恩施富硒土壤區(qū)水稻及其根系土硒鎘含量關(guān)系研究
——以恩施市新塘鄉(xiāng)為例

袁知洋，潘 飛，楊良哲

(1.湖北省地質(zhì)科學(xué)研究院，湖北 武漢 430000; 2.湖北省硒生態(tài)環(huán)境效應(yīng)檢測(cè)中心,湖北 武漢 430000)

1 引言

恩施州富硒土壤區(qū)的主要生態(tài)問題為：土壤高硒背景下潛在的硒過量風(fēng)險(xiǎn)和以鎘為主要的土壤重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。中國地質(zhì)大學(xué)郭宇[2]博士通過對(duì)恩施高硒地區(qū)-新塘鄉(xiāng)魚塘壩地區(qū)的富硒黑色巖系的成分研究，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)內(nèi)的巖石樣品中普遍富集鎘和硒,且相對(duì)全國土壤平均含量超標(biāo)倍數(shù)明顯偏高。國內(nèi)外關(guān)于硒鎘在植物和動(dòng)物體內(nèi)的吸收關(guān)系試驗(yàn)已經(jīng)出現(xiàn)較多報(bào)道，在某些植物在生長過程中，通過施加硒能顯著降低植物對(duì)鎘的吸收[3，4]。硒元素和鎘元素的相互作用的生理過程研究，在先進(jìn)實(shí)驗(yàn)器材和科學(xué)的實(shí)驗(yàn)方案下取得了較為精細(xì)的研究結(jié)論。如梁程、林匡飛、張?chǎng)┑纫运緸樵囼?yàn)材料[5]，研究了不同硫濃度下硒和鎘交互脅迫對(duì)水稻幼苗一些生理特性的影響，發(fā)現(xiàn)隨著Cd濃度的增加，Cd對(duì)水稻幼苗生長的毒性不斷增大，在加入一定濃度的Se后，Cd的毒性作用得到緩解。王建偉、王朝輝、毛暉等研究施用硒鋅鉬肥料對(duì)該地區(qū)作物生長及可食部分鎘元素含量的影響具有重要意義[6]，國外關(guān)于硒鎘的關(guān)系研究，大多通過在動(dòng)物醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)里獲取相關(guān)的規(guī)律和結(jié)論，主要因?yàn)殒k對(duì)人類健康造成危害，而硒具有合成抗氧化酶的作用，且參與動(dòng)物體內(nèi)的免疫過程，增強(qiáng)動(dòng)物細(xì)胞免疫功能，如El-Boshy M E等[7]發(fā)現(xiàn)硒通過改善肝臟和腎臟免疫學(xué)參數(shù)標(biāo)志物改善因?yàn)殒k導(dǎo)致的肝臟和腎臟損傷。結(jié)果表明，硒在動(dòng)物體內(nèi)具有拮抗鎘對(duì)肝，腎的氧化損傷的潛力，硒對(duì)鎘的毒性有抑制作用；Van Puymbroeck S L等[8]同樣發(fā)現(xiàn)在無脊椎動(dòng)物中，施用亞硒酸鈉，可以使該動(dòng)物對(duì)鎘的敏感性幾乎降低了一半，硒減弱了鎘的毒性。

本文通過采集恩施市新塘鄉(xiāng)富硒土壤區(qū)種植的水稻成熟籽粒及其根系土，分析該地區(qū)水稻籽粒及其根系土硒鎘等元素的關(guān)系，為恩施市新塘鄉(xiāng)水稻富硒開發(fā)利用提供理論參考

2 材料與方法

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

如圖1所示， 新塘鄉(xiāng)位于湖北省恩施市東南方向，地跨東經(jīng)109°11′～109°55′，北緯29°33′～30°12′之間。土壤多為二疊紀(jì)、三疊紀(jì)沉積巖中的灰?guī)r和頁巖等發(fā)育而來，由于枯枝落葉豐富以及溫度較低等因素，有機(jī)物腐爛分解緩慢，土層較淺，色澤多棕黃或者灰黃。

圖1 富硒土壤區(qū)水稻采樣區(qū)

2.2 試驗(yàn)方法

2.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與樣品采集

在新塘鄉(xiāng)的鄉(xiāng)鎮(zhèn)府駐地附近的水稻田，進(jìn)行水稻采樣，一共設(shè)置20個(gè)取樣點(diǎn)，取水稻籽粒樣品為20個(gè)，并采集所在樣點(diǎn)的水稻根系土壤，共20份土樣，水稻根系土帶回實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干后，取出細(xì)根、石粒等雜質(zhì)，碾磨后過0.1 mm孔徑塞制成待測(cè)土壤樣品。

2.2.2 測(cè)定和分析方法

(1)水稻根系土壤全量硒和鎘的測(cè)定按照《土壤地球化學(xué)樣品分析測(cè)試質(zhì)量要求及質(zhì)量控制》的相關(guān)進(jìn)行測(cè)定，具體方法如表1。

表1 土壤樣品分析方法

稻米全量硒和鎘的測(cè)定采用等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS)、原子熒光法(AFS)等分析方法進(jìn)行，方法如表2。

表2 生物樣品分析方法

(2)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和相關(guān)分析采用SPSS17.0統(tǒng)計(jì)軟件，圖像均采用Origin8.1繪制。

3 結(jié)果與分析

3.1 水稻籽粒硒元素的含量狀況

水稻全部采集于恩施新塘鄉(xiāng)，測(cè)試部位為稻米籽實(shí)，20個(gè)采樣點(diǎn)的稻米硒含量達(dá)到國家富硒稻谷標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 22499-2008)(硒≥0.04mg/kg)的樣品有20件，占100%。其中最高級(jí)別硒含量的達(dá)16件，一級(jí)含硒2件，共占90%，結(jié)合恩施地區(qū)水稻含硒量特征，將水稻硒劃分為五級(jí)，如表3。

3.2 水稻和水稻根系土內(nèi)硒、鎘關(guān)系

(1)根據(jù)本次研究所采集的水稻硒、鎘含量以及水稻根系土硒、鎘含量數(shù)據(jù)，如圖2水稻含硒量和對(duì)應(yīng)水稻根系土硒含量數(shù)據(jù)趨勢(shì)成圖，水稻籽粒含硒量和水稻根系土含硒量關(guān)系呈現(xiàn)較好的趨勢(shì)一致性；如圖3，做線性回歸擬合過程中，得出擬合方程為y=0.04323x+0.627，Pearson相關(guān)系數(shù)位0.50303，擬合度R2位0.21154；P值(Prob>F)為0.02377<0.05，因此此次回歸分析所呈現(xiàn)的水稻籽粒硒含量和水稻根系土的硒含量的線性正比例關(guān)系達(dá)到了顯著水平。

圖2 水稻籽粒硒元素含量和對(duì)應(yīng)水稻根系土含硒量趨勢(shì)

(2)如圖4水稻籽粒含鎘量和對(duì)應(yīng)水稻根系土鎘含量數(shù)據(jù)趨勢(shì)成圖，水稻籽粒含鎘量和水稻根系土含鎘量關(guān)系呈現(xiàn)較好的趨勢(shì)一致性；如圖5，做線性回歸擬合過程中，得出擬合方程為y=0.00351x+0.03382，Pearson相關(guān)系數(shù)為0.74635，擬合度R2為0.53243；P值(Prob>F)為1.57824E-4<0.01，因此此次回歸分析所呈現(xiàn)的水稻籽粒鎘含量和水稻根系土鎘含量呈線性正比例關(guān)系，且達(dá)到極顯著水平。

圖3 水稻籽粒硒元素含量和對(duì)應(yīng)水稻根系土含硒量線性回歸

(3)如圖6水稻籽粒含鎘量和水稻籽粒硒含量數(shù)據(jù)趨勢(shì)成圖，水稻籽粒含硒量和水稻籽粒含鎘量呈現(xiàn)較好的趨勢(shì)一致性；進(jìn)行線性回歸分析如圖7，相關(guān)系數(shù)pearson值是0.48348，線性擬合關(guān)系初步呈現(xiàn)是正相關(guān)，擬合度R2為0.19118，P值為0.0308<0.05，水稻籽粒硒含量和鎘含量線性正比例關(guān)系顯著，表明水稻籽粒內(nèi)硒鎘存在協(xié)同關(guān)系。

3.4 水稻土壤理化性質(zhì)及其元素硒鎘鋅元素間的相關(guān)性分析

通過SPSS對(duì)20個(gè)樣點(diǎn)水稻及其根系土的中全量微量元素硒、鎘的含量進(jìn)行Pearson雙變量相關(guān)分析，得出以下相關(guān)性矩陣如表4。

圖4 水稻籽粒鎘元素含量和對(duì)應(yīng)水稻根系土含鎘量趨勢(shì)

圖5 水稻籽粒鎘元素含量和對(duì)應(yīng)水稻根系土含鎘量線性回歸

圖6 水稻籽粒硒元素含量和對(duì)應(yīng)水稻籽粒含鎘量趨勢(shì)

圖7 水稻籽粒硒元素含量和對(duì)應(yīng)水稻籽粒含鎘量線性回歸

水稻根系土中，除了土壤有機(jī)碳和土壤全量Zn元素相關(guān)性較弱，土壤有機(jī)碳和土壤pH的相關(guān)性較弱，且水稻全量硒鎘元素與土壤有機(jī)碳及pH的相關(guān)性較強(qiáng)，與土壤CEC的相關(guān)性較弱。

表4 水稻根系土理化性質(zhì)和水稻籽粒及其根系土硒鎘鋅含量相關(guān)系數(shù)

4 結(jié)論

恩施市新塘鄉(xiāng)的水稻籽粒硒含量和水稻根系土的硒含量的線性正比例關(guān)系達(dá)到了顯著水平(P<0.05)。水稻根系土鎘含量和水稻根系土鎘含量的線性正比例關(guān)系極顯著(P<0.01)。水稻籽粒硒含量和水稻籽粒鎘含量的線性正比例關(guān)系顯著，二者在水稻籽粒里呈協(xié)同關(guān)系(P<0.05)；該地區(qū)水稻全量硒鎘元素與土壤有機(jī)碳及pH的相關(guān)性較強(qiáng)，與土壤CEC相關(guān)性較弱。

5 討論

恩施市有豐富的富硒土壤資源，富硒資源的開發(fā)應(yīng)該堅(jiān)持綠色可持續(xù)發(fā)展理念，富硒農(nóng)產(chǎn)品和硒生態(tài)資源是發(fā)展重點(diǎn)[9]，恩施土壤硒鎘元素在高硒土壤區(qū)協(xié)同化程度較高[10]，發(fā)展綠色低鎘富硒農(nóng)產(chǎn)品是研究重點(diǎn)，除了恩施的玉米和茶葉在富硒高鎘土壤區(qū)表現(xiàn)出富硒低鎘的生態(tài)特征[11]，水稻作為恩施地區(qū)重要的農(nóng)產(chǎn)品，應(yīng)該探討利用新的方法技術(shù)解決水稻在富硒高鎘土壤區(qū)硒鎘元素協(xié)同吸收的問題，比如適當(dāng)提高土壤pH值和土壤有機(jī)質(zhì)含量，以及選育出富硒低鎘水稻品種等。