安徽碭山縣小麥及根系土中鋅元素含量特征

胡聰聰，王樂樂，于炎炎

(安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局325地質(zhì)隊(duì)，安徽 淮北 235000)

0 概述

世界上主要的糧食作物之一是小麥，尤其是在我國的北方地區(qū)以及較為缺乏鋅(Zn)、鐵(Fe)等微量元素的我國西部地區(qū)，最主要的食物來源是小麥面食，因此小麥的產(chǎn)量和品質(zhì)對(duì)于我國的居民生活尤為重要[1]。碭山地處安徽最北端，與蘇、魯、豫、皖下轄七縣交界，一縣之境，納四省風(fēng)俗，具有獨(dú)特的人文環(huán)境，小麥面食也是當(dāng)?shù)刈钪饕氖澄飦碓础?/p>

農(nóng)作物中含有人體必不可少的微量元素，如硒[2]、鋅等。Zn元素對(duì)人體的生長發(fā)育有著重要的作用，缺鋅容易導(dǎo)致食欲不振、消化不良、免疫力下降等問題。國內(nèi)外學(xué)者相關(guān)研究表明，植物中的Zn元素含量水平受土壤中鋅含量、鋅的不同狀態(tài)、植物對(duì)鋅的吸收轉(zhuǎn)化以及土壤性質(zhì)等的影響。因此，近年來有諸多國內(nèi)外學(xué)者對(duì)土壤和植物中的鋅進(jìn)行研究，其中Alexei[3]對(duì)中亞地區(qū)、石榮麗等[4-7]對(duì)中國不同區(qū)域內(nèi)不同品種小麥中的Zn元素含量進(jìn)行檢測(cè)，Zn含量的平均水平介于24.011～29.3 mg/kg之間。

本文選取碭山縣小麥和根系土中的鋅作為研究對(duì)象，對(duì)小麥中鋅含量、其根系土中的鋅、有效鋅含量、土壤質(zhì)地之間的關(guān)系進(jìn)行研究，分析了區(qū)域土壤和小麥鋅含量狀況及其之間的關(guān)系，為該區(qū)域的農(nóng)產(chǎn)品的規(guī)劃提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

本次調(diào)查工作的采樣范圍為碭山縣西南部、北部零星地區(qū)的小麥及其根系土壤(圖1)。碭山縣位于黃淮海平原的南部，縣境內(nèi)地勢(shì)平坦，系黃河沖積產(chǎn)物，縣境內(nèi)中部地勢(shì)略高，南北地勢(shì)稍低。氣候界于北亞熱帶和暖溫帶之間，屬于季風(fēng)性半濕潤的氣候區(qū)，處于北亞熱帶和暖溫帶的過渡帶。本次調(diào)查區(qū)的區(qū)域地層屬于華北地層大區(qū)—晉冀魯豫地層區(qū)—徐淮地層分區(qū)—淮北地層小區(qū)，主要分布的地層有中—下奧陶統(tǒng)、上石炭統(tǒng)至下三疊統(tǒng)、古近系，均被第四系覆蓋。區(qū)內(nèi)的大地構(gòu)造單元屬于中朝準(zhǔn)地臺(tái)淮河臺(tái)坳，位于秦嶺緯向構(gòu)造帶的東延部分和徐宿弧形構(gòu)造及新華夏系構(gòu)造的交匯部位，構(gòu)造復(fù)雜，是經(jīng)過構(gòu)造體系改造復(fù)合的產(chǎn)物[8-9]。

圖1 研究區(qū)采樣點(diǎn)位置圖

2 實(shí)驗(yàn)與方法

2.1 樣品采集

在碭山縣境內(nèi)選取大片種植小麥的區(qū)域采集小麥及相應(yīng)的根系土。

采集方法：

1)小麥樣品：在主樣點(diǎn)和子樣點(diǎn)附近選取多株麥穗，混合成樣，麥粒干重不少于0.3 kg。

2)小麥根系土：與小麥同步采集，土壤采集深度為0～20 cm，采樣工具為不銹鋼取土器，主樣點(diǎn)與子樣點(diǎn)土壤混勻，采用四分法進(jìn)行縮分，獲得土壤樣品重量不少于1.5 kg。共采集到60件小麥和60件根系土樣品。

2.2 檢測(cè)方法

本次樣品的分析測(cè)試工作是由江蘇地質(zhì)礦產(chǎn)設(shè)計(jì)研究院(中國煤炭地質(zhì)總局檢測(cè)中心)完成，嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和實(shí)驗(yàn)室質(zhì)量管理要求執(zhí)行。采用X射線熒光光譜法(XRF)測(cè)定小麥根系土土壤全鋅，檢出限為3.5 μg/g；采用凱氏定氮法測(cè)定土壤的pH值，檢出限為0.1；采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS)測(cè)定小麥中Zn元素的含量，檢出限為0.2 mg/kg。本次測(cè)試工作中對(duì)各元素的準(zhǔn)確度、精密度及檢出限均達(dá)到或者優(yōu)于《多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查規(guī)范(1∶25萬)》[10]的要求；小麥樣品分析方法中各元素的檢出限、精密度、準(zhǔn)確度達(dá)到或優(yōu)于《生態(tài)地球化學(xué)評(píng)價(jià)樣品分析技術(shù)要求》[11]。所有樣品的準(zhǔn)確度、精密度以及報(bào)出率的監(jiān)控合格率均為100%。

2.3 數(shù)據(jù)處理

采用MapGIS軟件制作本次樣品采集的樣點(diǎn)分布圖，利用SPSS和Excel軟件進(jìn)行本次數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)與分析。

3 結(jié)果與討論

3.1 小麥鋅含量

研究區(qū)內(nèi)小麥鋅含量的變化范圍為9.38～36.20 mg/kg，平均值為18.97 mg/kg，標(biāo)準(zhǔn)離差為0.6，變異系數(shù)為0.3(表1)。小麥中重金屬元素鎘(Cd)的含量范圍為0.006～0.044 mg/kg，砷(As)的含量范圍為0.006～0.052 mg/kg，鉻(Cr)的含量范圍為0.1～0.931 mg/kg，對(duì)應(yīng)的平均值分別為0.016 mg/kg、0.020 mg/kg、0.447 mg/kg，依據(jù)《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中污染物限量》(GB 2762-2017)[12]，小麥中重金屬元素含量限量Cd≤0.1 mg/kg、Cr≤1.0 mg/kg、As≤0.5 mg/kg，研究區(qū)內(nèi)小麥中重金屬Cd、Cr、As元素均在食品中限量指標(biāo)以內(nèi)。研究區(qū)小麥中鋅含量呈不均勻分布(圖1、表2)，各區(qū)域鋅含量平均值：曹莊鎮(zhèn)2.345 mg/kg，程莊鎮(zhèn)1.47 mg/kg，高鐵新區(qū)2.08 mg/kg，官莊壩鎮(zhèn)1.93 mg/kg，關(guān)帝廟鎮(zhèn)2.33 mg/kg，玄廟鎮(zhèn)2.3 mg/kg，趙屯鎮(zhèn)2.14 mg/kg，朱樓鎮(zhèn)1.34 mg/kg，周寨鎮(zhèn)1.61 mg/kg。其中官莊壩鎮(zhèn)、曹莊鎮(zhèn)、趙屯鎮(zhèn)等在碭山縣西北部小麥中鋅含量水平略高于其他地區(qū)。

表1 研究區(qū)小麥和根系土中Zn元素及根系土中其他元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)統(tǒng)計(jì)

3.2 小麥根系土鋅含量

研究區(qū)內(nèi)小麥根系土中鋅含量為44.4～125.0 mg/kg，平均值為67.5 mg/kg，標(biāo)準(zhǔn)離差為17.5，變異系數(shù)為0.26。在《中華人民共和國多目標(biāo)地球化學(xué)調(diào)查報(bào)告 1：25萬安徽淮北—亳州地區(qū)》[13]中闡述了皖北地區(qū)土壤背景值，其中Zn元素在碭山縣的土壤背景值為65.2 mg/kg，在皖北地區(qū)的土壤背景值為66 mg/kg，研究區(qū)內(nèi)的Zn元素含量高于碭山縣土壤背景值和皖北地區(qū)土壤背景值。鋅在根系土中的分布受多種因素的影響，如成土母質(zhì)、土壤類型、土壤質(zhì)地、成土過程以及Zn元素的化學(xué)性質(zhì)等。劉錚等[14]在我國土壤中鋅含量的分布規(guī)律中指出有效態(tài)鋅的含量可以反映出土壤鋅的供應(yīng)水平。各地區(qū)小麥根系土鋅含量見表2，依據(jù)《富鋅土壤評(píng)價(jià)技術(shù)要求》(DB23T/2410-2019)[15]，對(duì)研究區(qū)域土壤進(jìn)行富鋅區(qū)劃定，當(dāng)pH值>7.5時(shí)，富鋅的范圍為74～300 mg/kg。李杰等[16]在對(duì)水稻及根系土硒含量特征中得出土壤硒含量并不是控制水稻鋅水平的主要因素。賀德芳等[17]在鋅對(duì)小麥生長的影響中報(bào)道小麥籽實(shí)含鋅量取決于土壤和灌溉水中鋅的含量。在研究區(qū)內(nèi)碭山縣南部地區(qū)的關(guān)帝廟鎮(zhèn)、朱樓鎮(zhèn)的土壤鋅含量水平略高于其他地區(qū)，屬于富鋅區(qū)域，而研究區(qū)小麥鋅含量相對(duì)較高區(qū)域在曹莊鎮(zhèn)、官莊壩鎮(zhèn)等，表明在相對(duì)較高的富鋅土壤中，小麥對(duì)鋅的吸收累積低于低鋅土壤。

表2 各地區(qū)小麥及根系土鋅含量

3.3 小麥鋅含量與土壤元素和質(zhì)地的關(guān)系

研究區(qū)內(nèi)小麥根系土和小麥中的Zn元素與其他元素的相關(guān)系數(shù)見表3。由表3可知，小麥根系土鋅與氮、磷、有機(jī)質(zhì)、鉀、鐵、銅、硒、砷、鉻、鎘、鉛、有效鋅具有顯著正相關(guān)。其中鐵、銅、硒、砷、鉻、鎘、鉛具有親銅性[16]，屬于親銅元素，具有相似的地球化學(xué)行為，各元素與根系土Zn元素之間具有相似的相關(guān)性。N、P和K元素與人類施肥等活動(dòng)密切相關(guān)，且與土壤鋅有顯著的正相關(guān)性，故施肥可以提高土壤全鋅的含量。湯雯[18]等在相關(guān)文章中報(bào)道稱鋅肥用量過高，會(huì)對(duì)小麥產(chǎn)量和籽粒中鋅含量等有不利影響；王曉瑞[19]等在對(duì)長江三角洲地區(qū)小麥植株與重金屬的相關(guān)研究中表明小麥籽粒中鋅元素的含量受外部和內(nèi)部(氣候、水分、小麥品種以及鋅在小麥體中的運(yùn)輸機(jī)制)等多種因素的影響。從小麥和根系土中元素之間的相關(guān)性表明，小麥鋅含量與根系土鋅含量的相關(guān)性不顯著，說明土壤全鋅量不是控制小麥鋅水平的主要因素，可能受其他內(nèi)部和外部因素的影響，需進(jìn)行進(jìn)一步的相關(guān)分析研究。

表3 小麥和根系土中元素之間的相關(guān)系數(shù)

研究區(qū)根系土全鋅含量與有效鋅含量的關(guān)系圖見圖2，由圖2可見，土壤全鋅與土壤有效鋅之間具有正相關(guān)性，隨著土壤全鋅的增加，土壤有效鋅也隨之增加。

圖2 小麥根系土土壤中總鋅含量與鋅有效態(tài)相關(guān)關(guān)系

小麥鋅元素的富集系數(shù)是小麥鋅含量與根系土中鋅含量的比值，以此來判斷小麥對(duì)鋅元素的吸收和富集能力。富集系數(shù)與根系土鋅的相關(guān)關(guān)系圖見圖3，可知富集系數(shù)與根系土鋅具有負(fù)相關(guān)性，說明根系土土壤全鋅含量不是控制小麥對(duì)鋅元素吸收的主要因素。

圖3 小麥根系土土壤中總鋅含量與富集系數(shù)相關(guān)關(guān)系

小麥鋅元素指標(biāo)與土壤質(zhì)地之間的相關(guān)系數(shù)見表4。由表4可知，土壤砂粒與土壤鋅具有負(fù)相關(guān)、與富集系數(shù)具有正相關(guān)，土壤黏粒與土壤鋅具有正相關(guān)，與砂粒具有負(fù)相關(guān)。綜上可以看出，土壤鋅含量的高低與土壤質(zhì)地及土壤類型[20]有關(guān)，黏粒含量越高，土壤鋅含量越高，土壤鋅含量與小麥鋅的相關(guān)性不顯著，土壤鋅含量不是控制小麥鋅含量的主要因素。

表4 小麥及根系土鋅元素指標(biāo)與土壤質(zhì)地之間的相關(guān)系數(shù)

本次研究區(qū)的土壤類型主要有堿化潮土、飛沙土、兩合土、沙土、鹽化潮土、淤土。小麥及根系土鋅、有效鋅在不同土壤類型的含量關(guān)系見圖4。

圖4 小麥及根系土鋅和有效鋅在不同土壤類型的含量關(guān)系

由圖4可見，不同土壤類型中根系土鋅的含量變化較大，而小麥鋅含量和土壤有效鋅含量變化不大。淤土中小麥根系土的鋅含量較大，而淤土中小麥鋅含量并不高，故根系土中鋅的含量并不是控制小麥中鋅含量的主要因素。

4 結(jié)論

1)研究區(qū)內(nèi)土壤鋅元素含量高于碭山縣土壤背景值和皖北地區(qū)土壤背景值，低于全國平均值。

2)小麥鋅元素含量與其根系土的鋅元素含量變化趨勢(shì)有較大的差異，在相對(duì)高的富鋅土壤中，小麥對(duì)鋅的吸收累積低于低鋅土壤，土壤鋅含量并不是控制小麥鋅含量水平的主要因素，建議對(duì)影響控制小麥鋅含量的其他因素做進(jìn)一步的分析。

3)土壤中的有機(jī)質(zhì)、氮、磷等元素與小麥根系土鋅元素具有正相關(guān)關(guān)系，提高土壤中的有機(jī)質(zhì)、氮、磷等元素的含量有助于鋅元素在根系土中的聚集，但是不利于小麥對(duì)鋅元素的吸收。因此，建議在日常的施肥過程中，需要合理化施肥，并采取措施減少土壤中重金屬元素As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni和Pb的污染以及土壤對(duì)此類元素的吸收。