富硒土壤生物有效性及其影響因素研究

王 敏 徐生發(fā)

（安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局332地質(zhì)隊，安徽 黃山 245000）

元素硒（Se）是人體必需的微量元素之一[1]，研究表明，日常生活中攝入適量濃度的硒可提高機體免疫力，人體攝入的硒主要來源于食物并最終來源于土壤[2]。環(huán)境地質(zhì)學(xué)中硒屬于分散元素，其在大陸地殼中含量較低，且分布不均勻[3]。土壤有效態(tài)硒含量不僅受土壤中硒總量的影響，還與土壤理化性質(zhì)、土壤組分含量及環(huán)境因素有關(guān)，而土壤有效態(tài)硒含量又與富硒土壤的生物有效性密切相關(guān)[4]。

本文以土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查與富硒資源評價項目分析測試數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析研究區(qū)內(nèi)土壤有效態(tài)硒的含量及其影響因素，以及不同農(nóng)作物的富硒情況，為皖南地區(qū)富硒產(chǎn)業(yè)的開發(fā)提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于皖南東南部，發(fā)育有不同類型的地形地貌，北部屬中—低山區(qū)，中部縣城區(qū)域?qū)俸庸绕皆瓍^(qū)，南部屬高—低丘陵區(qū)，屬溫濕季風(fēng)氣候區(qū)，氣候溫暖，降水充足。土地利用類型以林地為主（79.3%），其次為耕地（9.5%）及園地（5.0%），大宗農(nóng)作物主要為水稻、油菜，特色作物有茶葉、竹筍等。

研究區(qū)地層巖性較復(fù)雜：中部區(qū)域出露的地層主要為新元古界—青白口系溪口群的牛屋巖組、鄧家組和鋪嶺組等，巖石變形變質(zhì)較弱，原生組構(gòu)保存完好，層序清晰，是調(diào)查區(qū)基底巖石地層；北部區(qū)域為寒武系炭硅質(zhì)板巖、奧陶系泥質(zhì)灰?guī)r和志留系砂巖等；南部地區(qū)小面積出露白堊系徽州組砂巖。區(qū)內(nèi)巖漿活動以侏羅紀(jì)中酸性侵入巖為主，分布在縣城周邊區(qū)域。

1.2 試驗方法

1.2.1 表層土壤樣品采集根據(jù)研究區(qū)自然地理、生態(tài)環(huán)境和農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)等狀況，于2016年12月至2019年12月，采集研究區(qū)內(nèi)表層土壤樣品3754件，平均采樣密度為4.52件/km2。

1.2.2 農(nóng)作物樣品及根系土采集根據(jù)《土地質(zhì)量地球化學(xué)評價規(guī)范》（DZ/T 0295—2016）中的技術(shù)要求，在豐收期采集研究區(qū)內(nèi)水稻、油菜和茶葉等主要農(nóng)作物及根系土樣品，農(nóng)作物均采集可食用部分。研究區(qū)內(nèi)共采集水稻30 件、油菜30 件、竹筍4 件和茶葉17件，水稻根系土30件、油菜根系土25件以及茶葉根系土17件。

1.3 測定項目及方法

樣品分析測試均由自然資源部合肥礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測中心完成，檢測方法、檢出限值等見表1。土壤硒、pH值、有機質(zhì)、農(nóng)作物硒和有效態(tài)硒等分析項目重復(fù)性檢驗合格率均為100%；土壤硒、有機質(zhì)外部標(biāo)準(zhǔn)控制樣合格率分別為99.5%、97.3%；抽取11 件有效態(tài)硒樣品委托浙江省地質(zhì)礦產(chǎn)研究所進行有效態(tài)硒外檢分析，合格率為100%；抽取7 件農(nóng)作物樣品委托自然資源部南京礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測中心進行農(nóng)作物硒含量外檢分析，合格率為100%。

表1 樣品分析參數(shù)

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2016和Geochem Studio 3.0軟件進行數(shù)據(jù)整理，利用SPSS 17.0軟件進行相關(guān)性分析，采用Geochem Studio 3.0 及Mapgis 6.7 軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤中硒及有效態(tài)硒含量

2.1.1 土壤硒含量特征分析研究區(qū)內(nèi)3754 件表層土壤樣品中硒含量的參數(shù)特征得出：研究區(qū)表層土壤硒平均含量為0.52 mg/kg，含量范圍在0.06～18.84 mg/kg，變異系數(shù)為1.63[5]；從地質(zhì)背景分析，寒武系炭硅質(zhì)板巖和奧陶系泥質(zhì)灰?guī)r等屬于硒元素高背景地層，且風(fēng)化后土壤中的炭質(zhì)成分對元素有吸附作用，因此，寒武紀(jì)、奧陶紀(jì)等地層巖石風(fēng)化形成的土壤硒元素相對富集；侏羅紀(jì)花崗閃長巖、白堊系砂巖屬于硒元素低背景地層，加之花崗閃長巖、砂巖風(fēng)化形成的土壤土質(zhì)疏松，有機質(zhì)含量較低，土壤中元素易發(fā)生淋溶，造成硒元素含量進一步降低。

2.1.2 土壤有效態(tài)硒含量根據(jù)研究區(qū)內(nèi)不同的成土母質(zhì)及土壤類型，抽取169件表層土壤樣品，分析其有效態(tài)硒含量。統(tǒng)計結(jié)果表明，研究區(qū)土壤有效態(tài)硒平均含量為0.018 mg/kg，含量范圍在0.006～0.071 mg/kg，有效態(tài)硒占土壤總硒的比例為1.69%～11.49%；對比我國16種典型農(nóng)田土壤硒含量，有效態(tài)硒占土壤硒總量的比例為0.4%～14.6%[6]，可見研究區(qū)內(nèi)土壤中有效態(tài)硒的活性較強，有利于植物吸收。

2.2 土壤有效態(tài)硒含量的影響因素

土壤是個復(fù)雜的多相態(tài)的共存體，在土壤類型、地貌類型和土地利用類型等因素的影響下，土壤的酸堿反應(yīng)、有機質(zhì)含量及元素全量變化幅度較大，從而對土壤元素有效量產(chǎn)生較大影響[7]。

2.2.1 土壤硒總量植物能否達到富硒產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)與土壤中有效態(tài)硒含量息息相關(guān)，而土壤有效態(tài)硒含量與土壤硒總量密切相關(guān)，有效態(tài)硒/土壤硒總量比值可間接反映硒元素的生物有效性。王銳等[8]研究表明，當(dāng)硒總量＜5 mg/kg時，水溶態(tài)硒占比與硒總量呈反比例關(guān)系；當(dāng)硒總量＞5 mg/kg時，水溶態(tài)硒占比趨于穩(wěn)定。研究區(qū)169件表層土壤樣品的有效態(tài)硒與硒總量的相關(guān)性見圖1。由圖1可知，土壤有效態(tài)硒與土壤硒總量呈較好的正相關(guān)，r=0.58（P＜0.01，n=169，y=0.034x+0.005）；有效態(tài)硒/土壤硒總量比值與土壤硒總量呈中度負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)r=0.34（P＜0.01，n=169，y=6.56e-0.852x），當(dāng)土壤硒總量在0.2～0.4 mg/kg時，土壤有效態(tài)硒占比相對較高。

圖1 土壤有效態(tài)硒含量與土壤硒總量的相關(guān)性

2.2.2 pH 值土壤pH 是反映土壤酸堿度的指標(biāo)，它可以影響土壤中硒的形態(tài)和價態(tài)，進而影響硒元素的生物有效性[9]。有效態(tài)硒含量與pH 值的相關(guān)性見圖2。由圖2 可得，土壤有效態(tài)硒與pH 值呈弱負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)r=0.30（P＜0.01，n=169，y=-0.003x+0.036），即有效態(tài)硒含量隨pH 值升高而降低；有效態(tài)硒/土壤硒總量比值與pH值呈負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)r=0.32（P＜0.01，n=169，y=10.70e-0.14x），有效態(tài)硒占比隨著pH 值升高而降低。這可能是因為研究區(qū)屬多雨地區(qū)，堿性土壤條件下無機硒易被氧化為遷移能力較強的硒酸鹽，被農(nóng)作物吸收利用及發(fā)生淋濾流失而造成土壤有效硒含量低[10]。

圖2 土壤有效態(tài)硒含量與土壤pH的相關(guān)性

2.2.3 有機質(zhì)土壤有機質(zhì)對土壤中硒的吸附和固定起著重要作用。研究表明，表層土壤中超過80%的硒是與有機質(zhì)相結(jié)合的[3]，通常有機質(zhì)含量越高的土壤對硒的吸附能力越強，有效態(tài)硒的含量也相對較高[11]。

對有效態(tài)硒與有機質(zhì)含量進行相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)土壤有效態(tài)硒與有機質(zhì)含量呈較好的正相關(guān)（圖3），相關(guān)系數(shù)r=0.58（P＜0.01，n=169，y=0.004x+0.005），引起這一現(xiàn)象的原因可能是土壤有機質(zhì)具有一定的活化作用，將非有效態(tài)硒活化為有效態(tài)硒；也可能是因為在土壤微生物生理代謝活動過程中影響硒形態(tài)的轉(zhuǎn)化，分解出一部分有效態(tài)硒[12]。

圖3 土壤有效態(tài)硒含量與土壤有機質(zhì)含量的相關(guān)性

2.3 富硒土壤生態(tài)效應(yīng)

2.3.1 農(nóng)作物中硒含量本研究共采集了水稻30件、油菜30件、茶葉17件及竹筍4件。不同農(nóng)作物硒含量特征及富硒率見表2。由表2可知，14件水稻籽實（精米）達到《富硒稻谷》（GB/T 22499—2008）中的富硒標(biāo)準(zhǔn)（Se≥0.04 mg/kg），富硒率為46.7%，硒含量平均值為0.045 mg/kg，含量范圍在0.016～0.122 mg/kg；有11件油菜籽達到福建省地方標(biāo)準(zhǔn)《富硒農(nóng)產(chǎn)品硒含量分類要求》（DB35/T 1730—2017）中的富硒標(biāo)準(zhǔn)（Se含量0.08～0.30 mg/kg），富硒率為36.7%，硒含量平均值為0.113 mg/kg，含量范圍在0.017～0.472 mg/kg；有3 件竹筍達到江西省地方標(biāo)準(zhǔn)《富硒食品含量分類表》（DB36/T 566—2009）中富硒標(biāo)準(zhǔn)要求（Se 含量0.04～1.00 mg/kg），富硒率為75%，硒含量平均值為0.079 mg/kg，含量范圍在0.030～0.136 mg/kg；有1 件茶葉達到《富硒茶》（NY/T 600—2002）中富硒標(biāo)準(zhǔn)要求（0.25～4.00 mg/kg）。上述富硒農(nóng)作物的發(fā)現(xiàn)，說明研究區(qū)有發(fā)展富硒產(chǎn)業(yè)的潛力。

表2 農(nóng)作物硒含量及富硒率

將根系土的硒含量劃分為3個區(qū)間，分別為＜0.3、0.3～0.4 和＞0.4 mg/kg，統(tǒng)計不同區(qū)間內(nèi)水稻、油菜的富硒率，詳見表3。對比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)土壤硒含量＜0.3 mg/kg 時，水稻、油菜的富硒率及可食用部分的硒含量均較低；當(dāng)土壤硒含量在0.3～0.4 mg/kg時，水稻、油菜的富硒率及可食用部分的硒含量均大幅度升高。由此說明，硒含量＞0.3 mg/kg 的土壤可作為開發(fā)富硒水稻和油菜的潛力區(qū)。

表3 不同硒含量區(qū)間農(nóng)作物的富硒率

2.3.2 農(nóng)作物硒富集能力不同種類農(nóng)作物的富硒能力不同，可采用農(nóng)作物硒富集系數(shù)（農(nóng)作物硒含量/根系土硒含量）作為衡量農(nóng)作物可食部分從根系土中吸收硒元素的能力[13]。水稻、油菜和茶葉作物中硒元素富集系數(shù)見表4。對比作物硒富集系數(shù)可以看出，各農(nóng)作物對硒元素的富集能力表現(xiàn)為油菜＞茶葉＞水稻。油菜和茶葉硒富集系數(shù)的變異系數(shù)較大，表明不同品種的油菜、茶葉對硒元素的吸收能力存在差異。

表4 農(nóng)作物硒元素富集系數(shù)參數(shù)特征

3 結(jié)論與討論

（1）研究區(qū)土壤有效態(tài)硒含量范圍在0.006～0.071 mg/kg，平均值為0.018 mg/kg；有效態(tài)硒占土壤總硒的比例為1.69%～11.49%，說明研究區(qū)域內(nèi)土壤有效態(tài)硒的活性較強，有利于植物吸收。

（2）土壤有效態(tài)硒與土壤硒總量、有機質(zhì)含量的相關(guān)系數(shù)均為r=0.58，均呈現(xiàn)正相關(guān)性；與pH 值的相關(guān)系數(shù)r=0.30，呈現(xiàn)弱負(fù)相關(guān)性，可能是因為皖南山區(qū)多雨季，堿性土壤條件下無機硒易被氧化為遷移能力較強的硒酸鹽，被農(nóng)作物吸收利用及發(fā)生淋濾作用造成土壤中有效硒含量降低。

（3）研究區(qū)內(nèi)富硒農(nóng)作物有水稻（富硒率46.7%）、油菜（富硒率36.7%）、茶葉（富硒率5.9%）和竹筍（富硒率75.0%）；同一地區(qū)不同農(nóng)作物的硒富集能力表現(xiàn)為油菜＞茶葉＞水稻。

（4）皖南地區(qū)開發(fā)富硒農(nóng)作物時，應(yīng)選擇土壤中硒含量＞0.3 mg/kg的地區(qū)，同時通過調(diào)節(jié)土壤pH、有機質(zhì)含量來增加土壤中有效態(tài)硒含量，促進農(nóng)作物吸收。