納米硒對谷子生物量和微量元素含量的影響

蘭 敏，尹美強，溫銀元，孫 敏，許佳昕，劉雨衫，張毓宜，石 堯

（山西農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院，山西太谷030801）

硒由瑞典科學家BERZELIUS于1817年發(fā)現(xiàn)，屬于類金屬元素，是植物體內(nèi)的有益元素、動物體內(nèi)的必需元素，已被證實其可以提高人體免疫力、預防癌癥和高血壓等。克山病、糖尿病、心血管疾病、地方性貧血等疾病均與人體缺硒有關(guān)[1-3]。硒元素在植物體有緩解重金屬毒害、增強抗逆性和光合作用、提高作物品質(zhì)和產(chǎn)量等作用[4]。植物硒代謝是硒在自然循環(huán)中的一個環(huán)節(jié)，將自然界中的無機硒轉(zhuǎn)化為有機硒，從而被人體吸收利用。硒對動物抗氧化能力和免疫力的提高已在蛋雞[5]、奶牛[6]和小鼠[7]等的研究中有所報道。硒對作物的產(chǎn)量、光合作用和生理特性的影響已在黑大豆[8]、茶樹[9]和谷子[10]等的研究中有所報道。適宜濃度的硒可以促進小麥的生長，提高其抗氧化能力和抗旱能力，最終提高其產(chǎn)量，而硒濃度過高時反而會抑制小麥生長[11-12]。穆婷婷等[13]研究表明，苗期、抽穗期和灌漿期葉面噴施硒均可以提高谷子的籽粒硒含量、硒收獲指數(shù)以及有機硒轉(zhuǎn)化率，其中，籽粒硒含量的積累效果在谷子噴硒的不同生育時期之間表現(xiàn)為灌漿期＞抽穗期＞苗期。硒還能夠拮抗和緩解砷、汞、鉛、鉻、鎘等元素對植物的毒害作用，以減輕氧化應激、恢復細胞質(zhì)膜、直接抑制重金屬元素的吸收等方式確保植物的正常生長發(fā)育[14]。TU等[15]在鳳尾蕨的研究中發(fā)現(xiàn)，高濃度硒會抑制鳳尾蕨根部和葉片對砷的吸收和轉(zhuǎn)運。在對青菜[16]、水稻[17-18]和茶樹[19]等的研究中得出，亞硒酸鹽能夠顯著抑制鎘在植物中的積累，改善作物品質(zhì)。適宜的硒能有效緩解鎘脅迫，維持細胞正常的生理代謝。黃麗美等[20]研究表明，低濃度的亞硒酸鈉對玉米中的有毒元素的拮抗作用不明顯，且隨著硒濃度的升高，玉米籽粒中的鉛、鎘和汞含量顯著下降。我國72%的地區(qū)屬于缺硒地區(qū)，以華北、東北、西北地區(qū)為主，其農(nóng)作物在自然狀態(tài)下硒含量很低[21]。而且農(nóng)藥殘留、土壤污染等現(xiàn)狀使常見的重金屬污染物毒害植物體，造成作物減產(chǎn)[14，22]。同時，隨著我國居民飲食結(jié)構(gòu)的改善，雜糧作物越來越受到人們的關(guān)注[23]。目前，對于外源硒對農(nóng)作物的研究多集中在小麥、水稻等主要農(nóng)作物中，在谷子中的報道較少。

本試驗以谷子為研究對象，在孕穗期和灌漿期通過葉面噴施不同濃度的納米硒，探究硒對谷子生物量、籽粒硒含量和重金屬元素積累的影響，進一步明確谷子最佳施硒時期和施硒量，為谷子產(chǎn)量和營養(yǎng)價值的提高提供理論依據(jù)，同時對富硒小米的生產(chǎn)做出指導。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試谷子品種分別為大白谷、張雜13號，均由山西農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院谷子栽培課題組提供。

供試硒肥為中農(nóng)硒科富硒農(nóng)業(yè)技術(shù)研究院提供的納米硒肥。

1.2 試驗方法

表1 葉面噴施納米硒肥處理

試驗于2018年5—12月在太谷縣申奉村山西農(nóng)業(yè)大學試驗田進行。采用裂區(qū)設(shè)計，小區(qū)面積為15 m2（3 m×5 m）。試驗共設(shè)4個硒肥質(zhì)量濃度，分別為 0（蒸餾水，CK）、3、6、9 mg/L，分別在孕穗期（A）和灌漿期（B）對2個品種谷子進行葉面噴硒。試驗共設(shè)7個處理（表1），每個處理重復3次。每小區(qū)噴施量為1 L，CK噴施同體積清水。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 生物量的測定 谷子成熟后，每小區(qū)隨機選擇5株完整植株，清理干凈后對其根、莖、葉、穗部進行分離并裝袋，分別于80℃烘箱烘干至恒質(zhì)量（根和葉烘48 h，莖和穗烘72 h），之后稱量谷子各部位生物量。

1.3.2 籽粒微量元素含量的測定 用脫殼機將收獲谷子籽粒進行脫殼，之后用去離子水清洗籽粒并烘干，用微型粉碎機將籽粒粉碎后過篩，裝袋待測。

采用微波消解法對粉碎后的籽粒粉末進行消解[24]。取0.30 g籽粒樣品于消解管中，依次加入6 mL濃硝酸、2 mL雙氧水，加蓋旋緊靜置12 h對樣品進行預消解。預消解完成后，將消解管放入微波消解儀中，消解后冷卻開蓋，放入170℃趕酸儀內(nèi)進行趕酸[25]，待溶液余1 mL左右時取出，用超純水沖洗管壁并定容至10 mL容量瓶中搖勻，用濾器過濾至5mL的EP管中待測。同時制備樣品空白。

采用ICP-MS法測定樣品酸溶液中Se、Hg、As、Cd 的含量[26]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2003軟件進行整理，并繪制圖表。采用SPSS19.0進行單因素方差分析，用Duncan新復極差法進行顯著性檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同時期噴施不同濃度硒對谷子生物量的影響

由表2可知，葉面噴硒可以顯著提高各品種谷子的莖部、葉部和穗部的生物量，但是對根部生物量的影響未達顯著水平。

在莖部生物量方面，大白谷中，灌漿期施硒比孕穗期施用相同濃度硒對莖部生物量的提升更大，且在B1處理其莖部生物量最大，較CK提升22.10%，達到極顯著水平（P＜0.01）。張雜13號中，孕穗期施硒較灌漿期施用相同濃度硒對莖部生物量提升更大，在A3處理時有最大提升，較CK提高20.35%，達到顯著水平（P＜0.05）。

在葉部生物量方面，大白谷和張雜13號谷子葉部生物量均在A1處理時有最大提升，較CK分別提高19.35%和28.26%，均達極顯著水平（P＜0.01）。且在孕穗期噴硒時，谷子葉部生物量的增加量隨硒濃度的提高出現(xiàn)逐漸下降的趨勢；在灌漿期噴硒時，谷子的葉部生物量表現(xiàn)為先升高后降低的趨勢，出現(xiàn)高濃度硒抑制葉部生物量持續(xù)積累的現(xiàn)象。

在穗部生物量方面，大白谷和張雜13號分別在B1和B2處理時有最大增加量，較CK分別提高27.93%和20.44%，達極顯著水平（P＜0.01）。且在大白谷和張雜13號中均出現(xiàn)高濃度硒抑制穗部生物量積累的現(xiàn)象。同時，灌漿期噴硒各品種谷子穗部生物量較孕穗期噴施相同濃度的硒更大，說明在灌漿期噴施葉面硒肥更能促進谷子穗部生物量的積累。

綜上可知，在不同時期葉面噴施不同濃度硒，可顯著提升谷子的莖、葉、穗部的生物量，均可達到極顯著水平（P＜0.01），但對根部生物量無較大影響。

表2 葉面噴硒對谷子各部位生物量的影響 g

2.2 不同時期噴施不同濃度硒對籽粒硒含量的影響

我國糧食標準中，硒含量在0.1～0.3 mg/kg為正常，高于0.5 mg/kg時則為致毒含量。本試驗籽粒硒含量均在安全范圍內(nèi)。由圖1可知，在不同時期噴施不同濃度硒肥均能夠極顯著提升谷子籽粒中的硒含量（P＜0.01）。隨施硒濃度的提高，在孕穗期，大白谷籽粒硒含量呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，張雜13號則呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢；在灌漿期，大白谷和張雜13號均呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢，與葉面噴硒濃度呈正相關(guān)，在B3處理時最大籽粒硒含量分別為0.251、0.298 mg/kg，較CK分別提高了202.41%和272.50%，達到極顯著水平（P＜0.01）。并且灌漿期噴硒較孕穗期噴施相同濃度的硒其籽粒硒含量更大，即在灌漿期施硒，高質(zhì)量濃度的納米硒肥（9 mg/L）更容易向籽粒中轉(zhuǎn)運硒。

2.3 不同時期噴施不同濃度硒對籽粒重金屬含量的影響

2.3.1 葉面噴硒對籽粒汞含量的影響 從圖2可以看出，不同時期施用各濃度葉面硒肥均可使谷子籽粒中汞元素的含量明顯降低，且達到極顯著水平（P＜0.01）。在大白谷和張雜13號中籽粒汞含量最低的處理分別為B2和B3處理，含量分別為4.17、3.52 μg/kg，較CK分別下降了34.64%和49.81%，達到極顯著水平（P＜0.01）。即在灌漿期施硒時，籽粒汞含量下降最明顯。

2.3.2 葉面噴硒對籽粒砷含量的影響 從圖3可以看出，葉面噴硒可使不同品種谷子籽粒中砷元素的含量均明顯降低，達到極顯著水平（P＜0.01）。在谷子的各時期噴硒，其籽粒砷含量隨硒濃度的提高均表現(xiàn)出持續(xù)下降的趨勢，即谷子籽粒砷含量與葉面施硒濃度呈負相關(guān)。在大白谷和張雜13號中，砷含量最低分別為B3和A2處理，含量分別為26.38、46.79 μg/kg，較CK分別下降了61.66%和35.90%，達到極顯著水平（P＜0.01）。在大白谷的灌漿期施硒較孕穗期施用同濃度的硒其籽粒砷含量降低更顯著，在張雜13號中則表現(xiàn)為在孕穗期施硒更優(yōu)。即噴施高質(zhì)量濃度的葉面硒肥（9 mg/L）時，更利于谷子籽粒砷含量的降低。

2.3.3 葉面噴硒對籽粒鎘含量的影響 從圖4可以看出，葉面噴硒可使不同品種谷子籽粒中鎘元素的含量明顯降低，各處理較CK均可達到極顯著水平（P＜0.01）。各品種谷子中都出現(xiàn)籽粒鎘含量隨葉面噴硒濃度的增加而逐漸降低的趨勢，即籽粒鎘含量與葉面噴硒濃度呈負相關(guān)。大白谷和張雜13號的籽粒鎘含量最低的處理均為A3處理，含量分別為 70.03、101.45 μg/kg，較 CK分別降低了 79.87%、71.37%，達到極顯著水平（P＜0.01）。各品種谷子中，在孕穗期施硒較灌漿期施用同濃度的硒其籽粒鎘含量降低更顯著。即在噴施高質(zhì)量濃度的葉面硒肥（9 mg/L）時，更利于谷子籽粒鎘含量的降低。

3 討論

3.1 葉面噴硒對谷子生物量的影響

生物量是作物群體產(chǎn)量的基礎(chǔ)，是判斷植物生長發(fā)育的重要指標。硒可以增強植物的抗逆性和光合作用，進一步促進植物對淀粉、蛋白質(zhì)和糖類的積累，提高作物的產(chǎn)量和品質(zhì)[4，12]。已有研究表明，葉面噴硒符合Bertrand生物劑量規(guī)律，即必需元素在生物體內(nèi)的效應為低濃度時可以促進植物的生長發(fā)育，但是當元素過量時，則對植物產(chǎn)生毒害作用，影響植物營養(yǎng)物質(zhì)的積累[27]。張妮等[28]研究表明，適宜濃度硒可以提高小麥的生物量，但在施用高濃度硒肥時，則抑制小麥生物量的積累。FENG等[29]、宋麗芳等[30]在水稻和苦蕎的試驗中也出現(xiàn)高濃度硒抑制生物量積累的現(xiàn)象。本研究得到與前人研究相似的結(jié)果，葉面噴硒可以有效促進谷子莖部、葉部和穗部生物量的積累，但高濃度硒則抑制谷子生物量的持續(xù)積累。同時得出，在灌漿期施硒更有利于生物量的積累，且葉面硒肥對谷子地上部生物量的積累影響較大，而對地下部生物量的積累影響較小，這一結(jié)果與劉新偉等[31]在小麥的研究結(jié)果相似。其可能是因為不同形態(tài)的硒在谷子不同部位的轉(zhuǎn)運機制不同，所以，在葉面噴硒納米硒肥對谷子根部的生長影響不大。硒在植物不同器官中的吸收和轉(zhuǎn)運機制還有待進一步研究。

3.2 葉面噴硒對谷子籽粒硒含量的影響

人類很難直接利用自然界的無機硒，人體所需的硒大部分都來自于食物中植物合成的有機硒。因此，富硒農(nóng)產(chǎn)品的加工成為人體補硒的一條重要途徑[32-33]。本研究發(fā)現(xiàn)，葉面噴硒可有效提升谷子籽粒的硒含量，這一結(jié)果與王政等[34]、劉秀桃等[35]和秦恩華等[36]在大豆、谷子和烤煙的硒肥試驗結(jié)果相一致。穆婷婷等[13]、郭美俊等[37]在谷子的硒肥試驗中均得出，灌漿期施硒更有利于籽粒硒含量的積累。張平平等[38]在小麥的葉面噴硒試驗中得出，噴施葉面硒肥可顯著提高小麥籽粒的硒含量，但不同品種小麥籽粒硒積累能力不同。本研究結(jié)果與上述研究結(jié)果相一致，谷子籽粒硒含量的富集以灌漿期施用硒肥為最佳，且在噴施高濃度納米硒肥時，更利于谷子籽粒對硒元素的積累。

3.3 葉面噴硒對谷子籽粒重金屬含量的影響

已有研究表明，硒可以通過減輕氧化應激、直接抑制重金屬的吸收、與重金屬元素結(jié)合形成難溶性復合物而阻斷其轉(zhuǎn)運等方式緩解重金屬元素對作物的毒害作用[39-40]。ZHANG等[41]在水稻試驗中得出，硒會抑制水稻籽粒對汞的吸收，與汞有拮抗作用。劉錦嫦等[42]研究表明，適宜濃度的硒可以促進砷污染水稻的生長，并達到降砷、富硒的效果。張慶等[19]在茶樹的研究中得出，硒的加入會降低茶樹地上部分鎘的積累量，減少鎘的毒害原因為硒與鎘可形成亞硒酸鎘，使鎘的溶解性下降，吸收量降低。本研究進一步證實了前人的觀點，即外源硒可以有效抑制汞、砷、鎘在谷子籽粒中的積累，且隨硒濃度的增加籽粒中重金屬含量呈持續(xù)減少的趨勢，與施硒量呈負相關(guān)，這一結(jié)果與張海英等[43]在草莓硒肥試驗中得到的結(jié)果相一致。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明，葉面噴硒可以有效提高谷子地上部分生物量和籽粒硒含量，并顯著降低籽粒中重金屬元素的積累，但對根部生物量積累無影響；在灌漿期施用葉面硒肥對谷子生物量、籽粒硒含量的提升最優(yōu)；葉面硒濃度與籽粒硒含量呈正相關(guān)，在灌漿期噴施高質(zhì)量濃度（9 mg/L）葉面硒肥時，谷子籽粒中硒含量最高。葉面硒濃度與籽粒重金屬元素含量呈負相關(guān)。