全 文 ：第 26 卷第 10 期
2006 年 10 月
生 　　态 　　学 　　报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol. 26 ,No. 10
Oct. ,2006
硅对紫花苜蓿生物学特性的影响
郭正刚1 ,田福平2 ,王锁民1 ,张自和1
(1. 兰州大学草地农业科技学院 农业部草地农业生态系统学重点开放实验室 ,兰州　730020 ;
2. 中国农业科学院兰州畜牧与兽药研究所 ,兰州　730070)
基金项目 :国家自然科学基金资助项目 (30270947) ;农业部草地农业生态系统学重点开放实验室基金资助项目 ( ZDYSY220050206) ;兰州大学交叉
学科青年创新研究基金资助项目 (LZU200515) ;新世纪优秀人才支持计划资助项目 (NCET20520882)
收稿日期 :2005211229 ;修订日期 :2006204221
作者简介 :郭正刚 (1973～) ,男 ,甘肃岷县人 ,博士 ,副教授 ,主要从事生态环境建设研究. E2mail : zhenggangguo200 @yahoo. com. cn
Foundation item :The project was supported by National Natural Science Foundation of China (No. 30270947) , 2005 Opening Foundation of Key Laboratory of
Grassland Agro2Ecosystem Ministry of Agriculture (No. ZGSYS22005206) , Interdisciplinary Innovation Research Fund for Young Scholars Lanzhou University (No.
LZU200515) and the Program for New Century Excellent Talents ,China (No. NCET-05-0882)
Received date :2005211229 ;Accepted date :2006204221
Biography : GUO Zheng2Gang , Ph. D. ,Associate professor. mainly engaged in ecological environment construction. E2mail : zhenggangguo200 @yahoo. com. cn
摘要 :硅是植物生长发育的有益元素 ,目前关于硅对植物生长发育影响的研究多集中于禾本科和部分瓜果蔬菜 ,对豆科植物的
研究仅限于大豆和豇豆 ,而对多年生豆科牧草的研究很少。通过盆栽试验观测了硅对豆科牧草紫花苜蓿生物学特性的影响。
结果表明 ,紫花苜蓿体内硅的含量随着施入硅量的增加而增加 ,但在 01100 gΠkg 水平后紫花苜蓿吸收硅趋向于饱和。紫花苜蓿
根系内的硅含量大于茎叶内含量 ;硅对紫花苜蓿叶面积的影响呈单峰型分布 ,0105 gΠkg 的硅处理增加效果最为明显 ;硅对紫花
苜蓿分枝数和株高的影响与测定时期有关 ,分枝数在营养期差异不明显 ,在生殖期施硅显著增加分枝数 ( p < 0105) ,但施硅在营
养生长阶段显著增加株高 ( p < 0105) ,而生殖期差异不明显 ;施硅能够显著增加紫花苜蓿草产量和根系生物量 ,增幅分别为 20 %
～60 %和 35 %。中部叶和上部叶与茎之间的夹角随着施硅量的增加而逐渐减少 ,但减少的幅度随着施硅量的增加而逐渐降低 ,
而下部叶与茎之间的夹角变化较为复杂 ,随着施硅量的增加 ,先减小后增加 ,再减小。试验结果表明 ,施入适量的硅有利于紫花
苜蓿的生长和发育。
关键词 :硅 ;紫花苜蓿 ;硅浓度 ;茎叶 ;根
文章编号 :100020933(2006) 1023302206 　中图分类号 :Q143 ,Q948. 1 ,S551. 701 　文献标识码 :A
Effect of silicon supply on alfalfa growth
GUO Zheng2Gang1 , TIAN Fu2Ping2 , WANG Suo2Min1 , ZHANG Zi2He1 　(1. Key Laboratory of Grassland Agro2Ecosystem Ministry of
Agriculture , College of Pastoral Agricultural Science and Technology , Lanzhou University , Lanzhou 730020 , China ; 2. Lanzhou Institute of Animal Science and
Veterinary Pharmaceutical Science of Chinese Academy of Agricultural Science , Lanzhou 730050 , China) . Acta Ecologica Sinica ,2006 ,26( 10) :3302～3307.
Abstract :Although silicon is a quantitatively major inorganic constituent of higher plants , this element is not considered generally
essential for them. Its beneficial effects have been observed in various plant species. Alfalfa ( Medicago sativa) is significant in
dryland farming system due to contributing to animal production , establishing pasture , rotation system. However , the role of
silicon in alfalfa growth remains ambiguous. Therefore , it is essential to define well the role of Si in the alfalfa growth. An
available silicon ( Si)2deficient top soil was used in a pot experiment to investigate the effect of Si supply on the biological
properties of alfalfa. The treatments consisted of six rates of addition of available Si : 0 , 01025 , 0105 , 0110 , 0120 , 0130 g kg - 1
(H4 SiO4Πsoil) and each was replicated six times. This study indicated that the silicon content of roots and shoots increased
significantly ( p < 0105) with increasing Si supply in the soil , and this increasing trendy reduced greatly when application Silicon
was over 01100 gΠkg. Silicon content in roots was greater than that in shoots. Plants with Si supply had a significantly larger leaf
area than no2feed Si plants , and leaf area peaked in the 0105 gΠkg treatments. Effect of Si supply on height and shoots were
related to the growing stages of plants. In the vegetative period , shoots per plant was not different but significant increase was
observed in the reproductive period. Fed2Si plants had higher height than control in the vegetative period. This study also
indicated that fed2si plants had higher forage biomass than control , and was up 20 %～60 %. The effects of adding Si also
significantly increased root biomass compared with controls and were up over 35 %. Angle between leaf and stem showed the
decrease trend in the upper and middle leaf , and this trend reduced with increase of Si supply. Angle between leaf and stem in the
lower leaf first increased and then decreased with increase of Si supply. Overall , overcoming Si deficiency resulted in a significant
increase in shoot and root growth.
Key words :silicon ; alfalfa ; silicon concentration ; shoots ; root
　　硅元素在地壳中的含量仅次于氧 ,是植物生长发育的有益元素[1 ] 。但土壤中的硅多以难溶形态存在 ,能
为植物所利用的有效硅含量一般比较低。研究表明 ,施硅可增强植物的光合效率和生物膜保护功能[2 ] ,提高
植物抗病性和重金属离子的毒害 ,促进土壤中磷的活化 ,增加植物对磷的利用率[3 ] ,从而促进植物的营养生
长 ,提高植物的籽实产量 ,但目前对硅的研究多集中于水稻[4 ,5 ] 、小麦[6～8 ] 、大麦[9 ,10 ] 、甘蔗[11 ,12 ] 、黄瓜[13 ] 等禾本
科作物和瓜果类蔬菜 ,而对豆科植物影响的研究仅限于作物大豆[3 ] 和木本植物豇豆[14 ] 。同时硅对牧草影响
的研究很少 ,国内外仅限于禾本科的草坪草 ,如黑麦草、结缕草和高羊茅毛[15 ,16 ] ,而对豆科牧草的研究尚未报
道。一般认为 ,硅在细胞壁的积累会导致牧草营养价值降低 ,但对豆科植物豇豆的研究表明 ,根系内硅的含量
远远大于茎和叶内的含量[14 ] ;对水稻的研究表明植物体内硅含量在成熟期最高[17 ] ,这些结果客观上启迪了硅
对牧草生长发育影响的研究。牧草的收获期一般在营养生长阶段或生殖生长阶段初期 ,同时根部硅的积累对
牧草品质的影响相对较小。豆科植物紫花苜蓿 ( Medicago sativa L) 是优质牧草 ,我国种植历史悠久 ,特别是随
着西部生态环境的建设 ,其在农业生态系统中的作用日趋增加 ,它很难在无硅的环境条件下生长[16 ] ,因此硅
对紫花苜蓿生长发育的影响是客观存在的。从小麦、大豆和大麦的研究证实 ,施硅能够促进植物体内脯氨酸
含量、不饱和酸和可溶性蛋白的积累 ,从而通过渗透调节提高植物的抗旱性[2 ,3 ,8 ] ,这对西部地区种植紫花苜蓿
具有重要的指导意义。因此研究硅对豆科牧草紫花苜蓿生长发育的影响具有重要的现实意义 ,同时为人工草
地建植和管理提供科学施肥依据。
1 　材料与方法
1. 1 　试验设计
试验采用盆栽试验在通风、光照良好的室外进行。盆栽试验施用分析纯的硅酸 ( H4 SiO4 ) 。试验选用瓷花
盆。实验用土壤为属黄绵土 ,质地轻壤 ,有机质含量 0166 % (重铬酸钾氧化法) ,全氮含量 0111 % ,有效磷为
5717 mgΠkg(钼蓝比色法) ,速效钾 240 mgΠkg(火焰光度计) ,土壤有效硅为 1121 14 mgΠkg(用 pH = 4 的醋酸缓冲
液提取硅 ,钼蓝比色法测定) 。设置 6 个处理 : ①CK(不施硅) ; ②01025 gΠkg (硅酸Π土壤 ,下同) , ③0105 gΠkg ;
④0110 gΠkg ; ⑤0120 gΠkg ; ⑥0130 gΠkg ,每个处理重复 6 次 ,总计 36 个花盆。每盆装土 2715kg ,装土时将硅酸和
土壤充分混合 ,不加其他营养元素。选取饱满均一的紫花苜蓿品种为 Ameristand201 种子 ,用 110 g·L - 1 的
HgCl2 溶液浸泡 10min ,蒸馏水冲洗后于 25 ℃恒温光照培养箱内催芽 18 h ,2002 年 4 月 10 日播种 ,每盆 20 粒 ,
幼苗期间苗 ,每盆保留 10 株。自苗期后 ,不再进行灌溉浇水 ,使试验处理在完全自然的状态下进行 ,以便结果
更好的模拟自然界的真实情况 ,气候的主要特点是 5～6 月初干旱 ,降水稀少 ,6 月中旬开始降水最多。在分
枝期和盛花期分别取样。
1. 2 　测定指标的选取
叶面积采用光电叶面积仪 (CI2301 美国)测定 ,每盆每次测定 50 个叶片。叶夹角测定方法 ,首先选定同一
高度 ,相同方位的小叶 ,用量角器测定叶片与茎之间的夹角 ,每株从下到上测定下、中、上各叶位的叶片 ,每盆
4 株。分枝数从根颈处记录每株的枝条数 ,这里仅记录一级分枝数 ,不包括二级以上的分枝数 ,每盆测定 4
株。株高分自然高度和绝对高度两种 ,每次每盆测定 4 株 ,其平均值代表该盆植株株高。地上生物量 :采用收
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获法 ,以干重计 ,每盆测定 4 株。测定分别在营养生长 (出苗后 30d) 阶段和生殖生长 (盛花期) 阶段分别进行。
根系生物量的测定在盛花期进行。紫花苜蓿体内的含硅量测定采用灰化后 ,硅钼蓝比色法测定[18 ] 。
1. 3 　数据分析
图 1 　紫花苜蓿茎叶和根系内硅的含量
Fig. 1 　Si contration in shoots and roots of alfalfa plants at reproductive stages
统计分析采用 Statistic 程序 ,制图采用 Excel 程序。
2 　结果
2. 1 　硅在紫花苜蓿体内的含量
试验结果表明 ,无论是紫花苜蓿的根系还是茎叶 ,
其体内硅的含量均随着施硅水平的增加而增加 (图 1) ,
采用对数方程拟合 ,其 R2 值分别为 019596 和 019494。
当施硅量在 01100 gΠkg 以下时 ,植物体内硅的含量增加
显著 ,而当施硅量大于 01100 gΠkg ,植物体内硅的含量增
加趋势明显减少。当施入的硅超过 01100 gΠkg 时 ,植物
对硅的吸收基本趋向于饱和。在紫花苜蓿生殖生长阶
图 2 　不同水平硅处理对紫花苜蓿叶面积的影响
Fig. 2 　Leaf area of alfalfa in different Si treatments
段 ,即牧草适宜收获时期 (始花期) ,其茎叶和根系体内
的硅含量均小于 110 % ,且根系内硅含量远远大于茎叶
内的硅含量。
2. 2 　硅对紫花苜蓿茎叶生长的影响
2. 2. 1 　叶面积和叶夹角的变化 　不同的施硅水平对紫
花苜蓿叶面积有较大的影响 (图 2) 。试验结果表明 ,硅
对紫花苜蓿叶面积的影响基本呈正态分布。0105 gΠkg
的硅处理显著大于 0110 gΠkg 和 0120 gΠkg 硅处理水平
( p < 0105) ,而后两个处理又显著大于 0125 gΠkg 硅处理
水平。但 0130 gΠkg 硅处理较其它硅处理和对照差异不
图 3 　不同水平硅处理对紫花苜蓿叶夹角的影响
Fig. 3 　Angle between leaf and stem of alfalfa in different Si treatments
数值为生殖生长和营养生长的平均值 　Data is mean value of
reproductive and vegetative growth
显著。
叶面积的大小虽然从根本上决定了植物进行光合
作用 ,生产有机物质的能力。但叶片在植物上的空间分
布格局直接影响着叶片对光能的截获及利用能力 ,进而
影响着草地生产力。叶夹角指小叶与植株主茎之间的
开张程度。试验结果表明 ,中部叶和上部叶与茎之间的
夹角随着施硅逐渐减少 ,但随着施硅量的增加 ,夹角减
小的变幅也在下降 ,而下部叶与茎之间的夹角变化较为
复杂 ,随着施硅量的增加 ,先减小后增加 ,再减小 (图
3) 。从叶夹角的空间分布结构看 ,各个处理和对照均表
现为植株上部叶夹角小于中部叶夹角 ,而中部叶夹角又
显著小于下部叶夹角。
2. 2. 2 　分枝数的变化 　施硅对营养期紫花苜蓿单株的
分枝数没有显著影响 (图 4) ,而进入生殖生长后 ,统计结果现实施硅处理的分枝数显著大于对照处理 ( p <
0105) 。施硅对紫花苜蓿分蘖的影响发生在牧草生殖期 ,0105～0120 gΠkg 处理的分枝数较高硅处理 (0130gΠkg)
和低硅处理 (01025gΠkg)的分枝数多 ,对照的分枝数最低。
2. 2. 3 　株高生长的变化 　硅处理对紫花苜蓿株高生长的影响随着生育期而异。在营养生长阶段 ,硅处理的
自然株高和绝对株高较对照株高显著增加 ( p < 0105) ,其增加趋势与施入的硅量度关系不大 ,但在生殖生长阶
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图 4 　不同水平硅处理对紫花苜蓿分枝数的影响
Fig. 4 　Shoots per plant of alfalfa in different Si treatments
段 ,硅处理的植株和对照处理的植株差异不明显 (图
5) 。在营养期硅处理显著增加株高 ,这说明硅对豆科牧
草紫花苜蓿的作用与禾本科作物水稻形态结构会产生
类似的影响 ,即硅能够使紫花苜蓿茎秆挺直 ,进而提高
紫花苜蓿的抗倒伏性和减少遮荫。但进入生殖生长阶
段后 ,硅处理对紫花苜蓿株高生长没有影响。
2. 2. 4 　地上生物量的变化 　不同硅处理水平对紫花苜
蓿地上总生物量的影响也很大 (图 6) 。对照的总生物
量显著小于硅处理的生物量。0105 gΠkg 和 0110 gΠkg 处
理的生物量又显著大于 01025 gΠkg、0120 gΠkg 和 0130
gΠkg的生物量。不同硅处理水平下 ,紫花苜蓿地上总生
图 5 　不同水平硅处理对紫花苜蓿株高的影响
Fig. 5 　Plant height of alfalfa in different Si treatments
图案相同立柱间字母相同时差异不显著 ( p < 0105) The same bars with the same letter was not significantly different at 0105 level
物量的大小次序依次为 0110 gΠkg > 0105gΠkg > 01025 gΠkg > 0120 gΠkg > 0130 gΠkg > 对照。统计结果显示 ,硅对
紫花苜蓿地上生物量较对照提高了 20 %～60 %。这说明硅能够促进紫花苜蓿地上部分的生长 ,增加生物量
的积累。但硅与地上部分生物量积累的关系表现为随着土壤中硅含量的逐渐增大 ,生物量表现为先增加后下
降的变化趋势 ,总体趋势表现为增产效应。
图 6 　施硅对紫花苜蓿地上部生物量的影响
Fig. 6 　Forage biomass of alfalfa in different Si treatments
2. 3 　硅对紫花苜蓿根系生物量的影响
试验结果表明 ,硅处理对紫花苜蓿地下根系生物量
的积累具有明显影响 (图 7) ,但各个处理间的方差分析
比较复杂。统计分析显示 ,0120 gΠkg 硅处理的地下生
物量显著大于 0130 gΠkg、0110 gΠkg 和对照 ( p < 0105) ,而
与 01025 gΠkg 和 0105 gΠkg 间差异不显著 ,但 01025 gΠkg
和 0105 gΠkg 均显著大于对照。同时对照与 0130 gΠkg 间
的差异不显著。地下生物量是紫花苜蓿地下生产能力
的表现。因此 ,施硅可提高紫花苜蓿地下根系的生产能
力。从整体上硅处理可促进紫花苜蓿地下生物量的积
累 ,但施肥过多效果不太明显。试验中硅处理较对照可
增加根系生物量 35 %以上。
3 　讨论
硅对植物生长发育的影响始终是植物营养学研究的重要内容之一。硅在植物体内的含量因植物物种而
出现分异 ,一般认为双子叶植物体内平均硅含量低于单子叶植物 ,而后者体内含硅量在种间存在差异 ,禾本科
503310 期 郭正刚 　等 :硅对紫花苜蓿生物学特性的影响 　
图 7 　不同水平硅对紫花苜蓿根系生物量影响
Fig. 7 　Root biomass of alfalfa in different Si treatments
和莎草科植物体内含硅量高 ,百合科含硅量居中 ,而豆
科最低[16 ,17 ] 。关于硅在植物体内的分布规律分为 3 种
类型 ,禾谷类作物水稻和燕麦表现为地上大于地下 ,非
洲草和　车轴草则表现为从根系到地上逐渐减少 ,而番
茄和中国甘蓝地上地下大体相当[17 ] ,豆科植物紫花苜
蓿和豇豆[14 ] 内硅含量的分布与非洲草和　车轴草一
致 ,均表现为根系大于茎叶。植物体内的硅含量随着植
物生长发育而不同 ,如硅在篮莓 (越桔属)老叶片中的含
量显著高于嫩叶片[1 ] ,这说明植物体内硅含量随着作物
生育期而发生变化[19 ] 。紫花苜蓿收获和利用的主要是地上部分营养体 ,其适宜的收获时间为始花期 ,即大部
分叶片处于幼叶阶段。同时紫花苜蓿根系中硅的含量大于根系内硅的含量 ,说明紫花苜蓿吸收的硅大部分被
储藏在根系。因此施硅对其牧草品质的影响相对较低。当然紫花苜蓿植株体内硅含量随着生育期的变化规
律有待进一步分析 ,以便确定施硅对其牧草品质的真实影响。
但目前关于硅与植物生长的关系因植物种类不同而存在差异。施硅能够促进水稻、小麦、玉米[20 ] 、大
豆[3 ] 、竹子[21 ] 、甘蔗[11 ]等植物的营养生长。但对冈茅属的盐生植物 Spartina anglica 的营养生长没有影响[22 ] 。
本研究表明 ,施硅对紫花苜蓿的生长具有促进作用。叶片是植物进行光合作用的主要器官 ,所以其大小和分
布状态 ,直接影响着紫花苜蓿群落对光能的截获及利用 ,进而影响着草地生产力。因此叶面积的大小直接关
系着植物合成有机物质的能力 ,在适宜条件下 , 植物每个叶片都有各自相对固定的生长率和最大叶面积[23 ] 。
叶面积数值越大 ,越有利于植物进行光合生产。试验结果表明 ,施硅对紫花苜蓿叶面积的影响以中等浓度时
最好 ,而低浓度和高浓度虽然较对照有所增加 ,但均显著低于中等浓度的处理 ,这说明施硅虽然能够促增加紫
花苜蓿的叶面积 ,但不同浓度的促进程度存在差异。叶夹角是衡量植物株型的一个关键指标。夹角小 ,植物
群落生长紧密 ,受阳光直射的辐射面相对较小 ,在相同条件下 ,抗旱性较强 ,反之则弱。试验表明施硅能从整
体上降低紫花苜蓿的叶夹角 ,促使其茎秆挺拔 ,株型紧凑 ,有利于抗旱和抗倒伏性。施硅使叶片外表皮细胞的
硅质层增加[11 ] ,从而阻止水分散失 ,提高了植物的抗旱性。因此无论是从叶夹角还是叶片的硅质层增厚 ,均
说明了施硅能够增加紫花苜蓿的抗旱性。硅对紫花苜蓿株高生长随着植物生长发育期存在差异 ,在营养生长
阶段较对照促进生长 ,而在生殖生长阶段较对照对紫花苜蓿株高生长没有影响 ,这说明紫花苜蓿对植物生长
发育的能力随着物候期而发生变化 ,这点在小麦的生长发育过程中也得到了证实[2 ] 。在紫花苜蓿营养生长阶
段 ,试验环境处于降水相对较少的时期 ,干旱胁迫较重 ,施硅提高了紫花苜蓿的抗旱性 ,从而促进了株高生长 ;
当进入生殖生长阶段后 ,试验所在地的降水量相对增加 ,水分充沛 ,对照处理的干旱胁迫减轻 ,促使其株高快
速生长 ,而硅处理的植株 ,由于硅增强了其抗旱性 ,干旱胁迫的解除对其影响没有对照剧烈 ,生长依然按照原
来的速度增加 ,但其生长速率要比对照慢 ,故其生长量小。从整个生长期内 ,施硅对紫花苜蓿的株高生长是有
利的 ,这有两方面原因 ,一是营养生长阶段较长 ,并且这一阶段是干旱胁迫较强 ,因此硅处理较对照株高显著
增加。二是进入生殖生长之后 ,虽然硅处理对株高生长没有显著的促进作用 ,但作为优质牧草 ,紫花苜蓿的收
获时间一般在始花期。硅对紫花苜蓿分蘖数的影响与株高生长的影响并不一致。在营养生长期 ,施硅对紫花
苜蓿单株的分枝数没有显著影响 ,而进入生殖期后 ,施硅的紫花苜蓿分枝数较未施硅的分枝数显著增加 ,此时
不同硅处理水平间的分枝数也存在差异。在营养生长阶段 ,由于施硅能够促进株高生长 ,从而促进了地上生
物量的积累 ,而进入生殖生长后 ,分枝数的增加进一步促进了紫花苜蓿生物量的积累 ,最终表现为施硅能够显
著增加紫花苜蓿生物量。硅对植物生长发育的影响表现为阶段性 ,这与非洲草 (Africa grass) [24 ] 、水稻[25 ] 和竹
子[21 ]的研究结果一致。以往的研究表明施硅对植物根系生长的影响随着物种存在差异 ,即使同一物种 ,不同
的报道结果也不尽一致。Epstein[17 ]认为硅虽然有利于水稻和雀麦的茎叶生长 ,但对根系生长没有影响。但饶
立华等[4 ]的研究发现施硅可促进水稻根系生长。硅对豇豆根系生长具有促进作用 ,但对茎的生长没有影
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响[14 ] 。本试验结果表明 ,硅对多年生豆科牧草紫花苜蓿根系生物量的积累具有促进作用。目前虽然不能证
实硅是紫花苜蓿生长发育的必要营养元素 ,但至少证实硅应是紫花苜蓿生长发育的有益元素 ,因此在紫花苜
蓿人工草地管理中 ,适当的施入硅肥 ,可促进紫花苜蓿的生长发育 ,特别是在西北干旱地区。
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