全 文 ：土壤植物系统中稀土元素与氮磷养分的交互作用*
徐星凯1, 2 王子健2* * 刘 琰2
( 1 中国科学院生态环境研究中心环境水化学国家重点实验室, 北京 100085;
2 中国科学院大气物理研究所大气边界层物理和大气化学国家重点实验室,北京 100029)
摘要 土壤植物系统中稀土元素与 N、P 养分交互作用属农用稀土安全性评价研究的前沿. 土壤中稀
土元素与 N、P 交互作用直接关系到稀土对农田土壤生产力的影响以及稀土对农作物的增产机理和生态
环境安全性的评价. 就土壤植物系统中有关稀土元素与 N、P 交互作用的研究作简要综述, 提出今后应加
强在作物根际、农田土壤表层以及植物体内稀土与 N、P 养分之间交互作用的研究.
关键词 稀土元素 氮 磷 土壤植物系统 交互作用 安全性评价
文章编号 1001- 9332( 2002) 06- 0750- 03 中图分类号 S158 3 文献标识码 A
Interaction between rare earths and nitrogen and phosphorus in soilplant system. XU Xingkai1, 2, WANG
Zijian2 and L IU Yan1 ( 1SK LEAC , Resear ch Center f or EcoEnvir onmental Sciences , Chinese A cademy of
Sciences, Beij ing 100085; 2L APC , Institute of A tmospher ic Physics , Chinese A cademy of Sciences , Beij ing
100029) . Chin . J . A pp l . Ecol . , 2002, 13( 6) : 750~ 752.
Interaction between rare earths ( REs) and nitr ogen and phosphorus in soilplant system is a hot spot in the
research field of safety assessment for agr icultur al utilized r ar e ear ths. This interact ion directly affects the
productivity of arable soil, and is beneficial to assessing the r esponse of rare eart hs to crop production and the eco
env ironmental safety. The interaction betw een rare earths and nitrogen and phospho rus in soilplant system is
br iefly summarized, and it! s put forw ard that the inter action between rare earths and nitrogen and phosphorus in
the rhizophere of crop, sur face layer of arable soil, and plant should be fur ther investig ated.
Key words Rare earths, N itrog en, Phosphorus, Soilplant system, Interaction, Safety assessment.
* 国家自然科学基金重大项目( 2989028023 )、中国科学院封丘农
业开放站基金( 201605)和香港王宽诚教育基金会资助项目.
* * 通讯联系人.
2000- 07- 24收稿, 2000- 12- 04接受.
1 引 言
自 20 世纪 70年代以来,含稀土的肥料在我国已广泛地
应用于农业,尤其近年来出现与大量营养元素(如 N、P)混合
土施现象.虽然大量文献报道了农用稀土施用后农作物产量
和品质以及植株对土壤养分吸收的变化[ 1, 7, 16] , 但是很少关
注农用稀土对土壤环境质量和土壤肥力的影响,尤其是在土
施稀土作用下产生的影响[ 17, 20] . 土壤生态系统中 N、P 养分
的库容及其供应强度,直接关系到土壤肥力持续有效地供应
和维持.本文就土壤植物系统中有关稀土与 N、P 养分交互
作用的研究做一简要综述,并对今后的研究提出展望, 以利
于深入探讨农用稀土对农田土壤生产力的影响.
2 稀土元素对 N、P 在土壤中化学行为的影响
21 稀土对土壤 N、P 的吸附与解吸作用的影响
土壤 N、P的吸附与解吸过程在 N、P 养分的固持和生物
有效性方面起着重要作用. 稀土施加后, 北方潮土对外源 P
的吸持特性和供应强度发生显著变化. 在施用量为 100mg
REs∀kg - 1风干土时,土壤 P的最大吸附量显著降低而吸附
反应常数和最大缓冲容量显著增加[ 22] . 也就是说,当土壤中
稀土元素累积到一定程度时, 将引起土壤供 P 能力显著降
低,并影响到外源 P 肥肥效的发挥. 当然,有必要进一步研究
稀土对我国不同地区不同类型土壤 P吸持特性的影响.
土壤中铵态 N 较硝态 N 易被土壤固相表面吸附. 土壤
对 N 的固持能力直接关系到肥料 N 的损失与利用. 遗憾的
是, 有关稀土对土壤 N 素吸持特性的影响尚未见报道.
2 2 稀土对土壤 N、P 的形态分布与转化及生物有效性的
影响
稀土对土壤 N、P形态转化及其生物有效性的影响目前
大多局限于稀土施加后土壤脲酶、磷酸酶和有效态 N、P 含
量的变化[ 17, 20~ 22] .水溶性稀土与 P 同时加入土壤时, 最终
使淹水条件下的土壤中速效 P含量降低, 而在旱培条件下却
基本持平或稍有增加[ 26] . 土壤 P 营养状况也影响此作用效
果. L a、Ce与混合稀土均有提高土壤磷酸酶活性作用, 碱性
土壤明显[ 6] .用稀土浸种或在不同生育期内浇灌稀土, 对土
壤脲酶和磷酸酶的影响是激活作用大于抑制作用 ,生育前期
大于生育后期[ 4] .这些活化作用的有效稀土施用剂量一般小
于 1% .在高剂量稀土( > 10mg REs∀kg- 1烘干土)作用下, 土
壤磷酸酶和脲酶均出现明显降低, 不同土壤及其 N、P 状况
对其效应可能存在差异[ 17, 22] .
随着稀土施用剂量增加, 土壤有机 N 矿化和铵态 N 氧
应 用 生 态 学 报 2002 年 6 月 第 13 卷 第 6 期
CHINESE JOURNAL OF APPLIED ECOLOGY, Jun. 2002, 13( 6)#750~ 752
化潜势呈降低趋势,在高剂量作用时差异显著; L a与混合稀
土对此具有相似形[ 20] . 当农用稀土施用量高于 10mg REs∀
kg- 1烘干土时,可明显延迟尿素在土壤中水解,并抑制其水
解产物铵态 N 的氧化, 利于土壤对尿素 N 的固持[ 21] . 增施
稀土元素,玉米根际内外土壤速效 N、P 含量显著降低, 并明
显影响土壤有机 N、P矿化, 在高剂量作用时达显著水平; 对
此效应,单一稀土 La和混合稀土也具有相似形[ 22] .
3 氮磷对稀土元素在土壤中化学行为的影响
外源稀土进入土壤后, 往往通过水解、沉淀、络合、吸附
和氧化还原等反应与土壤中不同组分结合而发生不同形态
转化[ 2, 9, 11, 14, 24] . 只有极少量分布在土壤溶液中, 99. 5% 以
上被土壤固相表面所吸附[ 9] . N、P 肥料施用后, 会在一定程
度上改变施肥点周围土壤酸碱性、阳离子交换量和表面电荷
特性等.因此, 如与稀土配合施用,将会影响到稀土在土壤中
化学行为.目前, 只有零星报道施 N、P 对土壤中重金属化学
行为的影响,很少涉及对外源稀土进入农田土壤后的化学行
为的效应.
施 P使富含氧化物的可变电荷土壤对 Zn、Cu 的吸附增
加,而使恒电荷土壤对 Zn 的吸附降低[ 15] . P 肥可降低施肥
点周围土壤酸碱度并改变 P 与氧化物反应,致使土壤中重金
属形态发生变化,不受土壤性质制约. 水溶性稀土与 P 同时
施加后, P对土壤可溶态稀土的影响不显著, 但 P 肥施用后
土壤中稀土各形态的变化未见报道[ 26] .
4 交互作用对植株生长和产量的影响
稀土的增产效果与施 N 水平密切相关( F = 23* * ) , 不
施 N 时,施用稀土不能增产, 甚至发生减产; N 肥用量较低
时,稀土的效果不能充分发挥, 随着 N 肥用量的提高, 稀土
的效果随之增加[ 8] . 稀土元素有提高水稻根系氧化活力的效
应,尤在分蘖期施用稀土, 在高 N 水平下, 效应更明显, 比对
照提高 22%至一倍;但始穗期施用稀土, 则降低根系氧化活
力[ 19] .
稀土元素与 N、P 元素配合施用可明显促进作物生长发
育和提高作物产量[ 23] . 以偏 N配比的肥料 ,分蘖盛期和孕穗
期分别施用浓度较高的稀土溶液时, 水稻产量最高; 在偏 P
的肥料配比时,稀土浓度应偏低才能获得较高产量[ 13] .
5 稀土元素对植物 N、P 养分吸收与运移的影响
稀土作为一种离子或者与 N、P 竞争植物根系吸收位,
或者影响植物生理生化过程, 从而引起植物对 N、P吸收与
运移的改变.尽管稀土本身是否属于植物必需营养元素有待
确证, 但许多研究均已表明, 稀土在一定条件下确有促进植
物对养分的吸收、转化和利用等作用[ 1, 7, 10, 12, 27] .
单一稀土或混合稀土元素均能促进小麦对 N、P 的吸
收[ 27] , 0. 3%剂量可使 NO-3 的吸收速率提高 69. 2% [ 25] . 促
进32 P 吸收的最适宜稀土施用浓度为 0. 1 ~ 1. 0mg∀
L - 1[ 7, 18] .叶面喷施稀土可促进根系吸收的32P向叶中运转,
对32P的分布有诱导作用[ 18] .因此, 在低剂量作用下,不同稀
土施用方法, 对植物 N、P吸收的促进作用存在一定差异. 一
般而言, 喷施稀土比浸种更能促进植物对养分的吸收.
水培实验表明, 低浓度的 La( 0. 05 或 0. 005mmol∀L- 1 )
能促进水稻、小麦对 P的吸收,并且水稻地上部分 P 的积累
明显高于小麦; 在高浓度( 1 或 5mmol∀L - 1)下则强烈地抑制
植株吸 P 量, 其抑制程度随培养液中 Ca 水平的提高而减
弱[ 3] .
高稀土含量区无论稻麦两熟地还是旱作地小麦,拔节期
叶片中 NH+4 较低区的提高 14. 3% ~ 69. 9% , 而 NO-3 含量
降低 13. 1% ~ 28. 6% [ 5] .与稀土低含量区相比,高含区粮油
作物籽粒中 P 2O5 含量呈正增长趋势, 小麦、水稻增长幅度超
过 30% , 豆科作物小于 10% .
施用稀土多元复合肥可降低蔬菜中硝酸盐含量,与稀土
促进植株体内硝酸还原酶活性有关[ 7] .喷施稀土不仅能促进
小麦[ 12]、水稻[ 13]吸收肥料中 P, 而且能促进植株吸收土壤中
的 P .这与喷施稀土可使根际微域土壤 pH 降低,活化土壤养
分有关.
6 N、P 对植物吸收稀土元素的影响
在施等量的 P、K 时, N 肥对小麦根系中稀土含量的影
响比茎叶显著. 在不同土壤中效应程度为砂姜黑土> 黄褐土
> 黄红壤. 在施等量的 N、K 肥时, P肥可降低小麦根系和茎
叶内稀土含量, 黄红壤最明显, 砂姜黑土次之, 黄褐土不明
显.因此, N、P 对作物吸收稀土的影响随土壤不同类型而发
生明显变化.
不同种类的 N 肥形式, 势必引起施肥点土壤 pH 的变
化,根系由于吸收不同形态 N 也引起根际微域 pH 的改变.
因此, N 肥施用将影响到植株对土壤中稀土的吸收和运移.
施 N 水平明显影响水稻体内稀土吸收和运移, 在不同生育
期表现不尽相同. 无 N 处理稻株体内稀土含量虽少, 但返输
到籽粒中最多; 而增施 N 肥时成熟期稻株体内稀土含量增
加,主要集中在稻草中, 籽实中稀土含量却低于未施 N 肥.
因此, 合理施用 N 肥可降低农作物籽实中稀土含量.
7 结语与展望
稀土与 N、P 在植株根际环境中的交互作用研究. 应加
强不同土壤、不同植株以及不同生境中稀土与 N、P 养分交
互作用研究. 这对于进一步揭示稀土元素的增产机理以及过
量稀土对农作物的危害作用具有一定的意义.
农田表层土壤中稀土与 N、P 交互作用研究. 这密切关
系到稀土对耕层土壤 N、P 的固持及向下层土壤迁移性. 应
进一步研究不同地区、不同土壤 N、P 肥料对土壤中稀土元
素化学行为以及稀土施加后土壤对 N、P固持和供给能力.
稀土与 N、P 养分在植物体内交互作用以及稀土在植株
体内的积累和运移, 特别在籽实中的累积[ 28] . 明确不同施肥
制度下,植株体内稀土元素吸收和分布情况, 为合理配施稀
土和大量营养元素(如 N、P 等)提供实质性的科学依据.
7516 期 徐星凯等:土壤植物系统中稀土元素与氮磷养分的交互作用
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作者简介 徐星凯, 男, 1969 年生, 博士后, 副研, 主要从事
地气系统中碳氮行为及其调控以及 GIS 应用方面的研究, 发
表论文 30 余篇. T el: 01082084278, Email: xuxk @ dq. cern.
ac. cn
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