土壤基質(zhì)對(duì)Se賦存狀態(tài)及生物有效性的影響與評(píng)價(jià)

李曉菲

（河北省地礦局第四地質(zhì)大隊(duì)，河北承德 067000）

1 概述

硒（Se）是人體必需的微量營(yíng)養(yǎng)元素，能夠提高人體免疫能力，保護(hù)人體心血管和心肌健康，還能夠抵御來(lái)自重金屬鎘等對(duì)人體神經(jīng)中樞的毒害，是一種天然抗氧化、抗衰老的營(yíng)養(yǎng)成分[1]。加快硒農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展已成為防貧致富的有效途徑。土壤作為生態(tài)系統(tǒng)的最大承載者，是硒的主要分布來(lái)源。研究表明：對(duì)元素進(jìn)行形態(tài)分析及生物有效性評(píng)價(jià)比對(duì)其進(jìn)行總量分析更能準(zhǔn)確評(píng)估其對(duì)環(huán)境和生命體的影響水平[2]。土壤基質(zhì)組分在不同硒態(tài)硒的轉(zhuǎn)移、吸附、沉降、吸收等過(guò)程中扮演了十分重要的角色。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，土壤無(wú)機(jī)組分中pH、氧化還原電位、陽(yáng)離子交換量、有機(jī)質(zhì)等在土壤對(duì)元素的吸附、遷移、轉(zhuǎn)化、沉降過(guò)程中占據(jù)十分重要的影響[3]，然而針對(duì)土壤其余組分鮮有研究。本文利用Pearson法將土壤基質(zhì)與硒的生物有效性及賦存狀態(tài)、遷移能力進(jìn)行相關(guān)性分析，為地區(qū)土壤硒綜合利用提供多維評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合地區(qū)農(nóng)作物種植特性及根系土基質(zhì)信息，對(duì)采區(qū)硒生物有效性綜合評(píng)價(jià)，實(shí)現(xiàn)“因地制硒”提供參考。

2 材料與方法

采樣區(qū)位于張家口壩上，屬高原與平原過(guò)渡區(qū)域，氣候大多以溫帶大陸性草原氣候?yàn)橹鳎涤炅砍渥恪Ｍ寥蕾|(zhì)地大多呈棕黃色栗鈣土，少部分山地褐土[4]。

2.1 樣品采集與加工

以地塊為單位利用“梅花點(diǎn)位”對(duì)農(nóng)田土壤中表層20cm以內(nèi)土壤采集、過(guò)篩、自然晾曬。采集過(guò)程中需避免池塘、溝壑、深水坑、工廠附近土壤。同時(shí)采集地區(qū)種植的莜麥、胡麻等農(nóng)作物的根莖葉及籽實(shí)，采集其根系深層土壤（采樣深度＞20cm）。樣品加工前在＜60℃恒溫干燥箱內(nèi)充分烘干。農(nóng)作物需經(jīng)過(guò)洗滌、晾曬風(fēng)干、脫粒機(jī)去殼。土壤樣品經(jīng)混勻后分取過(guò)篩滿足0.20cm粒徑樣品作為土壤理化性質(zhì)等測(cè)試需求，取200g采用無(wú)污染磨樣機(jī)進(jìn)行細(xì)碎加工至0.074mm粒徑；農(nóng)產(chǎn)品樣品經(jīng)混勻脫殼后取200g采用刀式研磨儀進(jìn)行破碎加工至粒徑小于0.149mm（100目篩）。樣品在加工和存放時(shí)要預(yù)防交叉污染。

2.2 研究方法與方案

2.2.1 Se與土壤基質(zhì)組分的檢測(cè)方法

土壤基質(zhì)組分涉及Ca、Mg、Si、Fe、Mn、K、Na、P、N、有機(jī)質(zhì)等多種元素：采用氫化物發(fā)生-原子熒光光度法測(cè)定土壤和農(nóng)作物中Se含量；采用X射線熒光光譜法測(cè)定各無(wú)機(jī)非金屬元素含量；采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法測(cè)定其余金屬元素含量；采用凱氏定氮儀測(cè)定N含量。利用土壤中有機(jī)碳測(cè)定間接表征土壤有機(jī)質(zhì)成分[5]，采用重鉻酸鉀容量法測(cè)定TOC含量，測(cè)試過(guò)程中分批次插入標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)和密碼平行樣品進(jìn)行精密度與準(zhǔn)確度的質(zhì)量控制。根據(jù)測(cè)定作物根系土和作物含硒量的比值，計(jì)算硒元素的遷移系數(shù)，表征作物對(duì)硒的轉(zhuǎn)運(yùn)能力[6]。

2.2.2 土壤Se賦存狀態(tài)分析方法

土壤中硒以多種價(jià)態(tài)和形態(tài)存在，這些不同價(jià)態(tài)與形態(tài)影響著硒的生物有效性評(píng)價(jià)。元素不同形態(tài)的分析方法眾多，以化學(xué)逐級(jí)提取為主要分析手段，例如傳統(tǒng)的Tessier法，以及歐盟公認(rèn)的BCR提取法，還有由 Cuttrt（1985）提出的 4 步分級(jí)法，即劃分為吸附態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化態(tài)和有機(jī)結(jié)合態(tài)等[7]。同時(shí)，提取方法的選擇對(duì)元素在不同賦存狀態(tài)下的提取效率不同。楊華等[8]采用超聲提取法進(jìn)行土壤中金屬元素的形態(tài)分析，發(fā)現(xiàn)超聲法優(yōu)于傳統(tǒng)提取法具有周期短、效率高、精密度及準(zhǔn)確度滿足樣品需求的特點(diǎn)。本文選擇超聲優(yōu)化后Tessier法進(jìn)行硒元素賦存狀態(tài)的研究。其主要包括水溶態(tài)、離子交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、腐殖酸態(tài)、強(qiáng)有機(jī)結(jié)合態(tài)、殘?jiān)鼞B(tài)共七態(tài)。具體提取步驟如圖1所示。

圖1 優(yōu)化Tessier法分級(jí)提取流程圖

2.2.3 數(shù)據(jù)處理

采用多因子間的Pearson相關(guān)性分析及顯著性分析方法，對(duì)所得數(shù)據(jù)間進(jìn)行相關(guān)性分析和顯著性判斷。excel表插入公式pearson（ray1，ray2），計(jì)算數(shù)組間相關(guān)性系數(shù)；計(jì)算數(shù)組在不同自由度、不同概率下（選擇0.99；0.95）置信區(qū)間的臨界值tA；利用r值計(jì)算T統(tǒng)計(jì)量，具體公式為：；比較T與tA關(guān)系，進(jìn)行顯著性判斷：當(dāng)0＜T＜tA，證明數(shù)組間不具有顯著相關(guān)性；當(dāng)T＞tA時(shí)，說(shuō)明數(shù)組間具備顯著相關(guān)性，再結(jié)合r值做出判斷：當(dāng)r＞0時(shí)，存在顯著正相關(guān)；當(dāng)r＜0時(shí)，存在顯著負(fù)相關(guān)。

2.3 土壤基質(zhì)背景

2.3.1 表層土基質(zhì)背景

經(jīng)農(nóng)田表層土壤采樣分析得出：采區(qū)表層土壤pH為6.84～10.52，多表現(xiàn)為強(qiáng)堿性土壤。總Se含量為0.060～3.74mg/kg，平均值為0.40mg/kg；按照國(guó)家富硒標(biāo)準(zhǔn)判定[9]，采區(qū)樣本分布高硒（Se≥0.4mg/kg）占比為32.04%，中硒（0.2mg/kg ≤Se＜0.4mg/kg）占比37%，低硒（0.1mg/kg ≤Se＜0.20mg/kg） 占比29.93%，缺硒（Se＜0.1mg/kg）占比0.91%。采區(qū)綜合土壤表現(xiàn)為富、足硒為主，且不同地域均存在高硒、低硒混合情況，采區(qū)土壤基質(zhì)組分如表1所示。

表1 表層土壤基質(zhì)因子特征值統(tǒng)計(jì)

2.3.2 根系土基質(zhì)背景

深層根系土pH為7.34～10.4，與表層土壤pH范圍相符。根系土總Se在0.091～2.36mg/kg，平均值為0.29mg/kg。土壤基質(zhì)組分如表2所示。

表2 根系土土壤基質(zhì)因子特征值統(tǒng)計(jì)

2.3.3 表層土壤硒賦存狀態(tài)分布情況

利用優(yōu)化的Tessier法逐級(jí)提取采區(qū)表層土壤不同形態(tài)Se，不同形態(tài)硒分布情況如表3所示。

表3 硒各形態(tài)分布情況及特征值統(tǒng)計(jì)

采區(qū)表層土硒賦存狀態(tài)為：強(qiáng)有機(jī)化合態(tài)＞殘?jiān)鼞B(tài)＞腐殖酸態(tài)＞水溶態(tài)＞碳酸鹽結(jié)合態(tài)＞鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)＞離子交換態(tài)，與唐玉霞等[10]所得出河北地區(qū)土壤硒以強(qiáng)有機(jī)結(jié)合態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)為主的結(jié)果相符。硒生物可利用態(tài)占比2.23%，同比富硒農(nóng)業(yè)產(chǎn)區(qū)偏低。

2.3.4 農(nóng)作物硒賦存情況

選擇種植較為廣泛的農(nóng)作物作為研究對(duì)象，分別采集胡麻、莜麥、藜麥的根莖葉及籽實(shí)、牧草的根莖葉、馬鈴薯與西蘭花的根莖葉。檢測(cè)Se在其各個(gè)部位的含量，同時(shí)結(jié)合農(nóng)作物對(duì)應(yīng)根系土中總硒含量，計(jì)算各個(gè)農(nóng)作物Se的遷移系數(shù)，結(jié)果如表4所示。

表4 農(nóng)作物中硒分布情況及特征值統(tǒng)計(jì)

由表4得出，農(nóng)作物中硒賦存含量高的作物有胡麻、西蘭花、莜麥等。遷移系數(shù)高的作物有西蘭花、莜麥、胡麻等。結(jié)合植物含硒量、變異系數(shù)和遷移系數(shù)等因素，得出采區(qū)農(nóng)作物針對(duì)土壤硒的有效利用能力依次為：西蘭花＞莜麥＞胡麻＞藜麥＞牧草＞馬鈴薯。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，具備根莖葉片植物硒的賦存與轉(zhuǎn)運(yùn)能力略優(yōu)于無(wú)莖葉片農(nóng)作物。這與韓露[11]在研究耕地作物中硒轉(zhuǎn)運(yùn)能力為：十字花科＞豆科＞谷科作物結(jié)論一致。

3 結(jié)果與分析

將基質(zhì)含量與硒量及賦存狀態(tài)進(jìn)行相關(guān)性分析。比較分析不同組分在硒賦存狀態(tài)、轉(zhuǎn)移，植物吸收利用等方面表現(xiàn)的差異性，綜合評(píng)價(jià)采區(qū)硒元素的生物可利用性。

3.1 表層土壤基質(zhì)與硒賦存狀態(tài)的顯著相關(guān)性分析

計(jì)算Se各級(jí)賦存含量與表土基質(zhì)含量數(shù)組間相關(guān)性系數(shù)，結(jié)果如表5所示。

表5 表層土基質(zhì)組分與硒各形態(tài)含量相關(guān)性關(guān)系及T值

由表5得出總硒、殘?jiān)鼞B(tài)硒與土壤中K、Na、Si、Al呈顯著負(fù)相關(guān)，與Ca、S、P、N、有機(jī)質(zhì)呈顯著正相關(guān)；碳酸鹽結(jié)合態(tài)、腐殖酸結(jié)合態(tài)及強(qiáng)有機(jī)結(jié)合態(tài)與K、Si 呈顯著負(fù)相關(guān)，與Ca、S、P、N、有機(jī)質(zhì)呈顯著正相關(guān)；除此之外腐殖酸態(tài)還與鐵呈顯著正相關(guān)；鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)和生物可利用態(tài)（水溶態(tài)和離子交換態(tài)）僅與Ca呈顯著正相關(guān)；潛在Se生物可利用態(tài)（碳酸鹽結(jié)合態(tài)、腐殖酸態(tài)硒、強(qiáng)有機(jī)化合態(tài)）與土壤中Ca、S、P、N、有機(jī)質(zhì)呈顯著正相關(guān)；與K、Si呈顯著負(fù)相關(guān)。因此，通過(guò)適量增加土壤基質(zhì)中S、N、P、有機(jī)質(zhì)等組分，有利于硒元素在土壤中的富集并提升硒元素在土壤中潛在可利用性。這與Lin等[12]發(fā)現(xiàn)硒酸鹽的轉(zhuǎn)運(yùn)不僅受到有機(jī)質(zhì)、pH等影響還受到硫的影響相吻合；增加土壤中鈣硅比（相對(duì)增加土壤鈣質(zhì)含量降低硅質(zhì)組分），能夠有效提升土壤硒的生物可利用性。

3.2 硒在農(nóng)作物中遷移系數(shù)與根系土基質(zhì)相關(guān)性 分析

考慮到土壤中硒含量對(duì)作物含硒量有直接影響，因此選擇硒在兩者中的比值（硒遷移系數(shù)）更為合理。選取作物代表西蘭花（xlh）、莜麥（ym）、胡麻（hm）、藜麥（lm）、牧草（mc）對(duì)應(yīng)根系土基質(zhì)與硒轉(zhuǎn)運(yùn)能力（Transfer Factor）進(jìn)行相關(guān)性分析及T統(tǒng)計(jì)量計(jì)算，結(jié)果如表6所示。

表6 作物硒轉(zhuǎn)運(yùn)能力與對(duì)應(yīng)根系土基質(zhì)組分相關(guān)性r及顯著性判斷

從表6得出西蘭花硒轉(zhuǎn)運(yùn)能力與K，Na呈顯著正相關(guān)，與Fe、Mg、S、N、有機(jī)碳呈顯著負(fù)相關(guān)；莜麥硒轉(zhuǎn)運(yùn)能力與根系土中K含量呈顯著正相關(guān)，與Fe、Mn、S、N、有機(jī)碳呈顯著負(fù)相關(guān)。胡麻硒轉(zhuǎn)運(yùn)能力與根系土中Na、Si含量呈顯著正相關(guān)，與Fe、Mn、Mg、P、S、N、有機(jī)碳呈顯著負(fù)相關(guān)。牧草硒轉(zhuǎn)運(yùn)能力與根系土中K、Na、Si含量呈顯著正相關(guān)，與Fe、Mn、P、N呈顯著負(fù)相關(guān)。藜麥硒轉(zhuǎn)運(yùn)能力與根系土中K、P含量呈顯著正相關(guān)，與Ca呈顯著負(fù)相關(guān)。分析原因：K、Na、Si元素能夠促進(jìn)作物木質(zhì)部的形成，在硒元素的轉(zhuǎn)運(yùn)吸收中木質(zhì)部形成的根莖起到至關(guān)重要的作用[11]。Fe、Mn、P、S、N、有機(jī)碳等在土壤中易與硒不同賦存狀態(tài)進(jìn)行螯合配位，與作物根系對(duì)硒吸收存在競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制。

3.3 小結(jié)

表層土中硒的生物可利用性及潛在生物可利用性與土壤基質(zhì)中K、Si呈顯著負(fù)相關(guān)，與Ca、S、P、N、有機(jī)質(zhì)呈顯著正相關(guān)。根系土（深層土）中K、Na、Si與作物轉(zhuǎn)運(yùn)硒能力呈現(xiàn)顯著正相關(guān)，有效促進(jìn)作物木質(zhì)部的形成，提升硒元素轉(zhuǎn)運(yùn)吸收效果；與Fe、N、P、S、有機(jī)碳呈顯著負(fù)相關(guān)，與作物根系吸收硒產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

采區(qū)以富硒足硒為主要分布，表土具有硒生物可利用性低、作物硒轉(zhuǎn)運(yùn)能力低等特點(diǎn)。可以采用向表層土施加硫化物氮磷肥、有機(jī)肥等或播撒添加硫酸鹽及鈣硅比高的黏土礦物的客土來(lái)有效提升土壤中硒的生物可利用性及潛在可利用性。在富硒足硒產(chǎn)區(qū)耕種硒轉(zhuǎn)運(yùn)能力高的十字花科（如西蘭花）、豆科如（黃芪）、谷科（如莜麥）、胡麻等作物，向其根系土中添加鉀肥、鈉鹽、硅質(zhì)酸鹽促進(jìn)作物對(duì)硒的吸收。因根系土中鉀、鈉、硅變異系數(shù)低，不易受到外源干擾的因素，可相對(duì)降低深層土壤中Fe、N、P、S、有機(jī)碳施加量。考慮到氮肥、磷肥、有機(jī)肥對(duì)作物增產(chǎn)保量的功效不可替代，氮肥易引起硝態(tài)氮的富集，污染地下水資源，可進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)探究適合的配施肥料比率及輪作灌溉方式，例如補(bǔ)充農(nóng)作物葉片噴灑外源硒的方式來(lái)提高硒的生物有效性水平，降低氮肥施用量改用以腐殖酸為主的有機(jī)肥料以期滿足作物產(chǎn)量、品質(zhì)、富硒及環(huán)保等多重綠色經(jīng)濟(jì)價(jià)值。