響應面法優化土壤有效硒浸提條件及生物有效性研究

劉淑琴　陳永波　黃光昱　熊倩　張朝陽　陳娥　秦邦　鄒雪園

摘要：以土壤為材料，采用KH2PO4溶液提取土壤中的有效硒。以有效硒的提取量為響應值，浸提液濃度、pH、浸提時間和液料比為自變量，建立數學模型，利用響應面法獲得土壤有效硒的最佳提取條件。結果表明，土壤有效硒的最佳提取條件為浸提液濃度0.5 mol/L，pH 9.9，浸提時間72 min，液料比27∶1，在此優化條件下有效硒提取量為0.56 mg/kg，與響應面分析預測值0.53 mg/kg基本相符。作物盆栽試驗也表明，土壤有效硒的KH2PO4溶液浸提法可以作為評價土壤對作物有效態硒的指標。

關鍵詞：土壤;有效硒;生物有效性;響應面法

中圖分類號：S151.9+3? ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2019）15-0107-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.15.025? ? ? ? ? ?開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Optimization of soil available selenium extraction conditions and

bioavailability by response surface methodology

LIU Shu-qin，CHEN Yong-bo，HUANG Guang-yu，XIONG Qian，

ZHANG Chao-yang，CHEN E，QIN Bang，ZOU Xue-yuan

（Enshi Tujia and Miao Autonomous Prefecture Academy of Agricultural Sciences，Enshi 445000，Hubei，China）

Abstract： Using soil as material， KH2PO4 solution was used to extract available selenium from soil. Taking the available selenium extraction amount as the response value， the extract concentration， pH value， extraction time and liquid sample ratio were independent variables， and the mathematical model was established. The optimal extraction conditions of soil available selenium were obtained by response surface methodology. The results showed that the optimal extraction conditions for soil available selenium were： extract concentration 0.5 mol/L， pH 9.9， extraction time 72 min， liquid sample ratio 27∶1， and the available selenium extraction amount was 0.56 mg/kg under the optimized conditions， which is basically consistent with the response surface analysis predicted value of 0.53 mg/kg. The crop pot experiment showed that the KH2PO4 solution extraction method for soil available selenium can be used as an index to evaluate the soil available for crop selenium.

Key words： soil; available selenium; response surface

硒是人體必需的微量元素，對人類的身體健康具有重要意義，富硒土壤是植物中硒的主要來源之一。硒在土壤中存在的形態有水溶態、可交換態、礦質結合態、有機結合態和殘渣態，其各種硒形態的總和稱為總硒，其中能直接被作物吸收利用的稱為生物有效硒[1-3]。大量的研究報道表明，作物含硒量與土壤總硒沒有顯著的相關性，而與土壤有效硒相關性顯著[4-9]。關于土壤有效硒的研究目前尚沒有統一的測定方法，常用連續浸提或單一浸提的化學法，提取劑有水、CaCl2、NaHCO3、K2SO4、KH2PO4和磷酸鹽緩沖液等[10-15]，對不同類型的土壤有效硒浸提雖沒有形成共識，但一般采用NaHCO3溶液和KH2PO4溶液浸提，溫國燦等[14]在酸性土壤有效硒優化的研究中提出了HCO3-和H2PO4-對土壤硒的提取機理，HCO3-主要是使與硒結合的鐵和鋁水解而釋放出硒，水解性高，提取的硒量也越高，因此提取的硒量未必能很好的反映作物對土壤硒的吸收量，而H2PO4-是通過陰離子交換作用將被吸附在土壤固相表面的硒取代出來，交換所取代的硒在一般土壤條件下也較容易釋放出來，更能代表土壤硒的有效性。因此，本研究采用KH2PO4溶液提取土壤中的有效硒，利用響應面分析法對提取條件進行優化，并進行了盆栽試驗，旨在為土壤有效硒的提取提供理論參考和技術依據。

1? 材料與方法

1.1? 材料

土壤采于湖北省恩施州雙河鎮，土壤類型為壤土，土壤經自然風干后捶碎過60目篩裝于密封袋中，備用。

1.2? 儀器

MDS-15型微波消解儀，SINEO新儀;AFS-930D型原子熒光光度計，北京吉天儀器公司。

1.3? 試劑

磷酸二氫鉀，分析純，國藥集團化學試劑有限公司;硝酸，優級純，天津市科密歐化學試劑有限公司;鹽酸，優級純，天津市科密歐化學試劑有限公司;過氧化氫，分析純，天津恒興化學試劑制造有限公司;硒標準溶液，核工業北京化學冶金研究院;硼氫化鉀，分析純，山東西亞化學工業有限公司。

1.4? 方法

1.4.1? 土壤有效硒的測定? 稱取土壤樣品0.25～1.00 g于離心管中，準確加入0.1～0.8 mol/L的KH2PO4浸提液（pH 4～10）10 mL，在恒溫振蕩器1 500 r/min、30 ℃振蕩30～120 min，3 000 r/min離心15 min，取上清液5 mL于微波消解罐中，加入HNO3 7 mL、H2O2 1 mL進行消解，樣品消解完畢后，取下消解罐，在電熱板上加熱至近干，冷卻后加入5 mL 6 mol/L鹽酸，繼續加熱至溶液清亮無色并伴有白煙出現，冷卻，轉移至10 mL容量瓶中，加入鐵氰化鉀溶液1 mL，用5%鹽酸溶液定容，用氫化物-原子熒光光譜法測定硒含量。

1.4.2? 土壤有效硒的提取響應面試驗? 采用響應面曲面中心組合試驗軟件設計方案進行中心組合試驗，因素與水平見表1。

1.4.3? 盆栽試驗? 供試土壤采自湖北省恩施州天池山，盆栽作物為韭菜，設4個處理，每個處理分別加入亞硒酸鈉0、0.5、1.0、2.0 mg/kg和硒酸鈉0、0.5、1.0、2.0 mg/kg，重復3次，每盆施肥量相等。30 d后采集地上部分，并測定其干態全硒含量（參照GB 5009.93-2017法測定），同時采集盆中土壤，風干后過60目篩以測定有效態硒。

2? 結果與分析

2.1? 響應面試驗有效硒的提取結果

中心組合響應面試驗有效硒提取結果見表2。運用Design-expert 8.05b軟件采用Box-Behnken Design（BBD）設計對表2中數據進行響應面分析，通過多元回歸擬合分析得到模型并進行方差分析，得到土壤中有效硒的優化數學回歸方程為：R=0.49+0.033A+0.056B+0.028C+0.050D-0.005AB+0.012AC-0.005AD-0.029BC-0.021BD+0.017CD-0.019A2+0.007B2-0.027C2-0.027D2。

對模型進行F檢驗和方差分析，結果見表3。由表3方程一次項系數得出，影響土壤有效硒提取率因素的順序為：pH>液料比>浸提液濃度>浸提時間。表3方差結果分析顯示，回歸方程的F值為7.09，P>F項的值小于0.01，說明該模型極顯著，其中A、B、D對整個試驗影響極顯著，C小于0.05，影響顯著。經過響應面分析及回歸模型預測，得到土壤有效硒的最佳提取條件為：浸提液濃度0.52 mol/L，pH 9.94，浸提時間72.21 min，液料比27.44∶1，結合實際操作最終確定為：浸提液濃度0.5 mol/L，pH 9.9，浸提時間72 min，液料比27∶1，有效硒浸提量實際值為0.56 mg/kg，預期值為0.53 mg/kg，說明該模型可以很好地預測土壤有效硒的提取量。

2.2? 不同因素間的響應面分析

模型中各因素間的交互作用如圖1至圖6所示，響應面越陡，表明兩因素間的交互作用越顯著，AC、AD、CD 3個曲面的拋物面均開口向下，表明浸提液濃度、浸提時間和液料比具有極大值點，AB、BC和BD曲面向上，表明浸提液pH還沒有達到最大值。

2.3? 盆栽試驗結果分析

4個處理的盆栽韭菜的含硒量分別為0.67、1.92、3.10、5.01 mg/kg，對應的土壤有效硒分別為0.90、1.17、1.65、1.77 mg/kg，其韭菜含硒量與土壤有效硒含量的相關性見圖7，以土壤有效硒為自變量x，植物干態硒含量作為因變量y進行一元線性回歸分析，線性回歸方程為：y=4.298 9x-3.225 3

韭菜含硒量與土壤有效硒含量的相關系數R2為0.902 6，相關性較好，達到了顯著水平，因此用磷酸二氫鉀提取的硒能反映植物從土壤吸收硒的情況，可以作為土壤有效硒的評價指標。

3? 小結

通過響應面法優選出了土壤有效硒的最佳提取條件，結果表明，土壤有效硒的最佳提取條件為浸提液濃度0.5 mol/L，pH 9.9，浸提時間為72 min，液料比為27∶1，在此優化條件下有效硒提取量為0.56 mg/kg，與響應面分析預測值0.53 mg/kg基本相符。韭菜盆栽試驗也表明，韭菜中的含硒量與土壤有效硒的含量的相關系數達到了0.902 6，由此可以得出，土壤有效硒的KH2PO4溶液浸提法可以作為評價土壤有效態硒的評價指標。

參考文獻：

[1] 侯軍寧，李繼云.土壤硒的形態及有效硒的提取[J].土壤學報，1990，27（4）：405-410.

[2] 魏顯有，劉云惠，王秀敏，等.土壤中硒的形態分布及有效態研究[J].河北農業大學學報，1999，22（1）：20-23.

[3] 吉清妹，潘孝忠，張冬明，等.海南農田土壤有效硒含量與分級及其影響因素[J].廣東農業科學，2016（3）：88-91.

[4] 瞿建國，徐伯興，龔書椿.上海不同地區土壤中硒的形態分布及其有效性研究[J].土壤學報，1998，35（3）：398-403.

[5] 朱建民，毛大均.漁塘壩微地域中玉米硒的分布及其與土壤硒的關系[J].環境科學，1999，28（4）：38-41.

[6] 王兆雙.土壤有效硒提取方法比較及其生物有效性研究[D].武漢：華中農業大學，2014.

[7] 趙成義.土壤硒的生物有效性研究[J].中國環境科學，2004，24（2）：184-187.

[8] 王松山.土壤中硒的形態和價態及生物有效性研究[D].陜西楊凌：西北農林科技大學，2012.

[9] 安夢魚.富硒土壤硒形態轉化的主要影響因子及對作物吸收的研究[D].福州：福建農林大學，2017.

[10] 吳少尉，池? 泉，陳文武，等.土壤中硒的形態連續浸提方法的研究[J].土壤，2004，36（1）：92-95.

[11] 朱? 英，王? 锝，熊玉祥.土壤中有效硒的提取和測定方法[J].資源環境與工程，2009，23（6）：859-862.

[12] 耿建梅，王文斌，羅? 丹，等.不同浸提劑對海南稻田土壤有效硒浸提效果比較[J].土壤，2010，42（4）：624-629.

[13] 李輝勇，劉? 鵬，劉軍鴿，等.酸性水稻土有效硒提取劑的比較研究[J].生態環境，2003，12（1）：12-14.

[14] 溫國燦，黃? 艷，郭永玲，等.酸性土壤有效硒提取條件優化的研究[J].農業環境科學學報，2007，26（5）：1996-2000.

[15] 吳雄平，鮑俊丹，伊? 田，等.石灰性土壤有效硒浸提劑和浸提條件研究[J].農業環境科學學報，2009，28（5）：931-936.