提高土壤硒生物有效性的技術(shù)措施研究進(jìn)展

楊謹(jǐn)銘 胡崗 范成五 羅沐欣鍵 秦松

摘要 近年來，我國富硒產(chǎn)業(yè)經(jīng)過一段時間的發(fā)展已初具規(guī)模，天然富硒農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)備受消費(fèi)者好評。硒的生物有效性低是我國南方區(qū)域合理發(fā)展硒產(chǎn)業(yè)的主要限制因素。從土壤性質(zhì)對硒有效性的影響進(jìn)行分析，從耕作與水分管理、肥料與改良劑施用、菌根接種等3個方面綜述提高土壤硒有效性的技術(shù)措施研究，以期為探索土壤硒活化方法和技術(shù)措施以及富硒地區(qū)合理開發(fā)富硒農(nóng)產(chǎn)品提供參考。

關(guān)鍵詞 硒元素;生物有效性;形態(tài);活化方法

中圖分類號 S158? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A? 文章編號 0517-6611（2022）01-0012-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.01.003

Research Progress of Technical Measures to Improve Bioavailability of Soil Selenium

YANG Jin-ming1，HU Gang2，F(xiàn)AN Cheng-wu2 et al

（1.College of Agriculture，Guizhou University，Guiyang，Guizhou 550025; 2. Institute of Soil and Fertilizer，Guizhou Academy of Agricultural Sciences，Guiyang，Guizhou 550006）

Abstract In recent years， China’s selenium-rich industry has begun to take shape after a period of development， and the production of natural selenium-rich agricultural products has been well received by consumers.The low bioavailability of selenium has become a major limiting factor for the rational development of selenium industry in southern China.The effects of soil properties on the availability of selenium were described， and the technical measures to improve the availability of selenium in soil were reviewed from three aspects： tillage and water management， fertilizer and improver application， and mycorrhizal inoculation， in order to provide reference for exploring the methods and technical measures of soil selenium activation and the rational development of selenium-rich agricultural products in selenium-rich areas.

Key words Selenium element;Bioavailability;Form;The activation methods

基金項(xiàng)目 貴州省科技支撐項(xiàng)目（黔科合〔2018〕2338，黔科合平臺人才〔2017〕5719，黔科合〔2016〕2595-1）。

作者簡介 楊謹(jǐn)銘（1996—），男，侗族，湖南懷化人，碩士研究生，研究方向：重金屬治理。通信作者，研究員，博士，從事土壤肥料研究。

收稿日期 2021-04-26

我國有接近70%的地區(qū)屬于缺硒（Selenium，Se）或低硒區(qū)域，有2/3的人口存在硒攝入量不足的問題[1]。缺硒會導(dǎo)致人體引發(fā)克山病和大骨節(jié)病等病癥[2]，適量硒的攝入對人體抵御過氧化損傷、抗衰老和抗癌等都起到了極其重要的作用[3]。硒也是人體的微量元素，過量攝入會對人體造成毒害[4]。富硒農(nóng)產(chǎn)品的食用作為人體補(bǔ)硒最安全、最有效的途徑之一[5]，對其合理的開發(fā)與生產(chǎn)受到社會各界的普遍重視。目前，國內(nèi)富硒農(nóng)業(yè)經(jīng)過一段時間的發(fā)展已初具規(guī)模，富硒大米、富硒茶葉等農(nóng)產(chǎn)品廣受消費(fèi)者歡迎，富硒農(nóng)業(yè)已成為市場需求巨大、政府鼓勵支持、前景光明的朝陽產(chǎn)業(yè)[6]。為進(jìn)一步擴(kuò)大硒產(chǎn)業(yè)鏈，要求對硒資源予以合理利用、綜合開發(fā)。以外源施加硒肥的方式增加土壤硒儲備不失為一種提高農(nóng)產(chǎn)品硒含量的有效方法，但我國南方富硒地區(qū)降雨量充沛，土壤因大量降雨淋溶等原因風(fēng)化程度較高，大部分土壤呈酸性，導(dǎo)致能被作物直接吸收利用的自由離子態(tài)硒（即生物有效態(tài)硒）濃度低，是限制富硒農(nóng)業(yè)發(fā)展的最主要障礙。因此，采取措施增加土壤硒的生物有效性是實(shí)現(xiàn)我國南方酸性富硒地區(qū)硒資源合理開發(fā)利用最具有可行性的途徑。

1 土壤性質(zhì)對硒有效性的影響

土壤酸堿性（pH）與質(zhì)地等是影響土壤硒有效性的重要因素。我國南方地區(qū)降雨充沛，常年處于濕潤生物氣候條件下形成的土壤大多呈酸性，具有質(zhì)地黏重、土溫低和濕度大等特點(diǎn)。硒在酸性土壤中主要以亞硒酸鹽（SeO32-）形態(tài)存在，極易受到Fe、Al、Mn氧化物的吸附固定[7]，提高土壤pH促進(jìn)硒轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定性更高的硒酸鹽態(tài)（SeO42-），能降低土壤顆粒對硒的吸附量[8];在質(zhì)地黏重的南方土壤中，硒因長時間漬水被還原成為有機(jī)結(jié)合態(tài)硒或元素態(tài)硒[9]，提高土壤Eh使有機(jī)結(jié)合態(tài)硒氧化分解，能有效促進(jìn)硒有效化[10];在土溫低、濕度大的土壤中，有機(jī)質(zhì)分解速率緩慢，經(jīng)過長時間的積累，有機(jī)質(zhì)中富里酸等結(jié)構(gòu)簡單的小分子有機(jī)質(zhì)會逐漸向芳構(gòu)化程度高的大分子有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化，表現(xiàn)出對硒較強(qiáng)的吸附能力[11]。因此，必須采取相應(yīng)措施解決南方富硒區(qū)域存在的硒有效性低的問題，例如通過施加酸性土壤改良劑提高土壤pH等措施，促使被碳酸鹽、鐵錳鋁氧化物和有機(jī)物所固定的硒解吸、溶解于土壤溶液中[12]，以利于充分發(fā)揮南方富硒土壤自身優(yōu)勢。

2 提高土壤硒有效性的技術(shù)措施

2.1 耕作與水分管理

2.1.1 耕作模式。

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，黏性土壤常因漬水處于較低的氧化還原電位，長時間漬水導(dǎo)致水分無法及時排出，土壤處于還原環(huán)境，硒易被還原為生物有效性較低的形態(tài)，生物有效性降低。針對土壤質(zhì)地較黏重的土壤，韋本輝等[13]采用粉壟栽培技術(shù)將土壤粉碎均勻一致且不上翻土壤，能顯著加強(qiáng)土壤空氣的流通，被證實(shí)能有效促進(jìn)還原態(tài)硒的溶解，提高硒的生物有效性[14]。

2.1.2 水分管理。

我國南方稻區(qū)以淹水的方式進(jìn)行耕作，土壤長時間處于還原環(huán)境，不利于水稻對硒的吸收。合適的水分管理對于水生作物吸收富集硒起著尤為重要的作用。楊志輝等[15]發(fā)現(xiàn)土壤淹水處理，土壤處于較低的Eh電位時不利于硒在土壤-作物體系的遷移，土壤處于濕潤狀態(tài)的耕作模式較淹水處理能有效活化水稻等作物硒的生物有效性[16]。水生作物干濕交替水分條件，同樣有利于改良土壤酸堿度與提高土壤Eh電位，對于提高硒的生物有效性有重要的作用[17]。試驗(yàn)證明，干濕交替條件下水稻硒的富集轉(zhuǎn)移系數(shù)顯著高于淹水處理，表明干濕交替的水分管理方式能夠有效提高硒生物有效性[18-19]。

2.2 施加肥料與改良劑

2.2.1 充分施加氮肥。

氮作為構(gòu)成蛋白質(zhì)的元素，對作物完成各項(xiàng)生理活動起著必不可少的作用，施加氮肥有利于作物轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的形成，能有效提高作物對硒富集，對硒的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)與分配可起到重要的作用。在實(shí)踐生產(chǎn)中，充分施加氮肥為作物提供更多構(gòu)成蛋白質(zhì)的原材料促使作物形成更多的根系分泌物和轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，有利于硒在土壤-作物體系的富集轉(zhuǎn)運(yùn)。目前，氮肥的不同施用方式中，傳統(tǒng)土壤施肥與葉面噴施都被證明對于提高硒的生物有效性具有十分重要的意義。

陳玉鵬等[20-21]通過盆栽試驗(yàn)，證實(shí)在土壤中施加氮肥能夠促進(jìn)小麥吸收富集硒，發(fā)現(xiàn)低硒土壤施加氮肥效果高于高硒土壤，與宋曉珂等[22]對青稞的研究結(jié)論一致，表明低硒土壤采取施加氮肥的方法不失為提高硒的生物有效性的一項(xiàng)措施;氮肥的施用量影響硒在小麥各部位的遷移分配，高氮肥施用量可有效促進(jìn)硒向地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)分配。在富硒或硒中毒土壤中，高氮處理能促進(jìn)小麥根部、籽粒的硒轉(zhuǎn)運(yùn)儲存于穎殼中，有效緩解硒對小麥的毒害作用。

2.2.2 適當(dāng)施加磷肥。

對紫色土亞硒酸鹽吸附-解吸的研究發(fā)現(xiàn)，平衡液中加入磷酸二氫鈉可以顯著降低土壤對亞硒酸鹽的吸附量[23]。這是因?yàn)榱着c硒具有相似的物理化學(xué)性質(zhì)，都以陰離子的形式存在于土壤膠體顆粒表面，它們之間存在著競爭吸附作用，共同競爭土壤膠體吸附結(jié)合位點(diǎn)，磷酸鹽的存在能有效降低土壤對硒的吸附量，被土壤膠體吸附的硒解吸釋放，以水溶態(tài)的形式存在于土壤溶液中[24-25]。充分利用磷與硒存在的交互作用，通過施加磷肥促進(jìn)亞硒酸根解吸釋放，能有效提高土壤硒的生物有效性。

研究表明，將過磷酸鈣和鈣鎂磷肥施入土壤均能提高硒的生物有效性，高用量效果好于正常用量[26]。鈣鎂磷肥作為磷與硅酸鎂所制成的肥料，水溶液呈堿性，能有效提高土壤pH，有效降低土壤膠體對亞硒酸鹽的吸附，被吸附的硒釋放于土壤溶液中，成為生物有效性更高的形態(tài)從而提高硒的生物有效性。

2.2.3 合理施加硒肥。

巖石母質(zhì)中的硒經(jīng)過地質(zhì)大循環(huán)和生物小循環(huán)進(jìn)入土壤。在母質(zhì)硒含量較為貧乏的地區(qū)，土壤硒含量往往較為貧瘠，通過外源施硒的方式是缺硒地區(qū)發(fā)展硒產(chǎn)業(yè)的有效手段。研究發(fā)現(xiàn)，外源施加硒肥在提高土壤硒儲量的同時，能夠促進(jìn)有機(jī)質(zhì)結(jié)合的硒分解釋放，并且有效促進(jìn)硒的生物有效性增加。對不同價(jià)態(tài)的硒肥，亞硒酸鹽施用的影響較硒酸鹽小，硒酸鹽的施用使有機(jī)態(tài)硒轉(zhuǎn)化為有效態(tài)硒的效果更為顯著[27]。但是，不能盲目選擇硒酸鹽作為硒肥，隨意施加硒酸鹽容易導(dǎo)致硒毒害。對于缺硒、有效性又不高的酸性土壤可以選擇施用硒酸鹽，在富硒但有效性不高的酸性土壤施用亞硒酸鹽則更為合理，而在富硒且硒的有效性較高的堿性土壤要避免因施加硒肥而導(dǎo)致硒毒害[28-30]。

2.2.4 施加有機(jī)肥。

有機(jī)質(zhì)對硒生物有效性的影響具有兩面性[31]。一方面，伴隨著被大分子有機(jī)質(zhì)如胡敏酸等所結(jié)合后表現(xiàn)出不溶于水的性質(zhì)，硒生物活性降低;另一方面，富里酸等小分子有機(jī)物因富含羧基、醇-OH-NH2、酚-OH等活性官能團(tuán)，能與硒元素絡(luò)合形成具有親水性、生物有效性高的硒化合物，易被作物吸收利用[32-33]。因此，將小分子有機(jī)質(zhì)如富里酸等施入土壤的措施既能顯著提高硒的生物有效性，又能有效避免硒毒害[34]。

缺硒土壤中硒的生物有效性低，主要是因?yàn)槲蟛糠直淮蠓肿佑袡C(jī)質(zhì)結(jié)合[35]。南方酸性土壤有機(jī)質(zhì)經(jīng)過長時間的腐殖化作用，大多轉(zhuǎn)化為胡敏酸等大分子物質(zhì)，對硒表現(xiàn)出較強(qiáng)的固定能力，所以硒的生物有效性低。因此，選擇施用有機(jī)肥提高硒的有效性，應(yīng)關(guān)注其組分，避免選擇大分子為主的有機(jī)質(zhì)，同時需要適當(dāng)補(bǔ)充硒肥。針對有機(jī)質(zhì)豐富的酸性土壤，王丹[11]提出可以通過以秸稈還田的方式將秸稈施入土壤，秸稈會在微生物作用下向富里酸轉(zhuǎn)化。

2.2.5 施加酸性改良劑。

土壤改良劑通常會選擇一些工業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)活動中的廢棄物，或選擇一些價(jià)格低廉、容易獲得的產(chǎn)物，主要包括生石灰以及生物炭等，具有變廢為寶、經(jīng)濟(jì)環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。通過施用改良劑的方式改變土壤理化性質(zhì)，使其向有利于硒活化的方向進(jìn)行轉(zhuǎn)變，促進(jìn)被吸附的結(jié)合態(tài)硒活化轉(zhuǎn)化為水溶態(tài)硒，是一個具有實(shí)際可行性的技術(shù)措施。作為最常見的酸性土壤改良劑，施加生石灰能使土壤pH升高1～2個單位，使硒的有效性提高0.3～1.0倍[36]。研究發(fā)現(xiàn)，施用鍋爐及其他設(shè)備燃煤后產(chǎn)生的燃煤爐渣對酸性土壤的改良效果為生石灰的10倍，能有效活化硒[37]。況琴等[38]研究了煉鋼的副產(chǎn)物鋼渣對硒有效性的影響，證實(shí)施加鋼渣可以促進(jìn)土壤有效硒含量提高1.4～2.0倍，施用鋼渣處理的小白菜硒含量提高30%以上。謝珊妮等[39]發(fā)現(xiàn)將秸稈燒制成的生物炭（呈堿性，表面具有較多含氧官能團(tuán)）作為優(yōu)良的酸性土壤改良劑具有提高硒的生物有效性作用，在施入酸性茶園土壤后顯著抑制了土壤pH酸化，有效提高了硒的生物有效性。

2.3 接種菌根

作物的根系活動通過改變根際土壤理化性質(zhì)等途徑，能有效活化硒元素，使根際土壤有效態(tài)硒含量顯著高于非根際土壤[40-41]。將菌根真菌接種至作物根系使其產(chǎn)生共生體，菌根真菌能為作物吸收養(yǎng)分與水分，有效擴(kuò)大作物根系對硒元素的活化范圍，有效解決在硒有效性不高的土壤種植作物的缺硒問題。劉麗麗等[42]將Glomus versiforrme（Gv）、Glomus mosseae和Glomus etunicatum 3種叢枝菌根（arbuscular mycorrhiza，AM）接種至獼猴桃根系，發(fā)現(xiàn)3種AM均能促進(jìn)獼猴桃富集轉(zhuǎn)運(yùn)硒，獼猴桃葉片的硒含量顯著提高。有研究將3種AM真菌接種至水稻根部后發(fā)現(xiàn)，接種叢枝菌根Funneliformis mosseae（Fm）和Gv能有效促進(jìn)水稻對硒的富集，接種菌根后根際土壤水溶態(tài)、可交換態(tài)硒含量顯著提高[43]。研究者將Fm接種至大豆根系后發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)m能提高土壤水溶態(tài)硒含量，大豆對硒的富集能力在接種菌根后顯著提高[44]。有學(xué)者篩選出一種能有效提高藍(lán)莓硒的有效性的方法，即將具有富硒能力的菌根真菌接種至藍(lán)莓根部[45]。

3 展望

開發(fā)富硒產(chǎn)業(yè)僅僅運(yùn)用單一的物質(zhì)或手段是不夠的。在生產(chǎn)實(shí)踐中，通過肥料與改良劑進(jìn)行合理的配施，或是采用幾種措施有機(jī)結(jié)合的方式，對于合理開發(fā)硒資源可起到重要的作用。

有機(jī)質(zhì)對硒生物有效性的影響具有兩面性，對有機(jī)質(zhì)匱乏的土壤施用有機(jī)肥增加硒的有效性，反而會吸附固定硒，降低其生物有效性。有機(jī)肥對硒有效性的影響受有機(jī)質(zhì)的物質(zhì)組成以及官能團(tuán)的構(gòu)成等特性決定，隨著施用時間的延長，富里酸等小分子有機(jī)物會轉(zhuǎn)變?yōu)楹羲岬却蠓肿佑袡C(jī)物，導(dǎo)致硒有效性的下降。為此，深入探究不同種類有機(jī)肥對提高硒有效性的長效性具有重要的實(shí)踐意義。

通過施加肥料與改良劑提高有效硒含量的措施見效快，但具有生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。長期給土壤施加肥料，一旦超過土壤的環(huán)境容量，氮、磷等元素會隨著降雨淋溶進(jìn)入河流造成水體富營養(yǎng)化。過量施入以石灰為代表的酸性土壤改良劑會破壞土壤結(jié)構(gòu)，使土壤板結(jié)失去原本的生產(chǎn)力。進(jìn)一步對這些措施進(jìn)行合理的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)與土壤生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評估十分重要。

土壤微生物（硒氧化細(xì)菌）能夠提高硒的生物有效性，富硒細(xì)菌在富硒農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。而關(guān)于微生物硒氧化作用效果與機(jī)制的研究并不透徹，相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道較少，探索更多能提高硒有效性的微生物并探究其機(jī)理，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

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