湖北省不同農作物對土壤硒吸收富集規律的研究

閆加力， 徐春燕， 楊 軍， 鄒 輝， 趙 敏， 黃 彬

(湖北省地質科學研究院，湖北 武漢 430034)

硒是土壤環境中重要的微量元素，又是人和動物生長必需的營養元素，在食物鏈中，硒主要來源于植物并最終來源于土壤[1]，因此植物對土壤硒的吸收富集一直是研究熱點。已有研究表明，植物對土壤硒的吸收富集取決于植物種類和土壤條件[2]，且植物硒與土壤硒之間一般存在正相關關系，有時這種相關關系也會受植物和土壤條件的影響而表現不顯著[3]。胡秋輝等的研究指出影響硒生物有效性的因子主要有：硒的形態、土壤質地、土壤pH，土壤有機質等[4-5]。而土壤中硒的形態是決定土壤硒有效性的重要因素，在酸性和中性土壤中，硒一般以Se4+形態出現，與鐵形成水溶性極低的氧化物或水合氧化物，很難被植物利用；在堿性土壤中，硒一般以Se6+為主，可溶性高，易被植物吸收利用；土壤中的有機硒主要來源于生物體的分解產物，可與富里酸絡合被植物吸收，與胡敏酸絡合則不能被植物吸收[6]。

湖北省1∶25萬多目標地球化學調查和湖北省土地質量地球化學調查成果顯示湖北省富硒資源總量大、分布廣、品質優。本研究以這兩項地質調查成果為基礎，通過數據收集、整理和統計分析，對湖北省不同農作物硒含量特征及土壤硒有效性的影響因素進行研究探討，以期為全省富硒農作物的生產管理提供科學依據。

1 方法技術

1.1 數據來源

湖北省開展面積性土壤硒含量調查工作起始于1999年，由中國地質調查局和原湖北省國土資源廳組織，先后開展了1∶25萬多目標區域地球化學調查和1∶5萬土地質量地球化學評價工作。本研究收集了截至2018年7月調查評價區表層(0～20 cm)土壤樣品硒含量數據89 375件，四種農作物樣品(水稻、小麥、玉米和黃豆)硒含量數據2 901組，土壤硒形態樣品數據377組以及土壤有效態樣品數據1 160組，數據分布范圍如圖1所示。

1.2 分析方法

背景值按照中國地質調查局《土壤地球化學基準值與背景值研究若干要求》文件計算。首先判定數據是否服從正態分布，不服從則對數據按照3倍離差剔除異常值。剔除后的數據若呈正態分布，則算術平均值代表背景值，若呈對數正態分布，則幾何平均值代表背景值，若呈偏態分布，則中位值代表背景值。

綜合考慮土壤條件，為更好地描述農作物對土壤硒的吸收富集，本研究引入富集系數(PUF)表征農作物的硒富集特性[7]。農作物富集系數計算公式為：PUF=農作物籽實中硒含量/根系土硒含量。

圖1 研究數據分布范圍圖Fig.1 Distribution range map of research data1.1∶25萬多目標區域地球化學調查數據范圍；2.1∶5萬土地質量地球化學評價數據范圍。

參數統計分析采用SPSS軟件和Excel進行，相關圖表采用SPSS、Statistica for Windows和Excel繪制，Pearson相關系數表征兩個因素的相關程度。

2 不同農作物硒含量特征

農作物對環境中硒的吸收利用，取決于土壤條件和作物種類等因素。水稻、小麥、玉米均是中國主要糧食作物，本研究對收集的四種農作物硒含量數據，其中水稻1 172組，小麥686組，玉米775組，黃豆268組進行統計分析，硒含量頻數分布直方圖和統計參數分別見圖2和表1。

圖2 四種農作物硒含量頻數分布圖Fig.2 Frequency distribution diagram of selenium content in four crops

表1 四種農作物硒含量參數(單位：mg/kg)Table 1 Selenium content parameters of four crops

可以看出，湖北省內水稻硒含量變化范圍為0.016～0.838 mg/kg，背景值為0.052 mg/kg；小麥硒含量變化范圍為0.010～0.33 mg/kg，背景值為0.073 mg/kg；玉米硒含量變化范圍為0.001～2.071 mg/kg，背景值為0.036 mg/kg；黃豆硒含量變化范圍為0.026～1.737 mg/kg，背景值為0.111 mg/kg。四種農作物硒含量大小和富集系數大小表現一致均為黃豆>小麥>水稻>玉米，表明不同種類農作物對土壤硒的吸收富集能力不同，省內四種農作物中黃豆富硒性能最強，玉米最弱。

3 農作物對土壤硒吸收富集的影響因素

3.1 土壤硒形態

土壤全量硒是土壤中各形態硒含量的總和，但并不是所有形態的硒都能直接被植物吸收利用，而能夠被植物直接吸收利用的硒稱之為土壤有效硒[8]。土壤中的水溶態硒是植物最容易吸收的形態，離子交換態和碳酸鹽結合態硒在一定環境和pH條件下也能被植物吸收，腐殖酸結合態硒也可以分解成無機硒或小分子形式的有機硒而被植物吸收利用，而鐵錳結合態、強有機結合態和殘渣態很難被植物吸收[9]。本研究統計了湖北省土壤有效硒含量和形態硒含量，見表2。

表2 湖北省土壤有效硒含量基本統計值(單位：μg/kg)Table 2 Basic statistical value of available selenium contentin soil of Hubei Province

從土壤有效硒和各形態硒含量均值來看，湖北省土壤中水溶態、離子交換態、碳酸鹽結合態和腐殖酸結合態硒含量之和接近土壤有效硒含量，約為8.0 μg/kg左右。進一步說明這四種形態硒均是可以被作物吸收的形態，它們的變化直接導致土壤中有效硒含量的變化，影響農作物對土壤硒的吸收富集。

3.2 土地利用類型

水田和旱地是湖北省兩種重要的土地利用類型。已有研究表明對于水田來說，淹水耕作期間，土壤Eh值一般低于200 mV[10-11]，還原性較強。Masscheleyn指出：在還原條件下，硒的溶解性很低，在氧化狀態下可溶性硒的濃度增加；在Eh為200 mV以上，Se4+緩慢氧化成Se6+，在Eh為450 mV 以上，Se6+是主要的溶解形式[12]。本研究根據不同土地利用類型土壤中硒形態的不同，重點研究了水田和旱地土壤中硒含量與其農作物硒含量的相關關系(見圖3)，可以看出水田作物硒含量與其根系土硒含量的相關性優于旱地作物，表明不同土地利用類型條件下，農作物硒含量的吸收富集不同。在水田條件下，作物吸收富集土壤硒與土壤硒含量具有很大的相關性，而在旱地條件下，作物吸收富集土壤硒與土壤硒含量也呈正相關關系，但是相關系數不高，反映了旱地作物對土壤硒的吸收富集還需要綜合考慮其他影響因素。

圖3 水田和旱地作物硒含量與其根系土硒含量的相關關系圖Fig.3 Correlation map between selenium content of paddy and dryland crops and selenium content of root soil

3.3 土壤pH

前人研究表明土壤pH值決定著土壤中硒的賦存形態，從而影響著土壤硒的有效性。本文對收集的湖北省土壤有效態元素進行SPSS聚類分析，聚類分析樹狀圖見圖4，由圖4可知，土壤有效硒含量與土壤交換性鈣、交換性鎂和速效鉀聚為一類，且在0.01水平上顯著正相關。前人研究已指出土壤交換性鈣、鎂含量與土壤pH呈正相關關系[13]，由此也間接推斷土壤有效硒含量與土壤pH具有正相關性，土壤pH是影響土壤有效硒含量的一個重要因素。張聯合等研究表明堿性土壤中硒主要以硒酸鹽存在，有效性很高，中性和酸性土壤中硒與鐵形成了溶解性極低的氧化物或水合氧化物，有效性大大降低[14]。

圖4 土壤元素有效態含量聚類分析圖Fig.4 Cluster analysis map of available content of soil elements

4 不同土壤條件下農作物硒吸收富集規律

根據農作物對土壤硒吸收富集的影響因素，本研究將農作物劃分為兩類：水田作物和旱地作物；將土壤pH劃分為三個等級：pH<6.5(酸性)、6.5≤pH<7.5(中性)和pH≥7.5(堿性)。通過分析不同pH條件下水田作物硒含量與其根系土硒含量的相關性和旱地作物硒的富集特性，探討土壤pH條件下不同農作物的硒吸收富集規律。

4.1 水田作物在不同土壤pH條件下的硒吸收富集規律

水稻屬于非聚硒植物，但水稻對硒具有一定的富集能力，能主動吸收利用硒，提高土壤硒含量能夠增加水稻各部位的硒含量[15]。前述已知水田作物硒含量與其土壤硒含量相關性大，繪制相關關系散點圖如圖5可知，水稻稻米硒含量與其土壤硒含量在總體和不同pH條件下均呈顯著的正相關關系，說明稻米硒含量高低與其土壤硒含量高低直接相關，隨著水田土壤硒含量的增大而增多。吳永堯等研究結果表明，土壤含硒量越高，水稻累積硒的量越大，累積作用在水稻全生育期逐漸增強，成熟期達到最強，有60%的硒是在水稻生育后期40%的生長時間內累積的[16]。

圖5 不同條件下水稻稻米硒含量與其土壤硒含量相關性散點圖Fig.5 Scatter plot of correlation between selenium content in rice and soil under different conditions

4.2 旱地作物在不同土壤pH條件下的硒吸收富集規律

旱地作物硒含量與其根系土硒含量相關性較小，綜合考慮土壤環境因素，本研究采用富集系數來描述旱地作物對土壤硒的吸收富集規律。分析小麥、玉米和黃豆在不同土壤pH條件下的富集系數如表3和圖6。

表3 不同條件下小麥、玉米和黃豆硒富集系數參數表Table 3 Selenium enrichment coefficient of wheat,maize and soybean under different conditions

可以看出，三種旱地作物的富集系數黃豆>小麥>玉米，且堿性條件下均比中性和酸性條件下大。綜合前面作物種類說明富硒性能強的作物硒吸收富集能力強；對于旱地作物，土壤偏堿性時可以促進其對土壤硒的吸收富集，且隨著土壤pH的增大作物累積硒有增多趨勢。

圖6 不同土壤pH條件下旱地作物富集系數對比圖Fig.6 Contrast map of crop enrichment coefficient in dryland underdifferent soil pH conditions

5 結論

(1) 湖北省四種大宗農作物硒含量大小和富硒性能表現一致：黃豆>小麥>水稻>玉米。

(2) 農作物對土壤硒吸收富集的影響因素主要有：作物種類、土壤pH、土地利用類型。土壤pH和氧化還原電位均通過影響硒的賦存形態來影響硒的有效性，從而影響作物對硒的吸收。

(3)富硒性能強的作物硒含量較高。水田作物水稻對土壤硒的吸收富集量主要受土壤硒含量影響，隨著土壤硒含量的增大而提高，受土壤pH的影響較小；旱地作物小麥、玉米和黃豆對土壤硒的吸收富集除了受作物種類影響外，還受土壤理化性質的綜合影響，其中堿性土壤有利于它們對硒的吸收富集。