第十二章硅的利用与转化

1、第十一章第十一章 土壤硅的转化与利用土壤硅的转化与利用植物的有益元素植物的有益元素有益元素的概念有益元素的概念 某些元素适量存在时能促进植物的生某些元素适量存在时能促进植物的生长发育；或者是某些特定的植物、在某些特长发育；或者是某些特定的植物、在某些特定条件下所必需的，这些类型的元素称为定条件下所必需的，这些类型的元素称为“有益元素有益元素”，也称，也称“农学必需元素农学必需元素”。有益元素的生理功能有益元素的生理功能元素元素主要生理功能主要生理功能主要受益植物主要受益植物硅硅(Si)参与细胞壁的组成参与细胞壁的组成(增强植物的硬度增强植物的硬度);影响植物光合作用与蒸腾作用影响植物光合作用与

2、蒸腾作用;提高植物的抗逆性提高植物的抗逆性; 与其它养分相互作用与其它养分相互作用禾本科植物禾本科植物(如如水稻水稻、小麦、大麦、小麦、大麦)钠钠(Na)刺激植物生长刺激植物生长; 调节细胞渗透压调节细胞渗透压;影响植物水分平衡与细胞伸展影响植物水分平衡与细胞伸展;代替钾代替钾行使营养功能行使营养功能, 如如部分酶激活部分酶激活等等C4或或CAM类植物类植物(如如甜菜甜菜等等)钴钴(Co)参与豆科植物根瘤固氮参与豆科植物根瘤固氮;调节酶或激素活性调节酶或激素活性, 刺激植物生长刺激植物生长;稳定叶绿素稳定叶绿素豆科豆科固氮植物固氮植物(必需必需)镍镍(Ni)刺激种子发芽和幼苗生长刺激种子发芽和

3、幼苗生长;催化尿素降解催化尿素降解; 防治某些病害防治某些病害一般植物一般植物(已归入必需元素已归入必需元素)硒硒(Se)刺激植物生长刺激植物生长; 增强植物体的抗氧化作用增强植物体的抗氧化作用百合科、十字花科、豆百合科、十字花科、豆科、禾本科科、禾本科(低浓度低浓度)铝铝(Al)刺激植物生长刺激植物生长; 影响植物颜色影响植物颜色; 某些酶的激活剂某些酶的激活剂喜酸性植物喜酸性植物(如如茶树茶树)有益元素在植物体内的含量、分布和形态有益元素在植物体内的含量、分布和形态元素元素含含 量量分分 布布形形 态态硅硅(Si)莎草科莎草科,禾本科禾本科：10-15旱地禾本科等：旱地禾本科等：1-3豆科

4、植物等：豆科植物等：1 000mg/Kg离子态离子态硒硒(Se)高硒累积型：数千高硒累积型：数千mg/Kg非硒累积型：非硒累积型：叶、茎、叶、茎、根根无机态（无机态（SeO42-)有机态有机态挥发态挥发态铝铝(Al)一般含量：一般含量：20-200mg/Kg铝累积型：铝累积型：0.1%非累积型：非累积型：叶部叶部老叶老叶幼叶幼叶离子态离子态(Al3+)一、土壤中硅的含量与影响因素一、土壤中硅的含量与影响因素 含量：土壤中硅的含量和地壳含量大致相含量：土壤中硅的含量和地壳含量大致相 似。地壳平均含硅量为似。地壳平均含硅量为270.6 g/kg， 折合折合SiO2为为590.7 g/kg。大多数土

5、壤。大多数土壤 含含SiO2为为500.0-700.0 g/kg，平均为，平均为 60 g/kg左右。左右。 影响因素：影响因素： 土壤中硅的含量主要受成土母质和成土过程的影土壤中硅的含量主要受成土母质和成土过程的影响响1、成土母质、成土母质 一般酸性岩石如花岗岩、流纹岩等含一般酸性岩石如花岗岩、流纹岩等含SiO2较多，而闪长岩、较多，而闪长岩、辉长岩、玄武岩等基性岩石含辉长岩、玄武岩等基性岩石含SiO2较少。较少。 红壤：红壤： 砂岩砂岩：843 g/kg， 页岩页岩：707 g/kg， 玄武岩玄武岩：307 g/kg， 石灰岩石灰岩：293 g/kg。 2、成土过程、成土过程 风化作用风化

6、作用 湿热地带的硅酸盐原生矿物遭到强烈风化，部湿热地带的硅酸盐原生矿物遭到强烈风化，部分二氧化硅成为溶解状态而从土壤中流失所致。分二氧化硅成为溶解状态而从土壤中流失所致。 上层土壤中的上层土壤中的SiO2含量较低，随着剖面深度含量较低，随着剖面深度而增加，母质层的而增加，母质层的SiO2含量较高，表明有明显的含量较高，表明有明显的脱硅过程。脱硅过程。2、成土过程、成土过程 淋溶淋溶淀积过程淀积过程 淋溶改变了母质中的淋溶改变了母质中的SiO2成分。如在具有强烈酸性淋溶作用的灰成分。如在具有强烈酸性淋溶作用的灰化土中，化土中，SiO2在其矿物含量组成中所占的达在其矿物含量组成中所占的达90%以上

7、，但以淋溶层最以上，但以淋溶层最高，淀积层和母质层则逐渐减少，这是由于在酸性条件下，铁铝氧化高，淀积层和母质层则逐渐减少，这是由于在酸性条件下，铁铝氧化物由淋溶层洗出，而物由淋溶层洗出，而SiO2则相对积累所致。则相对积累所致。 淋溶层所积累的淋溶层所积累的SiO2主要是石英一类的游离二氧化硅；而矿物质主要是石英一类的游离二氧化硅；而矿物质中的化合态二氧化硅则仍受到一定程度的淋溶。在灰化土中尽管中的化合态二氧化硅则仍受到一定程度的淋溶。在灰化土中尽管SiO2的总含量很高，但是其中活性的总含量很高，但是其中活性SiO2的含量却仍是很低的的含量却仍是很低的 表表1 我国云南省山地森林灰化红壤的我国

8、云南省山地森林灰化红壤的SiO2的含量（张万儒，的含量（张万儒，1962）土层土层深度深度（厘米）（厘米） A1 Mg、Ca Na、K风化难易程度风化难易程度 各种硅酸盐矿物中所含键的风化难易程度：各种硅酸盐矿物中所含键的风化难易程度： Si-O-M键（橄榄石键（橄榄石)，最易解体，最易解体 链式硅酸盐链式硅酸盐(辉石和角闪石等辉石和角闪石等)，较易，较易 Si-O-Al键键(长石和云母长石和云母)，较难，较难 Si-O-Si键键(石英石英), 最难风化。最难风化。三、硅酸盐矿物的风化三、硅酸盐矿物的风化 1、水解作用、水解作用 是使一些硅酸盐矿风化的重要原因，长石的水是使一些硅酸盐矿风化的重

9、要原因，长石的水解作用是常被引用的一个例子，水解的结果产生解作用是常被引用的一个例子，水解的结果产生含水氧化硅、氧化铝及其他盐类。含水氧化硅、氧化铝及其他盐类。 在自然界中，水解作用常和碳酸化作用联系在自然界中，水解作用常和碳酸化作用联系在一起，即属酸性水解。在碱性条件下则可能促在一起，即属酸性水解。在碱性条件下则可能促进其水解。进其水解。2、螯合作用、螯合作用 大多数能和大多数能和Fe3+、Al3+、Ca2+、Mg2+等金属等金属离子形成稳定螯合物的螯合剂都能破坏硅离子形成稳定螯合物的螯合剂都能破坏硅酸盐矿物而释出硅。像这一类螯合剂在土酸盐矿物而释出硅。像这一类螯合剂在土壤有机质中是很丰富的

10、，如柠檬酸、酒石壤有机质中是很丰富的，如柠檬酸、酒石酸、水杨酸等等。酸、水杨酸等等。 对硅的释放来说，最有效的螯合剂可对硅的释放来说，最有效的螯合剂可能是二羟基苯的衍生物，如邻苯二酚能是二羟基苯的衍生物，如邻苯二酚C6H4(OH)2不但能分解各种硅酸盐矿物，不但能分解各种硅酸盐矿物，而且也能使石英分解。而且也能使石英分解。 3、代换风化、代换风化 Si4+和和P5+的离子半径相近，有产生同晶置的离子半径相近，有产生同晶置换的可能。换的可能。Si4+的离子半径是的离子半径是0.41，而，而P5+则是则是0.34，正好适合四面体中间的孔隙，正好适合四面体中间的孔隙（孔隙的球面半径为（孔隙的球面半径

11、为0.30），因此这种置），因此这种置换反应完全可以在保持原来晶格形状的情换反应完全可以在保持原来晶格形状的情况下进行。况下进行。 4、氧化还原作用、氧化还原作用 对于含有像对于含有像Fe这样易于变化的阳离子的硅酸盐矿这样易于变化的阳离子的硅酸盐矿物也有促进风化作用。物也有促进风化作用。 此外，温度、湿度这些能促进化学反应的因素，此外，温度、湿度这些能促进化学反应的因素，在硅酸盐矿物的化学风化中都是非常重要的。在硅酸盐矿物的化学风化中都是非常重要的。 高度风化并不意味着有效硅丰富，还必须联系高度风化并不意味着有效硅丰富，还必须联系淋溶和吸附强度。淋溶和吸附强度。 四、土壤溶液中的硅及其平衡四、

12、土壤溶液中的硅及其平衡 土壤溶液中的含硅量（以土壤溶液中的含硅量（以SiO2表示）相差表示）相差也很大，变幅可达也很大，变幅可达7-80 mg/kg，大多在，大多在20-40 mg/kg 左右，左右， 影响因子：影响因子： 1、母质类型、母质类型 2、胶体种类、胶体种类 3、pH值值 4、渍水及氧化还原条件、渍水及氧化还原条件 1、母质类型 含高岭石类粘垃矿物为主的土壤，其水溶含高岭石类粘垃矿物为主的土壤，其水溶性硅的含量显著低于含蒙脱石类型为主的性硅的含量显著低于含蒙脱石类型为主的土壤。同样，含铁、铝氧化物高的土壤，土壤。同样，含铁、铝氧化物高的土壤，溶液中硅的含量较低。溶液中硅的含量较低。

13、淹水条件和淹水条件和pH值值 淹水条件下，溶液中淹水条件下，溶液中SiO2的浓度增加，的浓度增加， 一般有机质含量较高和一般有机质含量较高和pH值较低的土壤淹值较低的土壤淹水后溶液中水后溶液中SiO2含量增加较多含量增加较多 图图1 土壤土壤pH值与溶液中值与溶液中SiO2浓度关系浓度关系（Jones，1965）在在pH5-8范围内，随着范围内，随着pH值的增加，溶液中值的增加，溶液中SiO2的含量降低。的含量降低。 五、土壤固体对硅的吸附和固定五、土壤固体对硅的吸附和固定 土壤溶液中的硅在一般土壤溶液中的硅在一般pH条件下是以单硅酸形态存在的，条件下是以单硅酸形态存在的，因此对硅的吸附主要不

14、是离子状态的代换吸附，这是和其因此对硅的吸附主要不是离子状态的代换吸附，这是和其他养分离子吸附平衡不同的。他养分离子吸附平衡不同的。 固体物质能够吸附单硅酸固体物质能够吸附单硅酸Si(OH)4， 高吸附容量：沉淀的水氧化铁、铝，高吸附容量：沉淀的水氧化铁、铝， 中等吸附容量：铝土矿，褐铁矿，赤铁矿，针铁矿中等吸附容量：铝土矿，褐铁矿，赤铁矿，针铁矿 低吸附容量：二氧化钛，三水铝石，钠长石，低吸附容量：二氧化钛，三水铝石，钠长石， 不吸附的：石英，方解石，菱镁矿，白云石不吸附的：石英，方解石，菱镁矿，白云石图图 2 氧化铁、铝对硅酸盐的吸附与氧化铁、铝对硅酸盐的吸附与pH的关系的关系（Jones

15、，1963）1结晶好的氧化铁； 2结晶好的氧化铝； 3无定形氧化铁；4无定形氧化铝图图3 针铁矿的颗粒大小对硅酸盐吸附的影响针铁矿的颗粒大小对硅酸盐吸附的影响（McKeague，1963）（一）（一） 、植物体内的含量、形态和分布、植物体内的含量、形态和分布含量，含量，1520 (水稻水稻) (%) 形态形态 硅胶硅胶分布分布 水稻水稻 地上部地上部根部根部 豆科豆科 根部根部地上部地上部六、土壤中硅的有效硅六、土壤中硅的有效硅生理作用：能提高其细胞壁的强度，增强抵抗病虫害的侵入；生理作用：能提高其细胞壁的强度，增强抵抗病虫害的侵入； 有助于株形挺拔、叶面伸展和光的吸收利用，促进有助于株形挺拔

16、、叶面伸展和光的吸收利用，促进 其生育。其生育。对于水稻等淹水条件下生长的作物，增进植株中的硅，可导致对于水稻等淹水条件下生长的作物，增进植株中的硅，可导致水稻根部氧化能力增强，减少植株对铁、锰的吸收和积累，因水稻根部氧化能力增强，减少植株对铁、锰的吸收和积累，因此降低这些成分的毒害。此降低这些成分的毒害。表表2 土壤有效硅与水稻剑叶含硅量的关系土壤有效硅与水稻剑叶含硅量的关系土壤种类土壤种类土壤有效硅含量土壤有效硅含量（mg/kg）剑叶含硅量剑叶含硅量（SiO2g/kg）谷顶砂砾土谷顶砂砾土谷底砂砾土谷底砂砾土冲积壤质土冲积壤质土洪积粘质土洪积粘质土47.254.6105.5285.585.

17、4128.6173.8188.6（二）影响土壤硅有效性的因素（二）影响土壤硅有效性的因素（1） 土壤类型土壤类型（2） pH值值 （3） 氧化铁、铝氧化铁、铝 （4） 粘粒矿物种类粘粒矿物种类 （5） 有机质有机质 （6） 淹水条件与氧化还原状况淹水条件与氧化还原状况 （7） 温度温度 （8） 其他养料影响其他养料影响 1、土壤母质与类型、土壤母质与类型 岩石类型来看，发育在花岗岩、石英斑岩岩石类型来看，发育在花岗岩、石英斑岩和泥炭上的上壤易缺硅，和泥炭上的上壤易缺硅， 发育在玄武岩以及新火山灰上的土壤供硅发育在玄武岩以及新火山灰上的土壤供硅能力较强能力较强;强风化和强淋溶的水稻上易缺硅，强风

18、化和强淋溶的水稻上易缺硅，而弱风化和弱淋溶水稻土硅的有效性较高而弱风化和弱淋溶水稻土硅的有效性较高2、土壤、土壤pH 一般在一般在pH2-9范围内，硅的有效性随范围内，硅的有效性随pH值值的升高而降低。因此在同一土壤中，如果的升高而降低。因此在同一土壤中，如果施用石灰等影响土壤酸碱性的物质，则有施用石灰等影响土壤酸碱性的物质，则有使土壤有效硅含量改变的作用。使土壤有效硅含量改变的作用。 一些试验证明：在酸性土壤中施用石灰一些试验证明：在酸性土壤中施用石灰则降低水稻、甘蔗、大麦、燕麦和三叶草则降低水稻、甘蔗、大麦、燕麦和三叶草等作物的吸硅量；相反，降低土壤等作物的吸硅量；相反，降低土壤pH值，值

19、，则使植物体中的氧化硅浓度增加。则使植物体中的氧化硅浓度增加。3、氧化铁、铝、氧化铁、铝 氧化铁、铝对硅有强烈的吸收作用，因此氧化铁、铝对硅有强烈的吸收作用，因此含氧化铁、铝多的土壤，有减少有效硅含含氧化铁、铝多的土壤，有减少有效硅含量的趋势。尤其是活性铁、铝氧化物对有量的趋势。尤其是活性铁、铝氧化物对有效硅的影响更大。效硅的影响更大。 4.粘粒矿物类型粘粒矿物类型 土壤中所含的主要粘粒矿物种类对有效硅土壤中所含的主要粘粒矿物种类对有效硅量也有一定影响。量也有一定影响。 一般含有大量高岭石的土壤，其可溶性一般含有大量高岭石的土壤，其可溶性硅低于含蒙脱石类型的土壤。其原因可能硅低于含蒙脱石类型的

20、土壤。其原因可能和上述因素联系，一般以高岭石为主的土和上述因素联系，一般以高岭石为主的土壤含铁、铝氧化物是比较多的。此外也可壤含铁、铝氧化物是比较多的。此外也可能和蒙脱、高岭等粘粒矿物控制溶液中的能和蒙脱、高岭等粘粒矿物控制溶液中的Si(OH)4溶度有关。溶度有关。5、土壤有机质、土壤有机质 含有机质较多的土壤，有效硅较多。这一含有机质较多的土壤，有效硅较多。这一方面是有机质本身含有一定数量的硅可供方面是有机质本身含有一定数量的硅可供释出。另一方面，有机质分解时产生络合释出。另一方面，有机质分解时产生络合酸和还原条件，起了破坏铁酸和还原条件，起了破坏铁硅复合体的硅复合体的作用，可能有助于氧化硅

21、的溶解。作用，可能有助于氧化硅的溶解。6. 土壤氧化土壤氧化-还原状况还原状况 在淹水还原的条件下，土壤在淹水还原的条件下，土壤Eh降低，铁、降低，铁、锰等元素被还原，因而被其固定的硅可得锰等元素被还原，因而被其固定的硅可得到释放，导致土壤溶液中硅的浓度升高。到释放，导致土壤溶液中硅的浓度升高。一般在土壤淹水后的开始几天内硅的浓度一般在土壤淹水后的开始几天内硅的浓度土升较快，以后渐趋平衡或有所下降土升较快，以后渐趋平衡或有所下降7、土壤温度、土壤温度 上壤温度升一高，可以促进硅的溶出，如铝硅酸盐在20OC时溶出硅的浓度为20mg/kg，在100时硅为40mg/kg，8、土壤其它养分土壤其它养分

22、 土壤硅的有效性与其它养分离子的关系主土壤硅的有效性与其它养分离子的关系主要表现在硅与磷的相互促效作用上。磷酸要表现在硅与磷的相互促效作用上。磷酸盘能够促使硅从土壤或粘土矿物中释放出盘能够促使硅从土壤或粘土矿物中释放出来，如将磷酸溶液加到高岭石中，磷酸根来，如将磷酸溶液加到高岭石中，磷酸根被固定，硅被释放出来。被固定，硅被释放出来。 另外，土壤中碳酸钙等物质含量过高，另外，土壤中碳酸钙等物质含量过高，也会与硅形成非活性化合物而降低硅也会与硅形成非活性化合物而降低硅的有效性的有效性1、水稻需要硅肥的诊断标准、水稻需要硅肥的诊断标准 稻草中全硅量稻草中全硅量 土壤中可给态土壤中可给态SiO2含量含

23、量 硅酸肥料效果硅酸肥料效果 () (mgkg-1) 11 13 130 预期无效预期无效 七、硅营养诊断与硅肥七、硅营养诊断与硅肥不同生育阶段供硅对水稻生长与产量的影响不同生育阶段供硅对水稻生长与产量的影响营养生长阶段营养生长阶段-Si+Si*-Si+Si生殖生长阶段生殖生长阶段*-Si-Si+Si+SiSiO2%（地上部干重）（地上部干重） 0.052.26.90.4干重干重（g/盆）盆）根根4.04.34.24.7茎茎23.526.531.033.6籽粒籽粒5.36.610.310.3*+Si：100mg/LSiO2；*抽穗开始抽穗开始水水 稻稻 缺缺 硅硅 2、硅肥、硅肥 (silic

24、on fertilizers) 是指一类是指一类pH8、含枸溶性无定型玻璃体的肥料、含枸溶性无定型玻璃体的肥料(一一) 种类与性质种类与性质 种类种类 SiO2(%) 性质性质 硅酸钠硅酸钠 5560 白色粉末白色粉末 微碱性微碱性 硅镁钾肥硅镁钾肥 3546白色粉末白色粉末 至碱性、至碱性、 钙镁磷肥钙镁磷肥 40灰棕色粉末灰棕色粉末 不吸潮、不吸潮、 钢渣磷肥钢渣磷肥 2427深棕色粉末深棕色粉末 不结块、不结块、 粉煤灰粉煤灰 5060 黑色粉末黑色粉末 不流失不流失(二二) 硅肥的施用技术硅肥的施用技术1. 合理施用硅肥应考虑的因素合理施用硅肥应考虑的因素(1) 土壤条件土壤条件土壤有

25、效硅含量土壤有效硅含量 土壤质地：土壤质地：土壤质地影响有效硅的含量。粒级越细，土壤质地影响有效硅的含量。粒级越细，有效硅含量越高。有效硅含量越高。土壤酸碱度：土壤酸碱度：土壤土壤pH值高，有效硅亦增加。值高，有效硅亦增加。 (2) 作物种类作物种类对硅肥反应良好：对硅肥反应良好：水稻水稻、甘蔗甘蔗、大豆、油菜、番、大豆、油菜、番茄、黄瓜、甜菜、绿肥等；茄、黄瓜、甜菜、绿肥等；有一定的效果：有一定的效果：玉米、高粱、谷子、小麦等玉米、高粱、谷子、小麦等种植上述作物时，宜根据土壤中有效硅水平，种植上述作物时，宜根据土壤中有效硅水平，酌情施酌情施用硅肥用硅肥。2. 施用量施用量 (缺硅地区缺硅地区

26、) 高效硅肥高效硅肥 (含水溶性含水溶性SiO2 为为50%60SiO2) ：150kg/hm2 普通硅肥普通硅肥 (含枸溶性含枸溶性SiO2为为19%20): 1 500kg/hm2 硅肥的当季利用率为硅肥的当季利用率为10%30%，其后效可维持数，其后效可维持数年，年，无需年年施用无需年年施用4. 施用方法：施用方法：一般宜作一般宜作基肥基肥 在水稻的分蘖至拔节前施用；结合作物种类和栽在水稻的分蘖至拔节前施用；结合作物种类和栽培方式，可以培方式，可以撒施，条施或穴施撒施，条施或穴施，但不能和种子直接，但不能和种子直接接触，以免影响发芽。接触，以免影响发芽。 水溶性的高效硅肥也可作根外追肥水溶性的高效硅肥也可作根外追肥，如水稻在分，如水稻在分蘖期至孕穗期可用蘖期至孕穗期可用34溶液喷施溶液喷施;为充分为发挥这类为充分为发挥这类肥料的作用，宜配合有机肥料施用。肥料的作用，宜配合有机肥料施用。复习题复习题1 1、土壤中的层状硅酸盐有那几类？试以高岭石、伊利石和蒙脱石为例，说明土壤中常见、土壤中的层状硅酸盐有那几类？试以高岭石、伊利石和蒙脱石为例，说明土壤中