全 文 ：
摇 摇 摇 摇 摇 生 态 学 报
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摇 摇 第 猿猿卷 第 员远期摇 摇 圆园员猿年 愿月摇 渊半月刊冤
目摇 摇 次
前沿理论与学科综述
物种分布模型理论研究进展 李国庆袁刘长成袁刘玉国袁等 渊源愿圆苑冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
稀土元素对农田生态系统的影响研究进展 金姝兰袁黄益宗 渊源愿猿远冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
藤壶金星幼虫附着变态机制 饶小珍袁林摇 岗袁许友勤 渊源愿源远冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
群居动物中的共同决策 王程亮袁王晓卫袁齐晓光袁等 渊源愿缘苑冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
个体与基础生态
季风进退和转换对中国褐飞虱迁飞的影响 包云轩袁黄金颖袁谢晓金袁等 渊源愿远源冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
两种海星对三种双壳贝类的捕食选择性和摄食率 齐占会袁王摇 珺袁毛玉泽袁等 渊源愿苑愿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
新疆巴音布鲁克繁殖期大天鹅的生境选择 董摇 超袁张国钢袁陆摇 军袁等 渊源愿愿缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
我国特有植物青檀遗传结构的 陨杂杂砸分析 李晓红袁张摇 慧袁王德元袁等 渊源愿怨圆冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
栽培菊花与菊属鄄近缘属属间杂种杂交后代耐盐性的遗传分析 许莉莉袁陈发棣袁陈素梅袁等 渊源怨园圆冤噎噎噎噎
荒漠区植物光合器官解剖结构对水分利用效率的指示作用 张海娜袁苏培玺袁李善家袁等 渊源怨园怨冤噎噎噎噎噎噎
水分对番茄不同叶龄叶片光合作用的影响 陈凯利袁李建明袁贺会强袁等 渊源怨员怨冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
广西猫儿山不同海拔常绿树种和落叶树种光合速率与氮的关系 白坤栋袁蒋得斌袁万贤崇 渊源怨猿园冤噎噎噎噎噎
施肥对板栗林地土壤 晕圆韵通量动态变化的影响 张蛟蛟袁李永夫袁姜培坤袁等 渊源怨猿怨冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
施肥对红壤水稻土团聚体分布及其碳氮含量的影响 刘希玉袁王忠强袁张心昱袁等 渊源怨源怨冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎
种群尧群落和生态系统
大兴安岭天然沼泽湿地生态系统碳储量 牟长城袁王摇 彪袁卢慧翠袁等 渊源怨缘远冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
基于多时相 蕴葬灶凿泽葬贼 栽酝影像的汶川地震灾区河岸带植被覆盖动态监测要要要以岷江河谷映秀鄄汶川段
为例 许积层袁唐摇 斌袁卢摇 涛 渊源怨远远冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
不同强度火干扰下盘古林场天然落叶松林的空间结构 倪宝龙袁刘兆刚 渊源怨苑缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
长江中下游湖群大型底栖动物群落结构及影响因素 蔡永久袁姜加虎袁张摇 路袁等 渊源怨愿缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎
千岛湖岛屿社鼠的种群年龄结构和性比 张摇 旭袁鲍毅新袁刘摇 军袁等 渊缘园园园冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
性信息素诱捕下害虫 蕴燥早蚤泽贼蚤糟增长及经济阈值数学模型 赵志国袁荣二花袁赵志红袁等 渊缘园园愿冤噎噎噎噎噎噎噎
秋末苏南茶园昆虫的群落组成及其趋色性 郑颖姹袁钮羽群袁崔桂玲袁等 渊缘园员苑冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
北方常见农业土地利用方式对土壤螨群落结构的影响 韩雪梅袁李丹丹袁梁子安袁等 渊缘园圆远冤噎噎噎噎噎噎噎
景观尧区域和全球生态
基于鸟类边缘种行为的景观连接度研究要要要空间句法的反规划应用 杨天翔袁张韦倩袁樊正球袁等 渊缘园猿缘冤噎噎
西南高山地区土壤异养呼吸时空动态 张远东袁庞摇 瑞袁顾峰雪袁等 渊缘园源苑冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
江苏省土壤有机质变异及其主要影响因素 赵明松袁张甘霖袁李德成袁等 渊缘园缘愿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
基于林业清查资料的桂西北植被碳空间分布及其变化特征 张明阳袁罗为检袁刘会玉袁等 渊缘园远苑冤噎噎噎噎噎噎
资源与产业生态
基于能值分析方法的城市代谢过程要要要案例研究 刘耕源袁杨志峰袁陈摇 彬 渊缘园苑愿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
基于 孕杂砸模型的耕地生态安全物元分析评价 张摇 锐袁郑华伟袁刘友兆 渊缘园怨园冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
保水剂对煤矸石基质上高羊茅生长及营养吸收的影响 赵陟峰袁王冬梅袁赵廷宁 渊缘员园员冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎
城乡与社会生态
生态保护价值的距离衰减性要要要以三江平原湿地为例 敖长林袁陈瑾婷袁焦摇 扬袁等 渊缘员园怨冤噎噎噎噎噎噎噎噎
研究简报
广东山区土壤有机碳空间变异的尺度效应 姜摇 春袁吴志峰袁钱乐祥袁等 渊缘员员愿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
室内养殖雌性松鼠秋季换毛期被毛长度和保温性能变化 荆摇 璞袁张摇 伟袁华摇 彦袁等 渊缘员圆远冤噎噎噎噎噎噎噎
期刊基本参数院悦晕 员员鄄圆园猿员 辕 匝鄢员怨愿员鄢皂鄢员远鄢猿园远鄢扎澡鄢孕鄢 预 怨园郾 园园鄢员缘员园鄢猿圆鄢圆园员猿鄄园愿
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封面图说院 高寒草甸牦牛群要要要三江源区位于青藏高原腹地袁 平均海拔 源圆园园皂袁是长江尧黄河尧澜沧江三条大河的发源地袁也是
全球气候变化最敏感的地区遥 三江源区高寒草甸植被状况对该区的生态环境尧草地资源合理利用和应对全球气候
变化具有十分重要的意义遥 圆园园缘 年以来袁国家投资 苑园 多亿元启动三江源生态保护工程遥 监测显示袁近年来袁三江源
湖泊湿地面积逐步扩大袁植被覆盖度得到提高袁三江源区高寒草甸的生态恶化趋势得到遏制遥 图为冒着风雪在三江
源高寒草甸上吃草的牦牛群遥
彩图及图说提供院 陈建伟教授摇 北京林业大学摇 耘鄄皂葬蚤造院 糟蚤贼藻泽援 糟澡藻灶躁憎岳 员远猿援 糟燥皂
第 33 卷第 16 期
2013 年 8 月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol. 33,No. 16
Aug. ,2013
http: / / www. ecologica. cn
基金项目:中国科学院院地合作资助项目(江西省典型矿区及周边土壤重金属污染特征及其联合修复技术)
收稿日期:2012鄄12鄄31; 摇 摇 修订日期:2013鄄06鄄03
*通讯作者 Corresponding author. E鄄mail: hyz@ rcees. ac. cn
DOI: 10. 5846 / stxb201212311902
金姝兰,黄益宗.稀土元素对农田生态系统的影响研究进展.生态学报,2013,33(16):4836鄄4845.
Jin S L, Huang Y Z. A review on rare earth elements in farmland ecosystem. Acta Ecologica Sinica,2013,33(16):4836鄄4845.
稀土元素对农田生态系统的影响研究进展
金姝兰1,黄益宗2,*
(1. 上饶师范学院, 上饶摇 334000; 2. 中国科学院生态环境研究中心,北京摇 100085)
摘要:稀土矿的开采和冶炼、稀土农用等导致农田土壤稀土元素含量不断积累,对农田生态系统结构和功能稳定产生严重的影
响。 综述了近 20 年来国内外农田生态系统稀土元素的主要来源、分配和输出,土壤和植物中稀土元素的测定方法,稀土元素对
农田生态系统中植物、微生物、动物以及人类健康影响的研究进展。 探讨了农田生态系统稀土元素的毒性评价和稀土污染土壤
的修复措施。 最后提出开展稀土元素对农田生态系统影响研究还需要加强的一些问题。
关键词:稀土元素;农田生态系统;土壤;修复
A review on rare earth elements in farmland ecosystem
JIN Shulan1, HUANG Yizong2,*
1 Shangrao Normal University, Jiangxi, Shangrao 334000, China;
2 Research Center for Eco鄄Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences,Beijing 100085, China
Abstract: Rare earth ore mining and smelting, application of rare earth elements in farm lead to accumulation of rare earth
elements in soil, and affect the structure and function stability of farmland ecosystem. This article reviews the main source,
distribution and output of rare earth elements in farmland, the determination method of rare earth elements in soils and
plants, and the effect of rare earth elements on crops, microorganisms, animal and human health in farmland ecosystem.
Rare earth element toxicity evaluation and rare earth contaminated soil remediation of farmland ecosystem are discussed in
the paper. Finally some problems will be pay attention to studying of rare earth elements on farmland ecosystem in the
future.
Key Words: rare earth elements; farmland ecosystem; soil; remediation
我国是世界上稀土资源最为丰富的国家之一。 2012 年国务院新闻办发布的《中国的稀土状况与政策》白
皮书显示,我国的稀土储量为 1859 万 t,约占世界总储量的 23% [1]。 2011 年,中国稀土产量为 9. 69 万 t,实际
出口 1. 86 万 t,占世界总产量的 90%以上,承担了世界 90%以上的市场需求[1]。 可见,我国不仅是世界稀土
资源大国,更是稀土生产、稀土出口和消费大国。 在稀土资源的开发和冶炼过程中,由于监管不到位、非法开
采、工艺落后、“三废冶排放等原因,导致矿区周边水体和土壤稀土元素、重金属和浸矿剂污染比较严重。 稀土
矿开发和冶炼将产生大量的稀土尾矿,尾矿在降雨的冲刷和淋滤下,稀土元素、重金属等污染物质排入水体和
土壤,导致农田绝收、水体生物多样性下降,周边居民的身体健康受到严重危胁[2]。 另外,稀土农用在我国比
较普遍,虽然适量的稀土元素可增强作物的光合作用,促进作物根系生长,提高作物抵抗病虫害和逆境的能
力,并显著地提高作物的产量,但是长期施用稀土也导致稀土元素在农田土壤中不断积累,从而对农田生态系
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统产生影响。 Jiang等[3]调查了 16 种稀土元素在北京、福建、广东、湖南、湖北和上海 6 省市主要食物中的积
累情况,发现食物中铈(Ce)、镝(Dy)、钇(Y)、镧(La)和钕(Nd)的含量非常高。 农田生态系统由农田环境因
素和生物群落构成,为人类生存提供食物,是人类赖以生存的基础。 稀土元素对农田生态系统的影响较少有
系统的报道,本文综述了近 20 年来国内外有关稀土元素对农田生态系统影响的研究进展,探讨稀土对农田生
态系统农作物、微生物和动物的影响,为我国稀土资源的合理开发、农田环境保护和保障人体健康提供有益
借鉴。
1摇 农田生态系统稀土的输入、分配与输出
1. 1摇 稀土输入
我国稀土资源主要分布在以包头为中心的北方地区和以江西为代表的南方地区。 稀土资源的开发和冶
炼过程中,由于管理混乱、非法开采、工艺落后、采富弃贫、采矿回收率低、资源浪费等原因,造成矿区周边环境
污染日益严重。 包头地区气候较干旱,风沙大,稀土尾砂容易随风进入大气。 另外包头地区的一些污灌区土
质多为砂壤土和砂土,稀土元素容易从土壤中淋溶至地下水,导致地下水稀土元素含量超标。 包头地区的土
壤多呈弱碱性,这种土壤更有利于吸附稀土离子,其对不同稀土元素离子的吸附能力大小顺序为:Sm3+>Nd3+>
La3+>Ce3+[4]。 有研究报道,包头表层土壤稀土 La、Ce、镨(Pr)、Nd、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)呈现局部富集,
主污水渠滨岸漫水地、四道沙河河底沉积物、工厂污水渠底部沉积物及其剖面样、农田土壤 La 元素含量分别
为 2924、427. 60、309. 30、113. 26 和 44. 94 mg / kg,分别是背景值 30. 04 mg / kg 的 97. 33、14. 25、10. 16、3. 72 和
1. 50 倍;Ce 含量分别为 4524. 00、581. 20、382. 00、185. 52 和 91. 08 mg / kg,分别是背景值 358. 29 mg / kg 的
77郾 61、9. 97、6. 55、3. 18 和 1. 56 倍[4鄄5]。 江西赣南的土壤类型主要为红壤,在高温多雨的条件下土壤矿物质
化学分解作用强烈,土壤中的活性化合物易于淋失,而铁和铝的氢氧化物则较多积累,从而形成高岭土和多水
高岭土组成的粘土矿物,在这种条件下形成的土壤易于积累稀土元素[6]。 土壤质地较粘重的红壤,比砂壤土
更容易吸附和富集稀土元素。 温小军等研究了赣南信丰某稀土矿区耕作层的土壤环境,发现研究区耕作层所
有土壤样品的稀土元素地累积指数均较大,稀土元素全量均远远大于全国土壤背景的相应值,La、Ce、Y、Sm、
Pr和 Gd的全量超标率分别为 100% 、97. 3% 、100% 、86. 49%和 100% [7]。 江西省南部稀土矿区村民饮用井
水的稀土含量平均为 9. 18 滋g / L是非矿区稀土含量的 24. 8 倍,土壤的稀土含量达 869. 73 滋g / g 是非矿区稀
土含量的 3. 8 倍,蔬菜的稀土含量 6370. 35 ng / g(干重) 是非矿区稀土含量的 7 倍以上[8]。 Li等[9]研究表明,
稀土在土壤中的积累浓度与矿区距离呈显著相关关系,说明矿产开采冶炼造成了稀土元素在土壤、水体和生
物中的超量积累和环境污染,仅赣州一地因为稀土开采冶炼造成的环境污染所需的环境恢复和治理费用就高
达 380 亿元[10]。
稀土农用并作为一种微肥使用在我国己有 40 年的历史,且应用范围越来越广,涉及种植业、林业、畜牧业
和渔业等方面。 目前我国农田施用稀土面积每年约达 333. 33—466. 67 万 hm2。 我国常用的稀土复混肥中,
每吨含混合稀土 0. 8—1. 6 kg,若以每 hm2 地每季施复混肥 750 kg 计,则每年两季进入耕层土壤的混合稀土
为 1200—1400 g / hm2。 研究发现,土壤中稀土元素的含量与稀土的施加量呈一定的剂量关系。 随着外施稀土
浓度增加, 水稻土中 La、Ce、Pr、Nd和 Gd 含量显著提高[11]。
1. 2摇 稀土分配与输出
外源稀土进入土壤后,99. 5%以上被土壤固相表面所吸附[12],绝大部分残留在土壤表层。 被土壤吸附固
定的稀土可以通过沉淀鄄溶解、吸附鄄解吸、氧化鄄还原、配合作用、生物富集等多种途径进行迁移和转化。 外源
稀土进入土壤后的形态转化受到土壤 pH、氧化还原电位、有机质、粘粒矿物等的影响。 据报道,在 pH 值和无
定形氧化铁、锰含量较低的红壤中,外源稀土主要以交换态和氧化锰结合态存在,其中交换态稀土含量高达
45%—60% ;黑土、黑钙土、黄棕壤和砖红壤中外源性稀土主要以无定形结合态和有机结合态存在,交换态稀
土含量少于 10% [13]。 土壤中可溶态和交换态稀土含量较高时将提高稀土在土壤中的迁移性,容易被植物吸
收和积累,进而通过食物链途径进入人体,从而对人类健康造成危害。 研究表明,植物中稀土元素的含量与稀
7384摇 16 期 摇 摇 摇 金姝兰摇 等:稀土元素对农田生态系统的影响研究进展 摇
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土的施用量呈现显著的正相关关系,重稀土元素从植物地下部向地上部迁移的能力强于轻稀土元素[13]。 李
小飞等[14]研究发现,福建省长汀县稀土矿区蔬菜地土壤中稀土元素平均含量高于福建省土壤稀土元素含量
的背景值,蔬菜中的稀土元素含量高于一般农田种植作物的稀土元素含量,矿区井水中稀土元素含量的平均
值是福州自来水的 118. 7 倍,矿区居民血液中稀土元素含量高于对照区居民的 155. 6 倍,男女性居民头发中
稀土元素含量分别是对照区的 9. 62 倍和 9. 48 倍。
2摇 土壤和植物中稀土元素的测定方法
农田生态系统中土壤和植物稀土元素的含量测定是判断土壤是否受到稀土元素污染、植物是否受到稀土
元素危害的主要依据。 土壤和植物样品需经过高压密闭消解、干法灰化消解和微波消解等前处理才可以对其
进行稀土元素含量的测定。
稀土元素常见的测定方法有分光光度法、原子吸收法、原子荧光法、X鄄射线荧光光谱法、中子活化法、电感
耦合等离子体光谱法(ICP鄄OES)、电感耦合等离子发射光谱法(ICP鄄AES)和电感耦合等离子体质谱法( ICP鄄
MS)等[15]。 采用分光光度法分析稀土元素 La与偶氮氯膦芋(CPA 芋)、溴化十六烷基三甲铵(CFMAB)的显
色反应,发现在酸性介质 1. 2 mol / L HC1 中稀土 La能与 CPA芋显色剂形成稳定的蓝绿色络合物,最大吸收波
长为 722 nm,该显色反应灵敏度高、选择性好,并在大多数共存元素存在下不干扰测定结果[16]。 目前 ICP鄄MS
已成为人们测定土壤和植物稀土元素含量最有优势的方法[17鄄20]。 林立等[21]采用微波消解和干法灰化处理样
品,ICP鄄MS测定国家标准物质茶叶 GBW07605 和 GBW10016 中的 16 种稀土元素,测定值与标准值非常吻合,
样品测定精度为 0. 6%—6. 3% ,方法检出限为 0. 04—0. 43 滋g / kg。 用加标回收法进行评价,回收率在 96.
0%—108. 0%之间。 高朋等建立了微波消解鄄 ICP鄄MS 测定土壤稀土元素的方法,样品回收率在 93. 0%—
101. 0%之间,测定结果比较满意[22]。
3摇 稀土元素对农田生态系统的影响
3. 1摇 农作物
农作物是农田生态系统中的主要组成部分。 土壤中稀土元素的含量和分布将直接影响作物样品中的稀
土元素含量和分布特征,进而影响作物种子发芽、光合作用、抗逆性、产量和品质等。 实验发现,喷施 120 mg /
L La(NO3) 3溶液的嫁接西瓜产量比对照处理提高 10. 43% ,而大于 180 mg / L的 La(NO3) 3 浓度则会抑制西瓜
的生长,降低其产量和品质[23]。 Xie等研究氯化镧浸种对小麦种子萌发的影响,发现浓度为 0. 05—100 mg / kg
的氯化镧对种子萌发有促进作用,而超过 100 mg / kg 的氯化镧处理则对种子萌发具有抑制作用[24]。 d忆Aquino
等[25]研究发现,用浓度为 0. 01 mmol / L La3+和 0. 1 mmol / L 混合稀土分别浸泡小麦种子 8 h 就对种子萌发产
生抑制作用,而将两者的浓度分别提高到 1 mmol / L和 10 mmol / L后,仅分别浸泡 2 h 和 4 h 即对种子萌发产
生抑制作用。 当氧化镧、氧化钆和氧化镱纳米颗粒的浓度为 2000 mg / L 时,就严重地抑制小麦、油菜、卷心菜
和黄瓜等作物根系的生长[26]。 研究 La对 Cd胁迫下蚕豆幼苗生长的影响,发现低浓度的 La (<120 滋mol / L)
可缓解 Cd对蚕豆幼苗的伤害,降低蚕豆根系的 Cd含量。 相反高浓度 La加重 Cd对蚕豆幼苗的伤害,蚕豆根
系的 Cd含量显著高于单独 Cd处理的含量[27]。 Wen等[28]研究发现,单独添加低浓度的 La3+可促进大豆幼苗
的生长;低浓度 La3+和酸雨复合处理时,大豆幼苗的生长就受到抑制;高浓度 La3+和酸雨复合处理时,大豆幼
苗叶绿体的超微结构将严重地受到破坏。
稀土元素对作物光合作用、膜的稳定性、抗氧化系统、营养元素吸收等均产生影响。 低浓度的稀土可以诱
导作物叶绿素合成,增强作物的光合作用[29鄄31]。 Tb、Sm、Dy、Ho、La 和 Ce 处理使棉花和小麦叶片的叶绿素含
量比对照处理提高 33%—54% [32]。 农作物经过一定浓度的稀土元素处理后,其叶绿体内的色素捕光能力得
到提高,光系统 PS玉和 PS域的活性增强, Rubisco鄄Rubisco活化酶超复合体被诱导,从而提高作物光合碳同化
的能力[33]。 稀土离子与 Ca2+在性质和结构上相似,可以占据或替代 Ca2+在植物细胞中的位置,从而影响一系
列的生理功能,因此稀土被称为超级钙[34]。 适宜浓度的稀土元素能影响作物细胞的超微结构,影响细胞膜的
通透性和稳定性,提高细胞膜的保护功能,增强植物对不良环境的抵抗能力,但高浓度的稀土对细胞超微结构
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具有损伤作用。 施用稀土可提高植物体内钙调蛋白 CaM的含量,促进 CaM 基因表达,加速细胞分裂、促进种
子萌发和根系生长。 稀土还可以提高植物体内的吲哚乙酸、赤霉素、细胞分裂素等的含量,促进可溶性蛋白的
合成,提高植物 SOD、CAT、APX、GPX 等抗氧化酶的活性,降低活性氧自由基对植物的伤害[35鄄37]。 低浓度
Nd3+促进杂交水稻线粒体的代谢,而高浓度 Nd3+则抑制线粒体的代谢[38]。 稀土元素施用能提高作物的产量
是因为其可以促进、协调植物对营养元素的吸收。 Babula 等[39]研究表明,Ce3+对植物吸收镁、磷、硫、钾和铁
等均有不同程度的促进作用,尤其对植物吸收磷、硫和钾影响更显著。 不同稀土元素的生物效应有差异。 比
较 3 种稀土元素对菠菜光合效应的影响,发现 Ce3+促进光合作用最明显,Nd3+次之,La3+最差,原因可能与稀
土元素独特的 4f 电子层结构和变价特征有关。 La3+的 4f 层没有电子,Ce3+有 1 个电子,Nd3+有 3 个电子,而且
Ce3+除了+3 价外还可以被氧化到+4 价,而 La3+、Nd3+则无变价[33]。
分子生物学技术在作物细胞、基因和蛋白质水平上的稀土元素毒害机理,以及稀土元素污染土壤治理和
生物修复等方面已得到越来越广泛的应用。 Boyko 等报道,KCl、CeCl3 和 LaCl3 处理可促进拟南芥和烟草植
物的生长,提高植物转基因整合位点的数量和质量[40]。 徐玉品采用 T鄄DNA 插入诱变法和甲基磺酸乙酯
(EMS) 诱变种子筛选法分别从 605 组约 121000 粒 T鄄DNA 突变体种子和 509 组约 60000 粒 EMS 化学诱变
种子中筛选出拟南芥抗 La3+突变体和拟南芥 La3+敏感型突变体,为植物 La3+的毒害机理和稀土污染土壤修复
提供实验材料[41]。 研究稀土元素 Pr、钬(Ho)、铽(Tb)对蚕豆遗传毒性和细胞毒性的影响,发现稀土引起蚕
豆根尖细胞有丝分裂指数显著降低,根尖细胞多种染色体异常和核异常,包括微核、染色体环、染色体断片、染
色体单桥、多桥、滞后、多极分布、解螺旋不同步、染色体在赤道面上分布异常、染色体加倍、核出芽和核破裂
等[42]。 比较不同稀土元素对蚕豆细胞的毒性,发现 Tb的毒性阈值在 12—24 滋g / mL之间[43],Ho 的毒性阈值
为 4 mg / L[44],Pr的毒性阈值为 8 滋g / mL[42]。 重稀土对玉米根尖细胞遗传毒性的阈值(硝酸铒和硝酸钇均为
5 mg / L) 比轻稀土的毒性阈值(硝酸铈 25 mg / L、硝酸钐 125 mg / L和硝酸铕 125 mg / L)低得多,说明重稀土的
毒性大于轻稀土[45]。
3. 2摇 微生物
微生物是一个完整农田生态系统的主要组成部分之一,种类包括藻类、细菌、真菌、放线菌等。 它们在农
田生态系统中扮演着分解者的角色,把有机质分解成简单的化合物并释放到环境中,供农田生态系统中的初
级生产者再利用。
据报道稀土元素 La对微生物有较强的毒性作用,随着 La浓度的升高,培养基的细菌、放线菌和真菌数量
不断减少。 La浓度分别大于 200 mg / L和 150 mg / L时,细菌和放线菌无法存活;La浓度大于 500 mg / L时,仅
有 40%的真菌可以存活[46]。 稀土元素对不同微生物的毒性大小,La:细菌>放线菌>真菌;Ce:细菌>放线菌>
真菌。 有报道,低浓度的 Ce积累量达 10% AD(土壤吸附容量)以下时,黄褐土中放线菌的菌落种类有 10 多
种,但 Ce 积累量达 20%AD以上时,放线菌菌落种类仅有 2—4 种[47]。 低浓度的 La 对红壤中硝化细菌活性
有强烈的刺激作用,但是随着 La 浓度的升高硝化细菌活性则被严重抑制,在 1000 mg / kg La 时,土壤硝化细
菌数量只有对照的 10% [46]。 唐欣昀等[48]报道,0. 27 mg / kg的稀土可刺激土壤自养固氮菌数量的增加,而高
剂量稀土(>490 mg / kg)则强烈地抑制自养固氮菌的生长。
采用室内培养和盆栽实验方法研究稀土元素 La对红壤呼吸作用的影响,发现 La浓度较低时微生物呼吸
作用增强,但是随着 La 浓度的增加微生物呼吸作用不断降低,在 100 mg / kg 时呼吸作用降低达到显著水
平[49鄄50]。 周峰等[51]的实验得出,小于 100 mg / kg的低浓度稀土对微生物呼吸作用具有刺激作用,随着稀土浓
度的增加呼吸速率受到明显的抑制作用,当稀土浓度达到 2000 mg / kg 时可抑制呼吸速率 44. 7% 。 微生物代
谢熵是指单位土壤微生物生物量的呼吸作用。 当稀土的浓度为 50 mg / kg 时,代谢熵 qCO2 的抑制率高达
47郾 7% ;稀土浓度大于 1000 mg / kg时,代谢熵的最大抑制率高达 61. 5% 。 低浓度的 La 对土壤硝化作用有微
弱的刺激作用,但浓度升高时则表现出抑制作用。 褚海燕等报道[52],La浓度低于 100 mg / kg时对土壤 P 转化
作用有微弱的刺激作用,但浓度升高时则表现出明显的抑制作用。 土壤酶是由微生物、动植物活体分泌及由
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动植物残体、遗骸分解释放于土壤中的一类具有催化能力的生物活性物质。 稀土对土壤酶活性影响的研究主
要集中在脲酶、磷酸酶、过氧化氢酶、脱氢酶和蔗糖酶等。 La 对土壤脲酶、磷酸酶、蔗糖酶 3 种水解酶活性均
表现出明显的抑制作用。 不同处理的稀土对土壤脲酶活性的抑制能力表现为:尾矿稀土淋出液(多种稀土混
合液)> La和 Ce复合污染> Ce单一污染> La 单一污染;对土壤过氧化氢酶活性的抑制能力表现为:尾矿稀
土淋出液> La和 Ce复合污染> La单一污染> Ce单一污染[53]。
3. 3摇 动物
动物是农田生态系统中的伴生生物群落。 不同剂量的稀土均可以诱发动物机体细胞、器官和组织的多种
效应。 稀土对动物具有“低促高抑冶的效应,大剂量稀土对动物将产生明显的毒性作用。 谢克和等[54]研究表
明高剂量的稀土导致蚯蚓体重降低,而低剂量稀土促进蚯蚓体重增长。 研究稀土对蚯蚓体内氨基酸含量的影
响,发现高浓度稀土溶液与蚯蚓接触 24 h后使蚯蚓体内氨基酸含量下降,而低浓度稀土使蚯蚓氨基酸含量显
著提高[55]。 反过来蚯蚓的生长也可以改变稀土元素 Y、La、Ce、Pr和 Nd 在土壤的形态分布,并提高这些元素
在土壤的生物有效性[56]。 在母鼠孕哺期饮用水中加入一定剂量的 LaCl3,可导致仔鼠体重、脑组织重量下降,
神经系统受到伤害,超氧化物歧化酶和谷胱甘肽过氧化物酶活性降低,大脑皮质、基因和蛋白表达降低,学习
记忆能力下降[57鄄58]。 当 Cd2+浓度为 0. 025 和 0. 25 mg / L 时,0. 5 mg / L Ce3+能缓解 Cd2+胁迫引起泥鳅肝脏的
各种基团成分、构象和含量的不良变化,而当 Cd2+浓度为 0. 5 mg / L 时,Ce3+和 Cd2+则起协同作用破坏泥鳅肝
脏的各种基团的构象,降低核酸和蛋白质的空间稳定[59]。 研究 Sm 对蝌蚪生长发育的影响,发现随着 Sm 浓
度的增大,蝌蚪的死亡率不断提高,说明 Sm对蝌蚪具有较大的毒害作用[60]。 叶面喷施稀土 La 和 Nd 对葡萄
园中性昆虫亚群落和食饵功能团的物种数影响较显著[61]。 稀土对葡萄园节肢动物衰退期起着延缓的作用,
Nd元素体现为持效性效果较好, 而 La元素体现出速效性的特点[62]。 施用不同稀土浓度的梅园土壤中, 杂
食性土壤动物功能群个体数量高于植食性土壤动物功能群, 且杂食性土壤动物功能群个体数量在不同稀土
土壤的大小顺序为:对照区>La区>Ce区>Pr区>Nd区>Sm区[63]。 据报道,稀土元素 La、Ce和 Pr可在牛的肝
脏等器官大量积累,并影响牛免疫系统的正常功能[64鄄65]。
4摇 农田生态系统稀土毒性评价与防治
4. 1摇 稀土毒性评价
稀土资源的不合理开采和冶炼,导致矿区周边土壤和水体稀土元素含量较高,稀土经过植物吸收和富集
并通过食物链途径进入动物和人体内,对动物和人产生毒害作用。 通过食物链途径进行人体是稀土元素的主
要暴露途径。 赣南矿区成人稀土日摄入稀土量为 6. 0—6. 7 mg,比对照区成人摄人量高 2 倍[53]。 长期接触稀
土导致女工月经量减少率和月经异常量均高于对照组。 稀土元素也可以经过呼吸作用直接进入人体。 在农
田施用稀土过程中,稀土粉尘在人的呼吸作用下进入人体,对人的呼吸道粘膜产生一定的刺激作用,使咽部和
鼻腔充血。 Yu等[66]在稀土矿区采集成人血液进行研究,发现稀土暴露地区人群的外周血单核细胞的端粒酶
活性提高,外周血单核细胞 S 期和 G2鄄M 期增加,稀土元素还影响 DNA 的复制。 长期摄入低剂量的稀土,将
导致儿童智商发育不良,成人中枢神经传导显著下降,儿童肺活量和血压较低,免疫蛋白 IgM 水平显著降
低[67]。 可见,残留在农田中的稀土元素已经对人体产生明显的毒副作用,有必要对稀土进行毒性评价。
稀土的毒性评价可用植物、动物和微生物的毒性实验来进行。 植物毒性评价实验的表征因子有呼吸作用
和生长率等。 动物毒性评价(如蚯蚓等)的表征因子有急性死亡率、繁殖率、生长率以及体内酶活性变化等。
微生物毒性评价的表征因子有菌落数、种群、生物量以及土壤酶活性变化等。 根据 OECD评价体系,研究混合
稀土对 3 种作物(水稻、油菜和大豆)相对生长量和出苗率的影响,计算出稀土影响作物的半效应浓度(EC50)
和半致死浓度(LC50),通过与已有 LC50 和 EC50 值的比较可以诊断出该稀土含量是否达到某一污染水平或污
染程度[68]。 唐欣昀等[48]研究混合型氯化稀土(含有 La、Ce、Nd和 Lu) 对大田土壤微生物的影响,发现细菌、
放线菌和真菌的 EC50 值分别为 24. 0 mg / kg、41. 6—73. 8 mg / kg 和 55. 3—150. 1 mg / kg, 并初步得出 30 mg /
kg是混合型氯化稀土在黄褐土中积累的安全临界值。 有人研究 La对红壤转化酶、过氧化氢酶和脱氢酶活性
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的影响,发现 La 对土壤脱氢酶活性具有强烈的抑制作用,认为脱氢酶活性是评价土壤 La 污染的敏感
指标[52]。
4. 2摇 稀土防治
稀土的理化性质与重金属有很大的相似性,生物毒性均随着浓度的升高而提高。 鉴于稀土元素污染过程
中的隐蔽性、长期性和不可逆性等特点,稀土污染土壤的治理已引起人们的广泛关注。 稀土污染土壤的治理
方法有:淤物理法,包括排土、换土、去表土、客土、深耕翻土、淋洗、电化法等措施;于化学法,通过氧化、还原、
沉淀、吸附、拮抗等方法,提高土壤的吸附能力,改变稀土元素存在的形态,降低稀土元素在土壤中的迁移能力
和生物可利用性;盂生物法,包括植物修复和微生物修复方法。
植物修复技术以其成本低、不破坏土壤结构和不造成二次污染等优点而备受人们推崇的治理稀土污染土
壤的生态技术。 其机理主要是利用植物对稀土元素进行吸收积累和降解转化。 目前,人们将超积累植物作为
修复稀土污染土壤的优先考虑品种。 一般认为地上部稀土元素含量达到或超过 1000 ug / g 的植物,或者地上
部稀土元素吸收系数达到或超过 1 的植物,即可称为稀土元素超积累植物[69]。 地上部稀土元素含量以灰分
计算,最高达到或超过 1000 ug / g,就可以直接确定为稀土元素超积累植物。 共发现 4 种稀土元素超积累植
物:柔毛山核桃(1350 滋g / g)、山核桃(2296 滋g / g)、乌毛蕨(1022 滋g / g)和芒萁(3358 滋g / g) [69]。 另有报道,依
据地上部稀土元素的吸收系数达到或超过 1 的植物,有 16 种:里白算盘子、美洲商陆、横须贺蹄盖蕨、红盖鳞
毛蕨、黑足鳞毛蕨、丝柄铁角蕨、本州铁角蕨、尖叶铁角蕨、小铁角蕨、铁角蕨、 单盖铁线蕨、东亚乌毛蕨、糙毛
芒萁、日本狗脊蕨、美洲商陆和横须贺蹄盖蕨。 以上 20 种植物中,除了柔毛山核桃与山核桃、美洲商陆、里白
算盘子外,其余 16 种均为蕨类植物,这与蕨类植物种类繁多、分布广泛、繁衍方式多和对各种极端恶劣环境适
应能力强有关[70],因此运用蕨类植物吸收富集稀土元素,修复稀土污染土壤具有较好的应用和推广前景。
5摇 问题与展望
稀土元素具有环境累积性、生物吸收与富集性等特点,尽管低浓度的稀土对作物生长有利,但是高浓度稀
土却对作物生长有抑制作用。 与重金属相类似,稀土元素的生物毒性随着浓度的增加而提高。 稀土元素对农
田生态系统中的农作物、微生物和动物的影响研究不断得到加强,其影响机理不断被阐明,但是由于不同稀土
元素性质的差异性、农田生态系统结构和功能的复杂性,许多问题仍需人们进一步思考和解决:
1)加强农田生态系统稀土毒性评价方法的研究。 目前人们对稀土的毒性评价主要采用植物毒性评价法
和微生物毒性评价法等,这些方法有自己的优点和缺点。 鉴于农田生态系统稀土元素污染的复杂性,应该加
强稀土元素其它毒性评价方法的研究,比如蚯蚓毒性评价法、生物标记物评价法、遗传毒性评价法等,从而快
速、准确和科学地评价稀土元素的毒性状况,为稀土的污染防治提供科学依据;
2)加强稀土元素对农田生态系统作物生长胁迫机理的研究,可从细胞显微结构变化、功能基因克隆与表
达、蛋白质组表达等方面开展深入的探讨。 研究外源稀土元素进入农田生态系统后的行为、归宿及形成机理;
稀土元素与其它环境污染问题(酸雨等)复合污染对农田生态系统的影响,从而更好地揭示稀土对农田生态
系统的影响机制。 利用分子生态学技术研究稀土元素对土壤微生物结构和功能、微生物多样性的影响;
3)加强稀土污染土壤修复技术的研发。 目前有关稀土污染土壤修复的研究开展较少,因此有必要加强
这方面的研究工作。 针对不同土壤稀土元素的污染特点,结合物理、化学、生物、农艺手段对污染土壤进行联
合治理,研发出有效的修复技术,降低农作物对稀土元素的吸收和积累,减少稀土元素的地表径流和下渗迁
移,从而降低稀土元素对周边环境的污染风险和对人体健康的危害。
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圆猿员缘 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 猿猿 卷摇
《生态学报》2013 年征订启事
《生态学报》是由中国科学技术协会主管,中国生态学学会、中国科学院生态环境研究中心主办的生态学
高级专业学术期刊,创刊于 1981 年,报道生态学领域前沿理论和原始创新性研究成果。 坚持“百花齐放,百家
争鸣冶的方针,依靠和团结广大生态学科研工作者,探索生态学奥秘,为生态学基础理论研究搭建交流平台,
促进生态学研究深入发展,为我国培养和造就生态学科研人才和知识创新服务、为国民经济建设和发展服务。
《生态学报》主要报道生态学及各分支学科的重要基础理论和应用研究的原始创新性科研成果。 特别欢
迎能反映现代生态学发展方向的优秀综述性文章;研究简报;生态学新理论、新方法、新技术介绍;新书评价和
学术、科研动态及开放实验室介绍等。
《生态学报》为半月刊,大 16 开本,300 页,国内定价 90 元 /册,全年定价 2160 元。
国内邮发代号:82鄄7,国外邮发代号:M670
标准刊号:ISSN 1000鄄0933摇 摇 CN 11鄄2031 / Q
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本期责任副主编摇 王克林摇 摇 摇 编辑部主任摇 孔红梅摇 摇 摇 执行编辑摇 刘天星摇 段摇 靖
生摇 态摇 学摇 报
(SHENGTAI摇 XUEBAO)
(半月刊摇 1981 年 3 月创刊)
第 33 卷摇 第 16 期摇 (2013 年 8 月)
ACTA ECOLOGICA SINICA
摇
(Semimonthly,Started in 1981)
摇
Vol郾 33摇 No郾 16 (August, 2013)
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