安康地區水稻和玉米硒含量與土壤硒相關性研究

李傲瑞，陳繼平，趙飛飛，王 池，張志敏

(陜西省地質調查院水工環地質調查中心，陜西西安 710068)

硒是人體必需的14種微量元素之一，對人體有抗氧化、促進生長、延緩衰老、保護心血管、抗毒性及提高機體免疫能力等生理作用[1-2]。環境介質中缺硒將不能滿足人體維持健康的需求，導致疾病的發生，如癌癥、肝病、心血管病、高血壓代謝綜合征、克山病、大骨節病等疾病的發生[3-4]。農作物是飲食中主要的硒源，其最終來源為根系土壤[5]。食用富硒農作物是公認的安全有效補硒途徑之一，農作物硒含量受多種環境因素的影響。環境介質中硒的分布特征直接影響著農作物硒含量和常住居民日常的硒攝入量，進而影響到人體健康[6]。世界范圍內土壤中硒分布極不均勻，生長在富硒土壤的農作物硒含量水平明顯高于缺硒地區[7-8]。通過土壤-農作物系統，環境介質中的硒特別是無機硒通過農作物的同化作用進入生命有機體，完成了無機硒向有機硒的轉化。農作物對土壤硒的累積不僅與土壤中的總硒含量和有效硒占比有關，而且與農作物自身的吸收富集能力有關，不同農作物的富硒能力會存在一定差異[9]。該研究在開展土地質量地球化學調查的基礎上，分析根系土硒含量對農作物硒含量的影響，探索農作物種植優化和健康地質等問題，為土地合理利用提供數據支撐。

1 材料與方法

1.1 試材及取樣食物補硒是最好的補硒方式，谷物是人體硒的主要來源之一[10-11]。該研究供試材料為水稻、玉米及其根系土，取自陜西省安康市漢陰縣。于2020年10月9—11日，通過五點取樣法采樣。采樣時避開株體過大或過小、遭受病蟲害或機械損傷及路旁易受人為影響的植株。采集水稻25件和玉米20件，農作物樣品質量大于500 g。同時，采集相同點位的根系土樣品，水稻根系土25件和玉米根系土20件，除去土表附著的凋落物，挖取0～20 cm的土樣為試驗材料，土壤樣品質量大于1 kg。土樣經自然風干，用木棒壓碎團塊后過20目尼龍篩，取500 g送檢分析。

1.2 農作物和土壤樣品指標測定方法農作物測定指標及依據標準分別為砷，GB 5009.268—2016；鎘，GB 5009.268—2016；鉻，GB 5009.268—2016；汞，GB 5009.17—2014；鉛，GB 5009.268—2016；硒，GB 5009.268—2016。農作物樣品砷、鎘、鉻、鉛、硒含量采用電感耦合等離子體質譜儀(Agilent 7800)測定，汞含量采用原子熒光光度計(XGY 1011A)測定。土壤水溶態硒、離子交換態硒、碳酸鹽結合態硒、腐殖酸結合態硒、鐵錳結合態硒、強有機結合態硒和殘渣態硒含量采用等離子體發射光譜法(ICP-AES)測定，總硒含量采用原子熒光光譜法(AFS)測定，pH采用離子選擇性電極法(ISE)測定。農作物和土壤樣品均委托自然資源部西安礦產資源監督檢測中心檢測。

1.3 數據分析利用Version 3.5.1進行數據分析和作圖。采用“boxplot”制作農作物和其根系土各測定指標的箱線圖；利用“cor”和“chart.Correlation”函數進行根系土各形態硒、總硒含量和pH組成矩陣的相關性分析；采用“prcomp”函數進行根系土各形態硒和總硒含量的主成分分析。

2 結果與分析

2.1 水稻、玉米根系土總硒和各形態硒含量特征對水稻、玉米根系土檢測數據分布情況進行分析，結果如圖1所示。該研究檢測樣本代表性較強，數值分布廣、連續性好。從圖1可以看出，水稻和玉米根系土腐殖酸結合態硒含量存在顯著差異(P<0.05)，而其余形態硒和總硒含量無顯著差異(P>0.05)。水稻根系土偏弱酸性，玉米根系土為中性。研究區土壤硒資源豐富，稻田總硒平均含量為0.94 mg/kg，玉米地總硒平均含量為1.96 mg/kg，分別是全國土壤硒平均含量的3.25和6.78倍[12]，遠高于全國土壤硒背景值，反映出研究區內具有富硒特色土壤分布的優越基礎和條件。水稻根系土的腐殖酸結合態硒和強有機結合態硒含量高于玉米，其他形態硒含量均低于玉米。水稻和玉米根系土總硒含量均存在異常檢測值，個別樣本總硒含量高于7.00 mg/kg，可能與硒的不均勻分布和取樣偶然性有關。

注：*P<0.05。圖1 水稻、玉米根系土總硒和各形態硒含量箱線圖Fig.1 Box plot of total selenium and various forms of selenium content in rice and corn root soil

硒在土壤-農作物中的遷移轉化及生物有效性與其賦存形態有關[13-14]。土壤有效硒包括水溶態硒和離子交換態硒[15-16]。水稻根系土中水溶態硒占總硒含量的1.65%、離子交換態硒占總硒含量的2.74%，玉米根系土中水溶態硒占總硒含量的0.92%、離子交換態硒占總硒含量的0.78%，兩者有效硒分別占總硒含量的4.39%和1.70%，表明研究區土壤有效硒含量較低。水稻和玉米根系土中鐵錳結合態硒占總硒的比例相當且含量最低。水稻根系土中以強有機結合態硒(41.85%)、殘渣態硒(31.30%)和腐殖酸結合態硒(20.68%)為主，玉米根系土中以殘渣態硒(79.25%)和強有機結合態硒(12.43%)為主，腐殖酸結合態硒、強有機結合態硒和殘渣態硒是研究區土壤硒的主要形態。

2.2 水稻、玉米中硒和污染元素含量特征分析水稻和玉米硒含量檢測結果表明(圖2)，水稻硒含量為0.03～0.10 mg/kg，玉米硒含量為0.01～0.03 mg/kg，兩者的平均硒含量分別為0.066和0.069 mg/kg；參考張紅振等[17]的方法，以農作物與根系土硒含量之比表征農作物吸收硒的能力[18-19]，計算結果分別為0.070和0.035，說明水稻富硒能力更強。玉米硒含量存在多個離群值，個別檢測值大于0.60 mg/kg。圖2顯示，水稻中砷、鎘、鉻和汞含量高于玉米，達到極顯著水平(P<0.001)；玉米中鉛含量高于水稻，達到極顯著水平(P<0.001)。說明不同禾本科農作物對各元素的吸收轉化能力存在差異性。參照《食品安全國家標準 食品中污染物限量》(GB 2762—2017)，對水稻和玉米各元素含量進行食品安全性評價，結果表明，2種農作物中各元素含量均低于國家食品衛生限量標準，達到食品安全標準。

2.3 根系土pH、總硒和各形態硒含量相關性分析對農作物根系土檢測指標進行相關性分析，結果發現(表1～2)，水稻和玉米根系土中強有機結合態硒與水溶態硒、離子交換態硒、碳酸鹽結合態硒、腐殖酸結合態硒和鐵錳結合態硒含量均呈顯著正相關(P<0.001)。水稻根系土pH為5.0～6.0，為偏弱酸性環境，而玉米根系土pH為6.8～7.8，為中性環境，二者數值分布區別明顯。水稻根系土pH與水溶態硒、離子交換態硒、強有機結合態硒和殘渣態硒含量均呈顯著正相關(P<0.001)，與鐵錳結合態硒和總硒含量呈顯著正相關(P<0.01)，與碳酸鹽結合態硒和腐殖酸結合態硒含量呈顯著正相關(P<0.05)。水稻根系土總硒與其他形態硒含量均呈顯著正相關(P<0.001)。玉米根系土總硒僅與殘渣態硒含量呈顯著正相關(P<0.001)；pH與土壤各形態硒和總硒含量相關性均不顯著(P>0.05)。

注：***P<0.001。圖2 水稻、玉米中硒和污染元素含量箱線圖Fig.2 Box plot of selenium and pollutant element content in rice and corn

表1 水稻根系土pH、總硒和各形態硒含量相關性分析

2.4 水稻、玉米硒含量與其根系土硒含量相關性分析水溶態硒和離子交換態硒被認為是農作物吸收利用的主要土壤硒形態，將兩者之和作為土壤有效硒含量[20]。通過分析水稻、玉米硒含量與其根系土有效硒含量的相關性(圖3)發現，水稻硒含量與其根系土有效硒含量呈顯著正相關(P<0.001)，相關系數(r)為0.89；玉米硒含量與其根系土有效硒含量具有正相關趨勢，未達到顯著水平(P>0.05)。

2.5 根系土測定指標主成分分析以農作物根系土測定指標標準化后的數據進行主成分分析。提取主成分時，遵循特征根大于1、累計貢獻率高于80%的原則。由圖4和表3可知，第1主成分和第2主成分的特征值均大于1，分別為2.55和1.23，方差貢獻率分別為72%和17%，累計貢獻率達89%，可以反映水稻和玉米根系土各形態硒含量差異。因此該研究中提取第1主成分和第2主成分進行下一步分析。由表3可知，第2主成分對應的特征向量值中絕對值較大的測定指標是腐殖酸結合態硒，水稻和玉米中腐殖酸結合態硒含量存在較大差異，該變量的載荷絕對值大于0.75，表明第2主成分是區分這2類農作物的關鍵因素。

表2 玉米根系土pH、總硒和各形態硒含量相關性分析Table 2 Correlation analysis of pH,total selenium and various forms of selenium content in corn root soil

圖3 水稻(a)、玉米(b)硒含量與其根系土有效硒含量的相關性Fig.3 Correlation between selenium content in rice(a),corn(b) and available selenium content in root soil

圖4 根系土測定指標PCA分析雙序圖Fig.4 PCA analysis of root soil measurement index

3 討論

該研究中玉米硒含量與其根系土有效硒含量僅具有正相關趨勢，未達到顯著水平，而劉春菊等[21]研究表明玉米硒含量與土壤有效硒含量呈顯著正相關。該研究的結果可能受樣本數量和樣本間差異性的影響，為客觀反映研究結果，下一步調查取樣時應適當加大樣本數量。土壤硒有效性既影響農作物硒含量，也間接影響人體通過食物鏈攝入的硒含量[20]。土壤是人體硒的基本來源，農作物是土壤硒的重要吸收和轉移者[22-23]。研究區存在土壤富硒而農作物硒含量較低的問題，土壤總硒和有效硒的含量關系有待進一步探明。研究土壤中硒形態和生物有效性特征可以為提高富硒農產品的生產力提供理論依據，對發展富硒產業具有重要意義[24-26]。該研究區與恩施地區研究結果類似，同樣存在土壤硒生物有效性偏低的情況[27]。

研究區水稻和玉米根系土主要呈酸性和中性，水溶態硒含量較少，降低了農作物對硒的吸收效率。在堿性土壤中，硒以易于農作物吸收的形態存在，硒生物有效性較高[28]。建議富硒區通過人為調控等方式適當調控土壤酸堿度，提高土壤pH，土壤硒生物有效性增加，有利于禾本科農作物對硒的吸收轉化。該研究中pH是影響水稻根系土壤硒有效性的關鍵因素，而玉米根系土壤硒有效性與pH相關性不顯著，這一結果可能與該研究中樣本量較少有關，未來研究中應加大樣本量，使研究結果更具參考性。

表3 前3個主成分環境變量的載荷和解釋方差Table 3 Loads and explained variances of the first three principal component environmental variables

水稻、玉米與根系土硒含量之比分別為0.070和0.035,水稻的富硒能力比玉米更強，表明不同農作物富集硒的能力不同，水田比旱地更有利于土壤硒的積累，與張亞麗等[29-31]在安康西部縣域的研究結果一致。水稻根系土pH、總硒和各形態硒含量之間均存在相關性，這一結果與張棟等[32]的研究結果相同，玉米根系土總硒僅與殘渣態硒含量呈顯著正相關(P<0.001)，說明該研究中不同農作物根系土中pH、硒形態和硒含量之間相關性差異明顯，可能與作物本身的基因差異性有關[33]。主成分分析結果表明，水稻和玉米根系土中腐殖酸結合態硒含量存在差異，第2主成分是區分這2類農作物的關鍵因素。安康地區具有富硒特色土壤分布的優越地質條件，建議大力發展富硒產業，如農作物水稻、玉米、馬鈴薯及經濟作物魔芋、茶葉和中草藥等，提高當地農特產品附加值[34]。

4 結論

(1)研究區土壤硒資源豐富，水稻和玉米根系土總硒含量遠高于全國硒土壤背景值，而土壤有效硒含量較低。殘渣態、腐殖酸結合態和強有機結合態硒是研究區內土壤硒的主要形態。

(2)水稻根系土pH、總硒和各形態硒含量之間均存在不同程度的相關性，玉米根系土總硒僅與殘渣態硒含量呈顯著正相關(P<0.001)，說明不同農作物根系土中pH、硒形態和硒含量之間相關性差異明顯。

(3)水稻硒含量與其根系土有效硒含量呈顯著正相關(P<0.001)。PCA結果表明，水稻和玉米根系土中腐殖酸結合態硒含量存在一定差異性。