土壤-玉米體系微量營(yíng)養(yǎng)元素錳、鋅、銅、鐵的分布特征

傅炳森，孫愛德

(1.山東省臨沂第一中學(xué)，山東 臨沂 276005；2.臨沂大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，山東 臨沂 276005)

土壤是銜接無(wú)機(jī)界和有機(jī)界的橋梁，微量營(yíng)養(yǎng)元素在土壤-植物系統(tǒng)中的遷移是元素地球化學(xué)循環(huán)的重要組成部分[1]，其在不同介質(zhì)間相互的遷移轉(zhuǎn)化過程[2]，實(shí)現(xiàn)了各種元素從非生命圈進(jìn)入生命體的重要過程，營(yíng)養(yǎng)元素通過土壤到達(dá)農(nóng)作物體內(nèi)，籽實(shí)中累積的元素通過食物鏈進(jìn)入人體[3]。微量營(yíng)養(yǎng)元素首先被植物根部吸收，一部分在根部累積，另一部分輸送到植物體的地上部分并富集，從而形成了營(yíng)養(yǎng)元素在植物體根、莖、葉、花和籽實(shí)等器官的分布差異[4-6]。

錳、鋅、銅、鐵是玉米生長(zhǎng)發(fā)育必需的微量營(yíng)養(yǎng)元素，鐵是葉綠素合成的重要成分，與光合作用有密切關(guān)系。錳是葉綠體的組成部分，植物生長(zhǎng)發(fā)育必不可少。鋅在植物體內(nèi)影響廣泛，促進(jìn)生殖器官發(fā)育和提升抗逆性，是某些酶活化劑，并參與光合作用。銅是植物體內(nèi)許多氧化酶的成份、呼吸作用的觸媒，參與光合作用，促進(jìn)花器官的發(fā)育[6-11]。微量營(yíng)養(yǎng)元素在植物不同器官分配的研究以水稻最為成熟，其器官中營(yíng)養(yǎng)元素含量分布規(guī)律大致為：根>秸稈>葉>籽實(shí)[12]。

玉米作為北方普遍種植的農(nóng)作物，在飲食結(jié)構(gòu)中占有重要地位[7]。因此對(duì)土壤-玉米系統(tǒng)中微量營(yíng)養(yǎng)元素分布特征的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文對(duì)臨沂市義堂和冊(cè)山兩地土壤-玉米器官中幾種微量營(yíng)養(yǎng)元素的分析，以期通過比較兩地中土壤-玉米體系中微量營(yíng)養(yǎng)元素的差異，查明微量營(yíng)養(yǎng)元素在其體系中的分布特征。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 樣品采集

樣品于2015年10月分別采集于臨沂市蘭山區(qū)義堂鎮(zhèn)(118.33°E，35.07°N)和羅莊區(qū)冊(cè)山街道辦事處(118.28°E，34.98°N)。兩地均為暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，夏秋降水豐沛，氣候溫和，全年平均氣溫14.1℃，年降水量849 mm，主要集中在夏秋兩季，季節(jié)分配不均勻[14]。樣品采集在典型樣地(10 m×10 m)內(nèi)完成。玉米植株選用健康樣株，整株采集[15]。

1.2 儀器及材料

全譜直讀電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(Vista MPX，Varian，美國(guó))，配有40 MHz自激式射頻發(fā)生器、中階梯多色器系統(tǒng)、Vista Chip CCD檢測(cè)器、玻璃同心軸霧化器、旋流霧化室、水平炬管和蠕動(dòng)進(jìn)樣泵。儀器工作條件：RF功率1.0 kW，等離子氣流量15.0 L/min，輔助氣流量1.5 L/min，霧化氣壓力200 kPa，讀數(shù)時(shí)間5 s，泵速15 r/min。元素分析波長(zhǎng)(nm)：Fe 238.204、Cu 327.395、Mn 257.610、Zn 213.857[16]。

1.3 土壤與玉米的樣品預(yù)處理過程

1.3.1 土壤樣品預(yù)處理過程

土壤樣品自然風(fēng)干，研磨，過60目篩。土壤中微量營(yíng)養(yǎng)元素的提取分為兩種：一濕法消解提取土壤中全部微量營(yíng)養(yǎng)元素，二是加熱水提提取土壤溶液的微量營(yíng)養(yǎng)元素。

濕法消解：稱取0.3 g土壤樣品于Teflon坩堝內(nèi)，然后加入7 mL HF溶液和1 mL濃HNO3溶液。將坩堝放到控溫電加熱板上加熱消煮，蒸發(fā)近干時(shí)取下冷卻。再加入5 mL HF溶液，繼續(xù)消煮至近干時(shí)，冷卻。然后加入2mL HClO4溶液，繼續(xù)消煮到白煙冒盡，坩堝內(nèi)殘?jiān)尸F(xiàn)出均勻的淺色。取下坩堝，加入HNO3(v∶v 1∶1) 1 mL，繼續(xù)加熱溶解殘?jiān)敝寥芤撼吻?，過濾定容，采用ICP-OES法測(cè)定元素的含量。按照上述的方法同時(shí)做空白實(shí)驗(yàn)。

水提法：稱取土壤樣品1 g于坩堝內(nèi)，加10 mL高純水。稱重后放置加熱板上加熱20min。取下坩堝冷卻再稱重，將消煮過程中損失的水分補(bǔ)充回去。將消煮后的溶液過濾轉(zhuǎn)移到容量瓶中存放。

1.3.2 玉米樣本預(yù)處理過程

玉米樣本用干灰化法處理。首先采用去離子水反復(fù)清洗玉米樣本，除去樣本表面的附著物和雜質(zhì)。在40 ℃的溫度下氣流烘干，將樣品粉碎后過60目篩。準(zhǔn)確稱量0.5 g樣品，放置石英坩堝中。然后放置于馬弗爐中，先升溫至200℃，將植物樣品進(jìn)行碳化，1 h后再升溫至550℃，干灰化4 h，最后在干燥器中冷卻至室溫[17]。溶液定容，待用。

2 結(jié)果與討論

土壤濕法消解后和加熱水提后測(cè)定其中Fe、Cu、Mn、Zn含量，結(jié)果列于表1中，土壤中微量元素的含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于玉米可吸收量。

表1 兩地土壤中鐵銅錳鋅含量及玉米可吸收量 單位：μg/g

2.1 兩地玉米植株中鐵的含量變化

表1中全鐵含量最高(冊(cè)山 8673.72μg/g，義堂 9439.70 μg/g)，但是能被植物吸收利用不高(冊(cè)山0.041 μg/g，義堂0.39 μg/g)，說明土壤中鐵的有效含量較低。與其他三種微量營(yíng)養(yǎng)元素相比，兩地玉米植株內(nèi)鐵的含量最多，說明在玉米的生長(zhǎng)過程中對(duì)鐵的需求量大。兩地玉米植株中不同器官中Fe含量的變化如圖1所示。

圖1 兩地玉米植株器官中鐵含量的變化

由圖1可以看出，鐵在根-莖-葉-花和苞皮-種子-穗軸中的含量都呈下降趨勢(shì)，根和玉米苞皮中鐵的含量中明顯高于同一方向的其他部位。兩地植株中根部鐵含量最高，說明鐵在玉米根部富集作用明顯；而在其他器官中，鐵的含量較低，表明鐵只有極少量轉(zhuǎn)移到植株的地上部分。鐵元素雖然是合成葉綠素所必需的，但并不是葉綠素的組成成分，所以葉片中鐵的含量并不高[6]。

2.2 兩地玉米植株中錳的含量變化

圖2 兩地玉米植株器官中錳含量的變化

兩地玉米植株中不同器官中Mn含量的變化如圖2所示。玉米植株中器官如根、莖、葉、花中錳含量基本呈上升趨勢(shì)，且含量較高，而在苞皮、穗軸、種子中含量逐漸降低[6]。圖2中可以看出，玉米不同器官含量差別較大。葉片中最高，可能是因?yàn)殄i是葉綠體的結(jié)構(gòu)部分，是維持葉綠體結(jié)構(gòu)所必須的微量元素，參與了光合作用引起的。玉米花中錳累積較多，含量?jī)H低于葉片。錳能夠促進(jìn)種子萌芽和幼苗早期生長(zhǎng)，加快花粉生長(zhǎng)和花粉管的延伸，可以提高植物的結(jié)實(shí)率，因此在花的部位中導(dǎo)致錳含量較高。

2.3 兩地玉米植株中鋅的含量變化

圖3列出了兩地玉米植株不同器官中鋅含量的變化。鋅在玉米體內(nèi)的富集作用不顯著，根、葉、花中含量差別較小，但在苞皮-種子-穗軸中含量逐漸增加，說明鋅的富集作用明顯。

圖3 兩地玉米植株器官中鋅含量的變化

圖3表明，除莖以外，其他器官中含量變化比較平穩(wěn)。義堂地區(qū)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于冊(cè)山的，根據(jù)表1，義堂土壤中玉米可吸收鋅的含量明顯高于冊(cè)山，說明兩地玉米莖中鋅含量的差異可能是由土壤中元素含量差異引起的。

2.4 兩地玉米植株中銅的含量變化

兩地玉米植株中不同器官中Cu含量的變化如圖4所示。根-莖-葉-花中銅含量漸次減少，苞皮、種子、穗軸含量都較低，種子中含銅量最低。根部銅的含量都明顯高于其他器官，說明玉米根部對(duì)銅具有高度敏感性，富集作用在根部表現(xiàn)明顯；而在其他器官中，銅的含量較低，說明銅只有極少量轉(zhuǎn)移到植株的地上部分。

圖4 兩地玉米植株器官中銅含量的變化

3 結(jié)論

土壤中鐵錳鋅銅元素含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于玉米可吸收利用量，玉米植株內(nèi)含量大于可吸收利用量，說明營(yíng)養(yǎng)元素在玉米各器官中集聚累積；兩地玉米植株體內(nèi)微量營(yíng)養(yǎng)元素的累積遵循鐵>錳>鋅>銅的規(guī)律，其中富集最明顯的器官是根和花，其次為葉，莖中富集并不明顯，而苞皮、種子和穗軸中含量更低。對(duì)微量營(yíng)養(yǎng)元素分布特征的分析為降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，提高玉米產(chǎn)品質(zhì)量提供合理的依據(jù)。