论文内容
研究背景：
除了应用宏观营养素（N、P、K）外，人们对研究不同微量营养素对非生物和生物压力下植物种群生长发育的影响越来越感兴趣。实验结果表明，硅在减轻植物环境压力（特别是在硅积累的植物物种中）方面的作用。此外，由于植物可用的土壤中的硅含量因土壤类型而异，因此在过去十年中，许多积极的结果导致人们对硅作为可持续农业中营养素的兴趣增加。由于新的发现，根据硅积累对植物物种的分组正在不断变化。关于植物岩体的形成及其在植物中的作用，还有许多新的研究结果。根据报告有益影响的研究结果，硅作为营养素的使用在作物生产实践中正变得越来越普遍。关于使用不同的含硅材料作为肥料，也取得了有争议的结果。关于硅在植物生命过程（如压力管理）中的吸收、运输和作用，仍有许多问题有待澄清。需要未来的研究来解决这些问题。本综述讨论了硅在植物中的作用和有益作用，作为调节生物和非生物压力的宝贵工具。我们的目标是概述最近关于硅在可持续作物生产中的作用和重要性的研究，并强调进一步研究的可能方向。
最近人们认识到硅（Si）在植物生理学中的作用和意义，在最大地区种植的一些最重要的作物中，它被归类为有益的植物营养素。
硅是地球上仅次于氧气的第二种元素；它在几乎所有的土壤中都很常见，可用于植物。Si缺乏或毒性的明显症状并不明显，当积累过剩时，它不会伤害植物。植物中的硅研究始于一个多世纪前，但直到20世纪初，它的作用和对作物生产的好处才得到认可。
日本科学家开始研究硅在水稻生产稳定性中的重要性。Onodera撰写了在农学科学杂志上发表的首批关于Si研究的报告之一。他研究了从日本不同地区收集的水稻植物的化学成分，并报告说，感染爆炸病的稻叶的Si含量总是低于来自同一田的健康叶。他发现，在来自不同稻田的健康植物中，水稻组织的天然硅含量不同。虽然硅不是植物生长的基本元素，但这些结果根据其成就启动了对硅影响的深入研究。Si被认为是作物生产中的宝贵肥料，因为它促进了不同作物的健康生长和发展，并通过促进植物的几个生理过程，在植物对生物和非生物压力的抵抗力方面发挥着重要作用。硅施肥的应用可以减少杀虫剂和杀真菌剂的使用。因此，Si现在被认为是一个环境友好型元素。
研究内容：
1、植物中硅的分析
有几种方法可以确定植物中的总Si。一般来说，所有分析方法都涉及两个主要步骤。第一个是溶解不溶性硅酸盐中的Si，并从材料中提取或分离Si，第二个是根据重量法、光谱法或微观观察来测量Si。X射线荧光光谱法（XRF）是一种用于土壤和植物材料多元素分析的非破坏性技术，与基于碱性融合或酸的破坏性方法相比，Si的测量精度更高。
重量测量方法和光谱测量方法被广泛用于确定植物生物质的总Si含量。在每个组中，有许多独特的版本和协议可供选择。在稻草中，使用了重量测量法，在此期间，通过酸消化去除有机物。通过热处理（火化）去除有机材料后，用盐酸过滤灰烬，以去除多余的元素。过滤后，测量灰衣滤纸的重量，最后通过氢氟处理去除硅。氢氟（HF）处理前后的重量差异给出了Si含量。在使用光谱法之前，需要特殊的样品制备协议才能从植物样品中回收硅，如代谢戊酸锂融合法、高压灭菌器诱导消化方法、氢氟酸提取法和烤箱诱导消化（OID）方法。制备样品后，可以使用光吸收光谱仪（使用蓝色或黄色Si钼法）、原子吸收光谱仪（AAS）、电感耦合等离子体光谱仪（ICP）和X射线荧光光谱仪（P-XRF）来测定硅。
2、硅在植物中的可用性
遗传学在Si积累中起着重要作用。在相同的硅积累物种中，这些品种的硅含量和对硅肥化的反应可能有所不同。虽然Si积累是一个系统发育特征，但Si的可用性将影响植物吸收的Si量。大多数关于硅应用的研究都是用硅积累作物进行的。但是，除此之外，硅施肥对其他作物也有影响。在全球范围内，澄清Si在作物生产中的作用，并了解调节土壤和植物中Si吸收的机制，是重要且合理的研究。
硅通常可以在地壳中找到，土壤中含有1%至5%的活性硅。植物可以作为营养素的硅形式被称为单硅酸（H4SiO4），无定形二氧化硅形式也很容易被植物吸收。这种元素的可用性和数量受土壤特性的影响，包括pH值、粘土含量、有机物、铁（Fe）或铝（Al）氧化物/氢氧化物和微生物活性。。
土壤中的二氧化硅含量略易溶，溶解度（SiO2（s）+2H2O = H4SiO4）被土壤中的有机酸增强。众所周知，由于有机酸的产生，涉及硅酸盐溶解细菌的硅酸的生物风化在不溶性硅的溶解中起着重要作用。这些有益的微生物通过更好地吸收这些矿物质，增强了硅在不同压力条件下对植物的可用性。发现芽孢杆菌、假单胞菌、Proteus、根瘤菌、Burkholderia和肠杆菌属的不同细菌菌株从硅酸盐中释放硅并促进植物生长。石棉（由于细菌在土壤中发现的高浓度过渡金属铁，石棉是剧毒的硅酸盐矿物）的微生物风化可能是一个解毒过程，抑制石棉毒性。
3、植物对硅的吸收和转运
植物物种的Si吸收差异很大，导致硅积累的显著差异[2]。陆地植物可以根据它们在组织中积累硅的能力进行分组[32]。物种的二氧化硅含量在0.1到15%之间（干重基础）。有超蓄积体（10-15%的干重），如蓖麻植物物种。中间硅蓄能体（干燥重量为1-3%）中的物种是向日葵、葫芦、莨麻和莨麻科物种。研究证明，典型的硅积累作物主要是单子叶植物，如水稻、甘蔗、小麦等，大多数双半子都是非蓄能者（<1%的干重）（图1）。但一些双子，如大豆、甜菜，是硅蓄能器。
关于不同植物的硅摄取方法有大量的文献，硅的不同积累能力需要不同的硅摄取方式，但吸收和运输的分子机制尚未完全了解。一些物种被动地运输硅（通过从土壤的蒸腾作用到芽），而另一些物种也积极运输硅，并以高浓度将其沉积在叶组织中（主要在表皮细胞中）中。
植物以各种方式运输Si。它们以单硅酸（H4SiO4）的单体无电荷分子的形式摄取硅，然后通过木质部运输，其中通过蒸腾流失的水会导致浓度增加。保护凝聚溶液免受聚合的机制尚未完全了解。聚合在运输结束时进行，并在过程结束时转化为胶体硅酸（聚硅酸），然后在过程结束时转化为硅胶（SiO2 × nH2O）。Kumar等人报告了一种碱性蛋白质Siliplant1，它在硅酸的聚合和Si在细胞壁中的积累中发挥作用。植物物种在沉积的硅形式、其比例和硅蓄电池类型方面有所不同。
4、硅——调节作物生产中生物和非生物压力的宝贵工具
硅施肥的重要性正在增加，因为它有可能缓解土壤养分枯竭以及生物和非生物环境压力。Liang等人在他们的研究中表示，Si是唯一已知可以有效缓解非生物应激（盐度、干旱、洪水、冻结、高温、紫外线辐射和矿物质营养缺乏或毒性）影响的矿物元素。Zargar等人认为硅在抵御植物的生物和非生物压力方面发挥着有利的作用。他们得出结论，硅应该定期用作其他肥料（特别是在硅蓄能作物中，如大多数谷物和单子叶植物，以及一些迪科特植物物种）。
硅可能是维护可持续农业的宝贵工具，使用环保战略来管理植物疾病和害虫。在硅积累作物在硅含量低的土壤上受到环境压力的情况下，其好处得到了很好的证明。
研究结论：
总之，由于大多数主要作物都是硅蓄能器，因此在无应力或应力植物的情况下，施用硅肥会产生很大的繁荣效果。应用硅的有益作用是改善土壤结构和提高肥料效率。硅在应力条件下为工厂提供了更多的保护[164]。硅可以帮助缓解非生物应激因素的负面影响，包括干旱、热、寒冷、重金属、辐射、盐和住宿的不同生物机制，如改变光合速率、更好的用水效率、气孔电导的变化、水势增加、结构增强、矿物吸收和积累的改变、植物激素浓度的改变以及氧化应激的减少。
植物必须与几个生物压力源作斗争。使用不同的硅肥料可以显著提高植物对生物压力的抵抗力。许多研究表明硅对害虫和疾病的不利影响。硅显然可以帮助减少病毒、真菌和细菌病原体的有害影响，并提高植物对食草动物的抵抗力。无论涉及病原体感染还是害虫，防御机制都非常相似。研究人员确定了不同的防御机制，如植物石的物理防御，增加了植物的刚性和物理韧性，并对真菌的渗透进行物理屏障。硅沉积还降低了昆虫和哺乳动物的植物消化率。植物组织的硅化是可诱导的，受到更严重攻击的植物会积累更多的硅。
农业中的硅肥仍然不常用，但其有益作用，特别是在劣质土壤上种植的硅积累作物的情况下，在综合农业、传统农业或有机农业中都可能是显著的。硅施肥似乎是减少环境压力和土壤养分枯竭的工具，因此，它可以成为维持可持续农业的替代方案。植物中Si介导的营养失衡压力缓解的系统分子和遗传研究应为作物生产中的Si受精提供理论背景。有必要进行进一步的研究，以确定在不同土壤和气候条件下种植的特定作物的最佳硅营养时间和剂量，以提高农艺效率。
由于硅可以成为控制生物压力的有效工具，它可以帮助减少农药的数量和速率，并节省应用成本，同时提供积极的环境影响。使用硅蓄能器作物可以减少对硅补充的需求，从而降低成本。通过改善硅的吸收和积累来扩大植物物种或品种的范围，并更多地利用植物中与硅相关的好处，可以帮助未来开发更可持续的种植系统，并提供增加陆地碳固存的潜力。
转自：“农科学术圈”微信公众号
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