轻稀土烟叶微肥技术研究——以凉山州烟叶生产为例

龚 婷,周 滢,周南森,坤燕昌

(西昌学院,四川 西昌 615000)

稀土元素作为化学元素周期表中镧系元素的代表,因其独特的化学性质及广泛的应用领域而备受关注。在农业领域,轻稀土元素如镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)及钕(Nd)等用于制备稀土肥料,被称为稀土微肥。烟叶的生长周期相对较长,在收获季节常遭遇梅雨天气等自然因素的干扰,导致烟叶质量下降,增加烟农劳动力成本。研究发现,喷施含Ce的轻稀土叶面复合肥可增加烟叶K元素含量,抑制Cl-,从而提高烟叶的持续燃烧性及品质,故研究轻稀土元素在烟叶生产中的应用、提高烟叶产量及质量、缩短生长周期对于烟草产业发展具有重要意义。

1 稀土微肥研究进展

稀土微肥因其性能良好、可增加产量、提高产品性质得到了广泛应用,是一种重要的肥料,但在烟叶中应用较少,因此研究稀土微肥对烟叶性能的影响具有广阔的发展前景。研究表明,稀土元素可改善干旱对农作物的危害,提高抗逆性及抗旱能力[1]。周荷益[2]研究发现了一种能够抑制干旱引起的小麦叶片细胞膜相对透过性增加的稀土元素La3+,可降低干旱对小麦幼苗细胞膜的损伤。厚建霞[3]等研究了稀土微肥对当归的影响,结果表明,喷施0.8 g·mL-1氯化稀土微肥和1.2 g·mL-1硝酸稀土微肥对当归成药栽培具有显著的增效作用,适宜浓度的稀土微肥能够促进当归长高、茎粗等。彭俊贤[4]等研究了稀土微肥对南方红豆杉幼苗营养生长的影响,实验发现采用1.05 mmol/L浓度稀土微肥灌溉对南方红豆杉幼苗生长影响最好。喷施稀土微肥,幼苗株高增加,枝条变多。

目前,稀土微肥已用于苹果、葡萄、荔枝等30多种植物种植,研究表明,稀土微肥能够增加经济林业产量,在一定程度上提升经济效益。还有人将稀土微肥投放于花草及中药材种植中,研究结果表明,稀土微肥对经济林及大型树木有一定促进生长的作用,对于花草及其他植物也有增加营养量的显著效果,可提供作物生长所需要的微量元素,提高作物产量及品质,故可基于这些研究经验利用稀土微肥来提高烟叶产量及品质。

图1 稀土微肥在林业上的应用Fig.1 Application of rare earth microfertilizer in forestry

2 凉山州烟叶生产环境的特点

2.1 土壤特性

凉山州地处我国西南地区,主要的土壤类型包括红壤、棕壤及山地土壤。这些土壤在质地、有机质含量及酸碱度等方面存在显著差异,对烟叶生长及发育产生不同影响。红壤广泛分布于凉山州的低地地区,富含铁、铝氧化物,具有良好的保水性及透气性,酸性较低,有机质含量适中,适合烟叶生长。棕壤主要分布在凉山州的丘陵地带,含有较高的有机质,具有良好的肥力。但棕壤的酸碱度可能因地理位置而异,需采取适当的土壤改良措施。山地土壤主要分布在高海拔山区,其特点是土层薄,石块多,酸性较高。这种土壤类型对烟叶生长具有一定的挑战,需要采取特殊的土壤管理方法。

2.2 气候条件

凉山州气候条件多样,随着海拔的升高变化明显,属亚热带季风气候,但高山地区存在明显的高山气候。低地地区夏季温暖湿润,冬季相对干燥,属亚热带季风气候,梅雨季节的高降水量对烟叶生产有不利影响。丘陵地带的气候在高低地区之间过渡,季节性降水分布相对均匀,适合一些中生烟叶品种的生产。高山地区气温较低,冬季寒冷,夏季短暂而凉爽。烟叶生产受到高山气候的限制,通常需选择适应寒冷环境的烟叶品种。

2.3 烟叶品种特点

根据土壤和气候条件的不同,凉山州种植了多个烟叶品种,主要包括低产型烟叶、黄肋烟、宽叶烟等。每个品种都有其适应的土壤及气候条件,了解这些特点对于优化烟叶生产至关重要。低产型烟叶品种适应于低产型土壤,能够在较差的土壤条件下生长,但烟叶质量相对较低。黄肋烟对土壤要求相对较高,需要较肥沃的土壤及适中的气候条件。宽叶烟对土壤及气候条件要求相对较灵活,可适应不同类型的烟田。

3 一种轻稀土烟叶微肥技术的研发

3.1 应用背景

稀土元素广泛存在于自然界中,被认为可能是植物必需的超微量元素或作物生长刺激素物质,其作用机制备受关注。有学者认为,稀土元素具有一定的生理活性,可能对作物的生长有促进作用。研究表明,稀土元素对多种作物的高产优质具有潜在作用,在植物生长中具有一定的生物活性,这为其在农业领域中的应用提供了可能。研究显示,合理施用稀土元素肥料对超过30种作物的产量及质量具有显著的积极影响。根据我国食品安全毒理学评价程序,合理使用稀土元素肥料是安全可靠的。为确保农业中的稀土元素应用安全有效,我国颁布了农业硝酸稀土国家标准(GB 9668—94),为农业稀土肥料的合理使用提供了依据[5]。

3.2 轻稀土肥料方案

烟草作为一种特殊的经济作物,栽培技术至关重要。合理施肥是关键的栽培技术之一,对于提高烟草产量及质量至关重要。凉山州地区的稀土企业主要生产氧化镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)等轻稀土氧化物,这为开发适用于当地烟草生产的轻稀土叶面复合肥提供了丰富的原材料资源。

3.3 技术方案

为了开发出适用于凉山州烟叶生产的轻稀土叶面复合肥,根据理论研究、实际需求及农业国家标准制定了以下技术方案:确定使用硝酸铈作为液态叶面复合肥的主要成分。硝酸铈具有良好的水溶性及植物可吸收性,适合作为稀土元素的来源。固体肥含REO(稀土氧化物的含量)为37%～38%,液体肥含REO为380 g/L,比重为1.3。为了便于施用和计量,将液体肥折算为固体肥,计算方法如下:380 g/L÷1.3 = 0.2923,即每升液体肥相当于0.2923 kg的固体肥。加水稀释时,根据需要统一实际重量的加入量,确保施肥的准确性及一致性。叶面肥的施用量以REO计量为50 g/亩。此用量的确定是在充分考虑烟叶需求及土壤条件的基础上制定的,以提供适当的营养支持,避免过度施肥。研究结果表明,最佳的喷施方式是叶面喷洒,建议使用0.04%的稀土溶液进行喷洒。在烟苗移栽后的40 d(生长的旺盛期)进行第一次喷洒,再在15 d后进行第二次喷洒。此施肥方案的时间安排能够最大程度满足烟叶对稀土元素的需求,有助于提高烟叶产量及质量。

该技术方案的制定经过理论研究及实验验证,最大程度发挥了轻稀土叶面复合肥的效果,提供了明确的操作指南,可确保施肥的科学性及有效性。

3.4 技术关键

开发一种稀土矿微波分解高酸浸出提取高纯铈的方法,提供一种工艺路线短化、易于萃取分离且稀土回收率高的稀土提炼方法,解决现有工艺中存在的问题,如工艺路线冗长、工艺效率低、酸化浸出及萃取工艺不稳定等。技术步骤如下:①稀土矿微波分解。采用微波分解技术,将稀土矿物样品暴露于高频微波辐射下,使其受热分解。通过微波的高效能量传递,实现矿石的快速加热及分解,从而释放出内部的稀土元素。②高酸浸出。经过微波分解的稀土矿样品暴露于高浓度酸性溶液中,以促进稀土元素的浸出。高酸浸出过程是关键的分离步骤,可将稀土元素从废矿中有效地提取出来。③高纯铈的提取。从浸出液中选择性地提取出高纯度的铈,涉及特定的化学反应及分离工艺,可确保铈的纯度达到要求标准。④稀土回收率的提高。为提高稀土回收率,减少资源浪费,优化微波分解、酸浸出及提取等关键步骤。

此技术方案的关键在于整合微波分解、高酸浸出及提取等关键工艺步骤,实现高效的稀土提炼。通过优化每个步骤,显著提高铈的提取率及纯度,降低能耗及化学品使用量,为稀土资源的可持续开发及应用提供创新的解决方案。图2为本技术的主要步骤。

图2 主要步骤Fig.2 Main steps

3.5 工艺优势

较现行盐酸浸出工艺来说,其能够获取更高纯度的铈系列产品,大大缩短萃取工艺路线,显著压缩稀土矿分离提纯的生产运营成本。加热方式为微波加热,传播要比传统加热方式均匀得多,加热效率比蒸汽工艺高得多。

4 结论

稀土元素虽然不是烟叶的生理必需元素,但却是一种对烟叶内在质量有着重要影响的特征元素。在种植烟叶过程中,稀土元素除了来源于土壤之外,额外的添加会对烟叶自身元素含量造成影响。在不同的种植区域,需对烟叶进行不同次数轻稀土复合肥的喷施,随着轻稀土叶面复合肥的施用,烟叶体内Ce元素含量不断增加,K元素含量增加,Cl-含量减少。实验结果表明,喷施轻稀土(含Ce)叶面复合肥不仅能提高烟叶中K元素含量,还能起到抑制Cl-的作用,为提升烟叶的持续燃烧性及品质提供了有力依据。目前相关技术研究较少,需进一步加强研发,合理利用稀土资源,了解稀土元素对凉山州烟叶生长发育、抗病性、产量、质量的作用,研发出适合凉山烟叶生长性状的稀土叶面复合肥,缩短烟叶生长周期,提高烟叶质量及产量,减少烟农劳动量。未来,轻稀土烟叶微肥效果还有待深入探究,以发挥其重要的应用价值。