黑龙江绥化大宗农作物硒含量特征及影响因素分析

　　摘要:通过对松嫩平原绥化地区农作物及根系土样品的研究，开展了土壤理化性质、总硒、有效硒、硒形态及农作物硒含量测试，结合统计学方法探究了研究区内主要农作物的样品硒水平差异及其影响因素。结果表明，农作物硒含量为0.002～0.096mg/kg，土壤总硒含量为0.13～0.52mg/kg，土壤有效硒含量为0.002～0.007mg/kg，土壤硒以强有机态硒(31.52%)为主。土壤总硒与有机质相关性较高，与有效硒、氧化还原电位(Eh)相关性较低;土壤有效硒与pH显著正相关;农作物硒含量与土壤离子交换态硒、有效硒、pH、Eh和有机质均有不同程度的相关关系。不同作物对硒元素的富集机理不同，水稻对硒元素的富集能力明显强于玉米。该研究表明可通过一定程度人为控制的土壤特性使得土壤中的硒更有利于农作物吸收，以便使农作物中硒含量能够满足居民硒健康需求，同时该研究为解决地质背景因素引起的天然“缺硒”地区提供了可能的解决途径。

　　关键词:东北;粮食基地;土壤硒;相关性;影响因素

　　硒(Se)是维持人体正常生命运转所必需的微量元素，人体硒的摄入不足和过量都会严重影响人体健康。然而，人体硒风险介于硒摄入不足和硒中毒之间的硒安全摄入阈值十分狭窄，这也提高了居民群众潜在的硒风险［1－2］。硒一方面可以预防克山病、大骨节病等缺硒性反应症，另一方面硒有提高人体免疫机能、抗氧化、防癌抗癌、保护心血管和心肌健康等作用，因此硒有“生命之源”的美誉［3－6］。属于缺硒，72%的地区不同程度缺硒［7－8］。我国土壤中硒分布不均衡，低硒带呈东北－西南走向，不同地区土壤硒含量水平导致其生产出的农产品硒含量有较大差异。人体硒风险通常取决于日常饮食摄入，而人体硒的摄入主要取决于从土壤进入食物链的生物有效性硒水平。适当的农作物耕种方式不但可以缓解自然环境所带来的缺硒困扰，另一方面也可以降低环境中硒过高所带来的暴露风险。土壤作为主要农作物的载体和硒源，是确保农作物硒达标的先决条件，而土壤中硒的有效性强弱则影响着硒在土壤－植物系统中的运输能力［1－2］。硒的生物有效性目前为止尚无明确定义，Leeuwen等［9］(2007)将在生物活动中或环境污染中潜在可利用硒的比例作为硒的生物有效性;Alexander［10］(2000)将硒的生物有效性定义为土壤硒中能形成可以产生同化作用或者可能毒性的硒所占的比例。总而言之，硒的生物有效性主要从以下两个方面定义:(1)依据外界与生物间硒交换量的传输效率;(2)基于生物吸收的含量界定。由于测试技术的限制，目前难以准确测量生物对硒的吸收速率或植物与外界硒的交换通量，故本文中所提及的硒生物有效性为植物可直接吸收利用的离子交换态Se、碳酸盐态Se、水溶态Se以及小分子的有机态Se等［2－4］

　　1、研究区概况

　　松嫩平原地处中纬度亚洲大陆东岸，属于中温带。冬季在极地大陆气团控制下，气候严寒干燥;夏季受副热带海洋气团的影响，降水集中，气候温暖湿润，具有明显的大陆性季风气候的特征，因而一年中的太阳高度角变化及各季节间的太阳辐射量的变化均较大，致使气候年变化大，冬季漫长而严寒，夏季短促而炎热。松嫩平原区≥10°C积温的分布由南向北变化范围为2800～2200°C，南北相差很大，呈明显的纬向分布。研究区地处松嫩平原中东部，积温范围在2400～2600°C之间，位于绥化市和哈尔滨市的连接地带，行政区划包括绥化市北林区、望奎县、庆安县和哈尔滨市巴彦县，地理坐标为126°30'～127°45'E，46°22'～47°02'N，面积约4950km2。研究区属温带大陆性季风气候，年平均气温3.3°C，年平均降水量543.5mm。境内主要水系为松花江水系和呼兰河水系，土地肥沃，集中连片，地势平坦，适合开展大规模农牧业机械化耕作。主要土壤类型有黑土、草甸土和黑钙土，土地利用以耕地为主，其次为草地和林地。绥化市是世界三大黑土带之一东北平原的黑土核心地带，是重要的商品粮基地。据统计，研究区所处的松嫩平原粮食产量连续七年居粮食产量首位，是寒地黑土特色农业物产之乡，主要粮食作物有玉米(32%)、水稻(27%)等［16］。

　　2材料与方法

　　2.1样品采集与处理

　　考虑到研究区广泛种植的大宗农作物类型为玉米和水稻，结合研究区土壤类型，在兼顾代表性和均匀性原则的条件下布设采样点位，配套采集根系土壤样品和各类农作物籽实样品各154件(图1)。野外采样方法技术依据DZ/T0295－2016《土地质量地球化学评价规范》，在采集农作物籽实时同时采集作物根系土壤。玉米和水稻样品采集于农作物收获盛期，均在无风晴天时进行，采样时避开病虫害作物。利用GPS定点中心位，采集5～10个作物籽实然后等量混匀组成一个混合样品。样品采集后，立即装入聚乙烯塑料袋，每件农作物样品重量均不少于3kg。根系土采样深度0～20cm，确定3～5个子样点，由各子样等量混合组成一件样品装入样品袋。采样时均满足各子样点位种植的作物种类和土壤类型相同，且距中心位距离10～20m。

　　2.2样品测试分析

　　土壤硒的测定采用氢化物发生原子荧光光谱法(HG-AFS);土壤有机碳(SOC)采用容量法;pH采用玻璃电极法;Eh采用铂电极直接测定法;土壤有效硒含量用KH2PO4浸提，AFS测定。从采集的土壤样品中随机抽取10件进行硒形态分析，采用分步提取法提取硒形态:用H2O提取水溶态硒，用MgCl2提取离子交换态硒，用CH3COOH－CH3COONa提取碳酸盐态硒，用Na4P2O7提取腐殖酸态硒，用HONH3Cl提取铁锰氧化态硒，用H2O2提取强有机结合态硒，用HNO3-HF提取残渣态硒［17－18］。农作物样品硒含量测定用HNO3微波消解后采用AFS分析［19－20］。

　　3结果与讨论

　　3.1土壤和农作物硒含量特征

　　3.1.1土壤硒含量

　　从表1农作物根系土总硒、有效硒和不同形态硒的含量来看，总硒平均值为0.32mg/kg，高于全国表层土壤硒平均含量0.29mg/kg［21］，变异系数19.06%，硒元素空间分布比较均匀。依据谭见安［22］(1996)对我国生态环境硒界限值的划分，将土壤硒含量小于0.125mg/kg划分为缺硒土壤，0.125～0.175mg/kg划分为有硒潜在不足土壤，0.175～0.40mg/kg划分为足硒土壤，0.40～3.0mg/kg划分为富硒土壤，大于3.0mg/kg划分为高硒暴露风险土壤。研究区土壤硒水平处于足硒水平(87.66%)，少数表层土壤存在潜在硒不足(2.60%)及富硒特征(9.74%)。作为松嫩平原的重要粮食生产地区，绥化地区土壤总硒处于安全范围之内，但土壤总硒含量一般不能反映土壤对植物的供硒水平，只能作为土壤硒的容量指标。因此，为较全面地评估绥化地区粮食产业的硒健康风险，土壤硒的有效特征可以作为进一步详细衡量土壤供硒能力的指标［2－3，5］。

　　3.1.2农作物硒含量

　　研究区大宗农作物玉米、水稻耕种面积占总粮食耕种面积的59.8%和15.6%［16］。为了准确反映研究区主要农作物硒健康风险问题，我们针对玉米和水稻进行了研究，发现不同作物种类硒含量差异明显(表2)。水稻样品中硒含量在0.009～0.081mg/kg之间，平均含量为0.043±0.015mg/kg;玉米样品硒含量在0.002～0.096mg/kg之间，平均含量为0.028±0.015mg/kg。整体上，水稻样品平均硒含量高于玉米样品。与松嫩地区甘南县农作物硒水平比较，玉米果实中的Se含量接近，然而甘南县根系土平均Se含量为0.209mg/kg，说明绥化地区土壤中Se的生物有效性低于甘南县［24］。按照《富硒稻谷》(GB/T22499－2008)标准规定［25］，富硒水稻加工的大米硒含量在0.04～0.30mg/kg之间，为富硒水稻;富硒玉米尚无标准，本次研究按照富硒水稻的标准作为富硒玉米的评价标准。结果表明，研究区有32件水稻和14件玉米达到《富硒稻谷》规定界限值。

　　3.2土壤硒与土壤性质的关系

　　土壤中硒元素的含量受很多因素的影响，如成土母质、土壤质地、土壤理化性质、人类活动、降雨等，其中成土母质和土壤性质是影响土壤硒含量的最主要因素［26］。然而在土壤成土过程中，成土母质对硒含量的影响逐渐降低，而土壤理化性质对硒含量影响增强［27］。研究区成土母质主要为湖积冲积物、高漫滩堆积物和低漫滩堆积物，其中由湖积冲积物发育的耕作层土壤占研究区面积的80%以上。因此，研究区土壤硒含量主要受土壤理化性质的影响。表3为研究区土壤理化性质特征统计表，由表可见，各项指标的变异系数均小于40%，空间分布较均匀。对土壤硒含量与土壤理化性质之间进行相关性分析，水稻根系土硒含量与有机质呈显著正相关关系(图2a)，相关系数r=0.60(n=55，P＜0.01);玉米根系土硒含量与有机质呈显著正相关关系(图2b)，相关系数r=0.41(n=99，P＜0.01);玉米根系土硒含量与有效硒含量呈显著正相关关系(图2c)，相关系数r=0.27(n=99，P＜0.01);玉米根系土硒含量与Eh呈显著负相关关系(图2d)，相关系数r=－0.25(n=99，P＜0.05)。以往研究表明，有机质对硒的影响主要表现为吸附和固定作用，土壤有机质含量越高，对硒元素的吸附和固定能力就越强［28］。从图2根系土硒含量与土壤理化性质相关关系图来看，研究区土壤有机质对硒的吸附作用较强，这与绥化地区耕作层土壤硒表生富集的规律相吻合。同时，对研究区土壤有效硒与土壤理化性质的关系进行了研究，结果发现，水稻和玉米根系土有效硒含量均与pH呈显著正相关关系(图3a和图3b)，与土壤有机质、Eh无显著相关性。在土壤中由于pH升高会减少颗粒对Se的吸附，从而导致土壤中可移动的硒含量增加，同时随着pH的上升，土壤中主要能被生物可利用的Se(VI)水平会增加，而在酸性土壤中Se易与铁铝氧化物、有机质结合形成络合物，从而降低硒的迁移性和有效性，不易被农作物吸收［29－33］。土壤有效硒与Eh相关性较低，可能是因为研究区绝大部分土壤处于氧化环境下(Eh＞400mV)，不利于土壤有效硒的产生。

　　4结论

　　1)绥化地区农作物根系土壤以足硒为主，从硒的形态分布来看，土壤硒以强有机态硒为主，其次为残渣态硒和腐殖酸态硒，土壤硒的生物有效性相对较低，该地区农作物硒安全仍存在较大风险;部分水稻和玉米样品达到《富硒稻谷》规定界限值。

　　2)土壤总硒与有机质、有效硒显著正相关，与Eh有负相关关系;土壤有效硒与pH显著正相关;农作物硒与土壤离子交换态硒显著正相关;玉米硒含量与土壤有效硒、pH显著正相关，与Eh显著负相关，水稻硒含量与土壤有机质显著负相关，说明绥化地区土壤中有机质是限制农作物有效吸收硒的主要因素之一。

　　参考文献：

　　［1］郦逸根，董岩翔，郑洁，等．地质因素影响下的硒在土壤—水稻系统中的迁移转化［J］．物探与化探，2007，31(1):77－80．

　　［2］环境监测总站．土壤元素背景值［M］．北京:环境科学出版社，1990．

　　［3］夏学齐，杨忠芳，薛圆，等．黑龙江省松嫩平原南部土壤硒元素循环特征［J］．现代地质，2012，26(5):850－858，864．

　　张立1，2，杨晨梦3，孙广义3，*，毛龙2，刘立芬2，崔玉军2

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