稀土微肥在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用

侯思遠(yuǎn),林睿華,燕子紅,解 田,苗志偉

(1.喀什大學(xué)化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,新疆 喀什 844006;2.赤峰瑞陽化工有限公司,內(nèi)蒙古 赤峰 024000;3.南開大學(xué)化學(xué)學(xué)院元素有機(jī)化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300071)

化學(xué)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(nóng)作物對(duì)微量元素的需求量很少,但是微量元素對(duì)農(nóng)作物非常重要,具有提高作物產(chǎn)量、加速作物成熟和改善作物品質(zhì)的效果[1]。微量元素的缺乏會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)量降低、抗逆性減弱、產(chǎn)品品質(zhì)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(duì)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(jìn)植株生長。因此,研究稀土微肥符合現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的要求,在農(nóng)業(yè)方面有巨大的應(yīng)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(chǎn)國,也是世界上最大的稀土微肥使用國。不同于西方發(fā)達(dá)國家注重稀土微肥的理論研究,我國更注重其在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。中國農(nóng)業(yè)中使用的稀土化合物主要有稀土碳胺復(fù)合肥、稀土鉬螯合肥等。1986年,首批稀土商業(yè)肥料在我國注冊(cè),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(dāng)時(shí)我國最大的生產(chǎn)稀土農(nóng)用“常樂”益植素產(chǎn)品的生產(chǎn)定點(diǎn)廠,擁有千噸生產(chǎn)線和高精度質(zhì)檢分析設(shè)備。之后10年,又陸續(xù)建成大約100家生產(chǎn)稀土肥料的工廠[5]。2001～2005年期間,劉向生等[6]為了驗(yàn)證稀土微肥的應(yīng)用效果,在我國西部地區(qū)進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)。他們以稀土磷肥和過磷酸鈣為基礎(chǔ)肥進(jìn)行對(duì)照,對(duì)植物病害和含糖量進(jìn)行檢測(cè),實(shí)驗(yàn)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(chǎn)量,降低病株率,有利于形成高質(zhì)量幼苗,促進(jìn)有機(jī)物的生成,且稀土元素毒性很小,大致同鐵相當(dāng)。

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(nèi)尚未發(fā)現(xiàn)富集現(xiàn)象,因此不會(huì)對(duì)人體造成毒害[7]。稀土元素性質(zhì)活潑,易形成穩(wěn)定的配合物,我國于1972年首次將稀土元素引入農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中,并取得卓有成效的科研成果,因此稀土元素逐步被運(yùn)用到糧食作物、蔬菜、果樹等經(jīng)濟(jì)作物上。通過研究稀土元素對(duì)作物形態(tài)學(xué)建成和生理功能的影響,開發(fā)新型的稀土微肥,促進(jìn)作物成熟,提高作物的產(chǎn)量,提高肥料利用率。進(jìn)一步研究稀土微肥對(duì)植株的作用機(jī)理,加強(qiáng)稀土微肥毒理性質(zhì)研究,豐富稀土微肥的種類,實(shí)現(xiàn)“減施增效”,促進(jìn)我國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)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(duì)植物生長的影響

2.1 稀土元素在植物體內(nèi)的含量與分布

目前,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)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(jìn)農(nóng)作物生長,促進(jìn)農(nóng)作物對(duì)氮、磷等營養(yǎng)元素的吸收,從而縮短農(nóng)作物的生長周期,提升農(nóng)作物葉片中葉綠素含量,增強(qiáng)光合作用,促進(jìn)干物質(zhì)的積累,還可以增強(qiáng)農(nóng)作物的抗病性和抗旱性,進(jìn)而提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量。稀土元素在土壤中的轉(zhuǎn)化受到土壤理化性質(zhì)的影響,包括土壤陽離子交換能力、土壤礦物相、pH值、有機(jī)物和有機(jī)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(xì)胞壁的化學(xué)性質(zhì)、離子交換能力和絡(luò)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(yǎng)物質(zhì),因此,苔蘚植物吸收稀土元素時(shí)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(tài)從根組織內(nèi)部或根組織表面運(yùn)輸?shù)角o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(shù)和運(yùn)輸能力因植物的不同而有很大差異[11]。

2.2 影響形態(tài)建成

形態(tài)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(fā)、根系生長、莖葉形成、開花結(jié)實(shí)、種子形成等。宋曉東等[12]為探究不同稀土微肥對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量的影響,播種前在每667 m2的旱梯田地中施農(nóng)家肥3 500 kg,尿素25 kg做基肥,用畜力開溝、人工點(diǎn)播的方式播種,整個(gè)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(duì)照發(fā)現(xiàn),馬鈴薯產(chǎn)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(chǎn)39.90 kg,噴施“益植素”后馬鈴薯每667 m2增產(chǎn)299.50 kg,增產(chǎn)幅度為2.30%～17.50%,增產(chǎn)效果明顯。除增產(chǎn)以外,稀土微肥在促進(jìn)植物生長中也有不可忽視的作用。

山白蘭為國家二級(jí)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(duì)山白蘭幼苗進(jìn)行處理,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),使用20 mg/L的硝酸鑭處理的山白蘭幼苗總干重達(dá)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(shí),對(duì)山白蘭生長表現(xiàn)出一定的抑制效果。同樣使用10、20、40、80 mg/L硝酸鈰對(duì)山白蘭幼苗進(jìn)行處理,實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,20 mg/L的硝酸鈰處理的幼苗表現(xiàn)最佳,80 mg/L的硝酸鈰處理的幼苗表現(xiàn)最差。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,硝酸鑭促進(jìn)山白蘭幼苗生長的效果比硝酸鈰好。其他稀土微肥對(duì)水稻[13]、冬植蔗[14]、紅地球葡萄[15]、當(dāng)歸[16]增產(chǎn)和促進(jìn)生長的例子分別總結(jié)于表2和表3。由表可知,施用稀土微肥后,農(nóng)作物產(chǎn)量增加,植株也更高,表明稀土微肥有利于農(nóng)作物生長。

表2 稀土微肥對(duì)植株增產(chǎn)的影響

表3 稀土微肥對(duì)植株植高的影響

2.3 影響生理功能

2.3.1促進(jìn)農(nóng)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(jī)物積累,滿足植物對(duì)能量的需求,為植物形態(tài)建成、作物優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。在植物生長中,稀土元素不參與植物的生理過程,只促進(jìn)植物的光合作用和對(duì)磷肥的吸收,故被認(rèn)為是肥料的促進(jìn)劑[18]。

任紅玉等[19]使用60,90,120,150 mg/L的LaCl3和CeCl3對(duì)開花期的“農(nóng)42”大豆進(jìn)行處理,研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)LaCl3的濃度為60 mg/L時(shí),葉綠素含量達(dá)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(dá)到了5.97%,0.518%,1.025%;當(dāng)濃度為90,120,150 mg/L時(shí),各指標(biāo)含量呈下降趨勢(shì)。而利用CeCl3進(jìn)行處理后,葉綠素a、葉綠素b及類胡羅卜素含量均低于標(biāo)準(zhǔn)值,其中在60 mg/L的濃度下,葉綠素a顯著低于對(duì)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(xiàng)指標(biāo)含量有小幅回升,但仍低于標(biāo)準(zhǔn)值,說明La(Ⅲ)在60 mg/L的濃度下能促進(jìn)葉綠素合成,但隨著含量的增加,反而會(huì)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(xué)依據(jù)。

汪建飛等[20]用不同濃度的稀土微肥對(duì)番茄葉片進(jìn)行噴施,結(jié)果發(fā)現(xiàn),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(chǎn)提供了重要保證。王波等[21]共設(shè)置18個(gè)小區(qū)用于種植糯玉米,采用隨機(jī)區(qū)組排列,每小區(qū)面積4 m×3 m,將“常樂”稀土微肥配制設(shè)置了6個(gè)處理組,分別為50,100,200,400,600,800 mg/L,在播種50 d后,糯玉米進(jìn)入生長旺盛階段時(shí)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(fā)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(dāng)濃度到達(dá)400 mg/kg時(shí),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(chǎn)量與相關(guān)光合特性系數(shù)呈正相關(guān)[22-24]。

圖1 糯玉米授粉后整株葉綠素的變化[21]

2.3.2促進(jìn)農(nóng)作物礦物質(zhì)吸收

稀土微肥具有促進(jìn)作物對(duì)礦物質(zhì)元素吸收、轉(zhuǎn)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(duì)水稻的生長、氧化應(yīng)激、超微結(jié)構(gòu)、生物積累和基因表達(dá)的影響,結(jié)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(jìn)生長。Lian等[26]對(duì)小豆品種“金5號(hào)”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(yù)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(shí)驗(yàn)設(shè)置了原始濃度為1%(磷缺乏)、原始濃度為5%(磷邊緣)以及未調(diào)整的溶液(磷充足)3個(gè)不同的磷濃度梯度,分別測(cè)量了所有組別植物的生長、根系結(jié)構(gòu)、根系水力導(dǎo)率、磷含量、氣體交換和光合色素水平,結(jié)果表明,施用LaCl3可以通過誘導(dǎo)根系形態(tài)、AP酶和水力傳導(dǎo)性的變化,促進(jìn)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(nóng)作物抗逆性增強(qiáng)

張權(quán)等[28]通過研究烤煙生長過程中施用不同稀土元素對(duì)根系活力、總吸收表面積、根干質(zhì)量與根體積以及SOD、POD、CAT和PPO等4種氧化酶的影響,實(shí)驗(yàn)設(shè)置了4個(gè)處理,第1個(gè)在1 hm2煙田中施加450 kg煙草專用肥做對(duì)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(shí)將70%的肥料采用條施的方式進(jìn)行施用,移栽時(shí)將剩余30%的肥料施用于土壤,每隔10 d取1次樣。實(shí)驗(yàn)表明,隨著稀土肥料施用量增加,氧化酶的活性會(huì)降低,這樣能夠促進(jìn)根系生長發(fā)育,為地上部分的生長提供保障。

滲透調(diào)節(jié)是植物抵御干旱的一種重要方式,植物可通過提高細(xì)胞內(nèi)的有機(jī)或無機(jī)物質(zhì)來維持膨壓,防止細(xì)胞失水,保持細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的完整性。若細(xì)胞受干旱脅迫,可能會(huì)引起細(xì)胞內(nèi)活性氧清除系統(tǒng)紊亂,導(dǎo)致活性氧自由基積累,對(duì)細(xì)胞造成損害[29]。稀土微肥施入土壤后,促進(jìn)了植株對(duì)養(yǎng)分的吸收利用,增強(qiáng)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(chǎn)。例如施用“稀土磷肥+大豐收”,馬鈴薯晚疫病、環(huán)腐病發(fā)病率分別降低20.7%和9%,晚疫病病情指數(shù)降低11.8%,同時(shí)馬鈴薯晚疫病的田間發(fā)病日期較普通磷肥處理推遲2～8 d。

李天銀等[32]研究發(fā)現(xiàn),施用稀土磷肥后,與過磷酸鈣相比,孜然的死苗率較對(duì)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(duì)孜然生長的影響,有利于產(chǎn)量和質(zhì)量的提高。除此之外,稀土微肥等幾種稀土農(nóng)用材料處理也能有效抑制有害細(xì)菌繁殖,增強(qiáng)作物對(duì)不良環(huán)境的適應(yīng)能力,提高防病效果[33]。

3 總結(jié)與展望

目前,稀土微肥在農(nóng)業(yè)上得到較為廣泛的應(yīng)用,在促進(jìn)作物光合作用、增產(chǎn)增收、增強(qiáng)抗逆性方面取得顯著效果,但是稀土微肥對(duì)植株的作用機(jī)理、生物學(xué)效應(yīng)本質(zhì)依舊不明確,稀土微肥最佳施用條件和使用標(biāo)準(zhǔn)依舊需要進(jìn)一步完善,農(nóng)用稀土的毒理學(xué)機(jī)制與規(guī)律有待進(jìn)一步研究,農(nóng)用稀土制劑產(chǎn)品質(zhì)量和衛(wèi)生學(xué)監(jiān)測(cè)急需國家規(guī)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(jìn)一步研究稀土微肥對(duì)于植株的作用機(jī)理,奠定稀土微肥在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的理論基礎(chǔ);②加強(qiáng)稀土微肥毒理性質(zhì)研究,為稀土微肥在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用提供安全保障;③豐富稀土微肥的種類,針對(duì)不同作物開發(fā)不同稀土微肥品種,促進(jìn)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(yīng)用領(lǐng)域的技術(shù)推廣,稀土微肥一定會(huì)迎來新的更大發(fā)展。