稀土施用下绿萝对氮元素吸收能力的影响研究

王 莹，邵 波

（浙江树人大学生物与环境工程学院，浙江 杭州 310000）

在景观植物生产中，若是施肥不当会发生名贵植物枯萎、盐害甚至死亡的后果，给生产经营者造成巨大的财产损失[1]。氮肥是植物生长不可缺少的元素之一，缺氮常造成植株矮小，影响覆盆效果[2]。氮肥作为作物生长必需的营养元素，为保证作物高产，常被过量施用[3]。氮输入过量不仅会失去提高作物产量的作用，反而会导致氮肥利用率（NUE）低下（仅为20%～40%） 及严重的氮肥损失[4]。除此之外，氮素还会影响花卉的切花产量和养分的吸收。氮肥品种不同，反映在不同的作物上也会有较大的差异，如铵态氮肥施用在水稻上，则表现出氯化铵、碳铵和尿素作物生长效果好，虽然硫铵也是铵态氮肥，但在水田中常还原生成硫化氢，会妨碍水稻根的呼吸。烟草、葡萄、淀粉类作物等忌氯作物应减少氯化铵的使用或者不施。

目前大部分专家学者都认为植物生长未必需要稀土元素，但在许多研究结果中显示，当条件适宜时稀土元素能改善植物的营养生理活性，使植物更多地吸收和利用养分。吴兆明[5]用镧和铈处理黄瓜根系后，显著提高了谷丙转氨酶和谷氨酸脱氢酶活性，这两个酶在氨基酸代谢中起关键作用，因而对植物的氮代谢起了促进作用。采用示踪技术发现，稀土对春小麦吸收、运转、氮磷利用有促进作用，并可以提升土壤氮素的利用率[6]。植物吸收稀土元素有一个临界值，当外源稀土施用量在合适的质量浓度范围内时，才能较好地促进植物的生长发育，未达到此质量浓度则对植物生长无明显影响，而当稀土元素质量浓度明显跳出适宜范围且大于临界值时，将会抑制甚至毒害植物。

绿萝别名黄金葛、魔鬼藤、黄金藤等，为天南星科藤芋属常绿多年生草本植物。在温暖潮湿和散射阳光充足的环境中能很好地生长。绿萝是大型常绿植物，可以在水中培养，也可以在营养液中进行培养[7-8]，用水培养绿萝的方法简单易懂，在餐厅等地经常用到水培的绿萝。绿萝外观受人喜爱，还能吸收家居装潢后空气中的甲醛成分[9]。周晓红《3 种景观植物对城市河道污染水体的净化效果》一文指出：美人蕉、绿萝、马丽安等3 种植物对总氮有很好的净化效果，其中绿萝对总氮去除率为48.161%，远高于其他植物系统，同时对水体的CODMn亦有明显的降解作用[10-11]。

1 稀土施用对氮元素吸收能力影响的实验设计

1.1 材料预处理

从市场购买实验所需的绿萝，稍微洗净根部的泥土后采用无土栽培法，将植株移出放置于清水中培养。

1.2 主要仪器与试剂

紫外分光光度计（型号：UV-2450PC |*）、10 mm 石英比色皿、具玻璃磨口塞比色管（50 mL）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。

浓H2SO4；300 g/L H2O2；100 g/L KOH 溶 液；100 g/L 酒石酸钠溶液；纳氏试剂；100 μg/mL N（NH4+-N） 标准溶液；超纯水，无氨；盐酸溶液，1＋9；所有试剂的配制都需要用不含氨的蒸馏水（超纯水）。

1.3 测定内容与实验方法

1.3.1 对比法测绿萝体内总氮质量分数

采用对比实验法，分别取长势相似的两三株培植2 d 的绿萝于三角锥形瓶中，其溶液为基础营养液和稀土铈溶液，设定稀土铈溶液质量浓度分别为0 mg/L，2 mg/L，5 mg/L，尿素质量浓度分别为0 mg/L，200 mg/L，400 mg/L，600 mg/L。

第一组：控制稀土铈溶液质量浓度为0 mg/L不变，将绿萝分别置于尿素质量浓度为0 mg/L，200 mg/L，400 mg/L，600 mg/L 的溶液中培养，分别在第3 天、第6 天、第9 天、第12 天、第15 天时，测定绿萝体内总氮质量分数。接下来改变控制变量稀土铈溶液质量浓度分别为2 mg/L 和5 mg/L，重复以上步骤。

第二组：控制尿素质量浓度为0 mg/L 不变，将绿萝分别置于土铈溶液质量浓度为0 mg/L，2 mg/L，5 mg/L 的溶液中培养，在第3 天、第6 天、第9 天、第12 天、第15 天时，测定绿萝体内总氮质量分数。接下来改变尿素质量浓度为200 mg/L，400 mg/L，600 mg/L，重复以上步骤。

1.3.2 实验方法

选用硫酸—过氧化氢消煮后采用纳氏分光光度法，纳氏比色法是在浓硫酸溶液的作用下，植物样品经过脱水炭化、氧化等过程，而氧化剂H2O2在热浓H2SO4溶液的作用下发生激烈的氧化作用分解出的新生态氧（H2O2→H2O2+ [O]），分解H2SO4没能毁坏的有机物和碳，使有机氮、磷等转化为无机铵盐和磷酸盐等，最后用纳氏比色法测定得到消煮液中的总氮质量分数。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 溶液调节pH 值以中和溶液中的酸，加纳氏试剂后定容摇匀，在波长为420 nm 下用分光光度计比色。

1.3.3 模拟尿素质量浓度梯度配置

标准溶液-N 标线：标准系列质量浓度分别为0 μg/mL N，0.5 μg/mL N，1.0 μg/mL N，1.5 μg/mL N，2.0 μg/mL N，2.5 μg/mL N 的（NH4+-N），以超纯水作参比，在波长为420 nm 下用分光光度计比色，并绘制标准曲线。

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。尿素质量浓度梯度为0 mg/L，200 mg/L，400 mg/L，600 mg/L。

1.3.4 稀土铈溶液质量浓度配置

称取CeO20.061 42 g 于烧杯中，加入浓硝酸和少量H2O2，加热溶解，待溶解后用500 mL 的容量瓶定容，质量浓度为100 mg/L，将溶液装入洗净的塑料试剂瓶中。分别取铈储备液10 mL，25 mL 于三角锥形瓶，得到质量浓度梯度为2 mg/L，5 mg/L的硝酸铈。

1.3.5 营养液的配置

根据文献中不同营养液对绿萝的培养情况得出适合绿萝生长的营养液配方：CaCl2·H2O 17.7 g/L；MgSO4·7H2O 15 g/L；KH2PO410 g/L；Na2Fe-EDTA 18.6 g/L；FeSO4·7H2O 13.9 g/L。需稀释10 倍后再使用。

2 稀土施用对氮元素吸收能力影响实验结果分析

2.1 稀土铈对绿萝吸收氮素代谢的影响

氮素在植物生长发育的过程中有十分显著的影响。充足的氮素可以提高植物的蛋白质合成率，加快细胞分裂和增长的速度，还能增大植物进行光合作用的主要场所叶片的面积。大量的肥料是绿萝在生长过程中必需的，叶片很难在养分不足的情况下成长。施液肥的时间控制在两周左右，来保证植物较好的生长。

稀土元素有提高作物产量，加强作物对氮、磷、钾的吸收，增大叶绿素质量分数和提高光合作用速率等作用[12]。试验表明：施用一定质量浓度的稀土微肥可以明显提高作物体内叶绿素质量分数，达到促进光合作用进行的目的。稀土元素还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绿萝更好地进行光合作用和吸收养分，改善植株的生长。但是过量的稀土元素会在植物体内累积，阻碍了植物生长。

2.2 纳氏比色法测定结果

使用浓硫酸—过氧化氢消煮纳氏比色法，隔3 d 测定绿萝体内总氮质量分数。

以超纯水作为参比，在波长为420 nm 下测定其分光光度，测得的峰面积与对应质量浓度工作曲线进行线性回归，得到线性方程为：y=0.190 9x＋0.041 2，相关系数r2=0.998，线性关系良好。

2.3 总氮质量分数的计算

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质量分数，计算公式为

式中：ρ 为从标准曲线查得显色液N（NH4+-N） 的质量浓度，μg/mL；V为显色液体积，单位mL；ts为分取倍数，消煮液定容体积/吸取消煮液体积；m为干样品质量，g；由此公式可得绿萝中总氮所占的平均质量分数。

2.4 数据分析

1） 相同质量浓度稀土铈施加不同质量浓度尿素所测得的绿萝叶片中总氮所占百分数。在未施加稀土铈时，把绿萝放置于基础营养液中培植，在溶液中尿素质量浓度不断增加的过程中，测得其叶片内总氮质量分数也随之迅速增加，结果表明尿素质量浓度处于600 mg/L 时吸收能力最好，而尿素质量浓度为0 mg/L 时总氮富集量比其他尿素质量浓度都要低，其中第9 天表现为0.662%，比尿素质量浓度为200 mg/L 时减少了0.039%，比400 mg/L 时减少了0.166%，比600 mg/L 时减少了0.178%。

当前6 d时绿萝体内总氮富集量普遍呈现快速增长的趋势，在第6～12 天期间绿萝吸收速度相对缓慢，最终达到一个最大值，此时质量浓度600 mg/L 尿素总氮质量分数比0 mg/L 增长了0.171%，比200 mg/L 增长了0.099%，比400 mg/L增长了0.01%。在不断加大溶液中尿素的质量浓度时，测得其叶片内总氮质量分数也随之迅速增加，在施加的尿素质量浓度处于600 mg/L 时，绿萝吸收总氮能力最好，最大吸收值为0.915%。当Ce3+质量浓度2 mg/L 时总氮富集量最大为0.907%，Ce3+质量浓度5 mg/L 时则为0.915%，说明施加质量浓度为5 mg/L 的铈且尿素质量浓度为600 mg/L 时，绿萝吸收总氮质量分数能力达到最强，其蛋白质的合成率也在增加，有利于细胞分裂和增长的过程，使绿萝更好地生长。

2） 相同尿素质量浓度下施加不同质量浓度稀土铈所测得的绿萝叶片中总氮所占百分数。同一尿素质量浓度下溶液中施加不同质量浓度稀土铈所测得的绿萝叶片内总氮的富集量（见图1～图4）。

图1 中可以看出施加5 mg/L Ce3+时绿萝体内总氮富集量达到一个高峰期，在第9 天时5 mg/L Ce3+测得总氮所占百分数为0.797%，0 mg/L Ce3+则为0.662%，2 mg/L Ce3+则为0.687%。当实验过程中观察到第12 天时总氮质量分数为0.841，同其他质量浓度值在同一时刻比较，比0 mg/L Ce3+增加9.51%，比2 mg/L Ce3+增加8.66%，同时也可以看出施加0 mg/L Ce3+中吸收总氮能力最低，该结果说明施加一定的稀土质量浓度有利于植物对养分的吸收。

图1 当尿素质量浓度为0 mg/L 时施加不同铈浓度下绿萝体内总氮的百分数

图2 当尿素质量浓度为200 mg/L 时施加不同铈浓度下绿萝体内总氮的百分数

图3 当尿素质量浓度为400 mg/L 时施加不同铈浓度下绿萝体内总氮的百分数

图4 当尿素质量浓度为600 mg/L 时施加不同铈浓度下绿萝体内总氮的百分数

从图2 中可以看出第3 天施加0 mg/L Ce3+总氮质量分数为0.439，比2 mg/L Ce3+降低37.59%，比5 mg/L Ce3+降低45.10%。当培植至第9 天时，施加5 mg/L Ce3+中总氮质量分数为0.844，同其他质量浓度值在同一时刻比较，比0 mg/L Ce3+增加16.91%，比2 mg/L Ce3+增加了11.81%。当培植至15 d，总氮质量分数均达到最大，表现为5 mg/L Ce3+时总氮质量分数为0.871，0 mg/L Ce3+总氮量为0.839%，2 mg/L Ce3+总氮量为0.837%。

图3 中可以看出在前6 d施加稀土铈质量浓度0 mg/L 时总氮能力最低，但是之后就表现为0 mg/L时总氮富集量迅速增加，当培植12 d时Ce3+为2 mg/L 时总氮质量分数为0.854，Ce3+为5 mg/L 时为0.852%，这说明在尿素质量浓度不变的情况下，稀土铈质量浓度越高反而抑制了总氮在其体内的富集能力。

图4 可以看出绿萝植株培植至12 d，随着溶液中稀土铈质量浓度不断增加，测得其叶片内总氮质量分数也随之迅速增加，随着时间的累积，植物吸收总氮能力也跟着增强，其中当5 mg/L Ce3+时总氮富集量达到最大，且在尿素质量浓度为600 mg/L 和稀土质量浓度为5 mg/L 时，绿萝对氮的吸收能力达到高峰值。

3 稀土施用对氮元素吸收能力影响的实验结论

3.1 绿萝对不同质量浓度尿素溶液的吸收

从表1 中看出，在没有施加稀土铈溶液时，绿萝体内总氮富集量随着质量浓度的变化而变化，最终达到一个稳定的程度。培植开始，绿萝对总氮的吸收急剧上升，到第3 天时施加了0 mg/L 尿素比200 mg/L 尿素低8.43%，比400 mg/L 尿素低16.08%，比600 mg/L 尿素低35.47%。随后总氮富集量增加，第12 天时施加600 mg/L 尿素比0 mg/L尿素增加了20.26%，比200 mg/L 尿素增加了11.73%，比400 mg/L 尿素增加了0.36%。从而可以得出：施加的培养液中适量质量浓度尿素（600 mg/L时吸收能力最好） 促进总氮在绿萝体内的富集。

3.2 稀土铈能使绿萝体内总氮的质量分数增加

从图1 ～图4 中看出，当尿素质量浓度为200 mg/L 时，观察第9 天施加5 mg/L Ce3+中总氮质量分数为0.844，比0 mg/L Ce3+增加16.91%，比2 mg/L Ce3+增加11.81%。培植至12 d，在溶液中随着稀土质量浓度不断增加，绿萝生长都达到最好，叶片呈嫩绿。当尿素质量浓度处于400 mg/L 时，表现为0mg/L Ce3+时总氮质量分数最低，2 mg/L Ce3+时总氮质量分数最高，其次为5 mg/L Ce3+。第3 天有施加了稀土铈溶液的绿萝体内总氮质量分数相对于没施加稀土铈的绿萝总氮质量分数变化为3.13%，4.09%，第6 天变化了4.64%，6.06%，第12 天降低了3.29%，6.02%，结果表明在尿素质量浓度处于600 mg/L 和Ce 质量浓度处于5 mg/L 时，绿萝对氮的吸收能力达到一个最大值。

表1 总氮百分比的初始值与最终值比较

4 结束语

目前研究很少关注农用稀土对水体环境质量的影响，尤其是在水施稀土作用下产生的影响，植物吸收营养物质的能力随季节差异而存在区别，且不同植物器官对营养元素的累积特征也存在着显著的季节差异。笔者主要从观察绿萝的生长情况和测定绿萝体内的总氮富集量进行研究，由于对植物体内总氮的测量方法研究占据了很大的时间，并没有很好地揭示稀土铈对植物吸收总氮能力的影响，以及研究对象比较单一，缺少可比性，今后仍需对水中的总氮质量分数进行观察研究，与植物体内总氮研究形成对比，更好地揭示稀土施用对绿萝吸收总氮能力的影响；对于绿萝的不同器官对氮元素的吸收能力变化以及随着季节的变化总氮质量分数在绿萝体内的累积情况还有待进一步研究讨论。

大量研究表明，适当的使用稀土有利于植物对养分的吸收和利用，促进植物的生长发育等一系列过程。氮作为植物生长发育所需的重要元素，稀土可以减少土壤氮素的流失，若能在日后研究中揭示稀土对植物（尤指农作物） 吸收总氮能力的影响，则有望提高农产品的产量、抗性和品质，甚至还能降低农药及化肥的使用量，在很大程度上节省了农业生产的成本，实现了提高农业产量和保护环境的双赢。

针对当前稀土用于农业的现状，应该着重加强以下工作：一是制定相应政策，将稀土作为有益元素或植物生长调节剂在作物上大范围应用；二是扩大稀土农用范围；三是加大对稀土农用机理研究的资金投入，为稀土农用提供坚实的理论基础。另外，在利用稀土元素来增产和缓解其他逆境的同时，也要考虑若是过量使用稀土或稀土在农作物体内的长期积累后对环境造成的破坏，尽量取其精华去其糟粕，避免其他方面的污染。