基于ICP-MS分析的苜蓿礦質(zhì)元素含量特征與評價(jià)

張欣昕 張福金* 劉廣華 張 堯 孫 林 莎 娜 郭志剛

(1.內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)牧業(yè)科學(xué)院，呼和浩特 010030； 2.鄂爾多斯市環(huán)境保護(hù)中心監(jiān)測站，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000)

苜蓿(Medicago Sativa)作為重要的飼草產(chǎn)品，在提高奶牛養(yǎng)殖生產(chǎn)效益，增加農(nóng)牧民收入，發(fā)展草畜結(jié)合、高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效的產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略中發(fā)揮著越來越重要的作用[1]。礦質(zhì)元素是苜蓿生長發(fā)育和品質(zhì)形成的物質(zhì)基礎(chǔ)，其含量和相互之間的作用，影響著蛋白、氨基酸等營養(yǎng)物質(zhì)的合成[2]。同時(shí)，苜蓿中礦質(zhì)元素的含量也對家畜營養(yǎng)物質(zhì)攝入起決定性因素[3]。苜蓿礦質(zhì)營養(yǎng)價(jià)值的大小直接影響家畜的免疫機(jī)能、生長發(fā)育和動(dòng)物產(chǎn)品品質(zhì)[4]。因此，開展苜蓿中礦質(zhì)元素的特征分析，對苜蓿品種的選育、產(chǎn)品開發(fā)及合理利用具有重要意義。目前，相關(guān)性分析、主成分分析和聚類分析已被廣泛運(yùn)用于蔬菜[5]、水果[6]、茶葉[7]等農(nóng)產(chǎn)品多指標(biāo)礦質(zhì)元素的品質(zhì)評價(jià)工作中，以揭示營養(yǎng)元素間的差異及內(nèi)在影響。在天然牧草的礦質(zhì)元素分析上，也有應(yīng)用?；葆瘧萚8]利用相關(guān)性分析研究了內(nèi)蒙古針茅植物的15種礦質(zhì)元素組成差異，發(fā)現(xiàn)有25對元素有顯著相關(guān)(p<0.05)。烏蘭等[9]基于礦質(zhì)營養(yǎng)元素分析了蘇尼特右旗草原上23種植物礦質(zhì)營養(yǎng)元素含量特征，發(fā)現(xiàn)不同植物表現(xiàn)出一定的分類(科)變化的規(guī)律。而基于礦質(zhì)元素的苜蓿干草品質(zhì)分析還尚未見報(bào)道。由于日糧補(bǔ)充礦物飼料，粗飼料中礦質(zhì)元素常常不被重視，但其含量對草食動(dòng)物健康非常重要。因此，本研究以黑龍江、內(nèi)蒙古和陜西等9省本地生產(chǎn)和進(jìn)口的苜蓿干草為研究對象，以石墨消解-電感耦合等離子體質(zhì)譜法分析測定鉀、鈣、鎂等17種礦質(zhì)元素，利用相關(guān)性分析和主成分分析，分析進(jìn)口和國產(chǎn)苜蓿礦質(zhì)元素含量之間的差異。揭示苜蓿干草中礦質(zhì)元素含量和相關(guān)性特征，探明進(jìn)口和國產(chǎn)苜?？傮w礦質(zhì)差異，明確差異元素，為苜蓿品種的選育、施肥管理與苜蓿草產(chǎn)品的合理開發(fā)利用提供重要依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

于2019和2020年采集黑龍江、內(nèi)蒙古、陜西、寧夏、河北、山東、安徽、四川、云南等9省主要牧場的苜蓿干草樣品，共計(jì)52份。其中，國產(chǎn)苜蓿30份，進(jìn)口苜蓿(主要來源于美國、加拿大和西班牙等地)22份。

1.2 主要儀器和試劑

ST60D自動(dòng)石墨消解系統(tǒng)(北京普立泰科公司)，iCAP-TQ電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(美國Thermo公司)，單元素標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備溶液(1 000 mg/L)購自國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)研究中心(根據(jù)需要使用前臨時(shí)配制混合標(biāo)準(zhǔn)工作液)，內(nèi)標(biāo)物鈧(Sc)、鍺(Ge)、銦(In)、鉍(Bi)購自國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)研究中心，濃硝酸(優(yōu)級純，德國Meker公司)。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

按照“GB/T 14699—2005.1”中有關(guān)規(guī)定采集樣品，每個(gè)采樣點(diǎn)隨機(jī)采集3個(gè)樣品，去雜質(zhì)后充分混勻。將采集的樣品取500～1 000 g，于60 ℃鼓風(fēng)烘箱干燥2 h后，再用105 ℃烘干至恒定質(zhì)量，四分法取樣后，充分研磨，過100 mm篩，作為分析樣品備用。

礦質(zhì)元素測定方法參照黃建立等[10-11]的方法，稱取1.000 g于50 mL消化管中，加入8.0 mL硝酸，靜置過夜，次日置于石墨消解器中，于120 ℃消解至約1 mL(約3 h)，冷卻后加入2 mL過氧化氫(約1 h)，于120 ℃繼續(xù)消解至大約1 mL，取下用超純水定容到50 mL。同時(shí)做試樣空白。用ICP-MS法測定樣品中的鉀(K)、鈣(Ca)、鎂(Mg)、鈉(Na)、磷(P)、鋁(Al)、錳(Mn)、鋅(Zn)、銅(Cu)、鉛(Pb)、鎳(Ni)、碘(I)、鉻(Cr)、砷(As)、鈷(Co)、鎘(Cd)和汞(Hg)共17種礦物元素的含量。用外標(biāo)法定量分析，以環(huán)境標(biāo)樣為標(biāo)準(zhǔn)品，用Sc、Ge、In、Bi保證儀器穩(wěn)定性。ICP-MS運(yùn)行條件如表1所示。

表1 ICP-MS運(yùn)行條件

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2019 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和表格繪制，應(yīng)用IBM SPSS Statistics 20.0 統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行相關(guān)性分析、主成分分析和方差分析。主成分分析采用 Factor 過程的主成分分析法，因子提取特征值大于 1 的主成分；組間多重比較采用 Duncan 法。

2 結(jié)果與分析

2.1 礦質(zhì)元素含量特征

從常量元素看，苜蓿干草中K含量最高(見表2)，平均值達(dá)20 876 mg/kg，其次是Ca>Mg>Na>P，其含量均超過1 000 mg/kg，其余12 種微量元素中，Al含量顯著高于其他微量元素，其次是Mn和Zn，含量超過10 mg/kg，Cu、Pb和Ni的含量超過1 mg/kg，I、Cr、As、Co和Cd含量平均值在0.1～1 mg/kg，Hg含量低于0.1 mg/kg。12 種微量元素中，Pb、Cr、As、Cd和Hg具有潛在毒性，在我國飼料衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)中有明確的限量規(guī)定[12]，從表3可看，52份苜蓿草均不存在Pb、Cr、As、Cd和Hg含量超標(biāo)。17 種礦質(zhì)元素含量的變異系數(shù)在 34.57%～158.4%，Zn、Cu、Cr和Hg的變異系數(shù)相對較大，均大于100%，其他元素的變異系數(shù)也均在30%以上，說明苜蓿干草中礦質(zhì)元素含量具有明顯差異性，有必要進(jìn)行礦質(zhì)元素含量分析與綜合評價(jià)。

表2 苜蓿干草中礦質(zhì)元素含量

2.2 礦質(zhì)元素含量相關(guān)性分析

相關(guān)性分析顯示(表3)，苜蓿干草中17種礦質(zhì)元素間具有極顯著相關(guān)關(guān)系(p<0.01)的有33對，Cu、K、Mg、Al、K、Ca元素兩兩之間存在極顯著正相關(guān)，其中Cu和Ca的相關(guān)系數(shù)達(dá)0.745；Mn與Cu、Zn呈極顯著正相關(guān)(p<0.05)，與Zn的相關(guān)系數(shù)達(dá)0.930，說明Mn含量高的苜蓿干草中Zn含量也高；具有潛在毒性的Pb、Cr、As、Cd和Hg元素間表現(xiàn)為：Cr與Cd呈極顯著負(fù)相關(guān)，Cd與Hg呈極顯著負(fù)相關(guān)。苜蓿干草中礦質(zhì)元素含量之間存在著復(fù)雜的相互作用關(guān)系，具有進(jìn)行主成分分析的基礎(chǔ)。

2.3 礦質(zhì)元素含量主成分分析

對苜蓿干草中17種礦質(zhì)元素含量標(biāo)準(zhǔn)化處理后，以特征值>1 提取主成分(表 4)，共提取5個(gè)主成分，前5個(gè)主成分累積方差貢獻(xiàn)率達(dá) 74.90%，包含了17種礦質(zhì)元素含量的主要信息。第1主成分方差貢獻(xiàn)率最大，達(dá) 32.48%，第1主成分中因子載荷值較大的是Ca、Cu、Mg和K元素，均大于0.7，說明第1主成分主要受這4種元素影響，第2主成分主要受Zn元素影響，第3和第5主成分主要受Co和Na元素影響。因此認(rèn)為Ca、Cu、Mg、K、Zn、Co和Na是苜蓿干草的主要特征礦質(zhì)元素。

表3 苜蓿干草中礦質(zhì)元素含量相關(guān)性分析

表4 苜蓿干草中礦質(zhì)元素含量主成分分析

計(jì)算主成分載荷系數(shù)與其特征值算術(shù)平方根的比值，以其比值和礦質(zhì)元素含量建立各主成分與礦質(zhì)元素含量之間線性函數(shù)Yi，再利用5個(gè)主成分各自的方差貢獻(xiàn)率與累積方差貢獻(xiàn)率(74.90%)的比值為權(quán)重構(gòu)建苜蓿干草礦質(zhì)元素含量評價(jià)模型pn，即pn與yi(i=1～5)之間的線性函數(shù)為pn=0.434y1+0.190y2+0.163y3+0.129y4+0.084y5，pn越大說明總體礦質(zhì)元素含量越高。計(jì)算52份苜蓿干草的pn，并以pn由小到大排序，結(jié)果如表5所示，通過該評價(jià)模型發(fā)現(xiàn)：進(jìn)口苜蓿樣品的pn普遍大于國產(chǎn)苜蓿，說明進(jìn)口苜蓿的總體礦質(zhì)元素含量高于國產(chǎn)苜蓿。

2.4 國產(chǎn)和進(jìn)口苜蓿礦質(zhì)元素含量差異

為了進(jìn)一步研究國產(chǎn)和進(jìn)口苜蓿在礦質(zhì)元素上的差異，分別統(tǒng)計(jì)了國產(chǎn)和進(jìn)口苜蓿干草中礦質(zhì)元素含量，并進(jìn)行方差分析(表6)。進(jìn)口苜蓿中K、Ca和Mg含量平均值分別為(28425.77±1624) mg/kg、4 892.88±490和(3 396.66±194) mg/kg，其含量顯著高于國產(chǎn)苜蓿(p<0.05)，而國產(chǎn)苜蓿中Na含量平均值(2 582.11±346) mg/kg，顯著高于進(jìn)口苜蓿(p<0.05)，P含量在國產(chǎn)和進(jìn)口苜蓿干草中無差異。12 種微量元素中，Cu、Cr、Hg、Co和Cr含量在國產(chǎn)和進(jìn)口產(chǎn)品中存在差異顯著，Cu、Cr和Hg的含量呈現(xiàn)出進(jìn)口苜蓿大于國產(chǎn)苜蓿，而Co和Cr的含量呈現(xiàn)國產(chǎn)大于進(jìn)口的趨勢(表7)。

2.5 基于礦質(zhì)元素的國產(chǎn)和進(jìn)口苜蓿營養(yǎng)評價(jià)

對國產(chǎn)和進(jìn)口苜蓿進(jìn)行礦質(zhì)元素營養(yǎng)評價(jià)，參照美國農(nóng)學(xué)會(huì)、作物學(xué)會(huì)和土壤學(xué)會(huì)的《Alfalfa Management Guide》[13]中的組織分析診斷表分析：進(jìn)口苜蓿中K、Ca、Mg、Mn和Cu含量基本在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，P和Zn含量接近標(biāo)準(zhǔn)下限；而國產(chǎn)苜蓿只有Mn和Cu含量在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，Mg、P、Zn含量接近標(biāo)準(zhǔn)下限，K和Ca含量較低。與進(jìn)口苜蓿干草相比，國產(chǎn)苜蓿在K和Ca礦質(zhì)營養(yǎng)上缺失相對嚴(yán)重。

表5 52份苜蓿干草礦質(zhì)元素主成分含量評價(jià)結(jié)果

表6 國產(chǎn)和進(jìn)口苜蓿礦質(zhì)元素含量

表7 國產(chǎn)和進(jìn)口苜蓿礦質(zhì)元素含量

3 討論

不同礦質(zhì)元素在植物中的含量存在明顯差異。本研究發(fā)現(xiàn)，苜蓿干草中礦質(zhì)元素種類豐富和含量變異較大，元素含量排序?yàn)镵>Ca>Mg>Na>P>Al>Mn>Zn>Cu>Pb>Ni>Cr>As>Co>Cd>Hg，其中K含量最高。張英俊[14]研究表明，苜蓿對K含量的需求量高于其他任何一種元素，且苜蓿的高產(chǎn)是建立在高K的基礎(chǔ)上。P對促進(jìn)有機(jī)磷化物和蛋白質(zhì)的合成有明顯作用[15]，Mg可促進(jìn)植物的呼吸作用和氮代謝與蛋白質(zhì)的合成過程[16]，Ca可與Al、Na等離子形成拮抗作用，影響動(dòng)物吸收[17]。本研究結(jié)果中Ca、Mg和P含量分別為0.16%～1.25%、0.12%～0.56%、0.069 8%～0.39%。

主成分分析是通過降維，將多個(gè)具有一定相關(guān)性的觀測指標(biāo)轉(zhuǎn)化為能代表主要影響因子的多元統(tǒng)計(jì)方法[18]。本研究發(fā)現(xiàn)苜蓿干草中，礦質(zhì)元素間具有極顯著相關(guān)關(guān)系的有33對，Cu、K、Mg 、Al、K、Ca元素兩兩之間存在極顯著正相關(guān)，基于苜蓿干草礦質(zhì)元素之間的相關(guān)性，通過主成分分析將所研究的17種礦質(zhì)元素指標(biāo)進(jìn)行簡化，篩選出Ca、Cu、Mg、K、Zn、Co和Na這7種元素可作為苜蓿干草的主要特征礦質(zhì)元素。

基于礦質(zhì)元素研究發(fā)現(xiàn)，進(jìn)口苜蓿中K、Ca和Mg含量顯著高于國產(chǎn)苜蓿，國產(chǎn)苜蓿在K、Ca和Mg礦質(zhì)營養(yǎng)上相對缺乏。

4 結(jié)論

1)國內(nèi)9省主要牧場正在飼喂的苜蓿干草中礦質(zhì)元素含量差異明顯，17 種礦質(zhì)元素含量的變異系數(shù)在34.57%～158.4%，平均含量最高的是K元素，達(dá)20 876.69 mg/kg，其次是Ca>Mg>Na>P。其余12 種微量元素中，Al含量顯著高于其他微量元素，不存在Pb、Cr、As、Cd和Hg等重金屬超標(biāo)現(xiàn)象。

2)苜蓿干草中Cu、K、Mg 、Al、K、Ca依存度高，兩兩元素間存在極顯著正相關(guān)(p<0.01)，Mn與Cu、Zn呈極顯著正相關(guān)(p<0.05)，Cr與Cd呈極顯著負(fù)相關(guān)(p<0.01)，Ca、Cu、Mg、K、Zn、Co和Na是我國當(dāng)前牧場飼喂的苜蓿干草的主要特征礦質(zhì)元素，累積方差貢獻(xiàn)率達(dá)74.904%，應(yīng)加強(qiáng)苜蓿生產(chǎn)利用環(huán)節(jié)平衡營養(yǎng)管理。

3)含量評價(jià)發(fā)現(xiàn)，進(jìn)口苜蓿中K、Ca、Mg、Cu含量顯著高于國產(chǎn)苜蓿，而國產(chǎn)苜蓿中Na和Co含量顯著高于進(jìn)口苜蓿，在總體礦質(zhì)元素含量上，進(jìn)口苜蓿優(yōu)于國產(chǎn)苜蓿；在營養(yǎng)利用上，國產(chǎn)苜蓿K和Ca礦質(zhì)營養(yǎng)相對缺乏，應(yīng)加強(qiáng)我國苜蓿選種和生產(chǎn)中鉀肥和微量元素肥料的配施。