東北水稻產(chǎn)區(qū)土壤-作物系統(tǒng)鋅元素生態(tài)地球化學特征

禹惠敏，王冬艷，王興佳，商屹

吉林大學 地球科學學院，長春 130061

0 引言

鋅(Zn)是植物必需的營養(yǎng)元素之一，植物體內(nèi)的鋅含量因植物種類及品種不同而存在差異。鋅在植物的生長發(fā)育中具有不可替代性，是植物體內(nèi)多種酶的組成成分和活化劑，在生長素合成、光合作用中CO2的水合作用、氮素同化、蛋白質(zhì)與核酸代謝以及生殖器官發(fā)育與提高抗性等生長過程中發(fā)揮著重要的作用[1-3]。水稻是世界上最重要的糧食作物之一，是人類重要的主食農(nóng)產(chǎn)品。水稻體內(nèi)鋅元素的運移以及農(nóng)業(yè)過程中鋅肥的合理施用，一直受到廣泛關注[4-8]。同時鋅元素作為人體14種必需微量元素之一，分布于全身各組織器官，被醫(yī)學界和營養(yǎng)學界譽為“智慧之源”、“生命之花”等[9]，人體缺鋅會引起侏儒癥、糖尿病、生殖器官和第二性征發(fā)育不完全等諸多疾病[10]。鋅元素在“土壤-水稻-人體”中主要來源于土壤，因此土壤-水稻作物系統(tǒng)中鋅元素的生態(tài)地球化學特征不僅對水稻生產(chǎn)具有重要意義，并最終影響人體的鋅營養(yǎng)狀況[11]。

學者們研究了不同農(nóng)業(yè)種植模式下土壤-作物系統(tǒng)中鋅元素的特征，Chen et al.[12]研究發(fā)現(xiàn)鋅等元素在土壤-水稻系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)移能力強于土壤-小麥和土壤-油菜系統(tǒng)。何邵麟等[13]對烏蒙山區(qū)土壤硒、鋅元素的分布特征和富硒、鋅特色農(nóng)產(chǎn)品的富集特征進行了研究。劉凱等[14]研究結果顯示鋅全量在土壤-水稻系統(tǒng)中顯著下降，作物的食用器官中鋅含量特征為蔬菜作物>根類作物>谷類作物。對于不同地質(zhì)背景土壤-作物系統(tǒng)中鋅元素的特征，學者們也進行了廣泛的研究[15-18]。東北平原地區(qū)有較大面積的富硒土壤[19]，這一地區(qū)在土壤-水稻系統(tǒng)中硒的分布和富集的研究工作日漸升溫[20-23]，同時，對鋅作為重金屬的土壤地球化學的研究較多[24-25]，而土壤-水稻系統(tǒng)鋅元素生態(tài)地球化學的探究工作開展的相對較少。

基于此，筆者選取12個東北地區(qū)主要水稻產(chǎn)地為采樣區(qū)，揭示土壤表層和水稻鋅含量的分布特征及土壤-作物系統(tǒng)鋅元素的遷移累積特征，為提升東北水稻品質(zhì)及糧食生產(chǎn)提供生態(tài)地球化學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 采樣區(qū)概況

黑龍江、吉林和遼寧省是中國重要的水稻生產(chǎn)基地，屬于早熟單季稻稻作區(qū)，主要種植粳稻，種植面積占2.6%。采樣區(qū)主要在黑龍江省綏化市，哈爾濱市(方正縣、延壽縣)，五常市；吉林省舒蘭市，永吉縣，東豐縣，梅河口市，前郭爾羅斯蒙古族自治縣，雙遼市，公主嶺市，琿春市；遼寧省盤山縣，大洼區(qū)，營口市(大石橋市)(圖1)。

圖1 樣點分布圖Fig.1 Samples distribution map

樣區(qū)主要分布在第四系地層上，黑龍江省研究區(qū)出露地層主要為第四系中更新統(tǒng)、上更新統(tǒng)和中上更新統(tǒng)并層，吉林省研究區(qū)出露地層主要為第四系全新統(tǒng)、上更新統(tǒng)地層，遼寧省研究區(qū)出露地層主要為第四系全新統(tǒng)、上更新統(tǒng)地層。土壤類型主要為草甸土、草甸白漿土、暗棕壤、黑土、草原風沙土、水稻土、淹育水稻土、鹽漬水稻土；成土母質(zhì)主要為酸性巖、沖洪積物、沖積物、風積物、黃土、沖海積物等。

1.2 樣品采集

土壤表層樣品和水稻樣品采集時間為水稻收獲前，主要采集了土壤表層樣品和對應的水稻樣品共123套。每個由3個子樣組合而成，每兩個子坑間距20 m，子樣坑呈三角形分布。土壤樣品采樣時刮去采樣點表面雜物，采集深度為0～20 cm，用四分法取約1 000 g樣品裝入干凈的布袋。采樣點布設遠離村莊及新近堆積土、田埂等局部異常地段。

水稻樣品采集是在土壤樣點采集范圍內(nèi)，采集時避開病蟲害和其他特殊的植株，分5個點采收500 g±成熟稻穗。土壤和水稻樣品在室內(nèi)進行自然陰干，土壤研磨過2 mm篩備用，水稻稻穗用脫殼機處理，分裝送測。

1.3 方法

1.3.1 測試方法

稱取0.100 g試樣，加1 mL高氯酸，1 mL過氧化氫消解樣品。土壤、水稻籽實中鋅元素采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS)測定，儀器使用Agilent公司生產(chǎn)的7500a型電感耦合等離子體質(zhì)譜儀，鋅元素最低檢出限為0.01 mg/kg。樣品測試在吉林大學東北亞礦產(chǎn)資源評價重點實驗室完成。

1.3.2 研究方法

元素生物富集系數(shù)是某元素在生物體內(nèi)的含量與該元素在環(huán)境(以土壤為主)中含量的比值，以此來揭示植物(作物)對元素的吸收富集特征。本研究中鋅元素生物富集系數(shù)為該水稻籽實的鋅元素與對應的耕作層土壤中含量的比值[26]，是一個無量綱數(shù)值[27]。計算公式為：BCF=C籽實/C土壤，其中，BCF是元素的生物富集系數(shù)，C籽實是作物籽實中元素的含量，C土壤是對應耕作土壤中元素的含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理描述性統(tǒng)計、相關分析等運用IBM SPSS Statistics 25.0和Microsoft Excel 2019完成，圖件繪制采用ArcGIS10.4完成。

2 結果與分析

2.1 鋅含量特征

2.1.1 土壤表層鋅含量特征

研究區(qū)土壤表層的鋅含量為11.01～94.95 mg/kg，平均值為43.97 mg/kg，變異系數(shù)為40.03%，屬于中等分異型，鋅元素在研究區(qū)空間上差異不大(表1)。其中雙遼—公主嶺土壤表層鋅含量最低，平均值為22.58mg/kg，營口土壤表層鋅含量最高，平均值為57.04 mg/kg。標準差反映鋅元素的離散程度，標準差小，表示鋅含量空間差異??；標準差大，表示鋅含量空間差異大[29]。由高到低依次為大洼、琿春、營口、五常、舒蘭、東豐—梅河口、永吉、哈爾濱、盤山、綏化、前郭、雙遼—公主嶺。

表1 土壤表層鋅全量統(tǒng)計

鋅在各土壤類型中含量分布從高到低依次為水稻土、鹽漬水稻土、淹育水稻土、暗棕壤、草甸白漿土、草甸土、黑土、草原風沙土(表2)。不同樣區(qū)的土壤類型較多，土壤鋅含量變異較大，單一土壤類型鋅含量的變異系數(shù)都相對較小，鋅含量空間差異較小。

東北地區(qū)水稻產(chǎn)區(qū)土壤表層鋅含量均值為43.97 mg/kg，整體處于五等，為鋅缺乏狀態(tài)(表3)。土壤鋅含量為一等的樣品共6件，占4.88%，鋅含量處于豐富水平，分布在吉林省(琿春、舒蘭)和遼寧省(大洼、營口)；二等的樣品共8個，占6.50%，鋅含量處于較豐富水平，主要分布在吉林??；三等的樣品共6個，占4.88%，鋅含量處于中等水平，分布在黑龍江省和吉林??；四等的樣品共11個，占8.94%，鋅含量處于較缺乏水平，主要分布在吉林省和遼寧省；五等的樣品共92個，占74.80%，鋅含量處于缺乏水平，黑龍江省和吉林省的土壤樣品缺鋅率均為76%，遼寧省為70%。從每個樣區(qū)的平均含量上看，東豐—梅河口、琿春和營口的土壤表層鋅含量處于較缺乏水平，其余樣區(qū)全部為缺乏水平。土壤表層樣點鋅含量的最高值出現(xiàn)在大洼樣區(qū)。

表3 土壤鋅養(yǎng)分等級劃分標準

2.1.2 水稻鋅含量特征

籽實鋅含量為14.27～36.92 mg/kg，平均值為24.70 mg/kg ，變異系數(shù)為15.03%，屬于弱分異型，水稻籽實鋅含量在空間上差異不大(表4)。除琿春樣區(qū)水稻籽實鋅含量為22.58%的中等變異外，其他樣區(qū)的水稻籽實鋅含量均為弱分異型。

參照中國居民膳食營養(yǎng)素參考攝入量(表5)[31]，成人每日最高可耐受鋅攝入量為40 mg，每日推薦鋅攝入量為7.5～12.5 mg。根據(jù)中國居民膳食指南[32]推薦，每天攝入250～400 g谷薯類食物。假設每天食用400 g大米，大米的鋅含量為18.75～31.25 mg/kg，上限為100 mg/kg。類比現(xiàn)行國家標準中大米的等級順序，將籽實的鋅含量分為3個等級，即不足、適宜和略超。依據(jù)此標準計算，不足是指鋅含量<18.75 mg/kg，適宜的鋅含量為18.75～31.25 mg/kg，略超的鋅含量為31.25～100 mg/kg。籽實樣品中的鋅含量沒有>100 mg/kg的，所以不做討論。

表4 籽實鋅含量統(tǒng)計

表5 中國居民膳食營養(yǎng)素參考攝入量

123個水稻籽實樣品中，只有3個樣品鋅含量不足，<18.75 mg/kg，占2.44%。12個樣品鋅含量適宜，占91.06%，鋅的含量可以滿足人體需要從谷物中攝取到的量。8份樣品鋅含量略超標，占6.50%，鋅含量超過每日推薦攝入量，但低于成人最高耐受攝入量，未超過警示范圍?？梢?，97.56%東北大米的鋅含量滿足人體日常需要，品質(zhì)優(yōu)良。

從土壤表層與籽實對應的鋅含量特征分析可以發(fā)現(xiàn)，東北主要水稻產(chǎn)區(qū)土壤表層鋅含量總體處于缺乏狀態(tài)，籽實鋅含量滿足人體攝入所需的比例為97.56%，可見土壤表層鋅元素的豐缺狀況不能完全反映籽實鋅元素的豐缺狀況，籽實的鋅含量也受其他因素的影響。

2.2 籽實吸收鋅影響因素

籽實鋅生物富集系數(shù)從高到底依次為為雙遼—公主嶺、前郭、盤山、大洼、哈爾濱、綏化、琿春、東豐—梅河口、營口、永吉、五常、舒蘭，平均值分別為107.28%、79.21%、66.26%、63.85%、61.42%、58.51%、58.36%、55.74%、55.12%、51.37%、51.36%、51.05%(表6)。從土壤類型上來看，籽實的生物富集系數(shù)從高到低依次為草原風沙土、草甸土、鹽漬水稻土、黑土、淹育水稻土、水稻土、暗棕壤、草甸白漿土，平均值分別為87.77%、72.19%、59.49%、56.02%、52.85%、51.17%、51.05%、50.63%(表7)。

土壤鋰含量在五常(r=-0.808)、雙遼—公主嶺(r=-0.588)、盤山(r=-0.693)與鋅的生物富集系數(shù)顯著負相關。土壤鈹含量在五常r=-0.842)、雙遼—公主嶺(r=-0.705)、舒蘭(r=-0.799)與鋅的生物富集系數(shù)顯著負相關。土壤硼、鍺、鉍含量在除大洼、營口等樣區(qū)與鋅的生物富集系數(shù)顯著負相關。土壤鎘含量在綏化(r=-0.772)、五常(r=-0.828)、前郭(r=-0.823)、琿春(r=-0.634)與鋅的生物富集系數(shù)顯著負相關。土壤鉛含量在哈爾濱(r=-0.763)、五常(r=-0.769)、雙遼—公主嶺(r=-0.650)、前郭(r=-0.677)、舒蘭(r=-0.777)、琿春(r=-776)與鋅的生物富集系數(shù)顯著負相關(表8)。

表6 籽實鋅生物富集系數(shù)

表7 不同土壤類型的籽實鋅生物富集系數(shù)

表8 土壤元素含量與鋅生物富集系數(shù)的相關系數(shù)

3 討論

中國鋅元素土壤背景值為2.6～593 mg/kg，平均值為74.2 mg/kg[33]，松遼平原鋅元素土壤背景值為26.95～74.88 mg/kg，平均值為54.89 mg/kg[34]，與之相比，研究區(qū)土壤鋅元素含量水平較低，鋅含量較缺乏。東北是優(yōu)質(zhì)大米主產(chǎn)區(qū)，水稻等大宗農(nóng)作物的集約化種植、肥料使用不足及不合理使用等因素都會導致土壤系統(tǒng)中鋅等養(yǎng)分的失衡。

鋅是作物生長必需元素。張得雯等[35]利用原子吸收光譜法測定了102份寧夏富鋅水稻籽粒糙米中的鋅含量，結果顯示籽粒鋅含量為12.75～36.00 mg/kg。陳德等[36]對不同品種水稻籽粒鋅含量研究表明，鋅含量為16.9～26.6 mg/kg。此次研究中，東北大米籽實鋅含量為14.27～36.92 mg/kg，含量較高，可以滿足人體每日所需，品質(zhì)優(yōu)良。

籽實對鋅元素的富集受到多種因素影響。已有研究證明，土壤有效鋅含量[37]、pH值[38]、氮[39-40]、磷[41-42]含量等都會影響籽實對鋅元素的吸收富集。鍺在動物體內(nèi)與鋅等重金屬元素有拮抗作用，但在作物中對鋅的影響研究較少[43]。本次研究結果表明，水稻籽實對鋅的吸收富集也受鋅與其他元素交互作用的影響，土壤鍺含量增加，水稻籽實鋅的富集系數(shù)降低。數(shù)據(jù)顯示樣區(qū)水稻籽實中鋅元素富集系數(shù)隨著土壤鎘元素含量的增加而呈現(xiàn)出降低的趨勢，這說明土壤中的鎘元素含量對于水稻籽實的鋅元素的富集起到一定的抑制作用。水稻是一類籽粒鎘積累能力強而鋅排斥作用顯著的特別作物[44]，鎘脅迫會導致水稻籽粒處于嚴重的鎘暴露、鋅缺乏狀態(tài)[45]。何念祖[46]通過鉛對小麥生長的研究結果發(fā)現(xiàn)，小麥地上部鋅含量隨土壤鉛用量的增加而減少，根系鋅含量隨土壤鉛用量的增加而增加。

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，為增加水稻籽實的鋅含量，可以從多個不同方面因地制宜、綜合考慮土壤性質(zhì)，同時可以選用富鋅稻種育苗種植。水稻生長過程中，可以進行鋅肥的施用，同時配合葉面噴鋅的方法[7,47]，來提高水稻的鋅營養(yǎng)品質(zhì)。

4 結論

(1)東北水稻產(chǎn)區(qū)土壤表層鋅含量為11.01～94.95 mg/kg，平均值為43.97 mg/kg，變異系數(shù)為40.03%，為中等分異。東北地區(qū)水稻產(chǎn)區(qū)土壤表層鋅含量總體處于鋅缺乏狀態(tài)。

(2)水稻籽實鋅含量為14.27～36.92 mg/kg，平均值為24.70 mg/kg，變異系數(shù)為15.03%，為弱分異型。97.56%的籽實鋅含量可以滿足人體需要從谷物中攝取到的量，且品質(zhì)優(yōu)良。

(3)水稻籽實鋅生物富集系數(shù)從高到低依次為雙遼—公主嶺、前郭、盤山、大洼、哈爾濱、綏化、琿春、東豐—梅河口、營口、永吉、五常、舒蘭。不同土壤類型的籽實鋅生物富集系數(shù)從高到低依次為草原風沙土、草甸土、鹽漬水稻土、黑土、淹育水稻土、水稻土、暗棕壤、草甸白漿土。

(4)水稻籽實對鋅元素的富集與土壤表層硼、鍺、鉍、鎘、鉛、鋰、鈹含量呈不同程度的顯著負相關。