基于ICP-MS分析的苜蓿矿质元素含量特征与评价

张欣昕 张福金* 刘广华 张 尧 孙 林 莎 娜 郭志刚

(1.内蒙古自治区农牧业科学院，呼和浩特 010030； 2.鄂尔多斯市环境保护中心监测站，内蒙古 鄂尔多斯 017000)

苜蓿(Medicago Sativa)作为重要的饲草产品，在提高奶牛养殖生产效益，增加农牧民收入，发展草畜结合、高产、优质、高效的产业战略中发挥着越来越重要的作用[1]。矿质元素是苜蓿生长发育和品质形成的物质基础，其含量和相互之间的作用，影响着蛋白、氨基酸等营养物质的合成[2]。同时，苜蓿中矿质元素的含量也对家畜营养物质摄入起决定性因素[3]。苜蓿矿质营养价值的大小直接影响家畜的免疫机能、生长发育和动物产品品质[4]。因此，开展苜蓿中矿质元素的特征分析，对苜蓿品种的选育、产品开发及合理利用具有重要意义。目前，相关性分析、主成分分析和聚类分析已被广泛运用于蔬菜[5]、水果[6]、茶叶[7]等农产品多指标矿质元素的品质评价工作中，以揭示营养元素间的差异及内在影响。在天然牧草的矿质元素分析上，也有应用。惠岑怿等[8]利用相关性分析研究了内蒙古针茅植物的15种矿质元素组成差异，发现有25对元素有显著相关(p<0.05)。乌兰等[9]基于矿质营养元素分析了苏尼特右旗草原上23种植物矿质营养元素含量特征，发现不同植物表现出一定的分类(科)变化的规律。而基于矿质元素的苜蓿干草品质分析还尚未见报道。由于日粮补充矿物饲料，粗饲料中矿质元素常常不被重视，但其含量对草食动物健康非常重要。因此，本研究以黑龙江、内蒙古和陕西等9省本地生产和进口的苜蓿干草为研究对象，以石墨消解-电感耦合等离子体质谱法分析测定钾、钙、镁等17种矿质元素，利用相关性分析和主成分分析，分析进口和国产苜蓿矿质元素含量之间的差异。揭示苜蓿干草中矿质元素含量和相关性特征，探明进口和国产苜蓿总体矿质差异，明确差异元素，为苜蓿品种的选育、施肥管理与苜蓿草产品的合理开发利用提供重要依据。

1 实验部分

1.1 实验材料

于2019和2020年采集黑龙江、内蒙古、陕西、宁夏、河北、山东、安徽、四川、云南等9省主要牧场的苜蓿干草样品，共计52份。其中，国产苜蓿30份，进口苜蓿(主要来源于美国、加拿大和西班牙等地)22份。

1.2 主要仪器和试剂

ST60D自动石墨消解系统(北京普立泰科公司)，iCAP-TQ电感耦合等离子体质谱仪(美国Thermo公司)，单元素标准储备溶液(1 000 mg/L)购自国家标准物质研究中心(根据需要使用前临时配制混合标准工作液)，内标物钪(Sc)、锗(Ge)、铟(In)、铋(Bi)购自国家标准物质研究中心，浓硝酸(优级纯，德国Meker公司)。

1.3 实验方法

按照“GB/T 14699—2005.1”中有关规定采集样品，每个采样点随机采集3个样品，去杂质后充分混匀。将采集的样品取500～1 000 g，于60 ℃鼓风烘箱干燥2 h后，再用105 ℃烘干至恒定质量，四分法取样后，充分研磨，过100 mm筛，作为分析样品备用。

矿质元素测定方法参照黄建立等[10-11]的方法，称取1.000 g于50 mL消化管中，加入8.0 mL硝酸，静置过夜，次日置于石墨消解器中，于120 ℃消解至约1 mL(约3 h)，冷却后加入2 mL过氧化氢(约1 h)，于120 ℃继续消解至大约1 mL，取下用超纯水定容到50 mL。同时做试样空白。用ICP-MS法测定样品中的钾(K)、钙(Ca)、镁(Mg)、钠(Na)、磷(P)、铝(Al)、锰(Mn)、锌(Zn)、铜(Cu)、铅(Pb)、镍(Ni)、碘(I)、铬(Cr)、砷(As)、钴(Co)、镉(Cd)和汞(Hg)共17种矿物元素的含量。用外标法定量分析，以环境标样为标准品，用Sc、Ge、In、Bi保证仪器稳定性。ICP-MS运行条件如表1所示。

表1 ICP-MS运行条件

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2019 软件进行数据整理和表格绘制，应用IBM SPSS Statistics 20.0 统计软件进行相关性分析、主成分分析和方差分析。主成分分析采用 Factor 过程的主成分分析法，因子提取特征值大于 1 的主成分；组间多重比较采用 Duncan 法。

2 结果与分析

2.1 矿质元素含量特征

从常量元素看，苜蓿干草中K含量最高(见表2)，平均值达20 876 mg/kg，其次是Ca>Mg>Na>P，其含量均超过1 000 mg/kg，其余12 种微量元素中，Al含量显著高于其他微量元素，其次是Mn和Zn，含量超过10 mg/kg，Cu、Pb和Ni的含量超过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 种微量元素中，Pb、Cr、As、Cd和Hg具有潜在毒性，在我国饲料卫生标准中有明确的限量规定[12]，从表3可看，52份苜蓿草均不存在Pb、Cr、As、Cd和Hg含量超标。17 种矿质元素含量的变异系数在 34.57%～158.4%，Zn、Cu、Cr和Hg的变异系数相对较大，均大于100%，其他元素的变异系数也均在30%以上，说明苜蓿干草中矿质元素含量具有明显差异性，有必要进行矿质元素含量分析与综合评价。

表2 苜蓿干草中矿质元素含量

2.2 矿质元素含量相关性分析

相关性分析显示(表3)，苜蓿干草中17种矿质元素间具有极显著相关关系(p<0.01)的有33对，Cu、K、Mg、Al、K、Ca元素两两之间存在极显著正相关，其中Cu和Ca的相关系数达0.745；Mn与Cu、Zn呈极显著正相关(p<0.05)，与Zn的相关系数达0.930，说明Mn含量高的苜蓿干草中Zn含量也高；具有潜在毒性的Pb、Cr、As、Cd和Hg元素间表现为：Cr与Cd呈极显著负相关，Cd与Hg呈极显著负相关。苜蓿干草中矿质元素含量之间存在着复杂的相互作用关系，具有进行主成分分析的基础。

2.3 矿质元素含量主成分分析

对苜蓿干草中17种矿质元素含量标准化处理后，以特征值>1 提取主成分(表 4)，共提取5个主成分，前5个主成分累积方差贡献率达 74.90%，包含了17种矿质元素含量的主要信息。第1主成分方差贡献率最大，达 32.48%，第1主成分中因子载荷值较大的是Ca、Cu、Mg和K元素，均大于0.7，说明第1主成分主要受这4种元素影响，第2主成分主要受Zn元素影响，第3和第5主成分主要受Co和Na元素影响。因此认为Ca、Cu、Mg、K、Zn、Co和Na是苜蓿干草的主要特征矿质元素。

表3 苜蓿干草中矿质元素含量相关性分析

表4 苜蓿干草中矿质元素含量主成分分析

计算主成分载荷系数与其特征值算术平方根的比值，以其比值和矿质元素含量建立各主成分与矿质元素含量之间线性函数Yi，再利用5个主成分各自的方差贡献率与累积方差贡献率(74.90%)的比值为权重构建苜蓿干草矿质元素含量评价模型pn，即pn与yi(i=1～5)之间的线性函数为pn=0.434y1+0.190y2+0.163y3+0.129y4+0.084y5，pn越大说明总体矿质元素含量越高。计算52份苜蓿干草的pn，并以pn由小到大排序，结果如表5所示，通过该评价模型发现：进口苜蓿样品的pn普遍大于国产苜蓿，说明进口苜蓿的总体矿质元素含量高于国产苜蓿。

2.4 国产和进口苜蓿矿质元素含量差异

为了进一步研究国产和进口苜蓿在矿质元素上的差异，分别统计了国产和进口苜蓿干草中矿质元素含量，并进行方差分析(表6)。进口苜蓿中K、Ca和Mg含量平均值分别为(28425.77±1624) mg/kg、4 892.88±490和(3 396.66±194) mg/kg，其含量显著高于国产苜蓿(p<0.05)，而国产苜蓿中Na含量平均值(2 582.11±346) mg/kg，显著高于进口苜蓿(p<0.05)，P含量在国产和进口苜蓿干草中无差异。12 种微量元素中，Cu、Cr、Hg、Co和Cr含量在国产和进口产品中存在差异显著，Cu、Cr和Hg的含量呈现出进口苜蓿大于国产苜蓿，而Co和Cr的含量呈现国产大于进口的趋势(表7)。

2.5 基于矿质元素的国产和进口苜蓿营养评价

对国产和进口苜蓿进行矿质元素营养评价，参照美国农学会、作物学会和土壤学会的《Alfalfa Management Guide》[13]中的组织分析诊断表分析：进口苜蓿中K、Ca、Mg、Mn和Cu含量基本在标准范围内，P和Zn含量接近标准下限；而国产苜蓿只有Mn和Cu含量在标准范围内，Mg、P、Zn含量接近标准下限，K和Ca含量较低。与进口苜蓿干草相比，国产苜蓿在K和Ca矿质营养上缺失相对严重。

表5 52份苜蓿干草矿质元素主成分含量评价结果

表6 国产和进口苜蓿矿质元素含量

表7 国产和进口苜蓿矿质元素含量

3 讨论

不同矿质元素在植物中的含量存在明显差异。本研究发现，苜蓿干草中矿质元素种类丰富和含量变异较大，元素含量排序为K>Ca>Mg>Na>P>Al>Mn>Zn>Cu>Pb>Ni>Cr>As>Co>Cd>Hg，其中K含量最高。张英俊[14]研究表明，苜蓿对K含量的需求量高于其他任何一种元素，且苜蓿的高产是建立在高K的基础上。P对促进有机磷化物和蛋白质的合成有明显作用[15]，Mg可促进植物的呼吸作用和氮代谢与蛋白质的合成过程[16]，Ca可与Al、Na等离子形成拮抗作用，影响动物吸收[17]。本研究结果中Ca、Mg和P含量分别为0.16%～1.25%、0.12%～0.56%、0.069 8%～0.39%。

主成分分析是通过降维，将多个具有一定相关性的观测指标转化为能代表主要影响因子的多元统计方法[18]。本研究发现苜蓿干草中，矿质元素间具有极显著相关关系的有33对，Cu、K、Mg 、Al、K、Ca元素两两之间存在极显著正相关，基于苜蓿干草矿质元素之间的相关性，通过主成分分析将所研究的17种矿质元素指标进行简化，筛选出Ca、Cu、Mg、K、Zn、Co和Na这7种元素可作为苜蓿干草的主要特征矿质元素。

基于矿质元素研究发现，进口苜蓿中K、Ca和Mg含量显著高于国产苜蓿，国产苜蓿在K、Ca和Mg矿质营养上相对缺乏。

4 结论

1)国内9省主要牧场正在饲喂的苜蓿干草中矿质元素含量差异明显，17 种矿质元素含量的变异系数在34.57%～158.4%，平均含量最高的是K元素，达20 876.69 mg/kg，其次是Ca>Mg>Na>P。其余12 种微量元素中，Al含量显著高于其他微量元素，不存在Pb、Cr、As、Cd和Hg等重金属超标现象。

2)苜蓿干草中Cu、K、Mg 、Al、K、Ca依存度高，两两元素间存在极显著正相关(p<0.01)，Mn与Cu、Zn呈极显著正相关(p<0.05)，Cr与Cd呈极显著负相关(p<0.01)，Ca、Cu、Mg、K、Zn、Co和Na是我国当前牧场饲喂的苜蓿干草的主要特征矿质元素，累积方差贡献率达74.904%，应加强苜蓿生产利用环节平衡营养管理。

3)含量评价发现，进口苜蓿中K、Ca、Mg、Cu含量显著高于国产苜蓿，而国产苜蓿中Na和Co含量显著高于进口苜蓿，在总体矿质元素含量上，进口苜蓿优于国产苜蓿；在营养利用上，国产苜蓿K和Ca矿质营养相对缺乏，应加强我国苜蓿选种和生产中钾肥和微量元素肥料的配施。