胡居吾，熊華

（1.江西省科學(xué)院，江西南昌 330096；2.南昌大學(xué)食品科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室，江西南昌 330047）

土壤中的Se元素不能被植物吸收和利用，但經(jīng)過一系列的風(fēng)化作用、物理和化學(xué)反應(yīng)或者在微生物的作用下，土壤中的金屬Se元素被轉(zhuǎn)化成含硒氧化物，最后以各種形態(tài)進入土壤中。土壤中Se的形態(tài)有硒酸鹽、亞硒酸鹽、金屬硒化物和有機結(jié)合態(tài)、元素態(tài)Se，以及小分子有機硒化物，如含硒蛋白、硒基氨基酸等[1]。硒的有效性除受形態(tài)影響外，還與土壤全硒量、土壤有機質(zhì)、土壤質(zhì)地、土壤pH等有關(guān)。豐城市被譽為“中國生態(tài)硒谷”，有良好的天然硒資源基礎(chǔ)，其土壤中硒含量適中；不同于高硒含量地帶，可避免硒含量過高造成對人體健康的危害。豐城市分布的富硒土壤資源面積較大，屬于江西省首次發(fā)現(xiàn)的富硒土壤。土壤中硒元素含量0.12～0.99 mg/kg，平均含量約0.538 mg/kg，面積大約在524.7km2。研究表明，未經(jīng)任何技術(shù)處理，大部分種植產(chǎn)品就達(dá)到富硒農(nóng)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。

本文主要研究了豐城市天然富硒土壤性質(zhì)，包括硒含量、硒形態(tài)、土壤的pH值、土壤中有機質(zhì)含量和陽離子交換量等以及天然土壤中硒在水稻生長過程中對重金屬鎘和鉛的拮抗效果。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

1.1.1 天然富硒農(nóng)產(chǎn)品樣品采集

隨機采集豐城市富硒地區(qū)（董家村）的天然富硒產(chǎn)品，包括大蒜籽、筍大豆（秋）、早稻（糙米）、百合、黑豆（早）、黃豆（早）、花生、早米、晚米、紅薯、蕎麥、白芝麻、水稻秸稈以及草魚等原料，分別檢測樣品中總硒含量，驗證它們的天然富硒情況。

1.1.2 土壤樣品采集

收集豐城市3個有代表性稻田地區(qū)的土壤，這3個地區(qū)的土壤中含硒量不同，分別設(shè)為低區(qū)（A區(qū)，蕉坑村）、中區(qū)（B區(qū)，荷湖鄉(xiāng)）、高區(qū)（C區(qū)，董家村）3個不同天然富硒土壤區(qū)（低區(qū)同樣達(dá)到富硒土壤標(biāo)準(zhǔn)）。試點稻田土壤的深度設(shè)為3個層次，分別為0～15cm（耕作層）、15～30 cm（自土層）、30～45 cm（底土層），采集后，在40℃烘干，過100目的尼龍篩，備用。

鹽酸、硝酸、磷酸二氫鉀、磷酸氫二鉀、高硫酸鉀、濃硫酸均為國產(chǎn)，分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

AA-6880原子熒光光度儀（日本島津）、ST16高速離心機（美國Thermo公司）、PHS-3C酸度計（上海雷磁）、PHS-2C數(shù)顯恒溫水浴鍋（江蘇金壇市醫(yī)療器械）、FA-2004分析天平（蘇州贏安楊儀器有限公司）。

1.3 方法

1.3.1 樣品中總硒含量的測定[2]

稱取約0.25g通過100目的樣品于100mL的三角瓶中，加入10 mL的濃硝酸和高氯酸混合酸（HNO3∶HClO4=4∶1），靜置過夜后，在350℃電熱板上消化2～3 h，消化至無色并冒白煙，取下稍冷后加入5mL濃HCl，繼續(xù)加熱至無色，并冒白煙，取下冷卻至室溫，再加5mLHCl，全部轉(zhuǎn)入25mL容量瓶中，用超純水定容，制成待測液。待測液中的硒含量用原子熒光光譜儀測定。

1.3.2 土壤中硒形態(tài)的提取

參照Liu等[3]人的方法，將高硒含量的土壤（董家村）中的不同形態(tài)硒連續(xù)性提取。

1.3.3 土壤pH的測定[4]

稱取10.0g±0.1g試樣，置于50mL的高型燒杯或適宜的容器中，并加入25mL水（或氯化鉀溶液或氯化鈣溶液）。將容器密封后，用磁力攪拌器，攪拌5min，靜置1～3h，然后用酸度計測定。

1.3.4 有機質(zhì)含量的測定

參照Gitelson等[5]的方法進行。

1.3.5 土壤中陽離子交換量的測定

土壤中的陽離子交換量（Cation Exchange Capacty，簡稱CEC），是指土壤對所有陽離子所能吸附的總量。土壤中陽離子交換量的大小，是土壤具有保肥能力的主要評價標(biāo)準(zhǔn)之一。

1.3.6 土壤中天然硒對重金屬鉛和鎘的拮抗作用

采集A區(qū)和C區(qū)水稻不同生長時期（秧苗期、返青期、分蘗期、幼穗發(fā)育期、開花結(jié)實期、果實成熟期）的葉片，測定其中硒、鎘和鉛的含量[6-7]。

1.3.7 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

試驗數(shù)據(jù)采用統(tǒng)計分析軟件SAS進行統(tǒng)計分析，均值間比較采用Duncan's多重比較，顯著檢驗及皮爾遜相關(guān)系數(shù)在0.05和0.01水平進行。

2 結(jié)果與分析

2.1 天然富硒產(chǎn)品中硒含量的測定

對收集到的豐城天然富硒地區(qū)（C區(qū)，董家村）所生產(chǎn)的天然富硒產(chǎn)品中的樣品，經(jīng)原子熒光光譜儀測定其中總硒含量，結(jié)果見表1。從表1中可知，收集到的豐城天然富硒地區(qū)（董家村）所生產(chǎn)的天然富硒農(nóng)產(chǎn)品中硒含量均達(dá)到富硒含量標(biāo)準(zhǔn)，證實了豐城天然富硒土壤中所生產(chǎn)的農(nóng)作物大部分為天然富硒產(chǎn)品。

在相近或相同的自然環(huán)境條件下，土壤中所生長的不同植物對硒的吸收和利用能力不同，因此，這些不同植物的體內(nèi)硒含量也會存在著明顯差別。從表1可知，大米（硒含量0.098～0.110mg/kg，蛋白質(zhì)含量約為8%）、大豆類（硒含量在0.142～0.151 mg/kg，蛋白質(zhì)含量約為40%）、花生（硒含量0.161 mg/kg，蛋白質(zhì)含量約為30%）、蕎麥（硒含量0.140 mg/kg，蛋白質(zhì)含量約為15%）、草魚（硒含量0.253 mg/kg，蛋白質(zhì)含量約為16%）等中的硒含量明顯高于筍（硒含量0.083 mg/kg，主要成分為膳食纖維，蛋白質(zhì)含量2.6%）、百合（硒含量0.012 mg/kg，蛋白質(zhì)含量1.2%）和紅薯（硒含量0.011 mg/kg，蛋白質(zhì)含量0.9%）中的硒含量。并且，大米、大豆、蕎麥、草魚中的蛋白質(zhì)含量也明顯高于筍、百合和紅薯中蛋白質(zhì)的含量。因此，初步可以推測，天然富硒農(nóng)作物產(chǎn)品中硒含量與農(nóng)作物產(chǎn)品中蛋白質(zhì)含量存在著重要的關(guān)系[8]。

從表1可知，大蒜籽（硒含量0.215 mg/kg，蛋白質(zhì)含量4.5%）、韭菜（硒含量0.561 mg/kg，蛋白質(zhì)含量2.4%）中的硒含量明顯高于高蛋白質(zhì)物質(zhì)，如大米、大豆、蕎麥的硒含量。其主要原因是大蒜籽主要含硫胺素和大蒜素，韭菜為多年生宿根蔬菜，主要含硫胺素和硫化合物，由于大蒜籽和韭菜中含有大量的硫元素，硒元素同硫元素競爭，硒原子取代硫原子進入植物質(zhì)代謝過程中，使得大蒜仔和韭菜中硒含量較高[9]。

硒元素也是動物，如魚類正常生長所必需的微量元素之一，水環(huán)境中硒含量過高或過低都不利于魚類的生長和機體代謝。魚類的鰓可以從周圍環(huán)境中吸收和利用一部分環(huán)境中的硒，但是魚類的腸道才是魚類所吸收和利用硒的主要來源。從表1中草魚腸的硒含量（0.301 mg/kg）要高于草魚鰓（0.260 mg/kg）中硒含量也得到了證實。

表1 豐城天然富硒產(chǎn)品中的總硒含量

2.2 稻田土壤中形態(tài)硒含量的測定

采集豐城地區(qū)的稻田土壤，通過分步法提取不同的形態(tài)硒并測其含量，結(jié)果如圖1所示。由圖1可知，在董家村（C區(qū)）稻田的土壤中水溶性Se含量達(dá)到0.065 mg/kg，約是蕉坑村（A區(qū)）的10倍（硒含量為0.007 mg/kg）。并且在董家村（C區(qū)）稻田土壤中的酸溶態(tài)硒、可交換態(tài)硒、有機物結(jié)合態(tài)硒的含量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于蕉坑（A區(qū)）稻田土壤中酸溶態(tài)硒、可交換態(tài)硒、有機物結(jié)合態(tài)硒的含量。由于這4種形態(tài)硒能直接或間接被植物吸收利用，所以，這兩個地區(qū)所生產(chǎn)出產(chǎn)品中所含硒量有著明顯的差異。

圖1 不同地區(qū)稻田土壤中硒形態(tài)的含量

研究表明，采用純水作提取劑會使得樣品發(fā)生膠溶現(xiàn)象，影響提取的效果和提取率，而采用中性鹽，如KCl、Na2SO4等作提取劑，由于這些中性鹽溶液的離子強度大，能有效的抑制膠溶現(xiàn)象的產(chǎn)生，提高了水溶態(tài)硒的提取效果和提取率。但使用中性鹽作為提取劑，存在著一定的不足之處，主要體現(xiàn)在，由于鹽類之間存在著離子交換的作用，會使部分土壤表面弱吸附的SeO42-、SeO32-難于進入溶液，從而影響了水溶態(tài)硒的含量。因此，本實驗直接用超純水作提取劑，浸提率趨于穩(wěn)定。

可交換態(tài)硒主要是SeO32-，在提取土壤中的SeO32-時，通常會采用磷酸二氫鉀、碳酸氫鈉等化合物的水溶液。研究表明，PO43-、SO42-和HCO3-等常見的陰離子交換劑對天然富硒土壤中的SeO32-解吸能力大不相同，其中PO43-的解吸能力最強，而且它能快速取代SeO32-，其次是HCO3-，SO42-的解吸能力最弱。本研究試驗了多種不同提取劑的提取效果和提取率，最終選取用0.1mol/L KH2PO4-K2HPO4緩沖溶液作為可交換態(tài)硒的提取劑。

酸溶態(tài)（碳酸鹽及鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)）硒的提取過程，由于水浴溫度、HCl濃度及浸提時間對Fe、Mn氧化物結(jié)合態(tài)硒（即酸溶態(tài)硒）提取率有十分重要影響。若提取溫度太低、浸提時間不足或者反應(yīng)體系中HCl濃度偏低，都會影響到酸溶態(tài)硒的提取率。但是，若提取溫度過高、提取時間過長、或者反應(yīng)體系中HCl濃度過大都會使部分Se揮發(fā)，從而使酸溶態(tài)硒的提取率降低[10]。因此，在本實驗中，提取土壤和沉積物中酸溶態(tài)硒選用3 mol/L HCl在90℃恒溫下，振蕩30 min。

有機結(jié)合態(tài)硒的提取劑有很多，其中K2S2O8具有較強的氧化性，可作為有機結(jié)合態(tài)硒的提取劑。本實驗參照Martens[11]提供的方法進行實驗，實驗時采用K2S2O8作為提取劑，對提取時間和提取溫度進行了考察，實驗結(jié)果較好。

2.3 天然富硒土壤其他物質(zhì)的測定

研究土壤中天然硒在水稻和大豆中的遷移情況時，除了要考察土壤中天然硒含量及形態(tài)外，還要了解土壤中其他物質(zhì)的情況。

水稻秧苗種子種植到水田后，在土壤中的生長深度不會超過30cm，因此，對水田的兩個不同土層深度（0～15cm，15～30cm）進行采樣，分別測定其中總硒量、pH、有機質(zhì)、陽離子交換量（CEC）、鎘（Cd）和鉛（Pb）的含量，結(jié)果見表2。

表2 天然富硒稻田土壤中相關(guān)成分的含量

表2結(jié)果表明，在同一區(qū)域不同土層深度的天然富硒稻田土壤中的硒含量在數(shù)值上有不同，但沒有顯著性差異。如A區(qū)土層深度為0～15 cm處的硒含量為0.028 mg/kg，土層深度為15～30cm處的硒含量為0.034 mg/kg。同樣，在C區(qū)土層深度為0～15 cm處的硒含量為0.941 mg/kg，土層深度為15～30cm處的硒含量為0.836 mg/kg，兩者在數(shù)值上有不同，也沒有顯著性差異。但是，在不同區(qū)域（如A、C區(qū)）同一土層深度的天然富硒稻田土壤中的硒含量明顯不同，且顯著性差異明顯。如A區(qū)土層深度為0～15 cm處的硒含量為0.028 mg/kg，而C區(qū)土層深度為0～15 cm處的硒含量為0.941 mg/kg。

表2還表明，除了兩區(qū)（A、C區(qū)）土壤中硒含量不同外，土壤中的pH、有機質(zhì)、陽離子交換量及土壤中鎘、鉛的含量都沒有顯著性差異。因此，這兩個地區(qū)種植出的產(chǎn)品中硒含量差異，最主要的原因是土壤中含硒量的不同，土壤中的其他因素（pH、有機質(zhì)和CEC）為次要因素，但這些因素對土壤中硒形態(tài)有著密切關(guān)系[12]。

土壤中硒能被植物吸收和利用，除了與硒本身形態(tài)的影響外，同時受到土壤類型、土壤中的pH值和土壤中有機質(zhì)含量等因素有著密切的關(guān)系。土壤中的pH值是控制土壤中亞硒酸鹽和硒酸鹽之間轉(zhuǎn)化的主要因素。在堿性土壤中，硒主要以硒酸鹽（SeO42-）的形式存在，在酸性和中性的土壤中主要以亞硒酸鹽（SeO32-）的形式存在，土壤中的pH越高，土壤中的硒越容易損失[13]。土壤中有機質(zhì)通過降解作用釋放出硒，因此，在土壤表層（0～30cm）由于較多有機質(zhì)使得土壤硒含量增加。

2.4 天然硒與重金屬的拮抗作用研究

不同硒含量地區(qū)的水稻各生長期葉片中鎘和鉛的含量如表3所示，隨著水稻生長時間的增加，Cd和Pb在葉片中硒含量呈相正的關(guān)系。如Cd和Pb在A區(qū)的水稻分蘗期時葉片中含量分別為2.158 mg/kg和6.897 mg/kg，隨著水稻生長到幼穗發(fā)育期時，葉片中Cd和Pb含量分別為3.787 mg/kg和7.158 mg/kg。但是，在水稻的每個生長期內(nèi)，葉片中Cd和Pb的含量在高硒區(qū)（C區(qū)）均低于低硒區(qū)（A區(qū)）中的含量。如，在水稻返青期時，葉片中的Cd在A區(qū)和C區(qū)的含量分別為1.574 mg/kg和1.412 mg/kg。同時，研究表明在整個生長期內(nèi)，高硒區(qū)的Cd和Pb積累速率比低硒區(qū)（A區(qū)）的積累速率緩慢（如圖2和3）。結(jié)果表明，在水稻生長過程中，適量的硒濃度對重金屬Cd和Pb起到了一定的拮抗作用。

表3 不同硒含量地區(qū)的水稻各生長期葉片中硒、鎘、鉛的含量

圖2 A區(qū)和C區(qū)水稻各生長期葉片中Cd含量

圖3 A區(qū)和C區(qū)水稻各生長期葉片中Pb含量

土壤中常見的重金屬，如Cd和Pb等會對植物體產(chǎn)生有毒作用。研究表明，過量的Cd和Pb會抑制植物的光合作用，降低植物中葉綠素的產(chǎn)量[14]。研究人員以生菜葉面為研究對象，在其生長過程中，對生菜葉面進行人工噴施硒源的實驗，結(jié)果表明噴硒后，生菜對重金屬鎘的吸收出現(xiàn)了顯著性變化，其含量與空白對照相比，明顯下降，其原因是在植物體內(nèi)，硒是谷胱甘肽過氧化物酶的重要成分之一，硒能促進谷胱甘肽過氧化物酶的活性。隨后大量的研究均表明，Se在低濃度范圍內(nèi)對重金屬Cd、As、Ag和Pb的毒性也具有較好的抑制功效[15]。劉燕等[16]的研究也表明，在低硒含量時，硒能明顯提高油菜中SOD活性和POD活性和增加蛋白質(zhì)含量，硒能增強油菜對重金屬的抗性。

3 結(jié)論

（1）研究了豐城不同富硒地區(qū)的稻田土壤中硒形態(tài)，發(fā)現(xiàn)在董家村（C區(qū)）稻田的土壤中水溶性Se含量是蕉坑村（A區(qū)）的10倍。董家村（C區(qū)）稻田土壤中的酸溶態(tài)硒、可交換態(tài)硒、有機物結(jié)合態(tài)硒的含量要遠(yuǎn)高于蕉坑村（A區(qū)）。這4種形態(tài)硒能直接或間接的能被植物吸收利用，導(dǎo)致兩個地區(qū)所生產(chǎn)出產(chǎn)品中所含硒量有著明顯的差異。

（2）Cd和Pb在水稻生長期間，葉片中含量與時間呈正相關(guān)的關(guān)系。在水稻的每個生長期內(nèi)，葉片中Cd和Pb的含量在高硒區(qū)（C區(qū)）均低于低硒區(qū)（A區(qū)）中的含量。同時，研究表明在整個生長期內(nèi)，高硒區(qū)的Cd和Pb積累速率比低硒區(qū)（A區(qū)）的積累速率緩慢。結(jié)果表明，在水稻生長過程中，適量的硒濃度對重金屬Cd和Pb起到了一定的拮抗作用。