堿性富硒土壤區(qū)大蒜營(yíng)養(yǎng)元素積累規(guī)律研究

代 璐，張亞峰，馬 強(qiáng)，王 帥，賀連珍，秦永強(qiáng)

（1.青海省第五地質(zhì)勘查院，西寧 810099；2.海東市平安區(qū)高原富硒現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范園區(qū)管理委員會(huì)，青海海東 810600）

大蒜（Allium sativumL.）為百合科蔥屬植物的鱗莖，飲食調(diào)味品，屬藥食兩用植物。其本身含有100余種含硫揮發(fā)物、硫化亞磺酸酯類(lèi)、氨基酸、肽類(lèi)、苷類(lèi)及酶類(lèi)等藥用和保健成分，蒜氨素作為含硫化合物發(fā)揮消炎抗菌、預(yù)防癌癥和心血管疾病等功能［1，2］；富含的Cu、Zn-超氧化物歧化酶（SOD）發(fā)揮清除超氧自由基，抗輻射、抗腫瘤及延緩機(jī)體衰老等功能；富含的維生素發(fā)揮調(diào)節(jié)代謝等功能［3］。另外有研究表明，大蒜還具有較強(qiáng)的聚Se 能力［4］，且大蒜是蔬菜中富Se 能力最強(qiáng)的作物［5］，這些有益成分亦能進(jìn)一步增強(qiáng)大蒜的抗癌能力。因此，研究大蒜的營(yíng)養(yǎng)元素積累特征，掌握土壤-大蒜系統(tǒng)中硒等營(yíng)養(yǎng)元素的轉(zhuǎn)化規(guī)律，對(duì)挖掘大蒜的保健功能具有重要意義。

以往關(guān)于大蒜的營(yíng)養(yǎng)成分分析多集中在其生物活性成分上［4，5］，針對(duì)痕量和微量元素的研究不多，尤其在天然富硒土地環(huán)境背景下，多元素疊加的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值方面的研究甚少。青藏高原東部屬中國(guó)大蒜主產(chǎn)區(qū)，尤其樂(lè)都紫皮大蒜作為地理標(biāo)志產(chǎn)品享有較高的知名度。大蒜主產(chǎn)地平安、樂(lè)都一帶是西北堿性富硒土壤的典型區(qū)，具有總Se 含量穩(wěn)定、有效Se 含量高、重金屬含量低等優(yōu)勢(shì)［6-8］。本試驗(yàn)以青藏高原東部堿性土壤區(qū)大蒜為研究對(duì)象，開(kāi)展大蒜和根系土Se 及其他有益元素的協(xié)同監(jiān)測(cè)，評(píng)價(jià)其富Se水平和綜合營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)，以期深入挖掘堿性土壤區(qū)天然富硒大蒜的價(jià)值潛力，為高效培育天然富硒大蒜并提升其經(jīng)濟(jì)價(jià)值提供技術(shù)數(shù)據(jù)，也為優(yōu)化食物補(bǔ)硒途徑及科學(xué)開(kāi)發(fā)堿性天然富硒土地提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域地處青藏高原北緣湟水谷地，是全國(guó)大蒜主產(chǎn)區(qū)和西北天然富硒區(qū)，屬高原大陸性氣候，平均海拔為2 300～3 000 m，年均氣溫為5～6 ℃，年均降水量為350～500 mm。主栽品種樂(lè)都紫皮大蒜是青海省優(yōu)良地方品種，種植在河谷地帶，總面積有3 000 余公頃，每年3 月春播6 月收獲，生育期100 余天，鱗片2層，鱗芽4～6瓣，平均產(chǎn)量為25 500 kg/hm2。富硒土壤延湟水河展布在兩岸沖洪積階地，土壤Se來(lái)源于咸水湖相沉積的新生界西寧組紅色泥巖，其含量在167～654 μg/kg，土壤pH 中位數(shù)為8.5，呈堿性。土壤類(lèi)型主要為栗鈣土和灰鈣土。

1.2 樣品采集與測(cè)定

樣品按照《土地質(zhì)量地球化學(xué)評(píng)價(jià)規(guī)范》（DZ/T 0295—2016）要求采集，在樂(lè)都、平安兩區(qū)富硒區(qū)和低硒區(qū)分別采集大蒜和根系土樣本。采取主點(diǎn)與副點(diǎn)組合的方法，即在預(yù)采集樣點(diǎn)位置選擇1 個(gè)主點(diǎn)，在同一地塊內(nèi)選擇3～4 個(gè)副點(diǎn)共同采樣，主副點(diǎn)樣本混合確定為1 件樣品。根系土為被采集大蒜樣本的根際土壤，同樣為主副點(diǎn)混合，用四分法留取約500 g 風(fēng)干。研究共采集大蒜樣本31 份，根系土31份。采樣位置見(jiàn)圖1。

圖1 采樣位置示意

土壤樣過(guò)0.85 mm 尼龍篩，取篩下物100 g 放置于小于60 ℃的恒溫干燥箱內(nèi)烘干。稱(chēng)取100 g 烘干樣用瑪瑙球磨機(jī)研磨至0.074 mm，分取0.5 g 在750 ℃下艾斯卡半熔，取提取液加熱酸化、KBH4還原，采用原子熒光法測(cè)定Se 含量；采用催化比色法測(cè)定I 含量；分取5 g 在35 t 壓力下壓成樣片，采用X射線(xiàn)熒光光譜法測(cè)定Cu、Zn、Fe、Mg、Mn、Cr、Sr 的含量。大蒜先經(jīng)清水淘洗，后用去離子水淘洗，室溫晾干經(jīng)專(zhuān)用機(jī)具加工至約0.42 mm 粒度，置于小于60 ℃的恒溫箱內(nèi)烘干。稱(chēng)取0.5 g 加入濃HNO3、H2O2消解，加HCIO4溶解樣品至冒煙、定容，采用原子熒光法測(cè)定Se 含量；稱(chēng)取2 g 干樣加濃HNO3、H2O2消解，采用等離子體質(zhì)譜法測(cè)定Cr、Cu、I 的含量，等離子體光譜法測(cè)定Fe、Mn、Zn、Sr、Mg 的含量。各指標(biāo)測(cè)試的原始報(bào)出率為100%，原始一次性合格率為100%，5%樣本的重復(fù)性檢驗(yàn)原始一次性合格率為100%。經(jīng)評(píng)價(jià)，數(shù)據(jù)質(zhì)量滿(mǎn)足分析評(píng)價(jià)要求。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行常規(guī)統(tǒng)計(jì)分析，采用SPSS軟件進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)、方差檢驗(yàn)和相關(guān)性分析。

生物富集系數(shù)可表示大蒜對(duì)各元素的富集、積累和吸收能力與程度的定量關(guān)系，可反映大蒜從土壤中吸收特定元素的能力［9］，計(jì)算式見(jiàn)式（1）。

式中，BCFi為作物i元素的富集系數(shù)；Ci-Garlic指作物i元素的含量；Ci-Soil為作物所對(duì)應(yīng)根系土i元素的含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 大蒜營(yíng)養(yǎng)元素富集特征

大蒜及根系土營(yíng)養(yǎng)元素含量統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1。大蒜Se含量處于29.9～120.0 μg/kg，均值為43.6 μg/kg。根系土Se含量處于167～654 μg/kg，均值為344 μg/kg。大蒜Se 的富集系數(shù)為8.0%～27.5%，均值為12.7%。對(duì)照富硒大蒜行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（NY/T 3115—2017）［10］，Se 在30～300 μg/kg被認(rèn)定為富硒大蒜，研究區(qū)96.8%的大蒜處于富硒范疇。在土壤Se≥230 μg/kg 地塊中的大蒜Se 處于30.6～120.0 μg/kg，100%達(dá)到富硒水平。這一點(diǎn)也印證了堿性富硒土壤有效Se含量高的事實(shí)，即在土壤總Se 含量低于譚見(jiàn)安［11］推薦的富硒土壤（400 μg/kg）限定值的情況下，大蒜也能100%富硒。

表1 大蒜及根系土營(yíng)養(yǎng)元素含量參數(shù)

大蒜Cu 含量處于1.64～2.51 mg/kg，均值為2.10 mg/kg；根系土Cu 含量處于22.1～36.9 mg/kg，均值為28.6 mg/kg；大蒜Cu 的富集系數(shù)為4.6%～10.0%，均值為7.3%。大蒜Zn 含量處于5.77～9.12 mg/kg，均值為7.56 mg/kg；根系土Zn含量處于66.0～140.8 mg/kg，均值為86.2 mg/kg；大蒜Zn 的富集系數(shù)為5.3%～12.6%，均值為8.8%。大蒜Fe 含量處于0.012～0.025g/kg，均值為0.017 g/kg；根系土Fe 含量處于28.2～36.3 g/kg，均值為32.8 g/kg；大蒜Fe 的富集系數(shù)為0.04%～0.08%，均值為0.05%。大蒜Mg 含量處于0.20～0.30 g/kg，均值為0.27 g/kg；根系土Mg 含量處于15.4～20.1 g/kg，均值為17.7 g/kg；大蒜Mg 的富集系數(shù)為1.0%～2.0%，均值為1.5%。大蒜Mn 含量處于2.65～3.79 mg/kg，均值為3.33 mg/kg；根系土Mn 含量處于582～734 mg/kg，均值為666 mg/kg；大蒜Mn的富集系數(shù)為0.4%～0.6%，均值為0.5%。大蒜I 含量處于0.030～0.050 mg/kg，均值為0.035 mg/kg；根系土I 含量處于1.86～4.61 mg/kg，均值為3.02 mg/kg；大蒜I 的富集系數(shù)為0.7%～1.9%，均值為1.2%。大蒜Sr 含量處于1.2～5.1 mg/kg，均值為2.6 mg/kg；根系土Sr 含量處于235～362 mg/kg，均值為272 mg/kg；大蒜Sr 的富集系數(shù)為0.5%～2.0%，均值為1.0%。大蒜Cr含量處于0.05～0.07 mg/kg，均值為0.06 mg/kg；根系土Cr含量處于72.3～109.5 mg/kg，均值為87.0 mg/kg；大蒜Cr的富集系數(shù)為0.06%～0.08%，均值為0.07%。

就大蒜對(duì)各營(yíng)養(yǎng)元素的富集程度而言，大致呈Se＞Zn＞Cu＞Mg＞I＞Sr＞Mn＞Cr＞Fe 的趨勢(shì)。為區(qū)分表征各元素的富集強(qiáng)弱，更好揭示大蒜的特定營(yíng)養(yǎng)功能，將富集系數(shù)按照5%和1%的界限值劃分為3 個(gè)數(shù)字區(qū)間，代表大蒜對(duì)各元素的富集能力分別為強(qiáng)、中、弱。以此判定，大蒜對(duì)Se、Zn、Cu 為強(qiáng)富集，對(duì)Mg、I、Sr為中度富集，對(duì)Mn、Fe、Cr為弱富集。因此，可認(rèn)為大蒜在富集和發(fā)揮Se、Zn、Cu 的健康功效方面具有物種優(yōu)勢(shì)，在富集和發(fā)揮Mn、Fe、Cr的健康功效方面不具潛力。

2.2 大蒜各營(yíng)養(yǎng)元素富集系數(shù)的相關(guān)性分析

元素經(jīng)土壤向農(nóng)產(chǎn)品、農(nóng)產(chǎn)品向人和動(dòng)物體轉(zhuǎn)化的過(guò)程中，從量和形態(tài)上是互相制約和影響的［12］。研究區(qū)屬中國(guó)西北典型的堿性土壤，擁有干旱咸水湖沉積型富硒土壤資源，具有有效硒含量高、重金屬含量低的特征，具備開(kāi)發(fā)利用的綜合優(yōu)勢(shì)。因Se 會(huì)與其他元素發(fā)生協(xié)同或拮抗作用，導(dǎo)致可強(qiáng)化或削弱農(nóng)產(chǎn)品的綜合營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)。故研究大蒜-土壤系統(tǒng)Se 與其他元素間的影響關(guān)系，以期為富硒大蒜高品質(zhì)開(kāi)發(fā)提供依據(jù)。

從表2 可以看出，大蒜Se 富集系數(shù)與Cu、Zn、Cr的富集系數(shù)在P＜0.01 水平上顯著正相關(guān)；大蒜Cu富集系數(shù)與Zn、Cr、Mn、Fe、I 的富集系數(shù)在P＜0.01水平上顯著正相關(guān)；大蒜Zn 富集系數(shù)與Cr、Sr、Mn、Fe、I 的富集系數(shù)在P＜0.01 水平上顯著正相關(guān)；大蒜Cr 富集系數(shù)與Mn、Fe、I 的富集系數(shù)在P＜0.01 水平上顯著正相關(guān)；Sr 富集系數(shù)與Mn 富集系數(shù)在P＜0.01 水平上顯著正相關(guān)；Mg 富集系數(shù)與Mn、Fe 的富集系數(shù)在P＜0.01 水平上顯著正相關(guān)；Mn 富集系數(shù)與Fe、I 的富集系數(shù)在P＜0.01 水平上顯著正相關(guān)；Fe富集系數(shù)與I 富集系數(shù)在P＜0.01 水平上顯著正相關(guān)。以此揭示，研究區(qū)大蒜在富集Se 的同時(shí)，還具有強(qiáng)聚集Cu、Zn、Cr 等元素的能力。已有研究表明，Cu 具有促進(jìn)人體血液神經(jīng)和免疫系統(tǒng)功能發(fā)揮的功能，Zn 具有參與體內(nèi)多種生長(zhǎng)調(diào)節(jié)因子合成并激發(fā)代謝的功能，Cr 具有增加體內(nèi)胰島素的敏感活力并影響糖、脂肪和蛋白質(zhì)代謝的功能；同時(shí)，Cu、Zn、Cr 由土壤中的無(wú)機(jī)形態(tài)經(jīng)農(nóng)作物吸收轉(zhuǎn)化成農(nóng)產(chǎn)品中的有機(jī)形態(tài)，其本身的毒性成分在降低［13］，且研究區(qū)土壤和農(nóng)產(chǎn)品Cu、Zn、Cr 等均在安全限值內(nèi)。綜上所述認(rèn)為，研究區(qū)大蒜有疊加Se、Cu、Zn、Cr 等營(yíng)養(yǎng)元素的潛能，能提升大蒜的綜合健康功效。

表2 大蒜各元素富集系數(shù)的相關(guān)系數(shù)

2.3 大蒜營(yíng)養(yǎng)元素品質(zhì)分析

基于人體通過(guò)飲食對(duì)營(yíng)養(yǎng)成分安全攝入量的建議，《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)預(yù)包裝食品營(yíng)養(yǎng)標(biāo)簽通則》（GB 28050—2011）［14］規(guī)定了各營(yíng)養(yǎng)素參考值。為進(jìn)一步量化表達(dá)大蒜各營(yíng)養(yǎng)素的含量水平，以國(guó)標(biāo)參考值為基準(zhǔn)，計(jì)算了大蒜各營(yíng)養(yǎng)元素水平（表3）。預(yù)包裝食品營(yíng)養(yǎng)標(biāo)簽通則規(guī)定Se 營(yíng)養(yǎng)素參考值為0.5 mg/kg，判定研究區(qū)大蒜Se 營(yíng)養(yǎng)素水平為參考值的8.8%；Cu 營(yíng)養(yǎng)素參考值為15 mg/kg，判定大蒜Cu營(yíng)養(yǎng)素水平為參考值的14.0%；Zn 營(yíng)養(yǎng)素參考值為150 mg/kg，判定大蒜Zn 營(yíng)養(yǎng)素水平為參考值的5.0%；Fe 營(yíng)養(yǎng)素參考值為150 mg/kg，判定大蒜Fe 營(yíng)養(yǎng)素水平為參考值的11.3%；Mg 營(yíng)養(yǎng)素參考值為3 000 mg/kg，判定大蒜Mg 營(yíng)養(yǎng)素水平為參考值的9.0%；Mn 營(yíng)養(yǎng)素參考值為30 mg/kg，判定大蒜Mn 營(yíng)養(yǎng)素水平為參考值的11.1%；I 營(yíng)養(yǎng)素參考值為1.5mg/kg，判定大蒜I營(yíng)養(yǎng)素水平為參考值的2.3%。

表3 大蒜各營(yíng)養(yǎng)元素

綜上分析，研究區(qū)大蒜所含營(yíng)養(yǎng)素與NRV 的比值從高到低依次為Cu、Fe、Mn、Mg、Se、Zn、I，這說(shuō)明人群在食用研究區(qū)大蒜后，Cu、Fe、Mn 等元素的貢獻(xiàn)率最大，Se處于中等；Zn 和I的貢獻(xiàn)率最低。

3 小結(jié)

通過(guò)對(duì)青藏高原東部樂(lè)都—平安一帶富硒土壤區(qū)產(chǎn)出的大蒜營(yíng)養(yǎng)元素特征監(jiān)測(cè)分析，選用特征參數(shù)、富集系數(shù)和營(yíng)養(yǎng)素水平開(kāi)展品質(zhì)評(píng)價(jià)，得出以下結(jié)果，以此揭示研究區(qū)大蒜的綜合營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)。

1）大蒜Se 平均含量為43.6 μg/kg，Cu 平均含量為2.10 mg/kg，Zn 平均含量為7.56 mg/kg，F(xiàn)e 平均含量為0.017 g/kg，Mg 平均含量為0.27 g/kg，Mn 平均含量為3.33 mg/k，I 平均含量為0.035 mg/kg，Sr 平均含量為2.6 mg/kg，Cr 平均含量為0.06 mg/kg。青海省富硒土壤（土壤Se≥230 μg/kg）區(qū)上產(chǎn)出的大蒜100%達(dá)到富硒水平（大蒜Se≥30 μg/kg）。

2）基于土壤-大蒜系統(tǒng)中元素的遷移能力分析認(rèn)為，大蒜對(duì)Se、Zn、Cu 的轉(zhuǎn)運(yùn)富集能力最強(qiáng)，其次為Mg、I、Sr，Mn、Fe、Cr 富集能力最弱。同時(shí)揭示，大蒜具有協(xié)同富集Se、Cu、Zn、Cr 等營(yíng)養(yǎng)元素的能力。這一特征揭示了大蒜對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素的富集水平，反映了其物種的特性。

3）基于研究區(qū)土壤背景水平和食品營(yíng)養(yǎng)素參考值厘定標(biāo)準(zhǔn)分析認(rèn)為，人群食用研究區(qū)產(chǎn)出的大蒜后，Cu、Fe、Mn 等營(yíng)養(yǎng)元素的貢獻(xiàn)率最大，Se 次之，Zn 和I 最低。這一特征揭示了研究區(qū)特定土壤背景下大蒜的營(yíng)養(yǎng)水平，反映了其產(chǎn)地特性。