土壤硒含量顯著影響黑小麥與普通小麥的硒吸收

魯晉秀，閆秋艷, ，楊峰，董飛，段增強(qiáng)，李峰，閆翠萍，王苗

1. 山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院小麥研究所，山西 臨汾 041000；2. 中國科學(xué)院南京土壤研究所/土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210008

硒是人體和動物必需的微量元素，人類的多種疾病與長期硒元素?cái)z入量不足有關(guān)（張睿等，2015；Ba?uelos et al.，2017）。隨著對硒研究的不斷深入，硒在機(jī)體中發(fā)揮的重要作用越來越多地被人們所了解，它具有抗癌、抗氧化、抗衰老、增強(qiáng)機(jī)體免疫力等多種生物學(xué)功能（楊海濱等，2017）。人體缺硒會導(dǎo)致一系列疾病，如克山病和大骨節(jié)病，硒缺乏還與一些病毒感染的發(fā)生或疾病惡化有關(guān)（WHO，2016）。世界衛(wèi)生組織推薦人均硒攝入量為50～200 μg·d-1（Guerrero et al.，2014），而中國居民人均硒攝入量僅為 26～32 μg·d-1（寧嬋娟等，2009），低于世界平均水平。因此，有效拓寬硒攝入途徑對人體補(bǔ)硒至關(guān)重要。

近年來，學(xué)者們在糧食作物對硒的吸收轉(zhuǎn)運(yùn)規(guī)律和特性方面進(jìn)行了大量的研究（劉慶等，2016；Hu et al.，2014；王裔娜等，2015；李福燕等，2016）。通過提高糧食作物硒含量，以天然有機(jī)硒的形式為人類提供安全有效的補(bǔ)硒途徑是必然趨勢。糧食中正常含硒量在 0.1～1.0 mg·kg-1之間，小于 0.1 mg·kg-1為缺硒，中毒劑量為5 mg·kg-1（Lyons et al.，2015）。因此，國家規(guī)定糧食中硒質(zhì)量分?jǐn)?shù)不能超過0.3 mg·kg-1。谷類及其制品提供了中國低硒區(qū)人群日常硒總攝入的70%（唐玉霞等，2011；彭濤等，2015）。常見的小麥（Triticum aestivum L.）、水稻（Oryza sativa L.）、玉米（Zea mays L.）、大麥（Hordeum vulgare L.）、燕麥（Avena sativa L.）等谷類作物中，以小麥硒的生物有效性最高，是全世界最重要的飲食硒來源。在澳大利亞，小麥硒占飲食硒攝入量的50%左右（Kaur et al.，2014）。小麥中硒水平因地域和品種不同而存在很大的差異。中國富硒小麥標(biāo)準(zhǔn)為 0.15～0.3 mg·kg-1（燕雯等，2012）。國外很早就對春小麥進(jìn)行施硒研究，使春小麥籽粒的硒質(zhì)量分?jǐn)?shù)從 0.1～0.2 mg·kg-1提高到 0.7～1.3 mg·kg-1（Singh et al.，2008）。國內(nèi)通過土壤施硒或葉面噴硒等方式提高小麥籽粒硒含量，也取得了一定成效（彭濤等，2015；劉慧等，2016）。

研究表明，同地區(qū)不同作物含硒量不同，而同一作物在不同地區(qū)的含硒量也有很大差異（王裔娜等，2015）。一般定性地認(rèn)為，土壤有效硒在很大程度上影響小麥籽粒硒含量（魯璐等，2010），但目前對不同自然背景條件下土壤有效硒水平對籽粒硒含量及其強(qiáng)化效果影響的定量化研究較為缺乏，尤其是小麥品種對硒的吸收差異與土壤硒含量的關(guān)聯(lián)度缺乏系統(tǒng)研究。劉慧等（2016）對普通小麥的品種硒吸收差異進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)小麥籽粒硒含量在品種間的吸收差異遠(yuǎn)不及土壤硒含量的差異帶來的影響大。然而，在硒水平相當(dāng)?shù)膮^(qū)域，黑粒小麥和普通小麥的硒吸收存在怎樣的規(guī)律尚未見報(bào)道。因此，本研究旨在探明不同含硒土壤水平下黑粒小麥和普通小麥對硒的積累強(qiáng)度差異及其與大量元素含量的相關(guān)性研究，為提高小麥含硒量和小麥種植提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 樣品采集

于2016年6月3日，分別在山西省臨汾市洪洞縣馬三村（36°18'N，111°38'E）和堯都區(qū)韓村（36°08'N，111°34'E）采集植株樣品，并收集種植區(qū)土壤耕作層（0～20 cm）樣品。采集品種為當(dāng)?shù)卦灾财贩N，分為根系、莖、籽粒3個(gè)部分。相同地塊分別采集黑小麥和普通小麥兩個(gè)品種，采集植株后同時(shí)采集對應(yīng)的0～20 cm土壤樣品，每個(gè)采樣區(qū)采集10個(gè)樣點(diǎn)，按照“S”曲線采取混合樣。

1.2 采樣點(diǎn)土壤基本理化性質(zhì)

表1顯示，兩個(gè)采樣點(diǎn)土壤均偏堿性。馬三村土壤樣點(diǎn)速效養(yǎng)分含量較韓村樣點(diǎn)高，其中堿解氮、有效磷和速效鉀分別較其高 13.5%、13.7%和11.3%。馬三村土壤硒質(zhì)量分?jǐn)?shù)比韓村高 0.604 mg·kg-1（223.7%）。

1.3 樣品處理及測定

用清水將所采集的地上部植株樣品沖洗干凈，再用超純水沖洗，用紗布將植株擦干，于105 ℃烘箱中殺青30 min，75 ℃烘干，粉碎后備用；根系放置在網(wǎng)袋中，用清水沖洗干凈，去除雜質(zhì)后，再用超純水沖洗，用紗布將根系擦干，烘干粉碎后備用；土壤在室內(nèi)自然風(fēng)干，研磨過 20目篩，并取部分土壤過100目篩備用。

土壤總硒含量以及植株樣品硒含量測定參照國家標(biāo)準(zhǔn)（GB 5009.93—2010）中硒含量的測定方法，使用AFS-3000原子熒光光度計(jì)進(jìn)行測定：稱取待測樣品1.0000 g于消化管中，加入10 mL混合酸（HNO3:HClO4=4:1，V:V），蓋上小漏斗，消化過夜。次日于160 ℃自動控溫消化爐上，消化至灰白色，繼續(xù)消化至冒白煙后，取下稍微冷卻，加入10 mL 6 mol·L-1HCl，沸水浴加熱 10 min，冷卻至室溫，用去離子水將消化液轉(zhuǎn)移至50 mL容量瓶，定容至刻度，搖勻，待測，同時(shí)做試劑空白。鋅、鐵元素使用微波消解ICP-AES法測定，由山西省地質(zhì)勘探院測定。植物主要礦質(zhì)營養(yǎng)成分 N、P、K含量的測定參照魯如坤（1999）的相關(guān)方法進(jìn)行。

1.4 數(shù)據(jù)處理和分析

運(yùn)用Excel 2003軟件作圖和SPSS 17.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，采用 Duncan多重比較法對不同處理進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同組織硒含量差異

由表2可知，馬三村采樣點(diǎn)黑粒小麥臨黑131和白粒小麥鑫麥 296籽粒硒平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.239 mg·kg-1和 0.172 mg·kg-1，莖稈分別為 0.116mg·kg-1和 0.128 mg·kg-1，根系分別為 0.117 mg·kg-1和0.087 mg·kg-1。黑粒小麥籽粒硒含量比白粒小麥高65.5%。韓村黑粒小麥籽粒硒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變幅為0.042～0.057 mg·kg-1，平均為 0.042 mg·kg-1，白粒小麥變幅為 0.030～0.036 mg·kg-1，平均為 0.033 mg·kg-1。黑粒小麥籽粒、根系和莖稈硒含量分別比白粒小麥高32.1%、13.3%和46.8%。

表1 采樣點(diǎn)土壤理化性質(zhì)Table 1 Soil physicochemical properties at the two sites

表2 采樣點(diǎn)小麥不同組織硒含量Table 2 Selenium contents in different organs of wheat mg·kg-1

2.2 籽粒氮磷鉀含量差異

表3顯示，馬三村黑粒小麥全氮、全磷和全鉀平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為25.5、9.0和7.3 g·kg-1，白粒小麥全氮、全磷和全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為 22.4、9.09和10.4 g·kg-1。韓村黑粒小麥全氮、全磷和全鉀平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為24.4、9.96和7.73 g·kg-1，白粒小麥全氮、全磷和全鉀分別為 21.5、9.07和 7.43 g·kg-1。兩個(gè)采樣點(diǎn)結(jié)果均顯示，黑粒小麥在氮和磷的吸收上高于白粒小麥。馬三村黑小麥籽粒鐵和鋅含量比普通小麥高30.1%和43.2%，韓村黑小麥籽粒鐵和鋅含量比普通小麥高31.7%和54.7%。

2.3 土壤硒與小麥硒吸收量相關(guān)性分析

由圖1可知，籽粒硒含量與土壤硒含量、根系硒含量和莖稈硒含量呈正相關(guān)，表明土壤硒含量對小麥不同組織硒吸收有顯著影響。根據(jù)擬合曲線，當(dāng)土壤基礎(chǔ)硒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.695 mg·kg-1時(shí)，籽粒硒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15 mg·kg-1，即為富硒標(biāo)準(zhǔn)的最小值。

3 討論

土壤硒含量在兩個(gè)采樣點(diǎn)的差異比較大，達(dá)顯著差異水平。氮磷鉀養(yǎng)分含量在硒含量高（馬三村）的區(qū)域也較高，除土壤堿解氮的含量存在顯著差異外，其余指標(biāo)差異不顯著。根據(jù)土壤硒含量標(biāo)準(zhǔn)，土壤含硒量在 0.6 mg·kg-1以下，就屬于貧硒土壤（張志元等，2012）。馬三村土壤硒質(zhì)量分?jǐn)?shù)變幅為0.689～1.19 mg·kg-1，平均為 0.874 mg·kg-1。馬三村土壤屬于富硒土壤，各采樣點(diǎn)土壤硒質(zhì)量分?jǐn)?shù)均高于富硒標(biāo)準(zhǔn)（0.6 mg·kg-1）。韓村土壤硒含量變幅為0.235～0.317 mg·kg-1，平均為 0.270 mg·kg-1，屬于適中土壤。劉慧等（2016）研究表明，山西臨汾土壤有效硒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.0195 mg·kg-1，與本研究結(jié)果不一致，可能是區(qū)域不同或所測定硒的形態(tài)不同所導(dǎo)致。從中國土壤硒質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均值（0.290 mg·kg-1）看（唐玉霞等，2011），馬三村土壤全硒含量比全國平均值高出201.3%，韓村地土壤硒含量比全國平均值低 6.9%。被譽(yù)為世界硒都的湖北恩施，其土壤硒平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到0.630 mg·kg-1，處于足硒或富硒的水平（于麗敏等，2015）?？梢姡R三村擁有天然富硒土壤資源，這將為富硒農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)提供種植基礎(chǔ)。土壤硒水平主要與土壤有機(jī)碳含量負(fù)相關(guān)，其次與土壤堿度也相關(guān)，高碳酸鹽含量的堿性土區(qū)，籽粒硒水平較高（劉慧等，2016）。有關(guān)兩個(gè)區(qū)域的土壤硒差異原因還需從更多的角度進(jìn)行闡釋。

表3 采樣點(diǎn)小麥籽粒氮、磷和鉀含量Table 3 Wheat grain nitrogen, phosphorus and potassium of the locations

圖1 小麥籽粒硒含量與土壤硒含量、根系硒含量及莖稈硒含量的相關(guān)性Fig. 1 Relationship between grain selenium content and soil, root and stem selenium content

籽粒硒含量的差異主要來自于土壤中硒含量的差異（Ba?uelos et al.，2017）。土壤硒含量在一定的范圍內(nèi)可以種植出富硒的小麥（彭濤等，2015）。土壤有效硒質(zhì)量分?jǐn)?shù)每增加 1 μg·kg-1，籽粒硒含量平均增加2.1 μg·kg-1（劉慧等，2016）。本研究結(jié)果顯示，土壤硒含量與籽粒硒含量的相關(guān)系數(shù)為R2=0.787，未達(dá)到顯著相關(guān)，但呈正相關(guān)的趨勢。根據(jù)擬合曲線，當(dāng)土壤基礎(chǔ)硒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.695 mg·kg-1時(shí)，籽粒硒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0.15 mg·kg-1，即富硒小麥標(biāo)準(zhǔn)的最小值。Loyns et al.（2015）對墨西哥和澳大利亞等不同地區(qū)小麥的研究發(fā)現(xiàn)，籽粒硒含量的差異主要來自于土壤中硒含量的差異，基因型間差異較小。Lee et al.（2011）對280份小麥材料硒吸收差異的研究顯示，小麥籽粒硒含量和硒吸收在常規(guī)品種間的差異不顯著。小麥籽粒硒盈缺標(biāo)準(zhǔn)為：＜0.05 mg·kg-1，缺乏；0.05～0.1 mg·kg-1，偏低；0.1～0.15 mg·kg-1，中等；0.15～0.3 mg·kg-1，富硒；0.3～2 mg·kg-1，可耐受；＞2 mg·kg-1，可能中毒（楊峰等，2017）。本研究中，馬三村黑粒小麥臨黑131和白粒小麥鑫麥296籽粒硒平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為 0.283 mg·kg-1和 0.171 mg·kg-1，屬于富硒小麥。黑小麥和白粒小麥莖稈硒平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.116 mg·kg-1和 0.128 mg·kg-1，根系分別為 0.117 mg·kg-1和 0.087 mg·kg-1，根系和莖稈在兩種籽粒顏色小麥間分別相差 0.012 mg·kg-1和 0.03 mg·kg-1，籽粒相差0.112 mg·kg-1。韓村黑粒小麥籽粒硒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變幅為0.042～0.057 mg·kg-1，平均為0.0486 mg·kg-1，白粒小麥變幅為 0.030～0.036 mg·kg-1，平均為0.033 mg·kg-1。可見，在土壤硒含量越高的地區(qū)，黑小麥和普通小麥籽粒硒含量差異越大。而且，在硒水平相當(dāng)?shù)耐寥乐?，黑小麥比普通小麥對硒的富集能力?qiáng)。小麥不同組織的硒含量之間存在顯著正相關(guān)關(guān)系，籽粒硒含量與根系硒含量的相關(guān)系數(shù)較高（R2=0.963）。同一個(gè)小麥品種種植在不同地區(qū)，其籽粒硒含量的差異也很大，這與所處的地理位置及土壤硒含量有很大關(guān)系（Lee et al.，2011）。關(guān)于黑小麥較強(qiáng)的富硒功能已有許多文報(bào)道過（李甜等，2015；李韜等，2012；王裔娜等，2015），但其具體吸收機(jī)制仍有待進(jìn)一步探討。

鋅和鐵元素在硒含量較高的小麥籽粒中的積累程度也較高，可能是元素之間的吸收存在一定協(xié)同效應(yīng)（Guerrero et al.，2014）。但也有研究指出，小麥對硒的吸收與鋅鐵含量呈負(fù)相關(guān)（魯璐等，2010）。Hu et al.（2014）對水稻施加硒肥的研究表明，水稻籽粒硒含量增加的同時(shí)，鈣和鉛元素的含量也同時(shí)降低，原因是硒肥的施入降低了金屬元素在土壤中的生物有效性。本研究不添加硒肥，以土壤自然硒含量為研究基點(diǎn)，可能是元素吸收存在不同的吸收機(jī)制。黑小麥對氮和磷的吸收量高，但是鉀含量在調(diào)查點(diǎn)間規(guī)律不一致?？傮w上，與普通小麥相比，黑小麥中所含的各種礦質(zhì)元素含量高（胡秋輝等，2001；燕雯等，2012）。相同品種小麥在高硒和低硒區(qū)對微量元素的吸收差異較大，但對大量元素氮磷鉀的吸收差異不大，這與兩個(gè)區(qū)域土壤基本理化性質(zhì)差異小有關(guān)?？傊谕寥鲤B(yǎng)分含量較優(yōu)的土壤，小麥對大量元素和微量元素的吸收也同時(shí)較優(yōu)（Nawaz et al.，2015）。關(guān)于影響小麥硒吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)的生理機(jī)理有待進(jìn)一步研究，這對探索富硒黑小麥功能食品具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

4 結(jié)論

（1）兩個(gè)采樣點(diǎn)土壤硒含量存在較大差異。馬三村土壤硒質(zhì)量分?jǐn)?shù)變幅為0.689～1.19 mg·kg-1，平均為0.874 mg·kg-1，屬于富硒土壤，各樣點(diǎn)土壤硒質(zhì)量分?jǐn)?shù)均高于富硒標(biāo)準(zhǔn)（0.6 mg·kg-1）。韓村土壤硒質(zhì)量分?jǐn)?shù)變幅為 0.235～0.317 mg·kg-1，平均為0.270 mg·kg-1，屬于低硒土壤。兩個(gè)土壤硒含量不同的區(qū)域，氮磷鉀養(yǎng)分含量在硒含量高的區(qū)域也較高，除土壤堿解氮的含量存在顯著差異外，其余指標(biāo)差異不顯著。

（2）土壤硒含量對小麥籽粒硒吸收差異影響較大，相關(guān)系數(shù)為 R2=0.787，未達(dá)到顯著相關(guān)，但呈正相關(guān)的趨勢。根據(jù)擬合曲線，當(dāng)土壤基礎(chǔ)硒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.695 mg·kg-1時(shí)，籽粒硒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15 mg·kg-1，即為富硒小麥標(biāo)準(zhǔn)的最小值。土壤硒水平相當(dāng)時(shí)，黑粒小麥比普通小麥的硒吸收強(qiáng)度大，且對其他大量元素和鋅鐵等微量元素吸收量也較高。

（3）相同小麥品種在高硒和低硒區(qū)的微量元素吸收差異較大，但對大量元素氮磷鉀的吸收差異不大，這與兩個(gè)區(qū)域土壤基本理化性質(zhì)差異小有關(guān)。