河北省張北地區土壤-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.河北省地質實驗測試中心,河北 保定 071051;2.河北省礦產資源與生態環境監測重點實驗室,河北 保定 071051)

莜麥,又名裸燕麥,是我國糧食作物之一,多種植于內蒙古、山西、甘肅、河北等地。莜麥營養含量十分豐富,不僅富含蛋白質和脂肪,還包含多種對人體健康有益的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作物的生長,即莜麥的正常發育與土壤中微量元素含量息息相關[5-7],Mn、Cu、Zn等微量元素是植物體內多種酶的組成成分,會參與植物體內碳水化合物和蛋白質的代謝作用及葉綠素合成及穩定,從而可以提高莜麥發芽率、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,運輸到莖葉和籽實中,增加莜麥籽實中的Se含量從而提高莜麥品質[11-13]。因此,對土壤-莜麥系統中Mn、Sr、Ni、Cu、Zn、Se等微量元素富集和遷移進行研究很有必要。

莜麥雖然是區域性農作物,但鑒于其較高營養價值等特點,前人對它進行了多方面研究[1-3,11-14],如王婧和馮利芳等學者就曾對晉北地區土壤-莜麥金屬元素富集遷移特征及內蒙古地區的莜麥礦物元素含量進行過探討[1-2]。莜麥是河北省張北縣的主要糧食作物之一,前人雖然在針對該地區土壤和莜麥做過報道,但主要針對張北及周邊地區莜麥的營養價值、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系等方面,對微量元素在土壤-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為研究對象,探討土壤和莜麥籽實中Mn、Sr、Ni、Cu、Zn、Se的含量及在土壤-莜麥中系統中的遷移能力,希望能對研究當地土壤狀況和莜麥產業發展有一定幫助。

1 研究區概況

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

圖1 研究區地理位置

區內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。研究區為溫帶大陸性季風氣候,四季分明,日照充足,年平均氣溫4 ℃,全年最高氣溫不超過24 ℃;該區年降水量為300 mm左右,主要集中在6、7、8三個月。該區農業經濟占主導地位,主要農作物種類為莜麥、馬鈴薯等。

2 材料與方法

2.1 樣品采集

根據相關標準在研究區莜麥耕地中選取合適樣點17個(編號為采樣點位1,2,3等)進行表層土壤樣品(TY-1,TY-2等)和莜麥籽實樣品(YM-1,YM-2等)采集(圖2)。土壤樣品是在土層較厚、遠離道路的莜麥耕地垂直深度20 cm進行的采集,采樣時會將土中雜物去除且上下均勻采集,最后將樣品編號并裝入干凈的布袋。莜麥是研究區主要作物,具有很高的研究價值,所以本文選擇莜麥為植物樣品,在莜麥收獲期(9月),采集健康、無病蟲害的代表性莜麥植株麥穗,編號后將樣品放入聚乙烯塑料袋中,扎緊袋口防止水分蒸發。

注:1號為TY-1、YM-1樣品采集位置,按數字順序依次類推,下同。

2.2 樣品加工和測試

本次測試分析工作承擔單位為河北省地質實驗測試中心和國家地質實驗測試中心。在室內對土壤和莜麥樣品分別進行風干、磨細、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譜法測定,Se含量利用微波消解-原子熒光法測量;土壤pH值使用pH計測定。

2.3 計算方法

在探討Mn、Sr、Ni、Cu、Zn、Se在土壤-莜麥中遷移能力時擬利用富集系數計算[21-22]。

富集系數(BCF)=CYM/CTY

式中:CYM:莜麥籽實中某元素含量實測值;CTY:土壤中某元素含量實測值。

富集系數可以判斷植物將元素吸收轉移到體內并在體內富集的能力大小,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芽率、高度和光合作用效率[8-13]。此外,研究區Cu、Zn、Ni元素含量遠低于《土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準(試行)》中pH值>7.5堿性土壤農用地土壤污染風險篩選值,在區內并未產生重金屬元素污染[23]。

根據表1和《土地質量地球化學評價規范》(DZ/T 0295—2016)[24]可得,研究區土壤pH值為7.45～9.28,大多在8.5附近,屬于堿性-強堿性土。Mn含量為270.30～472.75 mg/kg,平均含量為354.45 mg/kg,養分等級處于缺乏-稍缺乏等級;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,養分等級為多為缺乏等級;Cu含量為7.31～31.64 mg/kg,平均含量為12.17 mg/kg,養分等級為多為缺乏等級;Zn含量為22.75～79.20 mg/kg,平均含量為36.68 mg/kg,養分等級多為缺乏等級;Se含量為0.08～0.21 mg/kg,平均含量為0.13 mg/kg,養分等級多為缺乏-適量等級。

表1 研究區土壤中微量元素含量 單位:mg/kg

綜上,研究區莜麥耕地表層土壤微量元素含量較低,養分等級多處于缺乏-較缺乏等級,建議進行農業生產時適當添加微量元素肥料的使用。

3.2 莜麥中微量元素含量

莜麥是研究區主要糧食作物之一,富含蛋白質、脂肪、微量元素等營養物質,對人體健康十分有利[1,16]。研究區莜麥籽實Mn、Sr、Ni、Cu、Zn、Se含量測定結果見表2。

表2 研究區莜麥中微量元素含量 單位:mg/kg

由表2可得研究區莜麥籽實中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《中國食物成分表2004第2冊》[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,除研究區外莜麥在山西和內蒙古等地也有種植,筆者通過收集前人報道,獲得晉北和內蒙古自治區涼城縣等四縣莜麥籽實中微量元素含量[1-2]。對比發現研究區莜麥Mn含量較高,分別是晉北和內蒙古地區的1.3倍和1.7倍;Cu和Se的含量略高于晉北和內蒙古;Zn含量高于內蒙古地區而低于晉北地區。由此可見,研究區莜麥微量元素含量較高,品質較為優秀。

綜上,研究區莜麥中Mn、Cu、Zn、Se等微量元素含量較高,特別是Mn含量遠高于其他地區生產的莜麥;而Cu與Zn含量則略低,但對比其他谷類食物仍然有很大優勢[1,25]。

3.3 研究區土壤-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。本文擬采用富集系數(BCF)來判斷莜麥籽實將Mn、Sr、Ni、Cu、Zn、Se吸收轉移到體內并在體內累積的能力[26-27]。研究區土壤-莜麥微量元素富集系數見表3。

表3 研究區土壤-莜麥微量元素富集系數

根據表3可得,研究區Mn、Sr、Ni、Cu、Zn、Se在土壤-莜麥的富集系數均值分別為0.131,0.015,0.141,0.307,0.553,0.371,遷移能力為Zn>Se>Cu>Ni>Mn>Sr。前人報道晉北地區元素在土壤-莜麥籽實系統的遷移能力也是Mn>Cu>Zn,但張北縣的富集系數值卻遠高于晉北地區,更能對Mn、Cu、Zn進行富集[2]。此外,Zn在7號采樣位富集系數很高,猜測可能是人為因素導致。

4 結論

研究區微量元素在土壤-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,養分等級多處于缺乏-稍缺乏等級,建議農業生產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含量遠高于其他地區生產的莜麥,而Cu與Zn含量則略低,但對比其他谷類食物仍然有很大優勢。