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          稀土在農牧養殖業中的應用

          時間:2017-04-25

          稀土農用的科學研究、產品開發和推廣應用工作從1970年北京、湖南、黑龍江、內蒙古等省區率先開展工作至今,已整整30年了。概括起來說,稀土農用、林用是30年來在我國發展起來的稀土資源綜合利用的一個新領域,一門新的前沿科學。稀土農用是我國首創并居于國際領先水平的一項重大成果,稀土農用是開發利用我國豐富稀土資源事業中的一項具有中國特色的重要成就,稀土農用是我國材料科學和稀土生物化學研究領域中的一項重要突破,是我國組織邊沿學科研究,采取多學科跨地區跨部門聯合攻關的一次成功范例。稀土農用是從無到有、從小到大、通過科技攻關實現產業化和社會化推廣,與國家基礎產業緊密結合,為社會主義建設服務的一個生動的范例。
           
          一、稀土對農作物的主要作用
            稀土為什么能使農作物增產,改善農作物品質?通過長期稀土農用基礎理論研究表明:稀土元素可以提高植物的葉綠素含量、增強光合作用、促進根系的發育、增加根系對養分的吸收。稀土還能促進種子萌發、增加種子萌發率、促進幼苗生長。除了以上主要作用外,稀土元素還具有使某些作物增強抗病、抗寒、抗旱的能力。
            大量研究表明,施用適當濃度稀土元素能促進植物對養分的吸收、轉化和利用,這已得到許多實驗結果的證實。用富鑭稀土對春小麥噴施或拌種,實驗結果顯示春小麥生長發育得到促進,結實穗數和籽粒數也有所增加,表明使用稀土可提高春小麥對氮、磷肥的吸收、運轉、利用,并減少土壤中氮素損失?;ㄉ鷩娛┫⊥?,對根瘤固氮活性和葉片硝酸還原酶活性均有顯著的促進作用,從而提高了葉片氨態氮含量,降低了硝態氮含量,改善了植株的碳氮代謝,對改善品質,提高產量有利。稀土在氮、磷均衡營養供應的條件下,對一些作物有增產刺激作用,增產機理在于稀土可促進、協調作物對礦質養分的吸收,刺激酶活性。稀土是生理活性物質,必須與大量營養元素進行合理的配用,才能發揮效益。
            大田作物栽培常會遇到諸如干旱、高溫、低溫、鹽漬、病蟲害等逆境條件。使用稀土,可以增強作物對上述不良環境條件的抵抗能力。稀土元素能增強作物的抗逆性和抗病性,稀土離子能維持細胞膜的通透性和穩定性,提高細胞膜的保護功能,增強作物對不良環境的抵抗能力,加強代謝過程中的氧化酶活性,有效地抑制病原體侵染,從而提高作物的抗病性。
            稀土對農作物的作用不僅能提高作物的產量,還能改善品質,如使葡萄的果粒增大,糖酸比提高,改進風味。稀土拌種可使玉米的品質改善,產量提高。噴施稀土可使蘋果和柑橘果實的Vc含量,總糖含量,糖酸比均有所提高,促進果實著色和早熟。并可抑制貯藏過程中呼吸強度,降低腐爛率。施用稀土復合肥還可減少蔬菜中硝酸鹽的積累。另外稀土元素對啤酒花、水稻的產量與品質均有影響。
            稀土碳銨復混肥的推廣將為農業發展提供強大動力。目前,稀土農用推廣已成氣候,稀土碳銨復混肥、稀土多元復合肥、稀土飼料添加劑的生產銷路迅速拓寬。在國家計委、財政部和化工部的大力支持下,全國連續5年改造小化肥廠,目前已改產稀土碳銨肥的廠家112家,將形成年產500萬噸稀土碳銨生產能力,年可耗用稀土1.2萬噸,稀土碳銨將成為農用稀土的第一大戶。其他稀土農用林用產品的年覆蓋面積,將達到1億畝,年消費稀土量為1000噸。
           
          二、稀土在畜牧養殖業中的作用
            稀土元素是一種很好的生理激活劑,它使動物食入營養物質得以充分的利用和吸收。在養殖業中,稀土可以使馬匹快速育肥并能增加雪花馬肉;稀土飼喂細毛羊能提高羊毛產量和質量;稀土飼喂蛋雞可以抵制疾病,提高產蛋率;在魚飼料中添加稀土能提高魚產量;稀土飼料還可以使豬育肥;使奶牛提高產奶量。
           
          三、稀土的毒理研究
            稀土鹽作為作物生長調節劑,關系到對人、畜、環境的安全衛生,涉及到子孫后代和環境生態。為此,國家主管部門十分重視,專門組織了全國跨部門的包括六個重大領域的多學科聯合攻關,即稀土農用專用產品的工藝研究、稀土應用中的安全毒理衛生評價研究、稀土土壤學研究、生理生化機理研究、應用技術及效果研究、分析檢測方法研究,承擔課題單位有近150個單位,上千名科學家、專家和科技工作者,經過前后近20多年的艱苦努力和10年的攻關,基本回答和解決了關于稀土農用的工藝、毒理安全、土壤、應用機理、微量分析等方面的重大課題。經過對哺乳動物及水生動物的毒理實驗結果表明,按每畝農田實際使用稀土擴大2~10倍,不會對農田、周圍水域及動物造成不良影響。
           
          四、應用和開發研究現狀
            在國家各個主要主管部門的大力支持下,1986年開始國家在四個"五年計劃"中把稀土農用列為國家重點科技攻關項目,有關部委和省市自治區,甚至一些地市,也配合國家科技攻關,列題進行研究,據不完全統計,國家投入經費超過1500萬元,地方單位相應投入近800萬元,參加攻關和研究的單位約80個,科技人員300人,包括推廣、生產人員近1000人。國家列題8項,各地相應自主列題近100項(直到2002年還有新的課題開展),見表1。
           


          表1 國家級科研開發和基礎研究項目

          序號
          時間
          項目名稱
          下達部門
          1
          1981~1985年(六五計劃)
          農用稀土化合物的應用研究
          國家科委
          2
          1986~1990年
          稀土農用機理研究
          稀土在林業上的應用研究
          稀土在畜牧業上的應用研究
          國家科委
          3
          1991~1995年
          稀土農林牧應用新技術的開發研究
          國家計委
          4
          1991~1995年
          稀土在畜牧業上的產業化示范研究
          科委星火項目
          5
          1991~1995年
          稀土在小麥、水稻上的示范研究
          農業部豐收計劃項目
          6
          1991~1995年
          稀土碳銨復混肥的應用研究
          國家計委、天津市
          7
          1996~2000年
          稀土農林牧用新技術新工藝新產品的開發及產業化研究
          國家計委
          8
          1996~2002年
          稀土農用環境化學生物效應毒理基礎研究
          國家自然科學基金委

           

            稀土農用的基礎理論研究、應用理論研究、應用技術研究和產品開發研究取得了巨大突破,在毒理衛生學、稀土生物化學、稀土制造工藝學、稀土分析化學、稀土農學、稀土土壤化學、稀土免疫功能等七個方面獲得了重大成果,表明低劑量的適量稀土,以單一施用、復混、復合方式用于農林牧業有顯著增產、改善品質和防病抗逆作用,對環境無污染,對人體無害,以鑭鈰為主體的稀土是有益元素,為稀土農用的產業化奠定了扎實的科學基礎。
           
          五、稀土農用實現產業化情況
            20世紀80年代我國建立了以河南商丘、哈爾濱、甘肅稀土公司等為主的8個稀土農用產品生產基地,總生產能力達8000噸,土地覆蓋面積可達1.5~2億畝;90年代初,針對我國870多家碳銨廠能耗高,成本高和使用不便等問題,完成了稀土碳銨復混肥開發研究,之后,財政部投入近2.2億元,至2001年先后在全國各地,用稀土碳銨復混技術改造小碳銨廠近170家,形成生產能力約500萬噸,可覆蓋土地面積1億畝。節約技改資金近100億元,意義十分重大。2002年,經論證,國家又下達了第一批"十五"稀土農用產業化項目,總資金近3000萬元,由湖南稀土農用中心承擔,2001年建成,屆時一個科技含量高、技術先進、設備配套、產品適應性強,產量可覆蓋1億畝農田和供畜牧業使用的稀土農用產品綜合生產線,將成為我國稀土農用的生力軍。在此期間,北京、廣西、湖南、遼寧等地先后建成畜牧用的產品示范基地,稀土飼料添加劑生產能力近100萬噸,可供1000萬頭(羽)畜禽使用。稀土農用的生產能力,足以供3億畝農田使用,年增產農產品1000萬噸,對我國農業發展具有重大意義。
          目前,我國已在120種農作物、牧草、林苗上使用稀土,在近20種畜禽飼料中應用稀土(見表42),除西藏、臺灣以外,全國各地都推廣使用了稀土,累計使用總面積在4億畝/次以上,使用稀土肥料按硝酸稀土計約8000噸,增產糧棉瓜果等上百億公斤,企業經濟效益4000多萬元,農業經濟效益百余億元。
           

          表2 稀土在農林、畜禽業上的應用概況
           

          類 別
          品 種
          糧食作物
          小麥、大麥、玉米、蕎麥、水稻、再生稻、小麥、高梁、谷子
          經濟作物
          大豆、油菜、油茶、花生、茶葉、煙草、橡膠樹、亞麻、胡麻、苧麻、劍麻、棉花、甘蔗、甜菜、棉花、向日葵、胡椒、啤酒花、萱麻、蘆葦、黃麻、芝麻
          蔬菜
          大白菜、黃花菜、黃瓜、冬瓜、豆角、辣椒、豌豆、韭菜、菠菜、花椰菜、馬鈴薯、食用菌、番茄、甘蘭、豇豆
          瓜果
          西瓜、菠蘿、蘋果、荔枝、桂圓、梨、桃、板栗、醋栗、棗、葡萄、香蕉、獼猴桃、柑橘、山楂、草莓、李子
          花卉
          石菖莆、水仙花、玫瑰、菊花、石竹、香雪蘭、百合、芍藥、射干
          藥材

          人參、當歸、枸杞、白芍、天麻、黃芪
          牧草
          紫苜蓿、沙打旺、草木犀、老芒麥、披堿草、羊茅、鴨茅、銀合歡、三葉草、柱花草、野豌豆、駝絨藜、伏地膚、木巖、黑麥、雀麥、水草、冷蒿、燕麥
          松樹
          興安落葉松、長白落葉松、樟子松、紅松、油松、馬尾松
          楊樹
          加楊、北京楊、小黑楊、銀中楊
          柏樹
          側柏
          其他樹種
          泡桐、檸條、桑樹、柞樹、火炬樹
          畜禽魚

          豬、羊、牛、馬、兔、雞、鴨、鴿、鯉魚、草魚、羅非魚、鏈魚、蚌(珍珠)
          蠶類
          家蠶、柞蠶
          稀土產品
          硝酸稀土、碳酸稀土、稀土氯化物復合劑、檸檬酸稀土、抗壞血酸稀土、稀土碳銨復混肥、稀土多元復合劑、氨基酸稀土、稀土菌肥、稀土磁化肥、稀土磷肥、稀土保水劑等。
           
           
            在完成稀土在農業上的大面積推廣應用的社會化的同時,也向國際化邁出了重要步伐。稀土農用除在日本、澳大利亞、毛里求斯、以色列、馬來西亞等國家試用示范外,目前包頭市金稀土生物應用有限公司的產品,已成功通過韓國大面積示范,進入商品化銷售階段,我們期待著有更多的稀土農用產品進入國際市場,為全人類造福。
            稀土農用之所以能夠取得巨大成就,是因為得到國務院辦公廳、國家計委、國家科委、國家經貿委、財政部、農業部、化工部、林業部、冶金部、中國科學院、中國有色金屬工業總公司、國家自然科學基金委、國家技術監督局、國家民航局等14個中央部委和地方政府的支持,在方毅副總理和陳俊生國務委員的關心和指示下,國務院辦公廳專門下文,要求重視稀土農用;國家計委、國家科委、農業部等五部委也聯合下文安排稀土農用科研推廣工作,這是很少有的事例。
            稀土在農業中的應用,先后列入了國家"六五"、"七五"科技攻關計劃,全面開展了稀土在農學、土壤學、植物生理學、衛生毒理學和微量分析學等多學科聯合攻關,解決了兩個基本問題,一是經多種作物大面積示范測產表明,微量稀土作為植物的生長調節劑,可使作物增產,增產率>90%,增產幅度,糧食作物為8%~10%,經濟作物為15%~30%;可以改善作物品質,尤其是可使糖料作物、瓜果等糖份增加0.8~1個百分點,為我國食糖增產和自給作出了巨大貢獻。二是稀土屬低毒物質,毒性與鐵相當,合理施用稀土對人畜無害,對環境無污染。目前我國稀土農用涉及科技人員800人,28個省市自治區,并建立了推廣應用網絡,稀土農用產品有60多種,生產企業180家,總生產能力為500萬噸。目前我國農田施用稀土面積達5000~7000萬畝/年,每年增產糧、棉、油等6~8億公斤,直接效益為10~15億元,年消費稀土1100~2200噸,成為我國重要的稀土消費市場。稀土碳銨復合肥得到大力推廣,現已改造小化肥廠200余家,目前生產能力達700萬噸,較"八五"末期新增400萬噸。改產稀土復合肥所需投資僅為改產尿素的5%,為國家節約資金160億元以上。另外,稀土在林業中的應用也從經濟林向速成林、防護林、城市綠化林方向發展。農、林、牧業將是稀土應用的巨大潛在市場。表43和圖18分別列出了1990~2003年我國稀土在農業中的消費量。
           

          表3 1990~2003年我國稀土在農業中的消費量(REO,噸)
           

          年份
          1990
          1991
          1992
          1993
          1994
          1995
          1996
          1997
          1998
          1999
          2000
          2001
          2002
          2003
          消費量
          500
          800
          990
          1030
          1190
          2060
          2100
          2120
          2120
          2150
          2180
          2100
          2000
          2050
           

          六、國家重大基礎研究項目結束,大面積應用時期開始
            為期4年的國家自然科學基金重大項目"稀土農用的環境化學行為及生態、毒理效應"基礎研究項目已于2002年9月通過驗收。項目以我國稀土農用技術為背景,分環境化學行為、對農田生態系統的影響、低劑量長期作用毒理及生物無機化學效應基礎等四個課題開展了多學科、綜合性、跨部門的交叉研究,內容涉及我國稀土農用技術開發時期提出的稀土土壤學、植物生理學、稀土農用效果、稀土毒理衛生學和超微量分析檢測等各學科領域,并從基礎研究的深度回答了一些長期沒有解決的重大問題,是我國稀土農用基礎理論研究的一次重大突破。受政府部門和業界關注的這項研究進一步肯定了稀土農用技術的可行性,并為今后的發展奠定了堅實的基礎。
            這一課題設置背景是在稀土農用技術曲折發展的26年后,在政府部門、社會上和學術界仍然存在疑慮和"以人為本"提出深層次重大理論問題后安排的全面、系統、盡可能涉及可能出現問題的多學科領域的研究內容。輿論界認為以此可以作為稀土農用技術的進步標準。
            重大基礎研究項目多學科反復肯定稀土元素劑量與生物效應的依賴關系,證明稀土元素具有生理活性,是一組對植物生長起調節作用的有益元素。菠菜、水稻、玉米的水培和盆栽試驗表明,稀土對生長過程的生理生化指標、生長量和經濟產量均表現"低促高抑"規律,這一規律是遵循相同規律的稀土微生物效應、土壤呼吸作用、土壤化學反應等地下部分的稀土效應的綜合效應。研究肯定稀土對植物吸收氮、磷的促進作用,肯定有改善品質和增加抗逆性作用,還具有清除超氧氫離子作用和抗重金屬汞和鉛的脅迫作用。此項研究在稀土土壤學和稀土植物生理學理論研究上有重大突破,確定了稀土在土壤中的形態轉化及與生物有效性的關系。研究了傳導過程和歸宿,肯定了稀土進入土壤后99%被固定而遷移困難,推薦植物分泌的低分子有機酸提取稀土元素預測生物可給性的方法。根系吸收稀土元素過程分為細胞壁吸附的快速過程和跨膜吸收的慢速過程。植物體中稀土元素以性質不同的生物分子化合物存在,水稻苗中與分子量10000~12000的蛋白質結合,玉米根中與蛋白質結合的分子量分別由690000與20000兩個條帶組成。高含稀土鐵芒萁葉綠素a相結合。研究建立了稀土動物體跨細胞膜輸運、與細胞結合方式和生物效應等理論。在基礎研究的基礎上確定了幾項指導性的環境、生態和毒理劑量界限。17年定位試驗表明,稀土在小麥籽粒和土壤中沒有任何累積效應。由于其在土壤中固定快、移動性慢,推算正常使用100年污染地下水的可能性不大。連續使用500次,對土壤理化性質及肥力供應不會造成顯著影響。一次施用量為目前用量300-500倍時可觀察干擾土壤微生物群落的演變和功能。研究確定動物最低毒作用劑量為2mg/kg[RE(NO3)3],比早期的60mg/kg低30倍,為國家制定新的稀土允許攝入劑量標準提供了科學依據。按新結果推算,每人每天允許攝入120mg,實際每人每天的自然攝入量為2mg左右??傊?,決定稀土農用技術前途和命運的國家自然科學基金項目從基礎理論研究視角繼續肯定在開發應用時期的研究成果,在稀土土壤學、植物生理學和生理衛生學領域又有了突破意義的進展,并為施用限制量提出了定量標準。這項研究為稀土農用技術的推廣應用奠定了理論基礎,是稀土農用技術發展史中的一件大事,預示一個新的大面積應用時期的開始。

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