四種浸提劑對(duì)果園與菜地土壤有效硒浸提效果的對(duì)比研究

謝薇, 楊耀棟, 菅桂芹, 李國(guó)成, 趙新華, 侯佳渝

(1.天津市地質(zhì)礦產(chǎn)測(cè)試中心, 天津 300191；2.天津市規(guī)劃和自然資源局地質(zhì)事務(wù)中心， 天津 300042)

硒是人和動(dòng)物所必需的微量元素之一，攝取硒不足或過(guò)量都會(huì)引起疾病[1-5]。土壤是植物獲取硒元素的直接來(lái)源，然而土壤中的硒全量只能作為土壤中硒含量多少的容量指標(biāo)，而不能直接反映土壤中硒的生物有效性，用有效硒含量大小來(lái)評(píng)價(jià)土壤中硒對(duì)植物的供給能力更加準(zhǔn)確[6-7]。然而，關(guān)于土壤有效硒的測(cè)定還沒(méi)有統(tǒng)一的測(cè)定方法。到目前為止，已有較多學(xué)者開(kāi)展了對(duì)土壤中有效硒測(cè)定方法的研究工作，多種浸提劑被應(yīng)用到土壤有效硒的測(cè)定中，如Keskinen等[8]的研究成果表明磷酸鹽溶液更適合作為芬蘭土壤中有效硒的浸提劑；Peng等[9]研究結(jié)果表明磷酸鹽是有效的浸提劑；趙成義[10]和李輝勇等[11]的研究成果均表明磷酸二氫鉀適用于酸性土壤有效硒的浸提；耿建梅等[12]研究認(rèn)為磷酸二氫鉀適合海南稻田土壤有效硒的浸提；湯志云等[13]研究表明，碳酸氫鈉對(duì)于酸性與堿性土壤有效硒的浸提均適用；宋曉珂等[7]則認(rèn)為磷酸二氫鉀和碳酸氫鈉均可作為石灰性土壤有效硒的浸提劑。對(duì)于浸提劑的選取依據(jù)，大多數(shù)研究均以線性模型來(lái)研究植物體硒含量與土壤中有效硒含量的關(guān)系，并以線性相關(guān)關(guān)系是否顯著來(lái)作為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)[10-15]。然而，植物對(duì)土壤中硒的吸收往往受作物類型的影響，而且，有效硒與作物吸收性的良好關(guān)系常出現(xiàn)在盆栽試驗(yàn)中，在大田試驗(yàn)中則屢有異常。

目前對(duì)于土壤中硒的形態(tài)分析技術(shù)已相當(dāng)成熟，通常采用連續(xù)提取法[16-17]逐級(jí)提取，可以將土壤中硒分為水溶態(tài)、離子交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、腐植酸結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、強(qiáng)有機(jī)結(jié)合態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)，其被植物利用的難易程度也依次增加。瞿建國(guó)等[14]研究認(rèn)為利用水溶態(tài)硒、交換態(tài)硒和碳酸鹽結(jié)合態(tài)硒來(lái)衡量作物從土壤中吸收硒的情況更為合理；王松山[18]通過(guò)路徑分析方法研究土壤中不同形態(tài)硒與植物吸收硒的關(guān)系，得出水溶態(tài)硒、離子交換態(tài)硒和碳酸鹽結(jié)合態(tài)硒是植物吸收硒的直接來(lái)源；王兆雙[19]的研究結(jié)果也表明交換態(tài)硒和碳酸鹽結(jié)合態(tài)硒易于被植物吸收和累積。

因此，本文借鑒前人研究成果并結(jié)合對(duì)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室的調(diào)研結(jié)果，擬選取碳酸氫鈉、磷酸二氫鉀、硝酸和鹽酸四種浸提劑對(duì)天津果園和菜地土壤中的有效硒進(jìn)行浸提，對(duì)四種浸提劑提取有效硒的含量進(jìn)行比較，并希望根據(jù)浸提的硒與水溶態(tài)硒(SOL-Se)、離子交換態(tài)硒(EX-Se)和碳酸鹽結(jié)合態(tài)硒(CA-Se)之間關(guān)系的統(tǒng)計(jì)分析，確定最優(yōu)浸提劑種類。以期能準(zhǔn)確測(cè)定土壤中硒元素的有效態(tài)含量，更好地服務(wù)于富硒土地資源的開(kāi)發(fā)利用及生態(tài)農(nóng)業(yè)的發(fā)展。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器及工作條件

AFS-3100雙道原子熒光光度計(jì)(北京海光儀器公司)。儀器工作條件為：光電倍增管負(fù)高壓300V，原子化器高度8mm，A道總燈電流80mA，A道輔助燈電流40mA，載氣流量400mL/min，屏蔽氣流量900mL/min。pHS-3C型酸度計(jì)(上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司)，SHZ-88型水浴恒溫振蕩器(江蘇金怡儀器科技有限公司)，電熱板。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)溶液和主要試劑

1.2.1標(biāo)準(zhǔn)溶液

硒標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備溶液(100.0μg/mL)配制：稱取0.1000g高純硒粉，加入20mL硝酸，在電熱板上低溫加熱至溶解完全。取下冷卻，移入1000mL容量瓶中，加水稀釋至刻度，搖勻。硒標(biāo)準(zhǔn)溶液由此標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備溶液稀釋配制。

碳酸氫鈉(0.5mol/L)配制：稱取42.0g碳酸氫鈉，加水溶解后，稀釋至1000mL。如果pH偏低，則用4mol/L氫氧化鈉溶液調(diào)至8.5，然后加水稀釋至刻線，搖勻。

磷酸二氫鉀(0.1mol/L)配制：稱取13.6g磷酸二氫鉀溶于少量水中，將溶液轉(zhuǎn)移至1000mL容量瓶中，加水稀釋至刻線，搖勻。

硝酸(0.4mol/L)配制：量取27.2mL濃硝酸1000mL容量瓶中，加水稀釋至刻線，搖勻。

鹽酸(0.1mol/L)配制：量取8.2mL濃鹽酸于1000mL容量瓶中，加水稀釋至刻線，搖勻。

1.2.2主要試劑

碳酸氫鈉、磷酸二氫鉀、氯化鎂、醋酸鈉、焦磷酸鈉、硼氫化鉀、硼氫化鈉。

硝酸、鹽酸、鐵鹽、王水、高氯酸、氫氟酸、鹽酸羥銨-鹽酸混合液、過(guò)氧化氫、醋酸銨-硝酸混合液：所有試劑均為分析純。實(shí)驗(yàn)用水為一級(jí)水。

1.3 樣品采集與加工

天津地形以山地和平原為主，僅薊州北部為山地，其余均屬?zèng)_積平原。本次供試土壤采集自天津市西青區(qū)和薊州區(qū)北部。西青區(qū)位于天津中心城區(qū)周邊，是天津市主要的蔬菜生產(chǎn)基地，本次采樣點(diǎn)主要分布于菜地，采樣深度為0～20cm，在西青區(qū)采集土壤樣品40件；薊州區(qū)北部的采樣點(diǎn)主要分布于果園，采樣深度為0～40cm，如土層厚度不足40cm，按實(shí)際厚度采集，采集土壤樣品60件。采樣時(shí)避開(kāi)溝渠、林帶、田埂、路邊、舊房基、糞堆及微地形高低不平無(wú)代表性地段。每個(gè)點(diǎn)位樣品均由3～5個(gè)子樣混合而成，樣品量至少1kg，帶回實(shí)驗(yàn)室，自然風(fēng)干，去除植物根系，然后全部通過(guò)20目的尼龍篩。過(guò)篩后土壤樣品經(jīng)混勻后分取200g，采用瑪瑙無(wú)污染制備機(jī)將樣品粉碎至200目，裝入牛皮紙袋作為分析樣品。

1.4 樣品測(cè)試分析與質(zhì)量控制

目前土壤有效硒測(cè)定方法較多，本研究參照?qǐng)?bào)道較多且被眾多學(xué)者廣泛采用的浸提方法[10-15]測(cè)試有效硒含量。

參照李輝勇等[11]的方法：稱取5g土壤樣品，加入0.5mol/L碳酸氫鈉(pH=8.5)25mL，振蕩2h，離心；參考趙成義[10]的方法：稱取5g土壤樣品，加入0.1mol/L磷酸二氫鉀25mL，振蕩2h，離心；參考國(guó)土資源部合肥礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測(cè)中心測(cè)試方法[20]：稱取5g土壤樣品，加入0.4mol/L硝酸50mL，振蕩1h，離心；參考國(guó)土資源部天津礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測(cè)中心測(cè)試方法[21]：稱取5g土壤樣品，加入0.1mol/L鹽酸25mL，振蕩1.5h，離心。分別分取上述上清液10mL于小燒杯中，加入王水和高氯酸進(jìn)行消化，消化后濾液依次加入4mL濃鹽酸和1mL鐵鹽，定容至10mL，用原子熒光光度計(jì)進(jìn)行測(cè)定。硒的形態(tài)分析方法參照《生態(tài)地球化學(xué)評(píng)價(jià)樣品分析技術(shù)要求(試行)》(DD2005-03)，全量硒的分析方法參照《土壤中全硒的測(cè)定》(NY/T 1104—2006)，pH值測(cè)定參照《森林土壤pH值的測(cè)定》(LY/T 1239—1999)。

全量硒分析中插入國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW07425、GBW07428、GBW07453和GBW07456來(lái)控制準(zhǔn)確度；硒的形態(tài)分析中插入國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW07442和GBW07443同時(shí)以土壤中元素全量分析作為標(biāo)準(zhǔn)，與各形態(tài)之和進(jìn)行比較來(lái)控制測(cè)試分析的準(zhǔn)確度；全量硒、有效硒和硒的形態(tài)分析均采用對(duì)同一件樣品重復(fù)分析12次的方法控制樣品分析的精密度。本次樣品分析均滿足《生態(tài)地球化學(xué)評(píng)價(jià)樣品分析技術(shù)要求(試行)》(DD2005-03)和《土地質(zhì)量地球化學(xué)評(píng)價(jià)規(guī)范》(DZ/T 0295—2016)中的質(zhì)量要求。

2 結(jié)果與討論

2.1 四種浸提劑的提取量對(duì)比

在菜地土壤中，碳酸氫鈉和磷酸二氫鉀提取有效硒的平均含量均為0.039mg/kg(表1)，顯著高于硝酸和鹽酸的提取量，兩者提取有效硒的平均含量分別為0.028mg/kg和0.027mg/kg，硝酸和鹽酸在提取有效硒含量方面沒(méi)有差異性。在果園土壤中，碳酸氫鈉、磷酸二氫鉀、硝酸和鹽酸提取有效硒的平均含量依次降低，分別為0.038mg/kg、0.021mg/kg、0.012mg/kg和0.005mg/kg，四種浸提劑提取有效硒的含量存在顯著的差異性。在菜地和果園土壤中，用碳酸氫鈉提取的有效硒含量幾乎一致，但是在菜地用磷酸二氫鉀、硝酸和鹽酸提取的有效硒含量分別高于果園同種浸提劑的提取量。

碳酸氫鈉屬于堿性浸提劑，可溶解某些鐵、鋁、鈣的含硒化合物，而且碳酸氫根在振蕩過(guò)程中可以轉(zhuǎn)化成碳酸根，并且可與土壤溶液中的鐵、鋁、鈣結(jié)合成沉淀，從而可以釋放出吸附態(tài)的亞硒酸根和硒酸根，所以碳酸氫鈉提取的有效硒含量較高[22-24]。磷酸二氫鉀屬于酸性溶液，除了能夠浸提土壤中可交換態(tài)硒外，還可以提取部分與土壤結(jié)合的無(wú)定形硒和有機(jī)硒[25]，所以磷酸二氫鉀提取的有效硒含量也很高。Keskinen 等[8]的研究成果表明在土壤中競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合點(diǎn)位時(shí)，磷酸根離子有較強(qiáng)的結(jié)合能力；李輝勇等[11]和吳雄平等[15]的研究成果也均證實(shí)磷酸二氫鉀作為浸提劑，不僅提取量高，而且操作簡(jiǎn)便，重復(fù)性好。硝酸和鹽酸對(duì)有效硒的浸提主要是依靠酸溶作用，因此其提取能力較弱。

表1 四種浸提劑提取有效硒含量

Table 1 Available Se contents extracted by four extractants including NaHCO3, KH2PO4, HNO3and HCl

土壤類型提取的硒含量(mg/kg)碳酸氫鈉磷酸二氫鉀硝酸鹽酸樣本量(件)菜地0.039±0.0100.039±0.0120.028±0.0130.027±0.01640果園0.038±0.0090.021±0.0060.012±0.0050.005±0.00260

2.2 四種浸提劑提取有效硒的相關(guān)性

菜地土壤四種浸提劑提取有效硒的含量均表現(xiàn)出較好的相關(guān)性(表2)，其中碳酸氫鈉和磷酸二氫鉀、硝酸和鹽酸的相關(guān)系數(shù)分別高達(dá)0.900和0.885。同樣，果園土壤也表現(xiàn)出相同的相關(guān)性趨勢(shì)(表3)，但對(duì)應(yīng)的相關(guān)系數(shù)分別小于菜地土壤。兩類土壤用四種浸提劑提取的有效硒含量與土壤全量硒均呈現(xiàn)顯著的相關(guān)性，說(shuō)明無(wú)論哪種浸提劑提取的有效硒含量，均受控于土壤中的全量硒[26-29]。土壤全量硒代表土壤硒水平的高低，雖然不能反映土壤對(duì)作物提供可吸收利用的硒量，然而作為土壤有效硒的來(lái)源，對(duì)有效硒具有基本的調(diào)節(jié)作用。而且，在土壤硒有效性一定的條件下，全硒含量較高的土壤能夠向作物提供較多的有效硒[30]。

表2 菜地土壤四種浸提劑提取有效硒含量及土壤全量硒的相關(guān)系數(shù)

Table 2 Correlation coefficients between available Se extracted by NaHCO3, KH2PO4, HNO3, HCl and total Se in vegetable soils

注：表示相關(guān)性達(dá)極顯著(p<0.01)水平，樣本量n=40。

表3 果園土壤四種浸提劑提取有效硒含量及土壤全量硒的相關(guān)系數(shù)

Table 3 Correlation coefficients between available Se extracted by NaHCO3, KH2PO4, HNO3, HCl and total Se in orchard soils

注：表示相關(guān)性達(dá)極顯著(p<0.01)水平，*表示相關(guān)性達(dá)顯著(p<0.05)水平，樣本量n=60。

表4 菜地和果園土壤各形態(tài)的硒含量

Table 4 Content of different combined form Se in vegetable and orchard soils

土壤類型水溶態(tài)硒(mg/kg)離子交換態(tài)硒(mg/kg)碳酸鹽結(jié)合態(tài)硒(mg/kg)腐植酸結(jié)合態(tài)硒(mg/kg)鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)硒(mg/kg)強(qiáng)有機(jī)結(jié)合態(tài)硒(mg/kg)殘?jiān)鼞B(tài)硒(mg/kg)全量硒(mg/kg)菜地0.022±0.0080.007±0.0010.004±0.0010.042±0.0140.010±0.0050.182±0.0620.160±0.0940.644±0.259果園0.015±0.0030.005±0.0010.003±0.0010.039±0.0110.007±0.0020.140±0.0430.110±0.0290.370±0.100

注：形態(tài)分析中菜地和果園的樣本量n分別為10和9；全量硒分析中菜地和果園的樣本量n分別為40和60。

2.3 硒的形態(tài)分析

菜地土壤中強(qiáng)有機(jī)結(jié)合態(tài)、殘?jiān)鼞B(tài)、腐植酸結(jié)合態(tài)、水溶態(tài)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、離子交換態(tài)和碳酸鹽結(jié)合態(tài)硒的含量依次降低(表4)。其中強(qiáng)有機(jī)結(jié)合態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)是土壤中硒的主要賦存形態(tài)，占總硒的百分比分別為42.5%和37.4%，水溶態(tài)、離子交換態(tài)和碳酸鹽結(jié)合態(tài)硒之和占總硒的百分比為8.0%(圖1)。果園土壤也同樣是以強(qiáng)有機(jī)結(jié)合態(tài)硒和殘?jiān)鼞B(tài)硒為主，兩者占總硒的百分含量分別為43.9%和34.6%，水溶態(tài)、離子交換態(tài)和碳酸鹽結(jié)合態(tài)硒之和占總硒的百分比為7.2%(圖1)。青海平安地區(qū)超過(guò)87%的土壤硒以有機(jī)結(jié)合態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)為主[31]；王松山等[32]對(duì)我國(guó)16種典型農(nóng)田土壤硒的形態(tài)分析表明，江西紅壤和黑龍江黑土中的硒主要以殘?jiān)鼞B(tài)存在，其余土壤中硒主要以有機(jī)結(jié)合態(tài)存在。土壤中各形態(tài)硒含量受控于土壤中的總硒含量，由高含硒母巖發(fā)育而成的土壤中，殘?jiān)鼞B(tài)硒的含量較高，在巖石風(fēng)化過(guò)程中，硒可向風(fēng)化程度高的土壤中富集，這種土壤多含有豐富的土壤膠體和有機(jī)質(zhì)組分，因此強(qiáng)有機(jī)結(jié)合態(tài)硒的含量較高[18,33]。

圖1 各形態(tài)硒在總硒中的占比Fig.1 Percentage of different combined form Se in vegetable and orchard soils

2.4 最優(yōu)浸提劑

菜地土壤中水溶態(tài)+離子交換態(tài)+碳酸鹽結(jié)合態(tài)(以下簡(jiǎn)稱“三形態(tài)硒”)的最小值、25%處數(shù)據(jù)值、中位數(shù)、75%處數(shù)據(jù)值以及最大值均明顯高于硝酸和鹽酸提取有效硒的對(duì)應(yīng)值(圖2a)，與碳酸氫鈉和磷酸二氫鉀提取有效硒含量的對(duì)應(yīng)值較為接近，三形態(tài)硒、碳酸氫鈉和磷酸二氫鉀提取有效硒的最小值分別為0.026mg/kg、0.027mg/kg和0.027mg/kg；中位數(shù)分別為0.035mg/kg、0.035mg/kg和0.031mg/kg；最大值分別為0.050mg/kg、0.057mg/kg和0.058mg/kg。分別對(duì)三形態(tài)硒與碳酸氫鈉、三形態(tài)硒與磷酸二氫鉀進(jìn)行獨(dú)立樣本的T檢驗(yàn)，結(jié)果顯示三種形態(tài)的含量之和與上述兩種浸提劑提取的有效硒含量沒(méi)有顯著差異(p>0.05,n=10)。

圖2 菜地(a)和果園(b)土壤中有效硒與水溶態(tài)硒、離子交換態(tài)硒、碳酸鹽結(jié)合態(tài)硒之和的含量對(duì)比Fig.2 Comparison of available Se and the sum of SOL-Se, EX-Se and CA-Se in (a) vegetable and (b) orchard soils

果園土壤中三形態(tài)硒的最小值、25%處數(shù)據(jù)值、中位數(shù)、75%處數(shù)據(jù)值以及最大值與磷酸二氫鉀提取有效硒的對(duì)應(yīng)值幾乎一致(圖2b)，三形態(tài)硒和磷酸二氫鉀提取有效硒的最小值分別為0.011mg/kg和0.014mg/kg，中位數(shù)分別為0.023mg/kg和0.022mg/kg，最大值分別為0.035mg/kg和0.031mg/kg，而且獨(dú)立樣本的T檢驗(yàn)結(jié)果顯示兩者沒(méi)有明顯差異性(p>0.05,n=9)。綜合上述分析結(jié)果，碳酸氫鈉和磷酸二氫鉀均適合作為天津菜地土壤有效硒的浸提劑，以磷酸二氫鉀為優(yōu)，且磷酸二氫鉀也適合作為天津果園土壤有效硒的浸提劑。周越等[24]的研究也認(rèn)為在眾多浸提劑中，碳酸氫鈉和磷酸二氫鉀對(duì)有效硒的提純效果最好。姚歡等[34]和謝珊妮等[35]在研究土壤硒的有效性時(shí)直接選用磷酸二氫鉀作為浸提劑，可見(jiàn)，磷酸二氫鉀作為有效硒的浸提劑已被眾多學(xué)者所接受。磷酸根比亞硒酸根離子具有更強(qiáng)的交換能力，因此，磷酸根可迅速取代吸附在礦物上的亞硒酸根，同時(shí)，磷酸二氫鉀的水溶液呈微酸性，能溶解與碳酸鹽結(jié)合態(tài)共存的硒酸鹽和亞硒酸鹽[36-38]，也進(jìn)一步說(shuō)明了水溶態(tài)硒、離子交換態(tài)硒和碳酸鹽結(jié)合態(tài)硒是能夠被植物吸收的形態(tài)。

3 結(jié)論

本研究根據(jù)浸提的有效硒與水溶態(tài)硒、離子交換態(tài)硒和碳酸鹽結(jié)合態(tài)硒之間的關(guān)聯(lián)性，確定了磷酸二氫鉀適合作為天津果園和菜地土壤有效硒的浸提劑。本研究工作不同于以往采取室內(nèi)盆栽試驗(yàn)的方式確定最優(yōu)浸提劑種類，而是以野外采集的土壤樣品為分析對(duì)象進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，既減小了植物對(duì)有效硒浸提劑選取的影響，又使有效硒浸提劑的選取依據(jù)多元化。

本研究工作在最優(yōu)浸提劑的選取方面作了有益的嘗試，但是還需要大量樣本的支持；同時(shí)，徹底解決有效硒的測(cè)試方法問(wèn)題還需要進(jìn)一步深入研究。