河北省張北地區(qū)土壤-莜麥中微量元素富集與遷移特征研究

車健,王雪飛,2,余明,2,馬程,張碩,2,邊朋沙,2,魯倩*

(1.河北省地質(zhì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試中心,河北 保定 071051;2.河北省礦產(chǎn)資源與生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河北 保定 071051)

莜麥,又名裸燕麥,是我國糧食作物之一,多種植于內(nèi)蒙古、山西、甘肅、河北等地。莜麥營養(yǎng)含量十分豐富,不僅富含蛋白質(zhì)和脂肪,還包含多種對(duì)人體健康有益的Mn、Cu、Zn等微量元素[1-4]。研究證明,莜麥等植物中的微量元素絕大部分來自土壤,耕地中元素的豐缺直接影響著農(nóng)作物的生長,即莜麥的正常發(fā)育與土壤中微量元素含量息息相關(guān)[5-7],Mn、Cu、Zn等微量元素是植物體內(nèi)多種酶的組成成分,會(huì)參與植物體內(nèi)碳水化合物和蛋白質(zhì)的代謝作用及葉綠素合成及穩(wěn)定,從而可以提高莜麥發(fā)芽率、植株高度和光合作用效率[8-11];而Se則很容易被莜麥吸收和同化,運(yùn)輸?shù)角o葉和籽實(shí)中,增加莜麥籽實(shí)中的Se含量從而提高莜麥品質(zhì)[11-13]。因此,對(duì)土壤-莜麥系統(tǒng)中Mn、Sr、Ni、Cu、Zn、Se等微量元素富集和遷移進(jìn)行研究很有必要。

莜麥雖然是區(qū)域性農(nóng)作物,但鑒于其較高營養(yǎng)價(jià)值等特點(diǎn),前人對(duì)它進(jìn)行了多方面研究[1-3,11-14],如王婧和馮利芳等學(xué)者就曾對(duì)晉北地區(qū)土壤-莜麥金屬元素富集遷移特征及內(nèi)蒙古地區(qū)的莜麥礦物元素含量進(jìn)行過探討[1-2]。莜麥?zhǔn)呛颖笔埍笨h的主要糧食作物之一,前人雖然在針對(duì)該地區(qū)土壤和莜麥做過報(bào)道,但主要針對(duì)張北及周邊地區(qū)莜麥的營養(yǎng)價(jià)值、高效率加工與制作方式、土壤類型和種植方法與莜麥生長關(guān)系等方面,對(duì)微量元素在土壤-莜麥中富集遷移研究較少[15-20]。因此,本文選擇張北縣莜麥耕地表層土壤和莜麥籽實(shí)為研究對(duì)象,探討土壤和莜麥籽實(shí)中Mn、Sr、Ni、Cu、Zn、Se的含量及在土壤-莜麥中系統(tǒng)中的遷移能力,希望能對(duì)研究當(dāng)?shù)赝寥罓顩r和莜麥產(chǎn)業(yè)發(fā)展有一定幫助。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)地處河北省西北部,內(nèi)蒙古高原南緣的壩上地區(qū),隸屬于張家口市,地處北緯41°16′14.42"～41°29′29.92″,東經(jīng)114°42′0.97″～115°4′50.35″(圖1)。

圖1 研究區(qū)地理位置

區(qū)內(nèi)大面積覆蓋第四系和第三系,基巖出露面積較小,出露地層主要是白堊系張家口組,出露巖性為花崗閃長巖和二長花崗巖等;土壤類型多為栗鈣土,其中尤以典型栗鈣土為主要土壤類型。研究區(qū)為溫帶大陸性季風(fēng)氣候,四季分明,日照充足,年平均氣溫4 ℃,全年最高氣溫不超過24 ℃;該區(qū)年降水量為300 mm左右,主要集中在6、7、8三個(gè)月。該區(qū)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)占主導(dǎo)地位,主要農(nóng)作物種類為莜麥、馬鈴薯等。

2 材料與方法

2.1 樣品采集

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)在研究區(qū)莜麥耕地中選取合適樣點(diǎn)17個(gè)(編號(hào)為采樣點(diǎn)位1,2,3等)進(jìn)行表層土壤樣品(TY-1,TY-2等)和莜麥籽實(shí)樣品(YM-1,YM-2等)采集(圖2)。土壤樣品是在土層較厚、遠(yuǎn)離道路的莜麥耕地垂直深度20 cm進(jìn)行的采集,采樣時(shí)會(huì)將土中雜物去除且上下均勻采集,最后將樣品編號(hào)并裝入干凈的布袋。莜麥?zhǔn)茄芯繀^(qū)主要作物,具有很高的研究?jī)r(jià)值,所以本文選擇莜麥為植物樣品,在莜麥?zhǔn)斋@期(9月),采集健康、無病蟲害的代表性莜麥植株麥穗,編號(hào)后將樣品放入聚乙烯塑料袋中,扎緊袋口防止水分蒸發(fā)。

注:1號(hào)為TY-1、YM-1樣品采集位置,按數(shù)字順序依次類推,下同。

2.2 樣品加工和測(cè)試

本次測(cè)試分析工作承擔(dān)單位為河北省地質(zhì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試中心和國家地質(zhì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試中心。在室內(nèi)對(duì)土壤和莜麥樣品分別進(jìn)行風(fēng)干、磨細(xì)、過篩、混勻和脫粒、清洗、干燥、粉碎、研磨、過篩、混合操作后備用。土壤和莜麥樣品中Cu、Zn、Mn、Ni、Sr的含量采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法測(cè)定,Se含量利用微波消解-原子熒光法測(cè)量;土壤pH值使用pH計(jì)測(cè)定。

2.3 計(jì)算方法

在探討Mn、Sr、Ni、Cu、Zn、Se在土壤-莜麥中遷移能力時(shí)擬利用富集系數(shù)計(jì)算[21-22]。

富集系數(shù)(BCF)=CYM/CTY

式中:CYM:莜麥籽實(shí)中某元素含量實(shí)測(cè)值;CTY:土壤中某元素含量實(shí)測(cè)值。

富集系數(shù)可以判斷植物將元素吸收轉(zhuǎn)移到體內(nèi)并在體內(nèi)富集的能力大小,反映了元素在土壤-植物體系中遷移的難易程度[13]。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤中微量元素含量

選擇植物樣品為莜麥,在其生長過程中Mn、Sr、Ni、Cu、Zn、Se等微量元素可以提高莜麥的發(fā)芽率、高度和光合作用效率[8-13]。此外,研究區(qū)Cu、Zn、Ni元素含量遠(yuǎn)低于《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》中pH值>7.5堿性土壤農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值,在區(qū)內(nèi)并未產(chǎn)生重金屬元素污染[23]。

根據(jù)表1和《土地質(zhì)量地球化學(xué)評(píng)價(jià)規(guī)范》(DZ/T 0295—2016)[24]可得,研究區(qū)土壤pH值為7.45～9.28,大多在8.5附近,屬于堿性-強(qiáng)堿性土。Mn含量為270.30～472.75 mg/kg,平均含量為354.45 mg/kg,養(yǎng)分等級(jí)處于缺乏-稍缺乏等級(jí);Sr含量為184.50～374.40 mg/kg,平均含量為249.67 mg/kg;Ni含量為8.88～30.23 mg/kg,平均含量為14.12 mg/kg,養(yǎng)分等級(jí)為多為缺乏等級(jí);Cu含量為7.31～31.64 mg/kg,平均含量為12.17 mg/kg,養(yǎng)分等級(jí)為多為缺乏等級(jí);Zn含量為22.75～79.20 mg/kg,平均含量為36.68 mg/kg,養(yǎng)分等級(jí)多為缺乏等級(jí);Se含量為0.08～0.21 mg/kg,平均含量為0.13 mg/kg,養(yǎng)分等級(jí)多為缺乏-適量等級(jí)。

表1 研究區(qū)土壤中微量元素含量 單位:mg/kg

綜上,研究區(qū)莜麥耕地表層土壤微量元素含量較低,養(yǎng)分等級(jí)多處于缺乏-較缺乏等級(jí),建議進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)時(shí)適當(dāng)添加微量元素肥料的使用。

3.2 莜麥中微量元素含量

莜麥?zhǔn)茄芯繀^(qū)主要糧食作物之一,富含蛋白質(zhì)、脂肪、微量元素等營養(yǎng)物質(zhì),對(duì)人體健康十分有利[1,16]。研究區(qū)莜麥籽實(shí)Mn、Sr、Ni、Cu、Zn、Se含量測(cè)定結(jié)果見表2。

表2 研究區(qū)莜麥中微量元素含量 單位:mg/kg

由表2可得研究區(qū)莜麥籽實(shí)中Mn含量為33.70～58.70 mg/kg,平均含量為45.65 mg/kg;Sr含量為2.00～7.50 mg/kg,平均含量為3.69 mg/kg;Ni含量為0.92～6.80 mg/kg,平均含量為1.81 mg/kg;Cu含量為2.23～4.97 mg/kg,平均含量為3.38 mg/kg;Zn含量為11.85～23.10 mg/kg,平均含量為18.97 mg/kg;Se含量為0.03～0.09 mg/kg,平均含量為0.05 mg/kg。

根據(jù)《中國食物成分表2004第2冊(cè)》[25]提供的蕎麥面中Mn、Cu、Zn、Se含量分別為17.10 mg/kg,4.10 mg/kg,21.80 mg/kg,29.00 μg/kg,研究區(qū)莜麥中Cu、Zn平均含量與中國食物成分表中基本持平,Mn和Se含量則較高,為中國食物成分表的2.7倍和1.8倍。同時(shí),除研究區(qū)外莜麥在山西和內(nèi)蒙古等地也有種植,筆者通過收集前人報(bào)道,獲得晉北和內(nèi)蒙古自治區(qū)涼城縣等四縣莜麥籽實(shí)中微量元素含量[1-2]。對(duì)比發(fā)現(xiàn)研究區(qū)莜麥Mn含量較高,分別是晉北和內(nèi)蒙古地區(qū)的1.3倍和1.7倍;Cu和Se的含量略高于晉北和內(nèi)蒙古;Zn含量高于內(nèi)蒙古地區(qū)而低于晉北地區(qū)。由此可見,研究區(qū)莜麥微量元素含量較高,品質(zhì)較為優(yōu)秀。

綜上,研究區(qū)莜麥中Mn、Cu、Zn、Se等微量元素含量較高,特別是Mn含量遠(yuǎn)高于其他地區(qū)生產(chǎn)的莜麥;而Cu與Zn含量則略低,但對(duì)比其他谷類食物仍然有很大優(yōu)勢(shì)[1,25]。

3.3 研究區(qū)土壤-莜麥中微量元素遷移特征

莜麥生長過程中所需Mn、Sr、Ni、Cu、Zn、Se等元素多來自土壤,元素從土壤中遷移到莜麥中能力大小直接影響著莜麥的生長和品質(zhì)。本文擬采用富集系數(shù)(BCF)來判斷莜麥籽實(shí)將Mn、Sr、Ni、Cu、Zn、Se吸收轉(zhuǎn)移到體內(nèi)并在體內(nèi)累積的能力[26-27]。研究區(qū)土壤-莜麥微量元素富集系數(shù)見表3。

表3 研究區(qū)土壤-莜麥微量元素富集系數(shù)

根據(jù)表3可得,研究區(qū)Mn、Sr、Ni、Cu、Zn、Se在土壤-莜麥的富集系數(shù)均值分別為0.131,0.015,0.141,0.307,0.553,0.371,遷移能力為Zn>Se>Cu>Ni>Mn>Sr。前人報(bào)道晉北地區(qū)元素在土壤-莜麥籽實(shí)系統(tǒng)的遷移能力也是Mn>Cu>Zn,但張北縣的富集系數(shù)值卻遠(yuǎn)高于晉北地區(qū),更能對(duì)Mn、Cu、Zn進(jìn)行富集[2]。此外,Zn在7號(hào)采樣位富集系數(shù)很高,猜測(cè)可能是人為因素導(dǎo)致。

4 結(jié)論

研究區(qū)微量元素在土壤-莜麥的遷移能力為Zn>Se>Cu>Ni>Mn>Sr;其中,莜麥耕地表層土壤Mn、Sr、Ni、Cu、Zn、Se含量較低,養(yǎng)分等級(jí)多處于缺乏-稍缺乏等級(jí),建議農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中增加微量元素肥料的使用;莜麥中Mn、Cu、Zn、Se等微量元素含量較高,特別是Mn含量遠(yuǎn)高于其他地區(qū)生產(chǎn)的莜麥,而Cu與Zn含量則略低,但對(duì)比其他谷類食物仍然有很大優(yōu)勢(shì)。