母質(zhì)土壤對大米礦物元素含量的影響

錢麗麗 邱彥超 李殿威 符麗雪 張東杰

(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)食品學(xué)院1，大慶 163319)(黑龍江省雜糧加工及質(zhì)量安全工程技術(shù)研究中心2，大慶 163319)(黑龍江省農(nóng)產(chǎn)品加工與質(zhì)量安全重點實驗室3，大慶 163319)

水稻是我國的重要糧食之一，黑龍江水稻產(chǎn)量占全國水稻產(chǎn)量的16.3%[1，2]。查哈陽、建三江、五常大米因其品質(zhì)優(yōu)、礦物元素豐富被消費者青睞[3]。但水稻自身不能合成礦物元素，需從周圍環(huán)境(土壤、水、氣候、大氣等)中攝取，從而形成具有地域特征的礦物元素指紋[4]。礦物元素分析被認(rèn)為是食品產(chǎn)地判別比較有效的方法，在植源性食品的產(chǎn)地判別中廣泛應(yīng)用[5]。大米中礦物元素含量可能受品種、加工、栽培管理措施、年份、氣候和土壤等多方面因素的影響[6-8]，本研究主要探究土壤對大米礦物元素的影響，表層土壤易受耕作影響，不穩(wěn)定[9]，因此分析母質(zhì)土壤對大米礦物元素的影響對利用礦物元素指紋分析技術(shù)進(jìn)行大米產(chǎn)地溯源有很大的支持。大米中元素與土壤之間的關(guān)系早在1979年研究報道了土壤中鑭系元素與植物生長過程的富集和累積作用顯著相關(guān)[10]。Husted[11]在丹麥3種不同肥力的土壤上種植不同品種的春大麥，利用ICP-MS測定了樣品中元素含量，結(jié)果表明不同品種間春大麥中元素含量差異不顯著，說明土壤和肥力對春大麥中元素影響較大。王楠斐等[12]對河南、山西、山東三省 32 個主產(chǎn)區(qū)的生地黃藥材及土壤中的8種元素進(jìn)行測定，通過不同產(chǎn)區(qū)地黃藥材和土壤中多元素的相關(guān)性分析，為地黃適宜栽培區(qū)域的選擇提供參考。Husted等[13]利用不同肥力的沙土和壤砂土種植大麥，結(jié)果表明土壤和栽培措施對大麥中礦物元素有較大影響。Nkikarinen等[14]以蘑菇為研究對象，土壤中痕量元素與蘑菇中痕量元素顯著相關(guān)。Almeida等[15]對葡萄酒和原料種植的土壤樣品進(jìn)行多種元素Pearson′s相關(guān)分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，葡萄酒中元素含量和土壤樣品中總元素含量存在極顯著相關(guān)(P<0.01)。本研究分別通過對2018年黑龍江查哈陽、建三江、五常的90對大米和母質(zhì)土壤進(jìn)行礦物元素統(tǒng)計與方差分析，得到不同產(chǎn)地大米中存在顯著差異的礦物元素和不同產(chǎn)地母質(zhì)土壤間存在的顯著差異元素。通過大米和母質(zhì)土壤相關(guān)性分析，篩選到與產(chǎn)地直接相關(guān)的有效特征礦物元素，并通過判別分析，對篩選的結(jié)果進(jìn)行了驗證。

1 材料與方法

1.1 樣品

以2018年五常、建三江和查哈陽實驗田種植的龍粳31(來自龍育03-1288/龍粳，由黑龍江省農(nóng)科院佳木斯水稻研究所育種，審定編號為黑審稻20，適宜在黑龍江省第三積溫帶種植)水稻和對應(yīng)的母質(zhì)土壤(20～40 cm)共90對為樣本，每個地區(qū)30對樣品。用取土器在土壤垂向剖面取樣，編號，剔雜質(zhì)，風(fēng)干后分級。

1.2 主要儀器設(shè)備

安捷倫7800 電感耦合等離子體質(zhì)譜儀，PW2404 X射線熒光光譜儀，MARS6classical微波消解儀，Milli-Q超純水機，GBW10010(GSB-1) 生物成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)-大米，土壤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW07401。

1.3 實驗方法

1.3.1 田間實驗設(shè)計

2018年在黑龍江稻米主產(chǎn)區(qū)五常(東經(jīng)126°42′～127°454′ ，北緯44°25′～45°13′)、建三江(東經(jīng)132°40′～134°25′，北緯47°01′～47°58′)、查哈陽(東經(jīng)124°05′～124°14，北緯48°07′～48°12′)開展田間實驗，各選3塊實驗田塊，呈三角分布，種植當(dāng)?shù)刂髟运酒贩N龍粳31，3次重復(fù)。隨機區(qū)組設(shè)計，小區(qū)面積不少于10 m2，四周設(shè)保護(hù)行，保護(hù)行品種與各對應(yīng)品種相同。按照當(dāng)?shù)卮筇锼镜墓芾矸绞?，統(tǒng)一農(nóng)事管理(施肥、噴藥等)[6]。

表1 各實驗站點信息和水稻生長期天氣條件信息表

1.3.2 樣本預(yù)處理方法

將樣品晾曬至含水量14%以下，參照GB/T 1354—2018《大米》[16]完成樣品的統(tǒng)一處理以染色法判定大米加工精度，得到二級精米，備用。土壤樣品在室內(nèi)通風(fēng)處自然晾干，取雜質(zhì)，粉碎，過100目篩，備用。

1.3.3 土壤理化指標(biāo)測定

依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)NY/T 1377—2007《土壤pH測定》[17]、DB51/T 1875—2014《土壤堿解氮的測定》[18]、NY/T 1121.7—2014《土壤檢測 第7部分：土壤有效磷的測定》[19]、DB13/T 844—2007《土壤速效鉀測定》[20]、NY/T 1121.6—2006《土壤檢測 第6部分：土壤有機質(zhì)的測定》[21],分別對不同地區(qū)母質(zhì)土壤的pH值、堿解氮、有效磷、速效鉀、有機質(zhì)進(jìn)行測定。

1.3.4 樣本消解及元素含量測定1.3.4.1 大米樣品消解方法及測定

采用電感耦合等離子質(zhì)譜儀對樣品和標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中元素測定[22]，每個樣品重復(fù)測定3次。

1.3.4.2 土壤樣品的消解方法及測定

利用X射線熒光光譜法測定土壤中Na、Mg、Ca、Mn、Al和Fe 元素含量[23]。其他元素測定同大米樣品測定，每個樣品重復(fù)測定3次。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS20.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析、相關(guān)性分析(Pearson分析)和Fisher判別分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同產(chǎn)地母質(zhì)土壤基本理化性質(zhì)

對不同地區(qū)母質(zhì)土壤的pH值、堿解氮、有效磷、速效鉀、有機質(zhì)進(jìn)行測定，分析結(jié)果如表1，五常地區(qū)母質(zhì)土壤的pH偏弱堿性[24，25]，而查哈陽與建三江地區(qū)母質(zhì)土壤的pH呈酸性，母質(zhì)土壤中五常地區(qū)堿解氮、有效磷的含量最多，查哈陽地區(qū)二者含量最少，而查哈陽地區(qū)母質(zhì)土壤中速效鉀的含量則高于其他二者，五常地區(qū)的有機質(zhì)含量最高，有機質(zhì)含量可以提供有機酸和腐殖酸，可以溶解土壤中的礦物元素，通過螯合或絡(luò)合作用，使之成為離子狀態(tài)有助于養(yǎng)分的吸收[26]?？傮w而言，五常地區(qū)土壤基本理化性質(zhì)與建三江和查哈陽差別較大，這主要與五常地區(qū)的土壤類型和地下水有關(guān)，這些基本理化性質(zhì)的差異對母質(zhì)土壤中元素含量和組成有一定影響。

表2 不同地區(qū)母質(zhì)土壤基本理化性質(zhì)

2.2 不同產(chǎn)地大米和母質(zhì)土壤礦物元素含量差異統(tǒng)計

不同產(chǎn)地大米樣品中礦物元素含量的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差如表3所示。對于不同產(chǎn)地來源大米樣品中礦物元素含量進(jìn)行方差分析。結(jié)果顯示，Na、K、Mn、Ni、 Cu、Zn、As、Se、Rb、Sr、Mo、Cd、Sb、Te、Ba、Pr、Nd、Eu、Gd、Pb和Rh元素的含量在不同產(chǎn)地之間有極顯著差異(P<0.01)，Ca、Al、Co、Ag、La和Ho元素在不同產(chǎn)地之間有顯著差異(P<0.05)。這一差異可能與三產(chǎn)地間不同的自然環(huán)境(土壤、降水、氣候等)有關(guān)。

表3 不同產(chǎn)地大米中礦物元素含量

不同產(chǎn)地母質(zhì)土壤中三個地區(qū)的測得結(jié)果見表4， Cr、Ni、Cu、Zn、Se、Rb、Sr、Mo、Ba、La和Pb在不同地區(qū)母質(zhì)土壤中存在顯著差異(P<0.05)，Eu、Tb、Ag、Cd、Nd、Ir、Pt和Tl在不同地區(qū)母質(zhì)土壤中存在極顯著差異(P<0.01)。其中，不同地區(qū)母質(zhì)土壤有不同的元素含量差異特點。Cr、Ni、Cu、Zn、Sr、Ag、Cd元素含量在不同產(chǎn)地中含量高低依次為查哈陽>五常>建三江。Se、Rb、Ba、La、Eu、Tl和Pb元素含量高低依次為查哈陽>建三江>五常。五常地區(qū)母質(zhì)土壤中Nd含量最高，建三江地區(qū)母質(zhì)土壤中Mo、Tb、Ir、Pt含量最高。土壤的礦物元素含量在地區(qū)之間的差異特征是礦物元素指紋信息用于鑒別不同產(chǎn)地的基礎(chǔ)。同時，從表中變異系數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)偏差數(shù)值可以看出，一些元素在同一地區(qū)內(nèi)部之間的差異也較大，可能與管理措施和人為活動有關(guān)，同時也有研究指出，在一定程度上變異系數(shù)可以用來表征土壤的累計情況，變異系數(shù)大可能說明元素具有較高的富集累計特征[27]。

表4 2018年度不同產(chǎn)地母質(zhì)土壤中的礦物元素含量統(tǒng)計分析

續(xù)表4

2.3 大米與母質(zhì)土壤中礦物元素相關(guān)性研究

許多研究表明，水稻中微量元素含量與土壤中元素含量有關(guān)。但整體大米礦物元素指紋信息與土壤中的元素相關(guān)性貢獻(xiàn)研究較少，本研究利用SPSS對大米與母質(zhì)土壤中的礦物元素含量進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果如表5，元素Mg和Nd在大米和母質(zhì)土壤中呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，Sr在大米和母質(zhì)土壤中呈極顯著正相關(guān)(P<0.05)，元素Te、Gd、Yb和U在大米和母質(zhì)土壤中呈極顯著負(fù)相關(guān)性(P<0.01)。

表5 母質(zhì)土壤和大米之間的相關(guān)系數(shù)

2.4 與母質(zhì)土壤直接相關(guān)的礦物元素判別分析

對篩選得到大米樣品中礦物元素與母質(zhì)土壤直接相關(guān)的礦物元素分別進(jìn)行Fisher判別分析。采用內(nèi)部交叉驗證法驗證模型的穩(wěn)定性。引入Mg、Sr、Te、Nd、Gd、Yb和U，得到判別結(jié)果如圖1和表6所示，不同產(chǎn)地大米分別位于不同的區(qū)域，說明區(qū)分效果很好。

圖1 與母質(zhì)土壤直接相關(guān)元素判別函數(shù)區(qū)域分類圖

利用此模型進(jìn)行大米產(chǎn)地溯源判別，對五常、查哈陽和建三江的樣品產(chǎn)地正確判別率分別是96.7%、100%和100%，交叉驗證產(chǎn)地正確判別率分別為96.7%、100%和100%，總體正確分類率為98.9%，交叉驗證率98.9%，說明模型穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性很高，只有1個樣本判錯。利用與母質(zhì)土壤直接篩選得到的Mg、Sr、Te、Nd、Gd、Yb和U建立的判別模型判別效果好，能夠提供足夠的大米產(chǎn)區(qū)土壤信息進(jìn)行大米樣品的產(chǎn)地溯源。

表6 與母質(zhì)土壤直接相關(guān)元素不同產(chǎn)地Fisher判別函數(shù)分類結(jié)果a,c

3 結(jié)論

通過實驗田設(shè)計并采樣，結(jié)合方差分析，Na、K、Mn、Ni、 Cu、Zn、As、Se、Rb、Sr、Mo、Cd、Sb、Te、Ba、Pr、Nd、Eu、Gd、Pb和Rh元素的含量在不同產(chǎn)地之間有極顯著差異(P<0.01)，Ca、Al、Co、Ag、La和Ho元素在不同產(chǎn)地之間有顯著差異(P<0.05)，Cr、Ni、Cu、Zn、Se、Rb、Sr、Mo、Ba、La和Pb在不同地區(qū)母質(zhì)土壤中存在顯著差異(P<0.05)，Eu、Tb、Ag、Cd、Nd、Ir、Pt和Tl在不同地區(qū)母質(zhì)土壤中存在極顯著差異(P<0.01)。通過對大米與母質(zhì)土壤的相關(guān)性分析，探究母質(zhì)土壤對大米各元素含量的影響，結(jié)果顯示，考慮母質(zhì)土壤的影響篩選得到Mg、Sr、Te、Nd、Gd、Yb和U元素與產(chǎn)地直接相關(guān)。利用篩選到的元素進(jìn)行判別分析，模型對五常、查哈陽和建三江的樣品產(chǎn)地正確判別率分別是96.7%、100%和100%，交叉驗證產(chǎn)地正確判別率分別為96.7%、100%和100%，總體正確分類率為98.9%，交叉驗證率98.9%。說明篩選到的元素是大米產(chǎn)地礦物元素指紋溯源的有效信息指標(biāo)。另外與地域相關(guān)的地理因素還包括氣候、灌溉水、耕作管理等，本實驗采用實驗田設(shè)計，增加了樣品來源和數(shù)據(jù)的真實性，同一年樣品，降低了不同年份天氣對其的影響，同一品種，降低了基因型對其的影響，采用同一農(nóng)事管理的方式降低了人為因素的影響。今后可以將這些因素綜合考慮對水稻自身礦物元素含量的影響，以期篩選出更加準(zhǔn)確有效與產(chǎn)地相關(guān)的特征礦物元素，為建立大米溯源信息庫提供支持。