恩施富硒土壤區主要農作物硒鎘特征以及和根系土硒鎘關系研究

袁知洋, 項劍橋, 吳冬妹, 徐春燕, 黃 彬, 段碧輝, 鄒 輝, 李春誠, 趙 敏

(1.湖北省地質科學研究院,湖北 武漢 430034; 2.湖北省硒生態環境效應檢測中心,湖北 武漢 430034)

恩施富硒土壤區主要農作物硒鎘特征以及和根系土硒鎘關系研究

袁知洋1,2, 項劍橋1, 吳冬妹1, 徐春燕1, 黃 彬1, 段碧輝1, 鄒 輝1,
李春誠1, 趙 敏1

(1.湖北省地質科學研究院,湖北 武漢 430034; 2.湖北省硒生態環境效應檢測中心,湖北 武漢 430034)

為了揭示湖北省恩施州富硒土壤區常見農作物及其根系土含硒、鎘的特征,以恩施市新塘鄉、龍鳳鎮等地區為采樣區塊,對土豆、茶葉、玉米、水稻、魔芋、白菜、蘿卜及其根系土進行采樣,分析每份農作物可食用部位及其根系土的全量元素硒和鎘含量,分析發現:①七大農作物硒的平均含量依次排序為白菜莖葉>水稻籽粒>玉米籽粒>茶葉葉片>魔芋塊根>蘿卜塊莖>土豆塊根,含量均值從0.688 2～0.001 33 mg/kg依次遞減;②采樣農作物鎘的平均含量依次排序為水稻籽粒>魔芋塊根>白菜莖葉>茶葉葉片>土豆塊根>玉米籽粒>蘿卜塊莖,含量均值149.458～31.614 ng/g依次遞減;③水稻和白菜、蘿卜及其根系土的硒鎘相比其他農作物之間關系較為顯著,其他農作物及其根系土硒鎘含量也有不同程度的關聯。

農作物;根系土;硒;鎘;恩施

恩施土家族苗族自治州位于湖北省西南部,是鄂、湘、渝三省(市)的交匯處,恩施被譽為“世界硒都”[1-3],恩施州富硒土壤資源具有六個特點[4-6]:一是富硒土壤成因類型主要為石煤型,其次是燃煤型;二是硒含量高,尤其是恩施市雙河地區;三是分布廣,所轄恩施、利川兩個縣級市和巴東、來鳳、咸豐、建始、鶴峰、宣恩6個縣,均發現大片的富硒土壤;四是出產多種特色富硒農副產品;五是富硒土壤中Cd、Pb等重金屬背景值局部偏高;六是農作物硒、鎘含量很大程度與農作物根系土中的硒、鎘含量關系密切。因此在利用富硒土壤資源進行富硒農作物的種植時,應當注意研究農作物的硒鎘特征及其關系,查明農作物對硒和鎘的吸收情況,強調農作物富硒品質時注意農作物鎘的安全[7-8]。

國內外關于硒鎘在植物和動物體內的吸收關系試驗已經出現較多報道,鐵梅、劉陽、李華為等[9]采用盆栽試驗的方法,研究不同含量的硒、鎘單一和復合作用對蘿卜生長及其對硒、鎘吸收的影響。結果表明:硒能顯著降低蘿卜對鎘的吸收,且這種作用表現為地下部分強于地上部分。因此,在輕度鎘污染的土壤中種植富硒蘿卜,既能生產營養安全的富硒食品,又可實現污染農田的再利用。梁程、林匡飛、張雯等[10]以水稻為試驗材料,采用水培的方法,研究了不同硫(S)濃度下(9.720 mg·L-1)硒(Se)(5 mg·L-1)和鎘(Cd)(1.10 mg·L-1)交互脅迫對水稻幼苗一些生理特性的影響,在無Se條件下,隨著Cd濃度的增加,Cd對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[11]研究施用硒鋅鉬肥料對該地區作物生長及可食部分鎘元素含量的影響具有重要意義,發現硒肥提高了馬鈴薯塊莖和小白菜葉片硒含量,還使鎘含量顯著降低50%以上,因此從文獻得出,大部分情況下農作物及其根系土硒鎘的關系是拮抗關系。

為了探究恩施農作物在富硒地區的硒鎘含量特征,本研究在恩施富硒地塊采集7類典型農作物,同時也對應采集了農作物根系土,在實驗室里得到了相關數據,因此本文以農作物相關富硒標準和鎘安全標準,農作物和土壤硒鎘數據為基礎,旨在為農產品硒、鎘的土壤—農作物轉移關系分析作數據支撐,從而為恩施富硒地區開發安全高品質富硒農產品提供相關指導。

圖1 本次農作物采樣材料分布圖Fig.1 Material distribution map of crops

1 材料與方法

1.1 試驗設計與樣品采集

本次采樣在宣恩縣曉關侗族鄉和恩施新塘鄉內(如圖1),進行農作物及其根系土調查,野外樣品的采集主要為農作物及其根系土壤樣品,采集農作物水稻、茶葉、玉米、魔芋、蘿卜、白菜、土豆樣品共110個,其中水稻、茶葉、玉米、土豆各20個,魔芋、蘿卜、白菜各10個,在實驗室對每個農作物的可食用部分進行分析測試,對應土壤(根系土)全量分析樣品110個,對每一樣方土壤0～40 cm深度進行取樣,帶回實驗室風干后,取出細根、石粒等雜質,碾磨后過0.1 mm孔徑塞制成待測土壤樣品。

1.2 測定及分析方法

(1) 農作物和根系土的全量微量元素硒、鎘均采用原子熒光光譜法[12],在湖北省地質實驗中心測得。

(2) 數據統計和相關分析采用SPSS17.0統計軟件,圖像采用MapGis67、Origin8.1、Excel2016繪制。

(3) 本次農作物硒含量評價將結合稻谷富硒國家標準(GB/T 22499—2008),以及江蘇、江西、湖北等地方富硒農作物硒含量標準,分析評價農作物中的水稻、玉米、土豆、魔芋、蘿卜、白菜。鎘含量標準主要依據中華人民共和國食品安全國家標準《食品中污染物限量》(GB2762—2012)執行。茶葉主要依據《茶葉中鉻、鎘、汞、砷及氟化物限量》(NY659—2003)執行。

2 結果與分析

2.1 農作物硒鎘含量狀況

2.1.1 農作物硒含量狀況

本次收集以及補充采樣農作物種類為7個,分別是土豆、茶葉、玉米、水稻、魔芋、白菜、蘿卜,農作物和根系土資料來自恩施金土地一期和二期項目、宣恩金土地項目一期和二期、巴東縣金土地項目一期、建始縣金土地項目一期、鶴峰縣金土地項目一期、利川金土地項目一期,采樣點在富硒高鎘土壤區的分布情況如圖1。

研究區樣品主要為土豆242件、茶葉266件、玉米318件、水稻165件、魔芋37件、蘿卜106件、白菜86件,每種農作物都有對應的根系土數據,其中對收集的農作物硒含量數據展開分析,數據統計分析前采用拉依達準則法(3δ)剔除異常數據,然后再進行分析對比,本次分析農作物中硒含量特征如表1。

從圖2中得出硒的均值含量依次排序:白菜莖葉>水稻籽粒>玉米籽粒>茶葉葉片>魔芋塊根>蘿卜塊莖>土豆塊根,含量均值從0.688 2～0.001 33 mg/kg依次遞減。

表1 研究區主要農作物可食部位硒元素含量特征值表(mg/kg)Table 1 Value of selenium content in edible parts of main crops in study area

圖2 農作物可食部位硒含量均值對比Fig.2 Average comparison of selenium content in edible parts of crops

2.1.2 農作物鎘含量特征

剔除異常數據后的農作物樣本中,研究區七大農作物可食部位鎘元素含量特征值列于表2,含量狀況以及含量對比顯示如圖3,從表2和圖3中得出七大農作物可食部位鎘的均值含量依次排序:水稻籽粒>魔芋塊根>白菜莖葉>茶葉葉片>土豆塊根>玉米籽粒>蘿卜塊莖,含量均值149.458～31.614 ng/g依次遞減。

2.2 農作物富硒及鎘含量安全性評價

2.2.1 農作物富硒評價

富硒農產品是指農產品中硒含量達到一定水平,且安全無毒副作用,能為特定人群提供一定硒營養的農產品或指硒含量達到富硒標準的食品,即“富硒且安全”。

土豆樣品分別采集于恩施龍鳳鎮、恩施新塘鄉、恩施沐撫辦事處、宣恩縣椒園鎮、宣恩縣珠山鎮、宣恩縣萬寨鄉、巴東縣野三關鎮、建始縣業州鎮、來鳳縣大河鄉、來鳳縣三胡鄉、來鳳縣革勒車鎮,以及補充采樣的恩施宣恩縣曉關侗族鄉山尖坳村,共242個樣品,剔除5個異常數據,其余237個樣品采用江西省地方富硒食品標準《富硒食品硒含量標準》(DBD36/T566—2009)中蔬菜及制品0.01～0.1的標準,對本次采樣土豆富硒情況分四級(表3)。結果表明,在富硒高鎘土壤區所采集土豆硒含量達到富硒標準的樣品為51件,占總量的21.52%,其中大都是集中在二級富硒區間。

表2 研究區主要農作物可食部位鎘元素含量特征值表(ng/g)Table 2 Content table of cadmium content of main crops in the study area

圖3 農作物可食部位鎘含量均值對比Fig.3 Average comparison of cadmium content in edible parts of crops

表3 研究區土豆硒含量分級統計表Table 3 Statistical table of potato selenium content in study area

茶葉樣品分別采集于恩施沐撫鎮、宣恩縣曉關鄉、宣恩縣椒園鎮、宣恩縣珠山鎮、宣恩縣萬寨鄉、建始縣業州鎮、來鳳縣大河鄉、來鳳縣三胡鄉、來鳳縣革勒車鎮、鶴峰縣中營鎮共266個樣品,測試茶葉葉片干劑,剔除6個異常數據,評價標準采用供銷行業2014年10月1日實施的《富硒茶》(GH/T 1090—2014)中的0.2～4.0 mg/kg的標準對本區茶葉富硒情況分四級(表4),結果表明,硒含量一級11件,二級124件,三級共115件,分別占全部樣品數的3.056%、47.69%和44.23%。富硒情況較好,富硒率高達96.15%。

表4 研究區茶葉硒含量分級統計表Table 4 Statistical table of green tea selenium content in study area

玉米樣品全部采集于恩施新塘鄉、恩施龍鳳鎮、恩施沐撫鎮、恩施板橋鎮、宣恩縣椿木營鄉、宣恩縣曉關鄉、宣恩縣椒園鎮、宣恩縣珠山鎮、宣恩縣萬寨鄉、巴東野三關鎮、來鳳縣大河鄉、來鳳縣三胡鄉、來鳳縣革勒車鎮、建始縣業州鎮、鶴峰縣中營鎮總共有314件,測試部位為籽實,剔除異常硒含量數據7個,剩余307個樣品數據參照國家富硒稻谷標準(GB/T 22499—2008)(硒≥0.04 mg/kg),將富硒高鎘土壤區的玉米硒含量劃分為五級(表5),玉米樣品達到富硒標準的為156個,占50.81%。

表5 研究區玉米硒含量分級統計表Table 5 Statistical table of corn selenium content in study area

水稻樣品全部采集于恩施新塘鄉、恩施龍鳳鎮、恩施沐撫鎮、宣恩縣曉關鄉、宣恩縣椒園鎮、宣恩縣珠山鎮、宣恩縣萬寨鄉、來鳳縣大河鄉、來鳳縣三胡鄉、來鳳縣革勒車鎮、建始縣業州鎮。補充采樣于恩施新塘鄉鄉鎮府駐地,一共165個樣品,去除異常數據4個,測試部位為稻米籽實,161個采樣點的稻米硒含量達到國家富硒稻谷標準(GB/T 22499—2008)(硒≥0.04 mg/kg),結合恩施地區水稻含硒量特征,將水稻富硒情況劃分為五級(表6),水稻樣品達到富硒標準的樣品有132件,占81.98%。其中最高級別硒含量的有39件,一級含硒17件,占53.41%。

魔芋樣品采樣位于恩施新塘鄉、恩施宣恩縣椿木營鄉、宣恩曉關鄉,建始縣業州鎮,共采樣36件,采用江西省地方富硒食品標準《富硒食品硒含量標準》(DBD36/T566—2009)中蔬菜及制品0.01～0.1的標準,對本區魔芋富硒情況分四級評價(如表7),此次研究區魔芋樣品有33件達到富硒標準,占91.66%,其中硒含量一級4件,過剩的占8件,占全部樣品數的22.22%。

白菜全部采集于恩施新塘鄉、恩施沐撫辦事處、恩施宣恩縣椿木營鄉、鶴峰縣中營鎮,采樣共86件,剔除異常數據3個,剩余83個,采用江西省地方富硒食品標準《富硒食品硒含量標準》(DBD36/T566—2009)中蔬菜及制品0.01～0.1的標準,對本研究區白菜富硒情況分四級(表8),此次研究區樣品白菜硒含量達到最高級別的有26個,占31.33%,達到富硒標準有50個,占60.24%,但是同樣有33個樣品未達到富硒標準,初步可知白菜含硒的差異性較強。

表6 研究區稻米硒含量分級統計表Table 6 Statistical table of rice selenium content in study area

表7 研究區魔芋硒含量分級統計表Table 7 Statistical table of content of konjak selenium in study area

表8 研究區白菜硒含量分級統計表Table 8 Statistical table of selenium content in Chinesecabbage in study area

蘿卜樣品采集于恩施新塘鄉、恩施龍鳳鎮、恩施沐撫鎮、恩施板橋鎮、宣恩椿木營鄉、鶴峰中營鎮,共106件,剔除異常數據3件,剩余103件,采用湖北省地方富硒食品標準《湖北省關于富硒食品地方標準》(DB42/211—2002)中果蔬類≥0.01的標準,對本區蘿卜富硒情況分三級評價(表9),此次富硒高鎘土壤區蘿卜樣品中達到富硒標準的有30件,占總量的29.13%,未達到富硒標準的有73件,占70.87%,蘿卜普遍不夠富硒。

2.2.2 農作物鎘含量安全性評價

通過剔除異常數據,土豆、茶葉、玉米、水稻、魔芋、蘿卜、白菜每種農作物鎘安全標準和超標情況如表10和圖4所示。在研究區,魔芋塊根含鎘超標率最高,達40%,水稻、白菜、土豆也分別達24.07%、15.48%、10.08%,蘿卜、玉米的鎘超標率分別為3%和2.29%,鎘安全性較好,茶葉最安全,所有樣品未見鎘含量超標。

2.3 七大農作物及其根系土硒鎘元素之間的相關性分析

表9 研究區蘿卜硒含量分級統計表Table 9 Statistical table of selenium content in radish in study area

表10 研究區農作物中鎘元素含量超標統計表Table 10 Statistical table of excessive content of cadmium elements in crops in study area

圖4 農作物富硒率和鎘含量超標率對比Fig.4 Comparison of the rate of selenium enriched Se and the exceeding rate of cadmium Cd content in crops

如表11可知,土豆根系土鎘含量和土豆含硒量表現為中等程度正相關,土豆含鋅量和土豆含鎘量表現為中等程度正相關,其余土豆和土豆根系土各項指標兩兩相關程度表現為相關程度較弱。

如表12,茶葉根系土硒含量和茶葉根系土鎘含量也表現為極強的正相關,茶葉根系土硒含量和茶葉硒含量表現為中等程度正相關;茶葉根系土鎘的含量和茶葉硒含量表現為中等強度的正相關;茶葉硒含量和茶葉鎘含量在茶葉葉片上表現為強的正相關。

表11 土豆根系土和土豆籽實硒鎘元素含量相關系數Table 11 Correlation coefficients of elements in potato and rhizosphere soils

表12 茶葉根系土和茶葉葉片硒鎘元素含量相關系數Table 12 Correlation coefficients of elements in tea and rhizosphere soils

如表13可知,玉米根系土鎘含量和玉米根系土硒含量表現為中等強度正相關。

表13 玉米根系土和玉米籽實元素含量相關系數Table 13 Correlation coefficients of elements in corn and rhizosphere soils

如表14可知,水稻根系土鎘含量和水稻根系土硒含量表現為極強的正相關,和水稻硒含量表現為中等強度的正相關,和水稻鎘含量表現為強的正相關;水稻根系土硒含量和水稻硒含量表現為中等強度的正相關,和水稻鎘含量表現為強的正相關;水稻籽粒硒含量和水稻籽粒鎘含量表現為中等強度正相關。

表14 水稻根系土和水稻籽實元素含量相關系數Table 14 Correlation coefficients of elements in rice and rhizosphere soils

如表15可知,除了魔芋根系土鎘和魔芋根系土硒含量表現為極強的負相關,其余指標之間的相關程度均較弱。

表15 魔芋根系土和魔芋籽實元素含量相關系數Table 15 Correlation coefficients of elements in konjak and rhizosphere soils

如表16可知,白菜根系土鎘含量和白菜根系土硒含量表現為極強的正相關,和白菜硒含量表現為極強的正相關,和白菜鎘含量表現為強的正相關;白菜根系土硒含量與白菜硒含量表現為極強的正相關;白菜硒含量和白菜鎘含量表現為極強的正相關。

表16 白菜根系土和白菜莖葉元素含量相關系數Table 16 Correlation coefficients of elements in Chinese cabbage and rhizosphere soils

如表17可知,蘿卜根系土鎘含量和蘿卜根系土硒含量表現為極強的正相關,和蘿卜鎘含量表現為極強的正相關;蘿卜根系土硒含量與蘿卜鎘含量表現為極強的正相關。

表17 蘿卜根系土和蘿卜塊莖元素含量相關系數Table 17 Correlation coefficients of elements in radish and rhizosphere soils

注:*表示 0.05 的顯著水平;**表示 0.01 的顯著水平。

3 結論與討論

(1) 七大農作物硒的平均含量依次排序:白菜莖葉>水稻籽粒>玉米籽粒>茶葉葉片>魔芋塊根>蘿卜塊莖>土豆塊根,含量均值從0.688 2～0.001 33 mg/kg依次遞減。

(2) 采樣農作物的鎘的平均含量依次排序:水稻籽粒>魔芋塊根>白菜莖葉>茶葉葉片>土豆塊根>玉米籽粒>蘿卜塊莖,含量均值149.458～31.614 ng/g依次遞減。

(3) 各個農作物基本都出現了根系土壤中硒和鎘協同的關系,而農作物體內的硒鎘關系有所差異,水稻和白菜、蘿卜及其根系土的硒鎘相比其他農作物之間協同關系較為顯著,其他農作物及其根系土硒鎘含量也有不同程度的關聯,但是茶葉、土豆硒和鎘含量都較低,土豆和蘿卜鎘含量相對較低,但是富硒概率較低。

綜合前文所述,農作物在含鎘土壤甚至富鎘的土壤中生長,卻能生長出相對較低的鎘含量作物,比如本文研究發現玉米和茶葉,總體鎘超標情況較少,富硒水平也較高,而本文中蘿卜和土豆的鎘安全性高,但是富硒質量一般,初步說明各個農作物對土壤鎘的吸收沒有呈現出規律一致性,與硒的吸收呈現出了差異性,在今后的農產品鎘污染調查上可以重點關注魔芋和水稻。

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The Characteristics of Selenium and Cadmium in Crops and Its Root Soilin the Area of Se and Cd-enriched Soil in Enshi

YUAN Zhiyang1,2, XIANG Jianqiao1, WU Dongmei1, XU Chunyan1, HUANG Bin1,DUAN Bihui1, ZOU Hui1, LI Chuncheng1, ZHAO Min1

(1.HubeiInstituteofGeosciences,Wuhan,Hubei430034; 2.HubeiTestCenterofSeleniumEcologicalEnvironmentEffect,Wuhan,Hubei430034)

In order to reveal the characteristics of selenium and cadmium in common crops and their root soils in SE rich soil region of Enshi Prefecture,Hubei Province,the full amount of selenium and cadmium content of each edible parts of crops such as potatoes,tea,corn,rice,konjak,Chinese cabbage,radish and root soil samples are analyzed.The analysis found that:①the average content of selenium in seven crops is sorted in turn:cabbage leaf>rice grain>corn>tea leaf>konja>Radish tuber>potato tube.The average content decreased from 0.688 2 to 0.001 33 mg/kg in turn.②the average content of cadmium in crops is ranked sequentially:rice grain>konja>cabbage leaf>tea leaf>potato tuber>corn>Radish tuber.The average content decreased from 149.458 to 31.614 ng/g.③selenium and cadmium in rice and cabbage,radish and root soil compared to other crops is a significant relationship between other crops,and root soil selenium and cadmium content also have different degrees of correlation.

crops; root soil; selenium; cadmium; Enshi

S153.6

A

1671-1211(2017)06-0706-07

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2017.06.008

2017-08-21;改回日期2017-10-09

湖北省地質局2016科技項目(KJ2016-8)《恩施富硒高鎘土壤區農作物硒鎘效應研究》。

袁知洋(1988-),男,工程師,農學專業,從事農業地質、地球化學及富硒產業研究。E-mail:yzyjxau@163.com

數字出版網址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.P.20171026.0845.026.html數字出版日期2017-10-26 08:45

于繼紅)