贛南低丘紅壤水稻土硒及其生物有效形態(tài)的組成與分布①

張寶軍，鐘松臻，龔如雨，吳代赦

(1 南昌大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院，南昌 330006；2 南昌大學(xué)資源環(huán)境與化工學(xué)院，南昌 330031)

贛南低丘紅壤水稻土硒及其生物有效形態(tài)的組成與分布①

張寶軍1，鐘松臻1，龔如雨1，吳代赦2

(1 南昌大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院，南昌 330006；2 南昌大學(xué)資源環(huán)境與化工學(xué)院，南昌 330031)

為了更好地了解我國南方低丘紅壤水稻土中生物有效硒的組成與特性，在贛南地區(qū)采集了26份代表性土樣，并對土壤總硒、磷酸鹽提取態(tài)硒及土壤 pH、土壤有機質(zhì)等進行了測定分析。結(jié)果表明：研究區(qū)域土壤總硒為234.7 μg/kg (n = 26)，屬于中等含硒水平土壤。有機硒是土壤浸提液中硒的主要存在方式，約占土壤可提取態(tài)硒(8.88 μg/kg)的90%。土壤浸提液中亞硒酸鹽含量(0.62 μg/kg，n = 26)高于硒酸鹽(0.47 μg/kg，n = 21)。除亞硒酸鹽外，土壤浸提液中各形態(tài)硒(包括有機硒、無機硒和硒酸鹽)與土壤總硒或可提取態(tài)硒均具有顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。隨高程增加土壤pH略有升高，而土壤各形態(tài)硒(亞硒酸鹽除外)則有不同程度的下降趨勢。土壤pH、有機質(zhì)與土壤浸提液中各形態(tài)硒均無明顯的相關(guān)關(guān)系(P>0.05)，不過，有機質(zhì)對土壤中亞硒酸鹽的形態(tài)轉(zhuǎn)化及其生物有效性的影響值得進一步研究。

紅壤水稻土；硒；有機硒；亞硒酸鹽；土壤 pH；土地高程

硒是動物和人體必需的微量元素之一，它是否為植物(特別是農(nóng)作物)所必需目前尚無定論。食物鏈途徑是人體攝取硒的主要方式，而土壤含硒水平特別是土壤生物有效硒的水平及其組成對作物硒的吸收等具有重要作用。除湖北恩施外，我國絕大部分地區(qū)的土壤均處于硒缺乏或邊緣性硒缺乏狀態(tài)，特別是克山病、大骨節(jié)病等地方性硒缺乏病的流行區(qū)域[1–2]。與其他土壤類型相比，我國紅壤中硒的含量(345 μg/kg，n = 15)相對較高，不過，紅壤中水溶態(tài)硒的含量及其比例卻非常低[1]。施用外源性硒肥[3]或選用高累積的作物栽培品種[4]可以增加硒在水稻籽粒中的累積。與此同時，通過調(diào)控土壤 pH等理化指標[5–6]等也可在一定程度上減少土壤生物有效硒的淋失[7–8]。降水量大、高溫高濕等是我國南方地區(qū)典型的氣候特征，且這一區(qū)域的水稻田多分布于低山丘陵地區(qū)、地塊面積普遍不大，因而，本研究以贛南紅壤水稻土為研究對象，對土壤總硒及生物有效硒的組成、含量特征及其與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性進行了分析，重點探討了不同高程條件下土壤硒形態(tài)、土壤理化性質(zhì)等的分布規(guī)律，對我國南方低山丘陵地區(qū)稻田養(yǎng)分元素硒的精細管理及適當(dāng)增加人群膳食途徑硒的攝入水平具有重要的現(xiàn)實意義。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與處理

供試土壤樣品采自江西省贛南地區(qū)的信豐縣和安遠縣的紅壤水稻田，共采集了 26 個耕層土樣。每個土壤采樣點均使用手持GPS進行定位，并記錄各采樣點高程。所有土樣風(fēng)干后分別過孔徑為0.1、0.25和0.149 mm的尼龍篩，用于土壤pH、土壤有機質(zhì)和土壤硒(含不同形態(tài))的測定。除一個土壤樣點呈弱堿性(pH = 7.07)外，其余土壤樣點的 pH平均為 5.13 (4.66 ~ 5.65，n = 25)。土壤有機質(zhì)為16.29 g/kg(6.52 ~ 27.51 g/kg，n = 26)。

1.2 測定方法

土壤pH采用復(fù)合Ag/AgCl電極pH計(PB-10，Sartorius)進行測定(液土比為2.5︰1)。土壤有機質(zhì)的測定采用K2Cr2O7氧化滴定法。

土壤總硒測定使用氫化物發(fā)生原子熒光光度計(AFS-8130，北京吉天儀器有限公司)：土樣(約0.1 g)用5 ml HNO3(65.0% ~ 68.0%)、1 ml HClO4(72.0%)和3 ml HF(40.0%)完全消解后，首先加入等體積的濃HCl(36.0% ~ 38.0%)將六價硒還原為四價硒(100℃，30 min)，然后，以5% HCl(v/v)為載液、以1.5% KBH4溶于0.5% KOH溶液作還原劑進行測定。測定時儀器的燈電流為80 mA，負高壓為280 V，載氣和屏蔽氣的流速分別為0.3 L/min 和 0.8 L/min。

土壤磷酸鹽(KH2PO4)提取態(tài)硒采用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS，iCAPQ，Thermo Scientific)進行測定：稱取1.5 g土樣于50 ml離心管，加入10 ml KH2PO4(16 mmol/L)震蕩均勻(300 r/min，1 h)；土壤懸浮液離心(2 200 r/min，20 min)后進行過濾(<0.22 μm)；測定前吸取4.80 ml過濾液，加入0.20 ml 的HNO3(v/v，50% )使測定液的酸度為2%。另外，吸取1.50 ml過濾液直接用于土壤可提取態(tài)硒的形態(tài)分析。土壤硒的形態(tài)分析采用配置有PRP-X100 離子交換柱(Hamilton，USA)的離子交換色譜儀(ICS-3000，Dionex，USA)。流動相的組成為 50 mmol/L NH4NO3、1 mmol/L NH4EDTA、2% (v/v)的CH3OH和0.1 mol/L 三羥甲基氨基甲烷(TRIS)。

1.3 統(tǒng)計與分析

土壤浸提液中有機硒的含量為可提取態(tài)總硒與可提取無機硒(Se4+和Se6+)之間的差值，土壤總硒及磷酸鹽浸提液中各形態(tài)硒的含量均為儀器直接測定結(jié)果。圖表制作和相關(guān)系數(shù)計算使用SPSS19.0(IBM，USA)和Excel 2003(Microsoft，USA)軟件來完成。

2 結(jié)果與討論

2.1 紅壤水稻土總硒含量特征

贛南地區(qū)紅壤水稻土硒的含量范圍為 98.0 ~ 609.0 μg/kg(表1)，除個別土樣含硒量較低(98.0 μg/kg和141.7 μg/kg)或較高(424.7 μg/kg和609.0 μg/kg)外，其他土樣的含硒量均在150 ~ 340 μg/kg之間?？傮w上，本區(qū)域土壤硒的平均值為234.7 μg/kg (n = 26) (表1)，這一結(jié)果高于我國地方病區(qū)(大骨節(jié)病)耕層土壤的含硒水平(151 μg/kg，n = 23)[2]和全國水稻土的含硒水平(201 μg/kg，n = 41)[1]，低于全國A層土壤(0 ~ 20 cm)硒的背景值(290 μg/kg)[9]和江西省鄱陽湖流域根際土壤含硒量(310 μg/kg)[10]。與比利時[11]、印度[12]等國家的土壤相比，本研究區(qū)域土壤含硒水平更低。

表1 土壤總硒、磷酸鹽可提取硒及其形態(tài)組成(μg/kg，n = 26)Table 1 Concentrations of total Se in soil, extractable Se by KH2PO4and composition of Se species in the soil extract

不同學(xué)者從多個研究角度提出了土壤含硒水平的劃分標準。不過，布和敖斯?fàn)柕萚13]于1995年提出的中國不同功能區(qū)土壤與作物總硒的安全閾值標準(土壤含硒量位于100 ~ 1 000 μg/kg屬于中硒水平)顯然對我國土壤硒的分級分類顯得過于寬泛。Tan等[1]對我國地方病區(qū)及非病區(qū)的土壤等環(huán)境要素進行了系統(tǒng)研究，認為生活在土壤總硒含量>175 μg/kg區(qū)域內(nèi)的人群很少或不發(fā)生克山病、大骨節(jié)病等地方性疾病。從地球化學(xué)的角度，葛曉立等[14]也提出了我國土壤硒的劃分標準：即土壤總硒含量>400 μg/kg為富硒土壤，200 ~ 400 μg/kg為中硒土壤，100 ~ 200 μg/kg為低硒土壤，<100 μg/kg為缺硒土壤。根據(jù)上述劃分標準及世界各地土壤含硒量，贛南低丘紅壤水稻土處于中等含硒水平。

2.2 紅壤水稻土中有效硒的含量及其組成特征

如表1所示，磷酸鹽溶液(16 mmol/L KH2PO4)可提取態(tài)硒的平均含量為8.88 μg/kg，約占土壤總硒含量的3.78%；土壤浸提液中有機態(tài)硒和無機態(tài)硒分別為7.88 μg/kg和1.00 μg/kg，其中，有機態(tài)硒是浸提液中硒的主要存在形式，約占90%；雖然土壤浸提液中無機硒所占的比例很低(11.26%)，但其波動性很大(最大值為最小值的590倍)；對于可提取無機硒來說，硒酸鹽含量(以Se6+計，0.47 μg/kg)略低于亞硒酸鹽的含量(以Se4+計，0.62 μg/kg)。由于土壤溶液中硒酸鹽的可移動性較強，因而，其波動性明顯強于亞硒酸鹽，甚至個別樣品中未檢出硒酸鹽。

不同浸提劑對土壤有效硒的浸提效率存在一定的差異。與熱水(含 0.1% CaCl2)和 AB-DTPA (ammoniumbicarbonate-diethylenetriamine pentaacetic)相比，KH2PO4(1 mol/L)的浸提效率最高，且與植株組織硒的關(guān)系最為密切(r = 0.93)[15]。Keskinen等[16]使用 6種不同的浸提劑(包括單一浸提和順序浸提)對砂壤、黏壤進行硒的浸提效率研究，認為磷酸鹽緩沖液(K2HPO4-KH2PO4)比較適宜于較低水平的土壤生物有效硒的浸提，其浸提效率隨磷酸鹽緩沖液濃度(0.1 mol/L和1 mol/L)和pH(4.4和7.0)的升高有明顯提高。耿建梅等[17]使用0.1 mol/L KH2PO4、0.5 mol/L NaHCO3和H2O 3種浸提劑對稻田土壤有效硒的浸提效率、平均變異系數(shù)及其與植株累積硒的相關(guān)系數(shù)等研究后認為前者更適合稻田土壤硒的浸提?？紤]到KH2PO4是酸性水稻土常用的浸提劑[18]，且與植物含硒量具有較強的相關(guān)性[19]、測定時的鹽基效應(yīng)[20]等因素，本研究采用了 16 mmol/L KH2PO4(pH = 4.8)進行紅壤水稻土有效硒的浸提和分析[21–22]。

此外，土壤、作物類型也會影響土壤硒的浸提效率。我國各類土壤水溶態(tài)硒的比例為1.22% ~ 9.88%，除荒漠土、鹽土、鈣質(zhì)褐土外，其他土壤水溶態(tài)硒所占的比例均不足 4%[1]。雖然 KH2PO4比較適合酸性土壤硒的浸提且其浸提效率相對較高，但是可提取態(tài)硒的比例一般也不超過 5%[11]。以 16 mmol/L的KH2PO4為例，不同作物(小麥、玉米和水稻)土壤有效硒的比例分別為2.9%[22]、1.1% ~ 3.4%[21]和 3.78% (本研究)。Stroud等[21]研究發(fā)現(xiàn)，土壤有效硒以亞硒酸鹽為主(>70%)，其次為可提取態(tài)有機硒，而大部分的硒酸鹽則低于檢出限，而本研究卻發(fā)現(xiàn)土壤可提取態(tài)硒絕大部分(90%)以有機形態(tài)存在，且無機硒主要是亞硒酸鹽(72.18%)。由于上述研究所使用的浸提劑種類和濃度完全一致，因而，上述結(jié)果的差異很有可能與土壤類型及作物種類有關(guān)。

2.3 不同土壤有效硒形態(tài)的相關(guān)分析

除亞硒酸鹽外，各形態(tài)有效硒均與土壤總硒呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)(表2)，且其相關(guān)系數(shù)從大到小依次為：可提取硒酸鹽(r = 0.77，P<0.01)>可提取總硒(r = 0.70，P<0.01)>可提取無機硒(r = 0.66，P<0.01)>可提取有機硒(r = 0.49，P<0.05)。除亞硒酸鹽外的其他各形態(tài)硒(可提取有機硒、無機硒、硒酸鹽)與土壤可提取態(tài)總硒也呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P< 0.05)，其相關(guān)系數(shù)分別為 0.89、0.63和 0.62。雖然土壤可提取亞硒酸鹽、可提取硒酸鹽均與可提取無機硒呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，但是，它們兩者之間(土壤可提取亞硒酸鹽和硒酸鹽)之間并無顯著的相關(guān)關(guān)系(r = 0.26，P>0.05)(表2)。

表2 土壤硒形態(tài)及部分土壤性質(zhì)的相關(guān)系數(shù)Table 2 Correlation coefficients between Se species and soil properties

進一步的分析發(fā)現(xiàn)，贛南低丘紅壤水稻土有效硒不僅主要以有機形態(tài)存在，而且，土壤可提取有機硒與浸提液總硒的相關(guān)系數(shù)(r = 0.89，P<0.01)也明顯高于其與土壤總硒的相關(guān)系數(shù)(r = 0.49，P<0.05)(表2)。然而，對于易于與鐵錳氧化物等土壤膠體物質(zhì)相結(jié)合的亞硒酸鹽[5,23]，它與土壤可提取硒及土壤總硒之間均不存在相關(guān)關(guān)系(P>0.05)(表2)。據(jù)此，有必要深入研究作物根系對土壤各種有效態(tài)硒(特別是可提取有機結(jié)合態(tài)硒)的吸收機制[6]。隨著土壤pH和Eh的改變，土體中不同價態(tài)硒(Se4+、Se6+)[18]及不同硒結(jié)合形式(可溶態(tài)、可交換態(tài)及碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、有機結(jié)合態(tài)和殘渣態(tài))[23]也會有所變化。此外，在土壤微生物的作用下，同樣也存在不同硒形態(tài)的相互轉(zhuǎn)化，例如亞硒酸鹽的異化還原[24]就很可能促進土壤亞硒酸鹽向有機硒的形態(tài)轉(zhuǎn)化。

土壤pH與土壤總硒及可提取各形態(tài)硒均無明顯的相關(guān)關(guān)系(P>0.05，表 2)。雖然有機質(zhì)對土壤培肥和土壤結(jié)構(gòu)改善具有積極的作用，但是，它與土壤總硒及可提取各形態(tài)硒同樣也不存在顯著的相關(guān)關(guān)系(P> 0.05，表2)。王松山等[23]認為這種簡單的相關(guān)分析很容易忽略土壤性質(zhì)相互作用產(chǎn)生的共線性問題。事實上，土壤pH可直接(控制硒與土壤金屬離子的吸附與解吸過程)或間接(通過Eh、黏土礦物、土壤微生物等)影響土壤硒的形態(tài)[18]，而在母質(zhì)相同的條件下土壤對硒的吸附和固持作用也存在有機質(zhì)和氧化鐵之間的競爭關(guān)系[23]。所以，在對土壤有效硒進行研究時必須同時考慮到pH、有機質(zhì)等土壤基本理化性質(zhì)的作用方式及其影響程度[5–6]。

2.4 不同高程紅壤水稻土硒形態(tài)的分布特征

本研究中各土壤采樣點的高程范圍為175 ~ 348 m，除個別采樣點高程低于 180 m(n = 1)或高于 300 m (n = 3)外，絕大部分的采樣點位于180 ~ 300 m之間。根據(jù)各采樣點的高程分布情況，將其分為高(>250 m)、中(210 ~ 250 m)、低(<210 m)3組：各組的平均高程依次為295、227和195 m，各組采樣點的數(shù)量如表3所示。

表3 不同高程范圍內(nèi)土壤硒形態(tài)及部分土壤性質(zhì)(n = 26)Table 3 Soil Se species and soil properties under different groups of land elevation

不同高程土壤各形態(tài)硒的分布存在一定的差異(表3)。隨著高程的升高，土壤總硒含量由288 μg/kg逐步降至183 μg/kg。對土壤總硒(y)與高程(x)兩個變量進行線性擬合，其擬合方程為：y = –0.962x + 463.6 (R2= 0.181，n = 26)。該擬合方程表明：在一定的高程范圍內(nèi)(<300 m)，高程每升高100 m，紅壤水稻土總硒將減少96.2 μg/kg。與此同時，除亞硒酸鹽外，土壤可提取各形態(tài)硒也都呈逐步下降的趨勢(表 3)。例如，隨高程增加土壤可提取有機硒從8.4 μg/kg降至6.8 μg/kg，降低了約19.1%，而可提取硒酸鹽則從0.9 μg/kg下降至0.2 μg/kg，降幅高達77.8%。

土壤有機質(zhì)、pH等理化性質(zhì)與土壤各形態(tài)硒也存在一定的交互作用[25]。例如，雖然土壤可提取亞硒酸鹽隨高程增加其變化規(guī)律并不明顯，但是，它與土壤有機質(zhì)的變化規(guī)律卻恰好相反(表 3)。通常，土壤有機質(zhì)對無機硒具有一定的吸附和固持作用，且在同一pH條件下亞硒酸鹽的吸附作用高于硒酸鹽[5]，因而，土壤有機質(zhì)的含量是土壤剖面亞硒酸鹽[25]及水稻各器官硒分布[26]的一個重要影響因素。除亞硒酸鹽外，土壤各形態(tài)硒均隨土壤酸度增強或高程降低有不同程度的增加(表3)。已有研究表明，pH = 5.0時亞硒酸鹽主要以主動方式進入水稻根內(nèi)，而pH = 3.0和pH = 8.0時則主要通過水通道或其他被動方式進入水稻根內(nèi)[6]。因此，加強土壤pH和有機質(zhì)對土壤固液界面亞硒酸鹽等各形態(tài)硒的吸附–解吸研究[27]，對提高我國南方低丘紅壤水稻土硒的生物有效性具有重要的理論和現(xiàn)實意義。

3 結(jié)論

贛南低丘紅壤水稻土屬于中等含硒土壤，土壤可提取硒的比例一般不超過4%，且主要以有機硒形式存在。雖然土壤提取液中無機硒所占的比例僅占11.26%，但其波動性很大(特別是可提取硒酸鹽)，這很可能與不同土壤形態(tài)硒自身的特性及土壤環(huán)境條件等有關(guān)。除亞硒酸鹽外，可提取各形態(tài)硒與土壤總硒、土壤可提取硒均呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。研究區(qū)土壤各形態(tài)硒(亞硒酸鹽除外)和土壤酸度均有隨高程增加而降低的趨勢，而土壤可提取亞硒酸鹽與土壤有機質(zhì)的變化規(guī)律則恰好相反。土壤pH和土壤有機質(zhì)均與各形態(tài)硒無明顯相關(guān)關(guān)系(P>0.05)。今后，有必要對我國南方地區(qū)低丘紅壤生物有效硒的淋溶特點、不同形態(tài)硒的土壤吸附作用機制、硒與土壤有機質(zhì)的相互作用，以及水稻對不同形態(tài)硒的吸收機理等內(nèi)容進行深入研究。

致謝：感謝英國諾丁漢大學(xué)的Martin R Broadley教授和Scott D Young副教授在土壤硒形態(tài)測定過程中提供的支持和幫助。

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Composition and Spatial Distribution of Bioavailable Se in Hilly Red Paddy Soil of Southern Jiangxi Province

ZHANG Baojun1, ZHONG Songzhen1, GONG Ruyu1, WU Daishe2
(1 School of Public Health, Nanchang University, Nanchang 330006, China; 2 School of Environmental and Chemical Engineering, Nanchang 330031, China)

26 typical samples were collected from paddy soils in Southern Jiangxi Province and the total Selenium (Se) concentrations, phosphate extractable Se, pH and SOM were analyzed to better understand the composition and features of bioavailable Se in the hilly red paddy soil of Southern China. The total soil Se concentration was 234.7 μg/kg (n = 26), which belonged to the moderate level. Organic Se was the predominant fraction in the soil extract, approximately accounting for 90% of the available Se in soil (8.88 μg/kg). The concentration of Selenite (0.62 μg/kg, n=26) in the soil extract was higher than that of Selenate (0.47 μg/kg, n=21). Se species including organic Se, inorganic Se and Selenate in the soil extract were significantly positively correlated with the total Se in soil and Se in soil extract (P<0.05). Soil pH slightly increased with land elevations while the species of Se in the soil extract decreased except Selenite. There was no significant correlation between pH, SOM and Se species in soil extract (P>0.05), however, the effect of SOM on transformation of Selenite in soil and its bioavailability need further study.

Red paddy soil; Se; Organic Se; Selenite; Soil pH; Land elevation

X132；X825

A

10.13758/j.cnki.tr.2017.01.022

國家自然科學(xué)基金項目(41161016)資助。

張寶軍(1978—)，男，河南長葛人，博士，講師，主要從事環(huán)境變化與人類健康研究。E-mail: zhangbaojun@ncu.edu.cn