湖北利川耕地土壤有效硅含量及空间分布

Effective Silicon Content and Spatial Distribution in Cultivated Land of Lichuan, Hubei Province

摘要: 采集、检测、统计并分析了湖北省利川市288个耕地土样的有效硅含量。结果表明：(1) 有效硅点位均值145.6 ± 87.4 mg/kg，变幅39.3~551.0 mg/kg，变异系数60.05%，中等变异。利川耕地有效硅整体含量较低，近80%的点位处于较低水平以下，约15%为中等，仅约5%在较高以上。(2) 行政区域和海拔垂直分布特征明显，由西北向东南呈降低趋势。西北部的谋道镇最高(227.8 mg/kg)，是东南部毛坝镇、沙溪乡(90 mg/kg上下)的2.5倍以上，并随海拔升高而升高。(3) 水旱不同利用方式对土壤有效硅影响较小，水田低于旱地，都在145 mg/kg上下。(4) 不同成土母质、土类及质地对耕地有效硅影响较大，含量差异明显。6种成土母质发育的耕地有效硅基本呈等差下降，碳酸盐岩(164.2 mg/kg) > 紫色页岩(152.3 mg/kg) > 石英砂岩(146.3 mg/kg) > 第四纪黏土(131.3 mg/kg) > 河流冲积物(124.1 mg/kg) > 泥质砂页岩(109.9 mg/kg)，最大值是最小值的1.5倍；7大土类基本分为4个阶梯，棕壤最高(近170 mg/kg)，其次是石灰土、紫色土在155 mg/kg上下，再次是黄棕壤、水稻土、潮土在143 mg/kg上下，最低为黄壤断崖式下滑到85 mg/kg，棕壤是黄壤的2倍；按质地统计基本分为3个阶梯，砂壤最高(近180 mg/kg)，其次是砂土、中壤、重壤、黏土由近160 mg/kg降至140 mg/kg，轻壤最低降至124 mg/kg，砂壤是轻壤的1.4倍。(5) 从统计学意义上看，利川耕地有效硅含量与土壤pH、阳离子交换量、交换性盐基总量、交换性钙镁呈极显著正相关，与有效磷呈极显著负相关。

Abstract: The effective silicon content of 288 cultivated land samples in Lichuan City, Hubei Province was collected, detected, statistically analyzed, and assessed. The results showed that (1) the average effective silicon sites were 145.6 ± 87.4mg/kg, with a range of 39.3~551.0 mg/kg and a coefficient of variation of 60.05%, indicating moderate variation. The overall effective silicon content in the cultivated land of Lichuan is relatively low, with nearly 80% of the points below a low level, about 15% being moderate, and only about 5% being above a high level. (2) The vertical distribution characteristics of administrative regions and altitude are obvious, showing a decreasing trend from northwest to southeast. The highest concentration in Mudao Town in the northwest (227.8 mg/kg) is more than 2.5 times that in Maoba Town and Shaxi Township in the southeast (around 90 mg/kg), and it increases with altitude. (3) The different utilization methods of water and drought have a relatively small impact on soil available silicon, with paddy fields being lower than dry lands, both around 145 mg/kg. (4) Different soil parent materials, soil types, and textures have a significant impact on the effective silicon content in cultivated land, with significant differences in content. The available silicon in cultivated land with 6 types of soil parent materials developed shows a basic equal decrease, with carbonate rocks (164.2 mg/kg) > purple shale (152.3 mg/kg) > quartz sandstone (146.3 mg/kg) > Quaternary clay (131.3 mg/kg) > river alluvial materials (124.1 mg/kg) > muddy sand shale (109.9 mg/kg), with the maximum value being 1.5 times the minimum value; The seven major soil types are basically divided into four tiers, with brown soil having the highest concentration (nearly 170 mg/kg), followed by lime soil and purple soil at around 155 mg/kg, followed by yellow brown soil, rice soil, and tidal soil at around 143 mg/kg, and the lowest being yellow soil with a cliff like decline to 85 mg/kg. Brown soil is twice as much as yellow soil. According to qualitative statistics, it can be divided into three steps. Sandy soil has the highest concentration (nearly 180 mg/kg), followed by sandy soil, medium soil, heavy soil, and clay, which decreased from nearly 160 mg/kg to 140 mg/kg. Light soil has the lowest concentration at 124 mg/kg, and sandy soil is 1.4 times that of light soil. (5) From a statistical perspective, the effective silicon content in Lichuan cultivated land is highly significantly positively correlated with soil pH, cation exchange capacity, total exchangeable salt base, and exchangeable calcium and magnesium, and negatively correlated with available phosphorus.

1. 引言

硅(Si)是一种极为常见的化学元素，原子序数14，相对原子质量28.09。在自然界中，硅常以二氧化硅或复杂的硅酸盐广泛存在于砂砾、尘土、岩石之中[1]。硅是地壳和土壤中含量第二丰富的元素，占地壳总质量的26.4%，仅次于氧(49.4%) [2]，其土壤丰度约为29.5% [3]。土壤硅主要来源于原生矿物、次生铝硅酸盐和二氧化硅。根据其存在状态，可分为水溶态硅、无定形硅、胶体态硅、结晶态硅和有机态硅[4]。水溶态硅是指土壤溶液中的硅，可直接被植物吸收利用；无定形硅是指没有固定结晶形态的硅，包括一些氧化物和氢氧化物；胶体态硅是指吸附在土壤胶体表面的硅；结晶态硅主要是指石英等结晶矿物中的硅；有机态硅则是与土壤有机质结合的硅。硅是许多喜硅作物必需的营养元素，也是大部分作物的有益元素。在植物体内，硅与糖酯、多糖醛酸、果胶酸等物质的亲和力很高，可形成溶解度低、稳定性强的多硅酸复合物，沉积于木质化的细胞壁中，使植物体机械强度提高，对叶片的稳固和支撑作用增强，继而起到增强植物光合效率和抗逆性的作用[1]。

在农业生产中，了解土壤硅的含量和形态对于合理施肥、提高作物产量和品质具有重要意义。同时，对于环境保护和生态系统研究，土壤硅的循环和转化也是一个重要的研究领域。土壤有效硅是指能被植物吸收利用的硅，在20世纪90年代，山东、江西、安徽、福建、贵州等多省对土壤有效硅含量及分布就有过研究[5]-[9]，湖北也按土类分区对全省的土壤有效硅进行了抽样检测分析[10]，但时间已过去近30年，其含量和分布应发生了较大变化，且未见利川县域耕地有效硅含量及分布的相关报道。全面摸清利川耕地有效硅含量及分布，可为指导种植业生产科学施用硅肥，提高作物产量和品质提供科学依据。

Figure 1. Distribution of effective silicon sampling points on farmland in Lichuan City

图1. 利川市耕地有效硅采样点分布图

2. 材料与方法

2.1. 耕地样品来源

2022年利川市耕地质量等级评价项目所采耕地土壤样品，共计288个，其中水田71个、旱地217个，各乡镇分布情况见图1，都亭和东城2个办事处属城区，面积小未采样，佛宝山开发区归入汪营镇。采样时间为3~5月，耕地当季作物未施肥前。以自然田块为采样单元，按NY/T1121.1-2006要求，梅花法5点采集耕层混合土样，采样深度0~20 cm，现场用GPS确定经、纬度和海拔高度，并调查成土母质(母岩)、土类及利用类型等相关信息。

2.2. 土样检测方法

土样委托湖北省地矿局恩施实验室检测，有效硅含量按NY/T1121.15-2006规定测定。称取过2 mm筛的风干土样10.00 g于250 ml塑料瓶中，加0.025 mol/L柠檬酸100 mL，塞好瓶塞摇匀，于30℃恒温箱中保温5 h，每隔1 h摇动一次，取出后干过滤。取滤液1.00~5.00 mL于50 mL容量瓶中，加水稀释至20 mL左右，再依次加入0.6 mol/L硫酸溶液5 mL，在30℃~35℃下放置15 min，加50 g/L钼酸铵溶液5 mL摇匀后放置5 min，加50 g/L草酸溶液5 mL、15 g/L抗坏血酸溶液5 mL，用水定容放置20 min后，在分光光度计上700 nm波长处用1 cm光径比色皿比色。不同浸提剂、浸提温度和时间对浸出土壤有效硅的差别较大，故严格按NY/T1121.15-2006标准，用0.025 mol/L柠檬酸作浸提剂，温度保持30℃，保温时间5 h，且每隔1 h摇动一次；生成的硅钼黄和硅钼蓝的稳定时间受温度影响也很大，必须严格控制显色温度和时间，用抗坏血酸代替硫酸亚铁铵标准曲线直且更稳定。

另外，还检测了耕地土样的pH、有机质、全氮、有效磷、速效钾、阳离子交换量(CEC)、交换性盐基总量、交换性钙、交换性镁等项目。检测方法及标准见表1。

Table 1. Soil sample testing standards and methods

表1. 土样检测标准与方法

序号	检测项目	检测标准	检测方法
1	pH	NY/T1121.2-2006	酸度计法
2	有机质	NY/T1121.6-2006	重铬酸钾–硫酸处理，容量法
3	全氮	NY/T1121.24-2012	自动定氮仪法
4	有效磷	NY/T1121.7-2014	氟化铵–盐酸溶液浸提，分光光度计法
5	速效钾	NY/T889-2004	醋酸铵浸提，火焰光度法
6	CEC	LY/T1243-1999	1 mol/L乙酸铵交换，半微量开氏蒸馏法
7	交换性盐基总量	LY/T1244-1999	1 mol/L乙酸铵交换、蒸干、灼烧，容量法
8	交换性钙、镁	NY/T1121.13-2006	乙酸铵浸提，原子吸收分光光度法

2.3. 评价依据及数据统计分析

土壤有效硅含量比较有代表性的分级标准主要有4类(表2)，皆根据含量高低分为低(极低)、较低(低)、中、较高(高)、高(极高)5级。《中国土壤》[11]中收集了国家土壤有效硅分级标准，下限值最低，级差相对较小；以王仕海等[12]为代表的贵州分级标准级值较低，级差小；以泉维洁等[5]为代表的山东分级标准级值、级差中等；以周守明等[13]为代表的河南分级标准级值高，级差大。湖北于2018年发布了《湖北省耕地质量监测指标分级标准》(鄂耕肥[2018]16号)，其土壤有效硅分级与山东一致。本文按湖北标准对土壤有效硅进行评价，均值皆为点位算术平均值。按雷志栋等[14]的弱(<10%)、中(10%~100%)、强(>100%)变异性的等级划分标准评价变异系数。用《县域耕地资源管理信息系统》绘制采样点图，Excel进行数据统计及相关性分析。

Table 2. Classification standards for soil effective silicon content

表2. 土壤有效硅含量分级标准

区域	1级(高)	2级(较高)	3级(中)	4级(较低)	5级(低)
中国土壤	>230	(115~230]	(70~115]	[25~70]	<25
贵州省	>200	(150~200]	(100~150]	[50~100]	<50
湖北省、山东省	>400	(300~400]	(200~300]	[100~200]	<100
河南省	>600	(500~600]	(300~500]	[200~300]	<200

3. 结果与分析

3.1. 利川耕地有效硅含量及乡镇分布特征

利川耕地有效硅(表3)点位均值145.6 ± 87.4 (标准差) mg/kg，为较低水平(4级)，变幅39.3~551.0 mg/kg，变异系数60.05%，中等变异。最大值出现在毛坝镇联峰村，海拔819 m，泥质页岩发育的黄棕壤；最小值2个点都出现在沙溪乡，岸坎村海拔643 m、为泥质页岩发育的黄壤，花嵌村海拔879 m、为泥质页岩发育的黄棕壤。

乡镇均值区域分布特征明显，最大值是最小值的2.6倍，由高到低分别是：谋道镇、汪营镇、建南镇、忠路镇、团堡镇、南坪乡、文斗镇、柏杨坝镇、凉雾乡、毛坝镇、沙溪乡、元堡乡，谋道镇均值(227.8 mg/kg)最高，达到中等水平(3级)；汪营、建南、忠路3镇相当，在160 mg/kg上下；团堡、南坪、文斗、柏杨坝4乡镇相差较小，在140 mg/kg上下；凉雾刚过4级水平，略超100 mg/kg；毛坝、沙溪、元堡3乡镇处于5级水平，在90 mg/kg上下。整体看，由西北向东南呈降低趋势。变异系数仅毛坝镇超过100%，为强变异；其它乡镇在30%~70%之间，属中等变异。

利川耕地有效硅整体水平较低，近80%的点位在较低(4级)以下，中等占15%略多，较高以上刚超5%。各乡镇在不同含量级别中的分布频率差异较大(表4)，谋道1、5级无分布，较低约占37%，较高约占16%；汪营、建南、忠路、文斗4镇75%左右都在较低以下，前3个镇近10%处于较高以上，文斗约5%在较高以上；团堡、南坪、柏杨坝3乡镇75%~86%在较低以下，较高以上无分布；毛坝95%在较低以下，约5%较高；沙溪90%在较低以下，较高以上无分布；凉雾、元堡2个乡100%在较低以下。

Table 3. Statistical analysis of effective silicon content in cultivated land of various towns and towns in Lichuan City

表3. 利川市各乡镇耕地有效硅含量统计分析表

乡镇	样品数 个	均值 mg/kg	位次	最大值 mg/kg	最小值 mg/kg	极差 mg/kg	标准差	变异系数 %
利川市	288	145.6		551.0	39.3	511.7	87.4	60.05
谋道镇	19	227.8	1	360.2	122.5	237.7	73.6	32.32
汪营镇	44	169.8	2	522.2	49.0	473.2	95.0	55.91
建南镇	43	165.8	3	503.2	61.6	441.6	110.1	66.38
忠路镇	21	157.7	4	347.3	71.8	275.5	83.6	52.99
团堡镇	16	145.2	5	243.4	53.6	189.8	65.1	44.85
南坪乡	14	139.9	6	265.0	65.9	199.1	60.7	43.35
文斗镇	39	139.3	7	318.0	41.9	276.1	72.0	51.69
柏杨坝镇	29	137.3	8	287.9	61.3	226.6	62.6	45.60
凉雾乡	14	101.5	9	193.9	51.1	142.8	46.0	45.31
毛坝镇	22	97.8	10	551.0	45.3	505.7	104.6	106.89
沙溪乡	12	90.2	11	209.1	39.3	169.8	52.3	58.03
元堡乡	15	88.9	12	151.0	49.0	102.0	30.3	34.02

Table 4. Classification statistics of effective silicon content in cultivated land of various towns and towns in Lichuan City

表4. 利川市各乡镇耕地有效硅含量分级统计表

乡镇	样品数		<100mg/kg		100~200		200~300		300~400		>400
	个	%	个	%	个	%	个	%	个	%	个	%
利川市	288	100.00	108	37.50	119	41.32	45	15.63	10	3.47	6	2.08
谋道镇	19	6.60	0	0.00	7	36.84	9	47.37	3	15.79	0	0.00
汪营镇	44	15.28	11	25.00	22	50.00	7	15.91	3	6.82	1	2.27
建南镇	43	14.93	12	27.91	20	46.51	7	16.28	0	0.00	4	9.30
忠路镇	21	7.29	6	28.57	10	47.62	3	14.29	2	9.52	0	0.00
团堡镇	16	5.56	5	31.25	7	43.75	4	25.00	0	0.00	0	0.00
南坪乡	14	4.86	3	21.43	9	64.29	2	14.29	0	0.00	0	0.00
文斗镇	39	13.54	15	38.46	15	38.46	7	17.95	2	5.13	0	0.00
柏杨坝	29	10.07	11	37.93	13	44.83	5	17.24	0	0.00	0	0.00
凉雾乡	14	4.86	9	64.29	5	35.71	0	0.00	0	0.00	0	0.00
毛坝镇	22	7.64	18	81.82	3	13.64	0	0.00	0	0.00	1	4.55
沙溪乡	12	4.17	7	58.33	4	33.33	1	8.33	0	0.00	0	0.00
元堡乡	15	5.21	11	73.33	4	26.67	0	0.00	0	0.00	0	0.00

3.2. 利川耕地有效硅海拔垂直分布特征

利川习惯按海拔高度分区，800 m以下为低山、800~1200 m为二高山、1200 m以上为高山，耕地主要分布在二高山以上地区，低山、二高山、高山占比约为10%、40%、50% [15]。利川耕地有效硅垂直分布特征明显(表5、表6)，随海拔升高而升高，低山、二高山、高山均值分别为125.2 ± 76.6 mg/kg (n = 50)、140.8 ± 87.5mg/kg (n = 177)、176.2 ± 89.2 mg/kg (n = 61)，但都在较低水平；变幅分别为39.3~404.1 mg/kg、39.3~551.0 mg/kg、56.2~431.0 mg/kg，极差低山与高山相当，二高山极差相对较大，约为低山和高山的1.5倍；变异系数皆为中等。低山84%在较低以下，较高水平无分布，仅1个样点为高水平；二高山80%在较低以下，5%为较高以上；高山近70%在较低以下，近10%在较高以上。

Table 5. Statistical analysis of effective silicon content in cultivated land at different altitude regions

表5. 不同海拔区域耕地有效硅含量统计分析表

海拔分布	样品数(个)	均值(mg/kg)	最大值	最小值	极差	标准差	变异系数%
低山 ≤ 800 m	50	125.2	404.1	39.3	364.8	76.6	61.15
二高山	177	140.8	551.0	39.3	511.7	87.5	62.13
高山 > 1200 m	61	176.2	431.0	56.2	374.8	89.2	50.62

Table 6. Classification statistics of effective silicon content in cultivated land at different altitudes

表6. 不同海拔区域耕地有效硅含量分级统计表

海拔分布	样品数		<100 mg/kg		100~200		200~300		300~400		>400
	个	%	个	%	个	%	个	%	个	%	个	%
低山	50	17.36	25	50.00	17	34.00	7	14.00	0	0.00	1	2.00
二高山	177	61.46	70	39.55	74	41.81	24	13.56	5	2.82	4	2.26
高山	61	21.18	13	21.31	28	45.90	14	22.95	5	8.20	1	1.64

3.3. 利川耕地有效硅不同利用类型及土类分布特征

利川土壤有9类，水田为水稻土，旱地有按海拔呈垂直地带分布的棕壤(1500 m以上)、黄棕壤(800~1500 m)、黄壤(800 m以下)，呈微域分布的石灰土、紫色土，分布于河流两岸的潮土，以及高寒地带的草甸土和沼泽土(此2类为非耕地、面积小未采样)。耕地中各土类面积占比分别为：黄壤3.54%、黄棕壤42.18%、棕壤6.56%、紫色土9.48%、石灰土1.81%、潮土0.27%、水稻土36.15% [15]。

按耕地利用类型划分(表7、表8)，有效硅均值水田低于旱地，但两者差异不大，在145 mg/kg上下，都为较低水平，中等变异。水田83%在较低以下，约3%在较高以上；旱地近75%在较低以下，6.5%在较高以上。

不同土类耕地有效硅均值差异较明显(表7、表8)，棕壤 > 石灰土 > 紫色土 > 黄棕壤 > 水稻土 > 潮土 > 黄壤，棕壤是黄壤的2倍，除黄壤低于100 mg/kg，为低水平外，其他土类都在150 mg/kg上下，处于较低水平，皆为中等变异。石灰土2/3在较低以下，3%为较高以上；棕壤、紫色土、黄棕壤各级分布相当，近80%在较低以下，近10%为较高以上；潮土83%在较低以下、黄壤92%在较低以下，两者较高以上无分布；水稻土分布情况见水田。

Table 7. Statistical analysis of effective silicon content in different utilization types and soil types

表7. 不同利用类型及土类有效硅含量统计分析表

土壤类型	样品数 个	均值 mg/kg	位次	最大值 mg/kg	最小值 mg/kg	极差 mg/kg	标准差	变异系数 %
水田/水稻土	71	142.6	5	522.2	46.5	475.7	78.2	54.80
旱地	217	146.6		551.0	39.3	511.7	88.7	60.56
棕壤	10	169.3	1	356.8	97.6	259.2	73.7	43.54
石灰土	30	155.8	2	310.9	41.9	269.0	77.2	49.59
紫色土	54	154.3	3	503.2	53.6	449.6	102.3	66.34
黄棕壤	105	145.1	4	551.0	39.3	511.7	91.9	63.34
潮土	6	141.4	6	245.3	101.6	143.7	55.2	39.01
黄壤	12	84.8	7	260.3	39.3	221.0	57.8	68.20

Table 8. Classification statistics of effective silicon content for different utilization types and soil types

表8. 不同利用类型及土类有效硅含量分级统计表

土壤类型	样品数		<100 mg/kg		100~200		200~300		300~400		>400
	个	%	个	%	个	%	个	%	个	%	个	%
水稻土/水田	71	24.65	22	30.99	37	52.11	10	14.08	1	1.41	1	1.41
旱地	217	75.35	86	39.63	82	37.79	35	16.13	9	4.15	5	2.30
棕壤	10	3.47	1	10.00	7	70.00	1	10.00	1	10.00	0	0.00
石灰土	30	10.42	11	36.67	9	30.00	9	30.00	1	3.33	0	0.00
紫色土	54	18.75	20	37.04	22	40.74	8	14.81	0	0.00	4	7.41
黄棕壤	105	36.46	44	41.90	38	36.19	15	14.29	7	6.67	1	0.95
潮土	6	2.08	0	0.00	5	83.33	1	16.67	0	0.00	0	0.00
黄壤	12	4.17	10	83.33	1	8.33	1	8.33	0	0.00	0	0.00

3.4. 利川耕地有效硅不同成土母质分布特征

利川土壤成土母质(母岩)主要分为碳酸盐岩、泥质砂页岩、紫色页岩、石英砂岩的残、坡积物及第四纪黏土、河流冲(沉)积物等6大类，发育的土壤占比分别为：51.86%、17.32%、16.21%、12.89%、1.08%、0.64%；其中旱地占比分别为：60.22%、15.30%、14.86%、6.44%、2.77%、0.42%；水田占比分别为：17.43%、21.55%、28.43%、13.61%、8.53%、10.44%。旱地60%以上为碳酸盐岩发育，泥质砂页岩和紫色页岩发育的各占15%左右；各成土母质发育的水田较均匀分布，紫色页岩发育的约占30%，其他母质发育的在8%~22%之间[15]。

不同成土母质发育的耕地有效硅含量各异(表9、表10)，碳酸盐岩 > 紫色页岩 > 石英砂岩 > 第四纪黏土 > 河流冲积物 > 泥质砂页岩，基本呈等差下降，最大值是最小值的1.5倍，都处于较低水平，皆为中等变异。碳酸盐岩发育的耕地有效硅2/3在较低以下，7%为较高以上；紫色页岩、石英砂岩发育的近80%在较低以下，6%左右为较高以上；泥质砂页岩发育的近88%在较低以下，近5%为较高以上；第四纪黏土、河流冲积物发育的90%在较低以下，前者2%为较高以上，后者较高以上无分布。

Table 9. Statistical analysis of effective silicon content in different soils

表9. 不同成土母质有效硅含量统计分析表

母岩母质	样品数(个)	均值(mg/kg)	位次	最大值	最小值	极差	标准差	变异系数%
碳酸盐岩	99	164.2	1	384.2	41.9	342.3	82.1	50.00
紫色页岩	71	152.3	2	503.2	51.1	452.1	96.4	63.33
石英砂岩	19	146.7	3	522.2	71.8	450.4	110.4	75.27
第四纪黏土	48	131.8	4	375.4	49.0	326.4	61.6	46.75
河流冲积物	10	124.1	5	245.3	49.0	196.2	56.7	45.71
泥质页岩	41	109.9	6	551.0	39.3	511.7	93.7	85.29

Table 10. Classification statistics of effective silicon content in different parent materials of soil formation

表10. 不同成土母质有效硅含量分级统计表

母质	样品数		<100 mg/kg		100~200		200~300		300~400		>400
	个	%	个	%	个	%	个	%	个	%	个	%
碳酸盐岩	99	34.38	28	28.28	39	39.39	25	25.25	7	7.07	0	0.00
紫色页岩	71	24.65	23	32.39	33	46.48	10	14.08	1	1.41	4	5.63
石英砂岩	19	6.60	9	47.37	6	31.58	3	15.79	0	0.00	1	5.26
第四纪黏土	48	16.67	18	37.50	26	54.17	3	6.25	1	2.08	0	0.00
河流冲积物	10	3.47	2	20.00	7	70.00	1	10.00	0	0.00	0	0.00
泥质页岩	41	14.24	28	68.29	8	19.51	3	7.32	1	2.44	1	2.44

3.5. 利川耕地有效硅不同土壤质地分布特征

质地是土壤的最基本物理性质之一，指土壤中不同大小直径矿物颗粒的组成，按其比例通常划分为砂土、壤土和黏土三大类。它对土壤的通透性、保蓄性、耕性及养分等各种性状都有很大的影响，是评价土壤肥力、作物适宜性和拟定土壤利用、管理及改良措施的重要依据。常见的土壤质地分类有国际制、美国制、苏联制、中国制4种[16]。

在野外常按苏联卡庆斯基制将土壤质地简易分为砂土、砂壤、轻壤、中壤、重壤、黏土6级(《第三次全国土壤普查外业调查与采样技术规范》将轻壤、中壤、重壤分别更名为壤土、粉壤、黏壤)，依据土壤塑性的强弱用手测法确定其级别。砂土为松散的单粒状颗粒，干时抓在手中、松手即散，润时手握成团、一碰即散；砂壤干时手握成团、一碰即散，润时手握成团、轻拿不散；壤土松软有砂粒感，干时手握成团、轻拿不散，润时手握成团、轻碰不散；粉壤干时成块易碎、碎后松软有粉质感，润时成团、随意拿放，湿时搓捻成条、圈弯即断；黏壤干时块状稍硬，润时成团、随意碰撞，湿时搓捻成条、圈弯裂口；黏土干时坚硬，润时黏着，湿时搓捻成条、任意圈弯[17]。

利川不同质地的耕地有效硅含量差异明显(表11、表12)，砂壤 > 砂土 > 中壤 > 重壤 > 黏土 > 轻壤，基本分为3个阶梯，砂壤近180 mg/kg，砂土、中壤、重壤、黏土由近160 mg/kg降至140 mg/kg，轻壤再降至124 mg/kg，砂壤是轻壤的1.4倍，都处于较低水平，皆为中等变异。砂壤近80%在较低以下，较高水平无分布，近15%为高水平；砂土60%在较低以下，20%为较高水平，高水平无分布；中壤2/3在较低以下，5%为较高以上；重壤85%在较低以下，较高以上无分布；黏土70%在较低以下，7%略多为较高，高水平无分布；轻壤86%在较低以下，6%在较高以上。

Table 11. Statistical analysis of effective silicon content in different soil textures

表11. 不同土壤质地有效硅含量统计分析表

母岩母质	样品数(个)	均值(mg/kg)	位次	最大值	最小值	极差	标准差	变异系数%
砂壤	14	177.4	1	551.0	39.3	511.7	159.0	89.61
砂土	5	157.8	2	318.0	70.0	248.0	104.5	66.23
中壤	150	151.6	3	441.9	41.9	400.0	80.4	53.03
重壤	40	147.4	4	291.8	49.0	242.8	58.3	39.54
黏土	14	140.4	5	317.5	64.4	253.1	76.8	54.69
轻壤	65	124.0	6	522.2	39.3	482.9	96.7	77.99

Table 12. Classification statistics of effective silicon content in different soil textures

表12. 不同土壤质地有效硅含量分级统计表

母质	样品数		<100 mg/kg		100~200		200~300		300~400		>400
	个	%	个	%	个	%	个	%	个	%	个	%
砂壤	14	4.86	5	35.71	6	42.86	1	7.14	0	0.00	2	14.29
砂土	5	1.74	2	40.00	1	20.00	1	20.00	1	20.00	0	0.00
中壤	150	52.08	44	29.33	69	46.00	29	19.33	7	4.67	1	0.67
重壤	40	13.89	10	25.00	24	60.00	6	15.00	0	0.00	0	0.00
黏土	14	4.86	6	42.86	4	28.57	3	21.43	1	7.14	0	0.00
轻壤	65	22.57	41	63.08	15	23.08	5	7.69	1	1.54	3	4.62

3.6. 利川耕地有效硅与土壤有机质、pH等的相关性分析

运用Excel中CORREL函数求相关系数(r)，公式$z=r\sqrt{N-1}$ 计算统计量z值(n > 30)，再运用给定概率正态分布的区间点函数NORMINV(分布概率为0.05/2、0.01/2，算术平均值为0，标准差为1)求z的95%、99%临界值(分别为1.96、2.58)。对耕地有效硅含量与pH、有机质、全氮、有效磷、速效钾、CEC、交换性盐基总量、交换性钙镁进行相关性分析，结果见表13。

从统计学意义上看，利川耕地有效硅含量与土壤pH、CEC、交换性盐基总量、交换性钙、交换性镁呈极显著正相关，与有效磷呈极显著负相关，与有机质、全氮、速效钾相关性不显著。

Table 13. Correlation analysis of available silicon in cultivated land with pH, organic matter and other factors

表13. 耕地有效硅与pH、有机质等项目的相关性分析表

项目	r	z	项目	r	z
pH	0.429	7.266^**	CEC	0.302	5.109^**
有机质	−0.042	−0.711	交换性盐基总量	0.274	4.641^**
全氮	−0.070	−1.182	交换性钙	0.237	4.012^**
有效磷	−0.174	−2.940^**	交换性镁	0.323	5.464^**
速效钾	0.074	1.248

注：“^*”“^**”分别表示相关性显著、极显著。

4. 讨论

4.1. 硅营养对作物的主要作用、功能及丰缺表现

硅是水稻等禾本科作物、甜菜、木贼属植物及某些硅藻必需的营养元素，生产1000 kg稻谷，SiO₂需求量高达150 kg，超过所需氮磷钾养分的总和，水稻灰分中SiO₂质量分数达61.4% [18]。硅也是其它较多作物的有益元素，是作物需求量仅次于氮、磷、钾的第四大元素，被众多专家和学者与钙、镁、硫统称为中量元素。硅在植物上的作用主要表现在对形态结构、生理过程和抗逆能力三方面的影响上，可以归纳为[19]-[21]：(1) 硅是植物体的重要组成部分，从单细胞的藻类到维管植物，几乎所有的生命体中都有含硅组织的存在；(2) 增强植株的机械强度，硅能使植物细胞壁加厚、变硬，提高植物的抗倒伏能力和对病虫害的抵抗力；(3) 改善作物的光合作用，硅能促进作物的光合效率，使植株挺拔，叶片与茎秆夹角变小，功能叶寿命延长7~10天，光照利用率提高；(4) 增强作物的根系活性，可使水稻的白根数增加，减轻厌氧条件下还原性有害、有毒物质(亚铁、亚锰、硫化氢等)的危害，增强土壤中磷的有效性，提高磷素利用率；(5) 提高作物的抗逆性，有助于增强植物对干旱、高温、低温、盐胁迫等不良环境的耐受性；(6) 提升作物的产量和品质，蔬菜、大豆、棉花等作物对硅肥有较明显的反应，水稻、大麦、小麦、玉米等禾本科作物效果尤为明显；(7) 缓解重金属对作物的毒害，硅可以缓冲土壤pH值，调节大气CO₂浓度，降低土壤金属活性。

硅营养不足时，植株生长受阻，叶片下披成垂柳叶状，茎秆柔软，粒重降低，抗倒能力差，病虫害易侵染，导致产量和品质下降。土壤中硅素含量的变化不仅关系到作物的硅营养，而且影响到作物对其它营养元素的吸收[5]。

4.2. 各地土壤有效硅含量及影响因素

植物主要以单硅酸形态吸收硅，不同植物吸收硅的能力不同。水稻具有主动吸硅能力，其吸收过程受体内代谢活动影响，其它大多数植物主要以被动方式吸收硅，但不排除具有选择性吸收硅的可能性[21]。土壤有效硅包括水溶态、吸附态和部分矿物态硅等，它的含量是衡量土壤供硅能力的重要指标，含量一般仅为50~250 mg/kg [22]。我国土壤有效硅含量各地差异较大，总体有从东南向西北升高的趋势。如福建80.5 mg/kg (n = 179)，变幅5.8~449.0 mg/kg，<100 mg/kg的样点占79.30% [8]；安徽155.7 mg/kg (n = 251)，变幅15.0~707.5 mg/kg，<100 mg/kg的样点占53.80% [7]；贵州171.3 mg/kg (n = 60)，变幅10.0~585.0 mg/kg，<100 mg/kg的样点占80% [9]；湖北202.6 mg/kg (n = 529)，变幅15.7~725.5 mg/kg，<95 mg/kg的样点占38.20% [10]；山东234.5 mg/kg (n = 1818)，变幅15.4~779.5 mg/kg，<100 mg/kg的面积占17.21% [5]；河南251.0 mg/kg (n = 128)，变幅49.0~647.0 mg/kg，临界值定为<300 mg/kg% [13]；陕西390.9 mg/kg，变幅74.5~980.3 mg/kg [23]；新疆313.3 mg/kg (n = 204)，变幅113.6~748.4 mg/kg [24]。从时间演变看，江西在20世纪90年代末土壤有效硅均值为60.0 mg/kg (n = 467)、变幅5.7~342.0 mg/kg [6]，本世纪初上升到70.2 mg/kg (n = 185)、变幅12.7~192.0 mg/kg [25]，随着时间推移，均值提高、极差变小，应该是对耕地采取了增施硅肥等补硅措施，不然随着农作物的不断吸收，土壤中的有效硅是在持续减少。

据多方报道，土壤有效硅的含量受到成土母质、土壤质地、土壤酸碱度、土壤温度、耕作方式、植被、微生物和风化强度等多种因素影响。如郑路等[7]、李家书等[10]、卢志红等[25]的研究结果认为石灰岩、第四纪黏土发育的土壤有效硅含量较高，而砂页岩、泥质岩类发育的则较低；周守明等[13]、马新等[24]的研究结果显示耕地有效硅随土壤黏粒比率增加而提高；蔡阿瑜等[8]、代革联等[23]、马新等[24]、秦方锦等[26]都认为耕地有效硅与土壤pH呈极显著正相关；较多研究结果[6] [10] [26]耕地有效硅旱地高于水田；蔡阿瑜等[8]不同土类有效硅含量研究结果水稻土 > 潮土 > 紫色土 > 黄壤；李家书等[10]、卢志红等[25]的研究耕地有效硅与土壤有效磷呈极显著负相关；较多结果[6] [23] [26]认为耕地有效硅与土壤有机质呈显著正相关；刘鸣达等[4]、刘丽君等[22]还认为耕地有效硅含量与土壤微生物、温度及氧化还原电位有显著相关性。

4.3. 不同硅肥的应用及增产效果

20世纪50年代，日本首先研究了硅肥的应用，之后迅速在朝鲜、韩国、菲律宾等国开展相关研究和推广。我国于20世纪70年代在中国科学院南京土壤所与原化工部等多地研究，随后在浙江、江苏、江西等地开展试验及推广，继蔡德龙[18]引进钢渣造硅肥技术之后，国内开始大规模开展硅肥相关研究，包括对植物生长及抗逆性的促进、改良土壤结构、改善土壤重金属污染等多方面[25]。20世纪80年代后期，我国硅肥实现了工业化生产，先后开发了锅炉增钙粉煤灰硅肥、黄磷炉渣硅肥、碳化煤球造气炉渣硅肥以及钢渣、铁渣硅肥。据不完全统计，国内投产和在造的硅肥厂已在40家以上，年产能近100万吨，产量50万吨左右。与此同时，许多大专院校和科研单位进行了大量的调查和技术开发工作，如河南省科学院地理所、华中农业大学、浙江农业大学等[27]。现今生产上常用的硅肥有硅酸钠、偏硅酸钠、硅镁肥、硅锰肥以及液体型速效硅肥等[25]，还包括近年来登记的多种含硅矿物源土壤调理剂，含SiO₂多在20%左右。

根据硅营养对植物的功能和作用，蔡德龙[18]、冯元琦等[27]总结了硅肥的主要功效：一是多元素肥料，可提供硅、钙、磷、镁、钼、锰、铁、硼等多种营养，有综合肥效作用。二是保健肥料，是很好的土壤调理剂，能活化有益微生物，改良土壤、矫正土壤酸度，提高土壤盐基，促进有机肥分解，抑制土壤病菌、抗重茬及减轻重金属污染。三是品质肥料，大米不香、西瓜不甜的根本原因是氮肥过多，农业上SiO₂是氮的半导体，可以阻止过量氮进入植物体内，能够提高西瓜、草莓等水果糖含量；硅化细胞可使黄瓜、苹果等外观品质提高。四是抗逆肥料，硅肥可提高作物抗病虫、抗倒伏能力和抗逆性，作物吸收SiO₂以后形成硅化细胞，昆虫不易咬动，病菌难以入侵，特别是稻瘟病发病率降低；遇干旱、寒冷及干热风等天气时，叶片气孔关闭，减少水分蒸发，从而减轻不良天气的危害；还可提高作物体内超氧化物歧化酶、过氧化物酶等生物酶活性，产生一种令害虫讨厌的气味，驱虫效果显著；施用硅肥可以促进作物茎秆粗壮、节间缩短、茎秆挺直，有利于密植。五是植物调节性肥料，施用硅肥可以活化土壤中的磷，提高磷肥利用率和作物结实率，强化钙、镁的吸收和利用，很好的调节作物对氮、磷、钾等养分的平衡吸收，增强作物花粉活力和成果率。

目前，硅肥不仅在水稻上得到推广，在水果(苹果、梨、草莓、葡萄等)、蔬菜(黄瓜、西红柿、大白菜、韭菜、芹菜、茭白等)，以及烟草、茶叶、甘蔗等经济作物上均得到应用，取得了很好的增产提质效果[26]。据统计，大豆增产10%~12%，小麦、棉花增产10%~15%，水稻、竹类增产10%~20%，西瓜、麻类增产10%~25%，蔬菜增产15%~20%，茭白增产15%~30%，花生增产15%~35%，芝麻增产15%以上，草莓增产30%~50% [27]。近十年来，利川也进行了多作物、多品种的硅肥(包括多种含硅矿物源土壤调理剂)试验示范，同样取得了较好的增产增收效果，还对治理土壤酸化、钝化土壤镉效果明显[28]-[31]。

5. 结论

(1) 利川耕地有效硅含量整体较低，行政区域分布特征明显。均值为145.6 ± 87.4 mg/kg，处于较低水平，变幅39.3~551.0 mg/kg，变异系数60.05%，中等变异。近80%的点位在较低以下，较高以上仅5%略多。乡镇均值区域分布特征明显，由西北向东南呈降低趋势。最大值是最小值的2.6倍，谋道镇最高(227.8 mg/kg)，中等水平；汪营、建南、忠路3镇在160 mg/kg上下；团堡、南坪、文斗、柏杨坝4乡镇在140 mg/kg上下；凉雾乡略超100 mg/kg；毛坝、沙溪、元堡3乡镇在90 mg/kg上下。各乡镇在不同含量级中的频率分布差异较大，如谋道1、5级无分布，汪营、建南、忠路、文斗4镇75%左右在较低以下，团堡、南坪、柏杨坝3乡镇75%~86%在较低以下，沙溪90%在较低以下，毛坝95%在较低以下，凉雾、元堡2个乡100%在较低以下。利川耕地有效硅含量低于湖北、安徽、贵州、山东、河南、陕西、新疆等多省水平，但高于地处中国东南端的福建、江西等省。

(2) 利川耕地有效硅含量随海拔升高而升高，垂直分布特征明显。低山、二高山、高山均值分别为125.2 ± 76.6 mg/kg、140.8 ± 87.5 mg/kg、176.2 ± 89.2 mg/kg，极差低山与高山相当，二高山极差相对较大，约为低山和高山的1.5倍。低山84%在较低以下，较高无分布，仅1个点为高水平；二高山80%在较低以下，5%为较高以上；高山近70%在较低以下，近10%在较高以上。何冬梅等[32]、高芳[33]对土壤有效硅随海拔高度变化的研究结果与利川一致，但与李双[34]、吕烈武等[35]的研究结果恰恰相反。

(3) 水旱不同利用方式对土壤有效硅影响较小，含量差异不明显。均值水田低于旱地，但差异不大，在145 mg/kg上下。水田83%在较低以下，约3%在较高以上；旱地近75%在较低以下，6.5%在较高以上。水田需要施用硅肥的占比更大，对喜硅作物水稻增产更有利。有效硅旱地高于水田的结论与李祖章等[6]、李家书等[10]、秦方锦等[26]的研究结果一致。

(4) 成土母质对耕地有效硅影响较大，不同土类含量差异明显。6种成土母质发育的耕地有效硅基本呈等差下降，最高值是最低值的1.5倍，碳酸盐岩(164.2 mg/kg) > 紫色页岩(152.3 mg/kg) > 石英砂岩(146.3 mg/kg) > 第四纪黏土(131.3 mg/kg) > 河流冲积物(124.1 mg/kg) > 泥质砂页岩(109.9 mg/kg)，碳酸盐岩2/3在较低以下，紫色页岩、石英砂岩近80%在较低以下，泥质砂页岩近88%在较低以下，第四纪黏土、河流冲积物超过90%在较低以下。7大土类分4段下降，棕壤是黄壤的2倍，棕壤近170 mg/kg，石灰土、紫色土在155 mg/kg上下，黄棕壤、水稻土、潮土由145 mg/kg降至141 mg/kg，黄壤断崖式下滑到85 mg/kg。石灰土2/3在较低以下，棕壤、紫色土、黄棕壤近80%在较低以下，潮土83%在较低以下，黄壤92%在较低以下。郑路等[7]、李家书等[10]、卢志红等[25]对不同成土母质有效硅含量的研究结果与利川基本一致；蔡阿瑜等[8]对不同土类有效硅含量的研究结果与利川基本相似。

(5) 土壤质地对耕地有效硅影响较大，不同质地含量差异明显。其均值砂壤 > 砂土 > 中壤 > 重壤 > 黏土 > 轻壤，都为较低水平，砂壤是轻壤的1.4倍，基本分为3段，砂壤近180 mg/kg，砂土、中壤、重壤、黏土由近160 mg/kg降至140 mg/kg，轻壤再降至124 mg/kg。砂土、砂壤、轻壤、中壤、重壤、黏土在较低以下水平的频率分别为：60%、近80%、86%、75%、85%、70%以上。周守明等[13]、马新等[24]对不同土壤质地有效硅含量的研究结果与利川有所不同。

(6) 耕地有效硅与其他土壤指标的相关性。从统计学意义上看，利川耕地有效硅含量与土壤pH、阳离子交换量、交换性盐基总量、交换性钙、交换性镁呈极显著正相关，与有效磷呈极显著负相关。蔡阿瑜等[8]、代革联等[23]、马新等[24]、秦方锦等[26]也都认为耕地有效硅与土壤pH呈极显著正相关，李家书等[10]、卢志红等[25]的研究耕地有效硅与土壤有效磷呈极显著负相关，与利川结果高度一致；较多结果[6] [23] [26]认为耕地有效硅与土壤有机质呈显著正相关，但利川结果有所不同——耕地有效硅与有机质相关不显著。

根据利川耕地有效硅含量水平及分布情况，大部分区域有效硅缺乏，试验结果表明硅肥在多种作物上都表现为增产增收、提质增效。因此，应将奥力硅、大力硅等优质硅肥的推广应用作为利川农业的一项主推技术，大面积、多作物示范展示，充分发挥硅肥在农业生产中增产提质、节本增效的重要作用和贡献。

NOTES

^*第一作者。

^#通讯作者。