恩施富硒土壤區(qū)水稻及其根系土硒鎘含量關(guān)系研究
——以恩施市新塘鄉(xiāng)為例

袁知洋，潘 飛，楊良哲

(1.湖北省地質(zhì)科學(xué)研究院，湖北 武漢 430000; 2.湖北省硒生態(tài)環(huán)境效應(yīng)檢測中心,湖北 武漢 430000)

1 引言

恩施州富硒土壤區(qū)的主要生態(tài)問題為：土壤高硒背景下潛在的硒過量風(fēng)險(xiǎn)和以鎘為主要的土壤重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。中國地質(zhì)大學(xué)郭宇[2]博士通過對恩施高硒地區(qū)-新塘鄉(xiāng)魚塘壩地區(qū)的富硒黑色巖系的成分研究，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)內(nèi)的巖石樣品中普遍富集鎘和硒,且相對全國土壤平均含量超標(biāo)倍數(shù)明顯偏高。國內(nèi)外關(guān)于硒鎘在植物和動(dòng)物體內(nèi)的吸收關(guān)系試驗(yàn)已經(jīng)出現(xiàn)較多報(bào)道，在某些植物在生長過程中，通過施加硒能顯著降低植物對鎘的吸收[3，4]。硒元素和鎘元素的相互作用的生理過程研究，在先進(jìn)實(shí)驗(yàn)器材和科學(xué)的實(shí)驗(yàn)方案下取得了較為精細(xì)的研究結(jié)論。如梁程、林匡飛、張雯等以水稻為試驗(yàn)材料[5]，研究了不同硫濃度下硒和鎘交互脅迫對水稻幼苗一些生理特性的影響，發(fā)現(xiàn)隨著Cd濃度的增加，Cd對水稻幼苗生長的毒性不斷增大，在加入一定濃度的Se后，Cd的毒性作用得到緩解。王建偉、王朝輝、毛暉等研究施用硒鋅鉬肥料對該地區(qū)作物生長及可食部分鎘元素含量的影響具有重要意義[6]，國外關(guān)于硒鎘的關(guān)系研究，大多通過在動(dòng)物醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)里獲取相關(guān)的規(guī)律和結(jié)論，主要因?yàn)殒k對人類健康造成危害，而硒具有合成抗氧化酶的作用，且參與動(dòng)物體內(nèi)的免疫過程，增強(qiáng)動(dòng)物細(xì)胞免疫功能，如El-Boshy M E等[7]發(fā)現(xiàn)硒通過改善肝臟和腎臟免疫學(xué)參數(shù)標(biāo)志物改善因?yàn)殒k導(dǎo)致的肝臟和腎臟損傷。結(jié)果表明，硒在動(dòng)物體內(nèi)具有拮抗鎘對肝，腎的氧化損傷的潛力，硒對鎘的毒性有抑制作用；Van Puymbroeck S L等[8]同樣發(fā)現(xiàn)在無脊椎動(dòng)物中，施用亞硒酸鈉，可以使該動(dòng)物對鎘的敏感性幾乎降低了一半，硒減弱了鎘的毒性。

本文通過采集恩施市新塘鄉(xiāng)富硒土壤區(qū)種植的水稻成熟籽粒及其根系土，分析該地區(qū)水稻籽粒及其根系土硒鎘等元素的關(guān)系，為恩施市新塘鄉(xiāng)水稻富硒開發(fā)利用提供理論參考

2 材料與方法

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

如圖1所示， 新塘鄉(xiāng)位于湖北省恩施市東南方向，地跨東經(jīng)109°11′～109°55′，北緯29°33′～30°12′之間。土壤多為二疊紀(jì)、三疊紀(jì)沉積巖中的灰?guī)r和頁巖等發(fā)育而來，由于枯枝落葉豐富以及溫度較低等因素，有機(jī)物腐爛分解緩慢，土層較淺，色澤多棕黃或者灰黃。

圖1 富硒土壤區(qū)水稻采樣區(qū)

2.2 試驗(yàn)方法

2.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與樣品采集

在新塘鄉(xiāng)的鄉(xiāng)鎮(zhèn)府駐地附近的水稻田，進(jìn)行水稻采樣，一共設(shè)置20個(gè)取樣點(diǎn)，取水稻籽粒樣品為20個(gè)，并采集所在樣點(diǎn)的水稻根系土壤，共20份土樣，水稻根系土帶回實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干后，取出細(xì)根、石粒等雜質(zhì)，碾磨后過0.1 mm孔徑塞制成待測土壤樣品。

2.2.2 測定和分析方法

(1)水稻根系土壤全量硒和鎘的測定按照《土壤地球化學(xué)樣品分析測試質(zhì)量要求及質(zhì)量控制》的相關(guān)進(jìn)行測定，具體方法如表1。

表1 土壤樣品分析方法

稻米全量硒和鎘的測定采用等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS)、原子熒光法(AFS)等分析方法進(jìn)行，方法如表2。

表2 生物樣品分析方法

(2)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和相關(guān)分析采用SPSS17.0統(tǒng)計(jì)軟件，圖像均采用Origin8.1繪制。

3 結(jié)果與分析

3.1 水稻籽粒硒元素的含量狀況

水稻全部采集于恩施新塘鄉(xiāng)，測試部位為稻米籽實(shí)，20個(gè)采樣點(diǎn)的稻米硒含量達(dá)到國家富硒稻谷標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 22499-2008)(硒≥0.04mg/kg)的樣品有20件，占100%。其中最高級(jí)別硒含量的達(dá)16件，一級(jí)含硒2件，共占90%，結(jié)合恩施地區(qū)水稻含硒量特征，將水稻硒劃分為五級(jí)，如表3。

3.2 水稻和水稻根系土內(nèi)硒、鎘關(guān)系

(1)根據(jù)本次研究所采集的水稻硒、鎘含量以及水稻根系土硒、鎘含量數(shù)據(jù)，如圖2水稻含硒量和對應(yīng)水稻根系土硒含量數(shù)據(jù)趨勢成圖，水稻籽粒含硒量和水稻根系土含硒量關(guān)系呈現(xiàn)較好的趨勢一致性；如圖3，做線性回歸擬合過程中，得出擬合方程為y=0.04323x+0.627，Pearson相關(guān)系數(shù)位0.50303，擬合度R2位0.21154；P值(Prob>F)為0.02377<0.05，因此此次回歸分析所呈現(xiàn)的水稻籽粒硒含量和水稻根系土的硒含量的線性正比例關(guān)系達(dá)到了顯著水平。

圖2 水稻籽粒硒元素含量和對應(yīng)水稻根系土含硒量趨勢

(2)如圖4水稻籽粒含鎘量和對應(yīng)水稻根系土鎘含量數(shù)據(jù)趨勢成圖，水稻籽粒含鎘量和水稻根系土含鎘量關(guān)系呈現(xiàn)較好的趨勢一致性；如圖5，做線性回歸擬合過程中，得出擬合方程為y=0.00351x+0.03382，Pearson相關(guān)系數(shù)為0.74635，擬合度R2為0.53243；P值(Prob>F)為1.57824E-4<0.01，因此此次回歸分析所呈現(xiàn)的水稻籽粒鎘含量和水稻根系土鎘含量呈線性正比例關(guān)系，且達(dá)到極顯著水平。

圖3 水稻籽粒硒元素含量和對應(yīng)水稻根系土含硒量線性回歸

(3)如圖6水稻籽粒含鎘量和水稻籽粒硒含量數(shù)據(jù)趨勢成圖，水稻籽粒含硒量和水稻籽粒含鎘量呈現(xiàn)較好的趨勢一致性；進(jìn)行線性回歸分析如圖7，相關(guān)系數(shù)pearson值是0.48348，線性擬合關(guān)系初步呈現(xiàn)是正相關(guān)，擬合度R2為0.19118，P值為0.0308<0.05，水稻籽粒硒含量和鎘含量線性正比例關(guān)系顯著，表明水稻籽粒內(nèi)硒鎘存在協(xié)同關(guān)系。

3.4 水稻土壤理化性質(zhì)及其元素硒鎘鋅元素間的相關(guān)性分析

通過SPSS對20個(gè)樣點(diǎn)水稻及其根系土的中全量微量元素硒、鎘的含量進(jìn)行Pearson雙變量相關(guān)分析，得出以下相關(guān)性矩陣如表4。

圖4 水稻籽粒鎘元素含量和對應(yīng)水稻根系土含鎘量趨勢

圖5 水稻籽粒鎘元素含量和對應(yīng)水稻根系土含鎘量線性回歸

圖6 水稻籽粒硒元素含量和對應(yīng)水稻籽粒含鎘量趨勢

圖7 水稻籽粒硒元素含量和對應(yīng)水稻籽粒含鎘量線性回歸

水稻根系土中，除了土壤有機(jī)碳和土壤全量Zn元素相關(guān)性較弱，土壤有機(jī)碳和土壤pH的相關(guān)性較弱，且水稻全量硒鎘元素與土壤有機(jī)碳及pH的相關(guān)性較強(qiáng)，與土壤CEC的相關(guān)性較弱。

表4 水稻根系土理化性質(zhì)和水稻籽粒及其根系土硒鎘鋅含量相關(guān)系數(shù)

4 結(jié)論

恩施市新塘鄉(xiāng)的水稻籽粒硒含量和水稻根系土的硒含量的線性正比例關(guān)系達(dá)到了顯著水平(P<0.05)。水稻根系土鎘含量和水稻根系土鎘含量的線性正比例關(guān)系極顯著(P<0.01)。水稻籽粒硒含量和水稻籽粒鎘含量的線性正比例關(guān)系顯著，二者在水稻籽粒里呈協(xié)同關(guān)系(P<0.05)；該地區(qū)水稻全量硒鎘元素與土壤有機(jī)碳及pH的相關(guān)性較強(qiáng)，與土壤CEC相關(guān)性較弱。

5 討論

恩施市有豐富的富硒土壤資源，富硒資源的開發(fā)應(yīng)該堅(jiān)持綠色可持續(xù)發(fā)展理念，富硒農(nóng)產(chǎn)品和硒生態(tài)資源是發(fā)展重點(diǎn)[9]，恩施土壤硒鎘元素在高硒土壤區(qū)協(xié)同化程度較高[10]，發(fā)展綠色低鎘富硒農(nóng)產(chǎn)品是研究重點(diǎn)，除了恩施的玉米和茶葉在富硒高鎘土壤區(qū)表現(xiàn)出富硒低鎘的生態(tài)特征[11]，水稻作為恩施地區(qū)重要的農(nóng)產(chǎn)品，應(yīng)該探討利用新的方法技術(shù)解決水稻在富硒高鎘土壤區(qū)硒鎘元素協(xié)同吸收的問題，比如適當(dāng)提高土壤pH值和土壤有機(jī)質(zhì)含量，以及選育出富硒低鎘水稻品種等。