硅灰石土壤施用对湿地禾本科植物硅积累与养分吸收的影响——基于温室盆栽实验的研究

《Agriculture》：Effects of Wollastonite Soil Application on Silicon Accumulation and Nutrient Uptake in Wetland Grasses—Insights from a Greenhouse Pot Experiment

　　

摘要：利用植物体内形成的二氧化硅可能是满足高科技产业对无定形硅日益增长需求的一种有前景的策略。禾本科植物被认为是强硅（Si）积累植物。在一项盆栽实验中，研究人员分析了硅施用（硅灰石）对四种湿地/牧场禾草（Festuca arundinacea、Lolium perenne、L. rigidum 和 Phalaris arundinacea）的生物量产量、硅积累和养分吸收的影响。植物在温室中种植，使用有机表土，不添加（自然条件，对照处理）或添加硅灰石（硅处理）。研究发现，硅施用后植物生物量未见增加，但硅积累增加了四到七倍。因此，所测试的草地物种在低硅或富硅土壤中生长时，可被分类为硅排斥者（硅含量 < 0.5%）或强硅积累者（硅含量 > 1%）。养分吸收的差异相对较小，且未发现（负面）处理效应对植物生物量的影响；因此，研究人员假设短期内硅灰石施用对植物养分吸收无负面影响。研究结果表明，硅灰石施用可能是一种显著增强湿地禾草硅积累的有前景策略。然而，仍需田间实验来证实这一结论，并为沼泽农业从业者提供实践相关的建议。

一、研究背景与科学问题

硅（Si）被视为对植物生长和性能有益的元素。植物根系以单体硅酸（H₄SiO₄）的形式吸收硅，最终以无定形二氧化硅（SiO₂·nH₂O，即生物硅BSi）的形式储存在植物组织中。现代高科技产业对低成本、可再生的无定形硅需求日益增长，而植物源生物硅作为一种替代能源密集型合成无定形硅的材料，正变得越来越重要。泥炭地作为陆地湿地生态系统，在全球广泛分布，但在德国，由于历史上的大规模排水导致其退化，释放大量温室气体。如今，重新湿润泥炭地并进行沼泽农业（paludiculture），即在保持高水位条件下进行农业利用，成为一种兼顾经济与气候减缓的可持续途径。然而，单纯种植湿地禾草难以形成盈利模式。此外，废弃矿区和农药残留带来的有毒元素污染也是重新湿润泥炭地面临的挑战。

在此背景下，硅灰石（wollastonite，一种天然硅酸钙矿物CaSiO₃）作为一种潜在的植物可利用硅源受到关注。它不仅能缓慢释放硅，还能提高土壤pH值并固定有毒金属。然而，硅灰石在泥炭地土壤中的应用是否会促进湿地禾草对硅的积累，同时是否会影响其对其他营养元素及潜在有毒元素的吸收，尚缺乏深入研究。本研究旨在填补这一空白，评估将硅灰石应用于泥炭地土壤以提升禾草生物硅产量的可行性。

二、研究方法概述

研究人员在德国莱布尼茨农业景观研究中心（ZALF）的温室中进行了一项为期90天的盆栽实验。供试土壤取自Paulinenau fen研究站的低地泥炭地有机表层土（Sapric Drainic Histosol (Eutric)）。选用了四种常见于沼泽农业或退化湿地的禾草物种：高羊茅（Festuca arundinacea）、多年生黑麦草（Lolium perenne）、硬直黑麦草（Lolium rigidum）和虉草（Phalaris arundinacea）。其中，高羊茅和多年生黑麦草还包含了来自不同地理起源和生物学状态（半自然/播种、半自然/野生、野生）的群体（population），共计11个禾草群体。实验设置对照（自然土壤）和硅处理（每盆添加155.8克硅灰石）两个组别，每组三个重复，共66个独立样品。所有盆栽均施以基础矿物肥料，并维持60%土壤持水量的水分条件。收获后，研究人员采用高压消解结合电感耦合等离子体发射光谱法（ICP-OES）测定植物样品中的铝（Al）、钙（Ca）、铜（Cu）、铁（Fe）、钾（K）、镁（Mg）、锰（Mn）、钠（Na）、磷（P）、硅（Si）和锌（Zn）等元素含量，并计算地上部硅储量。

三、研究结果

3.1 生物量、硅含量与硅储量：对照 vs. 硅处理

研究表明，除一个多年生黑麦草群体外，其余10个禾草群体的生物量在处理间无显著差异。硅灰石施用显著提高了所有禾草群体的硅含量，增幅达4至7倍。在硅处理下，最高硅含量出现在德国的高羊茅和虉草中（均为15.3 g kg^-1），最低为德国的多年生黑麦草（11.3 g kg^-1）。相应地，硅储量也大幅增加，最高可达15.1 g Si m^-2（德国虉草）。

3.2 生物量、硅含量与硅储量：种内差异

在高羊茅的四个群体中，对照组的生物量和硅含量无显著差异，但硅处理组的生物量出现显著差异。对于多年生黑麦草的群体，情况则相反：对照组的生物量有显著差异，而硅处理组则无。在硅含量方面，对照组中两个物种的各群体间均无显著差异；而在硅处理组中，仅多年生黑麦草的群体间表现出显著的硅含量差异。

3.3 大量元素、微量元素及其他元素含量

总体而言，多数元素（如Ca、Mg、P、Cu、Zn、Mn、Na、Al）在对照组植物中的含量高于硅处理组。相关性分析显示，处理（即是否施硅灰石）与植物中镁（Mg）、磷（P）、铜（Cu）、锌（Zn）的含量呈显著负相关，表明硅处理略微降低了这些元素的吸收。但铁（Fe）和钾（K）的含量在处理间无显著差异。分组的进一步相关性分析未发现植物硅含量与其他元素含量之间存在显著关系。

四、讨论与结论

研究人员认为，硅肥未普遍提高生物量，是因为植物在无胁迫的受控条件下生长，这与前人研究一致。硅灰石施用使禾草从硅排斥者（硅含量<0.5%）转变为强硅积累者（硅含量>1%），表明环境中的硅有效性是控制植物硅含量的主要因素，而基因型的作用相对较小。尽管发现了某些多年生黑麦草群体间的硅含量差异，但这种种内变异整体很小。虽然本研究中植物硅含量低于一些天然湿地植物（如芦苇），但这些禾草因其高生产力，仍被认为是优良的生物硅生产者，其硅储量范围（1-15 g Si m^-2）与全球天然草地生态系统相当。

关于养分吸收，研究人员发现硅灰石施用对植物养分吸收的短期负面影响很小，仅观察到Mg、P、Cu和Zn含量的轻微下降，且未影响生物量。因此，研究人员认为硅灰石施用是安全的。研究结论如下：

（i）在自然条件下生长的禾草标本硅含量介于0.2%至0.3%，而硅处理标本的硅含量显著升高至1.1%至1.5%。因此，所测禾草在自然条件下可归类为硅排斥者（硅含量<0.5%），在硅供应增强时可归类为强硅积累者（硅含量>1%）。基于种间比较，研究人员得出结论：硅含量可能主要由土壤硅有效性而非植物基因型控制。因此，即使湿地禾草天生具备高量积累硅的遗传潜力，若土壤硅有效性极低，它们也可能表现为硅排斥者。

（ii）硅灰石施用是增强湿地禾草生物硅积累的一种有前景的策略，且短期内不会对植物养分吸收产生负面影响。

未来研究应聚焦于：（i）通过实验室实验确定不同湿地土壤的最佳硅灰石施用量；（ii）开展长期田间实验以验证本研究结论并排除长期负面影响；（iii）评估硅灰石在湿地土壤中的二氧化碳（CO₂）封存潜力，以鼓励沼泽农业从业者应用硅灰石。