土壤-玉米体系微量营养元素锰、锌、铜、铁的分布特征

傅炳森，孙爱德

(1.山东省临沂第一中学，山东 临沂 276005；2.临沂大学 资源环境学院，山东 临沂 276005)

土壤是衔接无机界和有机界的桥梁，微量营养元素在土壤-植物系统中的迁移是元素地球化学循环的重要组成部分[1]，其在不同介质间相互的迁移转化过程[2]，实现了各种元素从非生命圈进入生命体的重要过程，营养元素通过土壤到达农作物体内，籽实中累积的元素通过食物链进入人体[3]。微量营养元素首先被植物根部吸收，一部分在根部累积，另一部分输送到植物体的地上部分并富集，从而形成了营养元素在植物体根、茎、叶、花和籽实等器官的分布差异[4-6]。

锰、锌、铜、铁是玉米生长发育必需的微量营养元素，铁是叶绿素合成的重要成分，与光合作用有密切关系。锰是叶绿体的组成部分，植物生长发育必不可少。锌在植物体内影响广泛，促进生殖器官发育和提升抗逆性，是某些酶活化剂，并参与光合作用。铜是植物体内许多氧化酶的成份、呼吸作用的触媒，参与光合作用，促进花器官的发育[6-11]。微量营养元素在植物不同器官分配的研究以水稻最为成熟，其器官中营养元素含量分布规律大致为：根>秸秆>叶>籽实[12]。

玉米作为北方普遍种植的农作物，在饮食结构中占有重要地位[7]。因此对土壤-玉米系统中微量营养元素分布特征的研究具有重要的现实意义。本文对临沂市义堂和册山两地土壤-玉米器官中几种微量营养元素的分析，以期通过比较两地中土壤-玉米体系中微量营养元素的差异，查明微量营养元素在其体系中的分布特征。

1 实验部分

1.1 样品采集

样品于2015年10月分别采集于临沂市兰山区义堂镇(118.33°E，35.07°N)和罗庄区册山街道办事处(118.28°E，34.98°N)。两地均为暖温带大陆性季风气候，四季分明，夏秋降水丰沛，气候温和，全年平均气温14.1℃，年降水量849 mm，主要集中在夏秋两季，季节分配不均匀[14]。样品采集在典型样地(10 m×10 m)内完成。玉米植株选用健康样株，整株采集[15]。

1.2 仪器及材料

全谱直读电感耦合等离子体发射光谱仪(Vista MPX，Varian，美国)，配有40 MHz自激式射频发生器、中阶梯多色器系统、Vista Chip CCD检测器、玻璃同心轴雾化器、旋流雾化室、水平炬管和蠕动进样泵。仪器工作条件：RF功率1.0 kW，等离子气流量15.0 L/min，辅助气流量1.5 L/min，雾化气压力200 kPa，读数时间5 s，泵速15 r/min。元素分析波长(nm)：Fe 238.204、Cu 327.395、Mn 257.610、Zn 213.857[16]。

1.3 土壤与玉米的样品预处理过程

1.3.1 土壤样品预处理过程

土壤样品自然风干，研磨，过60目筛。土壤中微量营养元素的提取分为两种：一湿法消解提取土壤中全部微量营养元素，二是加热水提提取土壤溶液的微量营养元素。

湿法消解：称取0.3 g土壤样品于Teflon坩埚内，然后加入7 mL HF溶液和1 mL浓HNO3溶液。将坩埚放到控温电加热板上加热消煮，蒸发近干时取下冷却。再加入5 mL HF溶液，继续消煮至近干时，冷却。然后加入2mL HClO4溶液，继续消煮到白烟冒尽，坩埚内残渣呈现出均匀的浅色。取下坩埚，加入HNO3(v∶v 1∶1) 1 mL，继续加热溶解残渣，直至溶液澄清，过滤定容，采用ICP-OES法测定元素的含量。按照上述的方法同时做空白实验。

水提法：称取土壤样品1 g于坩埚内，加10 mL高纯水。称重后放置加热板上加热20min。取下坩埚冷却再称重，将消煮过程中损失的水分补充回去。将消煮后的溶液过滤转移到容量瓶中存放。

1.3.2 玉米样本预处理过程

玉米样本用干灰化法处理。首先采用去离子水反复清洗玉米样本，除去样本表面的附着物和杂质。在40 ℃的温度下气流烘干，将样品粉碎后过60目筛。准确称量0.5 g样品，放置石英坩埚中。然后放置于马弗炉中，先升温至200℃，将植物样品进行碳化，1 h后再升温至550℃，干灰化4 h，最后在干燥器中冷却至室温[17]。溶液定容，待用。

2 结果与讨论

土壤湿法消解后和加热水提后测定其中Fe、Cu、Mn、Zn含量，结果列于表1中，土壤中微量元素的含量远远高于玉米可吸收量。

表1 两地土壤中铁铜锰锌含量及玉米可吸收量 单位：μg/g

2.1 两地玉米植株中铁的含量变化

表1中全铁含量最高(册山 8673.72μg/g，义堂 9439.70 μg/g)，但是能被植物吸收利用不高(册山0.041 μg/g，义堂0.39 μg/g)，说明土壤中铁的有效含量较低。与其他三种微量营养元素相比，两地玉米植株内铁的含量最多，说明在玉米的生长过程中对铁的需求量大。两地玉米植株中不同器官中Fe含量的变化如图1所示。

图1 两地玉米植株器官中铁含量的变化

由图1可以看出，铁在根-茎-叶-花和苞皮-种子-穗轴中的含量都呈下降趋势，根和玉米苞皮中铁的含量中明显高于同一方向的其他部位。两地植株中根部铁含量最高，说明铁在玉米根部富集作用明显；而在其他器官中，铁的含量较低，表明铁只有极少量转移到植株的地上部分。铁元素虽然是合成叶绿素所必需的，但并不是叶绿素的组成成分，所以叶片中铁的含量并不高[6]。

2.2 两地玉米植株中锰的含量变化

图2 两地玉米植株器官中锰含量的变化

两地玉米植株中不同器官中Mn含量的变化如图2所示。玉米植株中器官如根、茎、叶、花中锰含量基本呈上升趋势，且含量较高，而在苞皮、穗轴、种子中含量逐渐降低[6]。图2中可以看出，玉米不同器官含量差别较大。叶片中最高，可能是因为锰是叶绿体的结构部分，是维持叶绿体结构所必须的微量元素，参与了光合作用引起的。玉米花中锰累积较多，含量仅低于叶片。锰能够促进种子萌芽和幼苗早期生长，加快花粉生长和花粉管的延伸，可以提高植物的结实率，因此在花的部位中导致锰含量较高。

2.3 两地玉米植株中锌的含量变化

图3列出了两地玉米植株不同器官中锌含量的变化。锌在玉米体内的富集作用不显著，根、叶、花中含量差别较小，但在苞皮-种子-穗轴中含量逐渐增加，说明锌的富集作用明显。

图3 两地玉米植株器官中锌含量的变化

图3表明，除茎以外，其他器官中含量变化比较平稳。义堂地区远远高于册山的，根据表1，义堂土壤中玉米可吸收锌的含量明显高于册山，说明两地玉米茎中锌含量的差异可能是由土壤中元素含量差异引起的。

2.4 两地玉米植株中铜的含量变化

两地玉米植株中不同器官中Cu含量的变化如图4所示。根-茎-叶-花中铜含量渐次减少，苞皮、种子、穗轴含量都较低，种子中含铜量最低。根部铜的含量都明显高于其他器官，说明玉米根部对铜具有高度敏感性，富集作用在根部表现明显；而在其他器官中，铜的含量较低，说明铜只有极少量转移到植株的地上部分。

图4 两地玉米植株器官中铜含量的变化

3 结论

土壤中铁锰锌铜元素含量远远高于玉米可吸收利用量，玉米植株内含量大于可吸收利用量，说明营养元素在玉米各器官中集聚累积；两地玉米植株体内微量营养元素的累积遵循铁>锰>锌>铜的规律，其中富集最明显的器官是根和花，其次为叶，茎中富集并不明显，而苞皮、种子和穗轴中含量更低。对微量营养元素分布特征的分析为降低农业生产成本，提高玉米产品质量提供合理的依据。