硅藻土对水稻产量和氮肥利用率的影响

doi:10.16035/j.issn.1001-7283.2024.06.020

硅藻土对水稻产量和氮肥利用率的影响

曾茜倩^,¹, 张振远¹, 马秀娥¹, 方映涵¹, 翟金磊¹, 金涛^,¹, 刘冬², 刘章勇¹

¹长江大学湿地生态与农业利用教育部工程研究中心/长江大学农学院，434025，湖北荆州

²中国科学院广州地球化学研究所/中国科学院矿物学与成矿学重点实验室/广东省矿物物理与材料研究开发重点实验室，510640，广东广州

Effects of Diatomite Application on Yield and Nitrogen Use Efficiency of Rice

Zeng Qianqian^,¹, Zhang Zhenyuan¹, Ma Xiue¹, Fang Yinghan¹, Zhai Jinlei¹, Jin Tao^,¹, Liu Dong², Liu Zhangyong¹

¹Engineering Research Center of Ecology and Agricultural Use of Wetland, Ministry of Education, Yangtze University / College of Agriculture, Yangtze University, Jingzhou 434025, Hubei, China

²Guangzhou lnstitute of Geochemistry, Chinese Academy of Sciences / Key Laboratory of Mineralogy and Metallogeny, Chinese Academy of Sciences / Guangdong Provincial Key Laboratory of Mineral Physics and Materials, Guangzhou 510640, Guangdong, China

通讯作者: 金涛，主要从事土壤肥力与生态研究，E-mail：jintao165@126.com

收稿日期: 2023-08-11 修回日期: 2023-11-8 网络出版日期: 2023-11-13

基金资助:

国家重点研发计划“主要作物丰产增效科技创新工程”(2022YFD2301000)
江西省技术创新引导类计划项目(20212BDH81036)

Received: 2023-08-11 Revised: 2023-11-8 Online: 2023-11-13

作者简介 About authors

曾茜倩，主要从事植物营养与高效施肥技术研究，E-mail：2021710757@yangtzeu.edu.cn

摘要

为明确硅藻土对水稻产量和氮肥利用率的影响，于2021-2022年在湖北荆州设置了单施硅藻土（Si）、单施氮肥（N）、硅藻土与氮肥配施（N+Si）试验，以不施加硅藻土和氮肥作对照（CK），测定分析了产量、产量构成要素和氮肥利用率。结果表明，与CK相比，Si对水稻产量无显著影响；但与N处理相比，N+Si处理能显著提高39.26%（2021年）和19.80%（2022年）的水稻产量。从产量构成因素来看，N+Si处理对产量的提升主要在于有效穗数、结实率和千粒重的增加。此外，与CK相比，Si、N和N+Si处理均显著提高水稻成熟期地上部干物质积累量，依次为N+Si>N>Si>CK。与N处理相比，N+Si处理显著提高氮肥吸收利用率、氮肥农学利用率、氮肥生理利用率和氮肥偏生产力，但显著降低氮素收获指数。综上所述，硅藻土配施氮肥能显著提高水稻产量、干物质积累量和氮肥利用率，是一种有利于江汉平原地区水稻生产节氮高效的施肥方式。

关键词： 水稻; 硅藻土; 产量; 干物质积累量; 氮肥利用率

Abstract

In order to determine the effects of diatomite (Si), N (N), and combination of N and diatomite (N+Si) on rice yield and nitrogen use efficiency, experiments were conducted in Jingzhou, Hubei province from 2021 to 2022, with no diatomite and nitrogen as control (CK). The yield, its components and nitrogen use efficiency were measured and analyzed. The results showed that, compared with CK, Si treatment had no significant effect on rice yield. But compare with N, N+Si treatment significantly increased the yield by 39.26% and 19.80% in 2021 and 2022, respectively. The higher yield observed for N+Si treatment were attributed to higher effective panicle number, seed-setting rate and 1000-grain weight. In addition, compared with CK, Si, N and N+Si treatments significantly increased the above-ground dry matter accumulation at rice maturation, in the order of N+Si > N > Si > CK. Compared with N, N+Si treatment significantly improved the nitrogen recovery efficiency, nitrogen agronomic efficiency, nitrogen physiological utilization efficiency and nitrogen partial factor productivity, but significantly reduced the nitrogen harvest index. In summary, the combination of diatomite and nitrogen fertilizer can significantly improve the yield, biomass and nitrogen fertilizer utilization of rice in the Jianghan plain.

Keywords： Rice; Diatomite; Yield; Dry matter accumulation; Nitrogen use efficiency

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本文引用格式

曾茜倩, 张振远, 马秀娥, 方映涵, 翟金磊, 金涛, 刘冬, 刘章勇. 硅藻土对水稻产量和氮肥利用率的影响. 作物杂志, 2024, 40(6): 147-152 doi:10.16035/j.issn.1001-7283.2024.06.020

Zeng Qianqian, Zhang Zhenyuan, Ma Xiue, Fang Yinghan, Zhai Jinlei, Jin Tao, Liu Dong, Liu Zhangyong. Effects of Diatomite Application on Yield and Nitrogen Use Efficiency of Rice. Crops, 2024, 40(6): 147-152 doi:10.16035/j.issn.1001-7283.2024.06.020

水稻是世界三大粮食作物之一，全球一半以上人口以稻米为主要食物来源^[1]。近年来，大量无机氮肥的使用在维持我国水稻的高产方面发挥了重要作用^[2-3]，然而也导致了我国氮肥利用率（34%）远低于世界平均水平（46%）^[4]，造成了我国水稻生产损失大量氮肥，继而增加了环境污染^[5]。因此，探究提高水稻氮肥利用率的施肥措施，对于我国水稻可持续生产极为重要^[6]。

硅藻土是由硅藻生物的遗骸（硅藻壳体）经沉积堆积后形成的矿产资源^[7]。研究显示，一方面由于硅藻土表面存在多种2:1型和1:1型层状硅酸盐黏土矿物^[8]，且具有多孔结构，对NH₄⁺-N具有良好的吸附和缓释效果；另一方面硅藻土中含有高反应活性的B酸和L酸^[9]，能够与NH₃结合形成固定态的NH₄⁺-N，减少氮素的损失^[10]。此外，硅藻土具有多孔结构及其较大的比表面积，能够促进团粒结构形成，进一步影响微生物群落结构平衡并活化土壤中大量的营养元素，提高土壤酶活性，促进植株营养吸收^[9]。因此，硅藻土具有保肥、延长肥效和改良土壤的作用，是很好的肥料载体材料^[11]。

同时，水稻是典型的喜硅作物，有“硅酸植物的代表”之称。施硅能促进水稻根系发育，提高根系二价铁离子的氧化力和根系脱氢酶活性。根系发育良好，水稻对营养元素的吸收能力就更强，因此，施用硅肥后水稻对氮素的吸收会有明显的提高，地上部分的群体发育能力也相应提高^[12]。硅能与重金属在植物体内形成“硅―重金属”共沉淀，从而增强植物组织内部耐过量锰或重金属的能力。水稻吸收硅后，其体内形成硅化细胞，使茎叶表层细胞壁加厚，角质层增加，从而提高防虫抗病能力^[13]。

综上，以硅藻土为硅肥同时配施氮肥，不仅能够吸附和缓释氮肥来提高氮肥利用率，同时也能为植物提高硅元素，改良土壤结构，促进水稻生长，提高作物产量。彭雪明^[14]研究认为，硅肥与氮肥配施在提高氮肥效率上具有明显的正互作效应，如硅肥有利于提高超级早稻氮积累量、氮收获指数和氮肥利用率。基于此，我们拟通过2年大田试验，探究单施硅藻土和硅藻土与氮肥配施对水稻产量及氮肥吸收利用率的影响，以期为水稻高产高效栽培提供技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2021-2022年在湖北省荆州市梅槐桥农场（112°01′ E，30°24′ N）进行。该地区属于亚热带季风气候，光能充足，热量丰富，无霜期长，年均气温16.5 ℃，年均降水量1150 mm。供试土壤类型为灰潮泥田，土壤pH 6.97、全氮2.1 g/kg、全磷0.65 g/kg、全钾16.53 g/kg、有机质42.41 g/kg。

1.2 试验设计

采用单因素试验，设计了4个处理，分别为单施硅藻土（Si）、单施氮肥（N）、硅藻土与氮肥配施（N+Si）及不施加硅藻土和氮肥处理（CK），每个处理设4次重复。每个小区面积为140.93 m²（13.75 m×10.25 m）。小组区间用60 cm宽的田埂隔开并覆盖塑料薄膜防止串水串肥。

供试水稻品种为荃优532，栽培行株距为25 cm×25 cm。氮、磷和钾肥施用量分别为180、75和105 kg/hm²，硅藻土施用量为150 kg/hm²。供试氮、磷和钾肥分别为尿素（46%，N）、过磷酸钙（12%，P₂O₅）和氯化钾（60%，K₂O）。硅藻土由中国科学院广州地球化学研究所提供，经700 ℃以上煅烧提纯，其养分含量见表1。硅藻土和磷肥作基肥一次性施入，氮肥60%作基肥，40%作分蘖肥；钾肥50%作基肥，50%作分蘖肥。除烤田外，田间始终保持3~5 cm的田面水，直至收获前1周左右。杂草和病虫害管理与当地常规管理一致。水稻收获后留20 cm稻桩还田。

表1 硅藻土养分含量

Table 1 Diatomite nutrient content %

SiO₂	Al₂O₃	Fe₂O₃	CaO	MgO	K₂O	Na₂O	MnO	TiO₂	P₂O₅	烧失量Firing loss	总计Total
62.48	15.34	4.63	0.52	0.69	1.23	0.34	0.02	0.22	0.10	14.55	100.12

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1.3 测定指标与方法

1.3.1 产量及其构成因素

在水稻成熟期，连续调查20蔸水稻的有效分蘖数，并计算其平均有效分蘖数，然后在每小区齐地采集与平均有效分蘖数相等的4蔸植株样，用于测定穗粒数、结实率、千粒重等产量构成要素。同时每小区收割3 m²稻穗测定实际产量，风干后脱粒去除杂质之后称重并测量水分含量，换算成14%的水分含量，确定各处理的标准谷物产量，重复3次，计算平均数。

1.3.2 干物质积累

于水稻成熟期，在各小区中随机选择3点，每点取2株水稻，将其分为茎、叶、穗3部分，105 ℃下杀青30 min，80 ℃下烘干至恒重后称重。经磨样器粉碎后过100目筛，茎、叶、穗各取3份，每份5 mg，用元素分析仪测定其氮含量。

氮肥利用率计算公式如下：

氮肥吸收利用率（%）=（施氮区植株总吸氮量-无氮区植株总吸氮量）/施氮量×100；

氮肥农学效率（kg/kg）=（施氮区产量-无氮区产量）/施氮量；

氮肥生理利用率（kg/kg）=（施氮区产量-无氮区产量）/（施氮区植株总吸氮量-无氮区植株总吸氮量）

氮素收获指数（%）=稻谷吸氮量/植株总吸氮量；

氮肥偏生产力（kg/kg）=施氮区产量/施氮量。

1.4 数据处理

采用单因素方差分析明确硅藻土和氮肥对水稻产量和氮肥利用率的影响，采用最小显著法（LSD法）分析处理间差异显著性。采用相关性明确产量和产量构成因素、干物质和氮肥利用率之间的关系，所有统计分析的显著性水平都为P<0.05。使用Excel、DPS和SPSS软件进行数据统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同处理对水稻产量及其构成因素的影响

由表2可知，氮肥和硅藻土对水稻产量影响显著，且存在显著交互作用。连续2年水稻产量均以N+Si处理最高，分别达到10 495.99和10 478.01 kg/hm²；其次是N处理，分别达到8955.10和8619.84 kg/hm²；Si处理最小，分别为6744.80和5249.97 kg/hm²。N+Si处理较N处理显著提高17.21%~21.56%（P<0.05），但Si与CK间产量并无显著差异。

表2 2021-2022不同处理对水稻产量及其构成因素的影响

Table 2 Effects of different treatments on the yield and its components of rice in 2021-2022

年份 Year	处理 Treatment	有效穗数 Effective panicles (×10⁴/hm²)	穗粒数 Number of grains per panicle	结实率 Seed-setting rate (%)	千粒重 1000-grain weight (g)	产量 Yield (kg/hm²)
2021	CK	273.60±1.18c	129.76±0.54c	78.87±0.04c	23.51±0.14b	6852.61±42.42c
	Si	269.56±0.89c	136.93±0.59ab	77.52±0.11d	23.57±0.20b	6744.80±52.22c
	N	321.28±1.59b	138.72±0.64a	81.13±0.13b	24.77±0.21a	8955.10±80.04b
	N+Si	375.40±1.74a	136.53±0.75b	83.78±0.06a	24.44±0.22a	10 495.99±99.53a
2022	CK	238.21±0.40c	127.00±0.76c	76.99±0.10c	23.25±0.26b	5414.84±130.05c
	Si	239.82±0.98c	126.04±1.05c	75.64±0.21d	22.9±0.15b	5249.97±140.33c
	N	314.67±2.43b	146.91±0.92a	78.63±0.13b	24.2±0.16a	8619.84±230.22b
	N+Si	376.97±4.03a	139.13±1.82b	81.46±0.02a	24.54±0.20a	10 478.01±219.65a
差异分析Analysis of variance
年份Years (Y)		**	ns	**	**	**
氮Nitrogen (N)		**	**	**	**	**
硅藻土Diatomite (Si)		**	ns	**	ns	**
年份×氮Y×N		**	**	**	ns	**
年份×硅藻土Y×Si		**	**	ns	ns	ns
氮×硅藻土N×Si		**	**	**	ns	**
年份×氮×硅藻土Y×N×Si		ns	ns	ns	*	*

不同小写字母表示处理间差异达显著水平（P < 0.05）。“ns”表示在P < 0.05水平下差异不显著，“*”和“**”分别表示在P < 0.05和P < 0.01水平下差异显著。下同。

Different lowercase letters indicate significant difference at P < 0.05 level.“ns”indicates no significant difference at the P < 0.05 level;“*”and“**”indicate significant difference at the P < 0.05 and P < 0.01 levels, respectively. The same below.

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从产量构成因素来看，有效穗数以N+Si处理最高，且显著高于其他处理，N处理显著高于Si和CK处理，且Si与CK处理间无显著差异；穗粒数范围在126.04~146.91，N处理最高，达到138.72和146.91；结实率在75.64%~83.78%，从大到小依次为N+Si、N、CK和Si，N+Si处理较N处理显著提高3.27%~3.60%（P<0.05），CK处理较Si处理2年均显著提高1.74%~1.78%；千粒重以N处理最高，不施N处理低，N+Si处理与N处理间无显著差异，Si与CK处理间也无显著差异。

2.2 不同处理对水稻不同生育时期各器官干物质积累量的影响

由图1可知，2021年成熟期各器官干物质及地上部总积累量都以N+Si处理最高，CK处理最低。2022年全生育期茎干重的范围为2833.0~10 498.6 kg/hm²，呈现出先增加后减少的趋势，N+Si处理显著高于N处理，N处理显著高于CK和Si处理，全生育时期趋势一致；全生育期叶干重的范围为1050.6~3637.8 kg/hm²，呈现出先增加后减少的趋势，分蘖期N+Si与N处理之间无显著差异，其他时期N+Si处理显著高于N处理，分蘖期CK显著高于Si处理，其他时期CK显著低于Si处理；穗干重全生育期的范围为1545.0~7880.8 kg/hm²，呈现出递增的趋势，N+Si处理显著高于其他处理且趋势一致，抽穗期CK显著高于Si处理，成熟期CK显著低于Si处理；全生育时期地上部干物质总积累量范围为3883.6~18 953.8 kg/hm²，呈现出递增的趋势。

图1

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图1 2021-2022水稻不同生育时期各器官干物质积累量

不同小写字母表示处理间差异达显著水平（P < 0.05）。

Fig.1 Dry matter accumulation in various organs of rice at different growth stages in 2021-2022

Different lowercase letters indicate significant difference at P < 0.05 level.

2.3 不同处理对水稻氮肥利用率的影响

由表3可知，氮素总吸收量、氮素收获指数受到氮肥和硅藻土的显著影响，且存在显著交互作用。氮肥吸收利用率、氮肥农学利用率、氮肥生理利用率和氮肥偏生产力受到硅藻土的显著影响。2年结果显示，N+Si和Si处理显著提高了水稻氮素总吸收量。施用硅藻土对水稻氮肥利用率影响显著，而且在年际间趋势表现一致。与N处理相比，N+Si处理氮肥吸收利用率分别显著增加了37.21%（2021）和39.15%（2022），氮肥农学利用率分别显著增加53.35%（2021）和66.07%（2022），氮肥生理利用率分别显著增加了15.16%（2021）和15.70%（2022），氮肥偏生产力分别显著增加了17.21%（2021）和20.90%（2022）。

表3 2021-2022不同处理对水稻氮肥利用率的影响

Table 3 Effects of different treatments on nitrogen utilization efficiency of rice from 2021 to 2022

年份 Year	处理 Treatment	氮素总吸收量 Total nitrogen uptake	氮肥吸收利用率 N recovery efficiency (%)	氮肥农学利用率 N agronomic efficiency (kg/kg)	氮肥生理利用率 N physiological utilization efficiency (kg/kg)	氮肥偏生产力 N partial factor productivity (kg/kg)	氮素收获指数 N harvest index (%)
2021	CK	66.49±1.73d					70.92±0.24a
	Si	105.87±2.62c					60.45±0.17b
	N	136.50±1.49b	38.89±0.77b	13.74±0.32b	35.36±0.75b	49.75±0.44b	55.50±0.33c
	N+Si	162.55±1.32a	53.36±0.48a	21.07±0.49a	40.72±1.11a	58.31±0.55a	53.00±0.21d
2022	CK	44.78±1.01d					58.45±0.39a
	Si	69.06±2.66c					57.26±0.41b
	N	107.73±2.28b	34.97±0.79b	17.39±0.18b	48.67±0.59b	47.89±0.64b	50.70±0.27c
	N+Si	132.37±1.99a	48.66±0.74a	28.88±0.29a	56.31±1.31a	57.90±0.74a	46.71±0.23d
差异分析Analysis of variance
年份Years (Y)		**	**	**	**	ns	**
氮Nitrogen (N)		**	ns	ns	ns	ns	**
硅藻土Diatomite (Si)		**	**	**	**	**	**
年份×氮Y×N		ns	ns	ns	ns	ns	**
年份×硅藻土Y×Si		**	ns	**	ns	ns	**
氮×硅藻土N×Si		**	ns	ns	ns	ns	**
年份×氮×硅藻土Y×N×Si		**	ns	ns	ns	ns	**

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2.4 各指标之间的相关性分析

相关性分析结果（图2）表明，水稻产量与有效穗数、穗粒数和结实率呈显著正相关；此外，产量与茎干重、叶干重、穗干重和地上部干物质积累总量呈显著正相关。

图2

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图2 2021-2022年产量及其构成因子、干物质和氮肥利用率的相关性分析

P：有效穗数；GW：千粒重；SP：穗粒数；GT：结实率；Y：产量；SDW：茎干重；LDW：叶干重；PDW：穗干重；TDW：地上部干物质总积累量，“*”表示P < 0.05水平相关性显著。

Fig.2 Correlation analysis between yield and its components, dry matter and nitrogen use efficiency from 2021 to 2022

P: effective panicle number, GW: 1000-grain weight, SP: number of grains per panicle, GT: seed-setting rate, Y: yield, SDW: stem dry weight, LDW: leaf dry weight, PDW: panicle dry weight, TDW: total aboveground dry matter accumulation,“*”indicates significant correlation at P <

0.05 level.

3 讨论

本试验结果表明，单施硅藻土对水稻产量无显著影响，硅藻土同氮肥配合施用比单独施用氮肥或硅藻土的增产效果显著，这与张育新等^[15]研究结果一致。一方面，硅藻土含有多种2:1型和1:1型层状硅酸盐黏土矿物，对多种离子具有良好的吸附和缓释效果。硅藻土表面被大量硅羟基覆盖并有氢键存在，-OH基团在硅藻土细孔内表面分布，是使硅藻土具有表面活性、吸附性以及酸性的本质原因，这些硅羟基在水溶液中离解出H⁺，从而使硅藻土颗粒表现出一定的负电性，从而吸附土壤中阳离子^[16]。研究表明，相比炼铁的高炉熔渣、生产黄磷或磷酸的废渣、粉煤灰和钾长石这几种硅源^[15]，硅藻土由于具有多孔性、吸附力强、质轻、化学性能稳定的特点，能吸附无机氮肥，在水稻生长的中后期缓慢释放，为水稻植株的生长提供更多的营养物质^[17]，减少氮的损失，有利于提高肥料利用率。然而，当不施氮肥时，硅藻土可吸附固定土壤中游离态的氮素，从而与植物氮素吸收产生竞争作用，对作物生长产生负面影响^[18]。这与本研究结果一致，施用硅藻土显著提升水稻氮肥吸收利用率、农学利用率、氮肥生理利用率和氮肥偏生产力。

另一方面，施用硅藻土可改善土壤理化性状，增加土壤通透性及孔隙度，促进土壤团粒形成^[9]，从而为水稻根系生长创造良好的条件。水稻根系通气组织和根部氧化能力提高可促进水稻对水分和养分的吸收^[19]，进而有助于水稻植株挺拔，促进叶片伸长，减少叶片间的相互遮挡，提高稻株的光合效率^[20]，促进穗部干物质积累，从而利于籽粒灌浆成熟和形成高成穗率来提高产量。本研究证实，硅藻土配施氮肥可提高产量主要是由于有效穗数和结实率的增加，这与苏庆旺等^[21]的研究结果一致。

此外，由于硅藻土中含有大量Si元素，作为一种有益元素，Si可以提高根系活力并提高根中的ATP含量，从而提高水稻对养分的吸收，提高水稻产量。同时研究^[13]表明，硅被水稻吸入体内后，大部分累积在角质层下面的表皮细胞中形成“角质―双层”（表皮细胞的硅化），使茎硬叶挺，开展度小，光透射比率增大，叶片的厚度增加，寿命延长，从而提高同化CO₂的能力，促进光合生产率增加，利于干物质积累。

干物质积累越多，越有利于水稻高产^[22-23]。本研究证实，硅藻土配施氮肥可以显著提高水稻地上部干物重，并促进产量提高。

4 结论

硅藻土和氮肥配施一方面可增加水稻有效穗数和结实率，提高水稻产量，另一方面能显著提高成熟期水稻各器官地上部干物质积累量和氮肥利用率，是一种节氮增效的施肥管理方式。

参考文献

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文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[1]

A B

, Wang

W Q

, Jiang

G L

, et al.

Source-sink regulation and its effects on the regeneration ability of ratoon rice

Field Crops Research, 2019, 236:155-164.