山東沂南富硒土壤微量元素含量與水果品質(zhì)關(guān)系

＊康鵬宇 劉傳朋,2,3* 王偉德 肖丙建 馮愛(ài)平 姚永林 趙玉巖

（1.山東省第七地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院 山東 276006 2.山東省金剛石成礦機(jī)理與探測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 山東 276006 3.山東省金剛石成礦機(jī)理與探測(cè)院士工作站 山東 276006 4.吉林大學(xué)地球探測(cè)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 吉林 130026）

從生物學(xué)角度講，必需微量元素是指占生物體總質(zhì)量0.01%以下，且生物體所必需的一些元素。這些元素在土壤中缺少或不能被植物利用時(shí)，植物生長(zhǎng)不良。從環(huán)境角度講，土壤中的Hg、Cd、Pb、Cr、As、Cu、Zn、Ni八種重金屬是土壤中較為常見(jiàn)的元素，又對(duì)生物具有明顯的毒性效應(yīng)。其中Cu、Zn既是生命必須的營(yíng)養(yǎng)元素，又是重金屬元素，適量對(duì)生物體有益，過(guò)量則有害[1]。近年來(lái)，土壤中微量元素元素和農(nóng)作物中微量元素的研究越來(lái)越受重視。MALIK等[2]對(duì)伊斯蘭堡的土壤和野生植物中的重金屬富集進(jìn)行了研究。潘峰等[3]研究了土壤以及小麥、蘋(píng)果、油菜中Cu、Ni、Cd、Pb、Cr、Zn六種微量金屬元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)及其在植物體內(nèi)的轉(zhuǎn)移、富集能力。本研究選擇土壤富硒明顯的沂南地區(qū)雙堠鎮(zhèn)作為典型研究區(qū)，對(duì)土壤和主要經(jīng)濟(jì)作物櫻桃和西瓜進(jìn)行系統(tǒng)采樣分析測(cè)試。利用多元數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)手段，研究了土壤—植物系統(tǒng)元素富集關(guān)系，計(jì)算了土壤—水果中元素的富集系數(shù)，元素含量與其植物果實(shí)品質(zhì)的相關(guān)關(guān)系，查明了對(duì)水果品質(zhì)起控制作用的微量元素。

1.材料與方法

樣品采集于山東省沂南縣（118°14′E，35°28′N(xiāo)）。區(qū)域土壤類(lèi)型以棕壤、褐土、潮土為主，其成土母質(zhì)主要是殘坡積物、洪沖積物和沖積物。研究區(qū)內(nèi)主要種植的經(jīng)濟(jì)作物為小麥、玉米、西瓜、櫻桃、黃煙等，是山東省重要的糧、煙、瓜、果等生產(chǎn)基地之一。

選擇西瓜和櫻桃作為典型植物，采樣與加工方法如下：

土壤樣品：采集0～20cm的表層土壤，去除地表雜物，且5點(diǎn)組合取樣。樣品中除去動(dòng)植物殘留體、礫石、肥料團(tuán)塊及植物根系等。對(duì)于土壤類(lèi)型單一、作物種類(lèi)單一的區(qū)域，野外分點(diǎn)間距控制在30～50m；對(duì)于丘陵、梯田、山谷地區(qū)，作物種類(lèi)復(fù)雜、土壤類(lèi)型復(fù)雜的區(qū)域，分點(diǎn)間距控制在30m左右，3點(diǎn)組合采樣。土壤樣品風(fēng)干后，使用碎樣機(jī)磨碎，過(guò)200目篩后，密封在干燥樣品袋中保存?zhèn)溆谩?/p>

植物樣品：采集西瓜和櫻桃的全植株。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，將植株分為根部、莖部和果實(shí)三部分，分別用水洗凈后，分別處理。根部和莖部用烘箱烘干后，用植物碎樣機(jī)粉碎，過(guò)200目篩后，密封在干燥樣品袋中保存?zhèn)溆?。果?shí)品質(zhì)相關(guān)指標(biāo)在保鮮的情況下測(cè)試，果實(shí)元素測(cè)試樣品的處理方法與根部莖部相同。

分析測(cè)試送吉林大學(xué)測(cè)試中心完成。土壤、果實(shí)中元素含量用ICP-MS測(cè)定。果實(shí)中總糖用紫外分光光度計(jì)測(cè)定。果實(shí)中總酸用滴定法測(cè)定。果實(shí)中可溶性固溶物數(shù)用顯糖度計(jì)測(cè)定。所有試驗(yàn)均設(shè)有3個(gè)空白，空白方法同上。

2.結(jié)果與討論

(1)土壤、植物中元素含量特征

分析了149件西瓜、櫻桃根系土樣品中的微量元素和重金屬元素含量（圖1、圖2）。西瓜、櫻桃根系土中微量元素的含量從高到低順序?yàn)椋篢i＞Mn＞F＞Sr＞V＞B＞Mo＞Ge＞Se，其土壤地球化學(xué)特征相似。該研究區(qū)域微量元素Ti的含量最高。西瓜根系土中Se含量較高，超過(guò)了山東省背景值。通過(guò)對(duì)比西瓜和櫻桃根系土中的重金屬含量，發(fā)現(xiàn)除As外，西瓜根系土中的重金屬含量普遍高于櫻桃根系土中的含量。西瓜和櫻桃兩種水果種植土壤中的重金屬Cr含量均較高，且遠(yuǎn)高于其他重金屬元素含量，值得重點(diǎn)關(guān)注。兩種水果根系土中的重金屬Cu、Zn、Ni、Cr和Cd的含量均超過(guò)了山東省土壤背景值，而元素Pb和As的含量均低于山東省背景值。

圖1 土壤中微量元素含量

圖2 土壤中重金屬元素含量

分別分析了30件西瓜和櫻桃果實(shí)樣品中多種元素含量（圖3、圖4）。西瓜中微量元素Mn、Ge、V和K的含量較高。櫻桃中微量元素Mn、V、K、Ca和Mg的含量較高。西瓜和櫻桃中都富集微量元素Mn、V和K。對(duì)比兩種水果中元素含量發(fā)現(xiàn)，西瓜和櫻桃中同一種微量元素的含量具有區(qū)別。特別是兩種水果中元素Mn、V、K和Ca的含量差別較大，這表現(xiàn)出不同水果對(duì)元素的吸收富集能力不同。西瓜、櫻桃中7種重金屬的含量高低順序一致，均是Cr＞Cu＞Zn＞Ni＞Co＞Pb＞Cd。并且Cr、Cu和Zn元素的含量都偏高，這應(yīng)與根系土中這三種元素的含量較高有關(guān)。西瓜和櫻桃中重金屬Cr、Zn、Cu、Ni和Pb的含量均是依次減少。西瓜中Cd的含量高于As的含量，櫻桃中As、Cd含量與西瓜是相反的。

圖3 水果中微量元素含量

圖4 水果中重金屬元素含量

西瓜和櫻桃果實(shí)樣品的Se元素平均含量分別為0.007μg/g和0.009μg/g。參考《四川省富硒農(nóng)產(chǎn)品含量要求》等標(biāo)準(zhǔn)，西瓜和櫻桃樣品均滿(mǎn)足富硒農(nóng)產(chǎn)品要求。與綠色食品西甜瓜（NY/T 427-2016）相比，雙堠西瓜和櫻桃各元素含量均不高于其標(biāo)準(zhǔn)的上限值，屬于綠色食品。對(duì)比相同微量元素在不同水果中的含量，發(fā)現(xiàn)西瓜中元素Mo、Se、Ge、B和V元素的含量高于櫻桃中。其余西瓜中的微量元素含量小于櫻桃中的含量。

(2)水果品質(zhì)特征

分別分析了30件西瓜和櫻桃樣品的可溶性固形物含量。西瓜和櫻桃樣品的平均可溶性固形物分別為9.06%和14.15%，說(shuō)明這兩種水果的成熟情況較好。西瓜和櫻桃的總糖含量均較高，總酸含量很低，說(shuō)明水果口感偏甜。兩種水果的N含量較高，P含量較低，這可能與施用的化肥有關(guān)。

(3)西瓜和櫻桃的元素生物富集能力

生物富集系數(shù)越高，表明植物體內(nèi)對(duì)該元素的富集程度越高，同時(shí)也說(shuō)明植物對(duì)該種元素從土壤向體內(nèi)的遷移能力越強(qiáng)[4-5]。研究表明，西瓜對(duì)元素Cd、Mo、Se、Ge和Mg的生物富集系數(shù)，以及櫻桃對(duì)元素Cu、Cd、Mo、Se、Ge和Mg的生物富集系數(shù)都大于1，表明西瓜和櫻桃易富集這幾種元素。從生物富集系數(shù)的大小分析，西瓜對(duì)Se、Ge和Mg元素的富集系數(shù)都較大，櫻桃對(duì)Ge元素的富集系數(shù)較大。說(shuō)明西瓜和櫻桃對(duì)Se、Ge和Mg三種元素的遷移能力較強(qiáng)，從而導(dǎo)致他們?cè)谒麑?shí)中的富集能力較強(qiáng)。

(4)果實(shí)品質(zhì)與微量元素含量的關(guān)系

分析西瓜、櫻桃中可溶性固形物、總糖、總酸、N、P共5項(xiàng)營(yíng)養(yǎng)成分指標(biāo)與Ca、Na、Mg、Mo、Se、Ge、V、Mn等微量元素指標(biāo)的相關(guān)性（表1）。西瓜營(yíng)養(yǎng)成分與某些微量元素含量呈較弱或者中等的相關(guān)性。可溶性固形物與Mg、Se和Ge元素呈正相關(guān)關(guān)系，與其他元素呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；總糖與Na、Mg、Se、Ge和Mn元素呈正相關(guān)關(guān)系；總酸與Ca、Na、Mg、Mo和V元素含量呈正相關(guān)關(guān)系；N含量Ca、Na、Mo、V、Mn呈正相關(guān)關(guān)系；P含量與Ca、Na、Mg、Mo、Ge呈正相關(guān)關(guān)系?？梢钥闯霾煌⒘吭貙?duì)西瓜不同營(yíng)養(yǎng)成分有一定相關(guān)性。Mg、Se、Ge元素可能會(huì)促進(jìn)西瓜可溶性固形物和總糖的吸收。而Se、Ge元素則可能會(huì)抑制西瓜的酸和N含量。推測(cè)，如果提高櫻桃對(duì)元素Na、Mo、Se的吸收，則可能提高櫻桃的可溶性固形物和總糖，降低總酸，這是一種提高櫻桃品質(zhì)的方法。元素Na、Mg、Mo、Ge元素或許可以促進(jìn)櫻桃對(duì)N和P的吸收?？梢钥紤]利用這種相關(guān)性提高水果品質(zhì)。如為了使西瓜中的可溶性固形物和總糖含量增加，總酸含量減少，可以適當(dāng)?shù)奶砑覵e和Ge元素；為了使櫻桃中的可溶性固形物和總糖含量增加，總酸含量減少，可以適當(dāng)?shù)奶砑覰a、Mo、Se元素。

表1 西瓜和櫻桃品質(zhì)與微量元素的相關(guān)性

(5)西瓜和櫻桃品質(zhì)與重金屬元素含量關(guān)系

分析了重金屬Zn、Pb、Cd的含量與西瓜的可溶性固形物含量之間具有弱的相關(guān)關(guān)系。元素Co和Cd與西瓜中的總糖也是弱正相關(guān)的。重金屬Cu、Cr、Zn、Ni、Co、Pb、Cd的含量與櫻桃的總酸、N和P弱負(fù)相關(guān)，即這7種重金屬中的大多數(shù)重金屬的含量或許會(huì)抑制櫻桃總酸、N和P的含量。

3.結(jié)論

（1）研究區(qū)西瓜果實(shí)樣品中Se、Ge元素富集系數(shù)平均值分別為35.51%、185.9%，櫻桃果實(shí)樣品中Se、Ge元素富集系數(shù)平均值分別為11.15%、81.8%，說(shuō)明兩類(lèi)果實(shí)對(duì)Se、Ge元素的生物富集效應(yīng)明顯。且果實(shí)樣品中Se、Ge元素含量均滿(mǎn)足富硒農(nóng)產(chǎn)品和綠色食品要求。

（2）研究區(qū)西瓜、櫻桃果實(shí)品質(zhì)與特定微量元素含量具有弱或中等的相關(guān)性?；蛟S可以考慮利用這種相關(guān)性，通過(guò)增施特殊元素以提高水果品質(zhì)。但是，其有效性需要通過(guò)進(jìn)一步的種植試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證。