輕稀土煙葉微肥技術(shù)研究
——以涼山州煙葉生產(chǎn)為例

龔 婷,周 瀅,周南森,坤燕昌

(西昌學(xué)院,四川 西昌 615000)

稀土元素作為化學(xué)元素周期表中鑭系元素的代表,因其獨(dú)特的化學(xué)性質(zhì)及廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域而備受關(guān)注。在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域,輕稀土元素如鑭(La)、鈰(Ce)、鐠(Pr)及釹(Nd)等用于制備稀土肥料,被稱為稀土微肥。煙葉的生長(zhǎng)周期相對(duì)較長(zhǎng),在收獲季節(jié)常遭遇梅雨天氣等自然因素的干擾,導(dǎo)致煙葉質(zhì)量下降,增加煙農(nóng)勞動(dòng)力成本。研究發(fā)現(xiàn),噴施含Ce的輕稀土葉面復(fù)合肥可增加煙葉K元素含量,抑制Cl-,從而提高煙葉的持續(xù)燃燒性及品質(zhì),故研究輕稀土元素在煙葉生產(chǎn)中的應(yīng)用、提高煙葉產(chǎn)量及質(zhì)量、縮短生長(zhǎng)周期對(duì)于煙草產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要意義。

1 稀土微肥研究進(jìn)展

稀土微肥因其性能良好、可增加產(chǎn)量、提高產(chǎn)品性質(zhì)得到了廣泛應(yīng)用,是一種重要的肥料,但在煙葉中應(yīng)用較少,因此研究稀土微肥對(duì)煙葉性能的影響具有廣闊的發(fā)展前景。研究表明,稀土元素可改善干旱對(duì)農(nóng)作物的危害,提高抗逆性及抗旱能力[1]。周荷益[2]研究發(fā)現(xiàn)了一種能夠抑制干旱引起的小麥葉片細(xì)胞膜相對(duì)透過(guò)性增加的稀土元素La3+,可降低干旱對(duì)小麥幼苗細(xì)胞膜的損傷。厚建霞[3]等研究了稀土微肥對(duì)當(dāng)歸的影響,結(jié)果表明,噴施0.8 g·mL-1氯化稀土微肥和1.2 g·mL-1硝酸稀土微肥對(duì)當(dāng)歸成藥栽培具有顯著的增效作用,適宜濃度的稀土微肥能夠促進(jìn)當(dāng)歸長(zhǎng)高、莖粗等。彭俊賢[4]等研究了稀土微肥對(duì)南方紅豆杉幼苗營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)的影響,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)采用1.05 mmol/L濃度稀土微肥灌溉對(duì)南方紅豆杉幼苗生長(zhǎng)影響最好。噴施稀土微肥,幼苗株高增加,枝條變多。

目前,稀土微肥已用于蘋果、葡萄、荔枝等30多種植物種植,研究表明,稀土微肥能夠增加經(jīng)濟(jì)林業(yè)產(chǎn)量,在一定程度上提升經(jīng)濟(jì)效益。還有人將稀土微肥投放于花草及中藥材種植中,研究結(jié)果表明,稀土微肥對(duì)經(jīng)濟(jì)林及大型樹木有一定促進(jìn)生長(zhǎng)的作用,對(duì)于花草及其他植物也有增加營(yíng)養(yǎng)量的顯著效果,可提供作物生長(zhǎng)所需要的微量元素,提高作物產(chǎn)量及品質(zhì),故可基于這些研究經(jīng)驗(yàn)利用稀土微肥來(lái)提高煙葉產(chǎn)量及品質(zhì)。

圖1 稀土微肥在林業(yè)上的應(yīng)用Fig.1 Application of rare earth microfertilizer in forestry

2 涼山州煙葉生產(chǎn)環(huán)境的特點(diǎn)

2.1 土壤特性

涼山州地處我國(guó)西南地區(qū),主要的土壤類型包括紅壤、棕壤及山地土壤。這些土壤在質(zhì)地、有機(jī)質(zhì)含量及酸堿度等方面存在顯著差異,對(duì)煙葉生長(zhǎng)及發(fā)育產(chǎn)生不同影響。紅壤廣泛分布于涼山州的低地地區(qū),富含鐵、鋁氧化物,具有良好的保水性及透氣性,酸性較低,有機(jī)質(zhì)含量適中,適合煙葉生長(zhǎng)。棕壤主要分布在涼山州的丘陵地帶,含有較高的有機(jī)質(zhì),具有良好的肥力。但棕壤的酸堿度可能因地理位置而異,需采取適當(dāng)?shù)耐寥栏牧即胧?。山地土壤主要分布在高海拔山區(qū),其特點(diǎn)是土層薄,石塊多,酸性較高。這種土壤類型對(duì)煙葉生長(zhǎng)具有一定的挑戰(zhàn),需要采取特殊的土壤管理方法。

2.2 氣候條件

涼山州氣候條件多樣,隨著海拔的升高變化明顯,屬亞熱帶季風(fēng)氣候,但高山地區(qū)存在明顯的高山氣候。低地地區(qū)夏季溫暖濕潤(rùn),冬季相對(duì)干燥,屬亞熱帶季風(fēng)氣候,梅雨季節(jié)的高降水量對(duì)煙葉生產(chǎn)有不利影響。丘陵地帶的氣候在高低地區(qū)之間過(guò)渡,季節(jié)性降水分布相對(duì)均勻,適合一些中生煙葉品種的生產(chǎn)。高山地區(qū)氣溫較低,冬季寒冷,夏季短暫而涼爽。煙葉生產(chǎn)受到高山氣候的限制,通常需選擇適應(yīng)寒冷環(huán)境的煙葉品種。

2.3 煙葉品種特點(diǎn)

根據(jù)土壤和氣候條件的不同,涼山州種植了多個(gè)煙葉品種,主要包括低產(chǎn)型煙葉、黃肋煙、寬葉煙等。每個(gè)品種都有其適應(yīng)的土壤及氣候條件,了解這些特點(diǎn)對(duì)于優(yōu)化煙葉生產(chǎn)至關(guān)重要。低產(chǎn)型煙葉品種適應(yīng)于低產(chǎn)型土壤,能夠在較差的土壤條件下生長(zhǎng),但煙葉質(zhì)量相對(duì)較低。黃肋煙對(duì)土壤要求相對(duì)較高,需要較肥沃的土壤及適中的氣候條件。寬葉煙對(duì)土壤及氣候條件要求相對(duì)較靈活,可適應(yīng)不同類型的煙田。

3 一種輕稀土煙葉微肥技術(shù)的研發(fā)

3.1 應(yīng)用背景

稀土元素廣泛存在于自然界中,被認(rèn)為可能是植物必需的超微量元素或作物生長(zhǎng)刺激素物質(zhì),其作用機(jī)制備受關(guān)注。有學(xué)者認(rèn)為,稀土元素具有一定的生理活性,可能對(duì)作物的生長(zhǎng)有促進(jìn)作用。研究表明,稀土元素對(duì)多種作物的高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)具有潛在作用,在植物生長(zhǎng)中具有一定的生物活性,這為其在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用提供了可能。研究顯示,合理施用稀土元素肥料對(duì)超過(guò)30種作物的產(chǎn)量及質(zhì)量具有顯著的積極影響。根據(jù)我國(guó)食品安全毒理學(xué)評(píng)價(jià)程序,合理使用稀土元素肥料是安全可靠的。為確保農(nóng)業(yè)中的稀土元素應(yīng)用安全有效,我國(guó)頒布了農(nóng)業(yè)硝酸稀土國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB 9668—94),為農(nóng)業(yè)稀土肥料的合理使用提供了依據(jù)[5]。

3.2 輕稀土肥料方案

煙草作為一種特殊的經(jīng)濟(jì)作物,栽培技術(shù)至關(guān)重要。合理施肥是關(guān)鍵的栽培技術(shù)之一,對(duì)于提高煙草產(chǎn)量及質(zhì)量至關(guān)重要。涼山州地區(qū)的稀土企業(yè)主要生產(chǎn)氧化鑭(La)、鈰(Ce)、鐠(Pr)、釹(Nd)等輕稀土氧化物,這為開發(fā)適用于當(dāng)?shù)責(zé)煵萆a(chǎn)的輕稀土葉面復(fù)合肥提供了豐富的原材料資源。

3.3 技術(shù)方案

為了開發(fā)出適用于涼山州煙葉生產(chǎn)的輕稀土葉面復(fù)合肥,根據(jù)理論研究、實(shí)際需求及農(nóng)業(yè)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)制定了以下技術(shù)方案:確定使用硝酸鈰作為液態(tài)葉面復(fù)合肥的主要成分。硝酸鈰具有良好的水溶性及植物可吸收性,適合作為稀土元素的來(lái)源。固體肥含REO(稀土氧化物的含量)為37%～38%,液體肥含REO為380 g/L,比重為1.3。為了便于施用和計(jì)量,將液體肥折算為固體肥,計(jì)算方法如下:380 g/L÷1.3 = 0.2923,即每升液體肥相當(dāng)于0.2923 kg的固體肥。加水稀釋時(shí),根據(jù)需要統(tǒng)一實(shí)際重量的加入量,確保施肥的準(zhǔn)確性及一致性。葉面肥的施用量以REO計(jì)量為50 g/畝。此用量的確定是在充分考慮煙葉需求及土壤條件的基礎(chǔ)上制定的,以提供適當(dāng)?shù)臓I(yíng)養(yǎng)支持,避免過(guò)度施肥。研究結(jié)果表明,最佳的噴施方式是葉面噴灑,建議使用0.04%的稀土溶液進(jìn)行噴灑。在煙苗移栽后的40 d(生長(zhǎng)的旺盛期)進(jìn)行第一次噴灑,再在15 d后進(jìn)行第二次噴灑。此施肥方案的時(shí)間安排能夠最大程度滿足煙葉對(duì)稀土元素的需求,有助于提高煙葉產(chǎn)量及質(zhì)量。

該技術(shù)方案的制定經(jīng)過(guò)理論研究及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,最大程度發(fā)揮了輕稀土葉面復(fù)合肥的效果,提供了明確的操作指南,可確保施肥的科學(xué)性及有效性。

3.4 技術(shù)關(guān)鍵

開發(fā)一種稀土礦微波分解高酸浸出提取高純鈰的方法,提供一種工藝路線短化、易于萃取分離且稀土回收率高的稀土提煉方法,解決現(xiàn)有工藝中存在的問(wèn)題,如工藝路線冗長(zhǎng)、工藝效率低、酸化浸出及萃取工藝不穩(wěn)定等。技術(shù)步驟如下:①稀土礦微波分解。采用微波分解技術(shù),將稀土礦物樣品暴露于高頻微波輻射下,使其受熱分解。通過(guò)微波的高效能量傳遞,實(shí)現(xiàn)礦石的快速加熱及分解,從而釋放出內(nèi)部的稀土元素。②高酸浸出。經(jīng)過(guò)微波分解的稀土礦樣品暴露于高濃度酸性溶液中,以促進(jìn)稀土元素的浸出。高酸浸出過(guò)程是關(guān)鍵的分離步驟,可將稀土元素從廢礦中有效地提取出來(lái)。③高純鈰的提取。從浸出液中選擇性地提取出高純度的鈰,涉及特定的化學(xué)反應(yīng)及分離工藝,可確保鈰的純度達(dá)到要求標(biāo)準(zhǔn)。④稀土回收率的提高。為提高稀土回收率,減少資源浪費(fèi),優(yōu)化微波分解、酸浸出及提取等關(guān)鍵步驟。

此技術(shù)方案的關(guān)鍵在于整合微波分解、高酸浸出及提取等關(guān)鍵工藝步驟,實(shí)現(xiàn)高效的稀土提煉。通過(guò)優(yōu)化每個(gè)步驟,顯著提高鈰的提取率及純度,降低能耗及化學(xué)品使用量,為稀土資源的可持續(xù)開發(fā)及應(yīng)用提供創(chuàng)新的解決方案。圖2為本技術(shù)的主要步驟。

圖2 主要步驟Fig.2 Main steps

3.5 工藝優(yōu)勢(shì)

較現(xiàn)行鹽酸浸出工藝來(lái)說(shuō),其能夠獲取更高純度的鈰系列產(chǎn)品,大大縮短萃取工藝路線,顯著壓縮稀土礦分離提純的生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)成本。加熱方式為微波加熱,傳播要比傳統(tǒng)加熱方式均勻得多,加熱效率比蒸汽工藝高得多。

4 結(jié)論

稀土元素雖然不是煙葉的生理必需元素,但卻是一種對(duì)煙葉內(nèi)在質(zhì)量有著重要影響的特征元素。在種植煙葉過(guò)程中,稀土元素除了來(lái)源于土壤之外,額外的添加會(huì)對(duì)煙葉自身元素含量造成影響。在不同的種植區(qū)域,需對(duì)煙葉進(jìn)行不同次數(shù)輕稀土復(fù)合肥的噴施,隨著輕稀土葉面復(fù)合肥的施用,煙葉體內(nèi)Ce元素含量不斷增加,K元素含量增加,Cl-含量減少。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,噴施輕稀土(含Ce)葉面復(fù)合肥不僅能提高煙葉中K元素含量,還能起到抑制Cl-的作用,為提升煙葉的持續(xù)燃燒性及品質(zhì)提供了有力依據(jù)。目前相關(guān)技術(shù)研究較少,需進(jìn)一步加強(qiáng)研發(fā),合理利用稀土資源,了解稀土元素對(duì)涼山州煙葉生長(zhǎng)發(fā)育、抗病性、產(chǎn)量、質(zhì)量的作用,研發(fā)出適合涼山煙葉生長(zhǎng)性狀的稀土葉面復(fù)合肥,縮短煙葉生長(zhǎng)周期,提高煙葉質(zhì)量及產(chǎn)量,減少煙農(nóng)勞動(dòng)量。未來(lái),輕稀土煙葉微肥效果還有待深入探究,以發(fā)揮其重要的應(yīng)用價(jià)值。