稀土施用下綠蘿對氮元素吸收能力的影響研究

王 瑩，邵 波

（浙江樹人大學生物與環(huán)境工程學院，浙江 杭州 310000）

在景觀植物生產(chǎn)中，若是施肥不當會發(fā)生名貴植物枯萎、鹽害甚至死亡的后果，給生產(chǎn)經(jīng)營者造成巨大的財產(chǎn)損失[1]。氮肥是植物生長不可缺少的元素之一，缺氮常造成植株矮小，影響覆盆效果[2]。氮肥作為作物生長必需的營養(yǎng)元素，為保證作物高產(chǎn)，常被過量施用[3]。氮輸入過量不僅會失去提高作物產(chǎn)量的作用，反而會導致氮肥利用率（NUE）低下（僅為20%～40%） 及嚴重的氮肥損失[4]。除此之外，氮素還會影響花卉的切花產(chǎn)量和養(yǎng)分的吸收。氮肥品種不同，反映在不同的作物上也會有較大的差異，如銨態(tài)氮肥施用在水稻上，則表現(xiàn)出氯化銨、碳銨和尿素作物生長效果好，雖然硫銨也是銨態(tài)氮肥，但在水田中常還原生成硫化氫，會妨礙水稻根的呼吸。煙草、葡萄、淀粉類作物等忌氯作物應減少氯化銨的使用或者不施。

目前大部分專家學者都認為植物生長未必需要稀土元素，但在許多研究結(jié)果中顯示，當條件適宜時稀土元素能改善植物的營養(yǎng)生理活性，使植物更多地吸收和利用養(yǎng)分。吳兆明[5]用鑭和鈰處理黃瓜根系后，顯著提高了谷丙轉(zhuǎn)氨酶和谷氨酸脫氫酶活性，這兩個酶在氨基酸代謝中起關(guān)鍵作用，因而對植物的氮代謝起了促進作用。采用示蹤技術(shù)發(fā)現(xiàn)，稀土對春小麥吸收、運轉(zhuǎn)、氮磷利用有促進作用，并可以提升土壤氮素的利用率[6]。植物吸收稀土元素有一個臨界值，當外源稀土施用量在合適的質(zhì)量濃度范圍內(nèi)時，才能較好地促進植物的生長發(fā)育，未達到此質(zhì)量濃度則對植物生長無明顯影響，而當稀土元素質(zhì)量濃度明顯跳出適宜范圍且大于臨界值時，將會抑制甚至毒害植物。

綠蘿別名黃金葛、魔鬼藤、黃金藤等，為天南星科藤芋屬常綠多年生草本植物。在溫暖潮濕和散射陽光充足的環(huán)境中能很好地生長。綠蘿是大型常綠植物，可以在水中培養(yǎng)，也可以在營養(yǎng)液中進行培養(yǎng)[7-8]，用水培養(yǎng)綠蘿的方法簡單易懂，在餐廳等地經(jīng)常用到水培的綠蘿。綠蘿外觀受人喜愛，還能吸收家居裝潢后空氣中的甲醛成分[9]。周曉紅《3 種景觀植物對城市河道污染水體的凈化效果》一文指出：美人蕉、綠蘿、馬麗安等3 種植物對總氮有很好的凈化效果，其中綠蘿對總氮去除率為48.161%，遠高于其他植物系統(tǒng)，同時對水體的CODMn亦有明顯的降解作用[10-11]。

1 稀土施用對氮元素吸收能力影響的實驗設(shè)計

1.1 材料預處理

從市場購買實驗所需的綠蘿，稍微洗凈根部的泥土后采用無土栽培法，將植株移出放置于清水中培養(yǎng)。

1.2 主要儀器與試劑

紫外分光光度計（型號：UV-2450PC |*）、10 mm 石英比色皿、具玻璃磨口塞比色管（50 mL）移液管、超純水器（型號：UPWS-1-60D）、超聲波消洗器，所用玻璃器皿可以用鹽酸（1+9） 或硫酸（1+35） 浸泡，清洗后再用超純水沖洗數(shù)次。

濃H2SO4；300 g/L H2O2；100 g/L KOH 溶 液；100 g/L 酒石酸鈉溶液；納氏試劑；100 μg/mL N（NH4+-N） 標準溶液；超純水，無氨；鹽酸溶液，1＋9；所有試劑的配制都需要用不含氨的蒸餾水（超純水）。

1.3 測定內(nèi)容與實驗方法

1.3.1 對比法測綠蘿體內(nèi)總氮質(zhì)量分數(shù)

采用對比實驗法，分別取長勢相似的兩三株培植2 d 的綠蘿于三角錐形瓶中，其溶液為基礎(chǔ)營養(yǎng)液和稀土鈰溶液，設(shè)定稀土鈰溶液質(zhì)量濃度分別為0 mg/L，2 mg/L，5 mg/L，尿素質(zhì)量濃度分別為0 mg/L，200 mg/L，400 mg/L，600 mg/L。

第一組：控制稀土鈰溶液質(zhì)量濃度為0 mg/L不變，將綠蘿分別置于尿素質(zhì)量濃度為0 mg/L，200 mg/L，400 mg/L，600 mg/L 的溶液中培養(yǎng)，分別在第3 天、第6 天、第9 天、第12 天、第15 天時，測定綠蘿體內(nèi)總氮質(zhì)量分數(shù)。接下來改變控制變量稀土鈰溶液質(zhì)量濃度分別為2 mg/L 和5 mg/L，重復以上步驟。

第二組：控制尿素質(zhì)量濃度為0 mg/L 不變，將綠蘿分別置于土鈰溶液質(zhì)量濃度為0 mg/L，2 mg/L，5 mg/L 的溶液中培養(yǎng)，在第3 天、第6 天、第9 天、第12 天、第15 天時，測定綠蘿體內(nèi)總氮質(zhì)量分數(shù)。接下來改變尿素質(zhì)量濃度為200 mg/L，400 mg/L，600 mg/L，重復以上步驟。

1.3.2 實驗方法

選用硫酸—過氧化氫消煮后采用納氏分光光度法，納氏比色法是在濃硫酸溶液的作用下，植物樣品經(jīng)過脫水炭化、氧化等過程，而氧化劑H2O2在熱濃H2SO4溶液的作用下發(fā)生激烈的氧化作用分解出的新生態(tài)氧（H2O2→H2O2+ [O]），分解H2SO4沒能毀壞的有機物和碳，使有機氮、磷等轉(zhuǎn)化為無機銨鹽和磷酸鹽等，最后用納氏比色法測定得到消煮液中的總氮質(zhì)量分數(shù)。采用該方法主要是考慮到實驗室儀器設(shè)備不能達到所測定要求的因素，采用濃硫酸—過氧化氫將剪碎的植物葉片進行消煮成溶液，取該消煮液置于容量瓶中，加入酒石酸鈉溶液、KOH 溶液調(diào)節(jié)pH 值以中和溶液中的酸，加納氏試劑后定容搖勻，在波長為420 nm 下用分光光度計比色。

1.3.3 模擬尿素質(zhì)量濃度梯度配置

標準溶液-N 標線：標準系列質(zhì)量濃度分別為0 μg/mL N，0.5 μg/mL N，1.0 μg/mL N，1.5 μg/mL N，2.0 μg/mL N，2.5 μg/mL N 的（NH4+-N），以超純水作參比，在波長為420 nm 下用分光光度計比色，并繪制標準曲線。

根據(jù)實驗所繪制的標準曲線，準確稱取尿素白色晶體（分析純），用超純水配成尿素溶液，放置于錐形瓶中進行培養(yǎng)，在各組實驗中處理液均以此尿素溶液為母液。尿素質(zhì)量濃度梯度為0 mg/L，200 mg/L，400 mg/L，600 mg/L。

1.3.4 稀土鈰溶液質(zhì)量濃度配置

稱取CeO20.061 42 g 于燒杯中，加入濃硝酸和少量H2O2，加熱溶解，待溶解后用500 mL 的容量瓶定容，質(zhì)量濃度為100 mg/L，將溶液裝入洗凈的塑料試劑瓶中。分別取鈰儲備液10 mL，25 mL 于三角錐形瓶，得到質(zhì)量濃度梯度為2 mg/L，5 mg/L的硝酸鈰。

1.3.5 營養(yǎng)液的配置

根據(jù)文獻中不同營養(yǎng)液對綠蘿的培養(yǎng)情況得出適合綠蘿生長的營養(yǎng)液配方：CaCl2·H2O 17.7 g/L；MgSO4·7H2O 15 g/L；KH2PO410 g/L；Na2Fe-EDTA 18.6 g/L；FeSO4·7H2O 13.9 g/L。需稀釋10 倍后再使用。

2 稀土施用對氮元素吸收能力影響實驗結(jié)果分析

2.1 稀土鈰對綠蘿吸收氮素代謝的影響

氮素在植物生長發(fā)育的過程中有十分顯著的影響。充足的氮素可以提高植物的蛋白質(zhì)合成率，加快細胞分裂和增長的速度，還能增大植物進行光合作用的主要場所葉片的面積。大量的肥料是綠蘿在生長過程中必需的，葉片很難在養(yǎng)分不足的情況下成長。施液肥的時間控制在兩周左右，來保證植物較好的生長。

稀土元素有提高作物產(chǎn)量，加強作物對氮、磷、鉀的吸收，增大葉綠素質(zhì)量分數(shù)和提高光合作用速率等作用[12]。試驗表明：施用一定質(zhì)量濃度的稀土微肥可以明顯提高作物體內(nèi)葉綠素質(zhì)量分數(shù)，達到促進光合作用進行的目的。稀土元素還能提高作物抗逆境的能力，如抗旱、抗酸雨及抗重金屬脅迫的能力。研究表明適量的鈰能使綠蘿更好地進行光合作用和吸收養(yǎng)分，改善植株的生長。但是過量的稀土元素會在植物體內(nèi)累積，阻礙了植物生長。

2.2 納氏比色法測定結(jié)果

使用濃硫酸—過氧化氫消煮納氏比色法，隔3 d 測定綠蘿體內(nèi)總氮質(zhì)量分數(shù)。

以超純水作為參比，在波長為420 nm 下測定其分光光度，測得的峰面積與對應質(zhì)量濃度工作曲線進行線性回歸，得到線性方程為：y=0.190 9x＋0.041 2，相關(guān)系數(shù)r2=0.998，線性關(guān)系良好。

2.3 總氮質(zhì)量分數(shù)的計算

濃硫酸—過氧化氫消煮納氏比色法所測得為實驗中所得的植物葉片消煮液中總氮質(zhì)量分數(shù)，計算公式為

式中：ρ 為從標準曲線查得顯色液N（NH4+-N） 的質(zhì)量濃度，μg/mL；V為顯色液體積，單位mL；ts為分取倍數(shù)，消煮液定容體積/吸取消煮液體積；m為干樣品質(zhì)量，g；由此公式可得綠蘿中總氮所占的平均質(zhì)量分數(shù)。

2.4 數(shù)據(jù)分析

1） 相同質(zhì)量濃度稀土鈰施加不同質(zhì)量濃度尿素所測得的綠蘿葉片中總氮所占百分數(shù)。在未施加稀土鈰時，把綠蘿放置于基礎(chǔ)營養(yǎng)液中培植，在溶液中尿素質(zhì)量濃度不斷增加的過程中，測得其葉片內(nèi)總氮質(zhì)量分數(shù)也隨之迅速增加，結(jié)果表明尿素質(zhì)量濃度處于600 mg/L 時吸收能力最好，而尿素質(zhì)量濃度為0 mg/L 時總氮富集量比其他尿素質(zhì)量濃度都要低，其中第9 天表現(xiàn)為0.662%，比尿素質(zhì)量濃度為200 mg/L 時減少了0.039%，比400 mg/L 時減少了0.166%，比600 mg/L 時減少了0.178%。

當前6 d時綠蘿體內(nèi)總氮富集量普遍呈現(xiàn)快速增長的趨勢，在第6～12 天期間綠蘿吸收速度相對緩慢，最終達到一個最大值，此時質(zhì)量濃度600 mg/L 尿素總氮質(zhì)量分數(shù)比0 mg/L 增長了0.171%，比200 mg/L 增長了0.099%，比400 mg/L增長了0.01%。在不斷加大溶液中尿素的質(zhì)量濃度時，測得其葉片內(nèi)總氮質(zhì)量分數(shù)也隨之迅速增加，在施加的尿素質(zhì)量濃度處于600 mg/L 時，綠蘿吸收總氮能力最好，最大吸收值為0.915%。當Ce3+質(zhì)量濃度2 mg/L 時總氮富集量最大為0.907%，Ce3+質(zhì)量濃度5 mg/L 時則為0.915%，說明施加質(zhì)量濃度為5 mg/L 的鈰且尿素質(zhì)量濃度為600 mg/L 時，綠蘿吸收總氮質(zhì)量分數(shù)能力達到最強，其蛋白質(zhì)的合成率也在增加，有利于細胞分裂和增長的過程，使綠蘿更好地生長。

2） 相同尿素質(zhì)量濃度下施加不同質(zhì)量濃度稀土鈰所測得的綠蘿葉片中總氮所占百分數(shù)。同一尿素質(zhì)量濃度下溶液中施加不同質(zhì)量濃度稀土鈰所測得的綠蘿葉片內(nèi)總氮的富集量（見圖1～圖4）。

圖1 中可以看出施加5 mg/L Ce3+時綠蘿體內(nèi)總氮富集量達到一個高峰期，在第9 天時5 mg/L Ce3+測得總氮所占百分數(shù)為0.797%，0 mg/L Ce3+則為0.662%，2 mg/L Ce3+則為0.687%。當實驗過程中觀察到第12 天時總氮質(zhì)量分數(shù)為0.841，同其他質(zhì)量濃度值在同一時刻比較，比0 mg/L Ce3+增加9.51%，比2 mg/L Ce3+增加8.66%，同時也可以看出施加0 mg/L Ce3+中吸收總氮能力最低，該結(jié)果說明施加一定的稀土質(zhì)量濃度有利于植物對養(yǎng)分的吸收。

圖1 當尿素質(zhì)量濃度為0 mg/L 時施加不同鈰濃度下綠蘿體內(nèi)總氮的百分數(shù)

圖2 當尿素質(zhì)量濃度為200 mg/L 時施加不同鈰濃度下綠蘿體內(nèi)總氮的百分數(shù)

圖3 當尿素質(zhì)量濃度為400 mg/L 時施加不同鈰濃度下綠蘿體內(nèi)總氮的百分數(shù)

圖4 當尿素質(zhì)量濃度為600 mg/L 時施加不同鈰濃度下綠蘿體內(nèi)總氮的百分數(shù)

從圖2 中可以看出第3 天施加0 mg/L Ce3+總氮質(zhì)量分數(shù)為0.439，比2 mg/L Ce3+降低37.59%，比5 mg/L Ce3+降低45.10%。當培植至第9 天時，施加5 mg/L Ce3+中總氮質(zhì)量分數(shù)為0.844，同其他質(zhì)量濃度值在同一時刻比較，比0 mg/L Ce3+增加16.91%，比2 mg/L Ce3+增加了11.81%。當培植至15 d，總氮質(zhì)量分數(shù)均達到最大，表現(xiàn)為5 mg/L Ce3+時總氮質(zhì)量分數(shù)為0.871，0 mg/L Ce3+總氮量為0.839%，2 mg/L Ce3+總氮量為0.837%。

圖3 中可以看出在前6 d施加稀土鈰質(zhì)量濃度0 mg/L 時總氮能力最低，但是之后就表現(xiàn)為0 mg/L時總氮富集量迅速增加，當培植12 d時Ce3+為2 mg/L 時總氮質(zhì)量分數(shù)為0.854，Ce3+為5 mg/L 時為0.852%，這說明在尿素質(zhì)量濃度不變的情況下，稀土鈰質(zhì)量濃度越高反而抑制了總氮在其體內(nèi)的富集能力。

圖4 可以看出綠蘿植株培植至12 d，隨著溶液中稀土鈰質(zhì)量濃度不斷增加，測得其葉片內(nèi)總氮質(zhì)量分數(shù)也隨之迅速增加，隨著時間的累積，植物吸收總氮能力也跟著增強，其中當5 mg/L Ce3+時總氮富集量達到最大，且在尿素質(zhì)量濃度為600 mg/L 和稀土質(zhì)量濃度為5 mg/L 時，綠蘿對氮的吸收能力達到高峰值。

3 稀土施用對氮元素吸收能力影響的實驗結(jié)論

3.1 綠蘿對不同質(zhì)量濃度尿素溶液的吸收

從表1 中看出，在沒有施加稀土鈰溶液時，綠蘿體內(nèi)總氮富集量隨著質(zhì)量濃度的變化而變化，最終達到一個穩(wěn)定的程度。培植開始，綠蘿對總氮的吸收急劇上升，到第3 天時施加了0 mg/L 尿素比200 mg/L 尿素低8.43%，比400 mg/L 尿素低16.08%，比600 mg/L 尿素低35.47%。隨后總氮富集量增加，第12 天時施加600 mg/L 尿素比0 mg/L尿素增加了20.26%，比200 mg/L 尿素增加了11.73%，比400 mg/L 尿素增加了0.36%。從而可以得出：施加的培養(yǎng)液中適量質(zhì)量濃度尿素（600 mg/L時吸收能力最好） 促進總氮在綠蘿體內(nèi)的富集。

3.2 稀土鈰能使綠蘿體內(nèi)總氮的質(zhì)量分數(shù)增加

從圖1 ～圖4 中看出，當尿素質(zhì)量濃度為200 mg/L 時，觀察第9 天施加5 mg/L Ce3+中總氮質(zhì)量分數(shù)為0.844，比0 mg/L Ce3+增加16.91%，比2 mg/L Ce3+增加11.81%。培植至12 d，在溶液中隨著稀土質(zhì)量濃度不斷增加，綠蘿生長都達到最好，葉片呈嫩綠。當尿素質(zhì)量濃度處于400 mg/L 時，表現(xiàn)為0mg/L Ce3+時總氮質(zhì)量分數(shù)最低，2 mg/L Ce3+時總氮質(zhì)量分數(shù)最高，其次為5 mg/L Ce3+。第3 天有施加了稀土鈰溶液的綠蘿體內(nèi)總氮質(zhì)量分數(shù)相對于沒施加稀土鈰的綠蘿總氮質(zhì)量分數(shù)變化為3.13%，4.09%，第6 天變化了4.64%，6.06%，第12 天降低了3.29%，6.02%，結(jié)果表明在尿素質(zhì)量濃度處于600 mg/L 和Ce 質(zhì)量濃度處于5 mg/L 時，綠蘿對氮的吸收能力達到一個最大值。

表1 總氮百分比的初始值與最終值比較

4 結(jié)束語

目前研究很少關(guān)注農(nóng)用稀土對水體環(huán)境質(zhì)量的影響，尤其是在水施稀土作用下產(chǎn)生的影響，植物吸收營養(yǎng)物質(zhì)的能力隨季節(jié)差異而存在區(qū)別，且不同植物器官對營養(yǎng)元素的累積特征也存在著顯著的季節(jié)差異。筆者主要從觀察綠蘿的生長情況和測定綠蘿體內(nèi)的總氮富集量進行研究，由于對植物體內(nèi)總氮的測量方法研究占據(jù)了很大的時間，并沒有很好地揭示稀土鈰對植物吸收總氮能力的影響，以及研究對象比較單一，缺少可比性，今后仍需對水中的總氮質(zhì)量分數(shù)進行觀察研究，與植物體內(nèi)總氮研究形成對比，更好地揭示稀土施用對綠蘿吸收總氮能力的影響；對于綠蘿的不同器官對氮元素的吸收能力變化以及隨著季節(jié)的變化總氮質(zhì)量分數(shù)在綠蘿體內(nèi)的累積情況還有待進一步研究討論。

大量研究表明，適當?shù)氖褂孟⊥劣欣谥参飳︷B(yǎng)分的吸收和利用，促進植物的生長發(fā)育等一系列過程。氮作為植物生長發(fā)育所需的重要元素，稀土可以減少土壤氮素的流失，若能在日后研究中揭示稀土對植物（尤指農(nóng)作物） 吸收總氮能力的影響，則有望提高農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量、抗性和品質(zhì)，甚至還能降低農(nóng)藥及化肥的使用量，在很大程度上節(jié)省了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的成本，實現(xiàn)了提高農(nóng)業(yè)產(chǎn)量和保護環(huán)境的雙贏。

針對當前稀土用于農(nóng)業(yè)的現(xiàn)狀，應該著重加強以下工作：一是制定相應政策，將稀土作為有益元素或植物生長調(diào)節(jié)劑在作物上大范圍應用；二是擴大稀土農(nóng)用范圍；三是加大對稀土農(nóng)用機理研究的資金投入，為稀土農(nóng)用提供堅實的理論基礎(chǔ)。另外，在利用稀土元素來增產(chǎn)和緩解其他逆境的同時，也要考慮若是過量使用稀土或稀土在農(nóng)作物體內(nèi)的長期積累后對環(huán)境造成的破壞，盡量取其精華去其糟粕，避免其他方面的污染。