稀土在农业应用的利与弊.doc

稀土在农业应用中的利与弊 稀土是周期系B族中镧系的15个元素，及与镧系元素性质极为相似的钪、钇共十七种元素组成，统称为稀土元素。我国稀土资源得天独厚，因而对稀土的应用也极为广泛，其中在农业中的应用已获得了一定的经济效益，稀土农用是我国首创并居于国际领先水平的一项重大成果；也是开发利用我国丰富稀土资源中的一项具有中国特色的重要成就。但与此同时，稀土农用的环境化学行为及生态、毒理效应，也给生态环境和人类健康带来了安全隐患。1、 稀土在农业应用中的利处1.种子萌发和生根发芽稀土拌种、浸种，可增加种子活力，促进作物种子萌发，提高种子的出苗率，是稀土使作物增效的一种重要作用。用一定浓度的稀土化合物浸种拌种可以增加种子的活力，这种作用已应用在小麦、水稻、玉米、大豆、白菜、油菜、麻类等大田作物上，其中小麦发芽提高幅度达819%，胡麻提高7%12%。稀土的这种作用也用于牧草种植，其发芽率提高9.819%。在林业上苗圃基地也利用稀土的这个特性，也明显提高了种子的活力，用适量的稀土化合物溶液处理油松、柠条及华北落叶松种籽，可分别提高种籽活力指数8%13%、25.957.2%和9%，发芽率分别提高4%11%、2%6%和3%9%，比田间出苗高率要早24天。 另外，研究表明，适量的稀土元素可促进植物根系的生长发育，提高根系活力，促进根分化和代谢活动，提高根对营养元素的吸收能力。而植物根系是植物从其生活环境中获取水分和养分的重要器官，根系的生理活动直接影响着植物一生的生长发育。Wahid等对椰子树（Cocos nucifera）施用稀土元素发现，稀土元素在低浓度时促进椰子树根系生长，但在高浓度时抑制其根系生长并使根系对营养元素P和Ze的吸收明显减少。这说明适量的稀土元素可促进植物根系的生长发育，提高根系活力，促进根系分化和代谢活动，提高根系对营养元素的吸收能力，而高浓度稀土元素将抑制植物根系吸收养分的能力并影响根系生长。稀土元素对木本植物插条生根也具有促进作用，特别是稀土微肥和生长刺激素及生长素配合效果更好，这一应用在杨树、月季、圆柏、落叶松做扦插时，其生根率达到60%85%，龙眼、高山含笑、板栗等难生根树种插条根系生长也可达到35%60%，比单用激素生根率提高30%。稀土对种子活性的增强和发芽率的提高以及对木本植物扦插生根的促进作用能够保证作物出苗率和扦插成活率，不但打下了丰收基础，而且还节约了时间和成本。稀土微肥的这一使用改变了谚语常说“有钱买籽，无钱买苗”的状况。2.促进叶绿素的增加、提高产量和改善品质叶绿素是植物进行光合作用的物质基础。研究表明9，植物叶面施用稀土后，稀土离子将取代叶绿素中的Mg，形成夹心螯合物，使叶绿素能吸收波长较短能量较高的光子，传输到反应中心，增强叶绿体催化CO2转化为糖的还原性，而叶绿素含量越高，光合作用的强度就越大。多年试验结果表明，许多作物应用稀土后，叶绿素含量都有所提高。叶片喷施适量的稀土可明显提高光合速率、叶绿素含量、光量子通量密度等生理指标，稀土可促进黑穗醋栗生长就是这一作用的有力例证。长期定位试验结果也表明3，稀土具有促进林木种子生长发育，提高林产品产量，改善产品质量等应用。目前应用树种已达40个以上，以浸种、拌种、沾根、插条和叶面喷施等方式用于苗木培养，促进树木生长，防病抗逆，增加产量。果树施用稀土不仅可以增加产量，而且可改善苗木和果品质量，使果实含糖量、维生素含量及硬度指标等均有不同程度的提高，同时可以促进着色，提早成熟；苗木一级品率提高15%25%。喷施稀土可使苹果和柑橘果实的Vc含量，总糖含量，糖酸比均有所提高，促进果实着色和早熟，并可抑制贮藏过程中的呼吸强度，降低烂率。施用稀土复合肥还可减少蔬菜中硝酸盐的积累，而且降低幅度和趋势极为明显。3. 稀土元素对植物矿质营养代谢的影响 大量研究资料表明，施用适当浓度稀土元素能促进植物对养分的吸收，转化和利用，这已得到许多实验结果的证实。用富镧稀土对春小麦喷施或拌种，采用15N，32P示踪技术检测，实验结果显示春小麦生长发育得到促进，结实穗数和籽粒数也有所增加，表明使用稀土可提高春小麦对氮，磷肥的吸收，运转，利用，并减少土壤中氮素损失。聂呈荣发现，花生喷施稀土，对根瘤固氮活性和叶片硝酸还原酶活性均有显著的促进作用，从而提高了叶片氨态氮含量，降低了硝态氮含量，改善了植株的碳氮代谢，对改善品质，提高产量有利。常江发现镧(10mol/L)和钙(1mol/L)均可降低水稻根系对K+的亲和力，导致K+的吸收下降。镧可促进磷吸收，而钙则相反。廖铁军研究了稀土在氮，磷均衡营养供应的条件下，对几种作物的增产刺激作用。认为增产机理在于稀土可促进，协调作物对矿质养分的吸收，刺激酶活性。而且稀土是生理活性物质，必需与大量营养元素进行合理的配用，才能发挥效益。李元沅发现在灰泥田水稻分蘖始期和初穗期喷施稀土离子可使根际容积磁化率提高，并显著促进水稻对养分的吸收和生长发育。4. 稀土元素对植物抗逆性的影响 大田作物栽培常会遇到诸如干旱，高温，低温，盐渍，病虫害等逆境条件。使用稀土，可以增强作物对上述不良环境条件的抵抗能力。用300mg/Kg稀土溶液处理棉花种子，枯萎病发病率可降低18.96%-11.45%，病情指数降低25.6%-17.43%，相对防效分别为29.19%-39.3%。但高浓度稀土则效果不明显，甚至产生药害。其他作物施用稀土也都显示出不同程度的抗病性。对于稀土元素能增强作物的抗逆性和抗病性，宁加贲认为在于稀土离子能与细胞膜的磷脂结合，调节钙的代谢，并取代Ca+2离子，参与与Ca+2有关的许多生理过程，所以，稀土离子能维持细胞膜的通透性和稳定性，提高细胞膜的保护功能，增强作物对不良环境的抵抗能力。加强代谢过程中的氧化酶活性，有效地抑制病原体侵染，从而提高作物的抗病性。5.稀土元素对植物光合作用的影响光合作用对植物干物质的积累和作物产量均有决定性的作用。无论是大田实验，还是实验室实验都明确证明，稀土元素对植物的光合作用有明显的影响。显微学研究表明：稀土可增加叶肉组织中叶绿体的数量，提高微管束的排列密度，因此可提高光合作用效率。稀土元素对糖用甜菜块根膨大期和糖分积累期光合产物分配的影响可利用CO2示踪法来检测。结果显示，喷施适当浓度稀土元素可提高甜菜同化CO2能力，提高根冠比，改善光合产物的分配，有利于光合产物向块根运输。用适当浓度稀土元素在苗期和花针期喷施花生时，可提高叶片叶绿素含量和净光合强度，因而增加花生荚果产量。刘洪章等用叶面喷施稀土方法，对黑穗醋栗生长进行了研究，发现低浓度(300-800ng/L)处理能显著增大叶面积，提高叶片叶绿素总量，对叶片光通量密度，气孔导度和蒸腾速率均有良好的影响，对提高座果率，单株产量等均有益处，而高浓度处理时则出现抑制作用。6. 稀土转光膜稀土离子独特的外层电子结构，使得它在形成有机或无机化合物后，容易吸收近紫外光而激发。而稀土转光膜，就是利用有机配体对紫外光的高吸收，稀土离子的高发光效率，并把稀土有机配合物分散到现有的多功能农膜中研制而成的具有荧光转换发光功能的农用高分子材料。稀土转光膜可以将太阳光中对作物生长不利的紫外光的绝大部分转变为植物光合作用能直接利用的红橙光，通过改进作物的光照质量，进而提高作物体内的叶绿素含量1。因此，与普通膜相比，能明显的提高农作物的光合作用强度、提高地温和棚温、降低作物病情指数和果实中硝酸盐含量、加快生育过程、提高作物产量748、增加果实中Vc、胡萝卜素和可溶性糖的含量。7. 稀土抗旱保水剂保水剂是一种高吸水性树脂，这类物质含有大量的强吸水基团，结构特异，在树脂内不可产生高渗透缔合作用并通过其网孔结构吸水，它最大吸水可高达自身重量的1000倍。此项研究是吸纳国外的保水技术，采用独特的稀土催化剂和添加技术，研制而成的稀土高分子吸水材料。它能够调节土壤水和肥的综合功能，保持和提高水分、养分有效性。其使用方法简便，成本低廉，被农业专家重视并推广使用。8.稀土改性磷肥稀土磷肥不是在磷肥产品中机械混入稀土元素制备复混而成的稀土磷肥，而是在硫酸分解磷矿粉时，浓硫酸中预先引入稀土离子，在制备过程中稀土元素是反应体系中的一个组分，参与化学和物理反应的全过程。稀土元素起着活化、催化作用并影响反应过程和反应机制，从而优化反应体系状态、反应产物和产品指标。这时稀土元素同时均匀的分布在复杂产物晶格和固熔体中，制备了含稀土元素的磷肥。其特点为：有效磷含量高，比普通法生产的过磷酸钙为主导的磷肥的有效磷高20%40%。植株吸收好、利用率高、土壤固定少，已被中科院地理所称为“绿色磷肥“；这项生产技术制备的磷肥含有5%左右的游离磷酸，能够中和土壤中的一部分碱，从而达到改善盐碱的目的。9.稀土植物生长调节剂目前，存在花样繁多的植物生长调节剂。但从效果来看，“益植素”稀土调节剂的作用优于其它产品。虽然“益植素”稀土不是植物必需的营养元素，但研究表明，其离子半径与钙离子相似，植株缺钙时能够代替钙的功能，用来稳定细胞结构；同时稀土还能作为酶的辅基，增强植株的酶活性，增加对氮、磷、钾等养分的吸收，增强植株的抗逆性。其还有一个最重要的功能即增加叶片中叶绿素的含量，加速光合作用，提高产量。为此，稀土与多种无机营养元素和有机元素复合所制备的植物生长调节剂具有广泛的应用前景。具有代表性的产品如：精品稀土和益植素。10.有机稀土饲料添加剂 有机稀土饲料添加剂是一种应用效果极为明显的新型饲料添加剂，在畜禽使用稀土饲料添加剂后，能够完善饲料的营养性能、提高饲料利用率、促进畜禽的生长发育、防治疾病、缩短饲养期和改善品质。饲料中添加一定剂量的稀土后，畜禽健康活泼、食欲旺盛、生长正常和营养状态良好。多年的生产实践表明，有机稀土饲料添加剂的使用，能明显提高，尤其是对幼体肌体免疫能力效果更加显著，从而减少各种疾病发生率、保证幼体的成活和快速生长。2、 稀土在农业运用的弊端 我国农用稀土年用量在千吨以上，至今尚无稀土是生命必需元素的证据，那么，如此大规模地应用稀土，势必将原先在地壳中处于稳定态的稀土变成易被生物利用的形态大量进入环境，并且它们在环境中的迁移、转化和归趋，对生态环境的影响以及通过食物链对人体健康产生危害等稀土安全性问题应该受到我们的极大关注。近年来，我国科技工作者围绕稀土农用环境化学行为的生态效应等方面展开系统的研究。所获得的大量研究成果可为我国稀土农业的安全性评价提供基础数据，并从环境化学和土壤化学角度回答了稀土农用对环境、生态等方面的安全性问题。下面我们就具体来探讨这一问题。1. 稀土农用对土壤产生的不良影响稀土作为复合肥被施用，进入土壤后，它的残留以及发生的各种反应势必会对土壤产生不良影响。根据实验进行有关数据的测定，并将对流扩散方程确定弥散系数的方法应用于稀土元素在土壤中的迁移，在普通雨水（pH5.6）淋溶下，稀土元素大约每两年才迁移1cm，在酸雨（pH4.0、pH3.0）淋溶下，每年迁移2cm以内。在有机配体（EDTA）存在下，稀土元素较容易向下迁移。在pH5.6和pH4.0的雨淋溶下，Ce每年迁移28.8cm，5年左右即可迁移到地下水。在此条件下，其他稀土元素向下迁移速率均在7.2cm/a以上，说明不到20年稀土元素会迁移到地下水。因此，当土壤溶液中存在配合剂且其配合能力强时，需采取相关措施防止稀土元素向下迁移。另外，应用生态毒理学方法研究外源稀土对作物早期伤害的敏感指标的研究过程中，通过测定生长在不同外源稀土浓度土壤中的农作物得出应依据初生根根长，建立剂量效应关系。并且王晓荣课题组根据稀土元素在红壤植物系统的传输过程，土壤有机质、pH、Eh等环境因素对稀土释放、存在形态及生物可利用性的影响以及所建立的迁移模型，提出在我国南方红壤、高酸雨地区施用稀土具有较高的风险的警示，告知我们在南方红壤、高酸雨地区应慎用或不用稀土。2. 稀土农用对农作物产生的不良影响稀土对农作物的生物学效应已有很多研究报道。通过盆栽模拟实验表明7，如果施用量达到目前用量（即1560mg/亩），连续使用500次，对土壤理化性质及肥力供应不会造成显著影响，但施用量达到目前的50倍时，则会出现毒性反应。还通过土培试验发现，当稀土施用量增加为目前的300500倍时，则会显著干扰土壤微生物群落的演变和功能，并提出稀土在红色土壤施用的临界值为30mg/kg左右。通过“剂量效应关系研究”，对稀土元素进行危险性评价，首次得出了稀土对大鼠的最低毒作用剂量2mg/kg的定量结论，从而为日后制定稀土日允许摄入量提供了重要依据。普遍研究认为，低浓度稀土可以促进作物生长和改善作物品质，但高浓度稀土均对作物生长有抑制作用，同时还抑制其对矿物质营养的吸收。混合稀土对在红壤上生长的水稻和油菜以及黄潮土上生长的土豆生长量有明显的抑制作用。而在此过程中稀土对土壤活性的刺激作用是局部和短期的，而对生物活性抑制作用是普遍和长期的。 3. 稀土农用在水生动物体内的富集作用大自然就是一个庞大的食物链，我们将稀土应用于农业中，随着能量的流动和物质的交换，稀土必然会富集到动物体以及我们人体内。下面就以稀土元素在鱼体内（鳃、内脏、肌肉、骨骼）的生物富集为例加以说明，它们对稀土富集的动力学过程表明，鱼体各部分对重稀土的富集一个月后基本达到平衡，而轻稀土和中稀土在45天后其富集作用达到或接近平衡。不同稀土元素在鱼体内的富集能力存在明显差异。水中可溶性稀土在鲤鱼体内各部分的最大生物富集因子由表可见，其富集能力的顺序为：内脏鳃骨骼肌肉。鱼体中主要可食部分肌肉的富集量最少。结果也表明，鱼体各部分对重稀土的富集能力最弱，而对轻稀土和中稀土的富集能力差别不大。轻稀土在骨骼和鳃中的富集能力高于中稀土，而中稀土在内脏和肌肉中的富集能力高于轻稀土。由此可见，在鱼体的不同部位对稀土的富集作用也不同，而且同种稀土的富集量越大毒性也越大。长期以来，科学工作者从生态毒理学、生物化学、细胞学和环境化学角度，反映了外源稀土对水生生物无效应浓度和早期伤害。4.稀土农用对动物的脑部蓄积性、毒性及对人群健康的潜在危害众多研究表明，稀土元素类似于一般毒物，具有对生物体的刺激效应（hormesis效应，即低剂量时表现促进作用，高剂量时表现抑制作用，并介入生命体系的各个系统的效应）稀土元素的毒性研究亦从单一的急慢性效应向综合效应深入。近期对农用混合硝酸稀土化合物长期经口染毒后遗传、免疫、胚胎、细胞、神经、肝脏及内分泌等方面的毒性效应研究取得了显著成果。研究结果显示，稀土农业应用的安全性不容忽视。众多研究表明，稀土元素经消化道、呼吸道、皮肤、注射等途径进入动物机体后，可以通过血液输导而滞留或蓄积于各脏器组织，且在各脏器、组织间呈不均匀分布