稀土微肥在農業上的應用

侯思遠,林睿華,燕子紅,解 田,苗志偉

(1.喀什大學化學與環境科學學院,新疆 喀什 844006;2.赤峰瑞陽化工有限公司,內蒙古 赤峰 024000;3.南開大學化學學院元素有機化學國家重點實驗室,天津 300071)

化學元素肥料分為常量元素肥料和微量元素肥料,其中微量元素肥料通常稱為微肥。雖然農作物對微量元素的需求量很少,但是微量元素對農作物非常重要,具有提高作物產量、加速作物成熟和改善作物品質的效果[1]。微量元素的缺乏會導致產量降低、抗逆性減弱、產品品質下降。稀土微肥是指含有稀土元素的微量元素肥料。稀土元素對植物生長有一定的刺激作用,能夠顯著提高葉綠素含量,促進植株生長。因此,研究稀土微肥符合現代農業發展的要求,在農業方面有巨大的應用潛力。

1 稀土微肥在我國的使用情況

中國不僅是世界上主要的稀土生產國,也是世界上最大的稀土微肥使用國。不同于西方發達國家注重稀土微肥的理論研究,我國更注重其在農業領域的應用。中國農業中使用的稀土化合物主要有稀土碳胺復合肥、稀土鉬螯合肥等。1986年,首批稀土商業肥料在我國注冊,命名為“常樂”[2],“常樂”的元素成分見表1。1994年,商丘市建立稀土微肥示范廠[3],是當時我國最大的生產稀土農用“常樂”益植素產品的生產定點廠,擁有千噸生產線和高精度質檢分析設備。之后10年,又陸續建成大約100家生產稀土肥料的工廠[5]。2001～2005年期間,劉向生等[6]為了驗證稀土微肥的應用效果,在我國西部地區進行了大量的實驗。他們以稀土磷肥和過磷酸鈣為基礎肥進行對照,對植物病害和含糖量進行檢測,實驗證明:使用稀土微肥能有效提高作物的出苗率,增加苗高和糧食作物產量,降低病株率,有利于形成高質量幼苗,促進有機物的生成,且稀土元素毒性很小,大致同鐵相當。

由于稀土元素在糧食和果蔬中的富集量極小,加之在人體內尚未發現富集現象,因此不會對人體造成毒害[7]。稀土元素性質活潑,易形成穩定的配合物,我國于1972年首次將稀土元素引入農業生產中,并取得卓有成效的科研成果,因此稀土元素逐步被運用到糧食作物、蔬菜、果樹等經濟作物上。通過研究稀土元素對作物形態學建成和生理功能的影響,開發新型的稀土微肥,促進作物成熟,提高作物的產量,提高肥料利用率。進一步研究稀土微肥對植株的作用機理,加強稀土微肥毒理性質研究,豐富稀土微肥的種類,實現“減施增效”,促進我國農業可持續發展。

表1 中國商用稀土肥料“常樂”的元素成分[4]

2 稀土微肥對植物生長的影響

2.1 稀土元素在植物體內的含量與分布

目前,農業生產中較常使用的稀土元素為鑭系稀土,鑭、鈰等輕稀土能夠促進農作物生長,促進農作物對氮、磷等營養元素的吸收,從而縮短農作物的生長周期,提升農作物葉片中葉綠素含量,增強光合作用,促進干物質的積累,還可以增強農作物的抗病性和抗旱性,進而提高農作物的產量和質量。稀土元素在土壤中的轉化受到土壤理化性質的影響,包括土壤陽離子交換能力、土壤礦物相、pH值、有機物和有機酸等多種因素。不同類型植物中稀土生物吸附率不同,同類型植物不同器官的稀土元素含量差異也較大。

稀土元素在藻類表面的生物吸附取決于細胞壁的化學性質、離子交換能力和絡合作用[8];苔蘚植物沒有真正意義上的根,僅有假根起固定作用,無法從根部吸收營養物質,因此,苔蘚植物吸收稀土元素時受到降水和干燥沉積的影響;而蕨類植物比普通植物能吸收更多的稀土元素,稀土元素以溶解狀態從根組織內部或根組織表面運輸到莖和葉,一般來說,植物器官中稀土元素的濃度低于植物生長的土壤,但雙翅目二瘤葉的稀土含量較高,可以累積稀土元素到其干重的0.17%～0.38%的水平[9,10];裸子植物的稀土吸收系數和運輸能力因植物的不同而有很大差異[11]。

2.2 影響形態建成

形態建成是指植物在生長周期中各器官形成的過程,例如種子萌發、根系生長、莖葉形成、開花結實、種子形成等。宋曉東等[12]為探究不同稀土微肥對馬鈴薯產量的影響,播種前在每667 m2的旱梯田地中施農家肥3 500 kg,尿素25 kg做基肥,用畜力開溝、人工點播的方式播種,整個生育期與其他大田一同管理,在馬鈴薯盛花期、塊莖膨大期分別使用“大豐收”和“益植素”兩款稀土葉噴肥各施肥一次,與清水做對照發現,馬鈴薯產量從高到低排列為益植素>大豐收>清水,噴施“大豐收”后馬鈴薯每667 m2增產39.90 kg,噴施“益植素”后馬鈴薯每667 m2增產299.50 kg,增產幅度為2.30%～17.50%,增產效果明顯。除增產以外,稀土微肥在促進植物生長中也有不可忽視的作用。

山白蘭為國家二級瀕危植物,王振宇[17]使用10、20、40、80 mg/L的硝酸鑭(La(NO3)3·6H2O≥99%)和硝酸鈰(Ce(NO3)3·6H2O≥99%)對山白蘭幼苗進行處理,實驗發現,使用20 mg/L的硝酸鑭處理的山白蘭幼苗總干重達到4.57 g,分別比10、40、80 mg/L的處理組的總干重顯著提高了12.6%,14.5%,79.2%。使用80 mg/L的硝酸鑭處理時,對山白蘭生長表現出一定的抑制效果。同樣使用10、20、40、80 mg/L硝酸鈰對山白蘭幼苗進行處理,實驗結果顯示,20 mg/L的硝酸鈰處理的幼苗表現最佳,80 mg/L的硝酸鈰處理的幼苗表現最差。實驗結果表明,硝酸鑭促進山白蘭幼苗生長的效果比硝酸鈰好。其他稀土微肥對水稻[13]、冬植蔗[14]、紅地球葡萄[15]、當歸[16]增產和促進生長的例子分別總結于表2和表3。由表可知,施用稀土微肥后,農作物產量增加,植株也更高,表明稀土微肥有利于農作物生長。

表2 稀土微肥對植株增產的影響

表3 稀土微肥對植株植高的影響

2.3 影響生理功能

2.3.1促進農作物光合作用

大量研究證明,稀土微肥能提高植物光合速率和葉綠素的含量。葉綠素含量的增加能提高植物光合速率,而光合速率的提高增加了植物的有機物積累,滿足植物對能量的需求,為植物形態建成、作物優質高產奠定基礎。在植物生長中,稀土元素不參與植物的生理過程,只促進植物的光合作用和對磷肥的吸收,故被認為是肥料的促進劑[18]。

任紅玉等[19]使用60,90,120,150 mg/L的LaCl3和CeCl3對開花期的“農42”大豆進行處理,研究發現,當LaCl3的濃度為60 mg/L時,葉綠素含量達到最高值,其中葉綠素a、葉綠素b及類胡羅卜素的增幅分別達到了5.97%,0.518%,1.025%;當濃度為90,120,150 mg/L時,各指標含量呈下降趨勢。而利用CeCl3進行處理后,葉綠素a、葉綠素b及類胡羅卜素含量均低于標準值,其中在60 mg/L的濃度下,葉綠素a顯著低于對照組,下降幅度為22.4%,葉綠素b和類胡羅卜素下降幅度分別為24.2%及8.13%;在濃度120 mg/L的條件下,三項指標含量有小幅回升,但仍低于標準值,說明La(Ⅲ)在60 mg/L的濃度下能促進葉綠素合成,但隨著含量的增加,反而會抑制葉綠素含量增加,這為稀土葉噴肥最佳工作濃度提供了科學依據。

汪建飛等[20]用不同濃度的稀土微肥對番茄葉片進行噴施,結果發現,葉綠素a的含量從0.96 mg/g增長到1.08 mg/g,葉綠素b的含量從0.40 mg/g增長到0.49 mg/g,葉綠素總量比施用前增長了15.44%,為番茄高產提供了重要保證。王波等[21]共設置18個小區用于種植糯玉米,采用隨機區組排列,每小區面積4 m×3 m,將“常樂”稀土微肥配制設置了6個處理組,分別為50,100,200,400,600,800 mg/L,在播種50 d后,糯玉米進入生長旺盛階段時定量使用。圖1所示為糯玉米葉綠素隨“常樂”稀土微肥、生育期變化所發生的改變,從圖1可知,授粉后8、12、16、20 d,葉綠素含量隨“常樂”稀土微肥濃度增大,先升高后降低,當濃度到達400 mg/kg時,其葉綠素含量為最大值,分別為8.58,9.46,10.08和9.95 mg/kg,因此,產量與相關光合特性系數呈正相關[22-24]。

圖1 糯玉米授粉后整株葉綠素的變化[21]

2.3.2促進農作物礦物質吸收

稀土微肥具有促進作物對礦物質元素吸收、轉化和利用的功能。Zhong等[25]比較了La(NO3)3和La(NO3)3-氨基酸螯合物(La(Ⅲ)-AA)對水稻的生長、氧化應激、超微結構、生物積累和基因表達的影響,結果表明,20 mg/L的La(Ⅲ)-AA可以有效地改善水稻的CuSO4(50 mg/L)脅迫,減少氧化脅迫,增加葉綠素含量,從而促進生長。Lian等[26]對小豆品種“金5號”用3%過氧化氫滅菌25 min,然后用蒸餾水洗滌,之后用蒸餾水預處理種子6 h,種子播撒在含4 kg沙子的塑料罐(40 cm×30 cm×15 cm)中,14日齡幼苗用0.4 mmol LaCl3溶液噴灑2次。實驗設置了原始濃度為1%(磷缺乏)、原始濃度為5%(磷邊緣)以及未調整的溶液(磷充足)3個不同的磷濃度梯度,分別測量了所有組別植物的生長、根系結構、根系水力導率、磷含量、氣體交換和光合色素水平,結果表明,施用LaCl3可以通過誘導根系形態、AP酶和水力傳導性的變化,促進赤小豆在磷限制下的生長和磷獲取,顯著提高葉片的磷濃度,有效提高了根、芽和葉片的磷吸收效率。

2.3.3農作物抗逆性增強

張權等[28]通過研究烤煙生長過程中施用不同稀土元素對根系活力、總吸收表面積、根干質量與根體積以及SOD、POD、CAT和PPO等4種氧化酶的影響,實驗設置了4個處理,第1個在1 hm2煙田中施加450 kg煙草專用肥做對照組,其余3組同樣在1 hm2煙田中施加450 kg煙草專用肥并分別加入15 kg、30 kg、45 kg的稀土肥料并混合均勻,在起壟時將70%的肥料采用條施的方式進行施用,移栽時將剩余30%的肥料施用于土壤,每隔10 d取1次樣。實驗表明,隨著稀土肥料施用量增加,氧化酶的活性會降低,這樣能夠促進根系生長發育,為地上部分的生長提供保障。

滲透調節是植物抵御干旱的一種重要方式,植物可通過提高細胞內的有機或無機物質來維持膨壓,防止細胞失水,保持細胞膜結構的完整性。若細胞受干旱脅迫,可能會引起細胞內活性氧清除系統紊亂,導致活性氧自由基積累,對細胞造成損害[29]。稀土微肥施入土壤后,促進了植株對養分的吸收利用,增強苗木抗病、抗旱、抗寒的能力[30,31],通過這種方式能使作物增產。例如施用“稀土磷肥+大豐收”,馬鈴薯晚疫病、環腐病發病率分別降低20.7%和9%,晚疫病病情指數降低11.8%,同時馬鈴薯晚疫病的田間發病日期較普通磷肥處理推遲2～8 d。

李天銀等[32]研究發現,施用稀土磷肥后,與過磷酸鈣相比,孜然的死苗率較對照組下降10.17%,顯蕾期提前7 d,始花期提前3 d,成熟期提前5 d,生育期縮短5 d。由于生育期提前,從而降低了病蟲害、高溫天氣及雨水對孜然生長的影響,有利于產量和質量的提高。除此之外,稀土微肥等幾種稀土農用材料處理也能有效抑制有害細菌繁殖,增強作物對不良環境的適應能力,提高防病效果[33]。

3 總結與展望

目前,稀土微肥在農業上得到較為廣泛的應用,在促進作物光合作用、增產增收、增強抗逆性方面取得顯著效果,但是稀土微肥對植株的作用機理、生物學效應本質依舊不明確,稀土微肥最佳施用條件和使用標準依舊需要進一步完善,農用稀土的毒理學機制與規律有待進一步研究,農用稀土制劑產品質量和衛生學監測急需國家規范。因此,未來圍繞稀土微肥的研究,主要開展以下3方面工作:①進一步研究稀土微肥對于植株的作用機理,奠定稀土微肥在農業領域應用的理論基礎;②加強稀土微肥毒理性質研究,為稀土微肥在農業上的應用提供安全保障;③豐富稀土微肥的種類,針對不同作物開發不同稀土微肥品種,促進稀土微肥的推廣和使用。未來隨著稀土微肥理論研究的不斷深入和應用領域的技術推廣,稀土微肥一定會迎來新的更大發展。