.9116.8322.5433.361.78.30.97105.51662.513.42重钢七厂铁渣R68.953.3139.0318.6418.265.38.81.0911.21400.768.27588生态环境第13卷第4期（2004年11月）1.2.2分析方法含硅熔渣主要化学成分的测定采用NaOH熔融，硅用质量法；磷用钼锑抗比色法；铝用铝试剂比色法；铁、锰、钙、镁用原子吸收分光光度计法；pH用电极法。植株硅含量用H2SO4-H2O2消煮-质量法测定，植株氮、磷、钾含量用H2SO4-H2O2消煮，分别采用蒸馏法，比色法，火焰光度计法测定9。2结果与分析2.1含硅熔渣对水稻产量的影响试验结果表明（表2），在N、P、K肥施用的基础上，增施不同类型的含硅熔渣对水稻均表现出不同程度的增产效果。其中增产幅度最大的是施用重钢七厂的含硅铁渣，与CK1和CK2比较，籽粒产量差异达到了极显著水平，分别增产43.4%和25.7%；其次是重钢四厂的硅锰渣和长寿化工厂的黄磷炉渣，其水稻籽粒产量比CK1分别增产31.6%和21.3%，其它几个处理的产量比CK1高，而比CK2低。从表2还可看出：不同处理间每钵穗数，每穗粒数也有很大的差异，施用了硅渣肥的普遍比对照高。根质量和千粒质量各处理间差异不大。由此可见，在施用氮、磷、钾肥的基础上，增施不同类型的含硅熔渣，具有增穗、促粒的作用，与魏朝富和陈进红等10,11研究的结果相似。施用不同含硅熔渣增产效果不一致的原因，主要与含硅熔渣的物质组成，硅的含量及有效性有关。方差分析表明，不同处理间的水稻籽粒产量、茎叶质量和生物量的差异均达到了显著或极显著差异水平；根质量和区组间的差异不显著。导致盆栽试验中水稻籽粒产量、茎叶质量和生物量差异的原因主要是施用了不同类型的硅肥所致。2.2含硅熔渣对水稻N、P、K、Si养分吸收及积累分配的影响2.2.1氮从表3可以看出，在施用氮、磷、钾肥的基础上，增施不同类型的含硅熔渣，各处理水稻根和籽粒的氮含量相差不大，茎叶氮含量略有降低。从水稻植株对氮的吸收总量来看，虽然水稻植株体内氮含量略有降低，但由于对硅酸的吸收使植物干物质总量增加，水稻对氮吸收总量还是略有增加，与魏朝富10等的研究结果一致。水稻施用硅后，根系和籽粒吸收的氮量增加，茎叶吸氮量减少，氮主要分配在水稻籽粒中，其次才是茎叶。不同生育期水稻对氮的吸收速率变化较大（图1），在移栽后15d的苗期，由于秧苗小，根系不发达，稻株对氮的吸收速率远不如分蘖盛期。施用硅肥后，在苗期能显著地提高水稻对氮的吸收速率，R1处理比对照增加了40.8%，增长较小的R4处理比对照也提高了9.7%。水稻对氮的吸收高峰期在4560d这个范围，施用中低微碳铬渣处理的在这段时间最高吸氮速率达55.87mg/(钵d)，比其它处理都高。整个水稻生育期对氮的平均吸收速率大的还是施用黄磷炉渣表2不同含硅熔渣对水稻产量和经济性状的影响编号有效穗数/(穗钵-1)(根)/(g钵-1)(茎叶)/(g钵-1)(籽粒)/(g钵-1)(生物量)/(g钵-1)m(千粒)/g穗粒数/粒CK128.510.6468.1062.90141.6425.7384.2CK232.09.3570.5571.73151.6324.9989.8R130.89.1573.8068.84151.7925.0689.8R224.810.5867.3263.45141.3525.67100.2R329.010.3273.0069.01152.3325.5992.8R430.59.6875.2576.30161.2325.6597.5R535.311.8380.6782.77175.2725.4092.8R634.014.8787.1390.18192.1825.33105.5F1)2.425.95*2)4.24*3)20.54*1）F0.05=2.77,F0.01=4.28；2）*为1%显著水平；3）*为5%显著水平图1水稻对氮的吸收速率-200-150-100-50050100020406080100120移栽后的天数/d氮吸收速率/(mg钵-1d-1)CK1CK2R1R2R3R4表3含硅熔渣对水稻吸收N、P、K、Si养分的影响处理w/(mgg-1)吸收量/(mg钵-1)根茎叶籽粒根茎叶籽粒总量NCK110.912.816.9116.0871.71063.02050.7CK211.212.117.7104.7853.71269.62228.0R112.810.817.4117.1797.01177.22091.3R210.711.017.8113.2740.51129.41983.1R312.011.916.0123.8868.71104.22096.7R412.311.517.2119.1865.41312.42296.9R511.09.718.1130.1782.51498.12410.7R610.46.714.7154.6588.11325.62068.3PCK13.121.343.0533.291.3191.8316.3CK23.301.433.2830.8100.9235.3367.0R13.021.503.0627.6110.7210.6348.9R23.761.503.0039.8101.0190.4331.2R33.971.713.0941.1124.8213.2379.1R43.761.592.9036.4119.6221.3377.3R52.501.123.2029.690.4264.9384.9R62.150.722.9332.062.7264.2358.9KCK13.282.663.8334.91811.5240.91846.4CK23.352.703.8431.31904.9275.42211.6R14.222.463.6438.61815.5250.62104.7R24.462.343.1847.21575.3201.81824.3R34.422.043.2345.61489.2222.91757.7R44.282.183.2941.41640.4251.01932.8R53.311.933.5839.21556.9296.31892.4R63.312.343.5546.22038.8320.12405.1SiCK169.331.411.9737.42128.3748.53624.2CK270.537.314.2659.22631.51018.64309.3R176.332.515.1698.12398.51039.5413.61R294.535.613.9999.82396.6882.04278.4R381.845.017.8844.23285.01228.45357.6R477.851.319.5753.13860.21487.96101.2R558.634.415.4693.22775.01274.74742.9R649.026.610.5728.62317.6910.83957.0高明等：含硅熔渣对水稻养分吸收及产量的影响589的R4处理，达21.67mg/(钵d)。2.2.2磷早期的试验认为硅可部分地代替植物对磷的作用，后来，许多学者的研究表明，硅的这种效果不是由于它的生理作用而是由于施硅改善了磷的有效性10,11。GileP.L.等发现，硅酸存在时水稻对磷的吸收受到一定的促进作用，而当磷酸存在时硅酸的吸收只受到轻微的抑制，他们认为两种元素在代谢方面有密切关系。表3表明：水稻在施用氮、磷、钾肥的基础上，增施不同类型的硅渣肥，可促进水稻对磷的吸收。水稻根系和茎叶的含磷量除施用铁渣和硅锰渣的R5和R6处理外，其余施用了硅肥处理的均比对照提高。R3处理水稻根系和茎叶的磷含量比对照分别增加了27.2和27.6，籽粒中磷的含量各处理间差异不显著。从表3还可看出，水稻根系和籽粒中的含磷量比茎叶中的含磷量高，磷在水稻各器官的分配以籽粒中最多。尽管R5和R6处理根系和茎叶的磷含量不如对照高，但由于生物量大，总的水稻植株吸磷量比照还是大。因此，施用含硅熔渣有利于水稻对磷的吸收。从水稻对磷的吸收速率（图2）来看，施用硅锰渣、铁渣和偏硅酸钠处理的水稻总平均吸附速率比对照增加了19.4%、19.1%和15.7%，在移栽后的最初15d内，施用黄磷炉渣处理的吸磷速率比对照高3.16倍，各处理对磷的吸收都有两个高峰值，一个是在水稻移栽后4045d，另一个是在8090d，90d后各处理对磷的吸收速率显著下降，到106d时水稻体内的磷素呈现负增长，这与水稻的生长发育期有关。2.2.3钾钾主要分布在水稻的茎叶中(表3)。从水稻各器官的钾含量来看，施用含硅熔渣有利于提高根系钾含量，降低籽粒和茎叶中钾的含量；水稻植株对钾的吸收总量仍是施用了硅素营养的高，但每个处理差异较大，其原因有待进一步研究。不同施硅处理的水稻对钾的吸收速率与氮相似(图3)，在氮、磷、钾施用的基础上，增施不同类型的硅渣肥，各处理的水稻对钾的总平均吸收速率差异不明显。从水稻整个生育期吸收钾的速率情况来看，施用了硅渣肥处理的在90d内吸钾速率较平均，出现的吸钾高峰在6090d这个范围，而对照的吸钾高峰比较提前，在栽秧后3045d，这样施用了硅肥有利于处理后期光合物质向籽粒中输送，为水稻高产奠定物质基础。2.2.4硅表3表明，水稻在施用氮、磷、钾肥的基础上，施用不同类型的硅渣肥后水稻根系、茎叶和籽粒的硅含量及每钵植株硅的吸收总量均有不同程度的提高。不同硅渣类型对水稻各器官的硅含量影响程度不一样，施用硅锰渣的R2处理水稻根系的硅含量最高达9.45%，比对照的6.93%增加了36.3个百分点，而茎叶和籽粒中硅含量最高的则是施用黄磷炉渣的R4处理，分别比对照含量提高了63.4%和63.9%。水稻植株硅吸收量最高的也是R4处理，其次是R3和R5处理。植物中硅的含量高低和吸收量的多少除了因种类不同而有较大的差异外，最主要的影响因素是土壤和水分。对于同一水稻品种而言，其含硅量和吸收量与土壤溶液中SiO2的含量成正相关；同时，还受土壤中氧化铁和氧化铝含量的影响，因为铁、铝吸附土壤中的SiO2，影响土壤溶液中SiO2的含量，从而降低植物中SiO2含量。本试验不同类型硅渣处理水稻含硅量的差异可能与硅渣中铁、铝的含量有关。增施不同类型的硅渣肥能提高水稻生长期内对硅的总平均吸收速率(图4)。其中施用黄磷炉渣的R4处理比对照提高了68.4，居所有处理中增幅之首，其次是施用中低微碳铬渣的R3处理，施用铁硅渣和硅锰渣的R1、R2处理与施用偏硅酸钠(CK2)处理的吸硅速率相似。从整个水稻生育期吸图2水稻对磷的吸收速率-10-5051015020406080100120移栽后的天数/d磷吸收速率/(mg钵-1d-1)CK1CK2R1R2R3R4图3水稻对钾的吸收速率-60-40-200204060020406080100120移栽后的天数/d钾吸收速率/(mg钵-1d-1)CK1CK2R1R2R3R4图4水稻对硅的吸收速率-150-100-50050100150200020406080100120栽秧后的天数/d硅吸收速率/(mg钵-1d-1)CK1CK2R1R2R3R4590生态环境第13卷第4期（2004年11月）收硅的速率来看，各处理在不同时段的吸收速率不同，对照处理在水稻移栽后3045d这段时间吸硅的速率最快，达63.84g/(钵d)，而施用了硅肥的各处理均推迟到6090d这个时段，且这段时间施硅处理比对照的吸收速率提高了102.1%223.1%。图4还显示，水稻在生长过程中随着植株体的长大对硅的吸收量逐渐增加，吸收高峰都在90d左右，在收获前的最后16d左右的时间内，水稻基本上不再吸收土壤中的硅素，反而因地下部根系和下部叶片的枯萎、衰老等因素而使植株体内硅含量降低。2.3水稻对N、P、K、Si的吸收动力学利用动力学方程描述植物对养分的吸收已有研究报道10。常用的方程有抛物线扩散方程、Elovich方程、Freundiich方程、一级动力学方程和多项式方程。本文分别用扩散方程、Elovich方程和多项式方程对水稻生长期内(106d)吸收硅、氮、磷、钾的量随时间变化规律进行了动力学方程拟合。结果(见表4)表明：三个方程对每种处理下水稻吸收硅、氮、磷、钾养分情况的拟合度都达到了极显著性相关水平(相关系数r值在0.887*到0.991*之间变化)；以r均值和r值的变异系数为方程拟合度高低的标准可看出，水稻对四种养分元素的吸收规律均以多项式方程的拟合度最好，该方程对四种养分元素而言均具有最高的r值及最小的变异系数。对硅而言，多项式方程对每种处理拟合的相关系数平均值为0.941*，变异系数为0.61，相比之下，Elovich方程对它的拟合度就差一些，相关系数均值为0.900*，变异系数为1.20。三种方程拟合所得的b值与水稻的吸硅量、吸硅速率之间的相关性都达到了显著或极显著差异水平(r0.857*0.992*)，b值可用来预测水稻的吸硅量与吸硅速度。水稻吸氮的情况虽以多项式方程拟合最好，六个处理的相关系数均值为0.986*，但其b值与水稻吸氮量与吸氮速率之间的相关性很差；相反，扩散方程与Elovich方程拟合所得的b值与水稻吸氮量之间的相关性都达到了显著性水平(r0.975*，0.967*)。可以由这两个方程的b值来预测水稻的吸氮量，就这一点而论，扩散方程和Elovich方程对水稻吸氮的拟合度比多项式方程更好，相比之下又以扩散方程为最佳。多项式方程对水稻吸磷和吸钾的拟合相关系数均值分别为0.941*和0.964*，对磷、钾而言三个方程的拟合度大小顺序为：多项式方程扩散方程Elovich方程。Elovich方程拟合表4水稻对N、P、K、Si的吸收动力学数学模型处理扩散方程qtabt1/2Elovich方程qtablnt多项式方程Yax2bxcrabrabrabcNCK10.971-1152.2340.260.973-30641135.20.988-0.26855.94-739.4CK20.971-1133.2356.740.980-31701198.50.991-0.31162.18-774.1R10.947-1078.9348.900.960-30931177.70.984-0.37469.23-900.4R20.945-1011.6329.980.958-29181114.30.981-0.35265.21-845.4R30.957-1107.4344.670.963-30611154.30.980-0.30860.96-781.2R40.983-1316.9373.430.976-33681233.50.990-0.20650.81-637.4CV/%1.570.950.47PCK10.947-237.7959.130.929-554.02193.090.955-0.0267.31-115.02CK20.938-260.8968.110.927-631.24224.000.946-0.0389.29-137.90R10.924-262.4366.050.900-610.20214.280.933-0.0267.75-116.75R20.945-229.7861.220.936-565.11201.970.957-0.0419.11-135.62R30