羅建川，張 浩，王宗禮,3，張英俊

(1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院草原研究所，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010； 2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；3.中國動物衛(wèi)生與流行病學(xué)中心，山東 青島 266032； 4.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科技學(xué)院，北京 100094)

Wang Zong-liE-mail:wangzongli@sina.com

草地是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，占陸地總面積的20%左右，是世界上分布最廣的植被類型之一[1]。草地生態(tài)系統(tǒng)為人類提供了多種生態(tài)服務(wù)功能，是畜牧業(yè)生產(chǎn)的重要基地。呼倫貝爾草原位于蒙古高原東部，草地資源豐富，現(xiàn)擁有天然草地8萬km2，是我國重要的草地畜牧業(yè)生產(chǎn)區(qū)域[2]。呼倫貝爾廣大牧區(qū)的草食家畜以粗放飼養(yǎng)為主，家畜所需的礦物元素幾乎全部來源于天然草地。礦物元素在家畜的機(jī)能維持、免疫功能等方面發(fā)揮著重要的作用，礦物元素?cái)z入不足或過多，都會影響家畜的潛在生產(chǎn)力和產(chǎn)品質(zhì)量[3]。因此，研究呼倫貝爾草原上土壤和植物中礦物元素含量，對保障家畜健康和草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

土壤中礦物營養(yǎng)元素的分布主要是受土壤類型限制，不同元素受影響的因素和程度存在差異[4]，而地區(qū)、海拔和植物種類等不僅影響植物生長，還會改變植物體內(nèi)礦物元素的含量[5-6]。在放牧草地上，土壤和植物中礦物元素的含量最終會在家畜體內(nèi)有所體現(xiàn)[7]。放牧和割草是草地利用的主要方式，不同的利用方式影響著草地植物多樣性、物種組成及地上生物量等[8]，從而對草地植物中的元素含量產(chǎn)生一定影響[9-10]。草地利用強(qiáng)度不同，還會引起土壤中的元素含量發(fā)生變化[11]。草原不同地區(qū)，由于地質(zhì)、地形、土壤環(huán)境和氣候條件等差異，牧草和土壤中礦物元素的含量存在明顯差異，進(jìn)而會影響到家畜攝入元素的差異[12]。加強(qiáng)對限制性營養(yǎng)元素的研究[13]，基于各地礦物元素分布的特點(diǎn)及差異，補(bǔ)飼礦物元素添加劑是保障畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要措施之一。目前國內(nèi)外對呼倫貝爾草地畜牧業(yè)的研究多側(cè)重于牧草營養(yǎng)物質(zhì)含量[14]，而對草原礦物營養(yǎng)元素的研究卻很少。為了使家畜的礦物元素?cái)z入趨近其需要，必須了解當(dāng)?shù)赝寥篮椭参镏械V物元素的含量與特點(diǎn)。本研究對呼倫貝爾草原不同地區(qū)放牧地和割草地進(jìn)行調(diào)查取樣，分析了土壤和植物中礦物元素含量及分布特征，并探討了改善家畜礦物元素?cái)z入的措施，以期能為因地制宜、科學(xué)利用草地和指導(dǎo)家畜生產(chǎn)等提供科學(xué)依據(jù)。

1　材料與方法

1.1　研究區(qū)概況

本研究以呼倫貝爾草原為研究區(qū)域(圖1)，地理位置為115°31′-120°38′ E，47°30′-50°15′ N，平均海拔500～900 m，該區(qū)域牧民主要從事以牛、羊養(yǎng)殖為主體的草原畜牧業(yè)生產(chǎn)[15]。

研究區(qū)地處溫帶北部區(qū)域，屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候。降水量分布不均勻且年際降水量變化較大，年降水量為240～380 mm，冬春季降水占全年降水的25%～30%，夏秋季降水占全年降水的70%～75%。年均氣溫較低，在地理上的分布呈現(xiàn)自西南向東北逐漸降低的趨勢，年均溫-3～0 ℃。冬季低溫且持續(xù)時(shí)間較長，春季多風(fēng)而干燥，夏季溫暖涼爽但持續(xù)時(shí)間較短，秋季霜凍雪早。無霜期為115～124 d。土壤類型主要有黑鈣土、粟鈣土、草甸土、沼澤土和風(fēng)沙土。研究區(qū)東部為溫性草甸草原，主要植被有貝加爾針茅(Stipabaicalensis)、羊草(Leymuschinensis)、糙隱子草(Cleistogenessquarrosa)、線葉菊(Filifoliumsibiricum)和日蔭菅(Carexpediformis)等；研究區(qū)西部是典型草原地帶，植被以大面積的根莖禾草和叢生禾草為主，建群種或優(yōu)勢種多為羊草、大針茅(Stipagrandis)和克氏針茅(Stipakrylovii)。此外，在研究區(qū)內(nèi)還有3條沙帶和零星沙丘堆積，發(fā)育有沙地植被[16-17]。

圖1　研究區(qū)地理位置及采樣點(diǎn)分布Fig. 1　Geographic location of research scope and sampling sites

1.2　研究方法

1.2.1樣品采集本研究中土壤和植物樣品于2016年7月20日-8月4日(植物生長旺盛時(shí)期)分別采集自呼倫貝爾市鄂溫克旗、陳巴爾虎旗、新巴爾虎右旗、新巴爾虎左旗、滿洲里市和海拉爾區(qū)6個(gè)地區(qū)(圖1)。為保證樣品的典型性和代表性，采樣過程中兼顧了交通便利和盡量保證樣點(diǎn)均勻分布，在大尺度下對草原土壤和植物樣品進(jìn)行采集，每個(gè)采樣點(diǎn)均用 GPS進(jìn)行精確定位。土壤與植物配對采樣，共對80個(gè)樣點(diǎn)的土壤、植物進(jìn)行了采集，樣點(diǎn)中有35個(gè)放牧場(多年放牧)和45個(gè)割草地(多年割草，當(dāng)年尚未割草)。在每個(gè)采樣點(diǎn)周邊地區(qū)50 m范圍內(nèi)隨機(jī)選取4個(gè)樣方，每個(gè)樣方0.5 m×0.5 m，將每個(gè)樣方中的所有植物齊地刈割后混合。在采過牧草的樣方內(nèi)，按對角線法采集地下0-20 cm處的均勻土壤，混合后用四分法縮減到約500 g。此外，在不同地區(qū)的割草地中，對草地中常見植物物種進(jìn)行了采樣，共采集到20種植物樣品112份。

1.2.2樣品分析土壤樣品經(jīng)室內(nèi)自然干燥，植物樣品經(jīng)65 ℃烘箱烘干后，均研磨過孔徑150 μm尼龍篩備用。土壤和植物樣品分別濕法消解后，用ICP-AES(電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀)進(jìn)行元素測定。根據(jù)植物或動物的必需礦物元素種類[18-19]，共測得磷(P)、鉀(K)、鎂(Mg)、鐵(Fe)、鈉(Na)、鈣(Ca)、硼(B)、釩(V)、鈷(Co)、錳(Mn)、銅(Cu)、鎳(Ni)、錫(Sn)、鋅(Zn)和鉻(Cr)15種元素的含量，其中土壤中的Sn低于檢測限，未檢出。每個(gè)土壤樣品和植物樣品各重復(fù)測定兩次。所有元素的標(biāo)準(zhǔn)溶液(1 000 μg·mL-1)均購自于國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)研究中心，使用時(shí)逐級稀釋。

1.2.3數(shù)據(jù)處理研究數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2013軟件進(jìn)行整理，樣品測定結(jié)果用平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤表示。用SPSS 20.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)間差異顯著性分析(Duncan法)及植物和土壤中元素相關(guān)分析(Pearson)。

2　結(jié)果與分析

2.1　呼倫貝爾草原土壤和植物中礦物元素含量及特征

呼倫貝爾草原土壤中P、K、Mg、Fe、Na、Ca、B、V、Co、Mn、Cu、Ni、Zn和Cr元素在土壤中的平均含量分別為0.39、10.26、4.44、17.22、14.20、11.76、22.61、44.88、11.14、489.00、13.03、17.13、47.25和42.37 mg·kg-1(表1)。同世界土壤中值及我國土壤背景值[20]相比，呼倫貝爾草原土壤樣品中Na的平均含量偏高，Zn含量介于兩者之間，而P、K、Mg、Fe等其余元素含量偏低。土壤中元素含量由多到少分別是Fe、Na、Ca、K、Mg、Mn、P、Zn、V、Cr、B、Ni、Cu、Co和Sn。

變異系數(shù)(CV)能反映出土壤和植物樣品中元素含量的差異程度，根據(jù)變異系數(shù)大小，可將元素變異性進(jìn)行粗略分級(CV<10%為弱變異性；CV=10%～100%為中等變異性；CV>100%為強(qiáng)變異性)[21]。土壤中只有Ca的變異系數(shù)>50%，而其他元素的變異系數(shù)均介于10%～50%，說明呼倫貝爾草原土壤中礦物元素均存在中等程度的變異，其中Ca的變異性最強(qiáng)，K的變異性最弱。

表1　呼倫貝爾草原土壤中元素分析統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 1　Statistics results of elements in soil samples on Hulunbuir grassland

P、K、Mg、Na、Ca、Fe、B、V、Co、Mn、Cu、Ni、Sn、Zn和Cr 元素在植物中的平均含量分別為1.58、4.87、1.78、0.18、6.48、640.08、19.67、2.31、0.53、50.38、7.03、13.57、66.94、18.34、46.19 mg·kg-1(表2)。植物中元素含量由多到少分別為Ca、K、Mg、P、Fe、Na、Sn、Mn、Cr、B、Zn、Ni、Cu、V和Co。植物中礦物元素的變異系數(shù)較大，其中Na的變異系數(shù)最大，為72.79%，P、Fe的變異系數(shù)>50%，而其他元素的變異系數(shù)均介于10%～50%。由此可見，呼倫貝爾草原植物中礦物元素也均存在中等程度的變異，其中Na的變異性最強(qiáng)，而Ni的變異性最弱。

為保證家畜的正常生長發(fā)育與繁殖，充分發(fā)揮家畜生產(chǎn)性能，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對奶牛、肉牛和肉羊飼養(yǎng)[22-24]的日糧中幾種主要礦物元素(Ca、Mg、P、K、Na、Co、Cu、Fe、Mn、Zn等)的需要量作了要求。以草地植被可提供的營養(yǎng)元素來初步評估呼倫貝爾草原家畜可攝入的礦物元素狀況，通過對比(表2)，呼倫貝爾草原植物中Co的平均含量充足，能滿足家畜的需要；Mg、P、K、Mn和Cu的平均含量只能滿足或部分滿足家畜基本生長發(fā)育的需要，當(dāng)家畜處于特定生產(chǎn)時(shí)期或快速生長時(shí)，需要適當(dāng)補(bǔ)充；Na和Zn的平均含量無法滿足家畜的需要，需要人為補(bǔ)充；而植物中Fe的平均含量較高，對家畜可能是過量的。

2.2　不同利用方式對草地土壤和植物中元素含量的影響

放牧和割草是草地管理及利用的主要途徑，根據(jù)呼倫貝爾草原的利用方式可將采樣點(diǎn)分為割草地和放牧場兩類。通過方差分析(表3)，不同的利用方式對草地土壤中各種礦物元素的含量沒有顯著影響。而不同利用方式對植物中礦物元素的含量產(chǎn)生了一定影響，其中，放牧草地植物中P、Fe、Na、V、Co、Mn、Cu、Zn和Cr 9種元素的濃度均顯著高于割草地的植物(P<0.05)。

2.3　植物對土壤中礦物元素的吸收能力

為了解植物選擇性吸收礦物元素的生物地球化學(xué)特征，對植物和土壤中礦物元素進(jìn)行相關(guān)性分析(表4)。其中，植物Mn與土壤P、植物Zn與土壤Mg以及植物Ca與土壤Mn這3組元素間均呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，而植物中部分元素與土壤K、Cu、Na、Ca共21組元素間均呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)。只有植物中K與土壤中K有顯著相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，而其他元素與土壤中對應(yīng)元素間相關(guān)性均不顯著(P>0.05)。

利用生物吸收系數(shù)(生物吸收系數(shù)=植物元素含量/土壤元素含量×100)來表示元素從土壤轉(zhuǎn)移到植物體中的效率，可定量反映出植物整體對相應(yīng)土壤元素的選擇性吸收能力[25]。通過計(jì)算，植物對P、K、Mg、Na、Ca、Fe、B、V、Co、Mn、Cu、Ni、Zn和Cr元素的吸收系數(shù)分別為405.13%、47.47%、40.09%、1.27%、55.10%、3.72%、87.00%、5.15%、4.76%、10.30%、53.95%、79.22%、38.81%和109.02%。因此，植物對土壤礦物元素的吸收能力由大到小依次為P>Cr>B>Ni>Ca>Cu>K>Mg>Zn>Mn>V>Co>Fe>Na，對P的吸收能力最強(qiáng)，對Na的吸收能力最弱。

表2　呼倫貝爾草原植物中元素分析統(tǒng)計(jì)結(jié)果及家畜對元素最低需要量Table 2　Statistics results of elements in plant samples and the minimum requirements of livestock

*根據(jù)各飼養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)[22-24]換算得出。

* Matrixing from the feeding standards[22-24].

表3　不同利用方式下土壤和植物中元素含量Table 3　Concentration of elements in soil and plant samples under different utilization types

土壤欄和植物欄中同行不同小寫字母表示割草地和放牧場間差異顯著(P<0.05)。

Different lowercase letters within the same row of soil and plant indicate significant difference between mowing and grazing grassland at the 0.05 level.

表4　呼倫貝爾草原植物中元素與土壤中元素的相關(guān)性分析Table 4　The correlation analysis between the content of elements in plant and in soil

“*”表示在0.05水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)；“**”表示在0.01水平(雙側(cè))上極顯著相關(guān)。

“*” and “**” indicate significant correlations at 0.05 and 0.01 levels, respectively, under bilateral inspection.

2.4　不同植物中Ca、Mg、Mn和Zn元素含量及特征

為進(jìn)一步深入研究礦物元素在植物中的分布特點(diǎn)，選擇具有代表性的Ca、Mg兩種常量元素和Mn、Zn兩種微量元素為研究重點(diǎn)，對呼倫貝爾草原割草地上常見20種植物中礦物元素的含量進(jìn)行了分析和對比(表5)。Ca、Mg、Mn和Zn在不同植物中的含量范圍分別為3.31～6.63、0.95～5.41和19.12～78.78、15.44～24.31 mg·kg-1，變異系數(shù)分別為14.99%、39.34%、37.08%和10.63%，可見Mg在植物中的變化幅度最大，Zn在植物中的變化幅度最小。對比結(jié)果表明，不同植物中礦物元素的含量存在較大差異，Ca在蓬子菜(Galiumverum)中含量最高，在芨芨草(Achnatherumsplendens)中含量最低；Mg在披針葉黃華(Thermopsislanceolala)中含量最高，在針茅(Stipacapillata)中含量最低；Mn在二裂委陵菜(Potentillabifurca)中含量最高，在馬藺(Irisensata)中含量最低；Zn在針茅中含量最高，在披針葉黃華中含量最低。

表5　呼倫貝爾草原常見植物種類的元素含量Table 5　Concentration of elements in common plant species on Hulunbuir grassland

同列不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。

Different lowercase letters within the same column indicate significant difference at the 0.05 level.

3　討論

3.1　影響土壤和植物中礦物元素含量及流動的因素

土壤礦物元素的含量變幅很大，其分布主要取決于成土母質(zhì)，但隨著土壤進(jìn)一步的發(fā)育，成土母質(zhì)對土壤礦物元素的影響逐漸被弱化，土壤的侵蝕、植被類型、環(huán)境污染和利用方式等會逐漸影響到土壤礦物元素的含量及分布[26-27]。呼倫貝爾草原土壤中礦物元素均表現(xiàn)為中度變異性，這與研究區(qū)域內(nèi)土壤類型、植被類型等存在差異有關(guān)。

植物中礦物元素的種類和含量與土壤中相應(yīng)元素有關(guān)。本研究所測元素指標(biāo)中，P、K、Ca、Mg、Fe、Mn、Zn、Ni、Cu和B為植物必需元素，而Na、Sn、Cr、V、Co等植物非必需元素在植物體內(nèi)也具有一定的含量，說明植物中礦物元素的種類與所處土壤中的元素種類密切相關(guān)[28]。土壤中有效礦物元素的含量一般都可以滿足植物生長發(fā)育的需要，但常因土壤屬性(如有機(jī)質(zhì)含量、pH、含水量等)[29-30]的影響及各元素之間的相互作用降低了元素有效性，導(dǎo)致土壤中能被植物吸收利用的有效礦物元素缺乏[31]。植物種類是影響植物中礦物元素含量的重要因素[32-33]，通過對呼倫貝爾草原上常見植物種類中Ca、Mg、Mn和Zn含量的對比分析，不同植物種類對元素的吸收和積累能力存在較大差異。由此可見，隨著草地植被組分的改變，草地植物中礦物元素的含量也會出現(xiàn)變化。同時(shí)，當(dāng)植物所處生長時(shí)期或外界環(huán)境發(fā)生改變時(shí)，植物能夠調(diào)整自身養(yǎng)分需求，從而改變體內(nèi)各種元素的相對含量，如：氣候可以改變植物和根際對元素的吸收[34]。呼倫貝爾草原植物中礦物元素和土壤中元素之間呈現(xiàn)正相關(guān)、負(fù)相關(guān)或者相關(guān)性不顯著的關(guān)系。這主要與三方面有關(guān)，一是土壤中檢測出的元素含量并不能反映出可被植物吸收利用元素的有效含量；二是天然草地植物樣品中植物種類復(fù)雜且比例變化大；三是植物對礦物元素的吸收主要受自身代謝過程的影響[18]。

在草地畜牧業(yè)中，土壤和植物的元素含量還受到了人類及家畜活動的影響。草地施肥可明顯改變土壤和植物中部分礦物元素的含量和分布[35-36]。放牧通過土壤、植物和動物之間的相互作用，可以改變土壤中的元素含量以及植物的生物量[29]。草地植被群落不同，利用方式對土壤和植被造成的影響也有所不同[37]。本研究所檢測的15種元素中，土壤礦物元素含量并沒有受到利用方式的顯著影響，這與土壤中礦物元素受多種因素決定有關(guān)。由于利用方式的不同，植物中礦物元素的含量出現(xiàn)了明顯差異，這主要是因?yàn)樵诜拍梁透畈輧煞N利用方式下，草地管理、牧草產(chǎn)量和牧草種類等均存在較大差異，導(dǎo)致草地上植物的礦物元素含量發(fā)生改變。其中，放牧場植物中P的含量顯著高于割草地的植物，這同柳劍麗[37]在典型草原上的研究結(jié)果和徐沙等[38]在內(nèi)蒙古溫帶草原上的研究結(jié)果一致。

本研究對礦物元素在“土壤-植物”間流動效率的研究發(fā)現(xiàn)，植物對不同元素的生物吸收系數(shù)存在較大差異，吸收系數(shù)大的元素在土壤中的含量不一定高，如P、Cr、B、Ni等，而土壤中某些含量高的元素生物吸收系數(shù)卻很低，如Fe、Na等。說明在自然條件下，植物吸收和積累元素的能力是按其生物學(xué)和元素地球化學(xué)規(guī)律進(jìn)行的。對于某些吸收系數(shù)大的元素，土壤中元素含量稍有變化，就可能會直接影響到植物中元素分布。相反，對于某些吸收系數(shù)小的元素，即使土壤中元素變化量較大，也不會引起植物中元素產(chǎn)生較大波動。因此在評價(jià)土壤中礦物元素含量變化對植物的影響時(shí)，應(yīng)充分考慮這些元素的生物吸收系數(shù)。

3.2　放牧家畜營養(yǎng)需要與草原礦物元素間的關(guān)系

放牧家畜的營養(yǎng)幾乎全部來源于草地，而世界上大部分地區(qū)均報(bào)道過放牧家畜礦物營養(yǎng)元素缺乏和不平衡。由于牧草所含元素與家畜必需元素在種類和數(shù)量上存在較大差異，因而牧草往往不能滿足放牧家畜礦物元素的需要。當(dāng)缺乏Se、Co、I 時(shí)植物能正常生長，且植物對Fe、Zn、Mn、Cu、Co的需要量通常比動物低，但是正常生長植物中Se、Mo、Cu的含量對放牧家畜也可能是過量的[39]。此外，由于礦物元素在土壤、牧草和家畜間的流動效率隨著放牧季有所變化[40]，這也導(dǎo)致家畜攝入礦物元素的量存在季節(jié)性不平衡。除了牧草以外，土壤也是草原礦物元素直接進(jìn)入家畜體內(nèi)的途徑之一。放牧家畜通過直接采食土壤或采食粘連塵土的牧草將土壤中的元素?cái)z入到體內(nèi)，但是家畜采食土壤的動因尚不清楚且采食土壤的量也不固定[41]。因此，在對放牧家畜礦物元素?cái)z入的研究過程中，有時(shí)還需考慮土壤中元素含量以及家畜采食土壤的量。

放牧家畜從草地上攝入礦物元素的盈缺狀況往往還受年齡、生產(chǎn)用途、性別等因素影響，且不同家畜在同一塊草地上獲得營養(yǎng)元素的量也存在差異。此外，由于動物自身具有選擇性采食的生物學(xué)特點(diǎn)，家畜礦物元素的實(shí)際攝入量有時(shí)還需結(jié)合采食組分和采食量開展進(jìn)一步研究，但這與草地植被中元素含量密切相關(guān)。本研究采用草地植被地上部分可提供的營養(yǎng)元素初步評估了草食家畜可攝入礦物元素的狀況，呼倫貝爾草原植被中Co的含量能滿足家畜的需要，Mg、P、K、Mn和Cu的含量只能滿足或部分滿足家畜基本生長發(fā)育需要，Na和Zn的含量無法滿足家畜的需要；而植物中Fe的含量對家畜可能是過量的。由此可見，要使家畜發(fā)揮最佳生產(chǎn)性能，獲得優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)的畜產(chǎn)品，僅僅靠放牧是很難達(dá)到目的，需要人為補(bǔ)飼或控制日糧中的礦物元素含量。對于妊娠期和產(chǎn)奶期的家畜，尤其要注意提高日糧中鈣、磷等元素的含量。本研究發(fā)現(xiàn)，同種元素在呼倫貝爾草原不同植物種類中的含量存在較大差異，因此，適當(dāng)調(diào)整植被組成可能有助于改善家畜礦物元素?cái)z入量。

4　結(jié)論

不同礦物元素在呼倫貝爾草原土壤和植物中的含量及變異程度存在較大差異。植物對土壤中各種元素的吸收能力不同，而同種元素在不同植物品種中的含量也存在較大差異，植物中部分元素?zé)o法滿足家畜的營養(yǎng)需要。相比割草利用，放牧可以提高草地植物中礦物元素的含量。因此，針對家畜營養(yǎng)需求，采用適宜的草地利用方式、牧草品種和礦物元素補(bǔ)飼措施，有利于維持呼倫貝爾草原畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展。