硒元素在茶園土壤和茶樹內的富集規律

李澤軒,馮 亮,李開元,唐曉玲,樊 爽,付盈盈,梁 霞*

(1.中國地質大學(武漢)環境學院,湖北 武漢 430078;2.貴州省地質礦產勘查開發局一○六地質大隊,貴州 遵義 563000)

硒(Se)是人體必需的微量元素之一,在人體抗氧化防御中有著重要地位[1],與人體健康息息相關。硒參與人體內多個主要代謝途徑,如甲狀腺激素代謝、抗氧化防御系統和免疫功能代謝[2]。硒是人體谷胱甘肽過氧化物酶的重要組成部分,其具有清除自由基的能力,在人體的抗氧化防御中起著重要作用[1]。然而硒的安全閾值非常狹窄,硒缺乏和硒中毒之間的差距很小[3-4]。人體每天硒攝取量低于40 μg就會缺硒,而大于400 μg就可能造成中毒。根據世界衛生組織(WHO)和國際糧農組織(FAO)發布的報告,人體每日硒攝取量參考值為30～55 μg[1,3,5]。

硒在土壤中主要以Se(-Ⅱ)、Se(0)、Se(Ⅳ)和Se(Ⅵ)4種價態存在,Se的生物有效性與其價態密切相關。可溶于水的無機硒[Se(Ⅳ)、Se(Ⅵ)]是植物從土壤溶液中直接吸收的形式[6],單質硒以及硒化物基本不被植物直接吸收[7-8]。總體來說,我國土壤硒資源缺乏,而且分布不均。大部分地區土壤中硒含量不足,但也有陜西省安康市紫陽縣、湖北省恩施州等為土壤富硒地區[9-10],硒分布的不均勻性可能造成地方病的發生。硒攝取不足會造成人體生長遲緩、損害骨骼代謝和導致甲狀腺功能異常,還會導致心腦血管、眼、胃腸道、前列腺等多處疾病[11]。中國東北和俄羅斯西伯利亞東南部食品中硒含量不足,當地人遭受克山病、大骨節病等地方病的威脅[1]。但過量攝入硒也會對人體健康產生不利的影響。硒的過量攝入會增加人體罹患糖尿病的機率,導致頭發和指甲脆弱、皮膚粗糙及神經紊亂。印度旁遮普省當地生產的食品中硒含量過高,每人每天硒攝取量高達750～4 990 μg,導致當地人群和動物出現硒中毒現象[1]。

植物是人體從土壤中攝入硒的重要媒介,研究植物對硒的吸收富集機制對人類健康具有重大意義。茶是世界三大飲料之一,同時茶樹是富集硒能力較強的植物,能將土壤中的硒富集儲存在茶樹植株內[12-14]。硒在茶樹不同部位的含量表現出顯著差異,顧謙等[15]研究發現茶樹的老葉中硒含量要顯著高于新葉。但目前茶樹對硒的吸收、轉運和分配機制尚不明確。為此,本研究采集了貴州省遵義市正安縣兩處茶園的天然土壤和茶樹樣品,測定了樣品內硒等幾種元素的含量,并對土壤中各形態硒含量進行了檢測,旨在探明自然條件下茶樹內硒等幾種重金屬元素的富集規律。

1 樣品采集與分析

1.1 樣品采集與制備

2021年4月12日,根據當地耕地質量調查報告,并結合實際情況分別采集了貴州省遵義市正安縣兩處茶園共計25份土壤樣品和15株茶樹樣品。其中,茶園1采集了13份土壤樣品、9株茶樹樣品;茶園2采集了12份土壤樣品、6株茶樹樣品。采樣過程中使用奧維互動地圖記錄采樣點經緯度和海拔,具體采樣點信息見表1。將茶園土壤0～<20 cm深度土層的樣品記為表層土樣,20～40 cm深度土層的樣品記為深層土樣。土壤樣品采樣方法采用五點取樣法,土壤樣品取樣后將每個土壤樣品編號,并保存至聚乙烯自封袋中。

表1 采樣點位基本信息表

土壤樣品于實驗室內自然風干后,剔除樣品內的石塊和植物根系,研缽內研磨后過200目篩,保存于聚乙烯自封袋以備后續檢測。將每株茶樹樣品用超純水洗凈后分為嫩葉、老葉、主莖、分支莖、主根5個部分,共計得到75份植物樣品。植物樣品于45 ℃烘干后,使用磨粉機進行粉碎處理并用聚乙烯自封袋保存以備后續檢測。

1.2 土壤理化性質檢測

將一部分自然風干后的土壤樣品研磨,過20目篩后進行銨態氮、硝態氮、速效磷、速效鉀含量的檢測,檢測方法分別為靛酚藍比色法、紫外分光光度法、鉬銻抗比色法、乙酸銨-火焰光度計法。另取1.0 g風干過篩后的土壤樣品置于10 mL離心管中,加入2.5 mL超純水,振蕩30 min,靜置后測量上清液的pH值[16]。

1.3 土壤和植物樣品中總硒含量測定

稱取過篩后的土壤樣品0.5 g,置于特氟龍消解管中(消解管需于45%的硝酸溶液中,70 ℃下浸泡24 h洗凈后使用;土壤樣品稱量質量盡量準確,精確至0.001 g;樣品放在消解管中時,盡量讓其集中在底部,不沾到消解管的壁上)。每個土壤樣品先加入5 mL硝酸,手動搖勻,并蓋上蓋子,升溫至120 ℃保持30 min;然后打開蓋子,加入2 mL高氯酸和3 mL氫氟酸,手動搖勻,蓋上蓋子,升溫至150 ℃,保持180 min,中間手動搖勻;再后取下消解管蓋子,電熱板升溫至190 ℃,保持120 min,進行徹底消解的同時趕酸至樣品呈果凍黏稠狀;最后加入1∶1王水2 mL,蓋上蓋子,升溫至120 ℃保持10 min,用純水定容至50 mL。

稱取磨碎后的植物樣品0.5 g,置于特氟龍消解管中(植物樣品稱量質量盡量準確,精確至0.001 g;樣品放在消解管中時,盡量讓其集中在底部,不沾到消解管的壁上)。植物樣品先加入10 mL硝酸過夜冷消解;次日,加高氯酸2 mL電熱板上190 ℃加熱消解完全,繼續加熱至三角瓶內出現高氯酸白色煙霧,趕盡硝酸,保留高氯酸,用純水定容至50 mL;樣品定容后靜置8 h后取上清液于15 mL離心管中,使用電感耦合等離子體發射光譜(ICP-OES)儀對樣品消解液中總硒元素含量進行檢測。

1.4 土壤中各形態硒含量檢測

使用ICP-OES儀對土壤中各形態硒含量進行檢測。采用連續浸提法[17]將土壤樣品中的硒劃分為水溶態硒(SOL-Se)、可交換態硒(EXC-Se)、酸溶態硒(FMO-Se)、有機物結合態硒(OM-Se)、殘渣態硒(RES-Se)5種形態。此5種形態是“操作定義”的相態。

1) 水溶態硒:稱取1.0 g土壤樣品于10 mL離心管中,加入10 mL超純水,在室溫下振蕩1 h,并以4 000 r/min轉速離心30 min,收集上清液以備檢測。

2) 可交換態硒:向上述含有殘渣的離心管中加入10 mL KH2PO4- K2HPO4溶液(0.1 mol/L),在室溫下振蕩2 h,并以4 000 r/min轉速離心30 min,收集上清液以備檢測。

3) 酸溶態硒:向上述含有殘渣的離心管中加入10 mL HCl(3 mol/L),90 ℃水浴加熱50 min,加熱過程中每10 min振蕩一次,并以4 000 r/min轉速離心30 min,收集上清液以備檢測。

4) 有機物結合態硒:向上述含有殘渣的離心管中加入10 mL K2S2O8溶液(0.1 mol/L),90 ℃水浴加熱2 h,加熱過程中每10 min振蕩一次,并以4 000 r/min轉速離心30 min,收集上清液以備檢測。

5) 殘渣態硒:收集4)中全部殘渣,40 ℃烘干,之后在研缽中研磨,過200目篩,并進行消解,消解操作同第1.3節,收集消解后上清液待測。

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2 結果與分析

2.1 土壤pH值檢測結果與分析

遵義市正安縣兩處茶園土壤pH值檢測結果,見表2。

表2 遵義市正安縣兩處茶園土壤pH值檢測結果

由表2可知:茶園1、茶園2兩處茶園土壤均為酸性土壤,pH值范圍為3.7～5.5,適宜茶樹種植。其中,茶園1土壤pH值范圍為3.7～5.2;茶園2土壤pH值范圍為4.5～5.4。

2.2 土壤中養分含量檢測結果與分析

遵義市正安縣兩處茶園土壤中養分含量(即營養元素含量)檢測結果,如圖1所示。

注:圖中主體高度代表平均值,誤差線代表標準差。圖1 遵義市正安縣兩處茶園土壤中營養元素含量檢測結果Fig.1 Soil nutrient content of two tea plantations in Zheng’an County,Zunyi City

由圖1可以看出:

1) 茶園1土壤中銨態氮、硝態氮、速效磷、速效鉀含量范圍分別為8.9～58.5、1.0～20.6、11.2～212.9、48.1～242.6 mg/kg;茶園2土壤中銨態氮、硝態氮、速效磷、速效鉀含量分別為12.7～19.7、0.2～2.2、6.9～12.4、34.2～117.5 mg/kg。

2) 整體看來,茶園1土壤養分含量高于茶園2,但是點位間養分含量均一性差,變動較大,且茶園1明顯表現出表層土中養分含量高于深層土的特點。采樣過程中通過對茶園管理人員訪談得知,茶園1處于正常生產經營中而茶園2處于無人管理狀態。茶園1可能因生產過程中的施肥手段使土壤中養分得以補充,因此其土壤養分高于無人管理的茶園2。

2.3 土壤中總硒含量檢測結果與分析

遵義市正安縣兩處茶園土壤中總硒含量檢測結果,如圖2所示。

圖2 遵義市正安縣兩處茶園土壤中總硒含量檢測結果Fig.2 Results of total selenium content in the tea plantation soils in Zheng’an County,Zunyi City

2.4 土壤中各形態硒含量檢測結果與分析

遵義市正安縣兩處茶園土壤中各形態硒含量檢測結果,如圖3所示。

由圖3可以看出:正安縣兩處茶園的表層土、深層土中硒均以殘渣態硒為主。生物利用度最高的水溶態硒和可交換態硒被認為是生物有效態硒,僅有數個土壤樣品檢出生物有效態硒且比例低于20%;僅在茶園2的采樣點15土壤樣品中檢測出酸溶態硒,其余土壤樣品均未檢出酸溶態硒;表層土中有機物結合態硒比例明顯高于深層土,推測表層土中有機質含量比深層土更高。

2.5 土壤中各形態硒含量與土壤理化因子間相互關系

對遵義市正安縣兩處茶園土壤中各形態硒含量與土壤理化因子間進行Pearson相關性分析,其結果如表3所示。

表3 遵義市正安縣兩處茶園土壤中各形態硒含量與土壤理化因子間的Pearson相關系數

由表3可知:正安縣茶園土壤中水溶態硒和可交換態硒與速效鉀之間呈顯著相關(p<0.05),具體表現為水溶態硒與速效鉀之間呈顯著正相關;土壤中可交換態硒與速效鉀之間呈顯著負相關。除此之外,土壤中各形態硒與土壤理化因子之間不再具有顯著相關性,推測可能是土壤中硒主要以殘渣態存在,其他形態含量基本為0,導致數據統計時其他形態硒個案數不足導致。

2.6 茶樹內各部位元素含量檢測結果與分析

使用ICP-OES儀對茶樹內各部位消解液進行硒含量檢測,結果如圖4所示。

圖4 遵義市正安縣兩處茶園茶樹內各部位硒元素含量 檢測結果Fig.4 Distribution of selenium content in various parts of the tea plants in Zheng’an County,Zunyi City

由圖4可以看出:茶樹內老葉中硒積累最多,明顯高于茶樹其他部位,老葉中硒含量為0.29～3.05 mg/kg,根部基本無積累;茶樹葉片部位硒積累大于根莖部位;茶樹莖葉生長時間長的部分硒積累大于生長時間短的部分。其中,茶園1有55.6%的嫩葉樣品硒含量(0.2～4.0 mg/kg)處于富硒茶葉標準,可認定為富硒茶葉。

3 討 論

茶樹喜歡酸性土壤,適宜生長的土壤pH值范圍為4.0～5.5[18]。本研究中88%的茶園土壤樣品的pH值處于茶樹適宜生長范圍內,兩處茶園土壤均適宜茶樹種植。其中,茶園1土壤pH值比茶園2低,呈現酸化趨勢。王金林等[18]研究表明長期施用氮肥等化肥會導致土壤pH值降低,因此茶園1在后續經營過程中應注意避免長期單獨施用化肥,可以通過配施有機肥改善酸化趨勢,保證茶樹的持續生長條件。

此外,本研究發現茶樹各部位老葉中硒含量最高,而根部基本無硒積累,茶葉中硒含量高于茶樹的根莖部位,這與前人研究結果有區別。曹丹等[12]研究表明施加外源硒后,茶樹各部位中硒含量都有明顯增加,且富集規律表現為根部含量最多、莖次之、葉最少。不同種類的植物對硒的遷移富集有差別,水稻各部位中硒含量呈現根>葉>莖的特點[24]。茶樹根部吸收施加的亞硒酸鈉后,先在根部轉化為硒化物,再沿莖向地上部位轉運,根部吸收速率大于亞硒酸鈉轉化為硒化物的速率[12],致使根部硒含量最高。在水稻、油菜和草莓中也發現這種根部硒含量最高的結果[25-27]。本研究中兩處茶園土壤中硒的主要存在形式都是穩定的殘渣態硒,其生物利用度低,難以被茶樹根系吸收利用。天然條件下,茶樹在吸收硒之后將其轉化為硒化物轉運到地上部位,但由于吸收速率緩慢導致根部的硒絕大部分被轉運到茶葉中,因此本研究中茶樹內硒空間分布特征呈現葉>莖>根的現象。茶園1中55.6%的嫩葉樣品中硒含量(0.2～4.0 mg/kg)處于富硒茶葉標準,可認定為富硒茶葉,說明茶園1具有良好的生產富硒茶葉的潛力。雖然茶園2只有一個嫩葉樣品屬于富硒茶葉,但是其擁有更高的土壤硒含量,且土壤理化性質更適合茶樹生長,合理推測其富硒茶葉生產潛力更大,有待后續合理開發。

4 結 論

1) 貴州省正安縣兩處目標茶園的土壤pH值均為4.0～5.0,適宜種植茶樹。其中茶園1因受施肥的影響,其土壤的養分含量比茶園2高,但同時表現出土壤酸化的趨勢。因此,在后續生產經營過程中,針對茶園1應注意混施化肥和有機肥,避免土壤酸化;針對茶園2可通過施肥補充土壤內養分含量,使土壤更適宜茶樹的生長。

2) 貴州省正安縣兩處目標茶園土壤的總硒含量整體偏低,僅部分樣品檢測到硒,茶園2土壤總硒含量高于茶園1。兩處茶園土壤中的硒均以殘渣態為主要存在形式,其生物可利用度低。

3) 貴州省正安縣兩處目標茶園的茶樹都表現出老葉內硒含量最高的特點,說明茶樹的老葉是硒富集的主要部位。茶園1有55.6%的嫩葉樣品硒含量(0.2～4.0 mg/kg)處于富硒茶葉標準,證明茶園1有良好的富硒茶葉產出能力。茶園2土壤條件優于茶園1,后續更應加強生產管理,使得茶園2能生產出富硒茶葉。