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硅元素是植物生长发育过程不可或缺的重要元素，在提高作物抗性[1-2]、促进植物生长发育[3-4]、改善营养品质[5-6]等方面发挥着重要作用。德国化学家李比希最早把硅列为与氮、磷、钾同样重要的植物必需元素[7]。20 世纪 50 年代初期，小林均教授开发出第一代硅肥，而硅肥的生产与推广给日本农业带来了高额效益[8]。硅肥对农业可持续发展的重要作用，使韩国、菲律宾、泰国等国家纷纷引进硅肥的生产技术，并大面积推广应用硅肥。我国对硅肥的研究起步较晚，直至改革开放后才开始大规模研究与应用，并在 2004 年颁布了农业行业标准《硅肥》（NY/T797-2004）。调查表明，我国缺硅土壤占总耕地面积的 50%～80%，而随着化肥施用的增加，缺硅耕地面积越来越大[9]。目前，硅肥在小麦、玉米、水稻等多种作物中已经有了广泛应用[10-12]。因此，硅肥的推广应用对于改善耕地质量、提升作物生产总量、提高农民经济收入水平具有重要意义。生产中常见的硅肥主要包括两类：水溶性硅肥与枸溶性硅肥。然而，这种传统的硅肥不易溶解、作物难以吸收，是限制其应用的重要瓶颈。另外，传统硅肥的制备工艺复杂、煅烧时间长、煅烧温度高，生产成本相对较高[13]。
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新型高效液体硅肥的出现克服了传统硅肥不易溶解和吸收的缺点，使得硅肥的施用方式更加多元化。Ito[14]发现，当 pH 为 6～8 时，硅酸盐离子在土壤中以 10-5～10-7 mol/L 的水平存在，该浓度高于作物离子吸收机制中的 10-6 mol/L，这一结果表明，离子型硅酸更有利于植物吸收，进而促进硅化细胞的形成，提升作物抗病虫害、抗倒伏的能力，提高植物根系的氧化能力等。同时水溶性离子硅酸肥还可以改善土壤微环境，促进有机质分解，克服作物重茬问题。综上所述，施用水溶性离子硅酸肥对植物的生长发育具有显著的影响，但韩国水溶性离子硅酸肥在我国的使用情况鲜有报道。
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因此，本研究以水溶性离子硅酸肥为材料，以西芹为研究对象，通过施用不同浓度的水溶性离子硅酸肥，明确其对西芹产量及品质的作用，为水溶性离子硅酸肥在田间的应用提供理论指导和技术支撑。
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1 材料和方法
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1.1 试验条件
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试验于 2021 年 1 月中旬在中国农业科学院植物保护研究所温室开展，温度为 25℃。供试芹菜品种为美国西芹，当田间幼苗长出 4 叶 1 心时，将其定植于上直径为 23 cm、下直径为 18 cm 的塑料盆内。田间西芹种植于北京市怀柔区天安农业有机农场，田间管理同大田生产一致。水溶性离子硅酸肥 （B&B KOREA）由韩国 Kyung Seok Park 教授惠赠。
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1.2 试验设计
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参照水溶性离子硅酸肥的施用说明，分别将其稀释 500、1000、1500 倍，CK 为清水对照，共设置 4 个处理，每个处理 30 株西芹植株。温室施用方式采用灌根处理，每次每株灌根 20 mL，每两周灌根 1 次，共灌根 3 次。参照常规方法对水分及病虫害防治进行统一管理。田间试验水溶性离子硅酸肥浓度设计与温室一致，管理同大田生产。待西芹收获期对处理组和对照组进行相关指标测定。鲜样保存于-80℃冰箱，用于品质指标的测定，在取样前 1 d 进行生物量及光合参数的测定。
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1.3 测试项目与方法
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1.3.1 生长指标的测定
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于各处理中随机选取 10 株西芹，经流水轻轻洗去根系土壤并用纸吸干植株表面水分，然后用软尺测量株高、根长，并用天平分别称量西芹植株在烘干前、烘干后的单株重量。
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1.3.2 生理指标测定
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叶绿素及氮含量采用 SPAD-502 叶绿素仪于 11：00～13：00 对西芹各处理自上而下第 2 片新展开的功能叶进行测定[15]。维生素 C 含量采用二甲苯萃取比色法测定[15]；硝酸盐含量采用紫外吸收法测定[16]；可溶性糖含量采用苯酚法测定[16]； 蛋白质含量采用考马斯亮蓝 G-250 法测定[16]；可溶性固形物含量采用 PAL-1 数显手持糖度计测定[17]；采集数据时，每个处理重复 3 次。
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式中：m0 为 4 mL 提取液中维生素 C 的质量（mg）； VT 为提取液总体积（mL）；m 为样品鲜质量（g）； VS 为测定用样品体积（mL）。
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式中：x 为由标准曲线查得或回归方程计算出的 NO3--N 的量（μg）；VT 为样品定容体积（mL）； m 为样品质量（g）；VS 为测定时取用的样品体积（mL）。
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式中：m 为从标准曲线查得的糖量（μg）；VT 为提取液总体积（mL）；VT 为测定时取用样品的体积（mL）； m0 为样品质量（g）；N 为稀释倍数。
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式中：m 为根据样品的吸光度从标准曲线查得的蛋白质的量（ µg）；VT 为提取液总体积（mL）；m0 为样品质量（g）；VS 为测定时用的样品上清液体积 （mL）；N 为稀释倍数。
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1.4 数据分析
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试验数据采用 Excel2016 进行统计分析和作图，采用 SPSS 22.0 进行方差分析，采用 Duncan 新复极差法进行显著性分析，表中数据均为平均值 ± 标准差。
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2 结果与分析
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2.1 水溶性离子硅酸肥对西芹生长指标的影响
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温室和田间试验结果表明，随着施用水溶性离子硅酸肥稀释倍数的增加，其根长、茎长、单株鲜重、单株干重基本呈现先升高后降低的趋势，且均显著高于对照组。其中 1000 倍处理组效果最为显著，温室与田间西芹根长、株高、鲜重和干重平均较对照组分别增加 32.84%、12.07%、36.68% 和 79.91%。施用水溶性离子硅酸肥后，植株茎秆更高更粗壮，叶片更繁茂，根系更发达，而对照组则茎秆细小，且偶有易折断的情况出现（图1）。这从侧面反映出水溶性离子硅酸肥的施入具有增加植株韧性的潜力。从表1 中的试验数据可以得出，水溶性离子硅酸肥对西芹具有显著的促生作用，且各个 1000 倍处理组与对照组间均存在显著性差异。这表明水溶性离子硅酸肥处理对促进西芹植株生长，提高植株生物量具有积极的作用。
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图1 不同水溶性离子硅酸肥处理下温室西芹的生长状况
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注：同列不同小写字母表示 0.05 水平差异显著。下同。
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2.2 水溶性离子硅酸肥对西芹叶绿素及氮含量的影响
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温室和田间试验结果表明，随着处理组水溶性离子硅酸肥施用浓度的升高，其叶绿素及氮含量呈现先升高后降低的趋势，同时各处理组叶绿素含量以及氮含量均高于对照组，且与对照组间均存在显著差异。其中 1000 倍处理组中的叶绿素含量以及氮含量为各处理组中最高，温室西芹叶绿素及氮含量较对照组分别增加了 44.31% 和 41.99%；田间西芹叶绿素及氮含量较对照组分别增加了 42.75% 和 55.71%（表2）。这表明施用水溶性离子硅酸肥能够促进西芹进行光合作用，同时有利于西芹的生长，这一结果也与植株生长的状况相对应。
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2.3 水溶性离子硅酸肥对西芹品质指标的影响
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2.3.1 水溶性离子硅酸肥对西芹维生素 C 含量的影响
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通过建立维生素 C 的标准曲线（图2），测得西芹中维生素 C 的含量。温室和田间试验结果表明，随着水溶性离子硅酸肥稀释倍数的增加，西芹中维生素 C 的含量呈增加趋势，但在温室试验中 1000 倍与 1500 倍处理组中的维生素 C 含量变化趋于平缓。此外，各处理组中的维生素 C 含量均显著高于对照组，其中 1000 倍和 1500 倍处理组效果更为显著。1500 倍处理组温室和田间西芹维生素 C 含量较对照分别提高了 50.49% 和 61.35%（表3）。这一结果表明，施用水溶性离子硅酸肥可以在一定程度上提升西芹中维生素 C 的含量，进而改善西芹品质。
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图2 维生素 C 含量的标准曲线
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2.3.2 水溶性离子硅酸肥对西芹硝态氮含量的影响
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基于建立的硝态氮标准曲线（图3），计量西芹内硝态氮的含量。温室和田间的试验结果表明，不同稀释倍数的水溶性离子硅酸肥处理后，西芹中硝态氮的含量均有不同程度的降低。其中，温室试验中，1000 倍处理组西芹植株内硝态氮含量显著低于对照组的 12.81 mg/kg（表4），同时各处理组与对照组间存在显著差异；田间试验中，1000 倍和 1500 倍处理组西芹植株硝态氮含量均低于对照组的 15.75 mg/kg，且各处理组与对照组间存在显著差异 （表4）。另外，试验结果进一步表明，施用水溶性离子硅酸肥在一定程度上能够降低植物体中硝态氮的含量。而整体来看，各处理的西芹硝态氮含量均未超出国家蔬菜可食用部分的卫生标准（≤432 mg/kg）[18]。
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图3 硝态氮含量的标准曲线
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2.3.3 水溶性离子硅酸肥对西芹可溶性糖含量的影响
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对于可溶性糖含量的测定，首先通过苯酚法建立了植物体内可溶性糖的标准曲线（图4），进而测定并计量出了西芹植株中可溶性糖的含量。试验结果表明，温室及田间西芹经水溶性离子硅酸肥处理后，植株体内可溶性糖含量均有明显提升。随着水溶性离子硅酸肥施用浓度的降低，可溶性糖含量均呈现出先升高后降低的趋势，且各处理组与对照组间存在显著差异。温室西芹经水溶性离子硅酸肥处理后，与对照相比其可溶性糖含量提高了 104.90%～177.66%，其中 1000 倍组效果最为显著（表5）。田间西芹经水溶性离子硅酸肥处理后，可溶性糖含量也得到提高，其中 1000 倍处理后，可溶性糖含量提高了 68.28%。本部分结果表明，施用水溶性离子硅酸肥后有利于植株积累可溶性糖，进而增加植株的抗逆性。
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图4 可溶性糖的标准曲线
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2.3.4 水溶性离子硅酸肥对西芹蛋白质含量的影响
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依据考马斯亮蓝 G-250 法测量并得到了蛋白质含量的标准曲线（图5），进而计量出西芹中蛋白质的含量。温室和田间试验结果表明，随着水溶性离子硅酸肥施用浓度的降低，西芹中蛋白质的含量均呈现先升高后降低的趋势。其中，温室西芹经不同浓度的水溶性离子硅酸肥处理后，其蛋白质含量均明显提升，且各处理组与对照间存在显著差异，其中 1000 倍处理后蛋白含量较对照组提升了 76.81% （表6）。田间西芹经不同浓度水溶性离子硅酸肥处理后，处理组西芹的蛋白含量较对照组提升了 33.41%～60.75%，并与温室西芹处理结果相近（表6）。同时也说明了水溶性离子硅酸肥处理能够促进西芹植株蛋白质的积累，并有利于提升西芹的品质。
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图5 蛋白质含量的标准曲线
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2.3.5 水溶性离子硅酸肥对西芹可溶性固形物含量的影响
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温室及田间试验结果表明（表7），随着水溶性离子硅酸肥施用浓度的降低，西芹中可溶性固形物的含量均呈现出增加的趋势。温室西芹经水溶性离子硅酸肥处理后其可溶性固形物含量显著增高，较对照组提高了 53.99%～69.93%，其中 1500 倍处理组可溶性固形物含量为 5.54%，显著高于对照组的 3.26%；此外，各处理组与对照组间存在显著差异。田间西芹经水溶性离子硅酸肥处理后，可溶性固形物含量与温室西芹处理后表现出相似的增加趋势，且较对照组提高了 10.13%～16.27%。因此，施用水溶性离子硅酸肥在一定程度上能够促进西芹积累糖、酸、维生素、矿物质等溶质，达到提升西芹品质的效果。
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3 讨论
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3.1 水溶性离子硅酸肥对促进西芹生长的影响
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研究表明，硅肥能够提升植物的光合生产能力，增加干物质的积累，促进植物的生长[19]。本研究施用水溶性离子硅酸肥后，温室及田间芹菜叶片中叶绿素含量以及植株的鲜重、干重等均得到了显著提高，同时与处理组间存在显著的差异，这一结果与廖上强等[20]的研究结果相似。叶绿素及氮含量增加，其潜在的原因可能是由于离子态的水溶性硅酸肥更容易被吸收，而西芹吸收水溶性离子硅酸肥后使细胞中的叶绿体含量增大，基粒数量增多，叶绿素含量得以增加，进而促进了植株的生长。这也从侧面反映出本试验应用的韩国水溶性离子硅酸肥能够提升作物的产量、增加生产效益。
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3.2 水溶性离子硅酸肥对提升西芹品质的影响
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研究表明，施用硅可以通过增大半乳糖内酯脱氢酶 Gal LDH 基因的表达量及该酶的活性，进而提高维生素 C 的合成水平，增加黄瓜果实维生素 C 的积累[21-22]。本研究中，温室及田间的西芹植株经不同浓度的水溶性离子硅酸肥处理后，其植株体内维生素 C 含量均有显著提升。综合分析，西芹经水溶性离子硅酸肥处理后，其维生素 C 含量较对照平均提升 48.13%，这一结果与 Shi 等[23]、Islam 等[24]的研究相近，表明施用水溶性离子硅酸肥对提高西芹维生素 C 含量具有促进作用。
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研究发现，在硝酸盐胁迫下，施用硅肥可以促进黄瓜叶片中硝酸盐还原酶、亚硝酸盐还原酶和谷氨酸脱氢酶等的活性，从而降低植株体内硝酸盐、亚硝酸盐和铵盐的积累[25-26]。在本研究中，温室及田间西芹在施用水溶性离子硅酸肥后，西芹植株内硝态氮的含量均有不同程度的降低并均低于对照组，其中 1000 倍处理组植株内硝态氮含量与对照组相比降低了 40.91%，这也说明施用水溶性离子硅酸肥能够有效降低西芹植株内硝态氮的含量。
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同时，本研究施用水溶性离子硅酸肥后，温室及田间西芹中可溶性糖含量均显著提高，其中 1000 倍处理组在温室和田间的应用效果最佳，与对照组相比，可溶性糖含量平均增高 122.97%，这一研究结果与 Rangwala 等[27]的研究结果类似。此外，在清洗西芹的过程中，相对于对照组而言，经水溶性离子硅酸肥处理后的植株表现出更强的韧性，不易折断。
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此外 Koentjoro 等[28]、Hadiawati 等[29]、Sun 等[30] 研究表明，施入硅肥后可以提高大豆体内的蛋白质含量，而且可以促进大豆、玉米等作物干物质、可溶性固形物的积累。本试验施用水溶性离子硅酸肥后，综合温室及田间结果发现，西芹植株内蛋白质以及可溶性固形物的含量均有明显提升，这一结果与之前的研究相呼应。而出现这一结果的潜在原因可能是由于水溶性离子硅酸肥施入后，硅离子进入植物细胞并提高了细胞的活力，刺激了细胞的有丝分裂，激发了蛋白质活力，促进了蛋白质的合成以及糖、酸固形物等内含物的积累。综合研究表明，施用水溶性离子硅酸肥后，提高了西芹植株的维生素 C、可溶性糖、蛋白质、可溶性固形物的含量，同时也降低了硝态氮含量，这对于改善西芹品质具有重要意义。
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4 结论
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水溶性离子硅酸肥能够有效促进西芹生长、改善西芹品质。其中水溶性离子硅酸肥 1000 倍液处理西芹后，根长、株高、鲜重、干重和叶绿素含量较对照平均分别增加 32.84%、12.07%、36.68%、 79.91% 和 43.53%；维生素 C、可溶性糖、蛋白质、可溶性固形物含量较对照平均分别增加 48.18%、 122.97%、68.78%、37.63%，同时硝态氮含量降低了 36.68%。本研究表明，韩国水溶性离子硅酸肥的施用在提高西芹产量的同时改善了西芹的品质。综上所述，本研究所施用的水溶性离子硅酸肥值得引进和推广应用。
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摘要
为了引进和应用韩国水溶性离子硅酸肥，以西芹为研究对象，开展温室及田间试验探究其对西芹生长和品质的影响。结果表明：施用水溶性离子硅酸肥 500、1000、1500 倍液均能促进西芹生长、改善西芹品质。其中 1000 倍液处理在温室和田间效果较为显著，西芹的根长、株高、鲜重、干重和叶绿素较对照平均分别增加 32.84%、12.07%、36.68%、79.91% 和 43.53%；品质指标维生素 C、可溶性糖、蛋白质、可溶性固形物含量较对照平均分别增加 48.18%、122.97%、68.78%、37.63%，同时硝态氮含量降低了 36.68%。综上所述，水溶性离子硅酸肥能够促进西芹生长、提升西芹品质，为水溶性离子硅酸肥的引进和田间应用提供了参考。
Abstract
In order to introduce and apply Korean water-soluble ion silicic fertilizer，celery took as the research object， greenhouse and field experiments were carried out to explore its influence on the growth and quality of celery．The results showed that 500，1000 and 1500 times of water soluble ionic silicate fertilizer promoted the growth and improved the quality of celery．Among them，the 1000 times treatment had the significant effect in both greenhouse and field experiments． Compared with CK，the growth indicators of celery，including root length，plant height，fresh weight，dry weight and chlorophyll increased by 32.84%，12.07%，36.68%，79.91% and 43.53% on average，respectively．The quality indicators of vitamin C，soluble sugar，protein and soluble solids contents increased by 48.18%，122.97%，68.78% and 37.63% on average，respectively，compared with CK，while the nitrate nitrogen content decreased by 36.68%．In summary，the water soluble ion silicic acid fertilizer can promote the growth and improve the quality of celery，which provides a reference for the introduction and field application of the water soluble ion silicic acid fertilizer．