玉米作物对土壤中镍铜锌元素富集情况的研究

谷周雷许晓慧安海波

(1.天津华北地质勘查局，河北 承德 067000；2.内蒙古民族大学农学院，内蒙古 通辽 028005)

土壤是地球表面的一层疏松的物质，由各种颗粒状矿物质、有机物质、水分、空气、微生物等组成，能生长植物[1]。土壤因受到采矿、工业、交通运输、农业、生活废物等因素影响造成了土壤污染[2,3]，土壤无法利用，造成土地荒废，并且进入土壤的污染物质数量超过其容量和自净能力时引起水体、生物和大气的污染，导致农作物的产量、质量下降，引起农作物的污染，进而可通过食物链危害人体健康，因此土壤治理迫在眉睫。必须要改变土壤不良性状、防止土地退化、恢复和提高土壤生产力，其中最经济科学的治理方式就是通过种植绿色植被进行生物修复[4,5]。玉米[6]是一种禾本科植物，由于产量高、品质好、适应性强等特点，目前在我国播种面积在2000万hm2左右，仅次于稻、麦，在粮食作物中居第3位，我国玉米主要产区是东北、华北和西南山区。玉米的营养成分比较全面，含有蛋白质、脂肪、糖类、维生素、赖氨酸等，被广泛食用。因此，我国对于玉米中重金属等危害人体健康物质具有明确的限量规定。

Ni是人体必需的生命元素，在人体内含量极微，正常情况下，人体对镍的日需要量为0.3mg。镍缺乏可引起糖尿病、贫血、肝硬化、尿毒症、肾衰、肝脂质和磷脂质代谢异常等病症。但如果长期慢性接触镍元素，还会造成上消化道出血、脱发等情况，大量接触镍离子会出现慢性肾功能不全、肝功能不全等伤害。

Cu是人体健康必不可少的微量营养元素，也是机体内蛋白质和酶的重要组成部分，许多重要的酶需要微量铜的参与和活化，铜可以催化血红蛋白的合成。其它含铜酶，如赖氨酰氧化酶、络氨酸酶等对人体的生理功能也有较大的作用，赖氨酰氧化酶通过催化赖氨酰或赖氨酰的氨基氧化脱氨等一系列生化过程影响胶原组织的正常交联。缺乏铜可引起赖氨酰氧化酶活性降低，导致结缔组织弹性蛋白和胶原纤维交联障碍，成熟迟缓，血管、骨骼等组织脆性增加，容易引起出血。

Zn参与了体内碳酸酐酶、DNA聚合酶、RNA聚合酶等许多酶的合成及活性发挥，也与许多核酸及蛋白质的合成密不可分，可维持中枢神经系统代谢、骨骼代谢，保障、促进儿童体格(如身高、体重、头围、胸围等)生长、大脑发育、性征发育及性成熟的正常进行。锌过量会导致人味觉异常，出现吃土、吃纸等其它食物的异食癖现象，导致恶心、呕吐的症状。严重的锌中毒会导致神经元及胶质细胞的损伤，脑功能受损，记忆力下降。

1 试验地区概况

研究区位于河北省承德市双桥区，土地类型属于褐土，该地区属于暖温带半湿润、半干旱季风气候。年平均气温3～17℃，年降水量400～800mm，降雨主要集中在7月中旬—8月，地貌形态主要是山区和丘陵区，山高坡陡，谷深河窄，植被以乔木、灌木、爬藤植物为主，多数集中于山区。昼夜温差大。当地海拔约为200～1200m，平均海拔350m，该地区属于中温带大陆性气候，研究区植被以玉米、马铃薯、板栗等农作物为主。

2 样品的采集与制备

试验于春季农作物未耕种前采集，共选取10个点位采集土壤样品，按照相关土壤采集规范执行，弃去塑料、石块等杂物，取样品约500g，带回实验室进行加工，于烘箱中105℃烘干，直至恒重，将样品用无污染球磨机加工制成粉末状，过200目筛，以备分析使用。在秋季作物丰收的季节，进行玉米样本的采集，选取长势较好的玉米样本，参照植物样品采集规范执行。采集好样品后，立即将根、茎、叶、籽实等不同部位剪开，宜采用瓷质或塑料道具，禁止使用金属类道具，防止沾污，将样品用密封袋装好；选取3株成熟玉米根、茎、叶、籽实分开，分别进行破碎混匀处理，确保样品具有代表性，按照此方法完成取样10次，共取混合样品40份(根、茎、叶、籽实各10份)。在秋季玉米作物收割完成后，进行土壤样品原点位复采，与春季取样、加工、分析方法一致。

3 样品测试

3.1 主要仪器及试剂

电感耦合等离子体质谱仪(型号：Series2)；电子天平(型号：WTC5002)；盐酸，优级纯(型号：科密欧)；硝酸，优级纯(型号：科密欧)；高氯酸，优级纯(型号：科密欧)；氢氟酸，优级纯(型号：科密欧)；过氧化氢，分析纯(型号：科密欧)；国家一级标准物质，廊坊物化探研究所；微波消解仪，(型号：MARS6)；恒温加热板。

3.2 检测方法

3.2.1 土壤样品的测定

称取0.1g试样，置于聚四氟乙烯烧杯中，用少量水润湿，加入10mL浓硝酸、10mL氢氟酸和2mL高氯酸，置于250℃的电热板上蒸发至高氯酸冒烟约3min[7,8]，取下，趁热加入8mL王水(1+1)，加热至溶液体积剩余2～3mL，用约10mL去离子水冲洗杯壁，冷却后将溶液转入250mL容量瓶中，用3%硝酸稀释至刻度，摇匀，用电感耦合等离子体质谱仪测定Ni、Cu、Zn。

3.2.2 玉米的测定

称取均匀样品0.2～1.0g,置于微波消解罐中，加入2～5mL浓硝酸，放置过夜，加1～2mL过氧化氢，于微波消解仪中消解[9，10]，反应结束后，取出消解罐，冷却后将溶液转移至洁净干燥的一次性塑料瓶中，稀释至10mL，摇匀。用电感耦合等离子体质谱仪测定Ni、Cu、Zn。

4 结果分析与讨论

玉米作物根、茎、叶、籽实不同部位元素富集结果统计参数详见表2。

玉米根系中Ni、Cu、Zn等元素的含量明显高于其它部位[11]，说明养分主要来源于根系对土壤的吸收；玉米叶中的Ni、Cu含量也远高于茎、籽实，可能是由于叶子的光合作用需要大量养分元素参与；玉米籽实中Zn元素的含量较高，说明Zn元素可能是玉米籽实成长特别需要的微量元素；从极小值、极大值、标准偏差结果来看，玉米根系中Ni元素含量[12]和玉米叶Zn元素含量差异比较明显，不确定性较大。

表1 元素总量测试结果一览表

续表 元素总量测试结果一览表

表2 玉米作物分析测试结果统计表

从图1可知，玉米根、茎、叶、籽实对Ni、Cu元素的富集情况相近，主要集中由根迁移到叶中；玉米籽实对Zn元素富集较好[12]，迁移度较大，由根→茎→叶→籽实依次转化。

图1 玉米根、茎、叶、籽实富集浓度

5 结论

根据测试结果分析，土壤在玉米耕种前后Ni、Cu、Zn变化为80%～100%，说明部分元素被作物所吸收，富集至植物中，尤其是玉米作物根和叶对重金属元素迁移、富集能力较强，可根据这一特性，参照《土壤环境质量标准》(GB15618—2008)，将玉米作为土壤污染治理的备选作物种类之一，玉米的根和叶对重金属元素镍迁移、富集能力较强，参照《食品中污染物限量标准》(GB 2762-2017)各相关指标，不宜人类食用，而玉米籽实中元素镍含量较低、元素锌富集情况较好，符合食用标准，对于部分缺锌体质人群，可作为医学饮食补锌的参考食物之一。