洪洞縣麥田土壤微量元素含量及其生物有效性分析

張晉豐，郭雅飛，栗 麗，2，李廷亮，2，劉 洋，陳 婷

（1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，山西太谷030801；2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，山西太谷030801）

微量元素的豐缺可影響作物生理代謝和產(chǎn)量形成[1]，其在土壤中缺少或不能被植物利用時(shí)，植物生長不良，過多又容易引起中毒[2-3]。通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在我國北方尤其是黃土高原地區(qū)，多為石灰性土壤，碳酸鹽含量較高，再加上土壤侵蝕，土壤微量元素缺乏現(xiàn)象相當(dāng)普遍[4-6]。余存祖等[7]研究表明，黃土高原地區(qū)約11%的土壤缺Fe，8%的土壤缺Mn，56%的土壤缺Zn，21%的土壤缺Cu，土壤微量元素供應(yīng)不足已影響到該區(qū)作物生長及品質(zhì)提升。史崇文等[8]研究發(fā)現(xiàn)，山西省土壤微量元素背景值整體呈與pH 值負(fù)相關(guān)、與有機(jī)質(zhì)正相關(guān)的分布規(guī)律，具體表現(xiàn)為由南向北、由東南向西北逐漸降低[9]。成土母質(zhì)以及外源肥料投入是土壤中微量元素的主要來源，了解土壤微量元素含量及豐缺程度對科學(xué)合理施肥、農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)提升等具有重要意義[8]。

小麥?zhǔn)俏覈酥潦澜缟现匾募Z食作物之一。近年來，我國小麥種植面積穩(wěn)定在2 400 萬hm2左右，在山西省約56 萬hm2，其在農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)、食品加工及面食文化發(fā)展中都發(fā)揮著重要作用。土壤微量元素通過生物富集作用影響小麥籽粒品質(zhì)的提升，進(jìn)而會影響人體健康[10]。因此，土壤微量元素生物有效性以及小麥籽粒對微量元素的富集作用研究顯得尤為重要。

本研究以山西省典型小麥種植區(qū)洪洞縣為例，系統(tǒng)分析了當(dāng)?shù)馗麑油寥繡u、Zn、Fe、Mn 的全量、有效態(tài)含量以及小麥籽粒中的微量元素富集水平，并分析各種元素的空間分布規(guī)律，以期為當(dāng)?shù)匦←湼弋a(chǎn)優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山西省洪洞縣，地處山西省南部，臨汾盆地北端，地理坐標(biāo)為北緯36°15′～36°23′N、東經(jīng)111°80′～112°50′E，平均海拔為430 m，總面積為156 300hm2，為晉南地區(qū)面積最大的縣。氣候?qū)儆跍貛О敫珊荡箨懶詺夂?，年平均氣?2 ℃，無霜期196 d，年降水量493.3 mm。土壤類型主要為褐土和草甸土，耕地面積63.9 hm2，主要種植農(nóng)作物是小麥和玉米。

1.2 樣品采集與測定

2019 年7—8 月，根據(jù)洪洞縣的土壤類型、地形以及小麥種植區(qū)劃特征進(jìn)行布點(diǎn)采樣，采集麥田耕層（0～20 cm）土壤樣品，共采集樣品150 個(gè)，并記錄采樣點(diǎn)經(jīng)緯度及施肥種植情況，同時(shí)采集該區(qū)域小麥籽粒樣品。每個(gè)采樣點(diǎn)土壤樣品均為多點(diǎn)耕層土壤的混合樣品，經(jīng)風(fēng)干、去雜，分別過0.2、0.149 mm篩，用于測定土壤有效態(tài)和全量微量元素。小麥籽粒及土壤中全量Cu、Zn、Fe、Mn 采用硝酸- 高氯酸消煮，電感耦合等離子法測定；土壤有效態(tài)微量元素含量采用DTPA 浸提，電感耦合等離子法測定[11-14]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

研究采用Excel 2003 軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行常規(guī)統(tǒng)計(jì)分析，采用ArcGIS 10.3 軟件克里金插值模塊對土壤微量元素分布進(jìn)行制圖分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 麥田土壤全量Cu、Zn、Fe、Mn 含量及分布情況

從表1 可以看出，當(dāng)?shù)厝緾u 含量為21.53～48.48 mg/kg，平均為31.76 mg/kg；全量Zn 含量為62.48～140.80 mg/kg，平均為91.68 mg/kg；全量Fe含量為2.82%～4.72%，平均為3.56%；全量Mn 含量為65.10～926.10 mg/kg，平均為640.43 mg/kg?？傮w表現(xiàn)為Fe＞Mn＞Zn＞Cu，分別較我國土壤元素背景值[15]高40.53%、23.56%、21.09%和9.85%。

表1 洪洞縣麥田土壤全量微量元素含量統(tǒng)計(jì)

另外，采用ArcGIS 地統(tǒng)計(jì)模塊的普通克里金插值對當(dāng)?shù)赝寥牢⒘吭財(cái)?shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測性分析（圖1），發(fā)現(xiàn)Cu、Zn、Fe、Mn 全量含量分布都表現(xiàn)為東南部相對較低，西北相對較高，其中以劉家垣鎮(zhèn)、萬安鎮(zhèn)、廣勝寺鎮(zhèn)、曲亭鎮(zhèn)和清底鄉(xiāng)含量較低，以大槐樹鎮(zhèn)、辛村鄉(xiāng)、山頭鄉(xiāng)和左木鄉(xiāng)含量較高；具體表現(xiàn)為以大槐樹鎮(zhèn)和辛村鄉(xiāng)全量Cu 和全量Zn 含量最高，山頭鄉(xiāng)全量Fe 含量最高，山頭鄉(xiāng)和左木鄉(xiāng)全量Mn 含量最高。

2.2 麥田土壤有效態(tài)Cu、Zn、Fe、Mn 含量及分布情況

從表2 可以看出，當(dāng)?shù)赜行B(tài)Cu 含量為0.62～7.66 mg/kg，平均為1.82 mg/kg；有效態(tài)Zn 含量為0.19～12.27 mg/kg，平均為2.43 mg/kg；有效態(tài)Fe 含量為5.41～31.46 mg/kg，平均為13.36 mg/kg；有效態(tài)Mn含量為11.42～146.17 mg/kg，平均為43.29 mg/kg?？傮w表現(xiàn)為有效態(tài)Mn＞有效態(tài)Fe＞有效態(tài)Zn＞有效態(tài)Cu，分別較山西省第二次土壤普查值[16]高124.41%、239.86%、86.80%和404.13%。

表2 洪洞縣麥田土壤有效態(tài)微量元素含量統(tǒng)計(jì)mg/kg

另外，采用ArcGIS 地統(tǒng)計(jì)模塊的普通克里金插值對當(dāng)?shù)赝寥? 種有效態(tài)微量元素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測性分析發(fā)現(xiàn)（圖2），Cu、Zn、Fe 和Mn 有效態(tài)含量分布規(guī)律與全量含量呈相反趨勢，表現(xiàn)為西北部相對較低，中東部相對較高，其中以山頭鄉(xiāng)和左木鄉(xiāng)最低，以大槐樹鎮(zhèn)和萬安鎮(zhèn)東北部含量最高；具體表現(xiàn)為大槐樹鎮(zhèn)有效Cu 含量最高，辛村鄉(xiāng)和大槐樹鎮(zhèn)有效Zn 含量最高，明姜鎮(zhèn)和廣勝寺鎮(zhèn)有效Fe 含量最高，明姜鎮(zhèn)及萬安鎮(zhèn)東北部有效Mn 含量最高。

2.3 小麥籽粒中Cu、Zn、Fe、Mn 含量分析

小麥籽粒中Cu 含量為4.56～18.56 mg/kg，平均為7.57 mg/kg；Zn 含量為26.03～58.97 mg/kg，平均為37.77 mg/kg；Fe 含量為78.86～145.10mg/kg，平均為115.05mg/kg；Mn 含量為26.07～57.53 mg/kg，平均為44.51 mg/kg，總體表現(xiàn)為Fe＞Mn＞Zn＞Cu（表3）。

2.4 麥田土壤微量元素有效度及小麥籽粒微量元素富集系數(shù)分析

由表4 可知，山西省洪洞縣耕層土壤中Cu 元素的有效度平均值為5.55%；Zn 元素的有效度平均值為2.61%；Fe 元素的有效度平均值為0.04%；Mn 元素的有效度平均值為6.17%。4 種微量元素有效度總體表現(xiàn)為Mn＞Cu＞Zn＞Fe。洪洞縣麥田區(qū)小麥籽粒中Cu 元素的富集系數(shù)平均值為24.14%；Zn 元素的富集系數(shù)平均值為42.68%；Fe 元素的富集系數(shù)平均值為0.36%；Mn 元素的富集系數(shù)平均值為6.58%?？傊?，小麥籽粒富集系數(shù)從大到小排序?yàn)閆n＞Cu＞Mn＞Fe，表明小麥對土壤中Zn 的吸收利用能力高于Cu、Mn、Fe。

表3 洪洞縣小麥籽粒微量元素含量統(tǒng)計(jì) mg/kg

表4 洪洞縣麥田土壤微量元素有效度及小麥籽粒微量元素富集系數(shù)統(tǒng)計(jì) %

3 結(jié)論與討論

3.1 麥田土壤微量元素含量與空間分布及其有效度特征

土壤微量元素含量主要受成土母質(zhì)的影響。洪洞縣麥田耕層土壤中全量Cu、Zn、Fe、Mn 含量平均值分別為31.76、91.68 mg/kg、3.56%、690.43 mg/kg，表現(xiàn)為Fe＞Mn＞Zn＞Cu，與我國土壤元素背景值及山西省土壤元素背景值元素含量順序特征一致；這主要與土壤礦物類型特征有關(guān)，F(xiàn)e 作為地殼中第4 位元素，較其他3 種微量元素要高2～3 個(gè)數(shù)量級。然而，本研究中當(dāng)?shù)赝寥烙行B(tài)Cu、Zn、Fe、Mn 含量平均值分別為1.82、2.43、13.36、43.29 mg/kg，表現(xiàn)為Mn＞Fe＞Zn＞Cu，可見土壤中鐵多為殘?jiān)鼞B(tài)和結(jié)合態(tài)，Mn 的有效性相對更高，這在其他研究中也有類似報(bào)道[17]。另外，本研究中有效態(tài)量Cu、Zn、Fe、Mn含量分別較山西省第二次土壤普查值[16]高129.35%、239.86%、86.80%和404.13%，表明經(jīng)過30 多年土壤耕作演替，山西省洪洞縣麥田土壤微量元素含量明顯提升，原因可能與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中有機(jī)肥的投入和測土培肥施肥技術(shù)推廣有關(guān)。一方面有機(jī)肥富含Cu、Zn 等微量元素[18]，進(jìn)而增加土壤中微量元素含量；測土配方施肥技術(shù)的宣傳推廣以及復(fù)合肥的使用，也進(jìn)一步維持了土壤- 作物系統(tǒng)微量元素的供需平衡[19-21]。

從洪洞縣土壤微量元素空間分布看，4 種微量元素全量含量分布表現(xiàn)為南部相對較低，西北部相對較高，而有效態(tài)含量分布則表現(xiàn)為西北部相對較低，中部和東南部相對較高。這可能與洪洞縣的土壤類型和地形特征有關(guān)：一方面，洪洞縣西北部多為褐土，其成土母質(zhì)主要為石灰?guī)r，且在風(fēng)化過程中很多礦物成分在氧氣、二氧化碳以及水的作用下發(fā)生化學(xué)分解，經(jīng)長期的風(fēng)化與沉積致使其本身就濃縮富集了多種微量元素；另一方面，洪洞縣西北部海拔高，平均氣溫低，土壤養(yǎng)分分解緩慢，有利于微量元素積累。洪洞縣東南平原地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)耕作次數(shù)和養(yǎng)分投入較多，水肥氣熱條件充分，利于微量元素的活化。因此，有效態(tài)微量元素含量較高，整體表現(xiàn)為全量與有效態(tài)分布趨勢呈大致相反的規(guī)律。

本研究中山西省洪洞縣耕層土壤中4 種微量元素有效度總體表現(xiàn)為Mn＞Cu＞Zn＞Fe。土壤微量元素有效度通常與土壤酸堿度、有機(jī)質(zhì)含量及陽離子交換量有很大關(guān)系[22]。也有研究表明，有機(jī)質(zhì)含量高的土壤更有利于土壤錳的活化和累積[17]。土壤中有機(jī)物的腐解過程產(chǎn)生大量的電子，使土壤體系氧化還原電位下降，還原性增強(qiáng)，土壤中大量的氧化錳被快速還原，產(chǎn)生游離態(tài)的亞錳離子，增加了土壤溶液中錳元素的可溶性，另外，錳離子與有機(jī)質(zhì)中的活性基團(tuán)具有特殊的親和力，容易形成錳有機(jī)絡(luò)合物，這些絡(luò)合物溶解度較大，也能增加上壤錳的有效性[23-24]。張建杰等[25]研究發(fā)現(xiàn)，洪洞縣土壤有機(jī)質(zhì)平均值為26.75 g/kg，屬于中等偏上水平這可能是當(dāng)?shù)赝寥乐绣i有效度相對較高的原因之一。

3.2 小麥籽粒中微量元素含量及其富集能力特征

洪洞縣麥田小麥籽粒中微量元素Cu、Zn、Fe、Mn 含量平均值總體表現(xiàn)為Fe＞Mn＞Zn＞Cu。小麥籽粒中Fe 的含量高于Zn 和Cu，這可能與洪洞縣土壤中有效Fe 含量本身高于Zn 和Cu 有關(guān)。李峰等[26]在同一試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行了30 種不同栽培處理對小麥籽粒微量元素含量影響的試驗(yàn)研究，也發(fā)現(xiàn)4 種微量元素在小麥籽粒中含量的分布趨勢均為Fe＞Mn＞Zn＞Cu，表明這些籽粒中這些元素的含量分布受土壤本身含量影響較大，而人為的栽培措施的影響是有限的。本研究中小麥籽粒中微量元素Cu、Zn、Fe、Mn 的富集系數(shù)平均值分別為24.14%、42.68%、0.36%、6.58%，表明洪洞縣小麥籽粒富集能力強(qiáng)弱從大到小依次為Zn＞Cu＞Mn＞Fe，原因可能是Zn 元素能較好地在小麥韌皮部移動，從而將Zn 元素輸送到小麥籽粒當(dāng)中，因此，小麥可以更好地吸收Zn 元素[27]，小麥籽粒富集Zn 能力最強(qiáng)。