設(shè)施栽培條件下蔬菜含硒狀況及其健康風(fēng)險評估①

符明明，賈萌萌，胡文友，黃 標(biāo)*

（1 中國科學(xué)院土壤環(huán)境與污染修復(fù)重點實驗室（南京土壤研究所），南京 210008；2 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

設(shè)施栽培條件下蔬菜含硒狀況及其健康風(fēng)險評估①

符明明1，2，賈萌萌1，2，胡文友1，黃 標(biāo)1*

（1 中國科學(xué)院土壤環(huán)境與污染修復(fù)重點實驗室（南京土壤研究所），南京 210008；2 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

設(shè)施栽培條件下土壤性質(zhì)變化劇烈，其對作物吸收硒（Se）的影響值得研究。本文通過對南京市典型設(shè)施蔬菜種植基地土壤及對應(yīng)植物樣品進行取樣分析，探討高強度利用模式下土壤Se的存在形態(tài)以及不同蔬菜類型對Se吸收的差異，分析蔬菜Se含量與土壤Se存在形態(tài)及土壤性質(zhì)之間的關(guān)系，并對長期設(shè)施栽培條件下蔬菜Se的攝入健康風(fēng)險進行評價。結(jié)果表明，不同蔬菜可食部分對Se的富集能力表現(xiàn)為葉菜類（平均含Se量為60 μg/kg，干重）＞根莖類（30 μg/kg）＞茄果類（26 μg/kg）。蔬菜可食部分Se含量隨土壤有機質(zhì)及有機結(jié)合態(tài)Se含量的增加而降低。研究區(qū)域有機肥的大量施入引起的有機結(jié)合態(tài)Se含量的增加可能是降低Se有效性的最重要原因。

蔬菜；硒；有機結(jié)合態(tài)；蔬菜大棚

硒（Se）是人體所必需的元素之一，維持著人體正常的生長、代謝活動。Se是人體內(nèi)多種酶的重要組成部分，在調(diào)節(jié)細胞氧化還原狀態(tài)、清除體內(nèi)自由基、預(yù)防癌癥等生物學(xué)功能上發(fā)揮著重要作用，被稱為主宰生命的元素［1］。然而，從全國尺度上看，我國土壤含Se水平較低，缺Se面積廣大。中國地質(zhì)調(diào)查局在20世紀80年代進行的調(diào)查分析結(jié)果顯示，我國72% 的地區(qū)處于缺Se或低Se地區(qū)，2/3的人口存在不同程度的Se攝入不足。因而，保證人體足夠的Se攝入量，防止Se缺乏疾病的發(fā)生成為廣泛關(guān)注的焦點。

Se的攝入不足主要歸咎于較低的環(huán)境Se含量，這直接導(dǎo)致食物中Se含量偏低［2］。植物類食品中的Se主要來源于土壤，而植物對Se的吸收、富集與土壤中Se的豐缺、形態(tài)以及土壤性質(zhì)有直接關(guān)系［3］。不同存在形態(tài)的Se的化學(xué)及生物學(xué)特性有所差異，其植物有效性也存在很大區(qū)別。水溶及交換性Se一般被認為是能夠直接被植物所吸收利用的Se，有機結(jié)合態(tài)Se也是重要的潛在有效Se庫，而其他形態(tài)Se的有效性較差，一般不能被植物直接吸收利用［4］。土壤性質(zhì)也會直接或者通過影響Se在土壤中的存在形態(tài)而影響植物對Se的吸收。土壤pH、有機質(zhì)、競爭離子的類型及濃度等理化性質(zhì)都會對Se的有效性產(chǎn)生影響。有研究表明，高pH有利于Se向可溶形態(tài)的轉(zhuǎn)化，增加Se的有效性［5-6］。有機質(zhì)能夠與土壤中的Se進行螯合反應(yīng)，改變Se在土壤中的存在形態(tài)［7-8］。競爭離子的存在能夠和吸附狀態(tài)的Se競爭吸附位點，影響Se在固液兩相之間的平衡［9-10］。一些元素的存在也會對Se的吸收、利用產(chǎn)生影響［11］。

蔬菜在我國居民的飲食結(jié)構(gòu)中占有舉足輕重的地位，它能為人體提供多種維生素、礦物質(zhì)以及膳食纖維等，是人們?nèi)粘ｏ嬍车谋匦杵?。近些年來設(shè)施蔬菜在我國發(fā)展迅速，在2010年，我國以蔬菜種植為主體的設(shè)施農(nóng)業(yè)的面積已經(jīng)達到467萬hm2，達世界第一。然而，雖然我國的設(shè)施蔬菜的種植面積大，但卻存在水、肥管理措施不恰當(dāng)?shù)膯栴}［12］。土壤酸化、鹽化問題嚴重，養(yǎng)分過度積累，影響到設(shè)施蔬菜的可持續(xù)發(fā)展，也影響著系統(tǒng)內(nèi)元素的循環(huán)過程［13-15］。在該種利用模式下，土壤Se的存在形態(tài)如何變化、植物對土壤Se的吸收利用是否會受到影響都鮮有報道。因此本研究以設(shè)施蔬菜種植系統(tǒng)作為研究對象，研究高強度設(shè)施蔬菜種植模式對土壤Se的存在形態(tài)以及蔬菜對Se吸收的影響，并對人體攝入設(shè)施蔬菜的健康風(fēng)險進行評價。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

選擇南京市江寧區(qū)谷里街道設(shè)施蔬菜種植基地作為研究對象?；匚挥谀暇┦袇^(qū)南緣，生產(chǎn)的蔬菜主要供給南京市市區(qū)。該區(qū)域為亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均溫度為15.4℃，年降雨量為1 100 mm。土壤類型為發(fā)育于第四紀黃土的水耕人為土，土壤較黏呈酸性到中性反應(yīng)。基地有較長的水稻耕作歷史，近20年，設(shè)施農(nóng)業(yè)在該區(qū)域逐步發(fā)展。目前，該設(shè)施蔬菜種植基地為公司化管理，農(nóng)戶以承租的方式使用設(shè)施蔬菜種植設(shè)施進行生產(chǎn)活動。隨著蔬菜需求量的增加，設(shè)施蔬菜種植規(guī)模不斷擴大，設(shè)施蔬菜大棚的種植年限從0年（剛建成）到10余年不等。田間調(diào)查顯示，養(yǎng)分元素的投入以復(fù)合肥和有機肥為主，復(fù)合肥（N-P2O5-K2O=15-15-15）的投入量約為3 ～ 4 t/hm2，雞糞及其他類型有機肥料的施用量約為15和4 t/hm2。研究區(qū)域土壤的基本理化性質(zhì)列于表1。

表1 土壤基本理化性質(zhì)Table1 Soil properties of the study field

1.2 樣品采集

根據(jù)設(shè)施蔬菜的種植年限，對基地不同區(qū)域的設(shè)施蔬菜種植土壤進行了采樣分析。采樣在2012年春季進行，采集了45個0 ～ 20 cm的土壤耕層樣品。采集土壤樣品的地區(qū)種植年限為0 ～ ＞10年不等。土壤樣品采集選用五點混合采樣法，在選取的樣點周圍隨機選取5個采樣點利用不銹鋼土鉆進行取樣。取樣后將5個樣點的土壤混合均勻，利用四分法取得1 kg土壤樣品帶回實驗室進行后續(xù)處理。樣品帶回后，置于陰涼干燥避光處自然風(fēng)干，之后剔除根系和石子。利用木槌研磨至全部土壤通過2.0 mm的尼龍篩。然后，取其中約100 g土壤用瑪瑙研缽研磨并全部通過0.149 mm尼龍篩。研磨后的土壤樣品置于陰涼干燥處放置待測。

在采集土壤樣品的同時，也對土壤取樣點對應(yīng)的蔬菜可食用部分進行采樣。蔬菜分為葉菜類、根莖類和茄果類3種類型。采集的45個植物樣品包括29個葉菜類蔬菜、12個根莖類蔬菜和4個茄果類蔬菜。葉菜類蔬菜類型為上海青、小白菜、苦菊、菊花腦、茼蒿；根莖類蔬菜的類型為萵苣、蘿卜；茄果類蔬菜為辣椒。取回的樣品首先利用自來水沖洗掉表面的泥土等雜物，再以蒸餾水沖洗，最后用超純水沖凈，用濾紙吸干表面水分。之后在65 ～ 70℃ 條件下烘干并以不銹鋼球磨儀粉碎后收集于潔凈的自封袋內(nèi)待測。

1.3 樣品分析

通過2.0 mm尼龍篩的土壤進行pH、有效磷（Olsen-P）、速效鉀的測定；通過0.149 mm尼龍篩的土壤進行土壤有機質(zhì)、全Se以及Se結(jié)合狀態(tài)的測定。常規(guī)土壤性質(zhì)的測定參照魯如坤［16］的分析方法進行測定。土壤pH采用土水比1∶2.5，利用pH計進行測定（PHS-3C，上海精密科學(xué)儀器有限公司）。土壤有機質(zhì)采用重絡(luò)酸鉀容量法-外加熱法測定；速效磷采用0.5 mol/L碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定；速效鉀采用NH4Ac提取，火焰光度計進行測定（FP650，上海精密科學(xué)儀器有限公司）。土壤全Se采用硝酸-鹽酸混合消解的方法進行測定，方法參照《土壤和沉積物汞、砷、硒、鉍、銻的測定》（HJ680-2013）。蔬菜中的Se采用硝酸-高氯酸消化、鹽酸還原法進行測定。土壤中Se的結(jié)合狀態(tài)的測定參照Qin等［17］的方法，對土壤水溶及交換態(tài)、有機結(jié)合態(tài)Se進行提取測定。溶液中Se的測定采用氫化物發(fā)生-原子熒光法進行測定（AFS-230，北京海光儀器有限公司）。

試驗所用的硝酸、高氯酸、鹽酸、硫酸、磷酸二氫鉀、磷酸氫二鉀為優(yōu)級純；乙酸銨、硫酸亞鐵、重絡(luò)酸鉀為分析純；水為超純水，由美國Millipore公司的純水設(shè)備制備。在測定過程中，樣品設(shè)置重復(fù)，同時在測定過程中加入空白對照、標(biāo)準物質(zhì)以減少測定誤差。土壤標(biāo)準物質(zhì)選用GBW07401和GBW07412，蔬菜標(biāo)準物質(zhì)采用GBW10021和GBW10023。測定的結(jié)果顯示，標(biāo)準物質(zhì)的測定值均在允許誤差范圍內(nèi)，結(jié)果準確可靠。

1.4 數(shù)據(jù)處理

常規(guī)的統(tǒng)計分析及圖表繪制利用Microsoft Excel軟件進行處理。相關(guān)分析及回歸分析等采用SPSS 16.0進行統(tǒng)計分析。

人體通過蔬菜攝入的Se的健康風(fēng)險評價通過相關(guān)參數(shù)計算得出。根據(jù)世界衛(wèi)生組織（1996）的建議值40 μg作為每日的Se攝入量建議值。蔬菜日攝入量參照中國營養(yǎng)學(xué)會提出的中國居民平衡膳食寶塔中中等能量（約10 000 KJ）膳食結(jié)構(gòu)中蔬菜的攝入量為450 g進行計算。成人每日通過蔬菜攝入Se含量以及Se的富集系數(shù)通過如下公式進行計算：

每日通過蔬菜攝入Se含量（μg/d）= 蔬菜的日攝入量（kg/d，鮮重）×5%×蔬菜中Se含量（μg/kg，干重）

富集系數(shù) = 蔬菜Se濃度（μg/kg）/土壤Se濃度（μg/kg）。

2 結(jié)果與討論

2.1 蔬菜可食用部分硒含量

植物可食用部分的Se含量體現(xiàn)著土壤中Se的有效性，同時也影響著食用人群對Se的吸收。表2為不同類型蔬菜可食用部分的含Se量。結(jié)果顯示，不同蔬菜的可食用部分Se含量差異較大，變異范圍在19 ～ 80 μg/kg，平均值為50 μg/kg。對比3種不同類型的蔬菜，葉菜類蔬菜含Se量最高，平均含Se量達到60 μg/kg；其次是根莖類蔬菜，平均含Se量達到30 μg/kg；含Se量最低的為茄果類蔬菜，其平均含Se量為26 μg/kg。該結(jié)果表明，葉菜類蔬菜可食用部分Se的含量更高，其對土壤中Se的富集能力明顯高于根莖類及茄果類蔬菜。該結(jié)果與張喜琦等［18］對山東壽光地區(qū)蔬菜的含Se狀況研究結(jié)果基本一致。然而，即使是同一蔬菜類型，各不同蔬菜在富Se能力上也存在差異。對于葉菜類蔬菜，含Se量最高的是上海青，平均Se含量為64 μg/kg；其次是菊花腦和茼蒿，其平均Se含量均為56 μg/kg；小白菜的含Se量最低，平均含Se量為48 μg/kg。根莖類的萵苣和蘿卜的含Se量較為接近，平均值均為31 μg/kg。茄果類的蔬菜僅有辣椒樣品，平均含Se量為26 μg/kg。與山東壽光地區(qū)的蔬菜Se含量的對比顯示，其菜椒的含Se量基本與本研究持平，而其白菜的含Se量略高于本研究［18］。蔬菜可食部分的Se富集系數(shù)的結(jié)果表明，葉菜類蔬菜、根莖類蔬菜以及茄果類蔬菜的平均富集系數(shù)分別為：0.20、0.11和0.09。葉菜類蔬菜的富集系數(shù)明顯高于根莖類和茄果類蔬菜，但3種類型蔬菜的富集系數(shù)普遍較低。前人在澄邁的研究顯示，小白菜、上海青等葉菜類蔬菜的Se的富集系數(shù)＞0.54，高于本研究中的富集系數(shù)［19］。該結(jié)果表明，同種類型蔬菜在不同土壤中也會因為環(huán)境條件的差異而有所不同。Sirichakwal等［20］曾對亞洲地區(qū)的食物含Se狀況進行研究，結(jié)果表明在各類食物中新鮮蔬菜的含Se量處于較低水平。Lp和Ganther［21］的研究認為，植物中的含Se狀況與植物體內(nèi)含S氨基酸及其衍生物的含量之間存在著密切的關(guān)系。這些氨基酸及其衍生物中的S可被體內(nèi)的Se所取代，促進Se在植物體內(nèi)的固定，進而提高植物體內(nèi)的Se含量。因而，蛋白質(zhì)含量豐富的蔬菜中Se的含量會相對較高。

2.2 設(shè)施菜地土壤硒含量及結(jié)合狀態(tài)

土壤總Se含量在一定程度上能夠反映土壤Se的總體水平。在研究區(qū)域，土壤耕層的總Se含量為0.308 mg/kg，變化范圍為0.230 ～ 0.581 mg/kg。在世界范圍內(nèi)，土壤總Se的變化范圍總體集中在0.01 ～2 mg/kg，平均值為0.4 mg/kg［22］。研究區(qū)域土壤Se的含量略低于世界土壤Se的平均水平。

表2 不同蔬菜中Se的含量Table2 Selenium contents in different vegetables

然而，土壤的總Se狀況不足以反映土壤Se的植物有效性，不同結(jié)合狀態(tài)Se的移動性及植物有效性存在較大差異。水溶及交換性Se、有機結(jié)合態(tài)Se是土壤Se的重要結(jié)合形態(tài)，其含量的多少直接影響植物對土壤Se的吸收、利用。本研究利用連續(xù)提取法對土壤中的水溶及交換性Se、有機結(jié)合態(tài)Se進行了分析。結(jié)果顯示，土壤中的水溶及交換性Se的變化范圍在0.025 ～ 0.048 mg/kg，平均值為0.036 mg/kg，約占土壤總Se含量的10% 左右。該結(jié)果與前人的研究結(jié)果較為一致［23］。有機結(jié)合態(tài)Se的含量較高，其含量約為水溶及交換性Se含量的3倍，平均含量0.092 mg/kg，變化范圍為0.073 ～ 0.113 mg/kg，約占土壤總Se含量的30% 左右。在前人的研究中，不同土壤中有機結(jié)合態(tài)Se的含量差異較大，其占總Se含量的百分率從3% ～ 60% 不等［24-26］。一般認為，土壤有機結(jié)合態(tài)Se的含量受土壤有機質(zhì)含量影響較大，有機質(zhì)含量較高的土壤其有機結(jié)合態(tài)Se的含量也較高［26-27］。在本研究中，土壤有機結(jié)合態(tài)Se與有機質(zhì)含量之間也表現(xiàn)出類似的特征，土壤有機結(jié)合態(tài)Se含量隨著土壤有機質(zhì)含量的升高而升高，二者間存在顯著的正相關(guān)關(guān)系（圖1）。該結(jié)果表明，高強度設(shè)施栽培條件下土壤有機質(zhì)的累積提高了土壤有機結(jié)合態(tài)Se的含量。

2.3 蔬菜硒含量及其影響因素

蔬菜對Se的吸收不僅與土壤中Se的含量及存在形態(tài)密切相關(guān)，也受到土壤性質(zhì)的影響。在土壤中，水溶及交換性Se主要以硒酸鹽、亞硒酸鹽等無機形態(tài)存在［28］。前人研究表明，土壤中的P與Se由于在結(jié)構(gòu)上較為相似，因此土壤中P含量較高時會抑制Se在土壤的吸附，促進Se從土壤顆粒的解吸，增加Se的移動性及生物有效性［29-30］。然而，在本研究中，土壤中水溶及交換性Se含量卻并未隨土壤P含量的升高而升高。相反，土壤中的水溶及交換性Se的含量隨著土壤P含量的增高而降低，二者呈顯著的負相關(guān)關(guān)系。產(chǎn)生這種結(jié)果的原因可能是土壤中較高含量的P抑制了Se在土壤的吸附，增加了溶液中的Se含量，促進溶液中的活性Se與土壤有機質(zhì)結(jié)合進而轉(zhuǎn)化為有機結(jié)合態(tài)Se［8，31］。通常，有機結(jié)合態(tài)Se能與土壤中的水溶及交換性Se互為轉(zhuǎn)化，達到動態(tài)平衡。然而，有機結(jié)合態(tài)Se中僅有一部分以低分子量形式存在的Se能夠被植物直接吸收利用，大部分有機結(jié)合態(tài)Se則不能被植物直接吸收利用［32-33］。因而，在一定程度上，水溶及交換性Se含量的降低、有機結(jié)合態(tài)Se含量的升高會降低Se的有效性。這也就解釋了蔬菜可食用部分Se含量隨土壤有機結(jié)合態(tài)Se含量的增加而降低，以及二者顯著的負相關(guān)關(guān)系（圖2）。

圖1 土壤有機質(zhì)含量與土壤有機結(jié)合態(tài)Se含量之間的關(guān)系Fig. 1 Relationship between soil organic matter content and organic bound Se content

圖2 土壤有機結(jié)合態(tài)Se含量與植物可食用部分Se含量之間的關(guān)系Fig. 2 Relationship between soil organic bound Se content and vegetable Se content

2.4 設(shè)施蔬菜的健康風(fēng)險評價

食物中的Se含量在一定程度上決定了人體對Se的攝入量。當(dāng)人體長期食用低Se含量的食物時，可能造成Se攝入量的不足，引起缺Se疾病的發(fā)生［34］。在Se的日攝入量標(biāo)準制定上，不同國家的規(guī)定有所不同。一般來說成人每日至少需要攝入20 μg Se才能有效防止缺Se癥狀的發(fā)生，至少需要40 μg的攝入量以滿足體內(nèi)含Se酶類的正常表達。如果要想達到減少癌癥患病風(fēng)險的程度，成人每日需Se量可能需要達到300 μg［22］。在世界范圍內(nèi)，Se的日攝入量的建議值在30 ～ 100 μg之間［35］。美國的日推薦攝入量為男性70 μg/d、女性55 μg/d。在英國，Se的日攝入量建議值為男性70 μg/d、女性60 μg/d。世界衛(wèi)生組織（1996）的建議量較低，認為40 μg的Se攝入量能夠滿足大部分成年人的需求［2］。

依據(jù)中國營養(yǎng)學(xué)會提出的中國居民平衡膳食寶塔推薦，在中等能量（約10 000 KJ）膳食結(jié)構(gòu)中蔬菜的攝入量為450 g左右。常見蔬菜的測定結(jié)果表明，蔬菜含水量一般為88% ～ 97%，按照蔬菜含水量為95%計算，每天攝入的蔬菜的干重約為22.5 g。由此推算，每日通過單純攝入葉菜類、根莖類或茄果類蔬菜獲得的Se的含量分別為1.35、0.675和0.585 μg，僅占建議日Se攝入量40 μg的3.3%、1.7% 和1.43%?？梢姡ㄟ^蔬菜獲取的Se的含量僅占人體日Se建議攝入量的極小部分。

3 結(jié)論

研究區(qū)域的總Se含量處于略低于世界土壤總Se含量的水平。不同類型蔬菜對Se的富集能力存在差異，富集能力的順序為葉菜類＞根莖類＞茄果類，同類型蔬菜的不同品種在富Se能力上也存在差異。研究區(qū)域蔬菜可食用部分Se含量較低，對人體Se的供給能力有限。高強度設(shè)施種植條件引起的有機質(zhì)的積累提高了土壤有機結(jié)合態(tài)Se的含量，降低了Se的植物有效性，引起蔬菜可食用部分Se含量的降低，增加了人體缺Se風(fēng)險。

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Effect of Greenhouse Vegetable Cultivation Under Intensive Utilized Conditions on Selenium Content in Vegetables

FU Mingming1，2， JIA Mengmeng1，2， HU Wenyou1， HUANG Biao1*
（1 Key Laboratory of Soil Environment and Pollution Remediation， Institute of Soil Science， Chinese Academy of Sciences，Nanjing 210008， China； 2 University of Chinese Academy of Sciences， Beijing 100049， China）

Little information is available on the effects of intensive greenhouse cultivation on selenium （Se） content in vegetables. This study was conducted in a typical greenhouse vegetable cultivation field in Nanjing. Soil samples as well as corresponding vegetables were collected， and Se contents were analyzed to reveal the factors affecting vegetable Se content. The health risk of Se intake through vegetables was also evaluated. The results showed that the contents of Se in vegetables varied with vegetable species and followed the order： leafy vegetable ＞ tuber vegetable ＞ fruit vegetable. Vegetable Se content decreased with increased soil organic matter （OM） content and organic bound Se content. This might be due to the large amounts of organic fertilizer input， which increased soil OM content as well as organic bound Se content， and thus decreased soil Se availability. The background soil Se level in study area was low. The decrease in vegetable Se content induced by application of organic fertilizer increased the health risk of Se deficiency to human.

Vegetable； Selenium； Organic bound； Greenhouse

S154.4

10.13758/j.cnki.tr.2016.05.008

國家自然科學(xué)基金項目（41473073）和環(huán)保公益性行業(yè)科研專項項目（201409044）資助。

*通訊作者（bhuang@issas.ac.cn）

符明明（1986—），男，遼寧鞍山人，博士研究生，主要從事土壤元素地球化學(xué)研究工作。E-mail： fumingming1234@126.com