河北省张北地区土壤-莜麦中微量元素富集与迁移特征研究

车健,王雪飞,2,余明,2,马程,张硕,2,边朋沙,2,鲁倩*

(1.河北省地质实验测试中心,河北 保定 071051;2.河北省矿产资源与生态环境监测重点实验室,河北 保定 071051)

莜麦,又名裸燕麦,是我国粮食作物之一,多种植于内蒙古、山西、甘肃、河北等地。莜麦营养含量十分丰富,不仅富含蛋白质和脂肪,还包含多种对人体健康有益的Mn、Cu、Zn等微量元素[1-4]。研究证明,莜麦等植物中的微量元素绝大部分来自土壤,耕地中元素的丰缺直接影响着农作物的生长,即莜麦的正常发育与土壤中微量元素含量息息相关[5-7],Mn、Cu、Zn等微量元素是植物体内多种酶的组成成分,会参与植物体内碳水化合物和蛋白质的代谢作用及叶绿素合成及稳定,从而可以提高莜麦发芽率、植株高度和光合作用效率[8-11];而Se则很容易被莜麦吸收和同化,运输到茎叶和籽实中,增加莜麦籽实中的Se含量从而提高莜麦品质[11-13]。因此,对土壤-莜麦系统中Mn、Sr、Ni、Cu、Zn、Se等微量元素富集和迁移进行研究很有必要。

莜麦虽然是区域性农作物,但鉴于其较高营养价值等特点,前人对它进行了多方面研究[1-3,11-14],如王婧和冯利芳等学者就曾对晋北地区土壤-莜麦金属元素富集迁移特征及内蒙古地区的莜麦矿物元素含量进行过探讨[1-2]。莜麦是河北省张北县的主要粮食作物之一,前人虽然在针对该地区土壤和莜麦做过报道,但主要针对张北及周边地区莜麦的营养价值、高效率加工与制作方式、土壤类型和种植方法与莜麦生长关系等方面,对微量元素在土壤-莜麦中富集迁移研究较少[15-20]。因此,本文选择张北县莜麦耕地表层土壤和莜麦籽实为研究对象,探讨土壤和莜麦籽实中Mn、Sr、Ni、Cu、Zn、Se的含量及在土壤-莜麦中系统中的迁移能力,希望能对研究当地土壤状况和莜麦产业发展有一定帮助。

1 研究区概况

研究区地处河北省西北部,内蒙古高原南缘的坝上地区,隶属于张家口市,地处北纬41°16′14.42"～41°29′29.92″,东经114°42′0.97″～115°4′50.35″(图1)。

图1 研究区地理位置

区内大面积覆盖第四系和第三系,基岩出露面积较小,出露地层主要是白垩系张家口组,出露岩性为花岗闪长岩和二长花岗岩等;土壤类型多为栗钙土,其中尤以典型栗钙土为主要土壤类型。研究区为温带大陆性季风气候,四季分明,日照充足,年平均气温4 ℃,全年最高气温不超过24 ℃;该区年降水量为300 mm左右,主要集中在6、7、8三个月。该区农业经济占主导地位,主要农作物种类为莜麦、马铃薯等。

2 材料与方法

2.1 样品采集

根据相关标准在研究区莜麦耕地中选取合适样点17个(编号为采样点位1,2,3等)进行表层土壤样品(TY-1,TY-2等)和莜麦籽实样品(YM-1,YM-2等)采集(图2)。土壤样品是在土层较厚、远离道路的莜麦耕地垂直深度20 cm进行的采集,采样时会将土中杂物去除且上下均匀采集,最后将样品编号并装入干净的布袋。莜麦是研究区主要作物,具有很高的研究价值,所以本文选择莜麦为植物样品,在莜麦收获期(9月),采集健康、无病虫害的代表性莜麦植株麦穗,编号后将样品放入聚乙烯塑料袋中,扎紧袋口防止水分蒸发。

注:1号为TY-1、YM-1样品采集位置,按数字顺序依次类推,下同。

2.2 样品加工和测试

本次测试分析工作承担单位为河北省地质实验测试中心和国家地质实验测试中心。在室内对土壤和莜麦样品分别进行风干、磨细、过筛、混匀和脱粒、清洗、干燥、粉碎、研磨、过筛、混合操作后备用。土壤和莜麦样品中Cu、Zn、Mn、Ni、Sr的含量采用电感耦合等离子体质谱法测定,Se含量利用微波消解-原子荧光法测量;土壤pH值使用pH计测定。

2.3 计算方法

在探讨Mn、Sr、Ni、Cu、Zn、Se在土壤-莜麦中迁移能力时拟利用富集系数计算[21-22]。

富集系数(BCF)=CYM/CTY

式中:CYM:莜麦籽实中某元素含量实测值;CTY:土壤中某元素含量实测值。

富集系数可以判断植物将元素吸收转移到体内并在体内富集的能力大小,反映了元素在土壤-植物体系中迁移的难易程度[13]。

3 结果与分析

3.1 土壤中微量元素含量

选择植物样品为莜麦,在其生长过程中Mn、Sr、Ni、Cu、Zn、Se等微量元素可以提高莜麦的发芽率、高度和光合作用效率[8-13]。此外,研究区Cu、Zn、Ni元素含量远低于《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》中pH值>7.5碱性土壤农用地土壤污染风险筛选值,在区内并未产生重金属元素污染[23]。

根据表1和《土地质量地球化学评价规范》(DZ/T 0295—2016)[24]可得,研究区土壤pH值为7.45～9.28,大多在8.5附近,属于碱性-强碱性土。Mn含量为270.30～472.75 mg/kg,平均含量为354.45 mg/kg,养分等级处于缺乏-稍缺乏等级;Sr含量为184.50～374.40 mg/kg,平均含量为249.67 mg/kg;Ni含量为8.88～30.23 mg/kg,平均含量为14.12 mg/kg,养分等级为多为缺乏等级;Cu含量为7.31～31.64 mg/kg,平均含量为12.17 mg/kg,养分等级为多为缺乏等级;Zn含量为22.75～79.20 mg/kg,平均含量为36.68 mg/kg,养分等级多为缺乏等级;Se含量为0.08～0.21 mg/kg,平均含量为0.13 mg/kg,养分等级多为缺乏-适量等级。

表1 研究区土壤中微量元素含量 单位:mg/kg

综上,研究区莜麦耕地表层土壤微量元素含量较低,养分等级多处于缺乏-较缺乏等级,建议进行农业生产时适当添加微量元素肥料的使用。

3.2 莜麦中微量元素含量

莜麦是研究区主要粮食作物之一,富含蛋白质、脂肪、微量元素等营养物质,对人体健康十分有利[1,16]。研究区莜麦籽实Mn、Sr、Ni、Cu、Zn、Se含量测定结果见表2。

表2 研究区莜麦中微量元素含量 单位:mg/kg

由表2可得研究区莜麦籽实中Mn含量为33.70～58.70 mg/kg,平均含量为45.65 mg/kg;Sr含量为2.00～7.50 mg/kg,平均含量为3.69 mg/kg;Ni含量为0.92～6.80 mg/kg,平均含量为1.81 mg/kg;Cu含量为2.23～4.97 mg/kg,平均含量为3.38 mg/kg;Zn含量为11.85～23.10 mg/kg,平均含量为18.97 mg/kg;Se含量为0.03～0.09 mg/kg,平均含量为0.05 mg/kg。

根据《中国食物成分表2004第2册》[25]提供的荞麦面中Mn、Cu、Zn、Se含量分别为17.10 mg/kg,4.10 mg/kg,21.80 mg/kg,29.00 μg/kg,研究区莜麦中Cu、Zn平均含量与中国食物成分表中基本持平,Mn和Se含量则较高,为中国食物成分表的2.7倍和1.8倍。同时,除研究区外莜麦在山西和内蒙古等地也有种植,笔者通过收集前人报道,获得晋北和内蒙古自治区凉城县等四县莜麦籽实中微量元素含量[1-2]。对比发现研究区莜麦Mn含量较高,分别是晋北和内蒙古地区的1.3倍和1.7倍;Cu和Se的含量略高于晋北和内蒙古;Zn含量高于内蒙古地区而低于晋北地区。由此可见,研究区莜麦微量元素含量较高,品质较为优秀。

综上,研究区莜麦中Mn、Cu、Zn、Se等微量元素含量较高,特别是Mn含量远高于其他地区生产的莜麦;而Cu与Zn含量则略低,但对比其他谷类食物仍然有很大优势[1,25]。

3.3 研究区土壤-莜麦中微量元素迁移特征

莜麦生长过程中所需Mn、Sr、Ni、Cu、Zn、Se等元素多来自土壤,元素从土壤中迁移到莜麦中能力大小直接影响着莜麦的生长和品质。本文拟采用富集系数(BCF)来判断莜麦籽实将Mn、Sr、Ni、Cu、Zn、Se吸收转移到体内并在体内累积的能力[26-27]。研究区土壤-莜麦微量元素富集系数见表3。

表3 研究区土壤-莜麦微量元素富集系数

根据表3可得,研究区Mn、Sr、Ni、Cu、Zn、Se在土壤-莜麦的富集系数均值分别为0.131,0.015,0.141,0.307,0.553,0.371,迁移能力为Zn>Se>Cu>Ni>Mn>Sr。前人报道晋北地区元素在土壤-莜麦籽实系统的迁移能力也是Mn>Cu>Zn,但张北县的富集系数值却远高于晋北地区,更能对Mn、Cu、Zn进行富集[2]。此外,Zn在7号采样位富集系数很高,猜测可能是人为因素导致。

4 结论

研究区微量元素在土壤-莜麦的迁移能力为Zn>Se>Cu>Ni>Mn>Sr;其中,莜麦耕地表层土壤Mn、Sr、Ni、Cu、Zn、Se含量较低,养分等级多处于缺乏-稍缺乏等级,建议农业生产中增加微量元素肥料的使用;莜麦中Mn、Cu、Zn、Se等微量元素含量较高,特别是Mn含量远高于其他地区生产的莜麦,而Cu与Zn含量则略低,但对比其他谷类食物仍然有很大优势。