论文内容
研究背景：
小麦（Triticum aestivum）因其对不同农业生态和土壤的更广泛适应性而成为全球种植和贸易最广泛的谷类作物之一。埃塞俄比亚因其良好的农业生态和土壤而成为撒哈拉以南非洲地区 (SSA) 最大的小麦生产国。2018 年撒哈拉以南非洲小麦生产总面积为 296 万公顷，2020 年东非小麦生产总面积为 221 万公顷，其中埃塞俄比亚分别种植了 60% 和 83%。尽管产量很高，但埃塞俄比亚的全国小麦生产力（3 t ha−1；与世界平均水平 3.5 t ha−1 和 2017 年最大小麦生产国 6.6 t ha−1 相比仍然很低。因此，提高小麦产量一直是满足埃塞俄比亚不断增长的人口不断增长的需求的一个主要问题。
土壤酸度和植物必需养分的消耗是限制埃塞俄比亚小麦生产力的主要非生物胁迫。埃塞俄比亚约 43% 的耕地受到土壤酸度的影响，其中约 28% 属于强酸性 (pH < 5.5)。本研究进行的 Arsi 高地的土壤呈极强至强酸性（pH–H2O：4.49–5.3）。该地区土壤酸度和养分消耗可能归因于多种因素，包括但不限于大量降水，从土壤表面淋溶大量可交换碱、氮肥、缺乏均衡养分替代的常规耕作以及严重的水土流失。因此，土壤酸度改良和养分消耗缓解对于抵消其负面影响至关重要；从而提高研究区的小麦产量。
石灰（石灰石）是埃塞俄比亚和世界许多国家最常用的土壤酸度改良和提高作物产量的产品。然而，它是一种缓慢溶解的产品，其解离成分（例如碳酸盐）在最上面的土壤剖面内显示出有限的移动性；因此，它的中和作用通常仅限于应用和合并的层。低溶解度石灰的表面施用会限制表层内的根部发育，从而由于地下潜在酸度和可交换阳离子的可用性低而抑制作物的潜在产量。
硅酸盐和硅酸盐副产品，例如钢铁工业炉渣（主要由硅酸钙或硅酸镁组成），由于其硅酸盐的中和成分，可以更有利地用作替代来源，以改善土壤酸度并提高作物产量。土壤和几种富硅作物的溶解度、碱度和硅 (Si) 供应量。硅酸盐由于其颗粒特性而具有更大的反应速率，呈现出更大的比表面由于较高的反应速率和流动性，硅酸盐的离解产物可以到达更深的土壤层，这表明它们具有更高的潜力改善较厚的酸性土壤层。例如，报道炉渣中的硅酸盐（硅酸钙/硅酸镁）的可溶性（0.095 g dm−3）是碳酸钙（0.014 g dm−3）的6.78倍。由于反应性较高，硅酸盐在酸性土壤中更有效地利用磷；从而改善作物的营养获取并减少铝等有毒阳离子。
除了改善土壤酸度的好处外，硅酸盐还具有高含量的二氧化硅，并且可以用作植物的营养源，因为连作会降低土壤中的硅浓度。此外，硅酸盐影响植物中磷、钾、钙和镁等多种矿质营养素的吸收、转运和可用性，并缓解矿质营养缺乏。
因此，本研究是基于以下假设进行的：（i）单独施用水溶性硅酸盐肥料的表面可以降低土壤酸度并提高土壤中磷的有效性，以及（ii）水溶性硅酸盐的综合施用全剂量施用矿肥推荐的氮、磷能更有效地改善土壤速效磷、土壤pH值和交换性酸度，可提高面包小麦的产量特性和产量。总之，本研究旨在评估埃塞俄比亚东南部中强酸性条件下土壤和叶面施用水溶性硅酸盐肥料对土壤化学属性、产量构成和面包小麦产量的作用。
研究内容：
1. 研究区域描述
2020年7月至12月，在埃塞俄比亚东南部Arsi地区Tiyo区的6个农田进行了田间试验。站点的地理位置如表1所示。站点的主要土壤类型被归类为镍钛土。它呈淡红色，反应呈中等到强酸性。
研究区降水呈双峰型，2月至4月底为短雨季，6月至9月为长雨季。由于所有实验地点都没有气象站，因此天气变量是根据 NASA 数据库 (https://power.larc.nasa.gov) 估算的。预计2020年农耕季节天气变量见表2。因此，年降水量为1106毫米。季节平均风速、相对湿度、最高和最低气温分别为1.8 m s−1、77.6 %、20.0 ℃和9.8 ℃（表2）。 8月份观测到月最大降水量（282毫米）、相对湿度（85.9%）和最低气温（11.5℃）。 12 月份记录了月最大风速（2.2 m s−1）和最高气温（21 ℃）（表 2）。预计月降水量最低的月份是 11 月（33 毫米），而 8 月份的相对湿度最低（63.4%）和最低气温（6.7℃）。7 月和 9 月分别是最低风速（1.2 m s−1）和最高气温（19 ℃）的时期（表 2）。总体而言，研究区降水量大、湿度大，但气温较低。
1. 实验设计和步骤
该实验有六种处理，包括 100% 单独施用颗粒和液体硅酸盐肥料 (40 kg + 18 L/ha) (Si-Star)、全剂量来自 NPS 和尿素的推荐 N & P (RNP) ((92– 30 kg N–P ha−1)，推荐颗粒和液体硅酸盐肥料（40 kg + 18 L/ha），含有来自 NPS 和尿素的全剂量 RNP（92–30 kg N–P ha−1），推荐颗粒和液体硅酸盐肥料液体硅酸盐肥料 (40 kg + 18 L/ha)，其中 75% 的 RNP 来自 NPS 和尿素 (69–23 kg N–P ha−1)，建议使用颗粒和液体硅酸盐肥料 (40 kg + 18 L/ha)，其中 50来自 NPS 和尿素的 RNP 百分比 (46–15 kg N-P ha−1)，以及既不使用矿物肥料也不使用硅酸盐肥料的处理（没有投入或阴性对照的处理（表 3）。每个处理在每六个地点重复 3 次. 颗粒和液体硅酸盐肥料 (Si-star) 含有 20% 硅酸钠、80% 辅助成分和其他促进生长和产量的必需微量元素。Si-star 的 pH 值呈碱性，并具有阴离子在土壤中发生反应。六种处理如表 3 所示。实验采用随机完全区组设计，重复 3 次。名为“Lemu”的面包小麦品种在 7.8 m2（2.6 m 长 x 3 m 宽）的地块面积中以 20 cm 间距手工条播。街区和地块之间的距离分别为1 m和0.4 m。
NPS混合肥料用作N和P的来源； 125千克（57.5千克氮）尿素作为氮源，以补充NPS肥料无法满足推荐氮量的剩余量； Si-star作为硅(Si)源。根据处理安排，在播种时施用所有 NPS 和颗粒硅酸盐肥料以及半剂量尿素作为基肥。根据处理设置，在作物发育的分蘖阶段侧施剩余一半剂量的尿素肥料。除了颗粒状硅酸盐肥料外，还根据制造商的建议分三批施用 18 升液体硅酸盐。当幼苗生长到 5-10 厘米高时，将第一轮液体硅酸盐肥料以 15 升 ha−1 稀释在 15,152 升水 ha−1 中的比例注入土壤中。这是为了使幼苗抵抗土壤酸性对新发芽植物根部的早期硬船效应，并提高硅酸盐肥料降低根部周围土壤酸度的效率。第二轮和第三轮液体硅酸盐肥料分别以 1.5 升 ha−1 的比例在开花前（芽形成）三周和开花阶段（花芽形成时）喷洒在面包小麦植物的叶子上。每轮叶面喷施 1515 L 水 ha−1。
为了控制杂草和真菌病害，分别施用 Pallas™ 45 OD（Pyroxsulam（三唑并嘧啶），45 g L−1）和 Rex®Duo（187 g L−1 氧环唑和 310 g L−1 甲基托布津） 。种植后 21 天使用小袋施用 Pallas™ 45 OD，以有效控制杂草，而 Rex®Duo 在分蘖后和孕穗期，一旦观察到病害症状以及发生病害时，使用小袋施用两次靠人力解雇。根据针对小麦作物的建议，所有处理的所有其他农艺实践均保持统一。
1. 土壤样本采集和分析
在播种前整地后，使用螺旋钻从试验地块收集表面（0-20）土壤样品，并将每个地点合成一个样品，以进行土壤表征。从每个地块收获作物后还收集了土壤样本。将收集的土壤样品风干，用研钵和研杵粉碎并过2毫米网筛。按照标准程序分析样品的氢势 (pH)、总氮 (N)、有效磷 (P) 和可交换酸度。使用连接到数字 pH 计的玻璃电极以 1:2.5（重量/体积）土壤与水的比例测定土壤的 pH 值。总氮使用凯氏定氮法测定，如参考文献所述。可用P通过布雷II法测定。通过用 1 N 氯化钾 (KCl) 溶液饱和土壤样品并分别用 0.02 N 氢氧化钠 (NaOH) 和 0.02 N 盐酸 (HCl) 滴定滤液来测定交换酸度。
2. 产量属性和产量数据收集
收集的农艺数据包括分蘖数植物-1、穗数m-2、穗长、株高、种子数穗-1、谷物产量、地上总生物量产量、收获指数、百升和种子（仁）重量。分蘖植物的数量−1 是从每个小区内的 10 株植物中计数的。每个样地中 10 个 0.5 m 长的采样点计数 m−2 的尖峰数量，并转换为 m−2 以进行统计分析。使用米尺从每个地块中随机选择的十个植物样品中测量穗长度，从穗基部到其尖端，排除芒。每小区随机选取10株植株，在生理成熟时测量小麦旗叶和穗由绿变黄，从土壤表面开始干燥至穗尖（不包括芒）。种子数量是从每个地块中随机选择的十个穗中计数的。人工收获整个地块面积 7.8 m2，用于测定地上总生物量产量。收获的样品经人工脱粒，风干至水分均匀，用谷物水分测定仪检测水分后，清洗干净，用数字天平称量谷物和秸秆样品。在分析数据之前，将谷物产量调整至 12.5% 的标准水分含量。收获指数是根据谷物产量与生物量产量的百分比计算的。为了测定百升和籽粒重量，从每个地块收集和清洁的谷物中随机取样，并使用灵敏天平（0.01 g）进行测量。
3. 数据分析
使用 SAS 计算机软件包 9.0 版（SAS Institute, Inc., Cary, NC）对收集的农艺和土壤数据进行方差分析。使用 5% 概率水平的最小显着差异检验进行平均值比较。还使用 SAS 统计软件包进行了简单回归分析，以评估土壤化学成分和产量组成部分的改善与面包小麦产量的关系。
试验结果：
1. 土壤特性
对播种前收集的土壤样品进行的化学分析如表 4 所示。土壤反应(pH)、总氮 (N)、有效磷 (av. P) 和交换性酸度范围为 5.1 至 5.4、0.23–0.34 % ，5.0–13.2 mg kg−1 和 0.34–1.34 cmol (+) kg−1（表 4）。因此，研究区域的土壤可分为中等到强酸性、中到高氮以及极低到低av. P。
单独或联合施用硅酸盐和矿物肥料显着改变了土壤的交换酸度（表5）。与未施肥（1.14 cmol (+) kg−1）和完全施肥（1.10 cmol (+) kg−1）相比，仅硅酸盐处理的土壤（0.87 cmol (+) kg−1）的交换酸度显着降低土壤。与未施肥和完全施肥的土壤相比，不含矿物肥料的单一硅酸盐的交换性酸度水平分别降低了 24% (0.27 cmol (+) kg−1) 和 21% (0.23 cmol(+) kg−1)（表5）。与未施肥的土壤相比，硅酸盐肥料与矿物肥料中减少或全部剂量的养分相结合也显着降低了交换性酸度13-14%（0.15-0.16 cmol（+）kg−1）（表5）。
使用水溶性硅酸盐进行土壤施肥及其与矿物肥料的结合也显着提高了土壤中有效磷（av. P）的含量（表5）。 AV 的最大数量。 P（16.4 mg kg−1）是从用全剂量RNP（92-30 kg N-P ha−1）与硅酸盐肥料处理的土壤中提取的，这与交换酸度的变化非常吻合（表5）。
1. 产量属性和产量
单独使用颗粒和液体硅酸盐肥料以及与矿物肥料结合进行的土壤施肥显着影响了大部分测量的产量属性和面包小麦的产量（表6）。尽管测试地点之间存在差异，但面包小麦对单独施用颗粒和液体硅酸盐肥料或与矿物肥料一起施用的反应在不同环境中是一致的。
面包小麦的最大谷物产量（6617 kg ha−1）和生物量（15379 kg ha−1）是通过施用全剂量的RNP和硅酸盐肥料而收获的（表6）。相对于单独施用矿物肥料，硅酸盐与矿物肥料的结合使谷物和生物量产量分别增加了 284 kg ha−1(4%) 和 709 kg ha−1(5%)（表 6）。仅施用全剂量 RNP 也获得了统计上相当的谷物产量（6333 kg ha−1）和生物量（14670 kg ha−1）（表 6）。全剂量RNP与粒状和液体硅酸盐肥料综合施用还获得了最大分蘖数−1（4）、每m−2穗数（383）和株高（97.6 cm）（表6） 。在全剂量 RNP 中添加硅酸盐还产生了更高的穗长（8.2 厘米）和种子重量（42.9 毫克），这与单独施用全剂量 RNP 获得的值（8.2 厘米和 43.2 毫克）在统计上相似。分别）（表 6）。
结果进一步表明，水溶性硅酸盐与四分之三剂量的RNP（69-23 kg N-P ha−1）的综合施用分别产生了5922和13559 kg ha−1的谷物和生物量产量（表6）。同样，硅酸盐与半剂量 RNP（46-15 kg N-P ha−1）的组合使用分别提供了 5376 和 12684 kg ha−1 谷物和生物量产量（表 6）。将全剂量 RNP 减少到四分之三（69-23 kg N-P ha−1）和一半（46-15 kg N-P ha−1）所获得的谷物产量统计上降低了 695 (11 %)和 1241 (19 %) kg ha−1 分别比全剂量 RNP 低。相应的生物量产量减少为 1820 (12%) 和 2695 (18%) kg ha−1（表 6）。同样，硅酸盐与半剂量RNP的综合施用产生了546（9％）和875（6％）kg ha−1的谷物和生物量产量，与四分之三剂量的RNP相比分别下降（表6）。
未施肥处理的面包小麦产量属性和产量最低（表 6）。在没有任何肥料来源的情况下种植面包小麦仅产生 3179 公斤 ha−1 谷物和 7154 公斤 ha−1 生物量产量（表 6）。单独施用颗粒和液体硅酸盐肥料而不添加矿物肥料也会产生较低的产量属性和产量，与未施肥的地块在统计上没有差异（表6）。
1.空间差异
六个试验点的面包小麦对硅酸盐和矿物肥料综合施用的反应差异显着（表 6）。粮食最大产量（7117 kg ha−1）、生物量产量（15944 kg ha−1）、种子重量（44.8 mg）、种子穗数−1（51）、株高（99.6 cm）、穗长（9 cm)、穗数 m−2(372) 和分蘖数−1 (4) 是从地点 1 获得的（表 6）。然而，获得了最低的谷物产量（3572 kg ha−1）、生物量产量（8513 kg ha−1）、种子重量（39.4 mg）、株高（80.9 cm）和分蘖数植物−1（2）来自站点 5（表 6）。
分析结果清楚地证实，硅酸盐肥料的使用降低了土壤酸度并改善了植物生长的土壤条件（表5）。可交换酸度显着降低的机制可能是由于氢 (H+)和铝 (Al3+) 离子浓度的变化所致。添加硅酸盐引发化学反应；因此，羟基（OH−1）阴离子从可交换位点释放，其浓度增加，导致所研究的土壤溶液中可交换酸度（H+和Al3+）降低。硅酸盐与石灰一样通过在土壤溶液中提供硅酸盐阴离子（SiO3 -2）和释放羟基（OH−1）阴离子来改善土壤酸度，并且还可以降低铁、锰和铝的毒性。与目前的结果一致，Castro 和 Crusciol 还观察到施用硅酸盐 18 个月后，H+ 和 Al3+ 浓度显着降低至 0.60 m 土壤深度。乌尔·拉赫曼等人。还指出，由于使用硅酸盐肥料处理，小麦幼苗根部土壤酸度引起的毒性显着降低。科斯蒂克等人。还报道，硅改善低土壤pH值和高Al3+的效果与石灰的效果相当。因此，使用硅酸盐可以被视为改善土壤酸度的替代选择。
硅酸盐的使用显示出土壤反应增加的趋势（表5）。这可能归因于可交换酸度的下降（表 5），并通过与可交换酸度建立的强但负相关（-0.97；p < 0.01）来证明（表 7）。 Frayssinet 等人与当前结果一致。总而言之，向土壤中添加硅往往会增加土壤反应，部分原因是其交换性酸度降低。
添加水溶性硅酸盐及其与矿物肥料的结合显着提高了土壤中有效磷 (av. P) 的含量（表 5）。 av 增加的解释。硅酸盐和矿物肥料联合施用所产生的土壤中的磷含量可归因于（i）添加了来自 NPS 肥料的可用养分，以及（ii）添加了来自 NPS 来源的养分，特别是 P 的可用性，以及由于改良土壤交换性酸度降低而导致土壤本身发生变化（表 5）。事实上，土壤养分的有效性可以通过 av 增加 3% 来证明。与未经处理的土壤相比，用纯硅酸盐改良的土壤的磷含量（表 5）。 av 增加背后的机制。改良土壤中的磷是由于硅阴离子 (H3SiO4−) 取代它而从可交换位点解吸磷，从而与磷酸根阴离子 (H2PO4−)竞争土壤胶体的相同吸附位点。因此，磷位点被硅酸盐阴离子饱和，磷酸盐离子被释放到土壤溶液中并提高其可用性。因此，正如本研究结果所观察到的，硅酸盐在提高土壤中磷的有效性方面的作用是不可或缺的。
单独施用硅酸盐及其与降低矿物来源的 RNP 率相结合，统计上面包小麦的产量较低。另一方面，未施肥处理收获的面包小麦产量属性和产量最低（表 6）。这表明研究区的土壤养分严重缺乏，如果不添加外部投入，面包小麦的产量就无法优化。与未处理的地块相比，施用硅营养的产量相对较高，这可能与作物经历氮磷缺乏时硅在改善土壤酸度和维持生理生化过程中所发挥的有益作用有关。硅可能影响光合作用和糖代谢；因此，增强了在营养缺乏条件下生长的植物的生长相关反应。总的来说，这些结果表明，颗粒和液体形式的硅酸盐肥料可以补充，但不能替代氮、磷和硫养分。
土壤的空间变化和初始状态显着影响土壤（表 5）和面包小麦（表 6）的整个测量参数。六个测试点位于不同的地理位置（表1）。土壤的化学性质也各不相同（表 4），这主要是由许多因素造成的，包括但不限于农民的做法、以前的种植历史和天气差异。与其他五个地点相比，地点 1 的最大产量属性和面包小麦产量可部分归因于其海拔较高的情况（表 1）。该地点的生长季节相对较长，可以使作物从土壤中吸收养分的时间相对较长，并逐渐灌满籽粒。因此，目前的结果表明，土壤的空间变化和初始状态决定了面包小麦的产量。
研究结论：
硅酸盐和矿物肥料处理之间的土壤性质、产量属性和面包小麦产量差异显着。我们的结果表明，水溶性硅酸盐与全剂量推荐氮（92 kg N ha−1）和磷（30 kg P ha−1）的结合使用显着降低了交换性酸度，倾向于增加土壤反应，增加土壤有效磷与单独施用相比，土壤含量增加并提高了面包小麦的产量。另一方面，单一硅酸盐的应用及其与矿物来源中氮和磷含量降低的结合导致统计上较低的产量属性和面包小麦的产量，以及除土壤酸度之外的土壤化学参数，表明它可以作为补充，但不能替代必需营养素。根据本研究的结果，可以建议以（40 kg + 18 L）ha−1的比例将颗粒状和液态硅酸盐与推荐的全剂量氮（92 kg ha−1）和磷（30 kg ha−1) 可被视为酸性土壤改良和增强植物营养的可能替代方案；从而提高热带高原地区面包小麦的产量。
期刊信息
期刊：Heliyon
影响因子（2022）：4
中科院分区：JCRQ4
转自：“农科学术圈”微信公众号
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