閆加力， 徐春燕， 楊 軍， 鄒 輝， 趙 敏， 黃 彬

(湖北省地質(zhì)科學(xué)研究院，湖北 武漢 430034)

硒是土壤環(huán)境中重要的微量元素，又是人和動(dòng)物生長(zhǎng)必需的營(yíng)養(yǎng)元素，在食物鏈中，硒主要來(lái)源于植物并最終來(lái)源于土壤[1]，因此植物對(duì)土壤硒的吸收富集一直是研究熱點(diǎn)。已有研究表明，植物對(duì)土壤硒的吸收富集取決于植物種類和土壤條件[2]，且植物硒與土壤硒之間一般存在正相關(guān)關(guān)系，有時(shí)這種相關(guān)關(guān)系也會(huì)受植物和土壤條件的影響而表現(xiàn)不顯著[3]。胡秋輝等的研究指出影響硒生物有效性的因子主要有：硒的形態(tài)、土壤質(zhì)地、土壤pH，土壤有機(jī)質(zhì)等[4-5]。而土壤中硒的形態(tài)是決定土壤硒有效性的重要因素，在酸性和中性土壤中，硒一般以Se4+形態(tài)出現(xiàn)，與鐵形成水溶性極低的氧化物或水合氧化物，很難被植物利用；在堿性土壤中，硒一般以Se6+為主，可溶性高，易被植物吸收利用；土壤中的有機(jī)硒主要來(lái)源于生物體的分解產(chǎn)物，可與富里酸絡(luò)合被植物吸收，與胡敏酸絡(luò)合則不能被植物吸收[6]。

湖北省1∶25萬(wàn)多目標(biāo)地球化學(xué)調(diào)查和湖北省土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查成果顯示湖北省富硒資源總量大、分布廣、品質(zhì)優(yōu)。本研究以這兩項(xiàng)地質(zhì)調(diào)查成果為基礎(chǔ)，通過(guò)數(shù)據(jù)收集、整理和統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)湖北省不同農(nóng)作物硒含量特征及土壤硒有效性的影響因素進(jìn)行研究探討，以期為全省富硒農(nóng)作物的生產(chǎn)管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 方法技術(shù)

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

湖北省開(kāi)展面積性土壤硒含量調(diào)查工作起始于1999年，由中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局和原湖北省國(guó)土資源廳組織，先后開(kāi)展了1∶25萬(wàn)多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查和1∶5萬(wàn)土地質(zhì)量地球化學(xué)評(píng)價(jià)工作。本研究收集了截至2018年7月調(diào)查評(píng)價(jià)區(qū)表層(0～20 cm)土壤樣品硒含量數(shù)據(jù)89 375件，四種農(nóng)作物樣品(水稻、小麥、玉米和黃豆)硒含量數(shù)據(jù)2 901組，土壤硒形態(tài)樣品數(shù)據(jù)377組以及土壤有效態(tài)樣品數(shù)據(jù)1 160組，數(shù)據(jù)分布范圍如圖1所示。

1.2 分析方法

背景值按照中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局《土壤地球化學(xué)基準(zhǔn)值與背景值研究若干要求》文件計(jì)算。首先判定數(shù)據(jù)是否服從正態(tài)分布，不服從則對(duì)數(shù)據(jù)按照3倍離差剔除異常值。剔除后的數(shù)據(jù)若呈正態(tài)分布，則算術(shù)平均值代表背景值，若呈對(duì)數(shù)正態(tài)分布，則幾何平均值代表背景值，若呈偏態(tài)分布，則中位值代表背景值。

綜合考慮土壤條件，為更好地描述農(nóng)作物對(duì)土壤硒的吸收富集，本研究引入富集系數(shù)(PUF)表征農(nóng)作物的硒富集特性[7]。農(nóng)作物富集系數(shù)計(jì)算公式為：PUF=農(nóng)作物籽實(shí)中硒含量/根系土硒含量。

圖1 研究數(shù)據(jù)分布范圍圖Fig.1 Distribution range map of research data1.1∶25萬(wàn)多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查數(shù)據(jù)范圍；2.1∶5萬(wàn)土地質(zhì)量地球化學(xué)評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)范圍。

參數(shù)統(tǒng)計(jì)分析采用SPSS軟件和Excel進(jìn)行，相關(guān)圖表采用SPSS、Statistica for Windows和Excel繪制，Pearson相關(guān)系數(shù)表征兩個(gè)因素的相關(guān)程度。

2 不同農(nóng)作物硒含量特征

農(nóng)作物對(duì)環(huán)境中硒的吸收利用，取決于土壤條件和作物種類等因素。水稻、小麥、玉米均是中國(guó)主要糧食作物，本研究對(duì)收集的四種農(nóng)作物硒含量數(shù)據(jù)，其中水稻1 172組，小麥686組，玉米775組，黃豆268組進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，硒含量頻數(shù)分布直方圖和統(tǒng)計(jì)參數(shù)分別見(jiàn)圖2和表1。

圖2 四種農(nóng)作物硒含量頻數(shù)分布圖Fig.2 Frequency distribution diagram of selenium content in four crops

表1 四種農(nóng)作物硒含量參數(shù)(單位：mg/kg)Table 1 Selenium content parameters of four crops

可以看出，湖北省內(nèi)水稻硒含量變化范圍為0.016～0.838 mg/kg，背景值為0.052 mg/kg；小麥硒含量變化范圍為0.010～0.33 mg/kg，背景值為0.073 mg/kg；玉米硒含量變化范圍為0.001～2.071 mg/kg，背景值為0.036 mg/kg；黃豆硒含量變化范圍為0.026～1.737 mg/kg，背景值為0.111 mg/kg。四種農(nóng)作物硒含量大小和富集系數(shù)大小表現(xiàn)一致均為黃豆>小麥>水稻>玉米，表明不同種類農(nóng)作物對(duì)土壤硒的吸收富集能力不同，省內(nèi)四種農(nóng)作物中黃豆富硒性能最強(qiáng)，玉米最弱。

3 農(nóng)作物對(duì)土壤硒吸收富集的影響因素

3.1 土壤硒形態(tài)

土壤全量硒是土壤中各形態(tài)硒含量的總和，但并不是所有形態(tài)的硒都能直接被植物吸收利用，而能夠被植物直接吸收利用的硒稱之為土壤有效硒[8]。土壤中的水溶態(tài)硒是植物最容易吸收的形態(tài)，離子交換態(tài)和碳酸鹽結(jié)合態(tài)硒在一定環(huán)境和pH條件下也能被植物吸收，腐殖酸結(jié)合態(tài)硒也可以分解成無(wú)機(jī)硒或小分子形式的有機(jī)硒而被植物吸收利用，而鐵錳結(jié)合態(tài)、強(qiáng)有機(jī)結(jié)合態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)很難被植物吸收[9]。本研究統(tǒng)計(jì)了湖北省土壤有效硒含量和形態(tài)硒含量，見(jiàn)表2。

表2 湖北省土壤有效硒含量基本統(tǒng)計(jì)值(單位：μg/kg)Table 2 Basic statistical value of available selenium contentin soil of Hubei Province

從土壤有效硒和各形態(tài)硒含量均值來(lái)看，湖北省土壤中水溶態(tài)、離子交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)和腐殖酸結(jié)合態(tài)硒含量之和接近土壤有效硒含量，約為8.0 μg/kg左右。進(jìn)一步說(shuō)明這四種形態(tài)硒均是可以被作物吸收的形態(tài)，它們的變化直接導(dǎo)致土壤中有效硒含量的變化，影響農(nóng)作物對(duì)土壤硒的吸收富集。

3.2 土地利用類型

水田和旱地是湖北省兩種重要的土地利用類型。已有研究表明對(duì)于水田來(lái)說(shuō)，淹水耕作期間，土壤Eh值一般低于200 mV[10-11]，還原性較強(qiáng)。Masscheleyn指出：在還原條件下，硒的溶解性很低，在氧化狀態(tài)下可溶性硒的濃度增加；在Eh為200 mV以上，Se4+緩慢氧化成Se6+，在Eh為450 mV 以上，Se6+是主要的溶解形式[12]。本研究根據(jù)不同土地利用類型土壤中硒形態(tài)的不同，重點(diǎn)研究了水田和旱地土壤中硒含量與其農(nóng)作物硒含量的相關(guān)關(guān)系(見(jiàn)圖3)，可以看出水田作物硒含量與其根系土硒含量的相關(guān)性優(yōu)于旱地作物，表明不同土地利用類型條件下，農(nóng)作物硒含量的吸收富集不同。在水田條件下，作物吸收富集土壤硒與土壤硒含量具有很大的相關(guān)性，而在旱地條件下，作物吸收富集土壤硒與土壤硒含量也呈正相關(guān)關(guān)系，但是相關(guān)系數(shù)不高，反映了旱地作物對(duì)土壤硒的吸收富集還需要綜合考慮其他影響因素。

圖3 水田和旱地作物硒含量與其根系土硒含量的相關(guān)關(guān)系圖Fig.3 Correlation map between selenium content of paddy and dryland crops and selenium content of root soil

3.3 土壤pH

前人研究表明土壤pH值決定著土壤中硒的賦存形態(tài)，從而影響著土壤硒的有效性。本文對(duì)收集的湖北省土壤有效態(tài)元素進(jìn)行SPSS聚類分析，聚類分析樹(shù)狀圖見(jiàn)圖4，由圖4可知，土壤有效硒含量與土壤交換性鈣、交換性鎂和速效鉀聚為一類，且在0.01水平上顯著正相關(guān)。前人研究已指出土壤交換性鈣、鎂含量與土壤pH呈正相關(guān)關(guān)系[13]，由此也間接推斷土壤有效硒含量與土壤pH具有正相關(guān)性，土壤pH是影響土壤有效硒含量的一個(gè)重要因素。張聯(lián)合等研究表明堿性土壤中硒主要以硒酸鹽存在，有效性很高，中性和酸性土壤中硒與鐵形成了溶解性極低的氧化物或水合氧化物，有效性大大降低[14]。

圖4 土壤元素有效態(tài)含量聚類分析圖Fig.4 Cluster analysis map of available content of soil elements

4 不同土壤條件下農(nóng)作物硒吸收富集規(guī)律

根據(jù)農(nóng)作物對(duì)土壤硒吸收富集的影響因素，本研究將農(nóng)作物劃分為兩類：水田作物和旱地作物；將土壤pH劃分為三個(gè)等級(jí)：pH<6.5(酸性)、6.5≤pH<7.5(中性)和pH≥7.5(堿性)。通過(guò)分析不同pH條件下水田作物硒含量與其根系土硒含量的相關(guān)性和旱地作物硒的富集特性，探討土壤pH條件下不同農(nóng)作物的硒吸收富集規(guī)律。

4.1 水田作物在不同土壤pH條件下的硒吸收富集規(guī)律

水稻屬于非聚硒植物，但水稻對(duì)硒具有一定的富集能力，能主動(dòng)吸收利用硒，提高土壤硒含量能夠增加水稻各部位的硒含量[15]。前述已知水田作物硒含量與其土壤硒含量相關(guān)性大，繪制相關(guān)關(guān)系散點(diǎn)圖如圖5可知，水稻稻米硒含量與其土壤硒含量在總體和不同pH條件下均呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明稻米硒含量高低與其土壤硒含量高低直接相關(guān)，隨著水田土壤硒含量的增大而增多。吳永堯等研究結(jié)果表明，土壤含硒量越高，水稻累積硒的量越大，累積作用在水稻全生育期逐漸增強(qiáng)，成熟期達(dá)到最強(qiáng)，有60%的硒是在水稻生育后期40%的生長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)累積的[16]。

圖5 不同條件下水稻稻米硒含量與其土壤硒含量相關(guān)性散點(diǎn)圖Fig.5 Scatter plot of correlation between selenium content in rice and soil under different conditions

4.2 旱地作物在不同土壤pH條件下的硒吸收富集規(guī)律

旱地作物硒含量與其根系土硒含量相關(guān)性較小，綜合考慮土壤環(huán)境因素，本研究采用富集系數(shù)來(lái)描述旱地作物對(duì)土壤硒的吸收富集規(guī)律。分析小麥、玉米和黃豆在不同土壤pH條件下的富集系數(shù)如表3和圖6。

表3 不同條件下小麥、玉米和黃豆硒富集系數(shù)參數(shù)表Table 3 Selenium enrichment coefficient of wheat,maize and soybean under different conditions

可以看出，三種旱地作物的富集系數(shù)黃豆>小麥>玉米，且堿性條件下均比中性和酸性條件下大。綜合前面作物種類說(shuō)明富硒性能強(qiáng)的作物硒吸收富集能力強(qiáng)；對(duì)于旱地作物，土壤偏堿性時(shí)可以促進(jìn)其對(duì)土壤硒的吸收富集，且隨著土壤pH的增大作物累積硒有增多趨勢(shì)。

圖6 不同土壤pH條件下旱地作物富集系數(shù)對(duì)比圖Fig.6 Contrast map of crop enrichment coefficient in dryland underdifferent soil pH conditions

5 結(jié)論

(1) 湖北省四種大宗農(nóng)作物硒含量大小和富硒性能表現(xiàn)一致：黃豆>小麥>水稻>玉米。

(2) 農(nóng)作物對(duì)土壤硒吸收富集的影響因素主要有：作物種類、土壤pH、土地利用類型。土壤pH和氧化還原電位均通過(guò)影響硒的賦存形態(tài)來(lái)影響硒的有效性，從而影響作物對(duì)硒的吸收。

(3)富硒性能強(qiáng)的作物硒含量較高。水田作物水稻對(duì)土壤硒的吸收富集量主要受土壤硒含量影響，隨著土壤硒含量的增大而提高，受土壤pH的影響較??；旱地作物小麥、玉米和黃豆對(duì)土壤硒的吸收富集除了受作物種類影響外，還受土壤理化性質(zhì)的綜合影響，其中堿性土壤有利于它們對(duì)硒的吸收富集。