呼伦贝尔草原土壤和植物矿物元素分布特征

罗建川，张 浩，王宗礼,3，张英俊

(1.中国农业科学院草原研究所，内蒙古 呼和浩特 010010； 2.甘肃农业大学草业学院，甘肃 兰州 730070；3.中国动物卫生与流行病学中心，山东 青岛 266032； 4.中国农业大学动物科技学院，北京 100094)

Wang Zong-liE-mail:wangzongli@sina.com

草地是陆地生态系统的重要组成部分，占陆地总面积的20%左右，是世界上分布最广的植被类型之一[1]。草地生态系统为人类提供了多种生态服务功能，是畜牧业生产的重要基地。呼伦贝尔草原位于蒙古高原东部，草地资源丰富，现拥有天然草地8万km2，是我国重要的草地畜牧业生产区域[2]。呼伦贝尔广大牧区的草食家畜以粗放饲养为主，家畜所需的矿物元素几乎全部来源于天然草地。矿物元素在家畜的机能维持、免疫功能等方面发挥着重要的作用，矿物元素摄入不足或过多，都会影响家畜的潜在生产力和产品质量[3]。因此，研究呼伦贝尔草原上土壤和植物中矿物元素含量，对保障家畜健康和草地畜牧业可持续发展具有重要意义。

土壤中矿物营养元素的分布主要是受土壤类型限制，不同元素受影响的因素和程度存在差异[4]，而地区、海拔和植物种类等不仅影响植物生长，还会改变植物体内矿物元素的含量[5-6]。在放牧草地上，土壤和植物中矿物元素的含量最终会在家畜体内有所体现[7]。放牧和割草是草地利用的主要方式，不同的利用方式影响着草地植物多样性、物种组成及地上生物量等[8]，从而对草地植物中的元素含量产生一定影响[9-10]。草地利用强度不同，还会引起土壤中的元素含量发生变化[11]。草原不同地区，由于地质、地形、土壤环境和气候条件等差异，牧草和土壤中矿物元素的含量存在明显差异，进而会影响到家畜摄入元素的差异[12]。加强对限制性营养元素的研究[13]，基于各地矿物元素分布的特点及差异，补饲矿物元素添加剂是保障畜牧业可持续发展的重要措施之一。目前国内外对呼伦贝尔草地畜牧业的研究多侧重于牧草营养物质含量[14]，而对草原矿物营养元素的研究却很少。为了使家畜的矿物元素摄入趋近其需要，必须了解当地土壤和植物中矿物元素的含量与特点。本研究对呼伦贝尔草原不同地区放牧地和割草地进行调查取样，分析了土壤和植物中矿物元素含量及分布特征，并探讨了改善家畜矿物元素摄入的措施，以期能为因地制宜、科学利用草地和指导家畜生产等提供科学依据。

1　材料与方法

1.1　研究区概况

本研究以呼伦贝尔草原为研究区域(图1)，地理位置为115°31′-120°38′ E，47°30′-50°15′ N，平均海拔500～900 m，该区域牧民主要从事以牛、羊养殖为主体的草原畜牧业生产[15]。

研究区地处温带北部区域，属温带大陆性季风气候。降水量分布不均匀且年际降水量变化较大，年降水量为240～380 mm，冬春季降水占全年降水的25%～30%，夏秋季降水占全年降水的70%～75%。年均气温较低，在地理上的分布呈现自西南向东北逐渐降低的趋势，年均温-3～0 ℃。冬季低温且持续时间较长，春季多风而干燥，夏季温暖凉爽但持续时间较短，秋季霜冻雪早。无霜期为115～124 d。土壤类型主要有黑钙土、粟钙土、草甸土、沼泽土和风沙土。研究区东部为温性草甸草原，主要植被有贝加尔针茅(Stipabaicalensis)、羊草(Leymuschinensis)、糙隐子草(Cleistogenessquarrosa)、线叶菊(Filifoliumsibiricum)和日荫菅(Carexpediformis)等；研究区西部是典型草原地带，植被以大面积的根茎禾草和丛生禾草为主，建群种或优势种多为羊草、大针茅(Stipagrandis)和克氏针茅(Stipakrylovii)。此外，在研究区内还有3条沙带和零星沙丘堆积，发育有沙地植被[16-17]。

图1　研究区地理位置及采样点分布Fig. 1　Geographic location of research scope and sampling sites

1.2　研究方法

1.2.1样品采集本研究中土壤和植物样品于2016年7月20日-8月4日(植物生长旺盛时期)分别采集自呼伦贝尔市鄂温克旗、陈巴尔虎旗、新巴尔虎右旗、新巴尔虎左旗、满洲里市和海拉尔区6个地区(图1)。为保证样品的典型性和代表性，采样过程中兼顾了交通便利和尽量保证样点均匀分布，在大尺度下对草原土壤和植物样品进行采集，每个采样点均用 GPS进行精确定位。土壤与植物配对采样，共对80个样点的土壤、植物进行了采集，样点中有35个放牧场(多年放牧)和45个割草地(多年割草，当年尚未割草)。在每个采样点周边地区50 m范围内随机选取4个样方，每个样方0.5 m×0.5 m，将每个样方中的所有植物齐地刈割后混合。在采过牧草的样方内，按对角线法采集地下0-20 cm处的均匀土壤，混合后用四分法缩减到约500 g。此外，在不同地区的割草地中，对草地中常见植物物种进行了采样，共采集到20种植物样品112份。

1.2.2样品分析土壤样品经室内自然干燥，植物样品经65 ℃烘箱烘干后，均研磨过孔径150 μm尼龙筛备用。土壤和植物样品分别湿法消解后，用ICP-AES(电感耦合等离子体原子发射光谱仪)进行元素测定。根据植物或动物的必需矿物元素种类[18-19]，共测得磷(P)、钾(K)、镁(Mg)、铁(Fe)、钠(Na)、钙(Ca)、硼(B)、钒(V)、钴(Co)、锰(Mn)、铜(Cu)、镍(Ni)、锡(Sn)、锌(Zn)和铬(Cr)15种元素的含量，其中土壤中的Sn低于检测限，未检出。每个土壤样品和植物样品各重复测定两次。所有元素的标准溶液(1 000 μg·mL-1)均购自于国家标准物质研究中心，使用时逐级稀释。

1.2.3数据处理研究数据采用Microsoft Excel 2013软件进行整理，样品测定结果用平均值±标准误表示。用SPSS 20.0软件进行数据间差异显著性分析(Duncan法)及植物和土壤中元素相关分析(Pearson)。

2　结果与分析

2.1　呼伦贝尔草原土壤和植物中矿物元素含量及特征

呼伦贝尔草原土壤中P、K、Mg、Fe、Na、Ca、B、V、Co、Mn、Cu、Ni、Zn和Cr元素在土壤中的平均含量分别为0.39、10.26、4.44、17.22、14.20、11.76、22.61、44.88、11.14、489.00、13.03、17.13、47.25和42.37 mg·kg-1(表1)。同世界土壤中值及我国土壤背景值[20]相比，呼伦贝尔草原土壤样品中Na的平均含量偏高，Zn含量介于两者之间，而P、K、Mg、Fe等其余元素含量偏低。土壤中元素含量由多到少分别是Fe、Na、Ca、K、Mg、Mn、P、Zn、V、Cr、B、Ni、Cu、Co和Sn。

变异系数(CV)能反映出土壤和植物样品中元素含量的差异程度，根据变异系数大小，可将元素变异性进行粗略分级(CV<10%为弱变异性；CV=10%～100%为中等变异性；CV>100%为强变异性)[21]。土壤中只有Ca的变异系数>50%，而其他元素的变异系数均介于10%～50%，说明呼伦贝尔草原土壤中矿物元素均存在中等程度的变异，其中Ca的变异性最强，K的变异性最弱。

表1　呼伦贝尔草原土壤中元素分析统计结果Table 1　Statistics results of elements in soil samples on Hulunbuir grassland

P、K、Mg、Na、Ca、Fe、B、V、Co、Mn、Cu、Ni、Sn、Zn和Cr 元素在植物中的平均含量分别为1.58、4.87、1.78、0.18、6.48、640.08、19.67、2.31、0.53、50.38、7.03、13.57、66.94、18.34、46.19 mg·kg-1(表2)。植物中元素含量由多到少分别为Ca、K、Mg、P、Fe、Na、Sn、Mn、Cr、B、Zn、Ni、Cu、V和Co。植物中矿物元素的变异系数较大，其中Na的变异系数最大，为72.79%，P、Fe的变异系数>50%，而其他元素的变异系数均介于10%～50%。由此可见，呼伦贝尔草原植物中矿物元素也均存在中等程度的变异，其中Na的变异性最强，而Ni的变异性最弱。

为保证家畜的正常生长发育与繁殖，充分发挥家畜生产性能，相关标准对奶牛、肉牛和肉羊饲养[22-24]的日粮中几种主要矿物元素(Ca、Mg、P、K、Na、Co、Cu、Fe、Mn、Zn等)的需要量作了要求。以草地植被可提供的营养元素来初步评估呼伦贝尔草原家畜可摄入的矿物元素状况，通过对比(表2)，呼伦贝尔草原植物中Co的平均含量充足，能满足家畜的需要；Mg、P、K、Mn和Cu的平均含量只能满足或部分满足家畜基本生长发育的需要，当家畜处于特定生产时期或快速生长时，需要适当补充；Na和Zn的平均含量无法满足家畜的需要，需要人为补充；而植物中Fe的平均含量较高，对家畜可能是过量的。

2.2　不同利用方式对草地土壤和植物中元素含量的影响

放牧和割草是草地管理及利用的主要途径，根据呼伦贝尔草原的利用方式可将采样点分为割草地和放牧场两类。通过方差分析(表3)，不同的利用方式对草地土壤中各种矿物元素的含量没有显著影响。而不同利用方式对植物中矿物元素的含量产生了一定影响，其中，放牧草地植物中P、Fe、Na、V、Co、Mn、Cu、Zn和Cr 9种元素的浓度均显著高于割草地的植物(P<0.05)。

2.3　植物对土壤中矿物元素的吸收能力

为了解植物选择性吸收矿物元素的生物地球化学特征，对植物和土壤中矿物元素进行相关性分析(表4)。其中，植物Mn与土壤P、植物Zn与土壤Mg以及植物Ca与土壤Mn这3组元素间均呈显著正相关(P<0.05)，而植物中部分元素与土壤K、Cu、Na、Ca共21组元素间均呈显著负相关(P<0.05)。只有植物中K与土壤中K有显著相关关系(P<0.05)，而其他元素与土壤中对应元素间相关性均不显著(P>0.05)。

利用生物吸收系数(生物吸收系数=植物元素含量/土壤元素含量×100)来表示元素从土壤转移到植物体中的效率，可定量反映出植物整体对相应土壤元素的选择性吸收能力[25]。通过计算，植物对P、K、Mg、Na、Ca、Fe、B、V、Co、Mn、Cu、Ni、Zn和Cr元素的吸收系数分别为405.13%、47.47%、40.09%、1.27%、55.10%、3.72%、87.00%、5.15%、4.76%、10.30%、53.95%、79.22%、38.81%和109.02%。因此，植物对土壤矿物元素的吸收能力由大到小依次为P>Cr>B>Ni>Ca>Cu>K>Mg>Zn>Mn>V>Co>Fe>Na，对P的吸收能力最强，对Na的吸收能力最弱。

表2　呼伦贝尔草原植物中元素分析统计结果及家畜对元素最低需要量Table 2　Statistics results of elements in plant samples and the minimum requirements of livestock

*根据各饲养标准[22-24]换算得出。

* Matrixing from the feeding standards[22-24].

表3　不同利用方式下土壤和植物中元素含量Table 3　Concentration of elements in soil and plant samples under different utilization types

土壤栏和植物栏中同行不同小写字母表示割草地和放牧场间差异显著(P<0.05)。

Different lowercase letters within the same row of soil and plant indicate significant difference between mowing and grazing grassland at the 0.05 level.

表4　呼伦贝尔草原植物中元素与土壤中元素的相关性分析Table 4　The correlation analysis between the content of elements in plant and in soil

“*”表示在0.05水平(双侧)上显著相关；“**”表示在0.01水平(双侧)上极显著相关。

“*” and “**” indicate significant correlations at 0.05 and 0.01 levels, respectively, under bilateral inspection.

2.4　不同植物中Ca、Mg、Mn和Zn元素含量及特征

为进一步深入研究矿物元素在植物中的分布特点，选择具有代表性的Ca、Mg两种常量元素和Mn、Zn两种微量元素为研究重点，对呼伦贝尔草原割草地上常见20种植物中矿物元素的含量进行了分析和对比(表5)。Ca、Mg、Mn和Zn在不同植物中的含量范围分别为3.31～6.63、0.95～5.41和19.12～78.78、15.44～24.31 mg·kg-1，变异系数分别为14.99%、39.34%、37.08%和10.63%，可见Mg在植物中的变化幅度最大，Zn在植物中的变化幅度最小。对比结果表明，不同植物中矿物元素的含量存在较大差异，Ca在蓬子菜(Galiumverum)中含量最高，在芨芨草(Achnatherumsplendens)中含量最低；Mg在披针叶黄华(Thermopsislanceolala)中含量最高，在针茅(Stipacapillata)中含量最低；Mn在二裂委陵菜(Potentillabifurca)中含量最高，在马蔺(Irisensata)中含量最低；Zn在针茅中含量最高，在披针叶黄华中含量最低。

表5　呼伦贝尔草原常见植物种类的元素含量Table 5　Concentration of elements in common plant species on Hulunbuir grassland

同列不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。

Different lowercase letters within the same column indicate significant difference at the 0.05 level.

3　讨论

3.1　影响土壤和植物中矿物元素含量及流动的因素

土壤矿物元素的含量变幅很大，其分布主要取决于成土母质，但随着土壤进一步的发育，成土母质对土壤矿物元素的影响逐渐被弱化，土壤的侵蚀、植被类型、环境污染和利用方式等会逐渐影响到土壤矿物元素的含量及分布[26-27]。呼伦贝尔草原土壤中矿物元素均表现为中度变异性，这与研究区域内土壤类型、植被类型等存在差异有关。

植物中矿物元素的种类和含量与土壤中相应元素有关。本研究所测元素指标中，P、K、Ca、Mg、Fe、Mn、Zn、Ni、Cu和B为植物必需元素，而Na、Sn、Cr、V、Co等植物非必需元素在植物体内也具有一定的含量，说明植物中矿物元素的种类与所处土壤中的元素种类密切相关[28]。土壤中有效矿物元素的含量一般都可以满足植物生长发育的需要，但常因土壤属性(如有机质含量、pH、含水量等)[29-30]的影响及各元素之间的相互作用降低了元素有效性，导致土壤中能被植物吸收利用的有效矿物元素缺乏[31]。植物种类是影响植物中矿物元素含量的重要因素[32-33]，通过对呼伦贝尔草原上常见植物种类中Ca、Mg、Mn和Zn含量的对比分析，不同植物种类对元素的吸收和积累能力存在较大差异。由此可见，随着草地植被组分的改变，草地植物中矿物元素的含量也会出现变化。同时，当植物所处生长时期或外界环境发生改变时，植物能够调整自身养分需求，从而改变体内各种元素的相对含量，如：气候可以改变植物和根际对元素的吸收[34]。呼伦贝尔草原植物中矿物元素和土壤中元素之间呈现正相关、负相关或者相关性不显著的关系。这主要与三方面有关，一是土壤中检测出的元素含量并不能反映出可被植物吸收利用元素的有效含量；二是天然草地植物样品中植物种类复杂且比例变化大；三是植物对矿物元素的吸收主要受自身代谢过程的影响[18]。

在草地畜牧业中，土壤和植物的元素含量还受到了人类及家畜活动的影响。草地施肥可明显改变土壤和植物中部分矿物元素的含量和分布[35-36]。放牧通过土壤、植物和动物之间的相互作用，可以改变土壤中的元素含量以及植物的生物量[29]。草地植被群落不同，利用方式对土壤和植被造成的影响也有所不同[37]。本研究所检测的15种元素中，土壤矿物元素含量并没有受到利用方式的显著影响，这与土壤中矿物元素受多种因素决定有关。由于利用方式的不同，植物中矿物元素的含量出现了明显差异，这主要是因为在放牧和割草两种利用方式下，草地管理、牧草产量和牧草种类等均存在较大差异，导致草地上植物的矿物元素含量发生改变。其中，放牧场植物中P的含量显著高于割草地的植物，这同柳剑丽[37]在典型草原上的研究结果和徐沙等[38]在内蒙古温带草原上的研究结果一致。

本研究对矿物元素在“土壤-植物”间流动效率的研究发现，植物对不同元素的生物吸收系数存在较大差异，吸收系数大的元素在土壤中的含量不一定高，如P、Cr、B、Ni等，而土壤中某些含量高的元素生物吸收系数却很低，如Fe、Na等。说明在自然条件下，植物吸收和积累元素的能力是按其生物学和元素地球化学规律进行的。对于某些吸收系数大的元素，土壤中元素含量稍有变化，就可能会直接影响到植物中元素分布。相反，对于某些吸收系数小的元素，即使土壤中元素变化量较大，也不会引起植物中元素产生较大波动。因此在评价土壤中矿物元素含量变化对植物的影响时，应充分考虑这些元素的生物吸收系数。

3.2　放牧家畜营养需要与草原矿物元素间的关系

放牧家畜的营养几乎全部来源于草地，而世界上大部分地区均报道过放牧家畜矿物营养元素缺乏和不平衡。由于牧草所含元素与家畜必需元素在种类和数量上存在较大差异，因而牧草往往不能满足放牧家畜矿物元素的需要。当缺乏Se、Co、I 时植物能正常生长，且植物对Fe、Zn、Mn、Cu、Co的需要量通常比动物低，但是正常生长植物中Se、Mo、Cu的含量对放牧家畜也可能是过量的[39]。此外，由于矿物元素在土壤、牧草和家畜间的流动效率随着放牧季有所变化[40]，这也导致家畜摄入矿物元素的量存在季节性不平衡。除了牧草以外，土壤也是草原矿物元素直接进入家畜体内的途径之一。放牧家畜通过直接采食土壤或采食粘连尘土的牧草将土壤中的元素摄入到体内，但是家畜采食土壤的动因尚不清楚且采食土壤的量也不固定[41]。因此，在对放牧家畜矿物元素摄入的研究过程中，有时还需考虑土壤中元素含量以及家畜采食土壤的量。

放牧家畜从草地上摄入矿物元素的盈缺状况往往还受年龄、生产用途、性别等因素影响，且不同家畜在同一块草地上获得营养元素的量也存在差异。此外，由于动物自身具有选择性采食的生物学特点，家畜矿物元素的实际摄入量有时还需结合采食组分和采食量开展进一步研究，但这与草地植被中元素含量密切相关。本研究采用草地植被地上部分可提供的营养元素初步评估了草食家畜可摄入矿物元素的状况，呼伦贝尔草原植被中Co的含量能满足家畜的需要，Mg、P、K、Mn和Cu的含量只能满足或部分满足家畜基本生长发育需要，Na和Zn的含量无法满足家畜的需要；而植物中Fe的含量对家畜可能是过量的。由此可见，要使家畜发挥最佳生产性能，获得优质、高产的畜产品，仅仅靠放牧是很难达到目的，需要人为补饲或控制日粮中的矿物元素含量。对于妊娠期和产奶期的家畜，尤其要注意提高日粮中钙、磷等元素的含量。本研究发现，同种元素在呼伦贝尔草原不同植物种类中的含量存在较大差异，因此，适当调整植被组成可能有助于改善家畜矿物元素摄入量。

4　结论

不同矿物元素在呼伦贝尔草原土壤和植物中的含量及变异程度存在较大差异。植物对土壤中各种元素的吸收能力不同，而同种元素在不同植物品种中的含量也存在较大差异，植物中部分元素无法满足家畜的营养需要。相比割草利用，放牧可以提高草地植物中矿物元素的含量。因此，针对家畜营养需求，采用适宜的草地利用方式、牧草品种和矿物元素补饲措施，有利于维持呼伦贝尔草原畜牧业可持续发展。