微量元素的特点
草甸草原植物中微量元素吸收特点及其对硫添加的响应
第35卷第6期2023年12月沈阳大学学报(自然科学版)J o u r n a l o f S h e n y a n g U n i v e r s i t y(N a t u r a l S c i e n c e)V o l.35,N o.6D e c.2023文章编号:2095-5456(2023)06-0471-09草甸草原植物中微量元素吸收特点及其对硫添加的响应张玉革1,刘梦霖1,2,高金影1,2,冯雪2,李天鹏2,姜勇2,3(1.沈阳大学区域污染环境生态修复教育部重点实验室,辽宁沈阳110044;2.中国科学院沈阳应用生态研究所额尔古纳森林草原过渡带生态系统研究站,辽宁沈阳110016;3.河北大学生命科学学院,河北保定071002)摘要:依托草甸草原硫添加模拟酸化田间试验,研究了植物叶片根系中微量元素对硫添加的响应㊂结果表明:与杂类草相比,禾草叶片具有较高的F e㊁M n质量分数和较低的C a㊁M g质量分数;4个物种叶片C a㊁M g对硫添加的响应相对较弱,M n随硫添加量显著增加,而杂类草叶片F e质量分数显著降低;从植物群落水平来看,随硫添加量增加根系C a质量分数显著降低,在高硫水平下降低显著,叶片F e质量分数及叶片和根系M n质量分数显著增加;硫添加下植物养分的变异受到土壤p H㊁交换性A l等土壤酸化指标的显著影响㊂关键词:草甸草原;硫添加;土壤酸化;植物营养;中微量元素中图分类号:Q945.1文献标志码:AC h a r a c t e r i s t i c s o fT r a c eE l e m e n tA b s o r p t i o n i nM e a d o wS t e p p e P l a n t s a n dT h e i rR e s p o n s e t o S u l f u rA d d i t i o nZ HA N GY u g e1,L I U M e n g l i n1,2,G A OJ i n y i n g1,2,F E N GX u e2,L IT i a n p e n g2,J I A N GY o n g2,3(1.K e y L a b o r a t o r y o fR e g i o n a lP o l l u t i o nE n v i r o n m e n t a n dE c o l o g i c a l R e s t o r a t i o no f M i n i s t r y o fE d u c a t i o n,S h e n y a n g U n i v e r s i t y,S h e n y a n g110044,C h i n a;2.E r g u n a F o r e s t-S t e p p e E c o t o n e E c o s y s t e m R e s e a r c hS t a t i o n,I n s t i t u t e o fA p p l i e dE c o l o g y,C h i n e s eA c a d e m y o fS c i e n c e s,S h e n y a n g110016,C h i n a;3.S c h o o l o f L i f eS c i e n c e s,H e b e iU n i v e r s i t y,B a o d i n g071002,C h i n a)A b s t r a c t:B a s e do nt h es i m u l a t e da c i d i f i c a t i o no fs u l f u ra d d i t i o ni n m e a d o w s t e p p e,t h er e s p o n s e o ft r a c ee l e m e n t si n p l a n t l e a v e sa n dr o o t st os u l f u ra d d i t i o n w a ss t u d i e d.T h er e s u l t s s h o w e d t h a t c o m p a r e dw i t hw e e d s,t h e l e a v e s o f g r a s s h a dh i g h e rm a s s f r a c t i o n o f F ea n d M na n d l o w e rm a s s f r a c t i o no fC a a n d M g;t h e r e s p o n s e s o fC a a n d M g i n l e a v e so f t h ef o u r s p e c i e st os u l f u ra d d i t i o n w e r er e l a t i v e l y w e a k,a n d M ni n c r e a s e ds ig n i f i c a n t l y w i t hs u l f u r a d d i t i o n(t h ev a r i a t i o nr a n g ew a s6%~72%),w h i l et h eF e m a s s f r a c t i o n i n w e e d sl e a v e s d e c r e a s e d s i g n i f i c a n t l y(t h ev a r i a t i o nr a n g ew a s5%~52%);f r o mt h e p e r s p e c t i v eo f p l a n t c o mm u n i t y l e v e l,w i t ht h e i n c r e a s eo f s u l f u ra d d i t i o n,t h eC a m a s s f r a c t i o n i nr o o t sd e c r e a s e d s i g n i f i c a n t l y,d e c r e a s e db y18%a th i g hs u l f u r l e v e l,a n d t h eF em a s s f r a c t i o n i nl e a v e s a n d M nm a s s f r a c t i o n i n l e a v e s a n d r o o t s i n c r e a s e d s i g n i f i c a n t l y,i n c r e a s i n g b y103%, 93%a n d106%,r e s p e c t i v e l y;t h ev a r i a t i o no f p l a n tn u t r i e n t su n d e rs u l f u ra d d i t i o n w a ss i g n i f i c a n t l y a f f e c t e db y s o i l a c i d i f i c a t i o n i n d e x e s s u c ha s s o i l p Ha n d e x c h a n g e a b l eA l.K e y w o r d s:m e a d o w g r a s s l a n d;s u l f u ra d d i t i o n;s o i l a c i d i f i c a t i o n;p l a n tn u t r i t i o n;m e d i u ma n d t r a c e e l e m e n t s土壤酸化是一个全球性环境问题[1],可导致土壤肥力下降㊁出现重金属迁移增加等土壤退化现象㊂随着工业化和城市化进程的加快,化石燃料燃烧及氮肥使用增加等会排放出大量的二氧化硫和氮氧化物[2],收稿日期:20220913基金项目:国家自然科学基金资助项目(31870441)㊂作者简介:张玉革(1968),女,辽宁大连人,教授㊂274沈阳大学学报(自然科学版)第35卷加速了对土壤圈和生物圈的酸化,给自然环境和生物健康造成巨大威胁㊂由于减排策略实施和新能源的开发利用,全球范围内大气硫沉降逐渐减少,但中国㊁印度等国家仍维持在较高水平[3]㊂过去20年,我国受硫沉降影响的区域由南部和东部向北部和西部扩散,内蒙古自治区东北部草甸草原区硫沉降量增加了1倍左右,未来可能在较长时间范围内持续增加[4]㊂土壤酸化影响草原植物群落结构及植物养分吸收,而草原植物叶片和根系中微量元素吸收如何响应硫沉降及导致的土壤酸化问题等相关研究相对较少㊂高等植物中S浓度只有N浓度的3%~5%,但S与N共同作用调控植物蛋白质合成;S对植物体内的氧化还原反应具有重要的调控作用,土壤中S的有效性影响植物代谢过程[5],因此S是植物生长的必要营养元素㊂植物中的中量元素C a㊁M g和微量元素F e㊁M n参与植物大部分的生理生化过程,如能量代谢㊁初级和次级代谢㊁细胞保护㊁基因调控㊁激素感知和信号传导等[6]㊂C a能增强植物对环境胁迫的抗逆能力,有助于生物膜选择性吸收离子[7];M g在叶绿素合成㊁光合作用及酶促反应中起重要作用[8];F e是蛋白质合成和呼吸所必需的营养元素;而M n对酶的活化和P的吸收有重要影响[9]㊂大气S 沉降可导致草地土壤酸化,大量硫酸根离子向下层土壤的迁移会加速土壤中量离子的耗竭和微量元素的活化,并引起A l等元素在土壤中的积累[1011]㊂土壤中盐分积累会抑制植物对养分的吸收,打破植物体内的养分平衡[12]㊂土壤酸化可抑制土壤硝化速率,提高土壤NH+4-N浓度[13],而高浓度的N H+4对于植物对M g吸收有很强的拮抗作用㊂在英国开展的长达15年的野外试验[14]表明,元素S添加导致的土壤酸化对土壤和植物的影响是长期存在的,土壤酸化显著降低了土壤有效C a浓度,进而又降低了植物中的C a浓度,而对植物中的F e㊁M n浓度无显著影响㊂草地生态系统研究[15]发现,针茅和冷蒿2个优势物种叶片M n浓度均与土壤有效M n浓度呈显著正相关,而植物F e吸收不仅受土壤有效F e浓度影响,还受植物F e㊁M n元素拮抗作用调控㊂与植物叶片不同,根系对水分和养分的竞争强度远远高于地上部分对资源的竞争[16]㊂有研究[17]发现,樱桃番茄随着土壤酸化程度增加会降低根系M g和F e浓度,而增加根系M n浓度㊂而在植物群落上,探讨草原植物根系金属养分吸收对土壤酸化响应的相关研究还较少㊂本研究通过呼伦贝尔草甸草原野外单质S添加模拟土壤酸化控制实验,探究S沉降及土壤酸化背景下植物群落叶片及根系中微量元素的差异性吸收及其与土壤理化性质和有效养分之间的关系,研究结果有助于评估和预测半干旱草原土壤植物养分循环过程对土壤酸化的响应㊂提出3个科学假设:假设① 不同草原植物物种有不同的养分吸收偏好,因此不同物种叶片中量及微量元素浓度可能会存在显著差异;假设② S添加导致的土壤酸化可加速土壤盐基离子淋失,进而抑制不同物种叶片和植物群落叶根对C a㊁M g元素吸收;假设③ S添加导致的土壤酸化可促进土壤微量元素活化,进而增加物种叶片和植物群落叶根对M n元素的奢侈吸收,但由于植物F e㊁M n吸收的拮抗作用,植物对F e的吸收可能受到抑制植物M n吸收的抑制㊂1研究区域与研究方法1.1研究区域概况研究地点位于内蒙古自治区呼伦贝尔市的中国科学院沈阳应用生态研究所额尔古纳森林草原过渡带生态系统研究站(50ʎ12ᶄ19ᵡN,119ʎ30ᶄ28ᵡE)㊂该区域为温带寒温带大陆性气候,海拔523m㊂具有鲜明的季节变化特点,春季降水少,温度回升快;夏季短暂燥热,雨量充沛,雨热同期;秋季降温快,初霜早;冬季寒冷漫长降水少㊂年平均降水量约363mm,其中约70%的降水发生在5月至9月之间,年平均气温-2.45ħ㊂植被以羊草(L e y m u sc h i n e n s i s)㊁贝加尔针茅(S t i p ab a i c a l e n s i s)㊁寸草苔(C a r e x d u r i u s c u l a)㊁糙隐子草(C l e i s t o g e n e ss q u a r r o s a)等禾本科植物为优势物种,以柴胡(B u p l e u r u m s c o r z o n e r i f o l i u m)㊁白头翁(P u l s a t i l l at u r c z a n i n o v i i)㊁达乌里芯芭(C y m b a r i a d a h u r i c a)㊁冷蒿(A r t e m i s i a f r i g i d a)等物种为常见种㊂该研究区的草原类型为草甸草原,土壤类型为黑钙土,土壤有机质质量分数为50~60g㊃k g-1,土壤砂㊁粉㊁黏粒浓度分别占39%㊁37%㊁24%,容重约为1.21g㊃c m-3㊂1.2试验设计本试验依托额尔古纳硫添加试验平台㊂硫添加试验开始于2017年5月,为随机区组试验,包括8个硫添加处理,分别为0㊁1㊁2㊁5㊁10㊁15㊁20㊁50g ㊃m -2㊃a-1㊂每个处理5次重复,每个小区为6mˑ6m ,相邻小区之间有2m 缓冲带,共计40个小区㊂选取元素硫粉末(>99.9%)来模拟硫输入及其导致的土壤酸化效应㊂自2017年起,每年5月中旬将不同剂量硫磺粉末与200g 处理过的土壤混合后均匀撒施于相应小区㊂元素硫添加试验2年后(2019年8月),土壤p H 值随硫添加量增加显著下降,各处理0~10c m 土层土壤p H 值分别为6.95㊁6.80㊁6.69㊁6.70㊁6.77㊁6.47㊁6.17㊁5.19㊂1.3 样品采集与测定1)样品采集:在试验处理的第3年(2019年),于8月中旬采集土壤样品(0~10c m )㊂利用直径5c m 土钻在每个小区随机选取5点取土并混合为1份土壤样品,共采集土壤样品40份㊂所取土壤样品过2mm 筛,去除植物残体和砾石,在实验室自然风干,用于测定土壤理化性质㊂植物样品同样采集于2019年8月中旬,在每个小区随机放置1个1mˑ1m 样方框,分物种剪下框内所有植物并装入写好编号的信封内㊂所有植物带回实验室先在烘箱105ħ杀青30m i n ,后在65ħ下烘48h 至恒重㊂选取针茅㊁糙隐子草㊁白头翁㊁达乌里芯芭4个物种叶片进行前处理,用R e t s c h M 400型球磨仪(德国莱驰公司生产)粉碎过100目筛(孔径为0.149mm )以备用于测定叶片元素质量分数㊂之后进行植物群落根系样品采集,在每个小区用直径为5c m 的根钻采集3钻0~10c m 土块,筛分出根系,冲洗干净,在65ħ下烘干,球磨仪粉碎过100目筛,备用㊂2)土壤及植物指标测定:土壤p H 值采用S 210型酸度计(德国梅特勒-托利多公司生产)测定(土水为比1ʒ5)㊂土壤交换性酸采用氯化钾(K C l )浸提㊁氢氧化钠(N a O H )中和滴定法测定㊂土壤交换性钙镁(C a 2+㊁M g 2+)采用1m o l ㊃L -1的乙酸铵(N H 4O A c )浸提,土壤有效态微量元素(F e 2+㊁M n 2+)采用二乙三胺五乙酸(D T P A )法浸提㊁A A 6800型原子吸收分光光度计(日本岛津公司生产)测定㊂植物叶片及根系元素质量分数采用H 2S O 4-H C l O 4消煮后用5100I C P -O E S 型电感耦合等离子体发射光谱仪(美国珀金埃尔默公司生产)测定㊂1.4 数据处理植物群落根系养分质量分数为混合根系养分质量分数的测定值,群落叶片养分质量分数采用式(1)计算:C WM =ðp i t i ㊂(1)式中:C WM 为群落叶片养分质量分数,m g ㊃k g -1或g ㊃k g -1;p i 为物种i 的地上生物量占地上总生物量的百分比,%;t i 为物种i 的养分质量分数,m g ㊃k g -1或g ㊃k g -1㊂采用S P S S 统计软件进行邓肯多重比较法检验植物中微量元素质量分数在硫添加处理下的差异显著性(P <0.05),并用P e a s o n 相关分析,分析土壤指标和植物元素质量分数之间的相关关系㊂利用O r i g i n8.5软件作图,图中数据为平均值ʃ标准误㊂2 结果与分析2.1 物种水平叶片中微量元素质量分数对硫添加响应硫添加下草甸草原不同植物物种叶片对中微量元素C a ㊁M g㊁F e ㊁M n 的吸收具有显著差异,如图1(a )硫添加对4个物种叶片C a 质量分数的影响374第6期 张玉革等:草甸草原植物中微量元素吸收特点及其对硫添加的响应(b )硫添加对4个物种叶片M g 质量分数的影响(c )硫添加对4个物种叶片F e 质量分数的影响(d )硫添加对4个物种叶片M n 质量分数的影响图1 硫添加对草原不同物种叶片中C a ㊁M g ㊁F e ㊁M n 元素质量分数的影响F i g .1 E f f e c t s o f s u l f u r a d d i t i o no n t h em a s s f r a c t i o no f C a ㊁M g ㊁F e ㊁M n i n l e a v e s o f d i f f e r e n t g r a s s l a n d s p e c i e s 注:不同的小写字母表示在不同硫处理之间差异显著(P <0.05)㊂S 0㊁S 1㊁S 2㊁S 5㊁S 10㊁S 15㊁S 20㊁S 50分别表示硫添加量为0㊁1㊁2㊁5㊁10㊁15㊁20㊁50g ㊃m -2㊃a -1,下同㊂不同的大写字母表示在不同物种之间差异显著(P <0.05)㊂所示,杂类草(白头翁和达乌里芯芭)叶片C a 和M g 质量分数显著高于禾草(针茅和糙隐子草),而杂类草叶片F e ㊁M n 质量分数则显著低于禾草㊂硫添加处理下,植物物种的C a 质量分数较为稳定,但针茅和白头翁叶片C a 质量分数在硫添加量为50g ㊃m -2㊃a -1时表现为显著下降(图1(a ));4个物种叶片M g 质量分数对硫添加的响应均不显著(图1(b ));硫添加显著降低白头翁和达乌里芯芭叶片F e 质量分474沈阳大学学报(自然科学版) 第35卷数,而加硫对针茅和糙隐子草叶片F e 质量分数有正向影响,但不同硫添加量间差异不显著(图1(c));随硫添加量的增加,4个物种叶片M n 质量分数均显著增加(图1(d ))㊂2.2 群落水平叶片和根系中微量元素质量分数对硫添加响应由图2可知,植物群落水平根系C a ㊁F e ㊁M n 质量分数高于叶片,其中根系F e 质量分数是叶片的几倍至数十倍;而根系和叶片M g 质量分数比较接近㊂群落水平叶片C a 质量分数对硫处理的响应不显著,而根系C a 质量分数在硫添加量为50g ㊃m -2㊃a -1时显著下降(图2(a ));群落水平叶片和根系M g质量分数对硫处理的响应均不显著(图2(b ))㊂群落水平叶片F e 质量分数在中量硫添加量(10g ㊃m -2㊃a -1)下最高,低量和高量硫添加下相对较低,根系F e 质量分数对硫添加无显著响应(图2(c ));硫添加显著增加群落叶片和根系M n 质量分数(图2(d ))㊂(a )硫添加对群落叶片和根系C a 质量分数的影响(b )硫添加对群落叶片和根系M g 质量分数的影响(c )硫添加对群落叶片和根系F e 质量分数的影响574第6期 张玉革等:草甸草原植物中微量元素吸收特点及其对硫添加的响应674沈阳大学学报(自然科学版)第35卷(d)硫添加对群落叶片和根系M n质量分数的影响图2硫添加对草原植物群落叶片和根系中C a㊁M g㊁F e㊁M n元素质量分数的影响F i g.2E f f e c t s o f s u l f u r a d d i t i o no n t h em a s s f r a c t i o no f C a㊁M g㊁F e㊁M n i n l e a v e sa n d r o o t s o f g r a s s l a n d p l a n t c o m m u n i t i e s2.3植物群落叶片和根系中微量元素质量分数与土壤性质的关系从表1可知,植物群落叶片C a㊁F e质量分数与土壤p H值㊁交换性A l㊁交换性C a㊁M g㊁D T P A-F e㊁D T P A-M n无显著相关性;叶片M g质量分数与土壤交换性M g显著正相关;叶片M n质量分数与土壤p H值㊁交换性C a显著负相关,与交换性A l㊁D T P A-F e㊁D T P A-M n显著正相关㊂植物群落根系C a质量分数与土壤p H值显著正相关,与土壤交换性A l和D T P A-M n显著负相关;根系M g㊁F e质量分数与土壤性质间无显著相关性;根系M n质量分数与土壤p H值显著负相关,与交换性A l㊁D T P A-F e㊁D T P A-M n显著正相关㊂表1植物群落水平叶片和根系中微量元素质量分数与土壤性质间的P e a r s o n相关系数T a b l e1P e a r s o n c o r r e l a t i o n c o e f f i c i e n t b e t w e e n t h em a s s f r a c t i o no f t r a c ee l e m e n t si n l e a v e s a n d r o o t s a t t h e l e v e l o f p l a n t c o m m u n i t y a n d s o i l p r o p e r t i e s指标土壤p H值土壤交换性A l土壤交换性C a土壤交换性M g土壤D T P A-F e土壤D T P A-M n 叶片C a质量分数-0.020.050.07-0.02-0.040.09叶片M g质量分数-0.160.20-0.050.38*0.140.22叶片F e质量分数0.12-0.09-0.100.08-0.11-0.05叶片M n质量分数-0.55**0.40*-0.40*-0.100.40*0.34*根系C a质量分数0.36*-0.38*0.260.29-0.27-0.36*根系M g质量分数0.13-0.170.160.18-0.06-0.08根系F e质量分数-0.01-0.020.010.270.130.08根系M n质量分数-0.40*0.37*-0.210.090.44**0.37*注:*P<0.05;**P<0.01㊂3讨论3.1硫添加对草甸草原4个物种叶片中微量元素质量分数的影响本研究中,不同植物物种叶片C a㊁M g㊁F e㊁M n质量分数存在显著差异,假设①成立㊂根据高等植物营养学原理,不同功能群植物物种对中微量元素的吸收存在差异,主要是植物发育过程中代谢途径以及养分在植物器官中的分配存在差异所致[18]㊂4个物种的叶片中微量元素质量分数对硫添加的响应具有显著的物种特异性㊂针茅和白头翁叶片C a质量分数在硫添加量低于20g㊃m-2㊃a-1处理时无显著变化,而在硫添加量为50g㊃m-2㊃a-1处理下才显著降低,说明只有当土壤离子变化超过植物耐受范围时才会引起植物的响应,这与假设②一致㊂亚热带森林的酸添加试验表明,中低水平的酸化能够显著增加杉木C a和M g质量分数,但在高水平酸化处理下出现下降趋势[19]㊂在高硫处理下针茅和白头翁叶片C a质量分数显著降低主要原因是土壤酸化增加了钙镁离子的淋失[20],这一结果与中国北方半干旱草原和欧洲草原的研究结果一致[2122]㊂半干旱草原的研究发现,猪毛蒿和风毛菊2个杂类草叶片C a质量分数同时受到土壤酸化的抑制[21],这种C a 吸收的降低可能减少植物抵抗环境胁迫的能力[2324]㊂不同物种对土壤酸化的差异性响应,可能归因于植物根系形态特征和根系深度分布模式的不同导致植物对土壤中量元素变化的响应不同[21]㊂硫添加对4个物种的叶片M g 质量分数均无显著影响,与西北黄土高原的一项研究结果一致,土壤酸化下多年生C 4禾草的地上组织M g 质量分数也表现出较好的稳定性[25]㊂这一结果与假设②不一致,由于草甸草原黑钙土富含中量元素,短期的硫添加对植物M g 吸收的影响不大㊂本研究发现,两个杂类草物种白头翁和达乌里芯芭叶片F e 质量分数在硫添加下均显著降低,而禾本科物种针茅和糙隐子草F e 质量分数无显著变化(图1(c )),4个物种叶片M n 质量分数随硫添加量的增加均显著增加(图1(d ))㊂这种叶片F e 吸收的差异主要由于杂类草M n ㊁F e 元素吸收表现出显著的拮抗作用,M n 与F e 竞争相同的吸收位点,较高的M n 积累抑制杂类草对F e 的吸收[26]㊂杂类草的F e的吸收主要由还原反应介导,即根细胞内的铁还原酶将F e 3+还原成F e2+,然后在铁运输蛋白的作用下吸收F e 2+进入根内并伴随着M n 2+离子的运输[18,27]㊂土壤酸化引起的土壤有效M n 质量分数增加导致M n 2+直接与F e 2+竞争,造成杂类草叶片M n 积累抑制F e 吸收[15]㊂禾本科植物可同时吸收F e 3+和F e 2+,进而这种拮抗作用对禾草叶片地上部F e 吸收影响较杂类草小㊂本研究表明,不同功能群物种F e 和M n 吸收存在显著差异性,由于杂类草M n 吸收显著抑制F e 吸收,加之M n 的奢侈吸收,可能会影响杂类草的生理生化过程进而导致一些杂类草物种因土壤酸化而在植物群落中的率先丢失㊂假设3得到实验验证㊂3.2 硫添加对草甸草原植物群落叶片和根系中微量元素质量分数的影响本研究是硫添加实验处理的第2年,尽管针茅和白头翁叶片C a 质量分数对高量硫酸添加(50g ㊃m -2㊃a -1)表现出显著响应,但群落水平上叶片C a 质量分数对硫添加并未有显著响应,这可能是由于实验处理时间较短,植物群落尚能抵抗土壤酸化胁迫[28]㊂根据质量比假说,生态系统过程主要由优势物种的功能特征决定[29],因此本研究中草地植物群落叶片C a 质量分数可能主要受优势物种(羊草和寸草苔生物量占比在60%以上)的影响㊂与之相反,根系C a 质量分数受到硫添加的抑制,这种叶片和根系的差异性响应,表明植物可能会通过调节不同器官的养分吸收策略进而保持体内的养分相对平衡[30]㊂另一种可能的原因是,根系与叶片所处的生长环境不同,其对土壤性质变化的敏感性要高于叶片[31]㊂本研究中,植物群落根系C a 质量分数与土壤p H 值显著正相关,与土壤交换性A l 显著负相关(表1)㊂由于C a 离子与A l 离子会竞争交换位点,土壤中高量的交换性C a 会帮助植物抵御土壤A l的毒害[32],而硫添加导致的土壤钙淋失可能导致植物根系潜在遭受A l 毒害[33]㊂与C a 相比,植物中M g 质量分数较为稳定,群落叶片和根系M g 质量分数对硫添加均无显著响应,且仅有群落叶片M g 与土壤交换性M g 呈显著正相关(图2(b ),表1)㊂主要原因是短期硫添加并未显著改变土壤交换性M g 质量分数(未发表数据),因此不同物种M g 质量分数未受到硫添加处理的显著影响㊂在群落水平上,假设②不成立㊂C a 和M g 是植物结构组织和基本代谢的基础元素,是有机化合物的组成成分,往往受到更严格的生物调控[34]㊂而微量元素F e ㊁M n 的环境敏感性高,生物控制弱,对环境变化的响应更快[30]㊂本研究中,硫添加可增加植物群落叶片F e 质量分数(图2c )且与土壤理化和D T P A -F e 的相关性很弱,符合土壤和植物元素质量分数之间存在微弱耦合关系的观点[35]㊂有研究发现,在硫充足的情况下,禾本科植物根系F e 质量分数更易受土壤硫有效性的影响[36],主要是因为F e 和S 营养之间存在共同的稳态调节机制[37]㊂S 供应充足时,植物会增加对S 的同化和蛋氨酸的合成,同时增加F e 载体的分泌,因此施S 可导致植物叶片F e 吸收增加[36]㊂本研究所选取的草甸草原主要以禾草为优势物种,植物群落叶片F e 质量分数对硫添加的正向响应与禾草的响应(图1(c ))趋势一致㊂群落植物不同器官对M n 元素的吸收受到土壤p H 值的调控,与土壤p H 值显著负相关,而与土壤交换性A l ㊁D T P A -M n 显著正相关,植物群落地上㊁地下器官的元素质量分数具有相似的变异模式(图2(d ),表1)㊂多项研究表明,土壤酸化可显著促进草原植物对M n 的奢侈吸收,而酸化导致的植物M n 毒害也是草原植物多样性降低的一个重要机制[11,15,28]㊂在物种水平和群落水平上,假设③均成立,即土壤酸化促进植物M n 吸收,植物M n 与F e 吸收在一定程度上存在拮抗作用㊂774第6期 张玉革等:草甸草原植物中微量元素吸收特点及其对硫添加的响应874沈阳大学学报(自然科学版)第35卷4结论草甸草原不同物种对中量元素C a㊁M g和微量元素F e㊁M n的吸收存在显著的差异性,禾草叶片对微量元素F e㊁M n具有较高的富集能力,而杂类草则含有较高量的中量元素C a㊁M g㊂石灰性草甸草原交换性C a㊁M g质量分数相对较高,不同物种叶片C a㊁M g对短期的硫添加的响应较弱;硫添加显著降低土壤p H值㊁增加交换性A l质量分数,致使土壤酸化并活化土壤M n和F e,因此所有物种叶片M n质量分数均随硫添加量的增加而显著增加;杂类草叶片F e质量分数随硫添加量而显著降低,存在显著的锰铁拮抗效应㊂在群落水平上,根系C a㊁F e㊁M n质量分数显著高于叶片,表明草原植物不同器官对中微量元素的富集能力具有显著差异㊂短期硫添加诱导的土壤酸化对植物群落叶片和根系的M n质量分数㊁根系C a质量分数具有显著影响,对叶片和根系的M g㊁F e质量分数影响相对较小㊂研究结果有助于评估和预测半干旱草原土壤植物系统养分循环过程对土壤酸化的响应,为草原生态系统养分管理及可持续利用提供数据支撑㊂参考文献:[1]S U L L I V A N TS,G A D DG M.M e t a l b i o a v a i l a b i l i t y a n d t h e s 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矿物元素添加剂
矿物元素添加剂一矿物元素分类（一）矿物元素分类矿物质元素是动物机体的重要组成成分，在饲料添加剂中，矿物质的作用非常重要。
在动物体内约有45种矿物元素，目前已证明必需的矿物元素有18种。
在动物体内含量高于0．01％（包括0.01%）的元素称为常量矿物元素，包括钙、磷、钠、钾、氯、镁、硫等7种。
在动物体内含量低于0．01％的元素称为微量矿物元素，包括铁、锌、锰、铜、钴、碘、硒、钼、氟、铬、硼等11种。
矿物质元素在动物体中约占4%左右，其中，六分之五存在于骨骼和牙齿中，六分之一分布于毛、蹄、角、肌肉、血球、体液中。
动物体内存在的矿物元素，有一些是动物生理过程和体内代谢必不可少的，这一部分就是营养学上常说的必需矿物元素，在体内的分布和数量由其生理功能决定。
这类元素在体内具有重要的营养生理功能：有的参与体组织的结构组成，如钙、磷、镁以其相应盐的形式存在，是骨和牙齿的主要组成部分；有的作为酶（参与辅酶或辅基的组成）的组成成分（如锌、锰、铜、硒等）和激活剂（如镁、氯等）参与体内物质代谢；有的作为激素组成（如碘）参与体内的代谢调节等；还有的元素以离子的形式维持体内电解质平衡和酸碱平衡（如Na+、K+、Cl+等）。
必需矿物元素必须由外界供给，当外界供给不足，不仅影响生长或生产，而且引起动物体内代谢异常、生化指标变化和缺乏症。
必需矿物元素在畜禽日粮中含量的多少，不仅会影响饲料利用率，还会由于各种元素的比例失调，导致畜禽的各种营养性疾患。
在不同种类的饲料或不同产区的同种饲料中，矿物质含量的差异很大。
一般情况下，可通过饲料的多样性来满足畜禽对各种矿物质的需要量。
但在集约化生产的舍饲条件下，特别是生产性能高的畜禽，机体代谢所需的矿物质也多，必须在日粮中另行添加所需的矿物质。
表3-26 不同动物体内矿物质元素含量（引自《动物营养学》，杨凤，2001）常量元素（%）微量元素（㎎/㎏）钙磷钠钾氯硫镁铁锌铜锰碘硒钴猪 1.11 0.71 0.16 0.25 - 0.15 0.04 90 25 25 - - 0.20 -鸡 1.50 0.80 0.12 0.11 0.06 0.15 0.03 40 35 1.3 - 0.40 0.25 -牛 1.20 0.70 0.14 0.10 0.17 0.15 0.05 50 20 5.0 0.3 0.43 - < 0.04 绵羊 2.00 1.10 0.13 0.17 0.11 0.10 0.06 78 26 5.3 0.4 0.20 - 0.01 人 1.80 1.00 0.15 0.35 0.15 0.25 0.05 74 28 1.7 0.3 0.40 0.3 -（二）必需微量元素具备的特点：1、普通存在于动物体的各个组织；2、每个动物体存在的浓度大致相同；3、缺乏出现异常，添加异常现象消失；4、一种元素对各物种动物的基本生理功能是共同的；5、必需矿物元素的两面性（营养作用、毒害作用），缺乏出现临症状，供给量有一个生理平衡区，超过限度出现中毒。
微量元素与人类健康
微量元素与人类健康人是由元素组成的，目前检出90种元素。
身体各器官组织如：血清有74种元素、脑48种、心脏49种、肝脏50种、胸腺18种。
元素是构成人体的最基本单元,科学研究证明：地壳、海水中的元素丰度决定了人体元素丰度，环境元素分布的不平衡是人类患地方病的根本原因。
人类属于异养型生物，是通过食物链从环境中摄取营养元素。
人的生、老、病、死无不与体内元素平衡有关，因此有关“元素与健康”问题的研究也应运而生。
“元素医学”就是在原子、分子生物学基础上，以元素平衡为核心，从事研究、观察RYB系列燃油泵和解决人类健康问题的一门学科。
元素在人体的分布是有规律的，每时每刻都在做有序的运动。
元素在从体内各个脏、腑的含量是有特异性的，即“元素是归经的”。
人体内元素的特点在生命体中的元素含量低于百万分之一的，称作微量元素。
生命体内的微量元素具有以下特点：1．1 相对性一种相同的元素在某一学科中可作为主量元素，而在另一学科中却作为微量元素，例如，氢在生命化学中是主量元素，而在材料科学中常作为微量元素另行研究。
1．2 低浓度在任何生命体中元素均是微量的，并且必须服从Henri稀溶液定律和Nerst分配定律。
1．3 普存性普存性即指自然界中不存在绝对纯的物质。
1．4 重要性元素在所有的研究体系点火油泵中虽然丰度很低，但却具有极其重要的特定效应。
1．5 相关性相关性即不仅要考虑它们单个的行为，更重要的探讨其相互关系。
元素与人体的关系前面我们已经了解到人体内已经检出90种元素，但是这些元素在人体内含量差别很大，含量多的氧元素占身体总重量的65%,含量少的钴元素还不到十亿分之一。
经研究表明在人体中有11种元素含量较多，它们是氧、碳、氢、钙、磷、钾、硫、钠、氯、镁等。
其中氧、碳、氢、氮四种元素就占了人体总重量的99.95%,剩下0.05%含量的都是微量元素。
长期以来，人们对体内含量较多的元素十分重视，而对微量元素却重视不够。
其实，元素在人体里作用的大小不能以含量的多少来决定，有许多微量元素含量微乎其微，但作用却不可忽视，对矮小ZYB增压燃油泵身材儿童头发中微量元素的分析发现，被测定的42例矮小身材儿童，大多数患儿发中锌含量低于正常儿童；铜含量减少较多，可见儿童的生长发育除受遗传、内分泌、营养、运动及疾病等因素的影响，还与体内某些微量元素如锌、铜的缺乏有关。
儿童微量元素检测及其特点
定期检测：定 期进行微量元 素检测，了解
补充效果
饮食调整：调 整饮食结构， 增加富含微量 元素的食物摄
入
定期进行微量元素检测
检测频率：根据儿童年龄和健康 状况，定期进行微量元素检测
检测方法：选择合适的检测方法， 如血液检测、头发检测等
检测结果分析：根据检测结果， 分析儿童微量元素缺乏情况
预防措施：针对缺乏的微量元素， 采取相应的预防措施，如调整饮 食、补充营养素等
Part Three
儿童微量元素过量 的危害
锌过量的危害 01
胃肠道反应：恶心、呕吐、腹痛、腹泻等
03
免疫系统损害：免疫力下降，容易生病
05
生殖系统损害：男性精子数量减少、女性 月经紊乱等
02
神经系统损害：头痛、头晕、失眠、记忆 力减退等
04
内分泌系统损害：甲状腺功能减退、生长 激素分泌减少等
06
缺铁：可能导致贫血、生长发育迟缓、 免疫力低下等问题
02
缺锌：可能导致食欲不振、生长发育 迟缓、免疫力低下等问题
03
缺钙：可能导致骨骼发育不良、牙齿 发育不良、免疫力低下等问题
04
缺镁：可能导致肌肉无力、骨骼发育 不良、免疫力低下等问题
05
缺铜：可能导致贫血、生长发育迟缓、 免疫力低下等问题
06
缺锰：可能导致骨骼发育不良、免疫 力低下等问题
关注儿童饮食安全，避免摄入过 多的添加剂和污染物
预防儿童营养不良和疾病的发生
微量元素检测可以帮助了解儿童体内营养素的水平，及时发现营养不良问题。 微量元素检测可以预测儿童生长发育趋势，提前采取干预措施，预防疾病发生。 微量元素检测有助于发现儿童体内微量元素的缺乏或过量，及时调整饮食，保证营养均衡。 微量元素检测可以指导儿童合理补充营养素，提高免疫力，预防疾病的发生。
第四章 微量元素地球化学-3
能斯特分配系数。
8
在一定浓度范围内，KD与i的浓度无关，只与 温度、压力有关。 根据稀溶液定律（亨利定律），微量元素i的活 动正比于其摩尔浓度，即ai = K bi 所以，KD= aiA/aiB= biA/biB 能斯特分配系数（ KD ）仅适用于服从稀溶液 定律的微量元素，其他元素需采用该元素在两 相中的活度比值作为分配系数。
28
b 平衡部分熔融过程的定量模型
o 假设，产生的全部熔体与残留相保持平衡
ci l
岩浆 F
源岩
1-F
残留相
ci o
ci s
o 考虑源岩中微量元素i的量和岩浆+残留相中的量相等， 可得下列方程：
ห้องสมุดไป่ตู้29
我们设：F为固相部分熔融的程度（百分数） CS为固相中某微量元素的初始平均浓度 CL为固相熔融到F时熔体相中该微量元素的平均浓度 CRS为固相熔融到F时残余固相中该元素的浓度 DRS为残余固相和熔体相之间的总分配系数 这里XRS,α为残余固相中α相（矿物）的重量分数
结晶作用是岩浆演化的基本过程； 结晶过程倾向于导致岩浆全部结晶，即100％变成结晶相； 矿物结晶过程中，矿物表面与残余岩浆之间可以一直保持 平衡；但是，矿物内部与残余岩浆脱离接触，难以继续保持 平衡。因此，平衡结晶过程很少实现。实际的结晶过程是一 种保持表面平衡的过程，接近分离结晶过程。 在岩浆结晶过程中存在矿物结晶次序的差别，一些矿物先 结晶，一些矿物后结晶，如鲍文反应序列所示。由于重力等 作用，先结晶的矿物可能发生堆积，与残余岩浆分离。这也 会造成分离结晶作用。 岩浆分离结晶的程度，取决于岩浆的类型和粘度、结晶的 速度等条件。
22
B 温度对分配系数的影响
• 由能斯特定律可导出： lnKD = - (△H/RT) + B △H表示微量元素在两相中的热焓变化； B是积分常数； R是气体常数 ——分配系数的自然对数与体系温度的倒 数呈线性关系！
维生素与无机元素
用于夜盲症、干眼病等的治疗
主要临床用途
维生素D缺乏可导致佝偻病
维生素D缺乏: 儿童——佝偻病(rickets) 成人——软骨病(osteomalacia)
主要缺乏症与中毒
用于佝偻病、软骨病的治疗 维生素D中毒：主要表现为高钙血症、高钙尿症、高血压和软组织钙化等。
主要临床用途
Ⅰ
生化作用：FMN及FAD是体内氧化还原酶(如脂酰CoA脱氢酶、琥珀酸脱氢酶、黄嘌呤氧化酶等）的辅基，主要起氢传递体的作用 缺乏症：口角炎，唇炎，阴囊炎等
维生素PP的辅酶形式是NAD＋和NADP＋
尼克酸(nicotinic acid) 尼克酰胺(nicotinamide)
维生素PP包括：
尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+) 尼克酰胺腺嘌呤二核苷ห้องสมุดไป่ตู้磷酸(NADP+)
添加标题
细胞外基质蛋白的基因、细胞黏附与炎症的相关基因：抗炎、维持正常免疫功能
添加标题
细胞信号系统和细胞周期调节的相关基因：抑制细胞增殖，抗肿瘤
添加标题
3.基因表达调控
（四）维生素K的主要功能是促凝血作用
人工合成K3
主要结构： 维生素K是2-甲基1,4-萘醌的衍生物
天然形式：
主要来源： K1 ——植物甲萘醌或叶绿醌 K2 ——肠道细菌的产物
主要生化/生理功能
1. 调节钙磷代谢
1,25-(OH)2D3可通过信号转导系统使钙通道开放，促进小肠和肾小管对钙、磷的吸收，影响骨组织的钙代谢，从而维持血钙和血磷的正常水平，促进骨和牙的钙化。
2. 促进骨盐代谢与骨的正常生长
3. 组织细胞分化、免疫调节等
调节多种组织细胞分化 促进胰岛细胞合成与分泌胰岛素 抑制某些肿瘤细胞增殖和促进分化
微量元素氨基酸螯合物的吸收特点及其在养猪生产中的应用
到 摩 以共 价 键 结 害 作 用 等 特 点 ， 提 高 畜 禽 生 产 性 能 和 抗 应 摩 尔 金 属 对 应 １ ３ 尔 氨 基 酸 ） 对 激 能 力 等具 有 重 要 作 用 ， 目前 被 认 为 是 一 种 合 而 成 ， 解 氨 基 酸 的 平 均 分 子 量 必 须 为 １０ 水 ５ 较理 想 的新型 高效 绿色饲 料 添加剂 。
学 结 构 ， 易 与 其 他 理 化 因 子 结 合 ， 金 属 微 千 克 锌 （ 基 酸 螯 合 锌 式 ） 试 验 结 果 表 明 ， 不 且 氨 ， ２
但 量 元 素 主 要 以 螯 合 物 的 形 式 穿 过 细 胞 膜 进 入 种 锌 添 加 剂 都 显 著 促 进 了 猪 生 长 ， 在 血
动 物 生 长 所 必 需 的 微 量 元 素 金 属 离 子 与 氨 基 血 ， 后 ， 他 国 家 对 微 量 元 素 氨 基 酸 螯 合 物 此 其
酸 发 生 配 位 反 应 生 成 的 具 有 环 状 结 构 的 化 合 进 行 了 一 系 列 的 研 究 和 开 发 应 用 。美 国 饲 料 Ａ ， Ｏ 于 ９８年 Ｆ 物 。 由 于 其 接 近 于 动 物 体 内 天 然 形 态 的 微 量 管 理 协 会 （ Ａ Ｃ ） １ ９ 正 式 确 定 了 微 量
微 量 元 素 氨 基 酸 螯 合 物 在 消 化 道 内 的 存 数 提 高 ， 生 窝 重 也 得 到 了提 高 。 初
在 状 态 、 收 方 式 和 组 织 代 谢 不 同 于 无 机 微 吸
２微 量 元 素氨 基 酸 螯 合 物 在仔 猪 生 产 上 ．
量 元 素 ， 研 究 证 明 ， 基 酸 是 金 属 微 量 元 素 的 应 用 。 大 量 研 究 结 果 表 明 ， 量 元 素 氨 基 有 氨 微
地球化学作业——微量元素的地质应用
地球化学第一次课后作业班级： 021131班姓名：刚果河边草泥马指导老师：张利微量元素的地质应用微量元素是研究自然物质和自然体系中微量元素的分布规律、存在形式、活动特点、控制因素及其地球化学意义的地球化学分支学科，是地球化学学科的一个重要分支，它的研究内容为不同地球化学体系中微量元素的分布、分配、共生组合及演化的规律。
而微量元素具有很多其他主量元素无法表现的特点，如含量更低，含量变化更大，比主量元素更灵敏，数量以及分类更多，来源更复杂等特点，所以微量元素可以提供大量主量元素所表达不出的地质信息。
基于以上的特点，微量元素作为一种主要的工具，运用于地质中的方方面面，将实际资料和模型计算相结合，能够近似定量地解决元素在共存相中的分配问题，并反映相关的地质意义。
而且随着科技的发展，不止在地质领域，在物证鉴定、古文化传播研究等方面都有了广泛的应用。
以下是为本人阅读的相关文献，总结了微量元素的相关地质应用。
一、微量元素可以推断岩浆演化和成岩过程这种应用通常要根据大离子亲石元素来判断，依据其含量的变化来判断岩浆的演化过程和成岩的过程，如Sr/Ca的比值可反映其岩浆的演化分异程度。
以《广西三叉冲钨矿有关岩体岩石成因：锆石U-Pb年代学、元素地球化学及Nd同位素制约》这篇文献为例。
在文章中，作者要分析中粒黑云母花岗岩和细粒二云母花岗岩的区别。
首先取样分析其相关大离子亲石元素的含量变化，中粒黑云母花岗岩具有较高的大离子亲石元素含量(Rb = 120—260 μg/g, Ba =5 44—823 μg/g, Sr = 399—677 μg/g)。
对比之下，细粒二云母花岗岩具有相对较高的 Sr 含量(444—661 μg/g, 表 2)和相对较低的 Rb (62—189 μg/ g)、Ba(101—806 μg/g)含量。
在稀土元素分布模式图(图 7)中, 中粒黑云母花岗岩和细粒二云母花岗岩都为轻重稀土分异明显右倾式。
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微量元素的特点
微量元素是指在生物体内所需量极少的元素。
尽管微量元素在生物体内所占比例较小，但它们对生物体的正常生长、发育和代谢起着至关重要的作用。
微量元素的特点主要包括以下几个方面。
微量元素的需求量非常少。
微量元素的需求量通常以毫克甚至微克计量。
尽管量少，但微量元素对生物体的生理功能具有重要影响，一旦缺乏或过量，都会导致生物体的异常生长和代谢紊乱。
微量元素的生理作用多样化。
微量元素在生物体内扮演着各种不同的角色。
例如，铁是血红蛋白和酶的组成部分，参与氧气的运输和能量代谢；锌是许多酶的辅助因子，参与蛋白质合成和细胞分裂；硒是抗氧化剂，能够保护细胞免受自由基的损害；碘是甲状腺激素的组成部分，影响生长和发育等。
第三，微量元素的缺乏和过量都会对生物体产生负面影响。
微量元素是维持生物体正常生理功能所必需的，缺乏任何一种微量元素都可能导致特定的疾病或异常。
例如，缺铁会导致贫血，缺碘会引起甲状腺功能减退症，缺锌会影响生长发育等。
另一方面，微量元素的过量摄入也会对生物体产生毒性作用。
例如，过量摄入铅会导致中毒，过量摄入硒会引起硒中毒等。
第四，微量元素之间存在相互作用。
微量元素在生物体内的吸收、转运和利用是相互关联的。
一些微量元素之间存在拮抗作用，互相
竞争吸收和利用。
例如，铁和锌之间的相互作用，过量摄入铁会影响锌的吸收和利用。
另一些微量元素之间存在协同作用，互相促进吸收和利用。
例如，维生素C可以促进铁的吸收和利用。
第五，微量元素在不同生物体中的需求量和生理作用可能有所不同。
不同生物体对微量元素的需求量和生理作用是有差异的，这是由于不同生物体的生理特点和代谢需求不同所致。
例如，植物对微量元素的需求较高，尤其是铁和锌，在土壤中缺乏这些微量元素会导致植物生长受限。
微量元素是生物体所需量极少的元素，但对生物体的正常生长、发育和代谢起着至关重要的作用。
微量元素具有需求量少、生理作用多样化、缺乏和过量均有负面影响、微量元素之间存在相互作用以及不同生物体对微量元素的需求和生理作用有所差异等特点。
了解微量元素的特点对于保持生物体的健康和促进生物体的生长发育具有重要意义。