洪洞县麦田土壤微量元素含量及其生物有效性分析

张晋丰，郭雅飞，栗 丽，2，李廷亮，2，刘 洋，陈 婷

（1.山西农业大学资源环境学院，山西太谷030801；2.山西农业大学农业资源与环境国家级实验教学示范中心，山西太谷030801）

微量元素的丰缺可影响作物生理代谢和产量形成[1]，其在土壤中缺少或不能被植物利用时，植物生长不良，过多又容易引起中毒[2-3]。通过调查发现，在我国北方尤其是黄土高原地区，多为石灰性土壤，碳酸盐含量较高，再加上土壤侵蚀，土壤微量元素缺乏现象相当普遍[4-6]。余存祖等[7]研究表明，黄土高原地区约11%的土壤缺Fe，8%的土壤缺Mn，56%的土壤缺Zn，21%的土壤缺Cu，土壤微量元素供应不足已影响到该区作物生长及品质提升。史崇文等[8]研究发现，山西省土壤微量元素背景值整体呈与pH 值负相关、与有机质正相关的分布规律，具体表现为由南向北、由东南向西北逐渐降低[9]。成土母质以及外源肥料投入是土壤中微量元素的主要来源，了解土壤微量元素含量及丰缺程度对科学合理施肥、农作物产量和品质提升等具有重要意义[8]。

小麦是我国乃至世界上重要的粮食作物之一。近年来，我国小麦种植面积稳定在2 400 万hm2左右，在山西省约56 万hm2，其在农业结构、食品加工及面食文化发展中都发挥着重要作用。土壤微量元素通过生物富集作用影响小麦籽粒品质的提升，进而会影响人体健康[10]。因此，土壤微量元素生物有效性以及小麦籽粒对微量元素的富集作用研究显得尤为重要。

本研究以山西省典型小麦种植区洪洞县为例，系统分析了当地耕层土壤Cu、Zn、Fe、Mn 的全量、有效态含量以及小麦籽粒中的微量元素富集水平，并分析各种元素的空间分布规律，以期为当地小麦高产优质生产提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

研究区位于山西省洪洞县，地处山西省南部，临汾盆地北端，地理坐标为北纬36°15′～36°23′N、东经111°80′～112°50′E，平均海拔为430 m，总面积为156 300hm2，为晋南地区面积最大的县。气候属于温带半干旱大陆性气候，年平均气温12 ℃，无霜期196 d，年降水量493.3 mm。土壤类型主要为褐土和草甸土，耕地面积63.9 hm2，主要种植农作物是小麦和玉米。

1.2 样品采集与测定

2019 年7—8 月，根据洪洞县的土壤类型、地形以及小麦种植区划特征进行布点采样，采集麦田耕层（0～20 cm）土壤样品，共采集样品150 个，并记录采样点经纬度及施肥种植情况，同时采集该区域小麦籽粒样品。每个采样点土壤样品均为多点耕层土壤的混合样品，经风干、去杂，分别过0.2、0.149 mm筛，用于测定土壤有效态和全量微量元素。小麦籽粒及土壤中全量Cu、Zn、Fe、Mn 采用硝酸- 高氯酸消煮，电感耦合等离子法测定；土壤有效态微量元素含量采用DTPA 浸提，电感耦合等离子法测定[11-14]。

1.3 数据处理

研究采用Excel 2003 软件对数据进行常规统计分析，采用ArcGIS 10.3 软件克里金插值模块对土壤微量元素分布进行制图分析。

2 结果与分析

2.1 麦田土壤全量Cu、Zn、Fe、Mn 含量及分布情况

从表1 可以看出，当地全量Cu 含量为21.53～48.48 mg/kg，平均为31.76 mg/kg；全量Zn 含量为62.48～140.80 mg/kg，平均为91.68 mg/kg；全量Fe含量为2.82%～4.72%，平均为3.56%；全量Mn 含量为65.10～926.10 mg/kg，平均为640.43 mg/kg。总体表现为Fe＞Mn＞Zn＞Cu，分别较我国土壤元素背景值[15]高40.53%、23.56%、21.09%和9.85%。

表1 洪洞县麦田土壤全量微量元素含量统计

另外，采用ArcGIS 地统计模块的普通克里金插值对当地土壤微量元素数据进行预测性分析（图1），发现Cu、Zn、Fe、Mn 全量含量分布都表现为东南部相对较低，西北相对较高，其中以刘家垣镇、万安镇、广胜寺镇、曲亭镇和清底乡含量较低，以大槐树镇、辛村乡、山头乡和左木乡含量较高；具体表现为以大槐树镇和辛村乡全量Cu 和全量Zn 含量最高，山头乡全量Fe 含量最高，山头乡和左木乡全量Mn 含量最高。

2.2 麦田土壤有效态Cu、Zn、Fe、Mn 含量及分布情况

从表2 可以看出，当地有效态Cu 含量为0.62～7.66 mg/kg，平均为1.82 mg/kg；有效态Zn 含量为0.19～12.27 mg/kg，平均为2.43 mg/kg；有效态Fe 含量为5.41～31.46 mg/kg，平均为13.36 mg/kg；有效态Mn含量为11.42～146.17 mg/kg，平均为43.29 mg/kg。总体表现为有效态Mn＞有效态Fe＞有效态Zn＞有效态Cu，分别较山西省第二次土壤普查值[16]高124.41%、239.86%、86.80%和404.13%。

表2 洪洞县麦田土壤有效态微量元素含量统计mg/kg

另外，采用ArcGIS 地统计模块的普通克里金插值对当地土壤4 种有效态微量元素数据进行预测性分析发现（图2），Cu、Zn、Fe 和Mn 有效态含量分布规律与全量含量呈相反趋势，表现为西北部相对较低，中东部相对较高，其中以山头乡和左木乡最低，以大槐树镇和万安镇东北部含量最高；具体表现为大槐树镇有效Cu 含量最高，辛村乡和大槐树镇有效Zn 含量最高，明姜镇和广胜寺镇有效Fe 含量最高，明姜镇及万安镇东北部有效Mn 含量最高。

2.3 小麦籽粒中Cu、Zn、Fe、Mn 含量分析

小麦籽粒中Cu 含量为4.56～18.56 mg/kg，平均为7.57 mg/kg；Zn 含量为26.03～58.97 mg/kg，平均为37.77 mg/kg；Fe 含量为78.86～145.10mg/kg，平均为115.05mg/kg；Mn 含量为26.07～57.53 mg/kg，平均为44.51 mg/kg，总体表现为Fe＞Mn＞Zn＞Cu（表3）。

2.4 麦田土壤微量元素有效度及小麦籽粒微量元素富集系数分析

由表4 可知，山西省洪洞县耕层土壤中Cu 元素的有效度平均值为5.55%；Zn 元素的有效度平均值为2.61%；Fe 元素的有效度平均值为0.04%；Mn 元素的有效度平均值为6.17%。4 种微量元素有效度总体表现为Mn＞Cu＞Zn＞Fe。洪洞县麦田区小麦籽粒中Cu 元素的富集系数平均值为24.14%；Zn 元素的富集系数平均值为42.68%；Fe 元素的富集系数平均值为0.36%；Mn 元素的富集系数平均值为6.58%。总之，小麦籽粒富集系数从大到小排序为Zn＞Cu＞Mn＞Fe，表明小麦对土壤中Zn 的吸收利用能力高于Cu、Mn、Fe。

表3 洪洞县小麦籽粒微量元素含量统计 mg/kg

表4 洪洞县麦田土壤微量元素有效度及小麦籽粒微量元素富集系数统计 %

3 结论与讨论

3.1 麦田土壤微量元素含量与空间分布及其有效度特征

土壤微量元素含量主要受成土母质的影响。洪洞县麦田耕层土壤中全量Cu、Zn、Fe、Mn 含量平均值分别为31.76、91.68 mg/kg、3.56%、690.43 mg/kg，表现为Fe＞Mn＞Zn＞Cu，与我国土壤元素背景值及山西省土壤元素背景值元素含量顺序特征一致；这主要与土壤矿物类型特征有关，Fe 作为地壳中第4 位元素，较其他3 种微量元素要高2～3 个数量级。然而，本研究中当地土壤有效态Cu、Zn、Fe、Mn 含量平均值分别为1.82、2.43、13.36、43.29 mg/kg，表现为Mn＞Fe＞Zn＞Cu，可见土壤中铁多为残渣态和结合态，Mn 的有效性相对更高，这在其他研究中也有类似报道[17]。另外，本研究中有效态量Cu、Zn、Fe、Mn含量分别较山西省第二次土壤普查值[16]高129.35%、239.86%、86.80%和404.13%，表明经过30 多年土壤耕作演替，山西省洪洞县麦田土壤微量元素含量明显提升，原因可能与农业生产过程中有机肥的投入和测土培肥施肥技术推广有关。一方面有机肥富含Cu、Zn 等微量元素[18]，进而增加土壤中微量元素含量；测土配方施肥技术的宣传推广以及复合肥的使用，也进一步维持了土壤- 作物系统微量元素的供需平衡[19-21]。

从洪洞县土壤微量元素空间分布看，4 种微量元素全量含量分布表现为南部相对较低，西北部相对较高，而有效态含量分布则表现为西北部相对较低，中部和东南部相对较高。这可能与洪洞县的土壤类型和地形特征有关：一方面，洪洞县西北部多为褐土，其成土母质主要为石灰岩，且在风化过程中很多矿物成分在氧气、二氧化碳以及水的作用下发生化学分解，经长期的风化与沉积致使其本身就浓缩富集了多种微量元素；另一方面，洪洞县西北部海拔高，平均气温低，土壤养分分解缓慢，有利于微量元素积累。洪洞县东南平原地区农业生产耕作次数和养分投入较多，水肥气热条件充分，利于微量元素的活化。因此，有效态微量元素含量较高，整体表现为全量与有效态分布趋势呈大致相反的规律。

本研究中山西省洪洞县耕层土壤中4 种微量元素有效度总体表现为Mn＞Cu＞Zn＞Fe。土壤微量元素有效度通常与土壤酸碱度、有机质含量及阳离子交换量有很大关系[22]。也有研究表明，有机质含量高的土壤更有利于土壤锰的活化和累积[17]。土壤中有机物的腐解过程产生大量的电子，使土壤体系氧化还原电位下降，还原性增强，土壤中大量的氧化锰被快速还原，产生游离态的亚锰离子，增加了土壤溶液中锰元素的可溶性，另外，锰离子与有机质中的活性基团具有特殊的亲和力，容易形成锰有机络合物，这些络合物溶解度较大，也能增加上壤锰的有效性[23-24]。张建杰等[25]研究发现，洪洞县土壤有机质平均值为26.75 g/kg，属于中等偏上水平这可能是当地土壤中锰有效度相对较高的原因之一。

3.2 小麦籽粒中微量元素含量及其富集能力特征

洪洞县麦田小麦籽粒中微量元素Cu、Zn、Fe、Mn 含量平均值总体表现为Fe＞Mn＞Zn＞Cu。小麦籽粒中Fe 的含量高于Zn 和Cu，这可能与洪洞县土壤中有效Fe 含量本身高于Zn 和Cu 有关。李峰等[26]在同一试验区进行了30 种不同栽培处理对小麦籽粒微量元素含量影响的试验研究，也发现4 种微量元素在小麦籽粒中含量的分布趋势均为Fe＞Mn＞Zn＞Cu，表明这些籽粒中这些元素的含量分布受土壤本身含量影响较大，而人为的栽培措施的影响是有限的。本研究中小麦籽粒中微量元素Cu、Zn、Fe、Mn 的富集系数平均值分别为24.14%、42.68%、0.36%、6.58%，表明洪洞县小麦籽粒富集能力强弱从大到小依次为Zn＞Cu＞Mn＞Fe，原因可能是Zn 元素能较好地在小麦韧皮部移动，从而将Zn 元素输送到小麦籽粒当中，因此，小麦可以更好地吸收Zn 元素[27]，小麦籽粒富集Zn 能力最强。