姜 冰，孫增兵，張海瑞，劉 陽(yáng)，張洪濱

（1山東省第四地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 濰坊 261021；2山東省地礦局海岸帶地質(zhì)環(huán)境保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濰坊 261021）

0 引言

硒是人體必需的微量元素，具有抗癌、防腫瘤、抗氧化、抗衰老、提高免疫力、解毒等作用，人體內(nèi)的硒多是通過(guò)食物從自然界中獲取[1-4]。然而硒攝入過(guò)多，會(huì)引發(fā)中毒，引起脫發(fā)等癥狀，硒缺乏會(huì)導(dǎo)致心腦血管疾病、癌癥等發(fā)病率增加，研究發(fā)現(xiàn)克山病和大骨節(jié)病的病因就是由于缺硒[5-6]。土壤硒主要來(lái)源于成土母質(zhì)，與其相關(guān)的地質(zhì)背景是土壤富硒的主要影響因素，已有研究表明，碳酸鹽巖區(qū)的土壤硒含量相對(duì)較高[7-9]。不同種類植物對(duì)硒的富集能力，最終導(dǎo)致在不同植物中硒的含量差異很大[10]。

以山東省青州市西南部碳酸鹽巖分布區(qū)為研究區(qū)，研究了主要種植在低山、丘陵地帶山楂、柿子對(duì)硒的富集規(guī)律。研究區(qū)內(nèi)山楂和柿子均已有500多年的種植歷史，《藥物出產(chǎn)辨》記載：“山楂產(chǎn)山東青州、東安、安邱等處，惟以青州為好”，青州柿子也于2012 年獲得國(guó)家地理標(biāo)志證明商標(biāo)。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)喬木類水果對(duì)硒的富集規(guī)律研究甚少，本文尚屬首次，山楂和柿子作為喬木類果樹(shù)，在研究區(qū)內(nèi)具有獨(dú)特的種植優(yōu)勢(shì)，研究碳酸鹽巖區(qū)山楂和柿子對(duì)硒的富集規(guī)律，探究其影響因素，以期為后續(xù)的富硒產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

青州市位于東徑118°10′—118°46′，北緯36°24′—36°57′，屬北溫帶亞濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，冬冷夏熱、四季分明，年平均降水量660 mm，年平均蒸發(fā)量1536 mm，年平均氣溫12.7℃。典型碳酸鹽巖區(qū)含青州市西南部中低山及丘陵區(qū)（圖1），約占青州市總面積的41%，發(fā)育古生代寒武紀(jì)、奧陶紀(jì)碳酸鹽巖地層，地貌以上升剝蝕為主，土壤類型主要包括褐土和粗骨土。研究區(qū)良好的生態(tài)環(huán)境和適宜的氣候條件，為山楂和柿子創(chuàng)造了優(yōu)越的生長(zhǎng)環(huán)境，造就了優(yōu)良的內(nèi)在品質(zhì)。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)簡(jiǎn)圖及采樣點(diǎn)位

2 材料與方法

2.1 樣品采集及加工

山楂、柿子果實(shí)樣品選取種植面積大于0.1 hm2的地塊作為一個(gè)采樣單元，在每個(gè)采樣單元內(nèi)選取5～10棵果樹(shù)，每株果樹(shù)縱向四分，從其中一份的上、中、下、內(nèi)、外各側(cè)均勻采摘，混合成樣，采集量為1～2 kg（鮮重樣）。山楂、柿子根系土樣品配套采集于相應(yīng)采樣單元內(nèi)，在滴水線到樹(shù)根之間（中圓線上）對(duì)稱選取4點(diǎn)，采樣深度0～60 cm，取等量組合成1件樣品；去除根須、肥料團(tuán)塊和大顆粒礫石，不少于1 kg裝袋封存。共采集山楂配套樣品17套，柿子配套樣品23套。

土壤垂直剖面使用洛陽(yáng)鏟自上而下采集，以5 個(gè)樣20 cm、2個(gè)樣30 cm、1個(gè)樣40 cm的密度采樣，深度最大2 m，土壤厚度達(dá)不到2 m 的，以采到基巖風(fēng)化層為準(zhǔn)，樣品小于10目部分經(jīng)混勻后干重均大于500 g。共采集5條剖面，35件樣品。

2.2 樣品處理與測(cè)試

由山東省地礦局海岸帶地質(zhì)環(huán)境保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)本次樣品測(cè)試工作。土壤垂直剖面樣品測(cè)試項(xiàng)目包括Cu、Pb、Zn、Cr、Cd、Ni、As、Hg、Se、陽(yáng)離子交換量、有機(jī)質(zhì)、pH，根系土樣品測(cè)試項(xiàng)目在以上基礎(chǔ)上增加Se 元素形態(tài)分析，山楂和柿子果實(shí)測(cè)試Se，嚴(yán)格按照《生態(tài)地球化學(xué)評(píng)價(jià)樣品分析技術(shù)要求（試行）》進(jìn)行樣品處理與測(cè)試，土壤樣品測(cè)定Cu、Pb、Zn、Ni、Cr采用X射線熒光光譜法，Cd 采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法，As、Hg、Se采用原子熒光光譜法，陽(yáng)離子交換量采用乙酸銨交換法，有機(jī)質(zhì)采用氧化還原法，pH 采用離子電極法；土壤Se 元素形態(tài)分析以水為提取劑提取水溶態(tài)，以氯化鎂為提取劑提取離子交換態(tài)，以醋酸－醋酸鈉為提取劑提取碳酸鹽結(jié)合態(tài)，以焦磷酸鈉為提取劑提取弱有機(jī)（腐殖酸）結(jié)合態(tài)，以鹽酸羥胺為提取劑提取鐵錳結(jié)合態(tài)，以過(guò)氧化氫為提取劑提取強(qiáng)有機(jī)結(jié)合態(tài)，以氫氟酸提取殘?jiān)鼞B(tài)；果實(shí)測(cè)定Se 采用原子熒光光譜法。

對(duì)樣品測(cè)試報(bào)出率、準(zhǔn)確度、精密度及內(nèi)部密碼抽查進(jìn)行質(zhì)控，其中報(bào)出率均為100%，準(zhǔn)確度和精密度合格率均為100%，pH絕對(duì)偏差小于0.1。形態(tài)分析樣品準(zhǔn)確度達(dá)100%，隨機(jī)抽取30%樣品檢驗(yàn)精密度，除碳酸鹽態(tài)合格率為92%外，其他形態(tài)合格率均為100%。測(cè)試數(shù)據(jù)質(zhì)量達(dá)到規(guī)范要求。

2.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010 軟件，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和圖表制作，變量之間的相關(guān)性采用SPSS 22.0 軟件Pearson 相關(guān)系數(shù)和雙尾顯著性檢驗(yàn)完成。目前，國(guó)內(nèi)沒(méi)有統(tǒng)一的水果富硒標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合多個(gè)地方標(biāo)準(zhǔn)，本文以水果中硒含量達(dá)0.01～0.05 mg/kg，即為富硒水果。

3 結(jié)果與分析

3.1 根系土中元素地球化學(xué)特征

研究區(qū)山楂和柿子根系土中元素或指標(biāo)含量特征如表1所示。與青州市表層土壤(0～20 cm)背景值[11]相比，除Hg元素相對(duì)貧化，其他元素或指標(biāo)相對(duì)富集，表明了青州典型碳酸鹽巖區(qū)土壤Se、有機(jī)質(zhì)和其他重金屬等元素或指標(biāo)存在次生富集，pH的高背景顯示土壤呈現(xiàn)堿性。變異系數(shù)=標(biāo)準(zhǔn)差/平均值，用以衡量元素或指標(biāo)的分異性，通常認(rèn)為變異系數(shù)小于0.16為弱變異，0.16～0.36為中等變異，大于0.36為強(qiáng)變異[12]。pH、Cr、Ni 離散程度低，變化??；Cd、As、CEC、Hg、Zn 為中等變異，分異性中等，分布較均勻。其他元素或指標(biāo)均為強(qiáng)變異，離散程度高，分異性強(qiáng)。

表1 根系土各元素或指標(biāo)含量特征

3.2 根系土硒元素形態(tài)特征

硒在土壤中以不同的結(jié)合態(tài)存在，主要有水溶態(tài)、離子交換態(tài)、碳酸鹽態(tài)、腐植酸態(tài)、鐵錳氧化態(tài)、強(qiáng)有機(jī)態(tài)及殘?jiān)鼞B(tài)。土壤中作物可吸收的硒，即硒的有效態(tài)，主要取決于土壤中水溶態(tài)、離子交換態(tài)及碳酸鹽態(tài)硒的總量，但有效硒與這3 種結(jié)合態(tài)硒又存在一定的差異，土壤中其他形態(tài)的硒不利于植物吸收利用，一般為土壤中膠體（鐵、鋁和錳的氧化物）和有機(jī)質(zhì)組分所富集。按照前人簡(jiǎn)化分類元素形態(tài)，將水溶態(tài)、離子交換態(tài)、碳酸鹽態(tài)劃為易利用態(tài)，將腐植酸態(tài)、鐵錳氧化態(tài)劃為中等利用態(tài)，將強(qiáng)有機(jī)態(tài)、殘?jiān)鼞B(tài)劃為惰性態(tài)[13]，研究區(qū)根系土硒的7 種形態(tài)含量占比如圖2 所示，各形態(tài)含量排序?yàn)椋簭?qiáng)有機(jī)態(tài)＞殘?jiān)鼞B(tài)＞腐殖酸態(tài)＞碳酸鹽態(tài)＞離子交換態(tài)＞水溶態(tài)＞鐵錳氧化態(tài)。可見(jiàn)，研究區(qū)根系土硒形態(tài)以強(qiáng)有機(jī)結(jié)合態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)為主，其次為腐殖酸態(tài)硒，易利用態(tài)硒含量低。研究區(qū)根系土中提取的有機(jī)態(tài)硒由強(qiáng)有機(jī)態(tài)和腐殖酸態(tài)組成，所占7 種硒形態(tài)總量的59.27%，顯著高于何振立等研究得出的中國(guó)幾種土壤中有機(jī)態(tài)硒占28.42%的[14]，說(shuō)明研究區(qū)根系土硒的富集與有機(jī)質(zhì)關(guān)系密切。在基巖風(fēng)化形成土壤的過(guò)程中，植物腐殖化和微生物作用導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)與硒形成絡(luò)合物，影響硒的存在形態(tài)[15]。

3.3 根系土硒元素影響因素

有學(xué)者認(rèn)為有機(jī)質(zhì)本身含有機(jī)硒，并起到對(duì)土壤硒的吸附固化作用，從而直接影響土壤硒的總量[16-17]。采用SPSS軟件計(jì)算根系土Se與土壤重金屬及理化指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)及顯著性差異檢驗(yàn)如表2所示。按相關(guān)系數(shù)(R)的大小描述相關(guān)性強(qiáng)弱，R取絕對(duì)值后，R＜0.1為不相關(guān)，0.1≤R＜0.3為弱相關(guān)，0.3≤R＜0.5為中等相關(guān)，0.5≤R＜1.0 為強(qiáng)相關(guān)。Se 與Cu、Zn 的相關(guān)性在0.05水平顯著，為中等相關(guān)；Se與Cd、Hg、CEC、有機(jī)質(zhì)的相關(guān)性在0.01 水平顯著，除與CEC 為中等相關(guān)外，其他為強(qiáng)相關(guān)，尤其與有機(jī)質(zhì)相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.908，表明了有機(jī)質(zhì)對(duì)Se的顯著性影響，在土壤垂直剖面中也顯示了高度相似的變化趨勢(shì)（圖3），這也驗(yàn)證了前人觀點(diǎn)。另外Se 與Cu、Zn、Cd、Hg 為親硫元素，地球化學(xué)性質(zhì)相近，其遷移富集規(guī)律亦相近，在土壤中具有顯著相關(guān)性。前人研究認(rèn)為土壤pH對(duì)堿性土壤Se含量影響甚微[18]，與本次研究結(jié)果一致。相關(guān)線性關(guān)系見(jiàn)圖4。

圖3 土壤垂直剖面Se與有機(jī)質(zhì)含量特征

圖4 根系土Se與各元素或指標(biāo)相關(guān)性散點(diǎn)圖

表2 根系土中Se與各元素或指標(biāo)相關(guān)系數(shù)

3.4 硒在山楂和柿子中的富集特征及影響因素

柿子對(duì)Se元素的吸收效率用富集系數(shù)來(lái)表示，富集系數(shù)=果實(shí)中Se 元素的濃度/Se 元素在根系土中的濃度，它在一定程度上反映著根系土-植物系統(tǒng)中元素遷移的難易程度，說(shuō)明元素在植物體內(nèi)的富集情況[19-20]。由表3可知，山楂和柿子中Se富集系數(shù)均值分別為2.20%和1.49%，山楂中Se平均含量為0.005 mg/kg，柿子中Se 平均含量為0.0026 mg/kg，對(duì)比發(fā)現(xiàn)山楂中Se含量相對(duì)較高，若以Se含量0.01～0.05 mg/kg劃定為富硒水果，山楂中有3 件樣品達(dá)到富硒，富硒率為17.65%，柿子均未達(dá)到富硒。山楂和柿子根系土中Se含量均值分別為0.27 mg/kg和0.21 mg/kg，按照土地質(zhì)量地球化學(xué)評(píng)價(jià)規(guī)范(DZ/T0295—2016)中劃定的土壤Se含量等級(jí)，多數(shù)屬于足硒土壤。

表3 山楂和柿子硒元素富集特征

通常認(rèn)為果實(shí)中Se 含量與土壤理化性質(zhì)或多種元素指標(biāo)有密切關(guān)系[21]，通過(guò)分析果實(shí)中Se元素和根系土重金屬及理化指標(biāo)相關(guān)性發(fā)現(xiàn)（表4），相關(guān)性在0.01 和0.05 水平均未達(dá)到顯著，表明在研究區(qū)內(nèi)根系土重金屬及理化指標(biāo)并未對(duì)山楂和柿子中Se 含量起決定性影響。通過(guò)分析Se 富集系數(shù)與根系土重金屬及理化指標(biāo)相關(guān)性發(fā)現(xiàn)，山楂和柿子中Se的富集系數(shù)與根系土Se 和有機(jī)質(zhì)相關(guān)性顯著，并達(dá)到強(qiáng)負(fù)相關(guān)（表5、圖5），也印證了前面的結(jié)論，即有機(jī)質(zhì)吸收固化Se，同時(shí)提升土壤Se的含量水平，但也降低了Se的生物可利用性，故山楂和柿子中Se的富集系數(shù)與根系土有機(jī)質(zhì)呈強(qiáng)負(fù)相關(guān)，而與根系土Se同時(shí)呈強(qiáng)負(fù)相關(guān)主要是由于有機(jī)質(zhì)顯著影響根系土Se的總量。

圖5 根系土Se和有機(jī)質(zhì)與Se富集系數(shù)相關(guān)性散點(diǎn)圖

表4 果實(shí)中Se與根系土中各元素或指標(biāo)相關(guān)系數(shù)

表5 Se富集系數(shù)與根系土中各元素或指標(biāo)相關(guān)系數(shù)

4 結(jié)論

（1）研究區(qū)土壤中Se 元素相對(duì)富集，但主要以強(qiáng)有機(jī)態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)存在，易利用態(tài)Se含量低。有機(jī)質(zhì)對(duì)土壤Se起吸附固化作用，有機(jī)質(zhì)的相對(duì)富集同時(shí)影響了土壤Se的存在形態(tài)。

（2）山楂中Se 平均含量為0.005 mg/kg，柿子中Se平均含量為0.0026 mg/kg，山楂中有3 件樣品達(dá)到富硒，富硒率為17.65%，柿子均未達(dá)到富硒。山楂和柿子中Se富集系數(shù)均值分別為2.20%和1.49%。影響山楂和柿子中Se富集系數(shù)的關(guān)鍵因素為有機(jī)質(zhì)，有機(jī)質(zhì)吸收固化Se，提高土壤Se含量，同時(shí)降低Se的生物可利用性。

（3）關(guān)于有機(jī)質(zhì)相對(duì)貧化地段，山楂和柿子等喬木類果實(shí)對(duì)Se元素的吸收富集規(guī)律，有待進(jìn)一步對(duì)比研究。