福建浦城官路薏米品質(zhì)與地球化學(xué)因素分析

吳資龍

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)，武漢，430000；2.福建省地質(zhì)測繪院，福州，350011)

作為國家地理標志產(chǎn)品的浦城官路薏米，具有色白、飽滿、圓潤、腹溝深寬以及有一定粉性的特有品質(zhì)，煮后糯軟、黏香、細膩、軟滑、氣馨甘爽，總體呈現(xiàn)著“糯、甘、稠”等品質(zhì)特征[1]。薏米營養(yǎng)和藥用價值極高，主要是薏苡仁中含有較高的蛋白質(zhì)和氨基酸，其蛋白質(zhì)指標更是大米的2倍多[2]。影響薏米品質(zhì)的因素較多。前人研究主要集中在對薏米外型、口感等品質(zhì)特征進行分析，也有部分研究學(xué)者對薏米中營養(yǎng)元素含量的多少及其影響因素進行研究[3-5]。這些研究主要集中在人為因素和自然因素2方面，人為因素主要包括品種、施肥、澆灌、治理、種植時間、種植密度、收獲籽實時間，以及生長環(huán)境周邊是否有人類活動(開設(shè)工廠、養(yǎng)殖場、興修交通、水利)等；自然因素主要包括地質(zhì)背景、土壤類型、地貌類型、土質(zhì)鹽堿性、溫度、日照、降雨等。但前人對薏米的地球化學(xué)因素研究的較少，筆者通過研究土壤地球化學(xué)特征與薏米品質(zhì)的關(guān)系，揭露與生態(tài)地質(zhì)背景有關(guān)的土壤生態(tài)環(huán)境對官路薏米品質(zhì)的影響。

1 研究區(qū)地質(zhì)背景概況

研究區(qū)位于福建省最北端，為閩浙贛3省結(jié)合部，北部、東北部、東部分別與浙江省接壤，西北部與江西省毗鄰。地貌的總特征是多山地，西北環(huán)山，南部低平寬廣，地勢自北往南下降，南浦溪縱貫?zāi)媳保乇韽搅鞒蕵渲?，山間盆地呈串珠狀錯落，堊口地形突出。

研究區(qū)內(nèi)出露地層較簡單，主要由白堊紀下渡組，前泥盆紀麻源巖群南山巖組和大金山巖組組成。

下渡組：主要巖性為灰紫-紫色流紋質(zhì)晶屑凝灰?guī)r、熔結(jié)下渡組凝灰?guī)r、流紋巖、粗面巖，下部夾凝灰質(zhì)礫巖、砂礫巖、粉砂巖及安山巖。

南山巖組：主要巖性為黑云斜長變粒巖、黑云變粒巖、黑云(二云)石英片巖、石英云母片巖，夾角閃石英巖、角閃變粒巖，具條帶狀、條紋狀構(gòu)造，強烈石英脈化。

大金山巖組：主要巖性為黑云(斜長)變粒巖、黑云(石英)片巖、閃巖、石英巖，含晶質(zhì)石墨?；旌蠋r化較強，脈體為花崗質(zhì)、長英質(zhì)、偉晶質(zhì)。

2 樣品采集與分析

此次研究薏米品質(zhì)與土壤元素間的關(guān)系在不同薏米種植區(qū)共采集60組薏米及其根系配套土壤樣品(圖1)。其中，薏米樣品采集籽實，顆粒飽滿，根系土壤樣品采集深度為30 cm，采集時要先把表層雜質(zhì)處理干凈之后，再自上而下均勻采集。

圖1 浦城官路鄉(xiāng)薏米種植范圍及地質(zhì)略圖Fig.1 Planting scope and geological map of Guanlu coix in Pucheng county1—白堊紀下渡組；2—前泥盆紀麻源巖群南山巖組；3—前泥盆紀麻源巖群大金山巖組；4—燕山晚期石英正長斑巖；5—華力西-印支期二長花崗巖；6—華力西-印支期石英二長閃長巖；7—地質(zhì)界線；8—薏米種植范圍；9—薏米土壤配套采樣品位置

樣品檢測化驗由福建省地質(zhì)測試中心完成。其中，薏米樣品檢測了As、Cd、Cr、Hg、Pb、Mo、Ge、Se、Sr、Zn、蛋白質(zhì)、氨基酸各組分和甘油三油酸酯的含量；根系配套土壤樣品檢測了pH、有機質(zhì)、N、P、K、S、Ca、Mg、Na、Zn、Cu、B、Mo、Mn、Fe、Se、Cd、Cr、Hg、Ge、Pb和As等含量。

3 薏米品質(zhì)評價

3.1 評價方法

不同作物對各元素需求不同，而同種元素對不同作物影響也不同。薏米對特征元素或組合有特殊需求，這與薏米內(nèi)在品質(zhì)與土壤元素有特殊關(guān)聯(lián)。薏米對土壤元素的吸收主要有3種形式，分別為主動、被動和胞飲吸收。具體哪些元素對薏米內(nèi)在品質(zhì)起著影響作用，此次研究主要從3個方面來闡述：①薏米中元素含量特征，并參照“富硒稻谷標準”[6]，對薏米富硒情況進行評價；②薏米對土壤中不同元素的吸收特征分析；③薏米營養(yǎng)組分與根系配套土壤中元素的相關(guān)性分析。

3.2 薏米中元素含量特征

對研究區(qū)獲得的薏米樣品分析數(shù)據(jù)，采用算術(shù)統(tǒng)計方法計算原始數(shù)據(jù)，并逐步剔除3倍離差后的基本參數(shù)，統(tǒng)計出薏米中元素地球化學(xué)參數(shù)特征值(表1)。

表1 浦城官路薏米中元素地球化學(xué)參數(shù)特征統(tǒng)計結(jié)果

從薏米中元素地球化學(xué)參數(shù)特征可以看出，薏米中的有益元素平均含量呈現(xiàn)出Zn﹥Ge﹥Sr﹥Mo﹥Se的特征。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)Se含量大于0.04 mg/kg的樣品9件，占比15%(N=60)。由于薏米屬禾本科谷物類，參照“富硒稻谷標準”[6]，富硒(Se)限量值為0.04～0.3 mg/kg，可知此次研究采集的60件薏米樣品中有9件樣品達到了富硒薏米等級。

Cd、As、Hg、Cr元素最大值和均值都遠低于“國家標準食品安全”[7]限量要求，屬健康農(nóng)產(chǎn)品。薏米中各有害元素平均含量呈現(xiàn)出Cr﹥Pb﹥Cd﹥As﹥Hg的特征。

3.3 薏米對根系配套土壤中元素的吸收特征

對薏米對根系配套土壤中元素吸收特征的研究主要應(yīng)用生物富集系數(shù)法。富集系數(shù)Ka(BCF)是植物中某元素的濃度與其所生長的土壤中該元素濃度的比值，可表示植物富集和吸收能力與程度的數(shù)量關(guān)系。計算公式如下。

其中：Ta表示元素在農(nóng)作物中的含量，Sa表示元素在根系配套土壤中的含量。Ka是評價植物吸收富集元素能力的評價指標，一般認為，在植物籽實中生物富集系數(shù)﹥1.5%的元素，才能稱為在植物體內(nèi)富集，因此將生物富集系數(shù)分成3等：當Ka﹥4.5%時，表示高富集；當1.5%

對薏米及其根系土壤配套樣品分析結(jié)果進行富集系數(shù)計算并統(tǒng)計(表2)，研究發(fā)現(xiàn)薏米對根系配套土壤不同有益元素的富集能力不同，其平均值表現(xiàn)為Mo﹥Zn﹥Se﹥Sr﹥Ge。其中， Mo、Zn和Se平均富集系數(shù)(Ka)值分別為0.628，0.277和0.175，均大于4.5%，表現(xiàn)為高富集特征；Sr的平均富集系數(shù)(Ka)值為0.018，表現(xiàn)為中富集；Ge的平均富集系數(shù)(Ka)值為0.002，表現(xiàn)為低富集。

薏米對有害元素的富集系數(shù)均值大小順序為Cd﹥Hg﹥As﹥Cr﹥Pb。從統(tǒng)計結(jié)果中可以得出，薏米對土壤中Cd的富集能力最高，平均富集系數(shù)為0.136，表現(xiàn)為高富集特征；對Hg平均富集系數(shù)為0.028，處于1.5%～4.5%，表現(xiàn)為中等富集特征；而對As、Cr、Pb等元素的平均富集系數(shù)均小于1.5%，表現(xiàn)為低富集特征。

表2 浦城官路薏米根系配套土壤的富集系數(shù)統(tǒng)計結(jié)果

3.4 不同地層中薏米對其配套土壤元素的吸收

此次研究，在南山巖組地層中采集了51組薏米及其根系配套土壤樣品，在石英正長斑巖中采集薏米及其根系配套土壤樣品2組，在二長花崗巖中采集薏米及其根系配套土壤樣品1組，在石英二長閃長巖中采集薏米及其根系配套土壤樣品6組。

針對南山巖組地層中所采集的薏米及其根系配套土壤樣品分析，計算薏米對土壤元素的富集系數(shù)特征(表3)。結(jié)果表明，該地層中有益元素的富集系數(shù)均值表現(xiàn)為Mo﹥Zn﹥Se﹥Sr﹥Ge；有害元素表現(xiàn)為Cd﹥Hg﹥As﹥Cr﹥Pb。

表3 浦城官路南山巖組中薏米對其根系配套土壤的富集系數(shù)統(tǒng)計結(jié)果

將南山巖組地層中所計算的富集系數(shù)同其它3套地層的富集系數(shù)進行對比后發(fā)現(xiàn)，Ge的富集系數(shù)均值在不同地層之間的關(guān)系為石英正長斑巖﹥南山巖組﹥石英二長閃長巖﹥二長花崗巖，Ge在石英正長斑巖地層富集能力較強；Mo則為南山巖組﹥石英二長閃長巖﹥二長花崗巖﹥石英正長斑巖，Mo在南山巖組、石英二長閃長巖地層中富集系數(shù)較高，大于0.5，說明薏米在該地層對Mo元素具有較強富集能力特征；Sr為石英正長斑巖﹥二長花崗巖﹥南山巖組﹥石英二長閃長巖；Se為南山巖組﹥石英二長閃長巖﹥石英正長斑巖﹥二長花崗巖； Zn為二長花崗巖﹥石英二長閃長巖﹥南山巖組﹥石英正長斑巖。

As的富集系數(shù)均值在不同地層之間的關(guān)系為石英二長閃長巖﹥南山巖組﹥石英正長斑巖﹥二長花崗巖；Cd為二長花崗巖﹥南山巖組﹥石英正長斑巖﹥石英二長閃長巖；Cr為石英二長閃長巖﹥南山巖組﹥二長花崗巖﹥石英正長斑巖；Hg為石英正長斑巖﹥二長花崗巖﹥南山巖組﹥石英二長閃長巖；Pb為二長花崗巖﹥石英正長斑巖﹥南山巖組﹥石英二長閃長巖。薏米在4套地層中對土壤有害元素As、Cd、Cr、Hg、Pb的富集系數(shù)均值都小于0.01，表現(xiàn)為極微弱吸收，其中Cd表現(xiàn)為中等吸收，Hg表現(xiàn)為微弱吸收。這可以看出官路薏米對有害元素具有較弱的富集能力。

同一元素在不同地層間存在著不同的富集能力特征，可能是由于不同地層土壤風化形成的理化性質(zhì)不同，進而影響薏米對元素富集能力的差異化。

4 根系配套土壤地球化學(xué)特征對官路薏米營養(yǎng)成分的影響

對官路鄉(xiāng)60件薏米樣品進行蛋白質(zhì)和氨基酸各組分化驗檢測，將其分析數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計(表4)。

表4 浦城官路薏米營養(yǎng)成分地球化學(xué)參數(shù)特征統(tǒng)計結(jié)果

從表4可得出：蛋白質(zhì)最小值12.84%，最大值17.02%，平均值15.08%，標準差1.13，變異系數(shù)0.07，小于0.1。這說明官路薏米營養(yǎng)成分中蛋白質(zhì)含量變化小，有比較穩(wěn)定的特性。據(jù)中國水稻研究所資料，官路薏米蛋白質(zhì)含量遠大于水稻蛋白質(zhì)含量。氨基酸各組分變異系數(shù)除蛋氨酸外，均小于0.1，可見氨基酸各組分為弱變異特征，屬較穩(wěn)定成分。

4.1 官路薏米中蛋白質(zhì)與根系配套土壤中礦物元素的相關(guān)性分析

對官路薏米及根系配套土壤樣品分析數(shù)據(jù)進行相關(guān)性分析(表5)，從表中可以看出薏米中的蛋白質(zhì)和根系配套土壤中的K和有效磷呈正相關(guān)， 這可能與官路地質(zhì)背景有關(guān)，因為官路主體南山巖組地層中巖性組合主要為黑云斜長(石英)變粒巖、云母石英片巖和云母片巖。該地區(qū)內(nèi)富含石英、云母、長石等富鉀礦物，故K元素含量相對豐富，也促進薏米對K元素富集的能力特征。薏米中的蛋白質(zhì)和根系配套土壤中的Cr、Ni和Mg呈負相關(guān)。

表5 浦城官路薏米中蛋白質(zhì)與配套土壤中礦物元素的相關(guān)性

4.2 官路薏米中氨基酸各組分與根系配套土壤中礦物元素的相關(guān)性分析

對薏米中的氨基酸各組分及其根系配套土壤樣品元素測定結(jié)果進行相關(guān)性分析(表6)發(fā)現(xiàn)，薏米根系配套土壤Mo元素與蛋氨酸(Met)呈強正相關(guān)性；薏米配套土壤有效磷與天冬氨酸(Asp)、蘇氨酸(Thr)、酪氨酸(Tyr)和組氨酸(His)呈強相關(guān)性。由于鉬對生物具有固氮作用，通過相關(guān)性的分析結(jié)果，推測Mo和有效磷有利于薏米籽實氨基酸各組分的積累。薏米配套土壤pH值與賴氨酸(Lys)呈顯著負相關(guān)性(圖2)。

4.3 官路薏米中甘油三油酸酯與根系配套土壤中礦物元素的相關(guān)性

對官路薏米中的甘油三油酸酯與根系配套土壤樣品元素測定結(jié)果進行相關(guān)性分析(表7)，從表中發(fā)現(xiàn)甘油三油酸酯和薏米配套土壤元素Mg和Ni呈顯著正相關(guān)。甘油三油酸酯和薏米配套土壤元素Mg強相關(guān)， Mg元素可促進甘油三油酸酯的形成。官路鄉(xiāng)富含Mg元素與官路鄉(xiāng)所在南山巖組地層中巖性組合主要為黑云斜長(石英)變粒巖、云母石英片巖和云母片巖，該區(qū)域內(nèi)富含石英、云母、長石有關(guān)。區(qū)內(nèi)獨特的地質(zhì)地球化學(xué)條件為薏米甘油三油酸酯的形成提供了得天獨厚的條件。

表7 浦城官路薏米中甘油三油酸酯與配套土壤中元素的相關(guān)性

5 結(jié)論

(1)此次研究采集的薏米樣品中有9件樣品達到富硒薏米等級。官路薏米蛋白質(zhì)含量處于較高水平，遠大于水稻蛋白質(zhì)含量。氨基酸各組分整體較優(yōu)，甘油三油酸酯達標。

(2)官路薏米有害元素平均含量呈現(xiàn)出Cr﹥Pb﹥Cd﹥As﹥Hg的特征。根據(jù)“國家標準食品安全”中污染物限量要求可知，官路薏米Cd、As、Hg、Cr元素最大值均遠遠低于限量值。

(3)官路薏米不同有益微量元素富集系數(shù)呈現(xiàn)出Mo﹥Zn﹥Se﹥Sr﹥Ge趨勢。其中， Mo、Zn和Se平均富集系數(shù)(Ka)值分別為0.628、0.277和0.175，均大于1.5%，表現(xiàn)為高富集特征；Sr 平均富集系數(shù)(Ka)值為0.018，表現(xiàn)為中富集；Ge的平均富集系數(shù)(Ka)值為0.002，表現(xiàn)為低富集。

(4)薏米對有害元素的富集系數(shù)均值大小的順序為Cd﹥Hg﹥As﹥Cr﹥Pb。分析表明薏米對Cd的吸收程度最強，表現(xiàn)為高富集特征，顯示了Cd在表層土壤薏米體系中有較強的生物遷移性。

(5)薏米中同一有益元素在不同地層間富集能力存在差異化，可能是因為土壤不同的理化性質(zhì)、薏米不同品種、元素間的交互作用造成不同地層土壤微量有益元素含量上存在較顯著差異，進而影響到薏米對有益微量元素的吸收。通過各個地層對比發(fā)現(xiàn)南山巖組地層分布地區(qū)種植的薏米品質(zhì)最優(yōu)。