恩施富硒土壤區綠色富硒農作物篩選研究

袁知洋, 許克元, 黃 彬, 李春誠, 夏 偉, 段碧輝, 潘 飛,王天一, 趙 敏, 閆加力

(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; 3.湖北省地質局 第二地質大隊,湖北 恩施 445000)

恩施州是中國乃至全世界富硒土壤資源最為豐富的地區[1],恩施地處鄂西南,山地為主,土地資源較為珍貴,農業是恩施的支柱產業,特別是近年來富硒特色農業給恩施帶來了巨大的經濟效益[2],富硒土壤往往能種植出富硒農產品,但是許多恩施富硒土壤或者富硒地層經調查研究,發現其富硒的同時還高鎘[3],由于不同農作物對土壤硒鎘的吸收有差異,為了弄清楚恩施富硒地區的農作物硒鎘含量的特征,基于這些特征指標進行常規對比和聚類分析,且進一步進行細化到農作物富硒低鎘含量區間篩選,從而初步篩選出恩施富硒高鎘土壤區的富硒低鎘農作物,本研究的意義主要體現在:一是促進恩施富硒土壤資源的合理利用;二是篩選出富硒低鎘高品質農作物,為恩施富硒農業的科學合理開發提供指導;三是為下一步更多高品質富硒農作物的篩選研究提供思路。

不同農作物對硒鎘的吸收是有差異的,硒往往以代替硫元素的形式被動植物吸收生成硫代氨基酸繼而組成蛋白質,因此蛋白質含量較高的植物容易吸收硒元素,而農作物對鎘的吸收往往沒有選擇性,往往以二價鎘離子形式被農作物根細胞通過離子滲透方式吸收,且運輸過程中不斷和細胞壁接觸而吸收,根系到植物頂端,鎘含量隨高度降低[4-10]。因此也可以初步理解為,當農作物果實吸收各種重金屬元素離子時,越是運輸途徑長,到果實的重金屬含量越少,這僅僅是個物理過程,同時很多研究表明,硒元素往往在動植物體內拮抗鎘的吸收,而且硒鎘拮抗的強弱受農作物和土壤環境的雙重影響[11-13]。因此在富硒高鎘土壤區,農作物的富硒和鎘吸收狀況會有差別,所得的數據篩選出富硒低鎘農作物十分有指導意義。

以恩施州目前已經所做土地質量地球化學調查的區域為切入點,圈出了富硒高鎘土壤區,選擇全州富硒區內采樣分析的農作物數據,選擇在區內常見7大類農作物的農作物硒鎘含量和對應的根系土硒鎘數據,整理分析出農作物硒含量、鎘含量、富硒系數、鎘吸收系數、富硒率、鎘安全率,進一步篩選數據,數據利用拉依達準則(3σ準則)進行異常數據的剔除和篩選,以消除誤差來得到較準確的結果,初步篩選出富硒低鎘農作物,用以實現本文的科研意義。

1 材料與方法

1.1 恩施富硒高鎘土壤區概況

恩施土家族苗族自治州位于湖北省西南部,地處鄂、湘、渝三省(市)交匯處,位于東經108°23′12″～110°38′08″、北緯29°07′10″～31°24′13″。結合恩施州表層土壤硒、鎘元素的土壤地球化學調查數據,選取土壤硒含量超過0.4 mg/kg的網格區域為富硒土壤區,選取不低于輕度土壤鎘超標(Cd≥0.3 mg/kg)的網格區為高鎘土壤區,利用Mapgis67進行圖形疊加,生成新的圖區,形成了恩施州表層富硒高鎘土壤分布圖,如圖1。

圖1 恩施州表層富硒高鎘土壤和材料分布圖Fig.1 Distribution map of soil rich selenium and high cadmium soil in Enshi state1.土豆及其根系土;2.茶葉及其根系土;3.玉米及其根系土;4.水稻及其根系土;5.魔芋及其根系土;6.白菜及其根系土;7.蘿卜及其根系土;8.富硒高鎘土壤區;9.省界和市界線;10.縣界線;11.鎮級界線。

1.2 數據的收集和整理分析

通過收集2014—2016年恩施市、宣恩、巴東、建始、鶴峰、來鳳等縣市開展的“金土地”項目中的農作物和根系土數據,加上補充采樣分析數據,篩選采樣點出落在富硒高鎘土壤區樣品主要為土豆170件,茶葉169件,玉米247件,水稻119件,魔芋35件,白菜70件,蘿卜90件。根據《土地質量地球化學評價規范》(DZT 0295—2016)的土壤硒含量分級以及參照《土壤環境質量標準》(GB 15618—1995)鎘超標分級。顯示農作物根系土大多數含硒都在0.4 mg/kg的富硒土壤標準之上,農作物根系土鎘含量大多在輕度超標以上。利用拉依達準則(3σ準則)進行數據的剔除和篩選,然后利用SPSS和Origin進行數據分析和聚類分析,圖文編輯全部由Excel2016完成。

2 結果與分析

2.1 富硒高鎘土壤區農作物硒鎘特征

在富硒高鎘土壤區,大部分農作物根系土的硒含量處于富硒水平(≥0.4 mg/kg)以上,且大部分根系土壤鎘含量處于輕度超標。篩選后的數據在統計分析前采用拉依達準則法(3δ)將所有鎘異常數據和硒含量異常數據對應清除,然后再進行分析對比,恩施富硒高鎘土壤區農作物中硒含量特征如表1;硒的均值含量依次排序(圖2):水稻籽粒>玉米籽粒>茶葉葉片>蘿卜塊莖>魔芋塊根>白菜莖葉>土豆塊根,含量均值從0.431 6～0.015 9 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Table 1 Characteristic values of selenium contents in edible parts of main crops in the study area

圖2 富硒高鎘土壤區農作物可食部位硒含量均值對比Fig.2 Comparison of selenium content in edible parts of crops in selenium rich and high cadmium soil area

研究區主要農作物可食部位鎘元素含量特征值列于表2,如表2所示,除了魔芋和大米的鎘含量都較高外,其他農作物可食部位的鎘含量較為穩定且相對較低。

如圖3,農作物可食部位鎘的均值含量依次排序:魔芋塊根>水稻籽粒>茶葉葉片>土豆塊根>白菜莖葉>蘿卜塊莖>玉米籽粒,含量均值0.201 6～0.036 9 mg/kg依次遞減。

2.2 農作物的富硒低鎘含量分布情況

本研究農作物的品質體現在硒含量,而安全性由其鎘含量確定,在對比富硒高鎘土壤區的主要農作物可食部位的品質和安全性時,通過分析可食部位的硒和鎘含量數據散點分布,初步設定以鎘含量不超過《食品中污染物限量》(GB 2762—2012)以及《糧食(含谷物、豆類、薯類)及制品中鉛、鎘、鉻、汞、硒、砷、銅、鋅等八種元素限量》(NY 861—2004)標準的限值(如表3),以及采用湖北省地方富硒食品標準《富硒有機食品硒含量要求標準》玉米、水稻、蔬菜、薯類等的最低富硒標準為0.2 mg/kg,滿足此兩類條件為綠色富硒農產品(如表4),發現優質區間中硒平均含量最高和鎘平均含量最低都是玉米(硒平均含量為1.209 2 mg/kg;鎘平均含量為0.050 3 mg/kg),其次是水稻,優質區間和玉米表現十分類似,在區間分布圖4-圖10中,發現水稻的高鎘樣點明顯多于玉米,且水稻的高鎘樣點的鎘平均含量明顯高于玉米,但是水稻的綠色富硒率占比最高,達到27.83%,但玉米也達到了18.99%,說明土豆在綠色富硒區間的表現相對最弱。因此可以知道在綠色富硒區間內初步篩選出前兩名綠色富硒農作物為玉米和水稻,茶葉和蘿卜次之。

表2 研究區主要農作物可食部位鎘元素含量特征值表Table 2 Characteristic value list of cadmium content in edible parts of main crops in the study area

圖3 富硒高鎘土壤區農作物可食部位鎘含量均值對比Fig.3 Comparison of cadmium content in edible parts of crops in selenium rich and high cadmium soil area

表3 農作物質量評價指標及標準限值(mg/kg)Table 3 Crop quality evaluation criteria and standard limits

指標Cd引用標準標準限值水稻≤0.2玉米≤0.2土豆≤0.1魔芋≤0.1蘿卜≤0.1白菜≤0.2茶葉≤1《食品中污染物限量》(GB 2762—2012)以及《糧食(含谷物、豆類、薯類)及制品中鉛、鎘、鉻、汞、硒、砷、銅、鋅等八種元素限量》(NY 861—2004)

表4 農作物的富硒低鎘分布情況Table 4 Distribution of selenium rich and low cadmium in crops

2.3 富硒高鎘土壤區農作物種植品種的優選

通過分析研究恩施富硒高鎘區土壤區主要農作物可食部位的硒鎘含量特征,優質區間分布,及其和根系土的硒鎘效應,結合從農作物的含硒均值、含鎘均值、土壤硒的富集系數、對土壤鎘的富集系數、農作物的富硒率、鎘安全率、在優質區間的硒鎘含量表現。如表5。

圖4 富硒高鎘土壤區中土豆塊莖的優質區間分布狀況圖Fig.4 Map of quality interval distribution of potato tubers in high selenium and high cadmium soil area

圖5 富硒高鎘土壤區中玉米籽粒的優質區間分布狀況圖Fig.5 Map of quality distribution of maize grain in selenium rich and high cadmium soil area

按照農作物的硒含量、鎘的安全性、硒鎘的吸收能力強弱性等指標為篩選依據,通過SPSS系統聚類分析,如表6和圖11作物的篩選情況如下。

經過四輪分類,第一輪:魔芋單獨一類;二類為茶葉、水稻、玉米、蘿卜、白菜、土豆;從相似矩陣和樹狀圖上看,魔芋的各項數據和其他農作物之間的相對組間距離最長,在做分類第一類,其余為一大類。魔芋是典型的低硒高鎘農作物。第二輪:一類為魔芋;二類為水稻;三類為玉米、茶葉;四類為土豆、蘿卜、白菜。結合水稻的硒鎘數據以及相似矩陣和樹狀圖上看,水稻的單獨分類出來,主要表現在即水稻的含硒量最高,但是含鎘量也最高。第三輪:一類為魔芋;二類為水稻;三類為土豆;四類為玉米、茶葉;五類為蘿卜和白菜。土豆從蘿卜、白菜中分離出來形成一類,因為這組里面土豆的含鎘情況和蘿卜白菜相似,但是含硒量較蘿卜白菜少,是7大農作物中最低硒的農作物。第四輪:一類為魔芋;二類為水稻;三類為土豆;四類為玉米;五類為茶葉;六類為蘿卜、白菜。玉米和蘿卜的相似性十分明顯。本次分類主要是只有七種農作物,種類樣本相對較少,因此選取三輪分類,即最終分類結果:一類為魔芋;二類為水稻;三類為土豆;四類為玉米、茶葉;五類為蘿卜和白菜。

圖6 富硒高鎘土壤區中茶葉葉片的優質區間分布狀況圖Fig.6 Distribution of quality leaves of tea leaves in selenium rich soil area

圖7 富硒高鎘土壤區中水稻籽粒的優質區間分布狀況圖Fig.7 Map of quality distribution of rice grains in selenium rich soil area

圖8 富硒高鎘土壤區中魔芋塊根的優質區間分布狀況圖Fig.8 Map of quality distribution of Amorphophallus konjac root zone in selenium rich soil area

圖9 富硒高鎘土壤區中白菜莖葉的優質區間分布狀況圖Fig.9 Distribution of quality intervals of stems and leaves of Chinese cabbage in selenium rich soil area

綜合上述農作物優質區間對比、聚類分析以及前文中關系農作物硒鎘含量情況、農作物硒鎘吸收規律、富硒情況和鎘超標情況和農作物硒鎘效應規律,初步篩選出玉米、茶葉為本次富硒高鎘土壤區富硒較好但鎘含量偏低的優質農作物,篩選出的優質農作物排序依次是玉米≥茶葉>水稻>白菜>蘿卜>土豆>魔芋,特別是玉米富硒能力強且鎘含量較低,鎘超標率較低,而土豆和魔芋富硒能力較弱,富鎘能力較強,鎘超標較嚴重,因此魔芋和土豆不適宜在富硒高鎘土壤區種植。

表5 主要農作物的篩選指標原值Table 5 The original value of the screening index for major crops

表6 主要農作物近似矩陣Table 6 Approximate matrix of main crops

圖10 富硒高鎘土壤區中蘿卜塊莖的優質區間分布狀況圖Fig.10 Quality distribution map of radish tubers in selenium rich and high cadmium soil area

圖11 主要農作物聚類分析樹狀圖Fig.11 Dendrogram of cluster analysis of main crops

3 結論與討論

3.1 結論

本次研究初步篩選出玉米、茶葉為恩施州富硒高鎘土壤區富硒較好但鎘含量偏低的優質農作物,篩選結果依次是玉米、茶葉、水稻、白菜、蘿卜、土豆、魔芋,特別是玉米富硒能力強且鎘含量較低,鎘超標率較低,而魔芋低硒高鎘,土豆鎘超標率較高,因此魔芋和土豆不適宜在富硒高鎘土壤區種植。

3.2 討論

從本研究的結果上看,玉米和茶葉成為綠色富硒農作物,通過文獻的查閱,可能是玉米對鎘離子的吸收和運輸主要是在根系和莖稈上,而玉米含有的硫代蛋白含量相對較高,而茶葉對硒的吸收弱于玉米,但是茶葉對鎘的吸收比玉米還少,除了茶葉的莖較長,恩施茶葉往往在巴東組地層上的偏酸性紫紅土壤上生長較好,此地層硒鎘含量較低;而魔芋和土豆這樣可食部位直接接觸土壤的塊根植物,對重金屬的吸收十分直接和迅速。

恩施富硒高鎘土壤區進行農作物種植時應當做好農業規劃,可以發展特色高山富硒茶葉、高山玉米等,以及富硒深加工等,進一步調查研究應該關注農作物的品種篩選,同一類農作物不同品種對硒、鎘的吸收有所差異,可以通過品種的篩選進一步細化種植。