硒在不同品種甘薯莖塊中的累積特征及其與重金屬互作的規律研究

張 川

（龍巖市農業科學研究所，福建 龍巖 364000）

0 引言

硒（Se）是人類和動物必需的微量元素，是含硒酶和硒蛋白的活性中心。硒在生物體的能量代謝和基因表達中起重要作用，具有抗氧化作用、調節免疫系統以及拮抗作用等重要的生物學功能［1-2］。人體在硒攝入不足時會患克山病和白肌病，但攝入過量也會對身體健康造成影響，如頭發和指甲脫落、皮膚損傷、神經系統紊亂、癱瘓，甚至死亡［3-4］。據報道，我國39%~61%的居民每日膳食硒攝入量低于WHO/FAO推薦的硒營養攝入量［5］。食物中的硒含量、食物消耗量和飲食結構共同決定了人體每日硒的攝入量。甘薯營養豐富，其富含膳食纖維，深受人們的青睞，近年來甘薯消費量也呈逐年增長趨勢，因此，適當提高甘薯中的硒含量有利于人體膳食硒的攝入。

植物對土壤中硒的吸收會受到各方面因素的影響。首先，植物的硒含量與土壤有效態硒含量呈正相關關系［5］。陳金等［6］研究表明，當硒供應充分時容易向地上部遷移和向籽粒富集，在硒供應不足時，硒向植物生殖器官的轉移和累積會受到抑制。另外，土壤有效態硒的含量還會受土壤理化性質的影響，土壤中的鐵錳氧化物、有機質、黏土礦物等對硒具有一定的吸附作用［7-11］。不同形態硒的生物有效性也不相同，亞硒酸鹽和硒酸鹽最常用于農業中的富硒生產［12］，其中，硒酸鹽在土壤溶液中的水溶性更高，因此，其生物有效性也高于亞硒酸鹽［13-14］。其次，植物體內硒累積量也與植物品種有關［15］。牛笑菲［16］對20個不同品種大豆的富硒能力進行了研究，發現不同品種大豆籽粒Se含量范圍為0.031~0.063 mg/kg，硒高累積大豆品種的Se含量是低累積品種的2倍。姚海坡等［17］研究發現，同一地點生產的優質強筋小麥籽粒的硒含量低于中筋小麥。此外，植物對硒的吸收與土壤中其他離子之間存在拮抗或協同關系，閆加啟等［18］研究發現，施硒不僅能夠提高甘薯塊莖中Se的含量，同時還能顯著增加N和P的含量，但B的含量會有所下降。

目前，關于甘薯中硒的研究大多集中于外源施加硒肥對甘薯品質的影響，如施加硒肥能顯著提高甘薯可溶性蛋白含量，增加甘薯產量［18-19］。而關于不同甘薯品種硒富集能力的差異及其影響因素的研究還較少。福建省閩西地區擁有豐富的富硒土壤資源，甘薯也是該地區的主要糧食作物之一，但該地區甘薯的硒含量及其影響因素尚未明確。因此，本研究以福建閩西地區某流域為研究區域，對該流域內的土壤和不同品種甘薯的硒含量進行調查，分析影響甘薯硒累積的土壤環境因素，以期為富硒地區甘薯種植品種的選擇提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于福建省閩西地區，屬亞熱帶季風氣候，年平均氣溫為13.8～19.5 ℃，年平均日照時數為1761 h，年平均降水量為1734 mm。研究區的地質構造復雜，礦產資源類型豐富，其中煤、稀土、錳、鉛鋅、膨潤土、石灰石等儲量較大。甘薯為當地特色農產品之一。

1.2 采樣方法與樣品處理

選擇有代表性的田塊進行采樣，采集4個品種的甘薯樣品（塊莖）及其塊莖下方土壤樣品，土壤樣品采樣深度為0~20 cm，每個品種的樣品數為15個，總共60個樣品，所選取的品種為該地區種植面積較廣的品種，分別為福寧紫3號、金山57、金山630和龍薯15。采樣過程中，在每個采樣小區至少采集3~5個樣品組成1個混合樣品。先使用自來水對甘薯樣品進行沖洗，然后再使用去離子水進行清洗，去皮后于105 ℃條件下殺青30 min，之后在70 ℃下烘干至恒重，并記錄樣品的鮮重和干重，并將所有樣品研磨過100目尼龍篩備用。土壤樣品風干研磨后過2和0.149 mm的尼龍篩備用。

1.3 樣品測定

使用pH計測定土壤樣品的pH值；采用元素分析儀Vario MAX Cube測定土壤有機質、土壤全氮、土壤全硫含量；采用連二亞硫酸鈉－檸檬酸鈉－碳酸氫鈉（DCB）提取法提取樣品中的游離氧化鐵，并使用原子吸收分光光度計（AAS）進行測定。

土壤樣品中硒和汞的含量分別參照標準NY/T 1104—2006、DZ/T 0279.13—2016進行測定；土壤樣品中鎘、鉻、鉛和砷4種元素的含量參照標準GB/T 17141—1997進行測定；植物樣品中的硒含量參照標準GB 5009.93—2017進行測定；植物樣品中汞的含量參照標準GB 5009.17—2014進行測定；植物樣品中鎘、鉻、鉛和砷的含量分別參照標準GB 5009.15—2014、GB 5009.123—2014、GB 5009.12—2017、GB 5009.11—2014進行測定。每批樣品均分別設置空白樣品和標準物質（GBW-07402、GBW-10023）與樣品進行同步分析，為保證分析結果準確，回收率設定在95%~105%之間。

1.4 數據處理與分析

應用SPSS 19.00軟件進行數據分析，利用Sigmaplot 12.5軟件制圖，各處理間的比較均采用單因素方差分析（One-way ANOVA），使用轉移系數（transfer factor，TF）分析甘薯對硒和重金屬（鎘、鉛、鉻、砷）的富集能力，計算公式為：

式中，Csoil為土壤中硒或重金屬的含量，C*為農作物可食用部分中硒或重金屬的含量。

本文基于健康效應將土壤的全硒含量分為5個等級［20］，具體標準為：硒含量≤0.125 mg/kg為缺硒；0.125 mg/kg＜硒含量≤0.175 mg/kg為潛在缺硒；0.175 mg/kg＜硒含量≤0.400 mg/kg為潛在缺硒；0.400 mg/kg＜硒含量≤3.000 mg/kg為富硒；硒含量＞3.000 mg/kg為硒中毒。

2 結果與分析

2.1 土壤理化性質

研究區土壤的pH值在4.22~6.02范圍內，平均值為4.81，總體呈酸性；土壤的有機質、氮、硫和游離Fe2O3含量的平均值分別為40.50、0.22、0.66和14.0 g/kg。由此可見，研究區土壤的有機質含量豐富，但土壤氮含量偏低。

2.2 硒在土壤—甘薯系統中的轉移特征

由表1可知，土壤全硒含量平均值為0.21 mg/kg，變幅在0.09~0.50 mg/kg之間；基于健康效應的土壤全硒含量分級標準，其中有5個點位處于缺硒水平，占8.33%；有20個點位處于潛在缺硒水平，占33.33%；有33個點位處于足硒水平，占55.00%；有2個點位達到了富硒水平，占3.33%。甘薯硒含量的平均值為1.68 μg/kg，但不同品種甘薯中硒含量存在差異（表2），不同品種甘薯硒含量的平均值由高到低依次為：龍薯15＞金山630＞金山57＞福寧紫3號。由于目前還未統一富硒甘薯平均硒含量的標準，因此，采用福建省地方標準《富硒農產品硒含量分類要求》（DB 35/T 1730—2017）對甘薯硒含量進行評價（薯類作物硒含量在0.02~0.50 mg/kg之間），各點位甘薯硒含量均低于富硒標準。甘薯品種中硒含量最低的為福寧紫3號，含量最高的品種為龍薯15，龍薯15的硒含量是福寧紫3號的2.90倍，說明合理進行甘薯品種的選育有利于提高甘薯的硒含量。

表1 土壤和甘薯中硒含量的描述性統計

表2 不同品種甘薯中硒含量及其富集特征

不同品種甘薯硒富集能力存在差異，各品種甘薯的遷移系數在0.00106~0.02793之間，平均遷移系數為0.00824。不同品種甘薯對硒的遷移系數由高到低依次為：龍薯15＞金山630＞金山57＞福寧紫3號。在4個甘薯品種中，龍薯15和金山630對硒富集能力較強，而金山57和福寧紫3號對硒富集能力較弱。不同品種甘薯對硒富集能力的差異可能與其自身的遺傳特性有關。

2.3 甘薯中重金屬的富集特征及風險

研究區域土壤和甘薯中的重金屬含量如表3所示。由于甘薯中汞含量極低，大部分樣品結果為未檢出，因此，未對甘薯中的汞元素進行統計分析。由表3可知，甘薯中鎘的平均含量為0.016 mg/kg，不同品種甘薯中鎘含量由高到低依次為：福寧紫3號＞金山57＞金山630＞龍薯15；甘薯中鉛的平均含量為0.113 mg/kg，不同品種甘薯中鉛含量由高到低依次為：福寧紫3號＞金山57＞金山630＞龍薯15；甘薯中鉻的平均含量為0.029 mg/kg，不同品種甘薯中鉻含量由高到低依次為：福寧紫3號＞龍薯15＞金山630＞金山57；甘薯中砷的平均含量為0.017 mg/kg，不同品種甘薯中砷含量由高到低依次為：龍薯15＞金山630＞金山57＞福寧紫3號。

表3 土壤和甘薯中重金屬含量及其富集特征

甘薯對不同重元素的富集能力差別很大，對4種重金屬的平均富集能力表現為：鎘＞砷＞鉛＞鉻。但是限于土壤中鎘的本底值較低，甘薯中鎘的濃度并未達到污染水平。此外，研究中15%的甘薯超過了《食品安全國家標準 食品中污染物限量》（GB 2762—2017）中鉛的限定值，且77.78%的超標甘薯樣品為福寧紫3號，因此在農作物生產中要同時注意對鉛污染的預防和對低富集農作物品種的選育，降低農作物的重金屬風險。本研究中，4個甘薯品種僅龍薯15不存在重金屬污染，且龍薯15的富硒能力優于其他3個甘薯品種。

2.4 甘薯硒累積的影響因素

2.4.1 土壤理化性質及土壤全硒含量對甘薯硒累積的影響 由圖1可知，甘薯硒含量與土壤全硒含量呈極顯著正相關關系（r=0.4709），甘薯硒含量與土壤pH值、土壤有機質含量均呈極顯著正相關關系，而甘薯硒含量與土壤全氮、全硫和游離氧化鐵含量的相關性不顯著。由此可見，土壤中的硒含量是甘薯硒富集的主要來源，土壤pH值和土壤有機質含量對甘薯的富硒能力具有顯著的影響。

圖1 甘薯硒含量與土壤性質、土壤全硒含量之間的相關性

2.4.2 甘薯硒含量與其吸收重金屬之間的相關性 由圖2可知，甘薯硒含量和甘薯鉛、砷含量分別呈極顯著負相關和極顯著正相關，而甘薯硒含量與甘薯鎘、鉻含量之間的相關性不顯著。這說明甘薯對硒和鉛的吸收表現為拮抗作用，而甘薯對硒和砷的吸收表現為協同關系。本研究甘薯中的汞含量過低，故未列入分析。

圖2 甘薯硒含量與重金屬含量的相關性

3 討論

本研究流域內甘薯硒的平均含量為1.68 μg/kg，甘薯的硒含量受到各方面因素的影響。首先，不同品種甘薯對硒的富集能力不同。本研究中龍薯15和金山630塊莖中硒含量相對較高，且對硒的富集能力顯著大于福寧紫3號和金山57。廖青等［21］對自然狀態下10個甘薯品種進行富硒研究，結果發現不同甘薯品種的硒含量存在顯著差異，硒含量最高的品種為桂粉2號，其含量為福薯604的4倍。另外，錢秋平等［22-23］的研究結論與本研究的研究結果基本一致。

土壤硒含量直接影響甘薯硒的來源，本研究中甘薯硒含量與土壤全硒含量呈顯著正相關。這與前人的研究結果相似，富硒農作物產生的秸稈硒含量也較高，將這一部分秸稈進行還田，不僅可以減少化肥的使用量，還可以為土壤提供安全的外源硒［24］。李圣男等［25］通過向土壤添加富硒的奶牛糞便和富硒秸稈進行玉米富硒生產，取得了良好的效果，且玉米硒含量與添加的富硒有機肥的量呈正相關關系。此外，甘薯的硒含量也受土壤理化性質的影響。本研究中甘薯硒含量與土壤pH值呈極顯著正相關。前人研究表明，酸性和中性土壤中的硒主要以亞硒酸鹽形式存在，當土壤環境變化為堿性時，土壤中的亞硒酸鹽也轉化為硒酸鹽，而土壤對亞硒酸鹽的吸附能力強于硒酸鹽［26］，隨著土壤pH值的升高，土壤中被固定的硒重新釋放出來，同時一些結合態的硒也出現活化的現象［27］，從而提高了土壤有效態的硒含量。本研究中甘薯硒含量與土壤有機質含量呈現極顯著正相關關系。前人的研究表明，硒、有機質和礦物質（如鐵鋁氧化物）可以相互作用形成三元復合物［28］，增加土壤對硒的固定。另外，有機質的團聚作用有助于土壤產生缺氧區域，有助于降低硒的遷移性，從而將硒固定在土壤中［29］。

本研究發現甘薯硒含量與甘薯鉛含量呈極顯著負相關關系。可見，農作物吸收硒和鉛的過程中，硒與鉛表現為拮抗行為，土壤中的硒可以緩解農作物鉛毒害。多項研究表明，土壤中一定含量的硒可以顯著降低鉛脅迫下農作物中超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）和過氧化氫酶（CAT）的活性，并可降低成熟期農作物各器官中的鉛含量［30-31］。秦成等［31］研究表明，土壤中一定濃度的硒（1.0~2.5 mg/kg）可以降低鉛污染對蕎麥的毒害水平。劉燕等［32］對油菜進行種子萌發實驗時發現，低濃度硒可通過減輕鉛對油菜葉綠素的脅迫作用從而降低鉛毒害的影響［32］。此外，甘薯硒含量與塊莖砷含量呈顯著正相關。研究表明農作物在受到砷脅迫時會影響植物的磷酸鹽轉運蛋白的表達［33］，而磷酸鹽轉運蛋白為植物吸收四價硒的重要途徑［34-35］。

綜上，該研究流域甘薯硒含量受甘薯品種、土壤硒含量、土壤pH值和土壤有機質含量的共同影響，且甘薯吸收硒的過程分別與吸收鉛、砷的過程存在拮抗、協同作用。

4 結論

研究流域種植甘薯的土壤硒含量平均值為0.21 mg/kg，供試的4種甘薯莖塊硒含量的平均值依次為：龍薯15＞金山630＞金山57＞福寧紫3號。甘薯對重金屬的平均富集能力表現為：鎘＞砷＞鉛＞鉻，供試的4個甘薯品種中僅龍薯15不存在重金屬污染，且龍薯15的富硒能力優于其他3個甘薯品種。甘薯硒含量與土壤全硒含量、pH值和有機質含量均呈極顯著正相關關系，而與甘薯鉛、砷含量分別呈極顯著負相關和顯著正相關關系。