稀土元素与生物活性菌肥对农作物的促生效果

宋言三,李 广,张 婷,朱 芳,何 磊,柴瑞娟

(安徽工程大学生物与化学工程学院,安徽芜湖 241000)

稀土元素与生物活性菌肥对农作物的促生效果

宋言三,李 广,张 婷,朱 芳,何 磊,柴瑞娟∗

(安徽工程大学生物与化学工程学院,安徽芜湖 241000)

以开发稀土元素辅助的高效生物活性菌肥为目的,采用盆栽大豆、小麦、玉米、水稻为实验材料,分别用稀土元素协同活性菌肥溶液、稀土元素溶液、活性菌肥溶液和蒸馏水定期浇灌,测定植物幼苗相关生长指标．结果显示,稀土元素及活性菌肥溶液对供试作物均有一定促生效果,但稀土元素协同活性菌肥溶液的促生效果更优越．稀土元素协同活性菌肥的使用有更高的潜在肥力．

稀土元素;活性菌肥;农作物;促生作用

稀土元素(rare earth elements)是指元素周期表中原子序数为57～71的15种镧系元素,以及与镧系元素化学性质相似的钪(Sc)和钇(Y)．稀土元素在矿床学[1]、发光材料[2]等领域都得到了广泛应用．随着研究的发展,稀土元素对生物机体的生理作用研究也越来越受到人们的关注．

有研究显示铈和镧可以促进椰子树[3]根系的生长,叶面喷施镧和铈也可以促进春秋两季油菜茎叶干、鲜物重增加,同时,增加干鲜比[4]．此类研究表明,稀土元素在农业上施用有望提高农产品产量、品质和抗性,可降低农药及化肥的用量,节省农业生产成本,同时实现环境的保护．

我国是稀土大国,于1972年将稀土肥料应用于农业生产[5],截止20世纪90年代,稀土肥料在我国已累积使用9 300万亩．目前常用的是以镧、铈元素为主的稀土微肥,以及少量的镨、钕元素在内的轻稀土无机盐或有机盐．而单用稀土施肥可能导致稀土元素在土壤中的累积、超标,造成二次污染．考虑到众多细菌具有土壤污染修复[6]的能力,因此,稀土元素与菌肥的结合使用有望降低此风险．

生物活性菌肥是指采用生物工程技术生产的含有活性微生物的特定制品,它与化学肥料的本质区别是不含大量营养元素,主要是以微生物的生命活动及产物来改善植物的营养条件,发挥土壤潜在的肥力,因此,不仅可以减少环境污染,还可以提高作物的产量和品质．目前使用的生物肥料肥效缓慢、成本高,虽然无化学肥料的弊端,但在使用上受到限制．

对比稀土元素、活性菌肥及二者联合使用的3种处理对几种农作物的促生效果,将稀土元素和活性菌肥相结合,探讨研制新型稀土生物肥料,为降低化学肥料的使用,提高生物肥料肥效提供一条新的途径．

1 材料与方法

1．1 实验材料

大豆、小麦、玉米、水稻、某品牌生物菌肥．

1．2 试剂与仪器

水合硝酸镧、水合硝酸铈、丙酮、无水乙醇、石英砂、碳酸钙,均为分析纯(AR),由国药集团化学试剂有限公司提供;紫外可见分光光度计(UV-3600,日本岛津公司);分析天平(FA1204B,上海精科天美贸易有限公司)．

1．3 实验方法

(1)材料预处理．选取籽粒饱满、组织结构完整、大小基本相同的供试种子,用0．1%的氯化汞溶液浸泡10min后,用清水冲洗35次,25℃用供试溶液浸泡12 h．

(2)协同溶液的配制．配制5 mg/L的硝酸镧和硝酸铈溶液,按照使用说明分别加入某品牌生物菌肥,使稀土元素占菌肥的10%,菌肥质量浓度为0．05g/L,搅拌均匀用于浸泡供试植物种子．

(3)材料的培养．将泡好的种子播种于塑料花盆中(上口径20cm×16cm下口径×13cm高)的土壤中,放在通风良好,阳光充足的窗台上,每7d浇一次供试溶液．

(4)对照实验．分别以5mg/L的硝酸镧和硝酸铈溶液,0．05g/L的活性菌肥溶液以及蒸馏水做对照．

(5)生长情况测定．待幼苗生长30 d时检测平均根长、根数、株高、植株鲜重及叶片长度．每个处理5盆,重复3次．

(6)叶绿素含量的测量．参照文献[7]测定植株叶片的叶绿素含量．

(7)稀土元素对菌肥中细菌生长的影响．在锥形瓶中加入200mL液体牛肉膏蛋白胨培养基、硝酸镧(5mg/L)及硝酸铈(5mg/L)及加入菌肥,质量浓度为0．05 g/L,150 r/min,30℃震荡培养12 h后测定溶液吸光度(A600)．在不加稀土元素的锥形瓶中培养菌肥菌,作为对照．

(8)不同处理对土壤中细菌总数的影响．称取种植过幼苗的土壤适量,参照文献[8]中方法,分光光度计测定溶液吸光度(A600)．

(9)统计分析．处理组数据与对照组做统计学分析．

2 结果与讨论

2．1 硝酸镧协同活性菌肥对植物的促生作用

根系是植物吸收水分和矿质营养的重要器官,对植株地上部分的生长、发育及生存都有影响[9-10]．硝酸镧协同活性菌肥对植物的促生作用如表1所示．由表1可知,硝酸镧协同活性菌肥处理对大豆根长、根数及水稻根长的促进作用与对照硝酸镧、活性菌肥、蒸馏水相比均有显著差异,硝酸镧协同活性菌肥对大豆幼苗根系的生长具有良好的促进作用．叶绿素含量会影响植物的光合和生长[11],从而反应在植株鲜重上有较大差异,硝酸镧协同活性菌肥处理对水稻叶片叶绿素含量、植株鲜重及大豆植株鲜重有显著影响．综合表1数据说明,稀土元素协同活性菌肥在某种程度上对供试植物根系及植株生长的促生效益优于它们的单独使用．

2．2 硝酸铈协同活性菌肥对植物的促生作用

硝酸铈协同活性菌肥对植物的促生作用如表2所示．由表2可知,硝酸铈协同活性菌肥的促生作用与对照相比有显著差异,可以明显促进大豆根长、根数、株高、植株鲜重,促进小麦株高、玉米叶绿素含量、水稻叶绿素含量．实验结果说明,稀土元素协同活性菌肥的使用有更高的潜在肥力．

2．3 稀土元素对菌肥中细菌生长的影响

适当浓度稀土元素可以促进细菌的繁殖[12],菌肥菌对稀土元素也有此生理反应．经过一段时间培养,加入稀土元素的培养基中细菌总数明显高于不加稀土元素的培养基,菌肥菌数量的增加可能是菌肥功能表现的一个方面．

2．4 不同处理对土壤中细菌总数的影响

稀土元素对菌肥中细菌生长的影响如表3所示．稀土元素对土壤中细菌总数的影响如表4所示．由表3、表4可知,只浇蒸馏水时,种植不同作物的土壤中细菌总数均比种植前有所增加．因为在适合作物生长的培养条件下,只要是适宜的温度和湿度,细菌也可以利用土壤中的碳源和氮源进行繁殖,只浇硝酸镧和硝酸铈的土壤中细菌总数与只浇蒸馏水组相比有明显差异,说明稀土元素也可以促进土壤中原有细菌的生长和繁殖;浇稀土元素组和活性菌肥组的土壤中细菌总数没有显著差别,可能是因为它们对土壤中细菌总数的影响相差不大;稀土元素协同活性菌肥组的土壤中细菌总数最高,是因为稀土元素促进细菌繁殖的作用与外加活性菌肥的作用相叠加．因此,稀土元素协同活性菌肥的良好促生作用可能是通过促进土壤中细菌繁殖,改善土壤微生态环境实现的．

表1 硝酸镧协同活性菌肥对植物的促生作用

表2 硝酸铈协同活性菌肥对植物的促生作用

表3 稀土元素对菌肥中细菌生长的影响

表4 稀土元素对土壤中细菌总数的影响

3 结论与讨论

稀土元素和活性菌肥均有较好的促生作用,有利于农业生产．研究说明这一现象的存在,如与不施肥的蒸馏水组相比,硝酸镧单独使用可以促进大豆根数、株高、植株鲜重,小麦和玉米根数,水稻根长;硝酸铈可以促进大豆根长、根数、株高,小麦根数;活性菌肥组与不施肥的蒸馏水组相比有利于大豆株高,小麦根数．但稀土元素与活性菌肥之间的促生作用难分伯仲．

菌肥菌在土壤中的生长和繁殖速度关系到菌肥的肥力,在农田中施加菌肥也会对土壤微生态环境有一定影响[13-15]．同时,稀土元素不仅对植物生长有一定促进作用,对微生物生长也有一定促进作用[16]．因此,推测稀土元素协同活性菌肥的高效促生效应可能与稀土元素促进了活性菌肥菌和土壤中微生物的生长有关．低浓度的La3＋会刺激红壤中硝化细菌活性[17],也会增强黑曲霉抗氧酶活性[18],因此,稀土元素协同活性菌肥的高效促生效应也可能是因为稀土元素影响了活性菌肥菌生理活性而表现出来的．实验室后续将拟从施加稀土元素和活性菌肥后,土壤中的微生物菌群数量及微生物的生理功能变化入手,探讨它们协同使用肥力增强的机理．

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Rare earth elements and biologically active fertilizer interaction promoting effect of several major crops

SONG Yan-san,LI Guang,ZHANG Ting,ZHU Fang,HE Lei,CHAI Rui-juan∗
(College of Biological and Chemical Engineering,Anhui Polytechnic University,Wuhu 241000,China)

In order to assist the development of efficient bio-active rare earth element fertilizer with potted soybean,wheat,maize,rice as experimental material,and with the rare earth element synergistic activity fertilizer solution,a solution of rare earth elements,active-fertilizer solution and distilled water regularly watered respectively,the relevant plant seedling growth indexes are determined．The results show:rare earth elements and active-fertilizer solution on the test crop have certain growth-promoting effect,but synergistic activity of rare earth elements fertilizer promoting effect is superior solution．The use of rare earth elements synergistic activity fertilizer possesses a higher potential fertility．

rare earth element;active fertilizer;crop;growth-promoting effect

Q945．3

A

1672-2477(2015)04-0012-05

2014-12-20

省级大学生创新创业基金资助项目(201310363139)

宋言三(1993-),男,安徽安庆人,本科．

柴瑞娟(1975-),女,内蒙古乌兰察布人,副教授,硕导．