稀土作用下水花生對氮元素吸收能力的研究

詹林琦 邵 波

(浙江樹人大學(xué) 生物與環(huán)境工程學(xué)院 環(huán)境工程專業(yè)，浙江 杭州 310000)

引言

在花卉生產(chǎn)養(yǎng)殖中，施肥不當(dāng)常造成名貴花卉萎蔫、發(fā)生鹽害甚至死亡，給經(jīng)營生產(chǎn)者帶來龐大的經(jīng)濟(jì)損失[1]。氮肥是花卉成長所需的最多元素之一。缺氮常造成花卉植株生長矮小，影響覆盆效果[2]；然而，過度施用氮肥或供氮速率過快又常常造成植物徒長，甚至燒葉、燒根，進(jìn)而影響花卉的觀賞效果[3]。氮素營養(yǎng)濃度過高，會造成葉片葉綠素含量和生長量的降低[4]。不同水生植物對氮的吸取也不完全一致。在翟建平，蔣鑫炎等對不同水生植物富集氮能力的實驗探究中[5]，結(jié)果顯示水生植物對營養(yǎng)氮素的富集起到很大作用，可用于富營養(yǎng)化河道；而孫君瑤等對不同植物組織對氮元素富集效應(yīng)探究[6]，結(jié)果則顯示在狐尾藻、蒲草、慈菇等7種大型水生植物中均對磷有良好的汲取，但是對氮的吸收不同植物的不同部位不盡相同。

目前，大部分學(xué)者認(rèn)為稀土元素不屬于植物必需營養(yǎng)的元素，但是，大量的研究顯示，在適合的條件下稀土元素可以促使植物對營養(yǎng)的汲取、轉(zhuǎn)變和利用等營養(yǎng)生理活性。在各項研究中，有關(guān)稀土對水藻的影響研究報道較多，1959，G.Bringmann研究了硫酸鈰對藻類的毒性[7]；胡泗才等也就硝酸稀土對斜生柵藻和蛋白核小球藻的毒性進(jìn)行了初步試驗[8]。國內(nèi)外也日漸重視水花生與水華藻類的相互作用研究。水花生關(guān)于富營養(yǎng)化水體和藍(lán)藻的防治有良好的成果，可以起到一定的生態(tài)修復(fù)的作用[9]。采用稀土處理典型的水體富營養(yǎng)化類水生漂浮植物水花生，研究水花生的生長發(fā)育是否能在適宜濃度范圍內(nèi)的稀土作用下得到一定程度的促進(jìn)，增加對氮素的吸收，使生長效果達(dá)到最佳是本實驗的目的。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

實驗儀器：紫外分光光度計(型號：UV-2450PC |*)及10mm石英比色皿、具玻璃磨口塞比色管(50mL)移液管、超純水器(型號：UPWS-1-60D)、超聲波消洗器，所用玻璃器皿可以用鹽酸(1+9)或硫酸(1+35)浸泡，清洗后再用超純水沖洗數(shù)次。

試劑：一切試劑全部用不含氨的蒸餾水(超純水)配制。

1.2 取樣及預(yù)處理

實驗中所使用的水花生是取自學(xué)校邊上的池塘，采用水培進(jìn)行培養(yǎng)。先將植株移出放置于清水中培養(yǎng)，培植兩天后，分別取兩三株長勢相似的水花生于三角錐形瓶中。稀土鈰溶液濃度按0mg/L、2mg/L、5mg/L、10mg/L，尿素濃度按0mg/L、400mg/L、800mg/L、1200mg/L配置好。實驗測3組不同尿素濃度處理的水花生植株在4組不同稀土濃度下的體內(nèi)總氮含量，每組3個平行組，1組空白對照。

1.3 實驗方法

本實驗樣品溶液的制備是選用硫酸—過氧化氫消煮后采用納氏分光光度法測定，納氏比色法是植物樣品在濃硫酸溶液中，通過脫水炭化、氧化等一系列作用，而氧化劑H2O2在熱的濃H2SO4溶液中分化出的新生態(tài)氧(H2O2→H2O2﹢[O])具備劇烈的氧化作用，分解H2SO4沒有損壞的有機物和碳，使有機N、P等轉(zhuǎn)化為無機銨鹽和磷酸鹽等，所得到的消煮液用納氏比色法檢測溶液中總氮的含量。采用該方法主要是考慮到實驗室儀器設(shè)備不能達(dá)到所測定要求的因素，采用濃硫酸—過氧化氫將剪碎的植物葉片進(jìn)行消煮成溶液，取該消煮液置于容量瓶中，加入酒石酸鈉溶液，KOH溶液調(diào)pH以中和溶液中的酸，加納氏試劑后定容搖勻，在波長為420nm下用分光光度計比色。

1.3.1 模擬尿素濃度梯度配置

根據(jù)實驗所繪制的標(biāo)準(zhǔn)曲線，準(zhǔn)確稱取尿素白色晶體(分析純)，用超純水配成尿素溶液，放置于錐形瓶中進(jìn)行培養(yǎng)，在各組實驗中處理液均以此尿素溶液為母液。尿素濃度梯度為0mg/L、400mg/L、800mg/L、1200mg/L。

1.3.2 稀土鈰溶液濃度配置

稱取CeO20.06142g于燒杯中，加入濃硝酸和少量H202加熱溶解，待溶解后移至500mL的容量瓶中定容，濃度為100mg/L，將溶液裝入洗凈后的塑料試劑瓶中。分別取鈰儲備液10mL，25mL，50mL于三角錐形瓶，獲得濃度梯度為2mg/L，5mg/L，10mg/L的硝酸鈰。

1.3.3 營養(yǎng)液的配置

根據(jù)文獻(xiàn)中不同營養(yǎng)液對水花生的培養(yǎng)情況得出適合水花生生長的營養(yǎng)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。需稀釋10倍后使用。

1.4 分析方法

1.4.1 納氏比色法測定標(biāo)準(zhǔn)曲線

使用濃硫酸過氧化氫消煮納氏比色法，隔三天測定水花生體內(nèi)總氮的含量。以超純水作為參比，在420nm波長處比色，制作植物體內(nèi)總氮的標(biāo)準(zhǔn)曲線方程：y=0.1909x+0.0412，R2=0.998。線性關(guān)系良好。

2 結(jié)果分析

2.1 稀土鈰對水花生吸收氮素代謝的影響

氮元素對植物的成長發(fā)育有非常顯著的影響成果。充足的氮素可以促進(jìn)葉片的生長，使其更好的進(jìn)行光合作用。水花生的生長過程中需要的肥料較多，如果養(yǎng)分不足，葉片則難以長大。施肥控制在每兩周左右一次即可，以保障植物生長繁茂。植物的生長還需要吸取充足的陽光，通常每天接受四個小時的光照即可保證水花生的生長效果最好。

稀土元素能提高作物抗逆境的能力，如抗旱、抗酸雨及抗重金屬脅迫的能力。研究表明適量的鈰能使水花生更好地進(jìn)行光合作用和吸收養(yǎng)分，進(jìn)而改善植株的生長。但是過量的稀土元素會在植物體內(nèi)累積，阻礙了植物的生長。

2.2 計算

濃硫酸——過氧化氫消煮納氏比色法所測得為實驗中所得的植物葉片消煮液中總氮的含量，計算公式如下：

N(%)= ρ×V×ts×10-4/m

V——顯色液體積，單位mL；

ts——分取倍數(shù)，消煮液定容體積/吸收消煮液體積；

m——干樣品質(zhì)量，g；

由此公式可得水花生中總氮所占的平均含量，單位為%。

2.3 結(jié)果

2.3.1 相同濃度的稀土鈰下施加不同尿素濃度所測得的水花生葉片中N所占的百分?jǐn)?shù)

相同稀土鈰的濃度下營養(yǎng)液中施加不同尿素濃度所測得的水花生葉片內(nèi)總氮所占的百分?jǐn)?shù)，見圖1-圖4。

圖1 Ce3+濃度0mg/L—不同尿素濃度下水花生體內(nèi)總氮含量圖

從圖1中能夠看出，在沒有施加稀土鈰時，把水花生放置于基礎(chǔ)營養(yǎng)液中養(yǎng)植，隨著溶液中尿素濃度的增加，測得其葉片內(nèi)總N含量也隨之迅速上升，當(dāng)尿素濃度達(dá)到800mg/L時吸收能力最好，而尿素濃度為1200mg/L時總氮富集量比其他尿素濃度都要低，其中第9天時表現(xiàn)為0.657%，比尿素濃度為0mg/L減少了0.005%，比400 mg/L時減少了0.171%，比800 mg/L時減少了0.184%。前六天時水花生體內(nèi)總氮富集量普遍呈現(xiàn)快速增長的趨勢，在第6-12天期間水花生吸收速度相對緩慢，最終達(dá)到一個最大值，此時800 mg/L尿素濃度時總氮含量比0 mg/L增長了0.147%，比400 mg/L增長了0.01%，比1200mg/L增長了0.191%。

從圖2-3中能夠看出，隨著溶液中尿素濃度的持續(xù)上升，測出其葉片內(nèi)總氮含量也隨之快速上升，在施加尿素濃度為800 mg/L時，水花生吸收總氮的能力最好，最大吸收值為0.934%。隨著尿素濃度不斷上升達(dá)到1200 mg/L時，葉片吸收總氮的能力反之下降，當(dāng)Ce3+的濃度為5mg/L、尿素濃度為1200mg/L時總氮含量比800mg/L降低了0.099%，比400mg/L降低了0.048%。當(dāng)Ce3+的濃度為2 mg/L時總氮富集量最大是0.910%，Ce3+濃度為5 mg/L時則是0.934%，說明施加5mg/L鈰濃度時水花生在尿素濃度為800mg/L時吸收總氮含量能力達(dá)到最強，使其可以良好的生成蛋白質(zhì)，促使細(xì)胞的分裂和增長，水花生能夠更好地進(jìn)行氮素的吸收。

圖2 Ce3+濃度2mg/L—不同尿素濃度下水花生體內(nèi)總氮含量圖

圖3 Ce3+濃度5mg/L—不同尿素濃度下水花生體內(nèi)總氮含量圖

圖4 Ce3+濃度10mg/L—不同尿素濃度下水花生體內(nèi)總氮含量圖

從圖4中可以看出，添加稀土鈰濃度為10mg/L時總氮在水花生體內(nèi)的富集趨勢跟鈰濃度為2mg/L和5mg/L時變化趨勢大致相似，吸收總氮含量都是逐漸上升，當(dāng)?shù)?天后變的緩慢，后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)?shù)?2天時尿素濃度為1200mg/L時總氮百分比為0.727%，比尿素濃度為0mg/L減少了0.019%，比400 mg/L時減少了0.087%，比800 mg/L時減少了0.139%，此時比剛培養(yǎng)初時增加了0.335%，由此可見，適量的鈰能使水花生更好地進(jìn)行光合作用和吸收養(yǎng)分，從而改善水花生對氮的吸收能力。

2.3.2 相同尿素濃度下施加不同稀土鈰濃度所測得的水花生葉片中N所占的百分?jǐn)?shù)

相同尿素濃度下溶液中施加不同濃度的稀土鈰所測得的水花生葉片內(nèi)總氮的富集量，見圖5-圖8。

圖5 尿素濃度0mg/L—不同Ce3+濃度下水花生體內(nèi)總氮含量圖

圖5中可以看出施加5mg/L Ce3+時水花生體內(nèi)總氮的富集量達(dá)到一個最高峰，在第9天時5mg/L Ce3+中測得總氮所占百分?jǐn)?shù)為0.797%，0mg/L Ce3+為0.662%，2mg/L Ce3+為0.687%，10mg/L Ce3+為0.728%。在實驗過程中觀察到第12天時總氮含量為0.841%，同其他濃度值在同一時刻比較，比0mg/L Ce3+增加9.51%，比2mg/L Ce3+增加8.66%，比10mg/L Ce3+增加2.31%，同時也可以看出施加0mg/L Ce3+中吸收總氮能力最低，這說明施加一定的稀土濃度能夠促使植物對營養(yǎng)的汲取。

圖6中可以看出在第6天尿素濃度為400mg/L時，施加10mg/L Ce3+水花生體內(nèi)總氮富集量達(dá)到一個最低峰，總氮含量為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天施加稀土鈰濃度0mg/L比Ce3+為10mg/L時吸收的氮能力低，但是之后就表現(xiàn)為0mg/L時總氮富集量快速增加，當(dāng)養(yǎng)植為12天時Ce3+為5mg/L時總氮含量為0.852%，Ce3+為10mg/L時為0.814%，這說明在尿素濃度一致的情況下，稀土鈰濃度越高反而抑制了總氮在其體內(nèi)的富集能力。

圖6 尿素濃度400mg/L—不同Ce3+濃度下水花生體內(nèi)總氮含量圖

圖7從可以看出水花生植株養(yǎng)植至12天時，隨著溶液中施加稀土鈰濃度的不斷增加至5mg/L，測出其葉片內(nèi)總氮含量也隨之迅速上升，隨著時間的增加，植物吸收總氮能力也跟著增強，其中當(dāng)5mg/L Ce3+時總氮富集量達(dá)到最大，為0.934%。尿素濃度為400mg/L時所測總氮含量與尿素濃度為800mg/L時相比，10mg/L Ce3+時總氮含量變化了0.012%，0mg/L Ce3+時總氮含量變化了0.008%，5mg/L Ce3+時則變化了0.019%，說明了在尿素濃度為800mg/L和稀土濃度為5mg/L這兩個濃度值時，水花生對氮的吸收能力達(dá)到一個最高峰。

圖7 尿素濃度800mg/L—不同Ce3+濃度下水花生體內(nèi)總氮含量圖

從圖8看出當(dāng)尿素濃度為1200mg/L時，反映出稀土Ce3+為5mg/L時總氮富集變化最大，在培養(yǎng)至12天時，Ce3+的5mg/L時總氮百分?jǐn)?shù)為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%?？傮w變化呈現(xiàn)不斷上升的趨勢，但0mg/L Ce3+時的總氮含量表現(xiàn)為初始值為0.393%，最大值為0.74%，而5mg/L Ce3+從初始值到最大值變化了53.17%，2mg/L Ce3+時則變化了45.77%，10mg/L Ce3+時則變化了50.19%，由此可看出，當(dāng)施加尿素濃度到達(dá)一定值后，其對總氮的吸收能力反之會減弱，這也說明了過量施加氮肥也會導(dǎo)致植物對養(yǎng)分的吸收效果不加，降低了其吸收氮的能力。

圖8 尿素濃度1200mg/L—不同Ce3+濃度下水花生體內(nèi)總氮含量圖

3 總結(jié)

3.1 水花生對不同濃度尿素溶液的吸收

表1 總氮百分比的初始值與最終值比較

從表中看出，在沒有添加稀土鈰溶液時，水花生體內(nèi)總氮富集量隨著濃度的變化而變化，最終達(dá)到一個穩(wěn)定的狀態(tài)。養(yǎng)植開始后，水花生對總氮的吸收急劇上升，到第3天時施加了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%。隨后總氮富集量增加，當(dāng)?shù)?2天時添加了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%，從以上數(shù)據(jù)可以得出：添加的培養(yǎng)液中適量尿素濃度(800mg/L時吸收能力最好)促進(jìn)總氮在水花生體內(nèi)的富集，但尿素濃度過高，超出其本身能承受的最適濃度，水花生對總氮的吸收量反而會下降。

3.2 稀土鈰能使水花生體內(nèi)總氮的含量增加

從圖5-圖8中看出，當(dāng)尿素的濃度為400mg/L時，表現(xiàn)為10mg/L Ce3+時總氮含量最低，5 mg/L Ce3+時總氮含量最高，其次是2 mg/L Ce3+。第3天有施加了稀土鈰溶液的水花生體內(nèi)總氮含量相比于沒施加稀土鈰的水花生吸收總氮含量變化為3.13%，4.09%，1.32%，第6天變化了4.64%，6.06%，1.19%，第12天降低了3.29%，6.02%，1.48%，說明了在尿素濃度為800mg/L和Ce3+濃度為5mg/L時水花生對氮的吸收能力達(dá)到一個高峰值。

4 展望

稀土可用于傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)升級、催生新興行業(yè)以及國防科技工作等高新領(lǐng)域，也可用于農(nóng)作物方面。中國部分地區(qū)土壤鹽漬化很嚴(yán)重，在非常大水平上影響了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。當(dāng)施用適當(dāng)濃度稀土處理作物時，作物的抗土壤鹽漬化能力得到提升[10]。稀土不僅可以應(yīng)用在農(nóng)業(yè)方面，也可運用在其他行業(yè)，比如，趙峰[11]對稀土材料用于PVC樹脂改性的研究表明，稀土化合物不僅具有熱穩(wěn)定劑的作用，并且還顯示出偶聯(lián)劑、加工改性劑等的作用。國內(nèi)較早就有人開始了光功能農(nóng)膜的研究，如在農(nóng)膜生產(chǎn)時添加稀土熒光助劑可有效提高其透光性，并可延長其使用壽命。正是基于稀土改性劑對PVC具有優(yōu)異的改性功能，其表現(xiàn)出了極大的市場潛力。國內(nèi)外對稀土材料的研究已取得了豐碩的果實，促進(jìn)了其科學(xué)技術(shù)的成熟，預(yù)測國內(nèi)需要在未來30年間持續(xù)提升稀土材料的創(chuàng)新[12]。