汪 丹, 王龍艷, 楊良哲, 張陽(yáng)陽(yáng), 王 瑜, 周 偉, 王夢(mèng)園

(1.湖北省地質(zhì)科學(xué)研究院(湖北省富硒產(chǎn)業(yè)研究院)，武漢 430034；2.湖北省硒生態(tài)環(huán)境效應(yīng)檢測(cè)中心，武漢 430034；3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)，武漢 430074)

【研究意義】硒(Selenium,Se)是人體必需的微量元素，具有抗氧化、活化免疫系統(tǒng)、預(yù)防癌癥等作用[1]。由于人體中的Se主要通過食物攝入，為社會(huì)缺Se人群提供富硒產(chǎn)品，是解決Se元素缺乏問題的主要途徑[2]。湖北省恩施州被國(guó)際組織譽(yù)為“世界硒都”，Se資源集多樣性、豐富性于一身[3]。富硒耕地作為富硒農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)的主要場(chǎng)所，其土壤富硒程度是決定農(nóng)產(chǎn)品是否富硒的決定性因素?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】關(guān)于土壤富硒程度表征的指標(biāo)選取問題，有學(xué)者認(rèn)為采用土壤總Se含量能夠表征土壤富硒程度及其對(duì)生產(chǎn)富硒農(nóng)產(chǎn)品的影響[4-5]；隨著研究的逐漸深入，大量學(xué)者發(fā)現(xiàn)土壤有效態(tài)Se含量比總Se含量更符合Se元素從土壤到植物的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，采用土壤有效態(tài)Se含量來表征土壤富硒程度更加科學(xué)[6-7]。然而有效Se的形態(tài)組成復(fù)雜多變，不同形態(tài)、組成的有效Se對(duì)于Se元素在“土壤-植物”系統(tǒng)中的遷移轉(zhuǎn)化效率的影響存在較大差異[8]，有待進(jìn)一步研究。研究顯示，恩施地區(qū)內(nèi)土壤中Se元素與Cd元素具有較強(qiáng)的伴生關(guān)系[9]，土壤中Cd含量高為種植農(nóng)產(chǎn)品帶來了極大的安全隱患[10]。各國(guó)學(xué)者對(duì)植物中Se與Cd的相互作用進(jìn)行過許多研究，一方面Se是植物體內(nèi)抗氧化系統(tǒng)的重要組成成分，能明顯改善Cd誘發(fā)的脂質(zhì)過氧化反應(yīng)，減輕Cd元素對(duì)植株的毒害；另一方面Se與金屬有很強(qiáng)的親和力，可在體內(nèi)與Cd結(jié)合成金屬硒蛋白復(fù)合物，從而可降低Cd的毒性作用[11]，合理利用土壤Se資源，對(duì)減少Cd造成的健康隱患具有重要意義。此外，噴施Se肥能夠?qū)r(nóng)作物果實(shí)等地上部分中的Cd形成拮抗作用[12-13]，并提高植物抵御Cd脅迫的能力[14]。【本研究切入點(diǎn)】由于前人對(duì)土壤中Se的研究主要集中在總Se含量、Se的分布特征及其影響因素方面[15-17]，針對(duì)Se有效態(tài)及其影響因素方面研究較少。土壤中的Se以無機(jī)態(tài)(-2，0，+4，+6)和有機(jī)態(tài)Se形態(tài)存在，且表現(xiàn)出不同的化學(xué)和生物特性[18]，直接影響植物對(duì)Se的吸收。本研究深入剖析在不同形態(tài)、組成下的有效Se對(duì)Se元素在“土壤-植物”系統(tǒng)中的遷移轉(zhuǎn)化效率的影響，以及Se-Cd之間的拮抗或者協(xié)同作用。【擬解決的關(guān)鍵問題】研究對(duì)正確評(píng)價(jià)富硒地區(qū)土壤中Se的狀況，如何安全利用土壤中的Se元素及促進(jìn)農(nóng)作物對(duì)Se的吸收富集及生產(chǎn)出符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、當(dāng)?shù)貥?biāo)準(zhǔn)的富硒農(nóng)產(chǎn)品具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

供試馬鈴薯及其配套根系土樣品各30組，分別采自建始縣、龍鳳鎮(zhèn)、沐撫鎮(zhèn)、新塘鄉(xiāng)等地(圖1)。馬鈴薯鮮樣于收獲期采集，樣重2 kg。以0.1～0.3km2為采樣單元，在采樣單元內(nèi)選取5～20個(gè)植株，采集根實(shí)，植株連根帶泥一同挖起，去掉根系和葉。將采集好的樣品及時(shí)裝入保鮮袋中。樣品帶回室內(nèi)后，洗凈、晾干水分后備用。將馬鈴薯根系部位的原始新鮮土壤，去除雜草、草根、礫石、磚塊、肥料團(tuán)塊等雜物后，采集對(duì)應(yīng)的土壤樣品。原始樣重2 kg，風(fēng)干后保存。

審圖號(hào)：GS(2019)1822號(hào)圖1 采樣點(diǎn)位置Fig.1 Location of sampling points

1.2 樣品分析

1.2.1 馬鈴薯Se含量測(cè)試 依據(jù)《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)——食品中硒的測(cè)定》(GB 5009.93—2017)測(cè)定農(nóng)作物中Se含量。

1.2.2 馬鈴薯Cd含量測(cè)試 依據(jù)《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)——食品中鎘的測(cè)定》(GB 5009.15—2014)測(cè)定農(nóng)作物中Cd含量。

1.2.3 土壤Se含量測(cè)試 依據(jù)《土壤和沉積物 汞、砷、硒、鉍、銻的測(cè)定——微波消解/原子熒光法》(HJ680—2013)測(cè)定土壤中Se含量。

1.2.4 土壤有效Se含量測(cè)試 建立了HPLC-ICP-MS的硒形態(tài)分析方法：稱取2 g土壤放入50 mL離心管，加入土壤Se形態(tài)浸提劑磷酸二氫鈉20 mL。放置恒溫水浴振蕩器上在20 ℃下250 r/min震蕩120 min，然后8000 r/min離心5 min。將上層清液過0.45 μm濾膜，倒入新的50 mL離心管中，放置于4 ℃環(huán)境中冷藏待測(cè)。

1.2.5 土壤Cd含量測(cè)試 依據(jù)《全國(guó)土壤污染狀況詳查-土壤樣品分析測(cè)試方法技術(shù)規(guī)定》測(cè)試土壤中Cd含量。

1.2.6 土壤有效Cd含量測(cè)試 依據(jù)《土壤質(zhì)量有效態(tài)鉛和鎘的測(cè)定——原子吸收法》(GB/T 23739—2009)測(cè)定土壤中有效Cd含量。

1.3 數(shù)據(jù)處理

統(tǒng)計(jì)前對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行異常值篩除，采用MAPGIS 6.7軟件繪制采樣點(diǎn)位置圖，采用SPSS軟件進(jìn)行圖件繪制以及Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 馬鈴薯及其根系土Se、Cd含量狀況

2.1.1 馬鈴薯與根系土Se含量狀況 在恩施州富硒地區(qū)采集馬鈴薯和根系土樣品各30件，分別采自建始縣、龍鳳鎮(zhèn)、沐撫鎮(zhèn)、新塘鄉(xiāng)等地。馬鈴薯富硒評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)參照湖北省食品安全地方標(biāo)準(zhǔn)《富有機(jī)硒食品硒含量要求》(DB42/002—2014)和陜西省地方標(biāo)準(zhǔn)《富硒食品與其相關(guān)產(chǎn)品硒含量標(biāo)準(zhǔn)》(DB61/T556—2012)，規(guī)定富硒馬鈴薯標(biāo)準(zhǔn)參考值Se≥0.02 mg/kg。土壤富硒評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)參照《土地質(zhì)量地球化學(xué)評(píng)價(jià)規(guī)范》(DZ/T0295—2016)，規(guī)定富硒土壤標(biāo)準(zhǔn)參考值Se≥0.4 mg/kg。

從表1可知，所采集馬鈴薯樣品Se含量范圍為0.002～2.332 mg/kg，平均值為0.318 mg/kg。有16件樣品達(dá)到富硒標(biāo)準(zhǔn)，富硒占比53.33%。根系土樣品Se含量范圍為0.211～11.020 mg/kg，平均值為1.777 mg/kg，遠(yuǎn)高于恩施州土壤Se元素背景值(0.408 mg/kg)。25件土壤達(dá)到富硒標(biāo)準(zhǔn)，富硒占比83.33%，表明研究區(qū)富硒土壤資源優(yōu)越。此外，發(fā)現(xiàn)富硒馬鈴薯對(duì)應(yīng)的根系土Se全部達(dá)到富硒標(biāo)準(zhǔn)，馬鈴薯樣品Se含量最高時(shí)，對(duì)應(yīng)的根系土樣品Se含量也最高，都位于恩施新塘鄉(xiāng)。可見土壤富硒是農(nóng)作物富硒的必要條件，而新塘鄉(xiāng)和沐撫鎮(zhèn)大量分布的富硒巖層——二疊系炭質(zhì)頁(yè)巖，風(fēng)化后形成富硒土壤，是該地土壤中Se含量極高的主要因素。

表1 馬鈴薯及其根系土Se和Cd含量統(tǒng)計(jì)

2.1.2 馬鈴薯與根系土Cd含量狀況 根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中華人民共和國(guó)《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中污染物限量》(GB2762—2012)中所示的限量指標(biāo)及本次農(nóng)作物樣品的分析指標(biāo)，馬鈴薯塊莖Cd標(biāo)準(zhǔn)限值為0.1 mg/kg。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《食品農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》(HJ332—2006)，土壤Cd標(biāo)準(zhǔn)限值為0.3 mg/kg。馬鈴薯Cd含量范圍為0～0.255 mg/kg(表1)，平均值為0.081 mg/kg，超標(biāo)率達(dá)到30%。土壤Cd含量范圍為0.33～29.11 mg/kg，平均值為7.603 mg/kg，超標(biāo)率達(dá)到100%，高于中國(guó)背景值0.074 mg/kg，高于湖北省Cd背景值(0.114 mg/kg)，可見研究區(qū)土壤中Cd污染嚴(yán)重。

2.1.3 土壤有效態(tài)Se-Cd分布情況 就土壤中有效態(tài)Se和Cd占總Se和總Cd的百分比而言(圖2)，恩施富硒地區(qū)土壤中Se的有效性較低，沐撫鎮(zhèn)和新塘鄉(xiāng)土壤總有效Se含量最高，但僅為3.77%和3.37%。而土壤中Cd的有效性則非常高，例如新塘鄉(xiāng)最高可達(dá)39.18%，建始縣可達(dá)30.35%，在全國(guó)富硒、高鎘地區(qū)中表現(xiàn)極為突出[19]，潛在生態(tài)危害性較大，對(duì)土壤Se資源的開發(fā)利用形成阻礙。

NP問題有好多個(gè)，裝箱問題是其中一個(gè)。設(shè)有體積分別為T1,T2,T3,……Tn的m種貨品要裝容量為c的箱子里。采用不同裝箱方法所需的箱子數(shù)可能不同[1]。要解決的問題是如何使用最少的箱子數(shù)將這m種貨品裝進(jìn)去。裝箱問題是NP問題，這是不容易得到一個(gè)最佳的解決方案，為了比較快速得到滿意解，近似算法經(jīng)常被使用。常見的算法[2]：NF(Next Fit)近似算法，BF(Best Fit)算法，BFD(Best Fit Deceasing)算法，F(xiàn)F(First Fit)近似算法，F(xiàn)FD(First Fit Decreasing)近似算法等。

圖2 土壤中有效態(tài)Se和Cd占總Se和總Cd百分比Fig.2 The percentage of available Se and Cd in the soil to the total Se and total Cd

2.2 馬鈴薯與根系土Se相關(guān)關(guān)系

2.2.1 馬鈴薯Se含量與土壤總Se相關(guān)關(guān)系 為考察土壤Se含量對(duì)農(nóng)作物含Se高低的影響，研究農(nóng)作物吸收轉(zhuǎn)化Se的規(guī)律，對(duì)馬鈴薯塊莖部分Se含量與土壤Se含量數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，然后利用SPSS 20軟件分析其相關(guān)性，結(jié)果顯示，二者呈現(xiàn)出明顯的正相關(guān)關(guān)系(圖3)，馬鈴薯Se含量隨著土壤中Se含量的增加而增加。這與已有研究結(jié)果土壤表層Se含量高，產(chǎn)出農(nóng)產(chǎn)品Se含量相應(yīng)較高一致[20]，說明土壤中Se的總量是衡量土壤Se充盈狀態(tài)的重要手段。

圖3 馬鈴薯Se含量與土壤總Se的相關(guān)性Fig.3 Correlation between potato Se content and total soil Se

另一方面，富硒土壤中種植出的富硒馬鈴薯比例僅為64%(16/25)，考慮到?jīng)Q定食物鏈中Se水平的關(guān)鍵因素是土壤中有效Se含量而非全Se含量，需要對(duì)土壤中有效Se的形態(tài)成分及其影響因素、有效Se與馬鈴薯Se含量的關(guān)系進(jìn)行更深入的研究。

2.2.2 馬鈴薯Se含量與土壤有效Se相關(guān)關(guān)系 各富硒地區(qū)土壤有效Se含量變化幅度大，范圍在0.002～0.211 mg/kg，平均值為0.044 mg/kg，土壤有效Se占總Se的比例為0.689%～5.587%，說明恩施富Se地區(qū)土壤Se的有效性整體較低。新塘鄉(xiāng)土壤有效硒含量最高，平均值可達(dá)0.146 mg/kg，其次為沐撫鎮(zhèn)，平均值達(dá)到0.621 mg/kg；最低為龍鳳鎮(zhèn)，僅達(dá)到0.070 mg/kg。

為研究土壤中Se的生物有效性，進(jìn)一步分析馬鈴薯Se與土壤有效Se含量之間的相關(guān)性(圖4)，結(jié)果表明二者存在極強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)K=7.738(R2=0.9368)，說明土壤有效Se更能表征土壤Se的生物有效性，土壤中有效Se含量越高，馬鈴薯中Se的含量越高，為了更準(zhǔn)確的判斷土壤對(duì)作物的供Se能力，應(yīng)該劃分土壤形態(tài)，以有效態(tài)Se來表征土壤的供Se能力。

圖4 馬鈴薯Se含量與土壤有效Se含量的相關(guān)性Fig.4 Correlation between potato Se content and soil available Se content

從土壤總Se和土壤有效Se(Se4+、Se6+、有機(jī)Se)與馬鈴薯Se含量之間的回歸分析結(jié)果來看，有效Se與馬鈴薯Se含量的正相關(guān)性更強(qiáng)，回歸模型的擬合優(yōu)度也更高，說明以土壤有效Se的含量來表征土壤富Se程度比土壤總Se含量更加科學(xué)。然而不同形態(tài)、組成的有效Se對(duì)于Se元素在“土壤-植物”系統(tǒng)中的遷移轉(zhuǎn)化效率的影響存在較大差異，需要進(jìn)行更深入的對(duì)比分析，挖掘有效Se中與馬鈴薯Se含量相關(guān)性最高的成分和組成。

2.3 土壤Se的生物有效性研究

為研究馬鈴薯根系土中的Se形態(tài)分布特征及其有效性，研究了土壤中所提取出的有效Se：Se4+、Se6+、有機(jī)Se、濾渣中的Se形態(tài)和總Se之間的關(guān)系。所有根系土樣品中均有有機(jī)Se和Se4+檢出，部分樣品中有少量Se6+檢出。土壤有效態(tài)中有機(jī)Se占主導(dǎo)地位，占比高達(dá)18.55%～85.66%；其次為Se4+，占比為2.21%～69.84%。Se6+占比最少，且只出現(xiàn)在土壤Se含量>1.9 mg/kg的樣品中。此外，殘?jiān)鼞B(tài)Se也具有一定的占比，范圍在0.24%～54.79%。

從馬鈴薯Se含量與不同形態(tài)的土壤有效Se含量之間相關(guān)關(guān)系來看，Se4+、Se6+、有機(jī)Se都能對(duì)富Se馬鈴薯生產(chǎn)起到顯著的積極作用(圖5)。土壤Se4+能夠強(qiáng)力提升馬鈴薯的Se含量(K=18.173)，但穩(wěn)定性稍差(R2=0.7739)；Se6+對(duì)馬鈴薯的Se含量有著極強(qiáng)的促進(jìn)作用(K=68.391)，穩(wěn)定性也很好(R2=0.8524)，但天然土壤中出現(xiàn)Se6+的概率較低，通過增施硒肥增加土壤中的Se6+含量是馬鈴薯生產(chǎn)中可以突破的重要方向；有機(jī)Se對(duì)馬鈴薯中Se含量增加的促進(jìn)作用與Se4+相近(K=13.444)，但明顯低于有機(jī)Se，但具有極強(qiáng)的穩(wěn)定性(R2=0.8873)，在絕大部分的土壤環(huán)境中均能發(fā)揮有效作用，故有機(jī)Se的含量是Se各有效態(tài)中對(duì)馬鈴薯Se含量最具有代表性的影響因素。

圖5 馬鈴薯Se含量與不同形態(tài)土壤有效Se含量之間的相關(guān)關(guān)系Fig.5 Correlation between potato Se content and soil available Se content of different forms

2.4 馬鈴薯Cd含量與土壤Cd相關(guān)關(guān)系

土壤Cd含量是評(píng)價(jià)土壤Cd污染程度和土壤Cd生物有效性的前提，但大量研究結(jié)果表明，僅以土壤Cd總量并不能很好地預(yù)測(cè)評(píng)估Cd污染程度和土壤Cd生物有效性。只有具有高生物利用度的有效金屬形態(tài)，才是決定Cd在土壤-農(nóng)作物中遷移轉(zhuǎn)換和富硒農(nóng)產(chǎn)品Cd含量的制約因素[21-22]。因此，確定Cd的有效形態(tài)對(duì)于充分了解其遷移轉(zhuǎn)化機(jī)制，判定土壤的污染程度，實(shí)現(xiàn)Cd污染土壤的等級(jí)劃分和安全利用具有十分重要的意義。

分析馬鈴薯Cd含量與土壤有效態(tài)Cd之間的關(guān)系(圖6)可以發(fā)現(xiàn)，根系土有效Cd相對(duì)于土壤總Cd而言，對(duì)馬鈴薯Cd的影響系數(shù)K更高，說明土壤中有效Cd的含量比總Cd含量更能表征土壤中Cd的生物有效性。

圖6 馬鈴薯Cd與土壤Cd、根系土有效Cd含量的相關(guān)關(guān)系Fig.6 Correlation between potato Cd and soil Cd, root soil available Cd content

2.5 土壤Se與馬鈴薯Cd之間的拮抗效應(yīng)

本研究在土壤有效態(tài)Se、Cd含量的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步從有效態(tài)角度考察馬鈴薯中Cd含量與土壤可利用態(tài)Se-Cd摩爾比之間的關(guān)系。如圖7所示，隨著土壤可利用態(tài)Se-Cd摩爾比增大，馬鈴薯Cd含量呈穩(wěn)定下降趨勢(shì)(R2=0.3728)。相對(duì)于直接分析馬鈴薯Cd與土壤Se含量相關(guān)關(guān)系，可清晰分辨出其間存在的閾值效應(yīng)。當(dāng)土壤有效Se含量增加到與有效Cd摩爾比0.15以上后，可以極大地抑制馬鈴薯對(duì)土壤Cd的吸收，二者之間存在強(qiáng)勁的拮抗作用，且當(dāng)土壤中有效態(tài)Se-Cd摩爾比值為0.199時(shí)，拮抗作用的邊際效率達(dá)到最大(此時(shí)y=0.0146x-1.161的曲率最大為2.766)。

圖7 馬鈴薯Cd與土壤可利用態(tài)Se-Cd摩爾比間的相關(guān)關(guān)系Fig.7 Correlation between potato Cd and soil available Se-Cd molar ratio

3 討 論

土壤中廣泛存在Se-Cd伴生的現(xiàn)象，且一直被認(rèn)為是可能給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來重要安全隱患的主要因素之一[23]。然而已有研究證實(shí)通過土壤、葉面施用Se肥的手段，能夠有效抑制植物地上部分Cd吸收[24-25]。同時(shí)，本研究表明，土壤Se(尤其是有效態(tài)Se)對(duì)植物在生長(zhǎng)過程中Cd的吸收具有明顯的拮抗作用。在土壤Se與水稻籽實(shí)中As之間存在拮抗關(guān)系已被證實(shí)的啟示下[26]，廣泛開展“土壤-植物”系統(tǒng)中Se和Cd的生物有效性研究對(duì)實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)安全和生產(chǎn)效率的同步提升具有重要意義。

從本研究“土壤-馬鈴薯”系統(tǒng)中Se和Cd的總含量與有效態(tài)含量的對(duì)比結(jié)果來看，僅用馬鈴薯Cd與土壤中Se含量相關(guān)關(guān)系來衡量土壤-農(nóng)作物系統(tǒng)中Se-Cd耦合效應(yīng)，不足以直觀反應(yīng)土壤中Se對(duì)農(nóng)作物吸收Cd的影響。本研究從土壤可利用態(tài)Se-Cd摩爾比與馬鈴薯Cd含量之間進(jìn)行相關(guān)關(guān)系分析，更能體現(xiàn)土壤中能被生物利用的有效態(tài)Se對(duì)農(nóng)作物吸收土壤中有效態(tài)Cd的拮抗過程。

4 結(jié) 論

(1)馬鈴薯對(duì)Se的富集程度與土壤總Se之間存在正相關(guān)關(guān)系，但土壤有效Se能更好地反應(yīng)土壤對(duì)植物的供Se水平。該規(guī)律同樣適用于土壤-馬鈴薯系統(tǒng)中Cd的遷移。

(2)土壤中Se6+、有機(jī)Se是有效Se各形態(tài)中決定馬鈴薯Se含量的重要因素，Se6+對(duì)馬鈴薯Se含量的提升作用最顯著，但由于樣本量小，統(tǒng)計(jì)學(xué)意義不明顯；有機(jī)Se是提升馬鈴薯Se含量主要和最有效因素。

(3)土壤中有效態(tài)Se-Cd摩爾比與馬鈴薯Cd的關(guān)系相對(duì)于土壤總Se與馬鈴薯Cd的相關(guān)關(guān)系，能更好的表征土壤-馬鈴薯系統(tǒng)中土壤Se與馬鈴薯Cd含量之間的閾值效應(yīng)，土壤中有效態(tài)Se含量達(dá)到0.199時(shí)，對(duì)馬鈴薯吸收土壤中Cd的拮抗作用具有最強(qiáng)邊際效率。

(4)恩施地區(qū)Se資源豐富，通過改變土壤理化性質(zhì)，如提高土壤中有機(jī)質(zhì)含量、土壤pH等，可促進(jìn)農(nóng)作物對(duì)Se的吸收，并對(duì)Cd的吸收形成一定阻斷，實(shí)現(xiàn)Se資源的高效開發(fā)利用。

(5)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)均以土壤總Cd含量作為農(nóng)作物安全生產(chǎn)的依據(jù)，未能考慮土壤-植物系統(tǒng)中Se與Cd間存在的拮抗作用，土壤中有效態(tài)Se對(duì)植物吸收Cd形成的拮抗作用應(yīng)該被納入土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估體系中，從而形成更加科學(xué)和全面的土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)體系和標(biāo)準(zhǔn)。