稀土在农业应用中的利与弊

稀土在农业应用中的利与弊
【摘要】稀土农用是我国首创并居于国际领先水平的一项重大成果；也是开发利用我国丰富稀土资源中的一项具有中国特色的重要成就。

多年来稀土农用开发研究在我国已获全方位丰收，成果累累。

与此同时，稀土农用的环境化学行为及生态、毒理效应，也给生态环境和人类健康带来了安全隐患。

【关键词】稀土元素；农业应用；生态环境；健康
稀土是周期系ⅢB族中镧系的15个元素，及与镧系元素性质极为相似的钪、钇共十七种元素组成，统称为稀土元素。

我国稀土资源得天独厚，因而对稀土的应用也极为广泛，其中在农业中的应用已获得了一定的经济效益。

1917年中国钱崇澍与美国Ostenhout发表了铈对水绵生理作用的论文，开创了稀土元素的生物活性研究的先河。

1930’s前苏联的科研人员对稀土的植物生理效应和促进作用做了大量的试验研究（涉及作物有豌豆、萝卜、黄瓜、亚麻和橡胶草等），就此应用我国工作者也通过深入的试验研究和反复的生产实践，从而将其发展成为一种实用技术，并成为世界上把稀土元素作为一种商业性产品应用于农业生产的第一个国家。

但与此同时，在农业中大量施用稀土也给生态环境和人类健康带来了许多安全隐患，因而，如何科学施用稀土值得我们关注。

农业上使用的稀土微肥最初为可溶性的硝酸稀土肥，以后逐步扩展为稀土碳氨多元复合肥、稀土有机肥、稀土药肥、稀土抗旱保水剂（旱地宝）和稀土种子包衣剂等许多品种。

使用方法也可以根据不同作物和地区，采用拌种、浸种、喷施或种子胞衣等不同方法。

下面我们就稀土农用中所起的作用作一个详细介绍。

1.稀土在农业应用中的有利作用
1.1种子萌发和生根发芽
稀土拌种、浸种，可增加种子活力，促进作物种子萌发，提高种子的出苗率，是稀土使作物增效的一种重要作用[1]。

用一定浓度的稀土化合物浸种拌种可以增加种子的活力，这种作用已应用[1]在小麦、水稻、玉米、大豆、白菜、油菜、麻类等大田作物上，其中小麦发芽提高幅度达8～19%，胡麻提高7%～12%。

稀土的这种作用也用于牧草种植，其发芽率提高9.8～19%。

在林业上苗圃基地也利用稀土的这个特性，也明显提高了种子的活力，用适量的稀土化合物溶液处理油松、柠条及华北落叶松种籽，可分别提高种籽活力指数8%～13%、25.9～57.2%和9%，发芽率分别提高4%～11%、2%～6%和3%～9%，比田间出苗高率要早2～4天。

另外，研究表明[2]，适量的稀土元素可促进植物根系的生长发育，提高根系活力，促进根分化和代谢活动，提高根对营养元素的吸收能力。

而植物根系是植物从其生活环境中获取水分和养分的重要器官，根系的生理活动直接影响着植物一生的生长发育。

实验表明[1]适量稀土处理的水稻根系体积比对照组增大1.18倍，根系活力增加20%。

花生试验也表明[2]，稀土处理花生的根系活力
比对照也增加30.8%。

大田作物如小麦、水稻、玉米和甘蔗等根系生长均有明显的促进作用，根长平均增加4%～10%，根重平均增加15%以上，根系体积平均增加2.5%。

稀土元素对木本植物插条生根也具有促进作用，特别是稀土微肥和生长刺激素及生长素配合效果更好，这一应用在杨树、月季、圆柏、落叶松做扦插时，其生根率达到60%～85%，龙眼、高山含笑、板栗等难生根树种插条根系生长也可达到35%～60%，比单用激素生根率提高30%。

稀土对种子活性的增强和发芽率的提高以及对木本植物扦插生根的促进作用能够保证作物出苗率和扦插成活率，不但打下了丰收基础，而且还节约了时间和成本。

稀土微肥的这一使用改变了谚语常说“有钱买籽，无钱买苗”的状况。

1.2促进叶绿素的增加、提高产量和改善品质
叶绿素是植物进行光合作用的物质基础。

研究表明[9]，植物叶面施用稀土后，稀土离子将取代叶绿素中的Mg，形成夹心螯合物，使叶绿素能吸收波长较短能量较高的光子，传输到反应中心，增强叶绿体催化CO2转化为糖的还原性，而叶绿素含量越高，光合作用的强度就越大。

多年试验结果表明，许多作物应用稀土后，叶绿素含量都有所提高。

如水稻在幼苗期喷施万分之三的稀土，经过一段时间后，可以目测到叶色逐渐加深，经过测定剑叶中叶绿素含量比对照增加11.8%。

叶片喷施适量的稀土可明显提高光合速率、叶绿素含量、光量子通量密度等生理指标，稀土可促进黑穗醋栗生长就是这一作用的有力例证。

长期定位试验结果也表明[3]，稀土对农作物的效应不仅能提高作物的产量，也有改善品质的作用。

这方面的报道很多。

如使葡萄的果粒增大，糖酸比提高，改进风味。

稀土拌种可使玉米的品质改善，产量提高。

喷施稀土可使苹果和柑橘果实的Vc含量，总糖含量，糖酸比均有所提高，促进果实着色和早熟，并可抑制贮藏过程中的呼吸强度，降低烂率。

施用稀土复合肥还可减少蔬菜中硝酸盐的积累，而且降低幅度和趋势极为明显。

另外值得一提的是，胡瑞芝[3]等从细胞膜透性的角度探讨了施用稀土对水稻产量影响的机理。

实验结果表明：在水稻生长的中，后期，稀土离子能抑制叶片脂质过氧化产物丙二醛（MAD）的形成，使脂质过氧化作用减弱，延缓细胞膜的破损，穗长和每穗粒数明显增加，从而增加水稻产量。

由此可见，稀土可以在促进作物叶绿素的增加、提高产量和改善品质方面发挥了重要作用。

1.3稀土元素对植物矿质营养代谢的影响
大量研究资料表明[7]，施用适当浓度稀土元素能促进植物对养分的吸收，转化和利用，郭伯生等[1]用富镧稀土对春小麦喷施或拌种，采用15N，32P示踪技术检测，实验结果显示春小麦生长发育得到促进，结实穗数和籽粒数也有所增加，表明使用稀土可提高春小麦对氮，磷肥的吸收，运转，利用，并减少土壤中氮素损失。

再如聂呈荣[2]研究发现，花生喷施稀土，对根瘤固氮活性和叶片硝酸还原酶活性均有显著的促进作用，从而提高了叶片氨态氮含量，降低了硝态氮含量，改善了植株的碳氮代谢，对改善品质，提高产量有利。

常江发现[3]镧可促进磷吸收，而钙则相反。

廖铁军[7]研究了稀土在氮，磷均衡营养供应的条件下，对几种作物的增产刺激作用。

认为增产机理在于稀土可促进，协调作物对矿质养分的吸收，刺激酶活性，而且稀土是生理活性物质，必需与大量营养元素进
行合理的配用，才能发挥效益。

李元沅[3]从生物磁性方面研究发现在灰泥田水稻分蘖始期和初穗期喷施稀土离子可使根际容积磁化率提高，并可以显著促进水稻对养分的吸收和生长发育。

1.4稀土元素对植物抗逆性的影响
大田作物栽培常会遇到诸如干旱，高温，低温，盐渍，病虫害等逆境条件。

使用稀土，可以增强作物对上述不良环境条件的抵抗能力。

而对于稀土元素能增强作物的抗逆性和抗病性，宁加贲[3]认为在于稀土离子能与细胞膜的磷脂结合，调节钙的代谢，并取代Ca2+离子，参与与Ca2+有关的许多生理过程，这是由于Ln3+，特别是La3+与Ca2+的半径相近，在一定程度上占有Ca2+的吸收位置或代替蛋白质中Ca2+的结合位置，而影响与Ca2+有关的生化反应以及酶的活性，K+、Na+的渗透性和细胞膜的稳定性。

所以，稀土离子能维持细胞膜的通透性和稳定性，提高细胞膜的保护功能，增强作物对不良环境的抵抗能力。

加强代谢过程中的氧化酶活性，有效地抑制病原体侵染，从而提高作物的抗病性。

如用300mg/Kg稀土溶液处理棉花种子，枯萎病发病率可降低18.96%～11.45%，病情指数降低25.6%～17.43%，相对防效分别为29.19%～39.3%。

而且其他作物施用稀土也都显示出不同程度的抗病性。

1.5稀土转光膜
稀土离子独特的外层电子结构，使得它在形成有机或无机化合物后，容易吸收近紫外光而激发。

而稀土转光膜，就是利用有机配体对紫外光的高吸收，稀土离子的高发光效率，并把稀土有机配合物分散到现有的多功能农膜中研制而成的具有荧光转换发光功能的农用高分子材料。

稀土转光膜可以将太阳光中对作物生长不利的紫外光的绝大部分转变为植物光合作用能直接利用的红橙光，通过改进作物的光照质量，进而提高作物体内的叶绿素含量[1]。

因此，与普通膜相比，能明显的提高农作物的光合作用强度、提高地温和棚温、降低作物病情指数和果实中硝酸盐含量、加快生育过程、提高作物产量7～48％、增加果实中Vc、胡萝卜素和可溶性糖的含量。

由于我国很多地区将大幅度调整农业种植结构，经济类作物种植面积增加，粮食作物大面积减少，而大多数经济类作物需由农膜育苗，多功能农膜比以往有望增长20％左右，普通膜需求量则将下降15％左右，其中多功能温室棚膜的应用比例将提高30%以上。

稀土转光膜是在多功能农膜的基础之上，又增加了转光的功能，可广泛地应用于农业，目前中国已成为世界最大的农膜市场，据国家统计部门统计[1]，我国每年约需使用100多万吨农膜，其中农用地膜平均年用量已超过30万吨，而且到2002年我国农膜的使用面积已从占耕地面积总数的4.7%提高到了6%。

可见其发展潜力巨大，开发前景光明。

1.6稀土抗旱保水剂
此项研究是吸纳国外的保水技术，采用独特的稀土催化剂和添加技术，研制而成的稀土高分子吸水材料。

它能够调节土壤水和肥的综合功能，保持和提高水分、养分有效性。

其使用方法简便，成本低廉，被农业专家重视并推广使用。

以上是稀土在农业中的几个有利作用，是开发利用我国丰富稀土资源事业中的一项具有中国特色的重要成就；是我国材料科学和稀土生物化学研究领域中的
一项重要突破，它与国家基础产业紧密结合，为社会主义建设服务的一个生动的范例，稀土农用技术的应用，对农业的可持续发展具有重要的意义。

2.稀土在农业应用中的弊端
在王晓荣等[4]写的《环境科学进展》一书中统记，我国农用稀土年用量在千吨以上，至今尚无稀土是生命必需元素的证据，那么，如此大规模地应用稀土，势必将原先在地壳中处于稳定态的稀土变成易被生物利用的形态大量进入环境，并且它们在环境中的迁移、转化和归趋，对生态环境的影响以及通过食物链对人体健康产生危害等稀土安全性问题应该受到我们的极大关注。

近年来，我国科技工作者围绕稀土农用环境化学行为的生态效应等方面展开系统的研究。

所获得的大量研究成果可为我国稀土农业的安全性评价提供基础数据，并从环境化学和土壤化学角度回答了稀土农用对环境、生态等方面的安全性问题。

下面我们就从具体研究中来探讨这一问题。

2.1稀土农用对土壤产生的不良影响
稀土作为复合肥被施用，进入土壤后，它的残留以及发生的各种反应势必会对土壤产生不良影响。

张宇峰等[20]通过实验室土柱淋浴实验进行有关数据的测定，并将对流扩散方程确定弥散系数的方法应用于稀土元素在土壤中的迁移，在普通雨水（pH5.6）淋溶下，稀土元素大约每两年才迁移1cm，在酸雨（pH4.0、pH3.0）淋溶下，每年迁移2cm以内。

在有机配体（EDTA）存在下，稀土元素较容易向下迁移。

在pH5.6和pH4.0的雨淋溶下，Ce每年迁移28.8cm，5年左右即可迁移到地下水。

在此条件下，其他稀土元素向下迁移速率均在7.2cm/a以上，说明不到20年稀土元素会迁移到地下水。

因此，当土壤溶液中存在配合剂且其配合能力强时，需采取相关措施防止稀土元素向下迁移。

另外，应用生态毒理学方法研究外源稀土对作物早期伤害的敏感指标的研究过程中，通过测定生长在不同外源稀土浓度土壤中的农作物得出应依据初生根根长，建立剂量——效应关系[4]。

并且王晓荣课题组根据稀土元素在红壤植物系统的传输过程，土壤有机质、pH、Eh等环境因素对稀土释放、存在形态及生物可利用性的影响以及所建立的迁移模型，提出在我国南方红壤、高酸雨地区施用稀土具有较高的风险的警示，告知我们在南方红壤、高酸雨地区应慎用或不用稀土。

2.2稀土农用对农作物产生的不良影响
稀土对农作物的生物学效应已有很多研究报道。

谢祖彬等[4]在水培实验中得出，当La浓度在0.05～1.5mg/l时，可显著提高水稻产量，增加子粒粒数。

而盆栽试验和红壤小区试验没有发现La对水稻生长的显著促进作，但高浓度La （540mg）显著降低红壤盆栽水稻稻杆重、株高等。

研究还表明，La浓度在0.05～0.07mg/l时增加水稻根Cu、Fe、Mg和粒子Cu、Ca、P、Mn、Mg的吸收，La 浓度在9～30mg/l时则降低水稻子粒和稻杆对这些元素的吸收。

盆栽模拟实验表明[7]，如果施用量达到目前用量（即1560mg/亩），连续使用500次，对土壤理
化性质及肥力供应不会造成显著影响，但施用量达到目前的50倍时，则会出现毒性反应。

他们还通过土培试验发现，当稀土施用量增加为目前的300～500倍时，则会显著干扰土壤微生物群落的演变和功能，并提出稀土在红色土壤施用的临界值为30mg/kg左右。

通过“剂量——效应关系研究”，对稀土元素进行危险性评价，首次得出了稀土对大鼠的最低毒作用剂量2mg/kg的定量结论，从而为日后制定稀土日允许摄入量提供了重要依据。

如Diatloh等人研究稀土La、Ce在0.03～0.7mg/l时观察到可降低玉米、红豆总干重。

普遍研究认为，低浓度稀土可以促进作物生长和改善作物品质，但高浓度稀土均对作物生长有抑制作用，同时还抑制其对矿物质营养的吸收。

另外张自立[6]等人用欧洲经济合作发展组织提出的方法在红壤、黄潮土、黄褐土三种土壤上进行混合稀土（0～0.5g/kg）对水稻、油菜、大豆等作物相对生长量的影响研究表明，混合稀土对在红壤上生长的水稻和油菜以及黄潮土上生长的土豆生长量有明显的抑制作用。

而在此过程中稀土对土壤活性的刺激作用是局部和短期的，而对生物活性抑制作用是普遍和长期的。

2.3稀土农用在动物体内的不良影响
2.3.1稀土农用在水生动物体内的富集作用
大自然就是一个庞大的食物链，我们将稀土应用于农业中，随着能量的流动和物质的交换，稀土必然会富集到动物体以及我们人体内。

下面就以稀土元素在鱼体内（鳃、内脏、肌肉、骨骼）的生物富集为例加以说明，它们对稀土富集的动力学过程表明[4]，鱼体各部分对重稀土的富集一个月后基本达到平衡，而轻稀土和中稀土在45天后其富集作用达到或接近平衡。

不同稀土元素在鱼体内的富集能力存在明显差异。

水中可溶性稀土在鲤鱼体内各部分的最大生物富集因子
由表可见，其富集能力的顺序为：内脏>鳃>骨骼>肌肉。

鱼体中主要可食部分肌肉的富集量最少。

结果也表明，鱼体各部分对重稀土的富集能力最弱，而对轻稀土和中稀土的富集能力差别不大。

轻稀土在骨骼和鳃中的富集能力高于中稀土，而中稀土在内脏和肌肉中的富集能力高于轻稀土。

由此可见，在鱼体的不同部位对稀土的富集作用也不同，而且同种稀土的富集量越大毒性也越大。

长期以来，科学工作者从生态毒理学、生物化学、细胞学和环境化学角度，反映了外源稀土对水生生物无效应浓度和早期伤害。

2.3.2稀土农用对动物的脑部蓄积性、毒性及对人群健康的潜在危害
众多研究表明，稀土元素类似于一般毒物，具有对生物体的刺激效应（hormesis效应，即低剂量时表现促进作用，高剂量时表现抑制作用，并介入生命体系的各个系统的效应）[10]。

长期以来，特别是稀土元素在农业上应用以来，稀土元素在机体内的蓄积性及其诱发的生物效应一直为人们广泛关注。

稀土元素的毒性研究亦从单一的急慢性效应向综合效应深入。

近期对农用混合硝酸稀土化合物长期经口染毒后遗传、免疫、胚胎、细胞、神经、肝脏及内分泌等方面的毒性效应研究取得了显著成果。

研究结果显示，稀土农业应用的安全性不容忽视[11]。

众多研究表明，稀土元素经消化道、呼吸道、皮肤、注射等途径进入动物机体后，可以通过血液输导而滞留或蓄积于各脏器组织，且在各脏器、组织间呈不均匀分布，有的脏器、组织对稀土元素具有明显的选择性吸收和蓄积[12-15]。

王夔等应用核素示踪技术研究Ce、Nd在小鼠体内的分布，结果表明，Ce（200～800mg/kg）经口摄入后，在小鼠血液和大脑中的蓄积水平（比活度）及相对比（各脏器组织的比活度占所测脏器组织总活度的百分率）随剂量和摄取时间而递增，表现出明显的蓄积性；Nd（200mg/kg）由腹腔注入后，随体液输配，短期（3～5d）内在血液和大脑中均有明显吸收与滞留，但因一次性注入后在体内再分配，而致蓄积水平和相对比均随试验时间进一步延长而降低；Ce和Nd在大脑中的蓄积水平及其相对比均比血液中高，说明大脑对Ce和Nd具有蓄积性[12-13]。

此外，彭瑞玲等[14]引用国外报道称，稀土元素可以通过胎盘屏障和血-脑屏障，而且幼年动物可以通过乳汁吸收稀土元素。

徐厚恩等[11]有关农用稀土（“常乐”）安全限量的研究表明，硝酸稀土Ce3+、La3+经口摄入后，在血清中蓄积水平分别为0.42ng/ml和36.57ng/ml，在脑海马体中蓄积水平分别为15.1ng/ml和389.9ng/ml，说明La3+和Ce3+易被吸收与蓄积，并提示到农用稀土“常乐”低剂量（2mg/kg）摄入，在脑部的积累不容忽视。

彭瑞玲等[14]以头发作为生物标志物，研究江西稀土矿区婴幼儿及其母亲头发中稀土元素分布规律。

结果表明，随着暴露程度的增加，婴幼儿头发中稀土元素有蓄积趋势，比对照区（远离稀土矿区）高达10倍，以轻稀土元素为主，且婴幼儿头发中稀土元素含量明显高于其母亲，成为暴露人群；周宁等[16]研究表明，动物毛发与内脏（包括大脑、小脑）中稀土元素含量有显著正相关关系，说明稀土元素在脑部具有蓄积性，这对于稀土元素的暴露人群同样具有警示意义。

另外，朱为方等[16]的研究表明，大鼠日饲喂中等剂量（140～147mg/kg）和低剂量（506～6.2mg/kg）240d后，2组大鼠脑海马体中乙酰胆碱酯酶活性受到明显抑制；中等剂量组鼠的大脑病理切片显示神经元胞体肿胀及噬节现象更为明显，表明稀土对高级神经中枢毒性很敏感。

王瑜等[17]就La3+对神经细胞内游离钙和代谢活力的影响研究表明，镧对神经细胞不仅有钙拮抗作用，而且可能直接进入脑细胞，促进钙释钙，加重兴奋性神经毒性损伤，具有潜在神经毒性。

章子贵等[19]采用行为观察和生化检验相结合的方法表明，不同剂量的稀土对鼠体神经学行为（学习、记忆和自主活动）均受到明显抑制。

总上研究充分说明，大脑对稀土极为敏感，一定剂量稀土染毒可诱发毒性效应，对神经产生抑制作用，其原因与脑内化合物的含量或活性降低等密切相关。

不仅动物如此，稀土矿区的人群也受到了同样的毒害。

江西丰县土壤系富含稀土元素的花岗岩风化而成，可交换态稀土（REO）占稀土总量的质量分数为40%～90%，REO含量一般达400～2000?g/g[16]。

稀土区的蔬菜、粮食及畜禽从环境（土壤和水）中吸收稀土，并通过食物链使该地区人群长期摄入低剂量稀土。

朱方为等[19]对该区的自然人群流行病调查表明，该区人群因通过食物链长期摄入低剂量稀土，导致儿童智商和成人中枢神经传导速度显著下降，说明稀土对大脑功能有影响，其中重稀土区影响更加明显，表明重稀土较轻稀土更易在大脑中蓄积，而且稀土元素的毒性随原子序数的递增而递增，所以重稀土较轻稀土毒性也更大。

按当地人群的食谱及稀土含量测算，成人每日摄入6.0～6.7mg即可致
亚临床损害，据此建议成人日允许摄入稀土（按REO）的量为4.2mg。

近期又有学者根据稀土对肝脏毒性的研究结果，按La经口摄入无作用剂量为2mg/kg，建议成人（按体重60kg计）日允许摄入量为0.12～1.2mg[11]。

以上是稀土生物学效应的弊端，可见并不是施用稀土的量越大越好，也不是任何环境中施用稀土都能起到积极的作用。

而且我们人类在日常饮食过程中，随着物质传递和能量流动，稀土对动植物体的不良影响必然会影响到我们人类的生存与健康。

因此我们在大力开发稀土资源的同时，应看到它的弊端，加强稀土生物学效应的机理研究，从而做到真正的有效利用稀土元素。