安徽砀山县小麦及根系土中锌元素含量特征

胡聪聪，王乐乐，于炎炎

(安徽省地质矿产勘查局325地质队，安徽 淮北 235000)

0 概述

世界上主要的粮食作物之一是小麦，尤其是在我国的北方地区以及较为缺乏锌(Zn)、铁(Fe)等微量元素的我国西部地区，最主要的食物来源是小麦面食，因此小麦的产量和品质对于我国的居民生活尤为重要[1]。砀山地处安徽最北端，与苏、鲁、豫、皖下辖七县交界，一县之境，纳四省风俗，具有独特的人文环境，小麦面食也是当地最主要的食物来源。

农作物中含有人体必不可少的微量元素，如硒[2]、锌等。Zn元素对人体的生长发育有着重要的作用，缺锌容易导致食欲不振、消化不良、免疫力下降等问题。国内外学者相关研究表明，植物中的Zn元素含量水平受土壤中锌含量、锌的不同状态、植物对锌的吸收转化以及土壤性质等的影响。因此，近年来有诸多国内外学者对土壤和植物中的锌进行研究，其中Alexei[3]对中亚地区、石荣丽等[4-7]对中国不同区域内不同品种小麦中的Zn元素含量进行检测，Zn含量的平均水平介于24.011～29.3 mg/kg之间。

本文选取砀山县小麦和根系土中的锌作为研究对象，对小麦中锌含量、其根系土中的锌、有效锌含量、土壤质地之间的关系进行研究，分析了区域土壤和小麦锌含量状况及其之间的关系，为该区域的农产品的规划提供依据。

1 研究区概况

本次调查工作的采样范围为砀山县西南部、北部零星地区的小麦及其根系土壤(图1)。砀山县位于黄淮海平原的南部，县境内地势平坦，系黄河冲积产物，县境内中部地势略高，南北地势稍低。气候界于北亚热带和暖温带之间，属于季风性半湿润的气候区，处于北亚热带和暖温带的过渡带。本次调查区的区域地层属于华北地层大区—晋冀鲁豫地层区—徐淮地层分区—淮北地层小区，主要分布的地层有中—下奥陶统、上石炭统至下三叠统、古近系，均被第四系覆盖。区内的大地构造单元属于中朝准地台淮河台坳，位于秦岭纬向构造带的东延部分和徐宿弧形构造及新华夏系构造的交汇部位，构造复杂，是经过构造体系改造复合的产物[8-9]。

图1 研究区采样点位置图

2 实验与方法

2.1 样品采集

在砀山县境内选取大片种植小麦的区域采集小麦及相应的根系土。

采集方法：

1)小麦样品：在主样点和子样点附近选取多株麦穗，混合成样，麦粒干重不少于0.3 kg。

2)小麦根系土：与小麦同步采集，土壤采集深度为0～20 cm，采样工具为不锈钢取土器，主样点与子样点土壤混匀，采用四分法进行缩分，获得土壤样品重量不少于1.5 kg。共采集到60件小麦和60件根系土样品。

2.2 检测方法

本次样品的分析测试工作是由江苏地质矿产设计研究院(中国煤炭地质总局检测中心)完成，严格按照相关标准规范和实验室质量管理要求执行。采用X射线荧光光谱法(XRF)测定小麦根系土土壤全锌，检出限为3.5 μg/g；采用凯氏定氮法测定土壤的pH值，检出限为0.1；采用电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)测定小麦中Zn元素的含量，检出限为0.2 mg/kg。本次测试工作中对各元素的准确度、精密度及检出限均达到或者优于《多目标区域地球化学调查规范(1∶25万)》[10]的要求；小麦样品分析方法中各元素的检出限、精密度、准确度达到或优于《生态地球化学评价样品分析技术要求》[11]。所有样品的准确度、精密度以及报出率的监控合格率均为100%。

2.3 数据处理

采用MapGIS软件制作本次样品采集的样点分布图，利用SPSS和Excel软件进行本次数据的统计与分析。

3 结果与讨论

3.1 小麦锌含量

研究区内小麦锌含量的变化范围为9.38～36.20 mg/kg，平均值为18.97 mg/kg，标准离差为0.6，变异系数为0.3(表1)。小麦中重金属元素镉(Cd)的含量范围为0.006～0.044 mg/kg，砷(As)的含量范围为0.006～0.052 mg/kg，铬(Cr)的含量范围为0.1～0.931 mg/kg，对应的平均值分别为0.016 mg/kg、0.020 mg/kg、0.447 mg/kg，依据《食品安全国家标准 食品中污染物限量》(GB 2762-2017)[12]，小麦中重金属元素含量限量Cd≤0.1 mg/kg、Cr≤1.0 mg/kg、As≤0.5 mg/kg，研究区内小麦中重金属Cd、Cr、As元素均在食品中限量指标以内。研究区小麦中锌含量呈不均匀分布(图1、表2)，各区域锌含量平均值：曹庄镇2.345 mg/kg，程庄镇1.47 mg/kg，高铁新区2.08 mg/kg，官庄坝镇1.93 mg/kg，关帝庙镇2.33 mg/kg，玄庙镇2.3 mg/kg，赵屯镇2.14 mg/kg，朱楼镇1.34 mg/kg，周寨镇1.61 mg/kg。其中官庄坝镇、曹庄镇、赵屯镇等在砀山县西北部小麦中锌含量水平略高于其他地区。

表1 研究区小麦和根系土中Zn元素及根系土中其他元素质量分数统计

3.2 小麦根系土锌含量

研究区内小麦根系土中锌含量为44.4～125.0 mg/kg，平均值为67.5 mg/kg，标准离差为17.5，变异系数为0.26。在《中华人民共和国多目标地球化学调查报告 1：25万安徽淮北—亳州地区》[13]中阐述了皖北地区土壤背景值，其中Zn元素在砀山县的土壤背景值为65.2 mg/kg，在皖北地区的土壤背景值为66 mg/kg，研究区内的Zn元素含量高于砀山县土壤背景值和皖北地区土壤背景值。锌在根系土中的分布受多种因素的影响，如成土母质、土壤类型、土壤质地、成土过程以及Zn元素的化学性质等。刘铮等[14]在我国土壤中锌含量的分布规律中指出有效态锌的含量可以反映出土壤锌的供应水平。各地区小麦根系土锌含量见表2，依据《富锌土壤评价技术要求》(DB23T/2410-2019)[15]，对研究区域土壤进行富锌区划定，当pH值>7.5时，富锌的范围为74～300 mg/kg。李杰等[16]在对水稻及根系土硒含量特征中得出土壤硒含量并不是控制水稻锌水平的主要因素。贺德芳等[17]在锌对小麦生长的影响中报道小麦籽实含锌量取决于土壤和灌溉水中锌的含量。在研究区内砀山县南部地区的关帝庙镇、朱楼镇的土壤锌含量水平略高于其他地区，属于富锌区域，而研究区小麦锌含量相对较高区域在曹庄镇、官庄坝镇等，表明在相对较高的富锌土壤中，小麦对锌的吸收累积低于低锌土壤。

表2 各地区小麦及根系土锌含量

3.3 小麦锌含量与土壤元素和质地的关系

研究区内小麦根系土和小麦中的Zn元素与其他元素的相关系数见表3。由表3可知，小麦根系土锌与氮、磷、有机质、钾、铁、铜、硒、砷、铬、镉、铅、有效锌具有显著正相关。其中铁、铜、硒、砷、铬、镉、铅具有亲铜性[16]，属于亲铜元素，具有相似的地球化学行为，各元素与根系土Zn元素之间具有相似的相关性。N、P和K元素与人类施肥等活动密切相关，且与土壤锌有显著的正相关性，故施肥可以提高土壤全锌的含量。汤雯[18]等在相关文章中报道称锌肥用量过高，会对小麦产量和籽粒中锌含量等有不利影响；王晓瑞[19]等在对长江三角洲地区小麦植株与重金属的相关研究中表明小麦籽粒中锌元素的含量受外部和内部(气候、水分、小麦品种以及锌在小麦体中的运输机制)等多种因素的影响。从小麦和根系土中元素之间的相关性表明，小麦锌含量与根系土锌含量的相关性不显著，说明土壤全锌量不是控制小麦锌水平的主要因素，可能受其他内部和外部因素的影响，需进行进一步的相关分析研究。

表3 小麦和根系土中元素之间的相关系数

研究区根系土全锌含量与有效锌含量的关系图见图2，由图2可见，土壤全锌与土壤有效锌之间具有正相关性，随着土壤全锌的增加，土壤有效锌也随之增加。

图2 小麦根系土土壤中总锌含量与锌有效态相关关系

小麦锌元素的富集系数是小麦锌含量与根系土中锌含量的比值，以此来判断小麦对锌元素的吸收和富集能力。富集系数与根系土锌的相关关系图见图3，可知富集系数与根系土锌具有负相关性，说明根系土土壤全锌含量不是控制小麦对锌元素吸收的主要因素。

图3 小麦根系土土壤中总锌含量与富集系数相关关系

小麦锌元素指标与土壤质地之间的相关系数见表4。由表4可知，土壤砂粒与土壤锌具有负相关、与富集系数具有正相关，土壤黏粒与土壤锌具有正相关，与砂粒具有负相关。综上可以看出，土壤锌含量的高低与土壤质地及土壤类型[20]有关，黏粒含量越高，土壤锌含量越高，土壤锌含量与小麦锌的相关性不显著，土壤锌含量不是控制小麦锌含量的主要因素。

表4 小麦及根系土锌元素指标与土壤质地之间的相关系数

本次研究区的土壤类型主要有碱化潮土、飞沙土、两合土、沙土、盐化潮土、淤土。小麦及根系土锌、有效锌在不同土壤类型的含量关系见图4。

图4 小麦及根系土锌和有效锌在不同土壤类型的含量关系

由图4可见，不同土壤类型中根系土锌的含量变化较大，而小麦锌含量和土壤有效锌含量变化不大。淤土中小麦根系土的锌含量较大，而淤土中小麦锌含量并不高，故根系土中锌的含量并不是控制小麦中锌含量的主要因素。

4 结论

1)研究区内土壤锌元素含量高于砀山县土壤背景值和皖北地区土壤背景值，低于全国平均值。

2)小麦锌元素含量与其根系土的锌元素含量变化趋势有较大的差异，在相对高的富锌土壤中，小麦对锌的吸收累积低于低锌土壤，土壤锌含量并不是控制小麦锌含量水平的主要因素，建议对影响控制小麦锌含量的其他因素做进一步的分析。

3)土壤中的有机质、氮、磷等元素与小麦根系土锌元素具有正相关关系，提高土壤中的有机质、氮、磷等元素的含量有助于锌元素在根系土中的聚集，但是不利于小麦对锌元素的吸收。因此，建议在日常的施肥过程中，需要合理化施肥，并采取措施减少土壤中重金属元素As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni和Pb的污染以及土壤对此类元素的吸收。