稀土元素对农田生态系统的影响研究进展

金姝兰，黄益宗

(1. 上饶师范学院， 上饶 334000； 2. 中国科学院生态环境研究中心，北京 100085)

稀土元素对农田生态系统的影响研究进展

金姝兰1，黄益宗2,*

(1. 上饶师范学院， 上饶 334000； 2. 中国科学院生态环境研究中心，北京 100085)

稀土矿的开采和冶炼、稀土农用等导致农田土壤稀土元素含量不断积累，对农田生态系统结构和功能稳定产生严重的影响。综述了近20年来国内外农田生态系统稀土元素的主要来源、分配和输出，土壤和植物中稀土元素的测定方法，稀土元素对农田生态系统中植物、微生物、动物以及人类健康影响的研究进展。探讨了农田生态系统稀土元素的毒性评价和稀土污染土壤的修复措施。最后提出开展稀土元素对农田生态系统影响研究还需要加强的一些问题。

稀土元素；农田生态系统；土壤；修复

我国是世界上稀土资源最为丰富的国家之一。2012年国务院新闻办发布的《中国的稀土状况与政策》白皮书显示，我国的稀土储量为1859万t，约占世界总储量的23%[1]。2011年，中国稀土产量为9.69万t，实际出口1.86万t，占世界总产量的90%以上，承担了世界90%以上的市场需求[1]。可见，我国不仅是世界稀土资源大国，更是稀土生产、稀土出口和消费大国。在稀土资源的开发和冶炼过程中，由于监管不到位、非法开采、工艺落后、“三废”排放等原因，导致矿区周边水体和土壤稀土元素、重金属和浸矿剂污染比较严重。稀土矿开发和冶炼将产生大量的稀土尾矿，尾矿在降雨的冲刷和淋滤下，稀土元素、重金属等污染物质排入水体和土壤，导致农田绝收、水体生物多样性下降，周边居民的身体健康受到严重危胁[2]。另外，稀土农用在我国比较普遍，虽然适量的稀土元素可增强作物的光合作用，促进作物根系生长，提高作物抵抗病虫害和逆境的能力，并显著地提高作物的产量，但是长期施用稀土也导致稀土元素在农田土壤中不断积累，从而对农田生态系统产生影响。Jiang等[3]调查了16种稀土元素在北京、福建、广东、湖南、湖北和上海6省市主要食物中的积累情况，发现食物中铈(Ce)、镝(Dy)、钇(Y)、镧(La)和钕(Nd)的含量非常高。农田生态系统由农田环境因素和生物群落构成，为人类生存提供食物，是人类赖以生存的基础。稀土元素对农田生态系统的影响较少有系统的报道，本文综述了近20年来国内外有关稀土元素对农田生态系统影响的研究进展，探讨稀土对农田生态系统农作物、微生物和动物的影响，为我国稀土资源的合理开发、农田环境保护和保障人体健康提供有益借鉴。

1 农田生态系统稀土的输入、分配与输出

1.1 稀土输入

我国稀土资源主要分布在以包头为中心的北方地区和以江西为代表的南方地区。稀土资源的开发和冶炼过程中，由于管理混乱、非法开采、工艺落后、采富弃贫、采矿回收率低、资源浪费等原因，造成矿区周边环境污染日益严重。包头地区气候较干旱，风沙大，稀土尾砂容易随风进入大气。另外包头地区的一些污灌区土质多为砂壤土和砂土，稀土元素容易从土壤中淋溶至地下水，导致地下水稀土元素含量超标。包头地区的土壤多呈弱碱性，这种土壤更有利于吸附稀土离子，其对不同稀土元素离子的吸附能力大小顺序为：Sm3+gt;Nd3+gt;La3+gt;Ce3+[4]。有研究报道，包头表层土壤稀土La、Ce、镨(Pr)、Nd、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)呈现局部富集，主污水渠滨岸漫水地、四道沙河河底沉积物、工厂污水渠底部沉积物及其剖面样、农田土壤La 元素含量分别为2924、427.60、309.30、113.26和44.94 mg/kg，分别是背景值30.04 mg/kg的97.33、14.25、10.16、3.72和1.50倍；Ce 含量分别为4524.00、581.20、382.00、185.52和91.08 mg/kg，分别是背景值358.29 mg/kg 的77.61、9.97、6.55、3.18 和 1.56倍[4- 5]。江西赣南的土壤类型主要为红壤，在高温多雨的条件下土壤矿物质化学分解作用强烈，土壤中的活性化合物易于淋失，而铁和铝的氢氧化物则较多积累，从而形成高岭土和多水高岭土组成的粘土矿物，在这种条件下形成的土壤易于积累稀土元素[6]。土壤质地较粘重的红壤，比砂壤土更容易吸附和富集稀土元素。温小军等研究了赣南信丰某稀土矿区耕作层的土壤环境，发现研究区耕作层所有土壤样品的稀土元素地累积指数均较大，稀土元素全量均远远大于全国土壤背景的相应值，La、Ce、Y、Sm、Pr和Gd的全量超标率分别为100%、97.3%、100%、86.49%和100%[7]。江西省南部稀土矿区村民饮用井水的稀土含量平均为9.18 μg/L是非矿区稀土含量的24.8倍，土壤的稀土含量达869.73 μg/g是非矿区稀土含量的3.8倍，蔬菜的稀土含量6370.35 ng/g(干重) 是非矿区稀土含量的7倍以上[8]。Li等[9]研究表明，稀土在土壤中的积累浓度与矿区距离呈显著相关关系，说明矿产开采冶炼造成了稀土元素在土壤、水体和生物中的超量积累和环境污染，仅赣州一地因为稀土开采冶炼造成的环境污染所需的环境恢复和治理费用就高达380亿元[10]。

稀土农用并作为一种微肥使用在我国己有40年的历史，且应用范围越来越广，涉及种植业、林业、畜牧业和渔业等方面。目前我国农田施用稀土面积每年约达333.33—466.67万hm2。我国常用的稀土复混肥中，每吨含混合稀土 0.8—1.6 kg，若以每hm2地每季施复混肥750 kg计，则每年两季进入耕层土壤的混合稀土为1200—1400 g/hm2。研究发现，土壤中稀土元素的含量与稀土的施加量呈一定的剂量关系。随着外施稀土浓度增加, 水稻土中La、Ce、Pr、Nd和Gd 含量显著提高[11]。

1.2 稀土分配与输出

外源稀土进入土壤后，99.5%以上被土壤固相表面所吸附[12]，绝大部分残留在土壤表层。被土壤吸附固定的稀土可以通过沉淀-溶解、吸附-解吸、氧化-还原、配合作用、生物富集等多种途径进行迁移和转化。外源稀土进入土壤后的形态转化受到土壤pH、氧化还原电位、有机质、粘粒矿物等的影响。据报道，在pH值和无定形氧化铁、锰含量较低的红壤中，外源稀土主要以交换态和氧化锰结合态存在，其中交换态稀土含量高达45%—60%；黑土、黑钙土、黄棕壤和砖红壤中外源性稀土主要以无定形结合态和有机结合态存在，交换态稀土含量少于10%[13]。土壤中可溶态和交换态稀土含量较高时将提高稀土在土壤中的迁移性，容易被植物吸收和积累，进而通过食物链途径进入人体，从而对人类健康造成危害。研究表明，植物中稀土元素的含量与稀土的施用量呈现显著的正相关关系，重稀土元素从植物地下部向地上部迁移的能力强于轻稀土元素[13]。李小飞等[14]研究发现，福建省长汀县稀土矿区蔬菜地土壤中稀土元素平均含量高于福建省土壤稀土元素含量的背景值，蔬菜中的稀土元素含量高于一般农田种植作物的稀土元素含量，矿区井水中稀土元素含量的平均值是福州自来水的118.7 倍，矿区居民血液中稀土元素含量高于对照区居民的155.6倍，男女性居民头发中稀土元素含量分别是对照区的9.62倍和9.48倍。

2 土壤和植物中稀土元素的测定方法

农田生态系统中土壤和植物稀土元素的含量测定是判断土壤是否受到稀土元素污染、植物是否受到稀土元素危害的主要依据。土壤和植物样品需经过高压密闭消解、干法灰化消解和微波消解等前处理才可以对其进行稀土元素含量的测定。

稀土元素常见的测定方法有分光光度法、原子吸收法、原子荧光法、X-射线荧光光谱法、中子活化法、电感耦合等离子体光谱法(ICP-OES)、电感耦合等离子发射光谱法(ICP-AES)和电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)等[15]。采用分光光度法分析稀土元素La与偶氮氯膦Ⅲ(CPA Ⅲ)、溴化十六烷基三甲铵(CFMAB)的显色反应，发现在酸性介质1.2 mol/L HC1中稀土La能与CPAⅢ显色剂形成稳定的蓝绿色络合物，最大吸收波长为722 nm，该显色反应灵敏度高、选择性好，并在大多数共存元素存在下不干扰测定结果[16]。目前ICP-MS已成为人们测定土壤和植物稀土元素含量最有优势的方法[17- 20]。林立等[21]采用微波消解和干法灰化处理样品，ICP-MS测定国家标准物质茶叶GBW07605和GBW10016中的16种稀土元素，测定值与标准值非常吻合，样品测定精度为0.6%—6.3%，方法检出限为0.04—0.43 μg/kg。用加标回收法进行评价，回收率在96.0%—108.0%之间。高朋等建立了微波消解- ICP-MS测定土壤稀土元素的方法，样品回收率在93.0%—101.0%之间，测定结果比较满意[22]。

3 稀土元素对农田生态系统的影响

3.1 农作物

农作物是农田生态系统中的主要组成部分。土壤中稀土元素的含量和分布将直接影响作物样品中的稀土元素含量和分布特征，进而影响作物种子发芽、光合作用、抗逆性、产量和品质等。实验发现，喷施 120 mg/L La(NO3)3溶液的嫁接西瓜产量比对照处理提高10.43%，而大于180 mg/L的La(NO3)3浓度则会抑制西瓜的生长，降低其产量和品质[23]。Xie等研究氯化镧浸种对小麦种子萌发的影响，发现浓度为0.05—100 mg/kg 的氯化镧对种子萌发有促进作用，而超过100 mg/kg 的氯化镧处理则对种子萌发具有抑制作用[24]。d′Aquino等[25]研究发现，用浓度为0.01 mmol/L La3+和0.1 mmol/L 混合稀土分别浸泡小麦种子8 h就对种子萌发产生抑制作用，而将两者的浓度分别提高到1 mmol/L和10 mmol/L后，仅分别浸泡2 h和4 h即对种子萌发产生抑制作用。当氧化镧、氧化钆和氧化镱纳米颗粒的浓度为2000 mg/L时，就严重地抑制小麦、油菜、卷心菜和黄瓜等作物根系的生长[26]。研究La对Cd胁迫下蚕豆幼苗生长的影响，发现低浓度的La (lt;120 μmol/L)可缓解Cd对蚕豆幼苗的伤害，降低蚕豆根系的Cd含量。相反高浓度La加重Cd对蚕豆幼苗的伤害，蚕豆根系的Cd含量显著高于单独Cd处理的含量[27]。Wen等[28]研究发现，单独添加低浓度的La3+可促进大豆幼苗的生长；低浓度La3+和酸雨复合处理时，大豆幼苗的生长就受到抑制；高浓度La3+和酸雨复合处理时，大豆幼苗叶绿体的超微结构将严重地受到破坏。

稀土元素对作物光合作用、膜的稳定性、抗氧化系统、营养元素吸收等均产生影响。低浓度的稀土可以诱导作物叶绿素合成，增强作物的光合作用[29- 31]。Tb、Sm、Dy、Ho、La 和Ce处理使棉花和小麦叶片的叶绿素含量比对照处理提高33%—54%[32]。农作物经过一定浓度的稀土元素处理后，其叶绿体内的色素捕光能力得到提高，光系统PSⅠ和PSⅡ的活性增强， Rubisco-Rubisco活化酶超复合体被诱导，从而提高作物光合碳同化的能力[33]。稀土离子与Ca2+在性质和结构上相似，可以占据或替代Ca2+在植物细胞中的位置，从而影响一系列的生理功能，因此稀土被称为超级钙[34]。适宜浓度的稀土元素能影响作物细胞的超微结构，影响细胞膜的通透性和稳定性，提高细胞膜的保护功能，增强植物对不良环境的抵抗能力，但高浓度的稀土对细胞超微结构具有损伤作用。施用稀土可提高植物体内钙调蛋白CaM的含量，促进 CaM 基因表达，加速细胞分裂、促进种子萌发和根系生长。稀土还可以提高植物体内的吲哚乙酸、赤霉素、细胞分裂素等的含量，促进可溶性蛋白的合成，提高植物SOD、CAT、APX、GPX 等抗氧化酶的活性，降低活性氧自由基对植物的伤害[35- 37]。低浓度Nd3+促进杂交水稻线粒体的代谢，而高浓度Nd3+则抑制线粒体的代谢[38]。稀土元素施用能提高作物的产量是因为其可以促进、协调植物对营养元素的吸收。Babula等[39]研究表明，Ce3+对植物吸收镁、磷、硫、钾和铁等均有不同程度的促进作用，尤其对植物吸收磷、硫和钾影响更显著。不同稀土元素的生物效应有差异。比较3种稀土元素对菠菜光合效应的影响，发现Ce3+促进光合作用最明显，Nd3+次之，La3+最差，原因可能与稀土元素独特的 4f 电子层结构和变价特征有关。La3+的 4f 层没有电子，Ce3+有1个电子，Nd3+有3个电子，而且Ce3+除了+3 价外还可以被氧化到+4价，而La3+、Nd3+则无变价[33]。

分子生物学技术在作物细胞、基因和蛋白质水平上的稀土元素毒害机理，以及稀土元素污染土壤治理和生物修复等方面已得到越来越广泛的应用。Boyko等报道，KCl、CeCl3和 LaCl3处理可促进拟南芥和烟草植物的生长，提高植物转基因整合位点的数量和质量[40]。徐玉品采用T-DNA 插入诱变法和甲基磺酸乙酯(EMS) 诱变种子筛选法分别从605 组约 121000 粒 T-DNA 突变体种子和509 组约 60000 粒 EMS 化学诱变种子中筛选出拟南芥抗La3+突变体和拟南芥La3+敏感型突变体，为植物La3+的毒害机理和稀土污染土壤修复提供实验材料[41]。研究稀土元素Pr、钬(Ho)、铽(Tb)对蚕豆遗传毒性和细胞毒性的影响，发现稀土引起蚕豆根尖细胞有丝分裂指数显著降低，根尖细胞多种染色体异常和核异常，包括微核、染色体环、染色体断片、染色体单桥、多桥、滞后、多极分布、解螺旋不同步、染色体在赤道面上分布异常、染色体加倍、核出芽和核破裂等[42]。比较不同稀土元素对蚕豆细胞的毒性，发现Tb的毒性阈值在12—24 μg/mL之间[43]，Ho的毒性阈值为4 mg/L[44]，Pr的毒性阈值为 8 μg/mL[42]。重稀土对玉米根尖细胞遗传毒性的阈值(硝酸铒和硝酸钇均为5 mg/L) 比轻稀土的毒性阈值(硝酸铈25 mg/L、硝酸钐125 mg/L和硝酸铕125 mg/L)低得多，说明重稀土的毒性大于轻稀土[45]。

3.2 微生物

微生物是一个完整农田生态系统的主要组成部分之一，种类包括藻类、细菌、真菌、放线菌等。它们在农田生态系统中扮演着分解者的角色，把有机质分解成简单的化合物并释放到环境中，供农田生态系统中的初级生产者再利用。

据报道稀土元素La对微生物有较强的毒性作用，随着La浓度的升高，培养基的细菌、放线菌和真菌数量不断减少。La浓度分别大于200 mg/L和150 mg/L时，细菌和放线菌无法存活；La浓度大于500 mg/L时，仅有40%的真菌可以存活[46]。稀土元素对不同微生物的毒性大小，La：细菌gt;放线菌gt;真菌；Ce：细菌gt;放线菌gt;真菌。有报道，低浓度的Ce积累量达10% AD(土壤吸附容量)以下时，黄褐土中放线菌的菌落种类有10多种，但Ce 积累量达20%AD以上时，放线菌菌落种类仅有2—4 种[47]。低浓度的La对红壤中硝化细菌活性有强烈的刺激作用，但是随着La浓度的升高硝化细菌活性则被严重抑制，在1000 mg/kg La时，土壤硝化细菌数量只有对照的10%[46]。唐欣昀等[48]报道，0.27 mg/kg的稀土可刺激土壤自养固氮菌数量的增加，而高剂量稀土(gt;490 mg/kg)则强烈地抑制自养固氮菌的生长。

采用室内培养和盆栽实验方法研究稀土元素La对红壤呼吸作用的影响，发现La浓度较低时微生物呼吸作用增强，但是随着La浓度的增加微生物呼吸作用不断降低，在100 mg/kg时呼吸作用降低达到显著水平[49- 50]。周峰等[51]的实验得出，小于100 mg/kg的低浓度稀土对微生物呼吸作用具有刺激作用，随着稀土浓度的增加呼吸速率受到明显的抑制作用，当稀土浓度达到2000 mg/kg时可抑制呼吸速率44.7%。微生物代谢熵是指单位土壤微生物生物量的呼吸作用。当稀土的浓度为50 mg/kg时，代谢熵 qCO2的抑制率高达47.7%；稀土浓度大于1000 mg/kg时，代谢熵的最大抑制率高达61.5%。低浓度的La对土壤硝化作用有微弱的刺激作用，但浓度升高时则表现出抑制作用。褚海燕等报道[52]，La浓度低于100 mg/kg时对土壤P转化作用有微弱的刺激作用，但浓度升高时则表现出明显的抑制作用。土壤酶是由微生物、动植物活体分泌及由动植物残体、遗骸分解释放于土壤中的一类具有催化能力的生物活性物质。稀土对土壤酶活性影响的研究主要集中在脲酶、磷酸酶、过氧化氢酶、脱氢酶和蔗糖酶等。La对土壤脲酶、磷酸酶、蔗糖酶3种水解酶活性均表现出明显的抑制作用。不同处理的稀土对土壤脲酶活性的抑制能力表现为：尾矿稀土淋出液(多种稀土混合液)gt; La和Ce复合污染gt; Ce单一污染gt; La单一污染；对土壤过氧化氢酶活性的抑制能力表现为：尾矿稀土淋出液gt; La和Ce复合污染gt; La单一污染gt; Ce单一污染[53]。

3.3 动物

动物是农田生态系统中的伴生生物群落。不同剂量的稀土均可以诱发动物机体细胞、器官和组织的多种效应。稀土对动物具有“低促高抑”的效应，大剂量稀土对动物将产生明显的毒性作用。谢克和等[54]研究表明高剂量的稀土导致蚯蚓体重降低，而低剂量稀土促进蚯蚓体重增长。研究稀土对蚯蚓体内氨基酸含量的影响，发现高浓度稀土溶液与蚯蚓接触24 h后使蚯蚓体内氨基酸含量下降，而低浓度稀土使蚯蚓氨基酸含量显著提高[55]。反过来蚯蚓的生长也可以改变稀土元素Y、La、Ce、Pr和Nd在土壤的形态分布，并提高这些元素在土壤的生物有效性[56]。在母鼠孕哺期饮用水中加入一定剂量的LaCl3，可导致仔鼠体重、脑组织重量下降，神经系统受到伤害，超氧化物歧化酶和谷胱甘肽过氧化物酶活性降低，大脑皮质、基因和蛋白表达降低，学习记忆能力下降[57- 58]。当Cd2+浓度为0.025和0.25 mg/L时，0.5 mg/L Ce3+能缓解Cd2+胁迫引起泥鳅肝脏的各种基团成分、构象和含量的不良变化，而当Cd2+浓度为0.5 mg/L时，Ce3+和Cd2+则起协同作用破坏泥鳅肝脏的各种基团的构象，降低核酸和蛋白质的空间稳定[59]。研究Sm对蝌蚪生长发育的影响，发现随着Sm浓度的增大，蝌蚪的死亡率不断提高，说明Sm对蝌蚪具有较大的毒害作用[60]。叶面喷施稀土La和Nd对葡萄园中性昆虫亚群落和食饵功能团的物种数影响较显著[61]。稀土对葡萄园节肢动物衰退期起着延缓的作用，Nd元素体现为持效性效果较好, 而La元素体现出速效性的特点[62]。施用不同稀土浓度的梅园土壤中, 杂食性土壤动物功能群个体数量高于植食性土壤动物功能群, 且杂食性土壤动物功能群个体数量在不同稀土土壤的大小顺序为：对照区gt;La区gt;Ce区gt;Pr区gt;Nd区gt;Sm区[63]。据报道，稀土元素La、Ce和Pr可在牛的肝脏等器官大量积累，并影响牛免疫系统的正常功能[64- 65]。

4 农田生态系统稀土毒性评价与防治

4.1 稀土毒性评价

稀土资源的不合理开采和冶炼，导致矿区周边土壤和水体稀土元素含量较高，稀土经过植物吸收和富集并通过食物链途径进入动物和人体内，对动物和人产生毒害作用。通过食物链途径进行人体是稀土元素的主要暴露途径。赣南矿区成人稀土日摄入稀土量为6.0—6.7 mg，比对照区成人摄人量高2倍[53]。长期接触稀土导致女工月经量减少率和月经异常量均高于对照组。稀土元素也可以经过呼吸作用直接进入人体。在农田施用稀土过程中，稀土粉尘在人的呼吸作用下进入人体，对人的呼吸道粘膜产生一定的刺激作用，使咽部和鼻腔充血。Yu等[66]在稀土矿区采集成人血液进行研究，发现稀土暴露地区人群的外周血单核细胞的端粒酶活性提高，外周血单核细胞S期和G2-M期增加，稀土元素还影响DNA的复制。长期摄入低剂量的稀土，将导致儿童智商发育不良，成人中枢神经传导显著下降，儿童肺活量和血压较低，免疫蛋白IgM 水平显著降低[67]。可见，残留在农田中的稀土元素已经对人体产生明显的毒副作用，有必要对稀土进行毒性评价。

稀土的毒性评价可用植物、动物和微生物的毒性实验来进行。植物毒性评价实验的表征因子有呼吸作用和生长率等。动物毒性评价(如蚯蚓等)的表征因子有急性死亡率、繁殖率、生长率以及体内酶活性变化等。微生物毒性评价的表征因子有菌落数、种群、生物量以及土壤酶活性变化等。根据OECD评价体系，研究混合稀土对3种作物(水稻、油菜和大豆)相对生长量和出苗率的影响，计算出稀土影响作物的半效应浓度(EC50)和半致死浓度(LC50)，通过与已有LC50和EC50值的比较可以诊断出该稀土含量是否达到某一污染水平或污染程度[68]。唐欣昀等[48]研究混合型氯化稀土(含有La、Ce、Nd和Lu) 对大田土壤微生物的影响，发现细菌、放线菌和真菌的EC50值分别为24.0 mg/kg、41.6—73.8 mg/kg和55.3—150.1 mg/kg, 并初步得出30 mg/kg是混合型氯化稀土在黄褐土中积累的安全临界值。有人研究La对红壤转化酶、过氧化氢酶和脱氢酶活性的影响，发现La对土壤脱氢酶活性具有强烈的抑制作用，认为脱氢酶活性是评价土壤La污染的敏感指标[52]。

4.2 稀土防治

稀土的理化性质与重金属有很大的相似性，生物毒性均随着浓度的升高而提高。鉴于稀土元素污染过程中的隐蔽性、长期性和不可逆性等特点，稀土污染土壤的治理已引起人们的广泛关注。稀土污染土壤的治理方法有：①物理法，包括排土、换土、去表土、客土、深耕翻土、淋洗、电化法等措施；②化学法，通过氧化、还原、沉淀、吸附、拮抗等方法，提高土壤的吸附能力，改变稀土元素存在的形态，降低稀土元素在土壤中的迁移能力和生物可利用性；③生物法，包括植物修复和微生物修复方法。

植物修复技术以其成本低、不破坏土壤结构和不造成二次污染等优点而备受人们推崇的治理稀土污染土壤的生态技术。其机理主要是利用植物对稀土元素进行吸收积累和降解转化。目前，人们将超积累植物作为修复稀土污染土壤的优先考虑品种。一般认为地上部稀土元素含量达到或超过1000 ug/g的植物，或者地上部稀土元素吸收系数达到或超过1的植物，即可称为稀土元素超积累植物[69]。地上部稀土元素含量以灰分计算，最高达到或超过1000 ug/g，就可以直接确定为稀土元素超积累植物。共发现4种稀土元素超积累植物：柔毛山核桃(1350 μg/g)、山核桃(2296 μg/g)、乌毛蕨(1022 μg/g)和芒萁(3358 μg/g)[69]。另有报道，依据地上部稀土元素的吸收系数达到或超过1的植物，有16 种：里白算盘子、美洲商陆、横须贺蹄盖蕨、红盖鳞毛蕨、黑足鳞毛蕨、丝柄铁角蕨、本州铁角蕨、尖叶铁角蕨、小铁角蕨、铁角蕨、 单盖铁线蕨、东亚乌毛蕨、糙毛芒萁、日本狗脊蕨、美洲商陆和横须贺蹄盖蕨。以上20 种植物中，除了柔毛山核桃与山核桃、美洲商陆、里白算盘子外，其余16 种均为蕨类植物，这与蕨类植物种类繁多、分布广泛、繁衍方式多和对各种极端恶劣环境适应能力强有关[70]，因此运用蕨类植物吸收富集稀土元素，修复稀土污染土壤具有较好的应用和推广前景。

5 问题与展望

稀土元素具有环境累积性、生物吸收与富集性等特点，尽管低浓度的稀土对作物生长有利，但是高浓度稀土却对作物生长有抑制作用。与重金属相类似，稀土元素的生物毒性随着浓度的增加而提高。稀土元素对农田生态系统中的农作物、微生物和动物的影响研究不断得到加强，其影响机理不断被阐明，但是由于不同稀土元素性质的差异性、农田生态系统结构和功能的复杂性，许多问题仍需人们进一步思考和解决：

1)加强农田生态系统稀土毒性评价方法的研究。目前人们对稀土的毒性评价主要采用植物毒性评价法和微生物毒性评价法等，这些方法有自己的优点和缺点。鉴于农田生态系统稀土元素污染的复杂性，应该加强稀土元素其它毒性评价方法的研究，比如蚯蚓毒性评价法、生物标记物评价法、遗传毒性评价法等，从而快速、准确和科学地评价稀土元素的毒性状况，为稀土的污染防治提供科学依据；

2)加强稀土元素对农田生态系统作物生长胁迫机理的研究，可从细胞显微结构变化、功能基因克隆与表达、蛋白质组表达等方面开展深入的探讨。研究外源稀土元素进入农田生态系统后的行为、归宿及形成机理；稀土元素与其它环境污染问题(酸雨等)复合污染对农田生态系统的影响，从而更好地揭示稀土对农田生态系统的影响机制。利用分子生态学技术研究稀土元素对土壤微生物结构和功能、微生物多样性的影响；

3)加强稀土污染土壤修复技术的研发。目前有关稀土污染土壤修复的研究开展较少，因此有必要加强这方面的研究工作。针对不同土壤稀土元素的污染特点，结合物理、化学、生物、农艺手段对污染土壤进行联合治理，研发出有效的修复技术，降低农作物对稀土元素的吸收和积累，减少稀土元素的地表径流和下渗迁移，从而降低稀土元素对周边环境的污染风险和对人体健康的危害。

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Areviewonrareearthelementsinfarmlandecosystem

JIN Shulan1, HUANG Yizong2,*

1ShangraoNormalUniversity,Jiangxi,Shangrao334000,China;2ResearchCenterforEco-EnvironmentalSciences,ChineseAcademyofSciences，Beijing100085,China

Rare earth ore mining and smelting, application of rare earth elements in farm lead to accumulation of rare earth elements in soil, and affect the structure and function stability of farmland ecosystem. This article reviews the main source, distribution and output of rare earth elements in farmland, the determination method of rare earth elements in soils and plants, and the effect of rare earth elements on crops, microorganisms, animal and human health in farmland ecosystem. Rare earth element toxicity evaluation and rare earth contaminated soil remediation of farmland ecosystem are discussed in the paper. Finally some problems will be pay attention to studying of rare earth elements on farmland ecosystem in the future.

rare earth elements; farmland ecosystem; soil; remediation

中国科学院院地合作资助项目(江西省典型矿区及周边土壤重金属污染特征及其联合修复技术)

2012- 12- 31;

2013- 06- 03

*通讯作者Corresponding author.E-mail: hyz@ rcees.ac.cn

10.5846/stxb201212311902

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