恩施富硒土壤区主要农作物硒镉特征以及和根系土硒镉关系研究

袁知洋, 项剑桥, 吴冬妹, 徐春燕, 黄 彬, 段碧辉, 邹 辉, 李春诚, 赵 敏

(1.湖北省地质科学研究院,湖北 武汉 430034; 2.湖北省硒生态环境效应检测中心,湖北 武汉 430034)

恩施富硒土壤区主要农作物硒镉特征以及和根系土硒镉关系研究

袁知洋1,2, 项剑桥1, 吴冬妹1, 徐春燕1, 黄 彬1, 段碧辉1, 邹 辉1,
李春诚1, 赵 敏1

(1.湖北省地质科学研究院,湖北 武汉 430034; 2.湖北省硒生态环境效应检测中心,湖北 武汉 430034)

为了揭示湖北省恩施州富硒土壤区常见农作物及其根系土含硒、镉的特征,以恩施市新塘乡、龙凤镇等地区为采样区块,对土豆、茶叶、玉米、水稻、魔芋、白菜、萝卜及其根系土进行采样,分析每份农作物可食用部位及其根系土的全量元素硒和镉含量,分析发现:①七大农作物硒的平均含量依次排序为白菜茎叶>水稻籽粒>玉米籽粒>茶叶叶片>魔芋块根>萝卜块茎>土豆块根,含量均值从0.688 2～0.001 33 mg/kg依次递减;②采样农作物镉的平均含量依次排序为水稻籽粒>魔芋块根>白菜茎叶>茶叶叶片>土豆块根>玉米籽粒>萝卜块茎,含量均值149.458～31.614 ng/g依次递减;③水稻和白菜、萝卜及其根系土的硒镉相比其他农作物之间关系较为显著,其他农作物及其根系土硒镉含量也有不同程度的关联。

农作物;根系土;硒;镉;恩施

恩施土家族苗族自治州位于湖北省西南部,是鄂、湘、渝三省(市)的交汇处,恩施被誉为“世界硒都”[1-3],恩施州富硒土壤资源具有六个特点[4-6]:一是富硒土壤成因类型主要为石煤型,其次是燃煤型;二是硒含量高,尤其是恩施市双河地区;三是分布广,所辖恩施、利川两个县级市和巴东、来凤、咸丰、建始、鹤峰、宣恩6个县,均发现大片的富硒土壤;四是出产多种特色富硒农副产品;五是富硒土壤中Cd、Pb等重金属背景值局部偏高;六是农作物硒、镉含量很大程度与农作物根系土中的硒、镉含量关系密切。因此在利用富硒土壤资源进行富硒农作物的种植时,应当注意研究农作物的硒镉特征及其关系,查明农作物对硒和镉的吸收情况,强调农作物富硒品质时注意农作物镉的安全[7-8]。

国内外关于硒镉在植物和动物体内的吸收关系试验已经出现较多报道,铁梅、刘阳、李华为等[9]采用盆栽试验的方法,研究不同含量的硒、镉单一和复合作用对萝卜生长及其对硒、镉吸收的影响。结果表明:硒能显著降低萝卜对镉的吸收,且这种作用表现为地下部分强于地上部分。因此,在轻度镉污染的土壤中种植富硒萝卜,既能生产营养安全的富硒食品,又可实现污染农田的再利用。梁程、林匡飞、张雯等[10]以水稻为试验材料,采用水培的方法,研究了不同硫(S)浓度下(9.720 mg·L-1)硒(Se)(5 mg·L-1)和镉(Cd)(1.10 mg·L-1)交互胁迫对水稻幼苗一些生理特性的影响,在无Se条件下,随着Cd浓度的增加,Cd对水稻幼苗生长的毒性不断增大,在加入一定浓度的Se后,Cd的毒性作用得到缓解。王建伟、王朝辉、毛晖等[11]研究施用硒锌钼肥料对该地区作物生长及可食部分镉元素含量的影响具有重要意义,发现硒肥提高了马铃薯块茎和小白菜叶片硒含量,还使镉含量显著降低50%以上,因此从文献得出,大部分情况下农作物及其根系土硒镉的关系是拮抗关系。

为了探究恩施农作物在富硒地区的硒镉含量特征,本研究在恩施富硒地块采集7类典型农作物,同时也对应采集了农作物根系土,在实验室里得到了相关数据,因此本文以农作物相关富硒标准和镉安全标准,农作物和土壤硒镉数据为基础,旨在为农产品硒、镉的土壤—农作物转移关系分析作数据支撑,从而为恩施富硒地区开发安全高品质富硒农产品提供相关指导。

图1 本次农作物采样材料分布图Fig.1 Material distribution map of crops

1 材料与方法

1.1 试验设计与样品采集

本次采样在宣恩县晓关侗族乡和恩施新塘乡内(如图1),进行农作物及其根系土调查,野外样品的采集主要为农作物及其根系土壤样品,采集农作物水稻、茶叶、玉米、魔芋、萝卜、白菜、土豆样品共110个,其中水稻、茶叶、玉米、土豆各20个,魔芋、萝卜、白菜各10个,在实验室对每个农作物的可食用部分进行分析测试,对应土壤(根系土)全量分析样品110个,对每一样方土壤0～40 cm深度进行取样,带回实验室风干后,取出细根、石粒等杂质,碾磨后过0.1 mm孔径塞制成待测土壤样品。

1.2 测定及分析方法

(1) 农作物和根系土的全量微量元素硒、镉均采用原子荧光光谱法[12],在湖北省地质实验中心测得。

(2) 数据统计和相关分析采用SPSS17.0统计软件,图像采用MapGis67、Origin8.1、Excel2016绘制。

(3) 本次农作物硒含量评价将结合稻谷富硒国家标准(GB/T 22499—2008),以及江苏、江西、湖北等地方富硒农作物硒含量标准,分析评价农作物中的水稻、玉米、土豆、魔芋、萝卜、白菜。镉含量标准主要依据中华人民共和国食品安全国家标准《食品中污染物限量》(GB2762—2012)执行。茶叶主要依据《茶叶中铬、镉、汞、砷及氟化物限量》(NY659—2003)执行。

2 结果与分析

2.1 农作物硒镉含量状况

2.1.1 农作物硒含量状况

本次收集以及补充采样农作物种类为7个,分别是土豆、茶叶、玉米、水稻、魔芋、白菜、萝卜,农作物和根系土资料来自恩施金土地一期和二期项目、宣恩金土地项目一期和二期、巴东县金土地项目一期、建始县金土地项目一期、鹤峰县金土地项目一期、利川金土地项目一期,采样点在富硒高镉土壤区的分布情况如图1。

研究区样品主要为土豆242件、茶叶266件、玉米318件、水稻165件、魔芋37件、萝卜106件、白菜86件,每种农作物都有对应的根系土数据,其中对收集的农作物硒含量数据展开分析,数据统计分析前采用拉依达准则法(3δ)剔除异常数据,然后再进行分析对比,本次分析农作物中硒含量特征如表1。

从图2中得出硒的均值含量依次排序:白菜茎叶>水稻籽粒>玉米籽粒>茶叶叶片>魔芋块根>萝卜块茎>土豆块根,含量均值从0.688 2～0.001 33 mg/kg依次递减。

表1 研究区主要农作物可食部位硒元素含量特征值表(mg/kg)Table 1 Value of selenium content in edible parts of main crops in study area

图2 农作物可食部位硒含量均值对比Fig.2 Average comparison of selenium content in edible parts of crops

2.1.2 农作物镉含量特征

剔除异常数据后的农作物样本中,研究区七大农作物可食部位镉元素含量特征值列于表2,含量状况以及含量对比显示如图3,从表2和图3中得出七大农作物可食部位镉的均值含量依次排序:水稻籽粒>魔芋块根>白菜茎叶>茶叶叶片>土豆块根>玉米籽粒>萝卜块茎,含量均值149.458～31.614 ng/g依次递减。

2.2 农作物富硒及镉含量安全性评价

2.2.1 农作物富硒评价

富硒农产品是指农产品中硒含量达到一定水平,且安全无毒副作用,能为特定人群提供一定硒营养的农产品或指硒含量达到富硒标准的食品,即“富硒且安全”。

土豆样品分别采集于恩施龙凤镇、恩施新塘乡、恩施沐抚办事处、宣恩县椒园镇、宣恩县珠山镇、宣恩县万寨乡、巴东县野三关镇、建始县业州镇、来凤县大河乡、来凤县三胡乡、来凤县革勒车镇,以及补充采样的恩施宣恩县晓关侗族乡山尖坳村,共242个样品,剔除5个异常数据,其余237个样品采用江西省地方富硒食品标准《富硒食品硒含量标准》(DBD36/T566—2009)中蔬菜及制品0.01～0.1的标准,对本次采样土豆富硒情况分四级(表3)。结果表明,在富硒高镉土壤区所采集土豆硒含量达到富硒标准的样品为51件,占总量的21.52%,其中大都是集中在二级富硒区间。

表2 研究区主要农作物可食部位镉元素含量特征值表(ng/g)Table 2 Content table of cadmium content of main crops in the study area

图3 农作物可食部位镉含量均值对比Fig.3 Average comparison of cadmium content in edible parts of crops

表3 研究区土豆硒含量分级统计表Table 3 Statistical table of potato selenium content in study area

茶叶样品分别采集于恩施沐抚镇、宣恩县晓关乡、宣恩县椒园镇、宣恩县珠山镇、宣恩县万寨乡、建始县业州镇、来凤县大河乡、来凤县三胡乡、来凤县革勒车镇、鹤峰县中营镇共266个样品,测试茶叶叶片干剂,剔除6个异常数据,评价标准采用供销行业2014年10月1日实施的《富硒茶》(GH/T 1090—2014)中的0.2～4.0 mg/kg的标准对本区茶叶富硒情况分四级(表4),结果表明,硒含量一级11件,二级124件,三级共115件,分别占全部样品数的3.056%、47.69%和44.23%。富硒情况较好,富硒率高达96.15%。

表4 研究区茶叶硒含量分级统计表Table 4 Statistical table of green tea selenium content in study area

玉米样品全部采集于恩施新塘乡、恩施龙凤镇、恩施沐抚镇、恩施板桥镇、宣恩县椿木营乡、宣恩县晓关乡、宣恩县椒园镇、宣恩县珠山镇、宣恩县万寨乡、巴东野三关镇、来凤县大河乡、来凤县三胡乡、来凤县革勒车镇、建始县业州镇、鹤峰县中营镇总共有314件,测试部位为籽实,剔除异常硒含量数据7个,剩余307个样品数据参照国家富硒稻谷标准(GB/T 22499—2008)(硒≥0.04 mg/kg),将富硒高镉土壤区的玉米硒含量划分为五级(表5),玉米样品达到富硒标准的为156个,占50.81%。

表5 研究区玉米硒含量分级统计表Table 5 Statistical table of corn selenium content in study area

水稻样品全部采集于恩施新塘乡、恩施龙凤镇、恩施沐抚镇、宣恩县晓关乡、宣恩县椒园镇、宣恩县珠山镇、宣恩县万寨乡、来凤县大河乡、来凤县三胡乡、来凤县革勒车镇、建始县业州镇。补充采样于恩施新塘乡乡镇府驻地,一共165个样品,去除异常数据4个,测试部位为稻米籽实,161个采样点的稻米硒含量达到国家富硒稻谷标准(GB/T 22499—2008)(硒≥0.04 mg/kg),结合恩施地区水稻含硒量特征,将水稻富硒情况划分为五级(表6),水稻样品达到富硒标准的样品有132件,占81.98%。其中最高级别硒含量的有39件,一级含硒17件,占53.41%。

魔芋样品采样位于恩施新塘乡、恩施宣恩县椿木营乡、宣恩晓关乡,建始县业州镇,共采样36件,采用江西省地方富硒食品标准《富硒食品硒含量标准》(DBD36/T566—2009)中蔬菜及制品0.01～0.1的标准,对本区魔芋富硒情况分四级评价(如表7),此次研究区魔芋样品有33件达到富硒标准,占91.66%,其中硒含量一级4件,过剩的占8件,占全部样品数的22.22%。

白菜全部采集于恩施新塘乡、恩施沐抚办事处、恩施宣恩县椿木营乡、鹤峰县中营镇,采样共86件,剔除异常数据3个,剩余83个,采用江西省地方富硒食品标准《富硒食品硒含量标准》(DBD36/T566—2009)中蔬菜及制品0.01～0.1的标准,对本研究区白菜富硒情况分四级(表8),此次研究区样品白菜硒含量达到最高级别的有26个,占31.33%,达到富硒标准有50个,占60.24%,但是同样有33个样品未达到富硒标准,初步可知白菜含硒的差异性较强。

表6 研究区稻米硒含量分级统计表Table 6 Statistical table of rice selenium content in study area

表7 研究区魔芋硒含量分级统计表Table 7 Statistical table of content of konjak selenium in study area

表8 研究区白菜硒含量分级统计表Table 8 Statistical table of selenium content in Chinesecabbage in study area

萝卜样品采集于恩施新塘乡、恩施龙凤镇、恩施沐抚镇、恩施板桥镇、宣恩椿木营乡、鹤峰中营镇,共106件,剔除异常数据3件,剩余103件,采用湖北省地方富硒食品标准《湖北省关于富硒食品地方标准》(DB42/211—2002)中果蔬类≥0.01的标准,对本区萝卜富硒情况分三级评价(表9),此次富硒高镉土壤区萝卜样品中达到富硒标准的有30件,占总量的29.13%,未达到富硒标准的有73件,占70.87%,萝卜普遍不够富硒。

2.2.2 农作物镉含量安全性评价

通过剔除异常数据,土豆、茶叶、玉米、水稻、魔芋、萝卜、白菜每种农作物镉安全标准和超标情况如表10和图4所示。在研究区,魔芋块根含镉超标率最高,达40%,水稻、白菜、土豆也分别达24.07%、15.48%、10.08%,萝卜、玉米的镉超标率分别为3%和2.29%,镉安全性较好,茶叶最安全,所有样品未见镉含量超标。

2.3 七大农作物及其根系土硒镉元素之间的相关性分析

表9 研究区萝卜硒含量分级统计表Table 9 Statistical table of selenium content in radish in study area

表10 研究区农作物中镉元素含量超标统计表Table 10 Statistical table of excessive content of cadmium elements in crops in study area

图4 农作物富硒率和镉含量超标率对比Fig.4 Comparison of the rate of selenium enriched Se and the exceeding rate of cadmium Cd content in crops

如表11可知,土豆根系土镉含量和土豆含硒量表现为中等程度正相关,土豆含锌量和土豆含镉量表现为中等程度正相关,其余土豆和土豆根系土各项指标两两相关程度表现为相关程度较弱。

如表12,茶叶根系土硒含量和茶叶根系土镉含量也表现为极强的正相关,茶叶根系土硒含量和茶叶硒含量表现为中等程度正相关;茶叶根系土镉的含量和茶叶硒含量表现为中等强度的正相关;茶叶硒含量和茶叶镉含量在茶叶叶片上表现为强的正相关。

表11 土豆根系土和土豆籽实硒镉元素含量相关系数Table 11 Correlation coefficients of elements in potato and rhizosphere soils

表12 茶叶根系土和茶叶叶片硒镉元素含量相关系数Table 12 Correlation coefficients of elements in tea and rhizosphere soils

如表13可知,玉米根系土镉含量和玉米根系土硒含量表现为中等强度正相关。

表13 玉米根系土和玉米籽实元素含量相关系数Table 13 Correlation coefficients of elements in corn and rhizosphere soils

如表14可知,水稻根系土镉含量和水稻根系土硒含量表现为极强的正相关,和水稻硒含量表现为中等强度的正相关,和水稻镉含量表现为强的正相关;水稻根系土硒含量和水稻硒含量表现为中等强度的正相关,和水稻镉含量表现为强的正相关;水稻籽粒硒含量和水稻籽粒镉含量表现为中等强度正相关。

表14 水稻根系土和水稻籽实元素含量相关系数Table 14 Correlation coefficients of elements in rice and rhizosphere soils

如表15可知,除了魔芋根系土镉和魔芋根系土硒含量表现为极强的负相关,其余指标之间的相关程度均较弱。

表15 魔芋根系土和魔芋籽实元素含量相关系数Table 15 Correlation coefficients of elements in konjak and rhizosphere soils

如表16可知,白菜根系土镉含量和白菜根系土硒含量表现为极强的正相关,和白菜硒含量表现为极强的正相关,和白菜镉含量表现为强的正相关;白菜根系土硒含量与白菜硒含量表现为极强的正相关;白菜硒含量和白菜镉含量表现为极强的正相关。

表16 白菜根系土和白菜茎叶元素含量相关系数Table 16 Correlation coefficients of elements in Chinese cabbage and rhizosphere soils

如表17可知,萝卜根系土镉含量和萝卜根系土硒含量表现为极强的正相关,和萝卜镉含量表现为极强的正相关;萝卜根系土硒含量与萝卜镉含量表现为极强的正相关。

表17 萝卜根系土和萝卜块茎元素含量相关系数Table 17 Correlation coefficients of elements in radish and rhizosphere soils

注:*表示 0.05 的显著水平;**表示 0.01 的显著水平。

3 结论与讨论

(1) 七大农作物硒的平均含量依次排序:白菜茎叶>水稻籽粒>玉米籽粒>茶叶叶片>魔芋块根>萝卜块茎>土豆块根,含量均值从0.688 2～0.001 33 mg/kg依次递减。

(2) 采样农作物的镉的平均含量依次排序:水稻籽粒>魔芋块根>白菜茎叶>茶叶叶片>土豆块根>玉米籽粒>萝卜块茎,含量均值149.458～31.614 ng/g依次递减。

(3) 各个农作物基本都出现了根系土壤中硒和镉协同的关系,而农作物体内的硒镉关系有所差异,水稻和白菜、萝卜及其根系土的硒镉相比其他农作物之间协同关系较为显著,其他农作物及其根系土硒镉含量也有不同程度的关联,但是茶叶、土豆硒和镉含量都较低,土豆和萝卜镉含量相对较低,但是富硒概率较低。

综合前文所述,农作物在含镉土壤甚至富镉的土壤中生长,却能生长出相对较低的镉含量作物,比如本文研究发现玉米和茶叶,总体镉超标情况较少,富硒水平也较高,而本文中萝卜和土豆的镉安全性高,但是富硒质量一般,初步说明各个农作物对土壤镉的吸收没有呈现出规律一致性,与硒的吸收呈现出了差异性,在今后的农产品镉污染调查上可以重点关注魔芋和水稻。

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The Characteristics of Selenium and Cadmium in Crops and Its Root Soilin the Area of Se and Cd-enriched Soil in Enshi

YUAN Zhiyang1,2, XIANG Jianqiao1, WU Dongmei1, XU Chunyan1, HUANG Bin1,DUAN Bihui1, ZOU Hui1, LI Chuncheng1, ZHAO Min1

(1.HubeiInstituteofGeosciences,Wuhan,Hubei430034; 2.HubeiTestCenterofSeleniumEcologicalEnvironmentEffect,Wuhan,Hubei430034)

In order to reveal the characteristics of selenium and cadmium in common crops and their root soils in SE rich soil region of Enshi Prefecture,Hubei Province,the full amount of selenium and cadmium content of each edible parts of crops such as potatoes,tea,corn,rice,konjak,Chinese cabbage,radish and root soil samples are analyzed.The analysis found that:①the average content of selenium in seven crops is sorted in turn:cabbage leaf>rice grain>corn>tea leaf>konja>Radish tuber>potato tube.The average content decreased from 0.688 2 to 0.001 33 mg/kg in turn.②the average content of cadmium in crops is ranked sequentially:rice grain>konja>cabbage leaf>tea leaf>potato tuber>corn>Radish tuber.The average content decreased from 149.458 to 31.614 ng/g.③selenium and cadmium in rice and cabbage,radish and root soil compared to other crops is a significant relationship between other crops,and root soil selenium and cadmium content also have different degrees of correlation.

crops; root soil; selenium; cadmium; Enshi

S153.6

A

1671-1211(2017)06-0706-07

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2017.06.008

2017-08-21;改回日期2017-10-09

湖北省地质局2016科技项目(KJ2016-8)《恩施富硒高镉土壤区农作物硒镉效应研究》。

袁知洋(1988-),男,工程师,农学专业,从事农业地质、地球化学及富硒产业研究。E-mail:yzyjxau@163.com

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.P.20171026.0845.026.html数字出版日期2017-10-26 08:45

于继红)