施硒濃度及硒鋅配施對水稻硒含量及品質(zhì)的影響

匡恩俊，遲鳳琴，張久明，宿慶瑞，張一雯，劉亦丹，李永順，朱寶國，陳磊

1.黑龍江省黑土保護(hù)利用研究院，黑龍江省土壤環(huán)境與植物營養(yǎng)重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150086 2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150030 3.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院佳木斯分院，黑龍江 佳木斯 154007 4.黑龍江省方正縣農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，黑龍江 方正 150800

硒(selenium，Se)是一種人體生長發(fā)育必需的微量元素，具有預(yù)防癌癥、提高免疫力、防止衰老等多種功效，在維持身體健康方面有著重要作用[1]。黑龍江省處在我國缺硒帶的始端，70%土壤為低硒土壤[2]。通過外源補(bǔ)硒，可以增加稻米中的硒含量，達(dá)到膳食補(bǔ)硒目的[3,4]。大米作為主食其含硒量與人體的營養(yǎng)狀況密切相關(guān)。水稻對硒具有很好的生物富集作用，可把非生物活性及毒性高的無機(jī)硒轉(zhuǎn)化為安全且毒性低、生物有效性高的活性有機(jī)硒[5]，改善和彌補(bǔ)大米低硒水平，已經(jīng)成為補(bǔ)充人體缺硒的主要農(nóng)作物[3]。然而相對于其他主糧作物，水稻在生長季節(jié)內(nèi)的大部時間是生長在水淹土壤中，由于水淹土壤中的有效鋅含量常低于非水淹土壤，因此，缺鋅是水稻種植中極為常見的現(xiàn)象[6]。隨著近年深入的研究，噴施外源硒和鋅后能夠增加稻米硒和鋅的含量[7,8]，其吸收富集硒的過程也會影響其他營養(yǎng)成分的消長變化，導(dǎo)致農(nóng)產(chǎn)品營養(yǎng)品質(zhì)發(fā)生變化。適量的鋅、硒可通過提高某些抗氧化酶活性來增強(qiáng)作物的抗性和提高產(chǎn)量，并可改善水稻品質(zhì)[9,10]。稻米常以必需氨基酸的含量和比例作為評價其營養(yǎng)價值的重要指標(biāo)[11]。研究通過不同濃度的外源硒類噴施對稻米中的硒含量、分布及其與稻米品質(zhì)的關(guān)系，可為富硒稻米生產(chǎn)和富硒稻谷食用安全提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地點為黑龍江省南部的五常市龍鳳山鎮(zhèn)，東北早熟單季稻稻作區(qū)，地處中緯度，土壤肥沃，光熱充足，雨熱同期。土壤類型為典型黑土，黑土層厚度>35cm，大陸性季風(fēng)氣候，該地區(qū)年平均氣溫3.6℃，最低氣溫為-38.1℃；年均降雨量為608mm，降雨期集中在6～8月份；年平均日照在2629h，無霜期在135～140d。土壤基礎(chǔ)肥力見表1。

表1 土壤基礎(chǔ)肥力

1.2 試驗設(shè)計

水稻品種采用“稻花香2號”，于水稻齊穗期噴施不同濃度的外源硒及硒鋅配施溶液。供試無機(jī)硒為亞硒酸鈉(Na2SeO3，98%)，鋅溶液為硫酸鋅(Zn2SO4·7H2O，≥99.5%)。本研究設(shè)置7個處理：①對照(CK)；②Se1：噴施亞硒酸鈉0.6g/L；③Se2：噴施亞硒酸鈉1.2g/L，參照當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)用量[3]；④Se3：噴施亞硒酸鈉1.8g/L；⑤Se4：噴施亞硒酸鈉2.4g/L；⑥Zn；噴硫酸鋅溶液8.2g/L；⑦Se2+Zn：噴施亞硒酸鈉1.2g/L和硫酸鋅溶液8.2g/L。

每個小區(qū)面積55m2(10m×5.5m)，每個處理3次重復(fù)。

1.3 測定項目及方法

土壤全硒：土壤全硒的測定采用中華人民共和國環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)HJ 680—2013《土壤和沉積物汞、砷、硒、鉍、銻的測定微波消解/原子熒光法》中推薦的HCl-HNO3消解，氫化物發(fā)生—原子熒光光譜法測定，儀器為北京吉天AFS-933原子熒光光度計。

稻米硒含量的測定按照氫化物原子熒光光譜法[12]進(jìn)行。淀粉含量測定參照酸水解法[13]，先測定還原糖，最后折算成淀粉含量。粗脂肪含量的測定參照索氏提取法[14]進(jìn)行測定，蛋白質(zhì)的折算系數(shù)為5.95[15]，17種氨基酸組成分析日立MLC-703 氨基酸自動分析儀測定氨基酸組成[16]。

每個小區(qū)取2m2面積的水稻進(jìn)行產(chǎn)量測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用Excel 2010和SPSS 17.0進(jìn)行處理，并采用Duncan新復(fù)極差法進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 外源施硒對稻米硒富集的影響

由圖1可知，噴施不同濃度硒處理后稻米硒的含量隨著硒濃度的增加而增加，稻米硒含量增加幅度在133.3%～508.3%，Se1～Se4處理稻米硒含量分別比對照增加了133.3%、341.7%、508.3%和258.3%，但高施硒量并不能一直增加稻米硒的含量，隨著噴硒濃度的繼續(xù)升高，稻米硒含量降低，Se4處理比Se3降低了41.1%，高濃度的硒抑制了水稻的生長，阻礙了硒的吸收轉(zhuǎn)化從而導(dǎo)致稻米硒含量的下降。鋅硒配施(Se2+Zn)與對照相比明顯增加了稻米硒的含量，增加了391.7%，比單施同濃度的硒處理(Se2)增加了11.5%，而單施鋅稻米硒含量降低了32.8%。可見，鋅硒之間的協(xié)同能夠促進(jìn)稻米硒的累積。

圖1 不同處理稻米硒含量

2.2 外源施硒對水稻產(chǎn)量和稻米品質(zhì)的影響

在水稻齊穗期通過葉面噴施硒肥，不僅提高了稻米中硒的含量，同時還有不同程度的增產(chǎn)效應(yīng)。結(jié)果(見表2)表明，高濃度的硒及單施鋅、硒鋅配施等處理增加了水稻的千粒重，因抽穗期是噴施葉面肥，為穎花的生長提供了營養(yǎng)元素，增大了谷殼的體積；以Se2+Zn處理最高，并達(dá)到顯著水平，低硒處理對千粒重?zé)o明顯影響。在產(chǎn)量上，施硒和鋅能夠明顯增加水稻的產(chǎn)量，水稻產(chǎn)量隨著施硒濃度增加呈先增高后降低的趨勢，增產(chǎn)幅度為3.4%～19.3%，其中以Se2處理產(chǎn)量高于其他硒濃度處理，除Se1處理外，其他處理均與對照達(dá)顯著性差異。硒鋅配合增產(chǎn)幅度最高，比對照高22.7%，比相同濃度的Se2處理高2.8%，這可能是硒、鋅等元素的加入，促進(jìn)了水稻生長。

表2 葉面噴施硒、鋅肥后水稻的產(chǎn)量和稻米品質(zhì)

葉面噴施不同濃度的硒、鋅能夠明顯促進(jìn)稻米粗蛋白和粗脂肪的含量，并隨著噴施硒濃度的升高而升高，符合方程:y=-0.1921x2+0.6394x+0.0655(x為噴施硒濃度(g/L)，y為稻米硒含量(mg/kg)，R2= 0.8339)。與對照相比，稻米粗蛋白增加幅度為2.0%～24.4%，以Se4處理含量最高為24.4%(P<0.05)；粗脂肪的增加范圍為121%～320%。在本試驗中，施鋅處理粗蛋白提升幅度較少，為2.1%～4.7%，沒有顯著性差異。鋅硒配施與同濃度的硒肥相比，粗蛋白含量降低了10%，粗脂肪含量則無明顯差異，但比對照的粗脂肪含量增加241%，比Zn處理高13.7%。各處理對稻米粗淀粉影響較低，均沒有顯著性差異，僅以Se2處理略高于其他處理。

2.3 外源施硒對稻米氨基酸組成的影響

水稻中必需氨基酸的含量對稻米的營養(yǎng)品質(zhì)影響較大[17]。在本試驗中，必需氨基酸中的苯丙氨酸、蘇氨酸、亮氨酸都有隨著Se濃度的升高而增加的趨勢(見表3)，配施Zn后也略有增加的趨勢。水稻葉面噴施Se處理增加了苯丙氨酸、蘇氨酸、亮氨酸的含量，在非必需氨基酸中，增加了天門冬氨酸、絲氨酸、谷氨酸、丙氨酸、精氨酸的含量，且隨著硒濃度的升高有增加的趨勢。賴氨酸是人體必需的氨基酸之一，它能夠促進(jìn)人體的發(fā)育，增強(qiáng)免疫力以及提高中樞神經(jīng)功能的作用。本研究中所有葉面噴硒處理稻米中賴氨酸都有明顯的增加，增加范圍5.6%～11.0%，但是單獨噴施Zn以及Zn與Se配施沒有增加賴氨酸的含量。

表3 不同處理稻米的氨基酸含量

各處理稻米氨基酸總量(TAA)含量在5.3～6.1g/100g幅度之間，氨基酸總量大小順序為：Se4>Se3>Se1>Se2>Se2+Zn>Zn>CK。施用硒的處理明顯增加了氨基酸總量，呈現(xiàn)隨著施硒濃度的增加而增加的趨勢。其中，Se4處理比對照增加的幅度最高為15.0%，而Zn的處理增加略低，Zn和Se2+Zn 處理僅增加了0.2%和0.6%。

各處理必需氨基酸總量(EAA)變化范圍在2.0～2.2g/100g之間，隨著Se濃度的升高有提升的趨勢，Se2+Zn處理與同濃度的Se2處理相比，EAA相對降低了7.8%。Se濃度越高，EAA/NEAA的值越低，而添加Zn能增加其值，Zn處理比對照增加4.6%，Se2+Zn處理僅比對照增加2.3%。

2.4 水稻產(chǎn)量與粗蛋白、氨基酸及粗脂肪的相關(guān)性

從表4可以看出，粗蛋白與氨基酸總量、EAA之間以及氨基酸與EAA之間呈極顯著相關(guān)(P<0.01)，粗脂肪和產(chǎn)量與所有的指標(biāo)相關(guān)性未達(dá)顯著水平。

表4 產(chǎn)量與品質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)性

3 討論與結(jié)論

近年來，通過葉面噴施硒肥對水稻、小麥、大麥等作物的補(bǔ)硒效果均很明顯[18-20]。本研究結(jié)果表明，通過葉面噴施0.6～2.4g/L濃度的硒，稻米硒含量明顯提高，增加幅度為133.3%～508.3%，1.2g/L的硒+8.2g/L的鋅配施有提高稻米硒含量的趨勢，比單施1.2g/L的硒增加了11.5%，鋅硒之間的協(xié)同能夠促進(jìn)稻米硒的累積。施硒、鋅能夠明顯增加水稻的產(chǎn)量，增產(chǎn)幅度為1.8%～22.7%，適量的硒對水稻有增產(chǎn)的作用。其中，Se3處理含硒量最高，隨著噴硒濃度的升高而呈先升高后降低的趨勢，這與遲鳳琴等[3]、方勇等[21]研究結(jié)果一致。外源硒對水稻生長的影響與其價態(tài)和劑量有關(guān)，低硒能促進(jìn)作物生長，高硒則造成氧化應(yīng)激作用，導(dǎo)致植物生長受阻[22]。另外，有研究表明，水稻在施高量硒時，硒更多是積累在穎殼和米糠中[21]。所以，在需要滿足人類膳食補(bǔ)硒的需求時，可采用低濃度的硒噴施，既能得到富硒稻米，又能節(jié)約生產(chǎn)成本。本試驗采用無機(jī)硒在水稻齊穗期進(jìn)行葉面噴施，稻米中的硒通過水稻劍葉吸收無機(jī)硒，轉(zhuǎn)運至稻米中轉(zhuǎn)化成有機(jī)硒[23]。葉面噴硒還可以促進(jìn)水稻的生長發(fā)育，增加產(chǎn)量。在本試驗中，水稻的產(chǎn)量并不是隨著硒濃度升高而一直升高，而是以噴施低濃度的1.2g/L的硒增產(chǎn)最高，高濃度的硒對產(chǎn)量增加有抑制作用。

鋅也是植物生長發(fā)育必需的微量元素，鋅缺失對作物產(chǎn)量有較大的影響。施鋅具有明顯的增產(chǎn)效果[24]，在本研究中，單施鋅比對照增產(chǎn)12.5%，而硒鋅配施卻增加22.7%，比同濃度的硒還提高2.8%，這與FANG等[25]和MANGUEZE等[26]結(jié)果相似。薛明月[27]研究顯示硒鋅配施后對小白菜的生長表現(xiàn)為拮抗作用，POBLACIONES等[28]發(fā)現(xiàn)葉面噴施硒酸鈉和硫酸鋅對豌豆的生物量無顯著影響，而王建偉等[29]研究發(fā)現(xiàn)，鋅硒肥配施對黃土高原馬鈴薯塊莖硒和鋅含量無明顯影響，但當(dāng)高濃度硒鋅配施時，小白菜的生育指標(biāo)均比對應(yīng)的單施硒處理顯著增加[30]。這可能是因為硒、鋅在植物體內(nèi)的積累及生理效應(yīng)有一定的協(xié)同作用，鋅是植物體內(nèi)六大類酶所必需的輔助因子[31](包括超氧化物歧化酶)。因此，鋅可以在高硒濃度下發(fā)揮著解毒作用。另外，鋅硒配施效應(yīng)產(chǎn)生不同結(jié)果也可能與試種作物類型、品種以及作物種植環(huán)境等有關(guān)。

施硒能夠不同程度地改善作物品質(zhì)。楊莉等[32]研究認(rèn)為施硒提高了水稻的抗氧化能力，協(xié)調(diào)了抗氧化系統(tǒng)的動態(tài)平衡，促進(jìn)對一些營養(yǎng)元素的吸收，增加稻米中的氨基酸和蛋白質(zhì)含量。在本研究中，隨著噴硒濃度的升高，稻米的粗蛋白質(zhì)增加2.0%～24.4%，粗脂肪增加121%～320%，鋅硒配施與同濃度的硒處理相比，粗蛋白含量降低了10%，粗脂肪和粗淀粉含量沒有顯著影響。硒通過植物吸收后，一般轉(zhuǎn)化成硒半胱氨酸進(jìn)而合成蛋白質(zhì)，脂肪中不含硒。但在本研究中，硒鋅配施具有增加稻米脂肪含量的作用，這與周勛波等[33]研究結(jié)果相似，可能是施入的鋅肥起到了作用，其機(jī)理還有待于深入研究。研究發(fā)現(xiàn)稻米中氨基酸可通過改變淀粉的特性而影響到稻米淀粉的品質(zhì)，如賴氨酸和谷氨酸可降低淀粉的糊化溫度、谷氨酸影響淀粉的凝滯性[34]。周遺品[35]研究結(jié)果表明適量施用硒肥可以提高稻米中氨基酸和蛋白質(zhì)含量，只有含硫氨基酸-(如胱氨酸和蛋氨酸)含量受硒的影響減少，其他氨基酸含量均明顯增加，最高增加了32%。在本研究中，施硒處理增加了苯丙氨酸、蘇氨酸、亮氨酸、賴氨酸的含量，在非必需氨基酸中，增加了天門冬氨酸、絲氨酸、谷氨酸、丙氨酸、精氨酸的含量，且隨著施硒濃度的升高，有增加的趨勢。在李明等[36]的研究中，基施硒肥可以提高莜麥稻米中蛋氨酸、亮氨酸以及賴氨酸等3種必需氨基酸和氨基酸總量的含量，并顯著提高天門冬氨酸、谷氨酸、絲氨酸和甘氨酸等非必需氨基酸的含量，本試驗的研究結(jié)果與上述結(jié)論相似。但田春麗等[37]的研究顯示，在低硒與鋅配合中，能顯著提高紫花苜蓿的3種必需氨基酸(纈氨酸、異亮氨酸、亮氨酸)和4種非必需氨基酸含量(精氨酸、甘氨酸、丙氨酸、酪氨酸)，但高硒不利于賴氨酸含量的提高。

根據(jù)蛋白質(zhì)合成所需氨基酸的比例，賴氨酸被認(rèn)為是稻米蛋白質(zhì)合成的第一限制性氨基酸，其次是蘇氨酸、蛋氨酸[11,38]。目前認(rèn)為，硒參與蛋白質(zhì)的代謝，以無機(jī)硒的形態(tài)進(jìn)入植物體后很快轉(zhuǎn)化Se-Cys(硒代半胱氨酸)、Se-Met(硒代蛋氨酸)、Cy-Se(硒代胱氨酸)等多種氨基酸，以原料形式直接參與蛋白質(zhì)的合成，從而減少了游離氨基酸中半胱氨酸、蛋氨酸的含量[39]；本試驗中增加了蛋氨酸和胱氨酸的含量，其參與了蛋白質(zhì)的合成。ZHAO等[40]研究顯示在大豆上施硒對氨基酸無明顯影響，但一定程度上降低了富硒蛋白中半胱氨酸和蛋氨酸的含量，而楊玉玲[41]的研究顯示，大豆中硒代蛋氨酸(SeMet)和硒代半胱氨酸(SeCys)的含量隨著硒濃度的增大而增加?？赡苁且驗槠渲泻信c硒吸收和代謝途徑相同的硫元素，兩者呈競爭關(guān)系，因此硒可能會取代含硫氨基酸殘基中的硫元素并與其相結(jié)合，以SeMet和SeCys的形式存在于植物體內(nèi)，導(dǎo)致氨基酸和蛋白質(zhì)含量發(fā)生變化。