东北水稻产区土壤-作物系统锌元素生态地球化学特征

2022-06-06禹惠敏王冬艳王兴佳商屹

世界地质 2022年1期

禹惠敏，王冬艳，王兴佳，商屹

吉林大学地球科学学院，长春 130061

0 引言

锌(Zn)是植物必需的营养元素之一，植物体内的锌含量因植物种类及品种不同而存在差异。锌在植物的生长发育中具有不可替代性，是植物体内多种酶的组成成分和活化剂，在生长素合成、光合作用中CO2的水合作用、氮素同化、蛋白质与核酸代谢以及生殖器官发育与提高抗性等生长过程中发挥着重要的作用[1-3]。水稻是世界上最重要的粮食作物之一，是人类重要的主食农产品。水稻体内锌元素的运移以及农业过程中锌肥的合理施用，一直受到广泛关注[4-8]。同时锌元素作为人体14种必需微量元素之一，分布于全身各组织器官，被医学界和营养学界誉为“智慧之源”、“生命之花”等[9]，人体缺锌会引起侏儒症、糖尿病、生殖器官和第二性征发育不完全等诸多疾病[10]。锌元素在“土壤-水稻-人体”中主要来源于土壤，因此土壤-水稻作物系统中锌元素的生态地球化学特征不仅对水稻生产具有重要意义，并最终影响人体的锌营养状况[11]。

学者们研究了不同农业种植模式下土壤-作物系统中锌元素的特征，Chen et al.[12]研究发现锌等元素在土壤-水稻系统中的转移能力强于土壤-小麦和土壤-油菜系统。何邵麟等[13]对乌蒙山区土壤硒、锌元素的分布特征和富硒、锌特色农产品的富集特征进行了研究。刘凯等[14]研究结果显示锌全量在土壤-水稻系统中显著下降，作物的食用器官中锌含量特征为蔬菜作物>根类作物>谷类作物。对于不同地质背景土壤-作物系统中锌元素的特征，学者们也进行了广泛的研究[15-18]。东北平原地区有较大面积的富硒土壤[19]，这一地区在土壤-水稻系统中硒的分布和富集的研究工作日渐升温[20-23]，同时，对锌作为重金属的土壤地球化学的研究较多[24-25]，而土壤-水稻系统锌元素生态地球化学的探究工作开展的相对较少。

基于此，笔者选取12个东北地区主要水稻产地为采样区，揭示土壤表层和水稻锌含量的分布特征及土壤-作物系统锌元素的迁移累积特征，为提升东北水稻品质及粮食生产提供生态地球化学依据。

1 材料与方法

1.1 采样区概况

黑龙江、吉林和辽宁省是中国重要的水稻生产基地，属于早熟单季稻稻作区，主要种植粳稻，种植面积占2.6%。采样区主要在黑龙江省绥化市，哈尔滨市(方正县、延寿县)，五常市；吉林省舒兰市，永吉县，东丰县，梅河口市，前郭尔罗斯蒙古族自治县，双辽市，公主岭市，珲春市；辽宁省盘山县，大洼区，营口市(大石桥市)(图1)。

图1 样点分布图Fig.1 Samples distribution map

样区主要分布在第四系地层上，黑龙江省研究区出露地层主要为第四系中更新统、上更新统和中上更新统并层，吉林省研究区出露地层主要为第四系全新统、上更新统地层，辽宁省研究区出露地层主要为第四系全新统、上更新统地层。土壤类型主要为草甸土、草甸白浆土、暗棕壤、黑土、草原风沙土、水稻土、淹育水稻土、盐渍水稻土；成土母质主要为酸性岩、冲洪积物、冲积物、风积物、黄土、冲海积物等。

1.2 样品采集

土壤表层样品和水稻样品采集时间为水稻收获前，主要采集了土壤表层样品和对应的水稻样品共123套。每个由3个子样组合而成，每两个子坑间距20 m，子样坑呈三角形分布。土壤样品采样时刮去采样点表面杂物，采集深度为0～20 cm，用四分法取约1 000 g样品装入干净的布袋。采样点布设远离村庄及新近堆积土、田埂等局部异常地段。

水稻样品采集是在土壤样点采集范围内，采集时避开病虫害和其他特殊的植株，分5个点采收500 g±成熟稻穗。土壤和水稻样品在室内进行自然阴干，土壤研磨过2 mm筛备用，水稻稻穗用脱壳机处理，分装送测。

1.3 方法

1.3.1 测试方法

称取0.100 g试样，加1 mL高氯酸，1 mL过氧化氢消解样品。土壤、水稻籽实中锌元素采用电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)测定，仪器使用Agilent公司生产的7500a型电感耦合等离子体质谱仪，锌元素最低检出限为0.01 mg/kg。样品测试在吉林大学东北亚矿产资源评价重点实验室完成。

1.3.2 研究方法

元素生物富集系数是某元素在生物体内的含量与该元素在环境(以土壤为主)中含量的比值，以此来揭示植物(作物)对元素的吸收富集特征。本研究中锌元素生物富集系数为该水稻籽实的锌元素与对应的耕作层土壤中含量的比值[26]，是一个无量纲数值[27]。计算公式为：BCF=C籽实/C土壤，其中，BCF是元素的生物富集系数，C籽实是作物籽实中元素的含量，C土壤是对应耕作土壤中元素的含量。

1.4 数据处理

数据处理描述性统计、相关分析等运用IBM SPSS Statistics 25.0和Microsoft Excel 2019完成，图件绘制采用ArcGIS10.4完成。

2 结果与分析

2.1 锌含量特征

2.1.1 土壤表层锌含量特征

研究区土壤表层的锌含量为11.01～94.95 mg/kg，平均值为43.97 mg/kg，变异系数为40.03%，属于中等分异型，锌元素在研究区空间上差异不大(表1)。其中双辽—公主岭土壤表层锌含量最低，平均值为22.58mg/kg，营口土壤表层锌含量最高，平均值为57.04 mg/kg。标准差反映锌元素的离散程度，标准差小，表示锌含量空间差异小；标准差大，表示锌含量空间差异大[29]。由高到低依次为大洼、珲春、营口、五常、舒兰、东丰—梅河口、永吉、哈尔滨、盘山、绥化、前郭、双辽—公主岭。

表1 土壤表层锌全量统计

锌在各土壤类型中含量分布从高到低依次为水稻土、盐渍水稻土、淹育水稻土、暗棕壤、草甸白浆土、草甸土、黑土、草原风沙土(表2)。不同样区的土壤类型较多，土壤锌含量变异较大，单一土壤类型锌含量的变异系数都相对较小，锌含量空间差异较小。

东北地区水稻产区土壤表层锌含量均值为43.97 mg/kg，整体处于五等，为锌缺乏状态(表3)。土壤锌含量为一等的样品共6件，占4.88%，锌含量处于丰富水平，分布在吉林省(珲春、舒兰)和辽宁省(大洼、营口)；二等的样品共8个，占6.50%，锌含量处于较丰富水平，主要分布在吉林省；三等的样品共6个，占4.88%，锌含量处于中等水平，分布在黑龙江省和吉林省；四等的样品共11个，占8.94%，锌含量处于较缺乏水平，主要分布在吉林省和辽宁省；五等的样品共92个，占74.80%，锌含量处于缺乏水平，黑龙江省和吉林省的土壤样品缺锌率均为76%，辽宁省为70%。从每个样区的平均含量上看，东丰—梅河口、珲春和营口的土壤表层锌含量处于较缺乏水平，其余样区全部为缺乏水平。土壤表层样点锌含量的最高值出现在大洼样区。

表3 土壤锌养分等级划分标准

2.1.2 水稻锌含量特征

籽实锌含量为14.27～36.92 mg/kg，平均值为24.70 mg/kg ，变异系数为15.03%，属于弱分异型，水稻籽实锌含量在空间上差异不大(表4)。除珲春样区水稻籽实锌含量为22.58%的中等变异外，其他样区的水稻籽实锌含量均为弱分异型。

参照中国居民膳食营养素参考摄入量(表5)[31]，成人每日最高可耐受锌摄入量为40 mg，每日推荐锌摄入量为7.5～12.5 mg。根据中国居民膳食指南[32]推荐，每天摄入250～400 g谷薯类食物。假设每天食用400 g大米，大米的锌含量为18.75～31.25 mg/kg，上限为100 mg/kg。类比现行国家标准中大米的等级顺序，将籽实的锌含量分为3个等级，即不足、适宜和略超。依据此标准计算，不足是指锌含量<18.75 mg/kg，适宜的锌含量为18.75～31.25 mg/kg，略超的锌含量为31.25～100 mg/kg。籽实样品中的锌含量没有>100 mg/kg的，所以不做讨论。

表4 籽实锌含量统计

表5 中国居民膳食营养素参考摄入量

123个水稻籽实样品中，只有3个样品锌含量不足，<18.75 mg/kg，占2.44%。12个样品锌含量适宜，占91.06%，锌的含量可以满足人体需要从谷物中摄取到的量。8份样品锌含量略超标，占6.50%，锌含量超过每日推荐摄入量，但低于成人最高耐受摄入量，未超过警示范围。可见，97.56%东北大米的锌含量满足人体日常需要，品质优良。

从土壤表层与籽实对应的锌含量特征分析可以发现，东北主要水稻产区土壤表层锌含量总体处于缺乏状态，籽实锌含量满足人体摄入所需的比例为97.56%，可见土壤表层锌元素的丰缺状况不能完全反映籽实锌元素的丰缺状况，籽实的锌含量也受其他因素的影响。

2.2 籽实吸收锌影响因素

籽实锌生物富集系数从高到底依次为为双辽—公主岭、前郭、盘山、大洼、哈尔滨、绥化、珲春、东丰—梅河口、营口、永吉、五常、舒兰，平均值分别为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)。从土壤类型上来看，籽实的生物富集系数从高到低依次为草原风沙土、草甸土、盐渍水稻土、黑土、淹育水稻土、水稻土、暗棕壤、草甸白浆土，平均值分别为87.77%、72.19%、59.49%、56.02%、52.85%、51.17%、51.05%、50.63%(表7)。

土壤锂含量在五常(r=-0.808)、双辽—公主岭(r=-0.588)、盘山(r=-0.693)与锌的生物富集系数显著负相关。土壤铍含量在五常r=-0.842)、双辽—公主岭(r=-0.705)、舒兰(r=-0.799)与锌的生物富集系数显著负相关。土壤硼、锗、铋含量在除大洼、营口等样区与锌的生物富集系数显著负相关。土壤镉含量在绥化(r=-0.772)、五常(r=-0.828)、前郭(r=-0.823)、珲春(r=-0.634)与锌的生物富集系数显著负相关。土壤铅含量在哈尔滨(r=-0.763)、五常(r=-0.769)、双辽—公主岭(r=-0.650)、前郭(r=-0.677)、舒兰(r=-0.777)、珲春(r=-776)与锌的生物富集系数显著负相关(表8)。

表6 籽实锌生物富集系数

表7 不同土壤类型的籽实锌生物富集系数

表8 土壤元素含量与锌生物富集系数的相关系数

3 讨论

中国锌元素土壤背景值为2.6～593 mg/kg，平均值为74.2 mg/kg[33]，松辽平原锌元素土壤背景值为26.95～74.88 mg/kg，平均值为54.89 mg/kg[34]，与之相比，研究区土壤锌元素含量水平较低，锌含量较缺乏。东北是优质大米主产区，水稻等大宗农作物的集约化种植、肥料使用不足及不合理使用等因素都会导致土壤系统中锌等养分的失衡。

锌是作物生长必需元素。张得雯等[35]利用原子吸收光谱法测定了102份宁夏富锌水稻籽粒糙米中的锌含量，结果显示籽粒锌含量为12.75～36.00 mg/kg。陈德等[36]对不同品种水稻籽粒锌含量研究表明，锌含量为16.9～26.6 mg/kg。此次研究中，东北大米籽实锌含量为14.27～36.92 mg/kg，含量较高，可以满足人体每日所需，品质优良。

籽实对锌元素的富集受到多种因素影响。已有研究证明，土壤有效锌含量[37]、pH值[38]、氮[39-40]、磷[41-42]含量等都会影响籽实对锌元素的吸收富集。锗在动物体内与锌等重金属元素有拮抗作用，但在作物中对锌的影响研究较少[43]。本次研究结果表明，水稻籽实对锌的吸收富集也受锌与其他元素交互作用的影响，土壤锗含量增加，水稻籽实锌的富集系数降低。数据显示样区水稻籽实中锌元素富集系数随着土壤镉元素含量的增加而呈现出降低的趋势，这说明土壤中的镉元素含量对于水稻籽实的锌元素的富集起到一定的抑制作用。水稻是一类籽粒镉积累能力强而锌排斥作用显著的特别作物[44]，镉胁迫会导致水稻籽粒处于严重的镉暴露、锌缺乏状态[45]。何念祖[46]通过铅对小麦生长的研究结果发现，小麦地上部锌含量随土壤铅用量的增加而减少，根系锌含量随土壤铅用量的增加而增加。

农业生产中，为增加水稻籽实的锌含量，可以从多个不同方面因地制宜、综合考虑土壤性质，同时可以选用富锌稻种育苗种植。水稻生长过程中，可以进行锌肥的施用，同时配合叶面喷锌的方法[7,47]，来提高水稻的锌营养品质。