土壤-馬鈴薯系統中Se的生物有效性及Se-Cd耦合效應研究
——以恩施州富硒地區為例

汪 丹, 王龍艷, 楊良哲, 張陽陽, 王 瑜, 周 偉, 王夢園

(1.湖北省地質科學研究院(湖北省富硒產業研究院)，武漢 430034；2.湖北省硒生態環境效應檢測中心，武漢 430034；3.中國地質大學(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、預防癌癥等作用[1]。由于人體中的Se主要通過食物攝入，為社會缺Se人群提供富硒產品，是解決Se元素缺乏問題的主要途徑[2]。湖北省恩施州被國際組織譽為“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產品生產的主要場所，其土壤富硒程度是決定農產品是否富硒的決定性因素。【前人研究進展】關于土壤富硒程度表征的指標選取問題，有學者認為采用土壤總Se含量能夠表征土壤富硒程度及其對生產富硒農產品的影響[4-5]；隨著研究的逐漸深入，大量學者發現土壤有效態Se含量比總Se含量更符合Se元素從土壤到植物的遷移轉化規律，采用土壤有效態Se含量來表征土壤富硒程度更加科學[6-7]。然而有效Se的形態組成復雜多變，不同形態、組成的有效Se對于Se元素在“土壤-植物”系統中的遷移轉化效率的影響存在較大差異[8]，有待進一步研究。研究顯示，恩施地區內土壤中Se元素與Cd元素具有較強的伴生關系[9]，土壤中Cd含量高為種植農產品帶來了極大的安全隱患[10]。各國學者對植物中Se與Cd的相互作用進行過許多研究，一方面Se是植物體內抗氧化系統的重要組成成分，能明顯改善Cd誘發的脂質過氧化反應，減輕Cd元素對植株的毒害；另一方面Se與金屬有很強的親和力，可在體內與Cd結合成金屬硒蛋白復合物，從而可降低Cd的毒性作用[11]，合理利用土壤Se資源，對減少Cd造成的健康隱患具有重要意義。此外，噴施Se肥能夠對農作物果實等地上部分中的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】由于前人對土壤中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Se有效態及其影響因素方面研究較少。土壤中的Se以無機態(-2，0，+4，+6)和有機態Se形態存在，且表現出不同的化學和生物特性[18]，直接影響植物對Se的吸收。本研究深入剖析在不同形態、組成下的有效Se對Se元素在“土壤-植物”系統中的遷移轉化效率的影響，以及Se-Cd之間的拮抗或者協同作用。【擬解決的關鍵問題】研究對正確評價富硒地區土壤中Se的狀況，如何安全利用土壤中的Se元素及促進農作物對Se的吸收富集及生產出符合國家標準、當地標準的富硒農產品具有重要意義。

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、沐撫鎮、新塘鄉等地(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，在采樣單元內選取5～20個植株，采集根實，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裝入保鮮袋中。樣品帶回室內后，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、肥料團塊等雜物后，采集對應的土壤樣品。原始樣重2 kg，風干后保存。

審圖號：GS(2019)1822號圖1 采樣點位置Fig.1 Location of sampling points

1.2 樣品分析

1.2.1 馬鈴薯Se含量測試 依據《食品安全國家標準——食品中硒的測定》(GB 5009.93—2017)測定農作物中Se含量。

1.2.2 馬鈴薯Cd含量測試 依據《食品安全國家標準——食品中鎘的測定》(GB 5009.15—2014)測定農作物中Cd含量。

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

1.2.4 土壤有效Se含量測試 建立了HPLC-ICP-MS的硒形態分析方法：稱取2 g土壤放入50 mL離心管，加入土壤Se形態浸提劑磷酸二氫鈉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 ℃環境中冷藏待測。

1.2.5 土壤Cd含量測試 依據《全國土壤污染狀況詳查-土壤樣品分析測試方法技術規定》測試土壤中Cd含量。

1.2.6 土壤有效Cd含量測試 依據《土壤質量有效態鉛和鎘的測定——原子吸收法》(GB/T 23739—2009)測定土壤中有效Cd含量。

1.3 數據處理

統計前對數據進行異常值篩除，采用MAPGIS 6.7軟件繪制采樣點位置圖，采用SPSS軟件進行圖件繪制以及Excel軟件進行數據處理。

2 結果與分析

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 在恩施州富硒地區采集馬鈴薯和根系土樣品各30件，分別采自建始縣、龍鳳鎮、沐撫鎮、新塘鄉等地。馬鈴薯富硒評價標準參照湖北省食品安全地方標準《富有機硒食品硒含量要求》(DB42/002—2014)和陜西省地方標準《富硒食品與其相關產品硒含量標準》(DB61/T556—2012)，規定富硒馬鈴薯標準參考值Se≥0.02 mg/kg。土壤富硒評價標準參照《土地質量地球化學評價規范》(DZ/T0295—2016)，規定富硒土壤標準參考值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件樣品達到富硒標準，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，遠高于恩施州土壤Se元素背景值(0.408 mg/kg)。25件土壤達到富硒標準，富硒占比83.33%，表明研究區富硒土壤資源優越。此外，發現富硒馬鈴薯對應的根系土Se全部達到富硒標準，馬鈴薯樣品Se含量最高時，對應的根系土樣品Se含量也最高，都位于恩施新塘鄉。可見土壤富硒是農作物富硒的必要條件，而新塘鄉和沐撫鎮大量分布的富硒巖層——二疊系炭質頁巖，風化后形成富硒土壤，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含量統計

2.1.2 馬鈴薯與根系土Cd含量狀況 根據國家標準中華人民共和國《食品安全國家標準食品中污染物限量》(GB2762—2012)中所示的限量指標及本次農作物樣品的分析指標，馬鈴薯塊莖Cd標準限值為0.1 mg/kg。根據國家標準《食品農產品產地環境質量評價標準》(HJ332—2006)，土壤Cd標準限值為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，超標率達到30%。土壤Cd含量范圍為0.33～29.11 mg/kg，平均值為7.603 mg/kg，超標率達到100%，高于中國背景值0.074 mg/kg，高于湖北省Cd背景值(0.114 mg/kg)，可見研究區土壤中Cd污染嚴重。

2.1.3 土壤有效態Se-Cd分布情況 就土壤中有效態Se和Cd占總Se和總Cd的百分比而言(圖2)，恩施富硒地區土壤中Se的有效性較低，沐撫鎮和新塘鄉土壤總有效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，例如新塘鄉最高可達39.18%，建始縣可達30.35%，在全國富硒、高鎘地區中表現極為突出[19]，潛在生態危害性較大，對土壤Se資源的開發利用形成阻礙。

NP問題有好多個，裝箱問題是其中一個。設有體積分別為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可能不同[1]。要解決的問題是如何使用最少的箱子數將這m種貨品裝進去。裝箱問題是NP問題，這是不容易得到一個最佳的解決方案，為了比較快速得到滿意解，近似算法經常被使用。常見的算法[2]：NF(Next Fit)近似算法，BF(Best Fit)算法，BFD(Best Fit Deceasing)算法，FF(First Fit)近似算法，FFD(First Fit Decreasing)近似算法等。

圖2 土壤中有效態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相關關系

2.2.1 馬鈴薯Se含量與土壤總Se相關關系 為考察土壤Se含量對農作物含Se高低的影響，研究農作物吸收轉化Se的規律，對馬鈴薯塊莖部分Se含量與土壤Se含量數據進行標準化處理，然后利用SPSS 20軟件分析其相關性，結果顯示，二者呈現出明顯的正相關關系(圖3)，馬鈴薯Se含量隨著土壤中Se含量的增加而增加。這與已有研究結果土壤表層Se含量高，產出農產品Se含量相應較高一致[20]，說明土壤中Se的總量是衡量土壤Se充盈狀態的重要手段。

圖3 馬鈴薯Se含量與土壤總Se的相關性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)，考慮到決定食物鏈中Se水平的關鍵因素是土壤中有效Se含量而非全Se含量，需要對土壤中有效Se的形態成分及其影響因素、有效Se與馬鈴薯Se含量的關系進行更深入的研究。

2.2.2 馬鈴薯Se含量與土壤有效Se相關關系 各富硒地區土壤有效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地區土壤Se的有效性整體較低。新塘鄉土壤有效硒含量最高，平均值可達0.146 mg/kg，其次為沐撫鎮，平均值達到0.621 mg/kg；最低為龍鳳鎮，僅達到0.070 mg/kg。

為研究土壤中Se的生物有效性，進一步分析馬鈴薯Se與土壤有效Se含量之間的相關性(圖4)，結果表明二者存在極強的正相關關系，相關系數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，為了更準確的判斷土壤對作物的供Se能力，應該劃分土壤形態，以有效態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Se)與馬鈴薯Se含量之間的回歸分析結果來看，有效Se與馬鈴薯Se含量的正相關性更強，回歸模型的擬合優度也更高，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。然而不同形態、組成的有效Se對于Se元素在“土壤-植物”系統中的遷移轉化效率的影響存在較大差異，需要進行更深入的對比分析，挖掘有效Se中與馬鈴薯Se含量相關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Se、濾渣中的Se形態和總Se之間的關系。所有根系土樣品中均有有機Se和Se4+檢出，部分樣品中有少量Se6+檢出。土壤有效態中有機Se占主導地位，占比高達18.55%～85.66%；其次為Se4+，占比為2.21%～69.84%。Se6+占比最少，且只出現在土壤Se含量>1.9 mg/kg的樣品中。此外，殘渣態Se也具有一定的占比，范圍在0.24%～54.79%。

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

圖5 馬鈴薯Se含量與不同形態土壤有效Se含量之間的相關關系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相關關系

土壤Cd含量是評價土壤Cd污染程度和土壤Cd生物有效性的前提，但大量研究結果表明，僅以土壤Cd總量并不能很好地預測評估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，才是決定Cd在土壤-農作物中遷移轉換和富硒農產品Cd含量的制約因素[21-22]。因此，確定Cd的有效形態對于充分了解其遷移轉化機制，判定土壤的污染程度，實現Cd污染土壤的等級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Cd之間的關系(圖6)可以發現，根系土有效Cd相對于土壤總Cd而言，對馬鈴薯Cd的影響系數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含量的相關關系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

本研究在土壤有效態Se、Cd含量的基礎上，進一步從有效態角度考察馬鈴薯中Cd含量與土壤可利用態Se-Cd摩爾比之間的關系。如圖7所示，隨著土壤可利用態Se-Cd摩爾比增大，馬鈴薯Cd含量呈穩定下降趨勢(R2=0.3728)。相對于直接分析馬鈴薯Cd與土壤Se含量相關關系，可清晰分辨出其間存在的閾值效應。當土壤有效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土壤Cd的吸收，二者之間存在強勁的拮抗作用，且當土壤中有效態Se-Cd摩爾比值為0.199時，拮抗作用的邊際效率達到最大(此時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Se-Cd摩爾比間的相關關系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伴生的現象，且一直被認為是可能給農業生產帶來重要安全隱患的主要因素之一[23]。然而已有研究證實通過土壤、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，本研究表明，土壤Se(尤其是有效態Se)對植物在生長過程中Cd的吸收具有明顯的拮抗作用。在土壤Se與水稻籽實中As之間存在拮抗關系已被證實的啟示下[26]，廣泛開展“土壤-植物”系統中Se和Cd的生物有效性研究對實現農業生產安全和生產效率的同步提升具有重要意義。

從本研究“土壤-馬鈴薯”系統中Se和Cd的總含量與有效態含量的對比結果來看，僅用馬鈴薯Cd與土壤中Se含量相關關系來衡量土壤-農作物系統中Se-Cd耦合效應，不足以直觀反應土壤中Se對農作物吸收Cd的影響。本研究從土壤可利用態Se-Cd摩爾比與馬鈴薯Cd含量之間進行相關關系分析，更能體現土壤中能被生物利用的有效態Se對農作物吸收土壤中有效態Cd的拮抗過程。

4 結 論

(1)馬鈴薯對Se的富集程度與土壤總Se之間存在正相關關系，但土壤有效Se能更好地反應土壤對植物的供Se水平。該規律同樣適用于土壤-馬鈴薯系統中Cd的遷移。

(2)土壤中Se6+、有機Se是有效Se各形態中決定馬鈴薯Se含量的重要因素，Se6+對馬鈴薯Se含量的提升作用最顯著，但由于樣本量小，統計學意義不明顯；有機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Se-Cd摩爾比與馬鈴薯Cd的關系相對于土壤總Se與馬鈴薯Cd的相關關系，能更好的表征土壤-馬鈴薯系統中土壤Se與馬鈴薯Cd含量之間的閾值效應，土壤中有效態Se含量達到0.199時，對馬鈴薯吸收土壤中Cd的拮抗作用具有最強邊際效率。

(4)恩施地區Se資源豐富，通過改變土壤理化性質，如提高土壤中有機質含量、土壤pH等，可促進農作物對Se的吸收，并對Cd的吸收形成一定阻斷，實現Se資源的高效開發利用。

(5)現行標準均以土壤總Cd含量作為農作物安全生產的依據，未能考慮土壤-植物系統中Se與Cd間存在的拮抗作用，土壤中有效態Se對植物吸收Cd形成的拮抗作用應該被納入土壤環境質量標準評估體系中，從而形成更加科學和全面的土壤環境質量評價體系和標準。