硒在不同品種甘薯莖塊中的累積特征及其與重金屬互作的規(guī)律研究

張 川

（龍巖市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，福建 龍巖 364000）

0 引言

硒（Se）是人類(lèi)和動(dòng)物必需的微量元素，是含硒酶和硒蛋白的活性中心。硒在生物體的能量代謝和基因表達(dá)中起重要作用，具有抗氧化作用、調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)以及拮抗作用等重要的生物學(xué)功能［1-2］。人體在硒攝入不足時(shí)會(huì)患克山病和白肌病，但攝入過(guò)量也會(huì)對(duì)身體健康造成影響，如頭發(fā)和指甲脫落、皮膚損傷、神經(jīng)系統(tǒng)紊亂、癱瘓，甚至死亡［3-4］。據(jù)報(bào)道，我國(guó)39%~61%的居民每日膳食硒攝入量低于WHO/FAO推薦的硒營(yíng)養(yǎng)攝入量［5］。食物中的硒含量、食物消耗量和飲食結(jié)構(gòu)共同決定了人體每日硒的攝入量。甘薯營(yíng)養(yǎng)豐富，其富含膳食纖維，深受人們的青睞，近年來(lái)甘薯消費(fèi)量也呈逐年增長(zhǎng)趨勢(shì)，因此，適當(dāng)提高甘薯中的硒含量有利于人體膳食硒的攝入。

植物對(duì)土壤中硒的吸收會(huì)受到各方面因素的影響。首先，植物的硒含量與土壤有效態(tài)硒含量呈正相關(guān)關(guān)系［5］。陳金等［6］研究表明，當(dāng)硒供應(yīng)充分時(shí)容易向地上部遷移和向籽粒富集，在硒供應(yīng)不足時(shí)，硒向植物生殖器官的轉(zhuǎn)移和累積會(huì)受到抑制。另外，土壤有效態(tài)硒的含量還會(huì)受土壤理化性質(zhì)的影響，土壤中的鐵錳氧化物、有機(jī)質(zhì)、黏土礦物等對(duì)硒具有一定的吸附作用［7-11］。不同形態(tài)硒的生物有效性也不相同，亞硒酸鹽和硒酸鹽最常用于農(nóng)業(yè)中的富硒生產(chǎn)［12］，其中，硒酸鹽在土壤溶液中的水溶性更高，因此，其生物有效性也高于亞硒酸鹽［13-14］。其次，植物體內(nèi)硒累積量也與植物品種有關(guān)［15］。牛笑菲［16］對(duì)20個(gè)不同品種大豆的富硒能力進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)不同品種大豆籽粒Se含量范圍為0.031~0.063 mg/kg，硒高累積大豆品種的Se含量是低累積品種的2倍。姚海坡等［17］研究發(fā)現(xiàn)，同一地點(diǎn)生產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)強(qiáng)筋小麥籽粒的硒含量低于中筋小麥。此外，植物對(duì)硒的吸收與土壤中其他離子之間存在拮抗或協(xié)同關(guān)系，閆加啟等［18］研究發(fā)現(xiàn)，施硒不僅能夠提高甘薯塊莖中Se的含量，同時(shí)還能顯著增加N和P的含量，但B的含量會(huì)有所下降。

目前，關(guān)于甘薯中硒的研究大多集中于外源施加硒肥對(duì)甘薯品質(zhì)的影響，如施加硒肥能顯著提高甘薯可溶性蛋白含量，增加甘薯產(chǎn)量［18-19］。而關(guān)于不同甘薯品種硒富集能力的差異及其影響因素的研究還較少。福建省閩西地區(qū)擁有豐富的富硒土壤資源，甘薯也是該地區(qū)的主要糧食作物之一，但該地區(qū)甘薯的硒含量及其影響因素尚未明確。因此，本研究以福建閩西地區(qū)某流域?yàn)檠芯繀^(qū)域，對(duì)該流域內(nèi)的土壤和不同品種甘薯的硒含量進(jìn)行調(diào)查，分析影響甘薯硒累積的土壤環(huán)境因素，以期為富硒地區(qū)甘薯種植品種的選擇提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于福建省閩西地區(qū)，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫為13.8～19.5 ℃，年平均日照時(shí)數(shù)為1761 h，年平均降水量為1734 mm。研究區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，礦產(chǎn)資源類(lèi)型豐富，其中煤、稀土、錳、鉛鋅、膨潤(rùn)土、石灰石等儲(chǔ)量較大。甘薯為當(dāng)?shù)靥厣r(nóng)產(chǎn)品之一。

1.2 采樣方法與樣品處理

選擇有代表性的田塊進(jìn)行采樣，采集4個(gè)品種的甘薯樣品（塊莖）及其塊莖下方土壤樣品，土壤樣品采樣深度為0~20 cm，每個(gè)品種的樣品數(shù)為15個(gè)，總共60個(gè)樣品，所選取的品種為該地區(qū)種植面積較廣的品種，分別為福寧紫3號(hào)、金山57、金山630和龍薯15。采樣過(guò)程中，在每個(gè)采樣小區(qū)至少采集3~5個(gè)樣品組成1個(gè)混合樣品。先使用自來(lái)水對(duì)甘薯樣品進(jìn)行沖洗，然后再使用去離子水進(jìn)行清洗，去皮后于105 ℃條件下殺青30 min，之后在70 ℃下烘干至恒重，并記錄樣品的鮮重和干重，并將所有樣品研磨過(guò)100目尼龍篩備用。土壤樣品風(fēng)干研磨后過(guò)2和0.149 mm的尼龍篩備用。

1.3 樣品測(cè)定

使用pH計(jì)測(cè)定土壤樣品的pH值；采用元素分析儀Vario MAX Cube測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)、土壤全氮、土壤全硫含量；采用連二亞硫酸鈉－檸檬酸鈉－碳酸氫鈉（DCB）提取法提取樣品中的游離氧化鐵，并使用原子吸收分光光度計(jì)（AAS）進(jìn)行測(cè)定。

土壤樣品中硒和汞的含量分別參照標(biāo)準(zhǔn)NY/T 1104—2006、DZ/T 0279.13—2016進(jìn)行測(cè)定；土壤樣品中鎘、鉻、鉛和砷4種元素的含量參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17141—1997進(jìn)行測(cè)定；植物樣品中的硒含量參照標(biāo)準(zhǔn)GB 5009.93—2017進(jìn)行測(cè)定；植物樣品中汞的含量參照標(biāo)準(zhǔn)GB 5009.17—2014進(jìn)行測(cè)定；植物樣品中鎘、鉻、鉛和砷的含量分別參照標(biāo)準(zhǔn)GB 5009.15—2014、GB 5009.123—2014、GB 5009.12—2017、GB 5009.11—2014進(jìn)行測(cè)定。每批樣品均分別設(shè)置空白樣品和標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)（GBW-07402、GBW-10023）與樣品進(jìn)行同步分析，為保證分析結(jié)果準(zhǔn)確，回收率設(shè)定在95%~105%之間。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

應(yīng)用SPSS 19.00軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，利用Sigmaplot 12.5軟件制圖，各處理間的比較均采用單因素方差分析（One-way ANOVA），使用轉(zhuǎn)移系數(shù)（transfer factor，TF）分析甘薯對(duì)硒和重金屬（鎘、鉛、鉻、砷）的富集能力，計(jì)算公式為：

式中，Csoil為土壤中硒或重金屬的含量，C*為農(nóng)作物可食用部分中硒或重金屬的含量。

本文基于健康效應(yīng)將土壤的全硒含量分為5個(gè)等級(jí)［20］，具體標(biāo)準(zhǔn)為：硒含量≤0.125 mg/kg為缺硒；0.125 mg/kg＜硒含量≤0.175 mg/kg為潛在缺硒；0.175 mg/kg＜硒含量≤0.400 mg/kg為潛在缺硒；0.400 mg/kg＜硒含量≤3.000 mg/kg為富硒；硒含量＞3.000 mg/kg為硒中毒。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤理化性質(zhì)

研究區(qū)土壤的pH值在4.22~6.02范圍內(nèi)，平均值為4.81，總體呈酸性；土壤的有機(jī)質(zhì)、氮、硫和游離Fe2O3含量的平均值分別為40.50、0.22、0.66和14.0 g/kg。由此可見(jiàn)，研究區(qū)土壤的有機(jī)質(zhì)含量豐富，但土壤氮含量偏低。

2.2 硒在土壤—甘薯系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)移特征

由表1可知，土壤全硒含量平均值為0.21 mg/kg，變幅在0.09~0.50 mg/kg之間；基于健康效應(yīng)的土壤全硒含量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，其中有5個(gè)點(diǎn)位處于缺硒水平，占8.33%；有20個(gè)點(diǎn)位處于潛在缺硒水平，占33.33%；有33個(gè)點(diǎn)位處于足硒水平，占55.00%；有2個(gè)點(diǎn)位達(dá)到了富硒水平，占3.33%。甘薯硒含量的平均值為1.68 μg/kg，但不同品種甘薯中硒含量存在差異（表2），不同品種甘薯硒含量的平均值由高到低依次為：龍薯15＞金山630＞金山57＞福寧紫3號(hào)。由于目前還未統(tǒng)一富硒甘薯平均硒含量的標(biāo)準(zhǔn)，因此，采用福建省地方標(biāo)準(zhǔn)《富硒農(nóng)產(chǎn)品硒含量分類(lèi)要求》（DB 35/T 1730—2017）對(duì)甘薯硒含量進(jìn)行評(píng)價(jià)（薯類(lèi)作物硒含量在0.02~0.50 mg/kg之間），各點(diǎn)位甘薯硒含量均低于富硒標(biāo)準(zhǔn)。甘薯品種中硒含量最低的為福寧紫3號(hào)，含量最高的品種為龍薯15，龍薯15的硒含量是福寧紫3號(hào)的2.90倍，說(shuō)明合理進(jìn)行甘薯品種的選育有利于提高甘薯的硒含量。

表1 土壤和甘薯中硒含量的描述性統(tǒng)計(jì)

表2 不同品種甘薯中硒含量及其富集特征

不同品種甘薯硒富集能力存在差異，各品種甘薯的遷移系數(shù)在0.00106~0.02793之間，平均遷移系數(shù)為0.00824。不同品種甘薯對(duì)硒的遷移系數(shù)由高到低依次為：龍薯15＞金山630＞金山57＞福寧紫3號(hào)。在4個(gè)甘薯品種中，龍薯15和金山630對(duì)硒富集能力較強(qiáng)，而金山57和福寧紫3號(hào)對(duì)硒富集能力較弱。不同品種甘薯對(duì)硒富集能力的差異可能與其自身的遺傳特性有關(guān)。

2.3 甘薯中重金屬的富集特征及風(fēng)險(xiǎn)

研究區(qū)域土壤和甘薯中的重金屬含量如表3所示。由于甘薯中汞含量極低，大部分樣品結(jié)果為未檢出，因此，未對(duì)甘薯中的汞元素進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。由表3可知，甘薯中鎘的平均含量為0.016 mg/kg，不同品種甘薯中鎘含量由高到低依次為：福寧紫3號(hào)＞金山57＞金山630＞龍薯15；甘薯中鉛的平均含量為0.113 mg/kg，不同品種甘薯中鉛含量由高到低依次為：福寧紫3號(hào)＞金山57＞金山630＞龍薯15；甘薯中鉻的平均含量為0.029 mg/kg，不同品種甘薯中鉻含量由高到低依次為：福寧紫3號(hào)＞龍薯15＞金山630＞金山57；甘薯中砷的平均含量為0.017 mg/kg，不同品種甘薯中砷含量由高到低依次為：龍薯15＞金山630＞金山57＞福寧紫3號(hào)。

表3 土壤和甘薯中重金屬含量及其富集特征

甘薯對(duì)不同重元素的富集能力差別很大，對(duì)4種重金屬的平均富集能力表現(xiàn)為：鎘＞砷＞鉛＞鉻。但是限于土壤中鎘的本底值較低，甘薯中鎘的濃度并未達(dá)到污染水平。此外，研究中15%的甘薯超過(guò)了《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中污染物限量》（GB 2762—2017）中鉛的限定值，且77.78%的超標(biāo)甘薯樣品為福寧紫3號(hào)，因此在農(nóng)作物生產(chǎn)中要同時(shí)注意對(duì)鉛污染的預(yù)防和對(duì)低富集農(nóng)作物品種的選育，降低農(nóng)作物的重金屬風(fēng)險(xiǎn)。本研究中，4個(gè)甘薯品種僅龍薯15不存在重金屬污染，且龍薯15的富硒能力優(yōu)于其他3個(gè)甘薯品種。

2.4 甘薯硒累積的影響因素

2.4.1 土壤理化性質(zhì)及土壤全硒含量對(duì)甘薯硒累積的影響 由圖1可知，甘薯硒含量與土壤全硒含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（r=0.4709），甘薯硒含量與土壤pH值、土壤有機(jī)質(zhì)含量均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，而甘薯硒含量與土壤全氮、全硫和游離氧化鐵含量的相關(guān)性不顯著。由此可見(jiàn)，土壤中的硒含量是甘薯硒富集的主要來(lái)源，土壤pH值和土壤有機(jī)質(zhì)含量對(duì)甘薯的富硒能力具有顯著的影響。

圖1 甘薯硒含量與土壤性質(zhì)、土壤全硒含量之間的相關(guān)性

2.4.2 甘薯硒含量與其吸收重金屬之間的相關(guān)性 由圖2可知，甘薯硒含量和甘薯鉛、砷含量分別呈極顯著負(fù)相關(guān)和極顯著正相關(guān)，而甘薯硒含量與甘薯鎘、鉻含量之間的相關(guān)性不顯著。這說(shuō)明甘薯對(duì)硒和鉛的吸收表現(xiàn)為拮抗作用，而甘薯對(duì)硒和砷的吸收表現(xiàn)為協(xié)同關(guān)系。本研究甘薯中的汞含量過(guò)低，故未列入分析。

圖2 甘薯硒含量與重金屬含量的相關(guān)性

3 討論

本研究流域內(nèi)甘薯硒的平均含量為1.68 μg/kg，甘薯的硒含量受到各方面因素的影響。首先，不同品種甘薯對(duì)硒的富集能力不同。本研究中龍薯15和金山630塊莖中硒含量相對(duì)較高，且對(duì)硒的富集能力顯著大于福寧紫3號(hào)和金山57。廖青等［21］對(duì)自然狀態(tài)下10個(gè)甘薯品種進(jìn)行富硒研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同甘薯品種的硒含量存在顯著差異，硒含量最高的品種為桂粉2號(hào)，其含量為福薯604的4倍。另外，錢(qián)秋平等［22-23］的研究結(jié)論與本研究的研究結(jié)果基本一致。

土壤硒含量直接影響甘薯硒的來(lái)源，本研究中甘薯硒含量與土壤全硒含量呈顯著正相關(guān)。這與前人的研究結(jié)果相似，富硒農(nóng)作物產(chǎn)生的秸稈硒含量也較高，將這一部分秸稈進(jìn)行還田，不僅可以減少化肥的使用量，還可以為土壤提供安全的外源硒［24］。李圣男等［25］通過(guò)向土壤添加富硒的奶牛糞便和富硒秸稈進(jìn)行玉米富硒生產(chǎn)，取得了良好的效果，且玉米硒含量與添加的富硒有機(jī)肥的量呈正相關(guān)關(guān)系。此外，甘薯的硒含量也受土壤理化性質(zhì)的影響。本研究中甘薯硒含量與土壤pH值呈極顯著正相關(guān)。前人研究表明，酸性和中性土壤中的硒主要以亞硒酸鹽形式存在，當(dāng)土壤環(huán)境變化為堿性時(shí)，土壤中的亞硒酸鹽也轉(zhuǎn)化為硒酸鹽，而土壤對(duì)亞硒酸鹽的吸附能力強(qiáng)于硒酸鹽［26］，隨著土壤pH值的升高，土壤中被固定的硒重新釋放出來(lái)，同時(shí)一些結(jié)合態(tài)的硒也出現(xiàn)活化的現(xiàn)象［27］，從而提高了土壤有效態(tài)的硒含量。本研究中甘薯硒含量與土壤有機(jī)質(zhì)含量呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)關(guān)系。前人的研究表明，硒、有機(jī)質(zhì)和礦物質(zhì)（如鐵鋁氧化物）可以相互作用形成三元復(fù)合物［28］，增加土壤對(duì)硒的固定。另外，有機(jī)質(zhì)的團(tuán)聚作用有助于土壤產(chǎn)生缺氧區(qū)域，有助于降低硒的遷移性，從而將硒固定在土壤中［29］。

本研究發(fā)現(xiàn)甘薯硒含量與甘薯鉛含量呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。可見(jiàn)，農(nóng)作物吸收硒和鉛的過(guò)程中，硒與鉛表現(xiàn)為拮抗行為，土壤中的硒可以緩解農(nóng)作物鉛毒害。多項(xiàng)研究表明，土壤中一定含量的硒可以顯著降低鉛脅迫下農(nóng)作物中超氧化物歧化酶（SOD）、過(guò)氧化物酶（POD）和過(guò)氧化氫酶（CAT）的活性，并可降低成熟期農(nóng)作物各器官中的鉛含量［30-31］。秦成等［31］研究表明，土壤中一定濃度的硒（1.0~2.5 mg/kg）可以降低鉛污染對(duì)蕎麥的毒害水平。劉燕等［32］對(duì)油菜進(jìn)行種子萌發(fā)實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，低濃度硒可通過(guò)減輕鉛對(duì)油菜葉綠素的脅迫作用從而降低鉛毒害的影響［32］。此外，甘薯硒含量與塊莖砷含量呈顯著正相關(guān)。研究表明農(nóng)作物在受到砷脅迫時(shí)會(huì)影響植物的磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的表達(dá)［33］，而磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白為植物吸收四價(jià)硒的重要途徑［34-35］。

綜上，該研究流域甘薯硒含量受甘薯品種、土壤硒含量、土壤pH值和土壤有機(jī)質(zhì)含量的共同影響，且甘薯吸收硒的過(guò)程分別與吸收鉛、砷的過(guò)程存在拮抗、協(xié)同作用。

4 結(jié)論

研究流域種植甘薯的土壤硒含量平均值為0.21 mg/kg，供試的4種甘薯莖塊硒含量的平均值依次為：龍薯15＞金山630＞金山57＞福寧紫3號(hào)。甘薯對(duì)重金屬的平均富集能力表現(xiàn)為：鎘＞砷＞鉛＞鉻，供試的4個(gè)甘薯品種中僅龍薯15不存在重金屬污染，且龍薯15的富硒能力優(yōu)于其他3個(gè)甘薯品種。甘薯硒含量與土壤全硒含量、pH值和有機(jī)質(zhì)含量均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，而與甘薯鉛、砷含量分別呈極顯著負(fù)相關(guān)和顯著正相關(guān)關(guān)系。