稀土作用下水花生对氮元素吸收能力的研究

詹林琦 邵 波

(浙江树人大学 生物与环境工程学院 环境工程专业，浙江 杭州 310000)

引言

在花卉生产养殖中，施肥不当常造成名贵花卉萎蔫、发生盐害甚至死亡，给经营生产者带来庞大的经济损失[1]。氮肥是花卉成长所需的最多元素之一。缺氮常造成花卉植株生长矮小，影响覆盆效果[2]；然而，过度施用氮肥或供氮速率过快又常常造成植物徒长，甚至烧叶、烧根，进而影响花卉的观赏效果[3]。氮素营养浓度过高，会造成叶片叶绿素含量和生长量的降低[4]。不同水生植物对氮的吸取也不完全一致。在翟建平，蒋鑫炎等对不同水生植物富集氮能力的实验探究中[5]，结果显示水生植物对营养氮素的富集起到很大作用，可用于富营养化河道；而孙君瑶等对不同植物组织对氮元素富集效应探究[6]，结果则显示在狐尾藻、蒲草、慈菇等7种大型水生植物中均对磷有良好的汲取，但是对氮的吸收不同植物的不同部位不尽相同。

目前，大部分学者认为稀土元素不属于植物必需营养的元素，但是，大量的研究显示，在适合的条件下稀土元素可以促使植物对营养的汲取、转变和利用等营养生理活性。在各项研究中，有关稀土对水藻的影响研究报道较多，1959，G.Bringmann研究了硫酸铈对藻类的毒性[7]；胡泗才等也就硝酸稀土对斜生栅藻和蛋白核小球藻的毒性进行了初步试验[8]。国内外也日渐重视水花生与水华藻类的相互作用研究。水花生关于富营养化水体和蓝藻的防治有良好的成果，可以起到一定的生态修复的作用[9]。采用稀土处理典型的水体富营养化类水生漂浮植物水花生，研究水花生的生长发育是否能在适宜浓度范围内的稀土作用下得到一定程度的促进，增加对氮素的吸收，使生长效果达到最佳是本实验的目的。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

实验仪器：紫外分光光度计(型号：UV-2450PC |*)及10mm石英比色皿、具玻璃磨口塞比色管(50mL)移液管、超纯水器(型号：UPWS-1-60D)、超声波消洗器，所用玻璃器皿可以用盐酸(1+9)或硫酸(1+35)浸泡，清洗后再用超纯水冲洗数次。

试剂：一切试剂全部用不含氨的蒸馏水(超纯水)配制。

1.2 取样及预处理

实验中所使用的水花生是取自学校边上的池塘，采用水培进行培养。先将植株移出放置于清水中培养，培植两天后，分别取两三株长势相似的水花生于三角锥形瓶中。稀土铈溶液浓度按0mg/L、2mg/L、5mg/L、10mg/L，尿素浓度按0mg/L、400mg/L、800mg/L、1200mg/L配置好。实验测3组不同尿素浓度处理的水花生植株在4组不同稀土浓度下的体内总氮含量，每组3个平行组，1组空白对照。

1.3 实验方法

本实验样品溶液的制备是选用硫酸—过氧化氢消煮后采用纳氏分光光度法测定，纳氏比色法是植物样品在浓硫酸溶液中，通过脱水炭化、氧化等一系列作用，而氧化剂H2O2在热的浓H2SO4溶液中分化出的新生态氧(H2O2→H2O2﹢[O])具备剧烈的氧化作用，分解H2SO4没有损坏的有机物和碳，使有机N、P等转化为无机铵盐和磷酸盐等，所得到的消煮液用纳氏比色法检测溶液中总氮的含量。采用该方法主要是考虑到实验室仪器设备不能达到所测定要求的因素，采用浓硫酸—过氧化氢将剪碎的植物叶片进行消煮成溶液，取该消煮液置于容量瓶中，加入酒石酸钠溶液，KOH溶液调pH以中和溶液中的酸，加纳氏试剂后定容摇匀，在波长为420nm下用分光光度计比色。

1.3.1 模拟尿素浓度梯度配置

根据实验所绘制的标准曲线，准确称取尿素白色晶体(分析纯)，用超纯水配成尿素溶液，放置于锥形瓶中进行培养，在各组实验中处理液均以此尿素溶液为母液。尿素浓度梯度为0mg/L、400mg/L、800mg/L、1200mg/L。

1.3.2 稀土铈溶液浓度配置

称取CeO20.06142g于烧杯中，加入浓硝酸和少量H202加热溶解，待溶解后移至500mL的容量瓶中定容，浓度为100mg/L，将溶液装入洗净后的塑料试剂瓶中。分别取铈储备液10mL，25mL，50mL于三角锥形瓶，获得浓度梯度为2mg/L，5mg/L，10mg/L的硝酸铈。

1.3.3 营养液的配置

根据文献中不同营养液对水花生的培养情况得出适合水花生生长的营养液配方：

CaCl2·H2O 17.7克/升；MgSO4·7H2O 15克/升；KH2PO410克/升；Na2Fe-EDTA 18.6克/升；FeSO4·7H2O 13.9克/升。需稀释10倍后使用。

1.4 分析方法

1.4.1 纳氏比色法测定标准曲线

使用浓硫酸过氧化氢消煮纳氏比色法，隔三天测定水花生体内总氮的含量。以超纯水作为参比，在420nm波长处比色，制作植物体内总氮的标准曲线方程：y=0.1909x+0.0412，R2=0.998。线性关系良好。

2 结果分析

2.1 稀土铈对水花生吸收氮素代谢的影响

氮元素对植物的成长发育有非常显著的影响成果。充足的氮素可以促进叶片的生长，使其更好的进行光合作用。水花生的生长过程中需要的肥料较多，如果养分不足，叶片则难以长大。施肥控制在每两周左右一次即可，以保障植物生长繁茂。植物的生长还需要吸取充足的阳光，通常每天接受四个小时的光照即可保证水花生的生长效果最好。

稀土元素能提高作物抗逆境的能力，如抗旱、抗酸雨及抗重金属胁迫的能力。研究表明适量的铈能使水花生更好地进行光合作用和吸收养分，进而改善植株的生长。但是过量的稀土元素会在植物体内累积，阻碍了植物的生长。

2.2 计算

浓硫酸——过氧化氢消煮纳氏比色法所测得为实验中所得的植物叶片消煮液中总氮的含量，计算公式如下：

N(%)= ρ×V×ts×10-4/m

V——显色液体积，单位mL；

ts——分取倍数，消煮液定容体积/吸收消煮液体积；

m——干样品质量，g；

由此公式可得水花生中总氮所占的平均含量，单位为%。

2.3 结果

2.3.1 相同浓度的稀土铈下施加不同尿素浓度所测得的水花生叶片中N所占的百分数

相同稀土铈的浓度下营养液中施加不同尿素浓度所测得的水花生叶片内总氮所占的百分数，见图1-图4。

图1 Ce3+浓度0mg/L—不同尿素浓度下水花生体内总氮含量图

从图1中能够看出，在没有施加稀土铈时，把水花生放置于基础营养液中养植，随着溶液中尿素浓度的增加，测得其叶片内总N含量也随之迅速上升，当尿素浓度达到800mg/L时吸收能力最好，而尿素浓度为1200mg/L时总氮富集量比其他尿素浓度都要低，其中第9天时表现为0.657%，比尿素浓度为0mg/L减少了0.005%，比400 mg/L时减少了0.171%，比800 mg/L时减少了0.184%。前六天时水花生体内总氮富集量普遍呈现快速增长的趋势，在第6-12天期间水花生吸收速度相对缓慢，最终达到一个最大值，此时800 mg/L尿素浓度时总氮含量比0 mg/L增长了0.147%，比400 mg/L增长了0.01%，比1200mg/L增长了0.191%。

从图2-3中能够看出，随着溶液中尿素浓度的持续上升，测出其叶片内总氮含量也随之快速上升，在施加尿素浓度为800 mg/L时，水花生吸收总氮的能力最好，最大吸收值为0.934%。随着尿素浓度不断上升达到1200 mg/L时，叶片吸收总氮的能力反之下降，当Ce3+的浓度为5mg/L、尿素浓度为1200mg/L时总氮含量比800mg/L降低了0.099%，比400mg/L降低了0.048%。当Ce3+的浓度为2 mg/L时总氮富集量最大是0.910%，Ce3+浓度为5 mg/L时则是0.934%，说明施加5mg/L铈浓度时水花生在尿素浓度为800mg/L时吸收总氮含量能力达到最强，使其可以良好的生成蛋白质，促使细胞的分裂和增长，水花生能够更好地进行氮素的吸收。

图2 Ce3+浓度2mg/L—不同尿素浓度下水花生体内总氮含量图

图3 Ce3+浓度5mg/L—不同尿素浓度下水花生体内总氮含量图

图4 Ce3+浓度10mg/L—不同尿素浓度下水花生体内总氮含量图

从图4中可以看出，添加稀土铈浓度为10mg/L时总氮在水花生体内的富集趋势跟铈浓度为2mg/L和5mg/L时变化趋势大致相似，吸收总氮含量都是逐渐上升，当第6天后变的缓慢，后达到稳定状态。当第12天时尿素浓度为1200mg/L时总氮百分比为0.727%，比尿素浓度为0mg/L减少了0.019%，比400 mg/L时减少了0.087%，比800 mg/L时减少了0.139%，此时比刚培养初时增加了0.335%，由此可见，适量的铈能使水花生更好地进行光合作用和吸收养分，从而改善水花生对氮的吸收能力。

2.3.2 相同尿素浓度下施加不同稀土铈浓度所测得的水花生叶片中N所占的百分数

相同尿素浓度下溶液中施加不同浓度的稀土铈所测得的水花生叶片内总氮的富集量，见图5-图8。

图5 尿素浓度0mg/L—不同Ce3+浓度下水花生体内总氮含量图

图5中可以看出施加5mg/L Ce3+时水花生体内总氮的富集量达到一个最高峰，在第9天时5mg/L Ce3+中测得总氮所占百分数为0.797%，0mg/L Ce3+为0.662%，2mg/L Ce3+为0.687%，10mg/L Ce3+为0.728%。在实验过程中观察到第12天时总氮含量为0.841%，同其他浓度值在同一时刻比较，比0mg/L Ce3+增加9.51%，比2mg/L Ce3+增加8.66%，比10mg/L Ce3+增加2.31%，同时也可以看出施加0mg/L Ce3+中吸收总氮能力最低，这说明施加一定的稀土浓度能够促使植物对营养的汲取。

图6中可以看出在第6天尿素浓度为400mg/L时，施加10mg/L Ce3+水花生体内总氮富集量达到一个最低峰，总氮含量为0.749%，比0mg/L Ce3+下降10.55%，比2mg/L Ce3+下降12.95%，比5mg/L Ce3+下降10.28%。在前6天施加稀土铈浓度0mg/L比Ce3+为10mg/L时吸收的氮能力低，但是之后就表现为0mg/L时总氮富集量快速增加，当养植为12天时Ce3+为5mg/L时总氮含量为0.852%，Ce3+为10mg/L时为0.814%，这说明在尿素浓度一致的情况下，稀土铈浓度越高反而抑制了总氮在其体内的富集能力。

图6 尿素浓度400mg/L—不同Ce3+浓度下水花生体内总氮含量图

图7从可以看出水花生植株养植至12天时，随着溶液中施加稀土铈浓度的不断增加至5mg/L，测出其叶片内总氮含量也随之迅速上升，随着时间的增加，植物吸收总氮能力也跟着增强，其中当5mg/L Ce3+时总氮富集量达到最大，为0.934%。尿素浓度为400mg/L时所测总氮含量与尿素浓度为800mg/L时相比，10mg/L Ce3+时总氮含量变化了0.012%，0mg/L Ce3+时总氮含量变化了0.008%，5mg/L Ce3+时则变化了0.019%，说明了在尿素浓度为800mg/L和稀土浓度为5mg/L这两个浓度值时，水花生对氮的吸收能力达到一个最高峰。

图7 尿素浓度800mg/L—不同Ce3+浓度下水花生体内总氮含量图

从图8看出当尿素浓度为1200mg/L时，反映出稀土Ce3+为5mg/L时总氮富集变化最大，在培养至12天时，Ce3+的5mg/L时总氮百分数为0.835%，比0mg/L Ce3+增加12.84%，比2mg/L Ce3+增加15.81%，比10mg/L Ce3+增加6.10%。总体变化呈现不断上升的趋势，但0mg/L Ce3+时的总氮含量表现为初始值为0.393%，最大值为0.74%，而5mg/L Ce3+从初始值到最大值变化了53.17%，2mg/L Ce3+时则变化了45.77%，10mg/L Ce3+时则变化了50.19%，由此可看出，当施加尿素浓度到达一定值后，其对总氮的吸收能力反之会减弱，这也说明了过量施加氮肥也会导致植物对养分的吸收效果不加，降低了其吸收氮的能力。

图8 尿素浓度1200mg/L—不同Ce3+浓度下水花生体内总氮含量图

3 总结

3.1 水花生对不同浓度尿素溶液的吸收

表1 总氮百分比的初始值与最终值比较

从表中看出，在没有添加稀土铈溶液时，水花生体内总氮富集量随着浓度的变化而变化，最终达到一个稳定的状态。养植开始后，水花生对总氮的吸收急剧上升，到第3天时施加了0mg/L 尿素比400mg/L 尿素低16.08%，比800mg/L 尿素低41.23%，比1200mg/L尿素高5.24%。随后总氮富集量增加，当第12天时添加了800mg/L 尿素比0mg/L尿素增加了14.71%，比400mg/L 尿素增加了1.03%，比1200mg/L尿素增加了19.05%，从以上数据可以得出：添加的培养液中适量尿素浓度(800mg/L时吸收能力最好)促进总氮在水花生体内的富集，但尿素浓度过高，超出其本身能承受的最适浓度，水花生对总氮的吸收量反而会下降。

3.2 稀土铈能使水花生体内总氮的含量增加

从图5-图8中看出，当尿素的浓度为400mg/L时，表现为10mg/L Ce3+时总氮含量最低，5 mg/L Ce3+时总氮含量最高，其次是2 mg/L Ce3+。第3天有施加了稀土铈溶液的水花生体内总氮含量相比于没施加稀土铈的水花生吸收总氮含量变化为3.13%，4.09%，1.32%，第6天变化了4.64%，6.06%，1.19%，第12天降低了3.29%，6.02%，1.48%，说明了在尿素浓度为800mg/L和Ce3+浓度为5mg/L时水花生对氮的吸收能力达到一个高峰值。

4 展望

稀土可用于传统产业升级、催生新兴行业以及国防科技工作等高新领域，也可用于农作物方面。中国部分地区土壤盐渍化很严重，在非常大水平上影响了农业生产。当施用适当浓度稀土处理作物时，作物的抗土壤盐渍化能力得到提升[10]。稀土不仅可以应用在农业方面，也可运用在其他行业，比如，赵峰[11]对稀土材料用于PVC树脂改性的研究表明，稀土化合物不仅具有热稳定剂的作用，并且还显示出偶联剂、加工改性剂等的作用。国内较早就有人开始了光功能农膜的研究，如在农膜生产时添加稀土荧光助剂可有效提高其透光性，并可延长其使用寿命。正是基于稀土改性剂对PVC具有优异的改性功能，其表现出了极大的市场潜力。国内外对稀土材料的研究已取得了丰硕的果实，促进了其科学技术的成熟，预测国内需要在未来30年间持续提升稀土材料的创新[12]。