稀土微肥在农业上的应用

侯思远,林睿华,燕子红,解 田,苗志伟

(1.喀什大学化学与环境科学学院,新疆 喀什 844006;2.赤峰瑞阳化工有限公司,内蒙古 赤峰 024000;3.南开大学化学学院元素有机化学国家重点实验室,天津 300071)

化学元素肥料分为常量元素肥料和微量元素肥料,其中微量元素肥料通常称为微肥。虽然农作物对微量元素的需求量很少,但是微量元素对农作物非常重要,具有提高作物产量、加速作物成熟和改善作物品质的效果[1]。微量元素的缺乏会导致产量降低、抗逆性减弱、产品品质下降。稀土微肥是指含有稀土元素的微量元素肥料。稀土元素对植物生长有一定的刺激作用,能够显著提高叶绿素含量,促进植株生长。因此,研究稀土微肥符合现代农业发展的要求,在农业方面有巨大的应用潜力。

1 稀土微肥在我国的使用情况

中国不仅是世界上主要的稀土生产国,也是世界上最大的稀土微肥使用国。不同于西方发达国家注重稀土微肥的理论研究,我国更注重其在农业领域的应用。中国农业中使用的稀土化合物主要有稀土碳胺复合肥、稀土钼螯合肥等。1986年,首批稀土商业肥料在我国注册,命名为“常乐”[2],“常乐”的元素成分见表1。1994年,商丘市建立稀土微肥示范厂[3],是当时我国最大的生产稀土农用“常乐”益植素产品的生产定点厂,拥有千吨生产线和高精度质检分析设备。之后10年,又陆续建成大约100家生产稀土肥料的工厂[5]。2001～2005年期间,刘向生等[6]为了验证稀土微肥的应用效果,在我国西部地区进行了大量的实验。他们以稀土磷肥和过磷酸钙为基础肥进行对照,对植物病害和含糖量进行检测,实验证明:使用稀土微肥能有效提高作物的出苗率,增加苗高和粮食作物产量,降低病株率,有利于形成高质量幼苗,促进有机物的生成,且稀土元素毒性很小,大致同铁相当。

由于稀土元素在粮食和果蔬中的富集量极小,加之在人体内尚未发现富集现象,因此不会对人体造成毒害[7]。稀土元素性质活泼,易形成稳定的配合物,我国于1972年首次将稀土元素引入农业生产中,并取得卓有成效的科研成果,因此稀土元素逐步被运用到粮食作物、蔬菜、果树等经济作物上。通过研究稀土元素对作物形态学建成和生理功能的影响,开发新型的稀土微肥,促进作物成熟,提高作物的产量,提高肥料利用率。进一步研究稀土微肥对植株的作用机理,加强稀土微肥毒理性质研究,丰富稀土微肥的种类,实现“减施增效”,促进我国农业可持续发展。

表1 中国商用稀土肥料“常乐”的元素成分[4]

2 稀土微肥对植物生长的影响

2.1 稀土元素在植物体内的含量与分布

目前,农业生产中较常使用的稀土元素为镧系稀土,镧、铈等轻稀土能够促进农作物生长,促进农作物对氮、磷等营养元素的吸收,从而缩短农作物的生长周期,提升农作物叶片中叶绿素含量,增强光合作用,促进干物质的积累,还可以增强农作物的抗病性和抗旱性,进而提高农作物的产量和质量。稀土元素在土壤中的转化受到土壤理化性质的影响,包括土壤阳离子交换能力、土壤矿物相、pH值、有机物和有机酸等多种因素。不同类型植物中稀土生物吸附率不同,同类型植物不同器官的稀土元素含量差异也较大。

稀土元素在藻类表面的生物吸附取决于细胞壁的化学性质、离子交换能力和络合作用[8];苔藓植物没有真正意义上的根,仅有假根起固定作用,无法从根部吸收营养物质,因此,苔藓植物吸收稀土元素时受到降水和干燥沉积的影响;而蕨类植物比普通植物能吸收更多的稀土元素,稀土元素以溶解状态从根组织内部或根组织表面运输到茎和叶,一般来说,植物器官中稀土元素的浓度低于植物生长的土壤,但双翅目二瘤叶的稀土含量较高,可以累积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数和运输能力因植物的不同而有很大差异[11]。

2.2 影响形态建成

形态建成是指植物在生长周期中各器官形成的过程,例如种子萌发、根系生长、茎叶形成、开花结实、种子形成等。宋晓东等[12]为探究不同稀土微肥对马铃薯产量的影响,播种前在每667 m2的旱梯田地中施农家肥3 500 kg,尿素25 kg做基肥,用畜力开沟、人工点播的方式播种,整个生育期与其他大田一同管理,在马铃薯盛花期、块茎膨大期分别使用“大丰收”和“益植素”两款稀土叶喷肥各施肥一次,与清水做对照发现,马铃薯产量从高到低排列为益植素>大丰收>清水,喷施“大丰收”后马铃薯每667 m2增产39.90 kg,喷施“益植素”后马铃薯每667 m2增产299.50 kg,增产幅度为2.30%～17.50%,增产效果明显。除增产以外,稀土微肥在促进植物生长中也有不可忽视的作用。

山白兰为国家二级濒危植物,王振宇[17]使用10、20、40、80 mg/L的硝酸镧(La(NO3)3·6H2O≥99%)和硝酸铈(Ce(NO3)3·6H2O≥99%)对山白兰幼苗进行处理,实验发现,使用20 mg/L的硝酸镧处理的山白兰幼苗总干重达到4.57 g,分别比10、40、80 mg/L的处理组的总干重显著提高了12.6%,14.5%,79.2%。使用80 mg/L的硝酸镧处理时,对山白兰生长表现出一定的抑制效果。同样使用10、20、40、80 mg/L硝酸铈对山白兰幼苗进行处理,实验结果显示,20 mg/L的硝酸铈处理的幼苗表现最佳,80 mg/L的硝酸铈处理的幼苗表现最差。实验结果表明,硝酸镧促进山白兰幼苗生长的效果比硝酸铈好。其他稀土微肥对水稻[13]、冬植蔗[14]、红地球葡萄[15]、当归[16]增产和促进生长的例子分别总结于表2和表3。由表可知,施用稀土微肥后,农作物产量增加,植株也更高,表明稀土微肥有利于农作物生长。

表2 稀土微肥对植株增产的影响

表3 稀土微肥对植株植高的影响

2.3 影响生理功能

2.3.1促进农作物光合作用

大量研究证明,稀土微肥能提高植物光合速率和叶绿素的含量。叶绿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机物积累,满足植物对能量的需求,为植物形态建成、作物优质高产奠定基础。在植物生长中,稀土元素不参与植物的生理过程,只促进植物的光合作用和对磷肥的吸收,故被认为是肥料的促进剂[18]。

任红玉等[19]使用60,90,120,150 mg/L的LaCl3和CeCl3对开花期的“农42”大豆进行处理,研究发现,当LaCl3的浓度为60 mg/L时,叶绿素含量达到最高值,其中叶绿素a、叶绿素b及类胡罗卜素的增幅分别达到了5.97%,0.518%,1.025%;当浓度为90,120,150 mg/L时,各指标含量呈下降趋势。而利用CeCl3进行处理后,叶绿素a、叶绿素b及类胡罗卜素含量均低于标准值,其中在60 mg/L的浓度下,叶绿素a显著低于对照组,下降幅度为22.4%,叶绿素b和类胡罗卜素下降幅度分别为24.2%及8.13%;在浓度120 mg/L的条件下,三项指标含量有小幅回升,但仍低于标准值,说明La(Ⅲ)在60 mg/L的浓度下能促进叶绿素合成,但随着含量的增加,反而会抑制叶绿素含量增加,这为稀土叶喷肥最佳工作浓度提供了科学依据。

汪建飞等[20]用不同浓度的稀土微肥对番茄叶片进行喷施,结果发现,叶绿素a的含量从0.96 mg/g增长到1.08 mg/g,叶绿素b的含量从0.40 mg/g增长到0.49 mg/g,叶绿素总量比施用前增长了15.44%,为番茄高产提供了重要保证。王波等[21]共设置18个小区用于种植糯玉米,采用随机区组排列,每小区面积4 m×3 m,将“常乐”稀土微肥配制设置了6个处理组,分别为50,100,200,400,600,800 mg/L,在播种50 d后,糯玉米进入生长旺盛阶段时定量使用。图1所示为糯玉米叶绿素随“常乐”稀土微肥、生育期变化所发生的改变,从图1可知,授粉后8、12、16、20 d,叶绿素含量随“常乐”稀土微肥浓度增大,先升高后降低,当浓度到达400 mg/kg时,其叶绿素含量为最大值,分别为8.58,9.46,10.08和9.95 mg/kg,因此,产量与相关光合特性系数呈正相关[22-24]。

图1 糯玉米授粉后整株叶绿素的变化[21]

2.3.2促进农作物矿物质吸收

稀土微肥具有促进作物对矿物质元素吸收、转化和利用的功能。Zhong等[25]比较了La(NO3)3和La(NO3)3-氨基酸螯合物(La(Ⅲ)-AA)对水稻的生长、氧化应激、超微结构、生物积累和基因表达的影响,结果表明,20 mg/L的La(Ⅲ)-AA可以有效地改善水稻的CuSO4(50 mg/L)胁迫,减少氧化胁迫,增加叶绿素含量,从而促进生长。Lian等[26]对小豆品种“金5号”用3%过氧化氢灭菌25 min,然后用蒸馏水洗涤,之后用蒸馏水预处理种子6 h,种子播撒在含4 kg沙子的塑料罐(40 cm×30 cm×15 cm)中,14日龄幼苗用0.4 mmol LaCl3溶液喷洒2次。实验设置了原始浓度为1%(磷缺乏)、原始浓度为5%(磷边缘)以及未调整的溶液(磷充足)3个不同的磷浓度梯度,分别测量了所有组别植物的生长、根系结构、根系水力导率、磷含量、气体交换和光合色素水平,结果表明,施用LaCl3可以通过诱导根系形态、AP酶和水力传导性的变化,促进赤小豆在磷限制下的生长和磷获取,显著提高叶片的磷浓度,有效提高了根、芽和叶片的磷吸收效率。

2.3.3农作物抗逆性增强

张权等[28]通过研究烤烟生长过程中施用不同稀土元素对根系活力、总吸收表面积、根干质量与根体积以及SOD、POD、CAT和PPO等4种氧化酶的影响,实验设置了4个处理,第1个在1 hm2烟田中施加450 kg烟草专用肥做对照组,其余3组同样在1 hm2烟田中施加450 kg烟草专用肥并分别加入15 kg、30 kg、45 kg的稀土肥料并混合均匀,在起垄时将70%的肥料采用条施的方式进行施用,移栽时将剩余30%的肥料施用于土壤,每隔10 d取1次样。实验表明,随着稀土肥料施用量增加,氧化酶的活性会降低,这样能够促进根系生长发育,为地上部分的生长提供保障。

渗透调节是植物抵御干旱的一种重要方式,植物可通过提高细胞内的有机或无机物质来维持膨压,防止细胞失水,保持细胞膜结构的完整性。若细胞受干旱胁迫,可能会引起细胞内活性氧清除系统紊乱,导致活性氧自由基积累,对细胞造成损害[29]。稀土微肥施入土壤后,促进了植株对养分的吸收利用,增强苗木抗病、抗旱、抗寒的能力[30,31],通过这种方式能使作物增产。例如施用“稀土磷肥+大丰收”,马铃薯晚疫病、环腐病发病率分别降低20.7%和9%,晚疫病病情指数降低11.8%,同时马铃薯晚疫病的田间发病日期较普通磷肥处理推迟2～8 d。

李天银等[32]研究发现,施用稀土磷肥后,与过磷酸钙相比,孜然的死苗率较对照组下降10.17%,显蕾期提前7 d,始花期提前3 d,成熟期提前5 d,生育期缩短5 d。由于生育期提前,从而降低了病虫害、高温天气及雨水对孜然生长的影响,有利于产量和质量的提高。除此之外,稀土微肥等几种稀土农用材料处理也能有效抑制有害细菌繁殖,增强作物对不良环境的适应能力,提高防病效果[33]。

3 总结与展望

目前,稀土微肥在农业上得到较为广泛的应用,在促进作物光合作用、增产增收、增强抗逆性方面取得显著效果,但是稀土微肥对植株的作用机理、生物学效应本质依旧不明确,稀土微肥最佳施用条件和使用标准依旧需要进一步完善,农用稀土的毒理学机制与规律有待进一步研究,农用稀土制剂产品质量和卫生学监测急需国家规范。因此,未来围绕稀土微肥的研究,主要开展以下3方面工作:①进一步研究稀土微肥对于植株的作用机理,奠定稀土微肥在农业领域应用的理论基础;②加强稀土微肥毒理性质研究,为稀土微肥在农业上的应用提供安全保障;③丰富稀土微肥的种类,针对不同作物开发不同稀土微肥品种,促进稀土微肥的推广和使用。未来随着稀土微肥理论研究的不断深入和应用领域的技术推广,稀土微肥一定会迎来新的更大发展。