基于ICP-MS分析的苜蓿礦質元素含量特征與評價

張欣昕 張福金* 劉廣華 張 堯 孫 林 莎 娜 郭志剛

(1.內蒙古自治區農牧業科學院，呼和浩特 010030； 2.鄂爾多斯市環境保護中心監測站，內蒙古 鄂爾多斯 017000)

苜蓿(Medicago Sativa)作為重要的飼草產品，在提高奶牛養殖生產效益，增加農牧民收入，發展草畜結合、高產、優質、高效的產業戰略中發揮著越來越重要的作用[1]。礦質元素是苜蓿生長發育和品質形成的物質基礎，其含量和相互之間的作用，影響著蛋白、氨基酸等營養物質的合成[2]。同時，苜蓿中礦質元素的含量也對家畜營養物質攝入起決定性因素[3]。苜蓿礦質營養價值的大小直接影響家畜的免疫機能、生長發育和動物產品品質[4]。因此，開展苜蓿中礦質元素的特征分析，對苜蓿品種的選育、產品開發及合理利用具有重要意義。目前，相關性分析、主成分分析和聚類分析已被廣泛運用于蔬菜[5]、水果[6]、茶葉[7]等農產品多指標礦質元素的品質評價工作中，以揭示營養元素間的差異及內在影響。在天然牧草的礦質元素分析上，也有應用。惠岑懌等[8]利用相關性分析研究了內蒙古針茅植物的15種礦質元素組成差異，發現有25對元素有顯著相關(p<0.05)。烏蘭等[9]基于礦質營養元素分析了蘇尼特右旗草原上23種植物礦質營養元素含量特征，發現不同植物表現出一定的分類(科)變化的規律。而基于礦質元素的苜蓿干草品質分析還尚未見報道。由于日糧補充礦物飼料，粗飼料中礦質元素常常不被重視，但其含量對草食動物健康非常重要。因此，本研究以黑龍江、內蒙古和陜西等9省本地生產和進口的苜蓿干草為研究對象，以石墨消解-電感耦合等離子體質譜法分析測定鉀、鈣、鎂等17種礦質元素，利用相關性分析和主成分分析，分析進口和國產苜蓿礦質元素含量之間的差異。揭示苜蓿干草中礦質元素含量和相關性特征，探明進口和國產苜蓿總體礦質差異，明確差異元素，為苜蓿品種的選育、施肥管理與苜蓿草產品的合理開發利用提供重要依據。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

于2019和2020年采集黑龍江、內蒙古、陜西、寧夏、河北、山東、安徽、四川、云南等9省主要牧場的苜蓿干草樣品，共計52份。其中，國產苜蓿30份，進口苜蓿(主要來源于美國、加拿大和西班牙等地)22份。

1.2 主要儀器和試劑

ST60D自動石墨消解系統(北京普立泰科公司)，iCAP-TQ電感耦合等離子體質譜儀(美國Thermo公司)，單元素標準儲備溶液(1 000 mg/L)購自國家標準物質研究中心(根據需要使用前臨時配制混合標準工作液)，內標物鈧(Sc)、鍺(Ge)、銦(In)、鉍(Bi)購自國家標準物質研究中心，濃硝酸(優級純，德國Meker公司)。

1.3 實驗方法

按照“GB/T 14699—2005.1”中有關規定采集樣品，每個采樣點隨機采集3個樣品，去雜質后充分混勻。將采集的樣品取500～1 000 g，于60 ℃鼓風烘箱干燥2 h后，再用105 ℃烘干至恒定質量，四分法取樣后，充分研磨，過100 mm篩，作為分析樣品備用。

礦質元素測定方法參照黃建立等[10-11]的方法，稱取1.000 g于50 mL消化管中，加入8.0 mL硝酸，靜置過夜，次日置于石墨消解器中，于120 ℃消解至約1 mL(約3 h)，冷卻后加入2 mL過氧化氫(約1 h)，于120 ℃繼續消解至大約1 mL，取下用超純水定容到50 mL。同時做試樣空白。用ICP-MS法測定樣品中的鉀(K)、鈣(Ca)、鎂(Mg)、鈉(Na)、磷(P)、鋁(Al)、錳(Mn)、鋅(Zn)、銅(Cu)、鉛(Pb)、鎳(Ni)、碘(I)、鉻(Cr)、砷(As)、鈷(Co)、鎘(Cd)和汞(Hg)共17種礦物元素的含量。用外標法定量分析，以環境標樣為標準品，用Sc、Ge、In、Bi保證儀器穩定性。ICP-MS運行條件如表1所示。

表1 ICP-MS運行條件

1.4 數據處理

采用Microsoft Excel 2019 軟件進行數據整理和表格繪制，應用IBM SPSS Statistics 20.0 統計軟件進行相關性分析、主成分分析和方差分析。主成分分析采用 Factor 過程的主成分分析法，因子提取特征值大于 1 的主成分；組間多重比較采用 Duncan 法。

2 結果與分析

2.1 礦質元素含量特征

從常量元素看，苜蓿干草中K含量最高(見表2)，平均值達20 876 mg/kg，其次是Ca>Mg>Na>P，其含量均超過1 000 mg/kg，其余12 種微量元素中，Al含量顯著高于其他微量元素，其次是Mn和Zn，含量超過10 mg/kg，Cu、Pb和Ni的含量超過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 種微量元素中，Pb、Cr、As、Cd和Hg具有潛在毒性，在我國飼料衛生標準中有明確的限量規定[12]，從表3可看，52份苜蓿草均不存在Pb、Cr、As、Cd和Hg含量超標。17 種礦質元素含量的變異系數在 34.57%～158.4%，Zn、Cu、Cr和Hg的變異系數相對較大，均大于100%，其他元素的變異系數也均在30%以上，說明苜蓿干草中礦質元素含量具有明顯差異性，有必要進行礦質元素含量分析與綜合評價。

表2 苜蓿干草中礦質元素含量

2.2 礦質元素含量相關性分析

相關性分析顯示(表3)，苜蓿干草中17種礦質元素間具有極顯著相關關系(p<0.01)的有33對，Cu、K、Mg、Al、K、Ca元素兩兩之間存在極顯著正相關，其中Cu和Ca的相關系數達0.745；Mn與Cu、Zn呈極顯著正相關(p<0.05)，與Zn的相關系數達0.930，說明Mn含量高的苜蓿干草中Zn含量也高；具有潛在毒性的Pb、Cr、As、Cd和Hg元素間表現為：Cr與Cd呈極顯著負相關，Cd與Hg呈極顯著負相關。苜蓿干草中礦質元素含量之間存在著復雜的相互作用關系，具有進行主成分分析的基礎。

2.3 礦質元素含量主成分分析

對苜蓿干草中17種礦質元素含量標準化處理后，以特征值>1 提取主成分(表 4)，共提取5個主成分，前5個主成分累積方差貢獻率達 74.90%，包含了17種礦質元素含量的主要信息。第1主成分方差貢獻率最大，達 32.48%，第1主成分中因子載荷值較大的是Ca、Cu、Mg和K元素，均大于0.7，說明第1主成分主要受這4種元素影響，第2主成分主要受Zn元素影響，第3和第5主成分主要受Co和Na元素影響。因此認為Ca、Cu、Mg、K、Zn、Co和Na是苜蓿干草的主要特征礦質元素。

表3 苜蓿干草中礦質元素含量相關性分析

表4 苜蓿干草中礦質元素含量主成分分析

計算主成分載荷系數與其特征值算術平方根的比值，以其比值和礦質元素含量建立各主成分與礦質元素含量之間線性函數Yi，再利用5個主成分各自的方差貢獻率與累積方差貢獻率(74.90%)的比值為權重構建苜蓿干草礦質元素含量評價模型pn，即pn與yi(i=1～5)之間的線性函數為pn=0.434y1+0.190y2+0.163y3+0.129y4+0.084y5，pn越大說明總體礦質元素含量越高。計算52份苜蓿干草的pn，并以pn由小到大排序，結果如表5所示，通過該評價模型發現：進口苜蓿樣品的pn普遍大于國產苜蓿，說明進口苜蓿的總體礦質元素含量高于國產苜蓿。

2.4 國產和進口苜蓿礦質元素含量差異

為了進一步研究國產和進口苜蓿在礦質元素上的差異，分別統計了國產和進口苜蓿干草中礦質元素含量，并進行方差分析(表6)。進口苜蓿中K、Ca和Mg含量平均值分別為(28425.77±1624) mg/kg、4 892.88±490和(3 396.66±194) mg/kg，其含量顯著高于國產苜蓿(p<0.05)，而國產苜蓿中Na含量平均值(2 582.11±346) mg/kg，顯著高于進口苜蓿(p<0.05)，P含量在國產和進口苜蓿干草中無差異。12 種微量元素中，Cu、Cr、Hg、Co和Cr含量在國產和進口產品中存在差異顯著，Cu、Cr和Hg的含量呈現出進口苜蓿大于國產苜蓿，而Co和Cr的含量呈現國產大于進口的趨勢(表7)。

2.5 基于礦質元素的國產和進口苜蓿營養評價

對國產和進口苜蓿進行礦質元素營養評價，參照美國農學會、作物學會和土壤學會的《Alfalfa Management Guide》[13]中的組織分析診斷表分析：進口苜蓿中K、Ca、Mg、Mn和Cu含量基本在標準范圍內，P和Zn含量接近標準下限；而國產苜蓿只有Mn和Cu含量在標準范圍內，Mg、P、Zn含量接近標準下限，K和Ca含量較低。與進口苜蓿干草相比，國產苜蓿在K和Ca礦質營養上缺失相對嚴重。

表5 52份苜蓿干草礦質元素主成分含量評價結果

表6 國產和進口苜蓿礦質元素含量

表7 國產和進口苜蓿礦質元素含量

3 討論

不同礦質元素在植物中的含量存在明顯差異。本研究發現，苜蓿干草中礦質元素種類豐富和含量變異較大，元素含量排序為K>Ca>Mg>Na>P>Al>Mn>Zn>Cu>Pb>Ni>Cr>As>Co>Cd>Hg，其中K含量最高。張英俊[14]研究表明，苜蓿對K含量的需求量高于其他任何一種元素，且苜蓿的高產是建立在高K的基礎上。P對促進有機磷化物和蛋白質的合成有明顯作用[15]，Mg可促進植物的呼吸作用和氮代謝與蛋白質的合成過程[16]，Ca可與Al、Na等離子形成拮抗作用，影響動物吸收[17]。本研究結果中Ca、Mg和P含量分別為0.16%～1.25%、0.12%～0.56%、0.069 8%～0.39%。

主成分分析是通過降維，將多個具有一定相關性的觀測指標轉化為能代表主要影響因子的多元統計方法[18]。本研究發現苜蓿干草中，礦質元素間具有極顯著相關關系的有33對，Cu、K、Mg 、Al、K、Ca元素兩兩之間存在極顯著正相關，基于苜蓿干草礦質元素之間的相關性，通過主成分分析將所研究的17種礦質元素指標進行簡化，篩選出Ca、Cu、Mg、K、Zn、Co和Na這7種元素可作為苜蓿干草的主要特征礦質元素。

基于礦質元素研究發現，進口苜蓿中K、Ca和Mg含量顯著高于國產苜蓿，國產苜蓿在K、Ca和Mg礦質營養上相對缺乏。

4 結論

1)國內9省主要牧場正在飼喂的苜蓿干草中礦質元素含量差異明顯，17 種礦質元素含量的變異系數在34.57%～158.4%，平均含量最高的是K元素，達20 876.69 mg/kg，其次是Ca>Mg>Na>P。其余12 種微量元素中，Al含量顯著高于其他微量元素，不存在Pb、Cr、As、Cd和Hg等重金屬超標現象。

2)苜蓿干草中Cu、K、Mg 、Al、K、Ca依存度高，兩兩元素間存在極顯著正相關(p<0.01)，Mn與Cu、Zn呈極顯著正相關(p<0.05)，Cr與Cd呈極顯著負相關(p<0.01)，Ca、Cu、Mg、K、Zn、Co和Na是我國當前牧場飼喂的苜蓿干草的主要特征礦質元素，累積方差貢獻率達74.904%，應加強苜蓿生產利用環節平衡營養管理。

3)含量評價發現，進口苜蓿中K、Ca、Mg、Cu含量顯著高于國產苜蓿，而國產苜蓿中Na和Co含量顯著高于進口苜蓿，在總體礦質元素含量上，進口苜蓿優于國產苜蓿；在營養利用上，國產苜蓿K和Ca礦質營養相對缺乏，應加強我國苜蓿選種和生產中鉀肥和微量元素肥料的配施。