內(nèi)蒙古河套地區(qū)農(nóng)作物硒元素富集程度影響因素研究

［關(guān)鍵詞］農(nóng)作物；硒元素；富集程度；影響因素

硒是人體必需的重要微量元素，硒元素的缺乏和過(guò)剩都會(huì)對(duì)人體的健康產(chǎn)生不利的影響［1］。它具有抗氧化作用、增強(qiáng)免疫力、防止糖尿病、白內(nèi)障、預(yù)防心腦血管及癌癥等疾病的功效［2］。我國(guó)從2002年開(kāi)始進(jìn)行富硒農(nóng)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，湖北恩施、陜西安康的富硒產(chǎn)業(yè)已經(jīng)走在了國(guó)內(nèi)前列，年產(chǎn)值達(dá)上百億元。

內(nèi)蒙古河套地區(qū)土壤肥沃，是內(nèi)蒙古的主要糧食主產(chǎn)區(qū)，也是我國(guó)優(yōu)質(zhì)小麥、玉米及葵花的生產(chǎn)基地。為了對(duì)河套及通遼地區(qū)富硒土壤的開(kāi)發(fā)和管護(hù)提供決策依據(jù)，2018—2021年內(nèi)蒙古自治區(qū)地質(zhì)調(diào)查研究院在該區(qū)開(kāi)展了“內(nèi)蒙古河套、通遼等糧食主產(chǎn)區(qū)富硒區(qū)耕地農(nóng)產(chǎn)品調(diào)查及動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與研究”，通過(guò)對(duì)研究區(qū)2300件農(nóng)作物的監(jiān)測(cè)與研究發(fā)現(xiàn)，河套地區(qū)葵花、小麥及玉米存在不同程度的富硒現(xiàn)象，葵花和小麥富硒率達(dá)90%以上，玉米富硒率達(dá)60%以上，富集程度存在明顯的差異。

農(nóng)作物吸收硒的影響因素眾多，不同土壤參數(shù)和植物因子影響土壤中硒的生物富集系數(shù)，其富集系數(shù)的大小除了與農(nóng)作物品種有關(guān)，還與土壤的化學(xué)成分（如Fe、Mn、As、F等）、土壤的理化性質(zhì)（土壤有機(jī)質(zhì)含量、pH值等）以及硒的有效態(tài)及形態(tài)等因素有關(guān)。

1. 土壤化學(xué)成分分析研究

為研究土壤化學(xué)成分對(duì)農(nóng)作物中硒元素的影響，采集農(nóng)作物及對(duì)應(yīng)根系土樣品各2300件，葵花樣品1298件、玉米樣品930件、小麥樣品72件，分析測(cè)試了Se、As、Pb、Cu、Zn、Cd、Cr、Hg、F、Ni、Ge、MgO、I、B、Mo、Mn 等16種元素，對(duì)研究區(qū)內(nèi)不同農(nóng)作物硒含量與對(duì)應(yīng)根系土中各化學(xué)成分進(jìn)行了相關(guān)性研究。從表1統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，農(nóng)作物中硒基本只與根系土中硒呈明顯的正相關(guān)關(guān)系，與其他元素相關(guān)性不明顯，表明根系土中硒含量高低直接影響農(nóng)作物中硒的吸收。農(nóng)作物中硒含量與根系土中硒含量的相關(guān)關(guān)系大小為：小麥＞玉米＞葵花，表明小麥和玉米對(duì)硒的富集更依賴土壤中硒的含量。

2. 土壤酸堿度（pH值）

土壤中硒的濃度和形態(tài)在很大程度上依賴土壤中的pH 值。有學(xué)者研究表明，在通氣條件較好的堿性土壤中［3］，硒以硒酸鹽形式存在，這種形式下硒與吸附質(zhì)的親和力較弱，易被溶解，容易被植物吸收利用，生物有效性增強(qiáng)［4］。研究區(qū)內(nèi)土壤pH 均值為8.66，變化范圍為7.45～10.46，屬于堿性土壤，堿性環(huán)境下的土壤硒易被農(nóng)作物吸收。

不同農(nóng)作物對(duì)硒的吸收能力不同，如圖1所示，玉米和小麥籽實(shí)硒的生物富集系數(shù)與對(duì)應(yīng)土壤pH值呈明顯的正相關(guān)，而葵花籽實(shí)硒的生物富集系數(shù)與對(duì)應(yīng)土壤pH沒(méi)有呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)關(guān)系。因此，土壤酸堿度對(duì)硒的生物活性影響不是一成不變的。

3. 有機(jī)質(zhì)

3.1農(nóng)作物硒與土壤有機(jī)質(zhì)相關(guān)性研究

從圖2中可以看出，硒的生物富集系數(shù)與土壤有機(jī)質(zhì)含量呈明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系?？梢?jiàn)土壤有機(jī)質(zhì)對(duì)農(nóng)作物吸收硒有明顯的抑制作用，其抑制效果小麥gt;玉米gt;葵花。這是因?yàn)橛袡C(jī)物與金屬結(jié)合形成的復(fù)合體可以提供重要的硒吸附基團(tuán)，從而使土壤水溶態(tài)硒含量降低，進(jìn)而降低硒的生物富集系數(shù)。這充分說(shuō)明了有機(jī)質(zhì)對(duì)土壤硒的生物活性有重大影響。土壤有機(jī)質(zhì)可以吸附固定土壤硒，也可以形成溶于水的有機(jī)結(jié)合態(tài)硒。因此，有機(jī)質(zhì)既可以固定硒等微量元素，也可作為元素儲(chǔ)庫(kù)源源不斷地提供礦物質(zhì)。

3.2 有機(jī)質(zhì)物質(zhì)成分組成及影響因素研究

3.2.1 有機(jī)質(zhì)物質(zhì)成分組成

有機(jī)質(zhì)主要成分為腐殖質(zhì)，占比達(dá)85%～90%［5］。腐殖質(zhì)對(duì)硒的作用主要是腐殖酸化作用和吸附作用。腐殖質(zhì)在土壤和沉積物中可分為三個(gè)主要部分：腐殖酸又稱胡敏酸（Humicacid，HA）、富啡酸又稱富里酸或黃腐酸（fulvic?acid，F(xiàn)A）及胡敏素（humin，HM）。富啡酸是腐殖酸中易溶于水的部分。

腐殖酸化作用表現(xiàn)為腐殖酸對(duì)金屬陽(yáng)離子的螯合作用或絡(luò)合作用。由于腐殖酸的主要成分為胡敏酸和富啡酸，由此研究腐殖酸化作用的重點(diǎn)是討論胡敏酸和富啡酸形成的螯合物和絡(luò)合物。腐殖酸結(jié)合態(tài)硒可分為胡敏酸結(jié)合態(tài)硒和富啡酸結(jié)合態(tài)硒，胡敏酸為大分子量有機(jī)化合物，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，不易礦化分解（陳銘，1994；彭安，1988），胡敏酸結(jié)合態(tài)硒是不活動(dòng)硒；富啡酸結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，被認(rèn)為是胡敏酸的原始形態(tài)，與富啡酸結(jié)合的硒容易被礦化分解為Se（Ⅳ），Se（Ⅵ）和低分子有機(jī)硒化物（如硒-氨基酸、硒蛋氨酸等），富啡酸結(jié)合態(tài)硒是易活動(dòng)硒。

腐殖質(zhì)對(duì)硒的吸附作用主要是腐殖化過(guò)程中生成的凝膠體表面對(duì)不飽和水溶液中硒的吸附，在酸性條件下，則形成膠體溶液，隨水溶液遷移，被吸附的硒流失。研究區(qū)土壤屬于堿性、強(qiáng)堿性環(huán)境，土壤中絕大多數(shù)硒被有機(jī)質(zhì)吸附。

3.2.2 影響因素研究

為了研究腐殖質(zhì)各種形態(tài)硒對(duì)農(nóng)作物的影響，2021 年對(duì)15件農(nóng)作物根系土進(jìn)行了有機(jī)質(zhì)物質(zhì)成分的測(cè)定，其中后套地區(qū)10件，前套地區(qū)5件。

根據(jù)表2統(tǒng)計(jì)結(jié)果可見(jiàn)，后套地區(qū)根系土中腐殖質(zhì)含量明顯低于前套地區(qū)，但腐殖質(zhì)全碳量基本接近。從腐殖質(zhì)物質(zhì)成分碳總量變化特征來(lái)看，后套地區(qū)根系土壤中胡敏酸碳總量及富啡酸碳總量均值分別為0.00171 mg/kg及0.00259 mg/kg，占比分別為19.57%及29.36%，前套地區(qū)根系土壤中胡敏酸碳總量及富啡酸碳總量均值分別為0.00648 g/kg 及0.00706 g/kg，占比分別為29.14% 及31.75%，表明這兩種形態(tài)的硒后套明顯低于前套，造成后套地區(qū)農(nóng)作物硒的吸收能力大于前套地區(qū)，根據(jù)實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果來(lái)看，后套地區(qū)10 件農(nóng)作物中硒元素平均含量為0.0596 mg/kg，而前套地區(qū)5件農(nóng)作物硒元素平均含量為0.0474 mg/kg，事實(shí)證明土壤有機(jī)質(zhì)含量越高，對(duì)農(nóng)作物硒元素的吸收抑制力越強(qiáng)，根據(jù)所有農(nóng)作物實(shí)際富硒情況，后套地區(qū)農(nóng)作物富硒率明顯高于前套地區(qū)。

4. 土壤形態(tài)及有效態(tài)

土壤中硒元素以水溶態(tài)、離子交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、弱有機(jī)結(jié)合態(tài)、強(qiáng)有機(jī)結(jié)合態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)存在［6］。水溶態(tài)是以硒離子或絡(luò)離子存在于土壤中，可以用水提取出來(lái)。離子交換態(tài)則是被土壤膠體負(fù)電荷吸附，可以被中性鹽在短時(shí)間內(nèi)交換出來(lái)。這兩種形態(tài)對(duì)環(huán)境極其敏感，極易發(fā)生遷移，從而利于植物的吸收。碳酸鹽結(jié)合態(tài)是元素與碳酸鹽礦物質(zhì)結(jié)合形成的沉淀，是一種強(qiáng)堿弱酸鹽，極易受到土壤酸堿度的影響，酸性條件下其結(jié)合的金屬物質(zhì)易被釋放出來(lái)。有機(jī)結(jié)合態(tài)是土壤中的有機(jī)物與金屬元素螯合形成有機(jī)態(tài)結(jié)合物［7］，在氧化條件下易分解。鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)是土壤中的元素鐵錳氧化物的吸引而結(jié)合到一起形成沉淀物，在還原條件下易溶解釋放。殘?jiān)鼞B(tài)一般存在于硅酸鹽以及原生或次生礦物的晶格中，在土壤中形成了穩(wěn)定的沉淀物，只有通過(guò)化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)換可溶物質(zhì)才對(duì)農(nóng)作物產(chǎn)生影響。

土壤有效硒是指土壤硒中能被植物吸收的部分，這部分易于被植物吸收的物質(zhì)與生態(tài)效應(yīng)有更為直接和明顯的聯(lián)系，研究土壤有效量硒和土壤全量硒以及硒的各形態(tài)關(guān)系，對(duì)研究土壤中硒的遷移轉(zhuǎn)換規(guī)律有重要意義。

根據(jù)表4統(tǒng)計(jì)結(jié)果可見(jiàn)，小麥與土壤全量硒、根系土硒、有效硒、水溶態(tài)硒及離子交換態(tài)硒相關(guān)性較好，與水溶態(tài)硒及離子交換態(tài)硒強(qiáng)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到0.98和0.74；玉米與土壤全量硒、根系土硒及離子交換態(tài)硒相關(guān)性非常明顯，相關(guān)系數(shù)均在0.5以上，與碳酸鹽結(jié)合硒具有一定的相關(guān)性；而葵花與土壤中全量硒及有效硒弱相關(guān)，與其他形態(tài)基本沒(méi)有相關(guān)性，但基于葵花吸收能力較強(qiáng)，農(nóng)作物籽實(shí)中同樣可以富硒，事實(shí)也證明了這一點(diǎn)。總之，小麥和玉米籽中的硒含量更依賴土壤環(huán)境中的有效硒，而葵花籽則明顯對(duì)硒有更強(qiáng)的富集作用。這對(duì)我們合理利用富硒資源有指導(dǎo)意義，我們可以在硒含量稍低的地方優(yōu)先種植葵花，從而獲得富硒含量更高的農(nóng)產(chǎn)品。

5. 結(jié)論

（1）在硒元素吸收富集能力上，葵花的富集能力最強(qiáng)，小麥次之，玉米最差。

（2）農(nóng)作物對(duì)硒的吸收受土壤中硒的含量、土壤pH 值、土壤有機(jī)質(zhì)及硒的有效態(tài)形態(tài)控制。農(nóng)作物的富集系數(shù)與土壤中硒的含量、pH值、硒的有效態(tài)、硒的水溶態(tài)及離子交換態(tài)呈明顯正相關(guān)，與土壤有機(jī)質(zhì)呈明顯的負(fù)相關(guān)。