恩施富硒土壤区绿色富硒农作物筛选研究

袁知洋, 许克元, 黄 彬, 李春诚, 夏 伟, 段碧辉, 潘 飞,王天一, 赵 敏, 闫加力

(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; 3.湖北省地质局 第二地质大队,湖北 恩施 445000)

恩施州是中国乃至全世界富硒土壤资源最为丰富的地区[1],恩施地处鄂西南,山地为主,土地资源较为珍贵,农业是恩施的支柱产业,特别是近年来富硒特色农业给恩施带来了巨大的经济效益[2],富硒土壤往往能种植出富硒农产品,但是许多恩施富硒土壤或者富硒地层经调查研究,发现其富硒的同时还高镉[3],由于不同农作物对土壤硒镉的吸收有差异,为了弄清楚恩施富硒地区的农作物硒镉含量的特征,基于这些特征指标进行常规对比和聚类分析,且进一步进行细化到农作物富硒低镉含量区间筛选,从而初步筛选出恩施富硒高镉土壤区的富硒低镉农作物,本研究的意义主要体现在:一是促进恩施富硒土壤资源的合理利用;二是筛选出富硒低镉高品质农作物,为恩施富硒农业的科学合理开发提供指导;三是为下一步更多高品质富硒农作物的筛选研究提供思路。

不同农作物对硒镉的吸收是有差异的,硒往往以代替硫元素的形式被动植物吸收生成硫代氨基酸继而组成蛋白质,因此蛋白质含量较高的植物容易吸收硒元素,而农作物对镉的吸收往往没有选择性,往往以二价镉离子形式被农作物根细胞通过离子渗透方式吸收,且运输过程中不断和细胞壁接触而吸收,根系到植物顶端,镉含量随高度降低[4-10]。因此也可以初步理解为,当农作物果实吸收各种重金属元素离子时,越是运输途径长,到果实的重金属含量越少,这仅仅是个物理过程,同时很多研究表明,硒元素往往在动植物体内拮抗镉的吸收,而且硒镉拮抗的强弱受农作物和土壤环境的双重影响[11-13]。因此在富硒高镉土壤区,农作物的富硒和镉吸收状况会有差别,所得的数据筛选出富硒低镉农作物十分有指导意义。

以恩施州目前已经所做土地质量地球化学调查的区域为切入点,圈出了富硒高镉土壤区,选择全州富硒区内采样分析的农作物数据,选择在区内常见7大类农作物的农作物硒镉含量和对应的根系土硒镉数据,整理分析出农作物硒含量、镉含量、富硒系数、镉吸收系数、富硒率、镉安全率,进一步筛选数据,数据利用拉依达准则(3σ准则)进行异常数据的剔除和筛选,以消除误差来得到较准确的结果,初步筛选出富硒低镉农作物,用以实现本文的科研意义。

1 材料与方法

1.1 恩施富硒高镉土壤区概况

恩施土家族苗族自治州位于湖北省西南部,地处鄂、湘、渝三省(市)交汇处,位于东经108°23′12″～110°38′08″、北纬29°07′10″～31°24′13″。结合恩施州表层土壤硒、镉元素的土壤地球化学调查数据,选取土壤硒含量超过0.4 mg/kg的网格区域为富硒土壤区,选取不低于轻度土壤镉超标(Cd≥0.3 mg/kg)的网格区为高镉土壤区,利用Mapgis67进行图形叠加,生成新的图区,形成了恩施州表层富硒高镉土壤分布图,如图1。

图1 恩施州表层富硒高镉土壤和材料分布图Fig.1 Distribution map of soil rich selenium and high cadmium soil in Enshi state1.土豆及其根系土;2.茶叶及其根系土;3.玉米及其根系土;4.水稻及其根系土;5.魔芋及其根系土;6.白菜及其根系土;7.萝卜及其根系土;8.富硒高镉土壤区;9.省界和市界线;10.县界线;11.镇级界线。

1.2 数据的收集和整理分析

通过收集2014—2016年恩施市、宣恩、巴东、建始、鹤峰、来凤等县市开展的“金土地”项目中的农作物和根系土数据,加上补充采样分析数据,筛选采样点出落在富硒高镉土壤区样品主要为土豆170件,茶叶169件,玉米247件,水稻119件,魔芋35件,白菜70件,萝卜90件。根据《土地质量地球化学评价规范》(DZT 0295—2016)的土壤硒含量分级以及参照《土壤环境质量标准》(GB 15618—1995)镉超标分级。显示农作物根系土大多数含硒都在0.4 mg/kg的富硒土壤标准之上,农作物根系土镉含量大多在轻度超标以上。利用拉依达准则(3σ准则)进行数据的剔除和筛选,然后利用SPSS和Origin进行数据分析和聚类分析,图文编辑全部由Excel2016完成。

2 结果与分析

2.1 富硒高镉土壤区农作物硒镉特征

在富硒高镉土壤区,大部分农作物根系土的硒含量处于富硒水平(≥0.4 mg/kg)以上,且大部分根系土壤镉含量处于轻度超标。筛选后的数据在统计分析前采用拉依达准则法(3δ)将所有镉异常数据和硒含量异常数据对应清除,然后再进行分析对比,恩施富硒高镉土壤区农作物中硒含量特征如表1;硒的均值含量依次排序(图2):水稻籽粒>玉米籽粒>茶叶叶片>萝卜块茎>魔芋块根>白菜茎叶>土豆块根,含量均值从0.431 6～0.015 9 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Table 1 Characteristic values of selenium contents in edible parts of main crops in the study area

图2 富硒高镉土壤区农作物可食部位硒含量均值对比Fig.2 Comparison of selenium content in edible parts of crops in selenium rich and high cadmium soil area

研究区主要农作物可食部位镉元素含量特征值列于表2,如表2所示,除了魔芋和大米的镉含量都较高外,其他农作物可食部位的镉含量较为稳定且相对较低。

如图3,农作物可食部位镉的均值含量依次排序:魔芋块根>水稻籽粒>茶叶叶片>土豆块根>白菜茎叶>萝卜块茎>玉米籽粒,含量均值0.201 6～0.036 9 mg/kg依次递减。

2.2 农作物的富硒低镉含量分布情况

本研究农作物的品质体现在硒含量,而安全性由其镉含量确定,在对比富硒高镉土壤区的主要农作物可食部位的品质和安全性时,通过分析可食部位的硒和镉含量数据散点分布,初步设定以镉含量不超过《食品中污染物限量》(GB 2762—2012)以及《粮食(含谷物、豆类、薯类)及制品中铅、镉、铬、汞、硒、砷、铜、锌等八种元素限量》(NY 861—2004)标准的限值(如表3),以及采用湖北省地方富硒食品标准《富硒有机食品硒含量要求标准》玉米、水稻、蔬菜、薯类等的最低富硒标准为0.2 mg/kg,满足此两类条件为绿色富硒农产品(如表4),发现优质区间中硒平均含量最高和镉平均含量最低都是玉米(硒平均含量为1.209 2 mg/kg;镉平均含量为0.050 3 mg/kg),其次是水稻,优质区间和玉米表现十分类似,在区间分布图4-图10中,发现水稻的高镉样点明显多于玉米,且水稻的高镉样点的镉平均含量明显高于玉米,但是水稻的绿色富硒率占比最高,达到27.83%,但玉米也达到了18.99%,说明土豆在绿色富硒区间的表现相对最弱。因此可以知道在绿色富硒区间内初步筛选出前两名绿色富硒农作物为玉米和水稻,茶叶和萝卜次之。

表2 研究区主要农作物可食部位镉元素含量特征值表Table 2 Characteristic value list of cadmium content in edible parts of main crops in the study area

图3 富硒高镉土壤区农作物可食部位镉含量均值对比Fig.3 Comparison of cadmium content in edible parts of crops in selenium rich and high cadmium soil area

表3 农作物质量评价指标及标准限值(mg/kg)Table 3 Crop quality evaluation criteria and standard limits

指标Cd引用标准标准限值水稻≤0.2玉米≤0.2土豆≤0.1魔芋≤0.1萝卜≤0.1白菜≤0.2茶叶≤1《食品中污染物限量》(GB 2762—2012)以及《粮食(含谷物、豆类、薯类)及制品中铅、镉、铬、汞、硒、砷、铜、锌等八种元素限量》(NY 861—2004)

表4 农作物的富硒低镉分布情况Table 4 Distribution of selenium rich and low cadmium in crops

2.3 富硒高镉土壤区农作物种植品种的优选

通过分析研究恩施富硒高镉区土壤区主要农作物可食部位的硒镉含量特征,优质区间分布,及其和根系土的硒镉效应,结合从农作物的含硒均值、含镉均值、土壤硒的富集系数、对土壤镉的富集系数、农作物的富硒率、镉安全率、在优质区间的硒镉含量表现。如表5。

图4 富硒高镉土壤区中土豆块茎的优质区间分布状况图Fig.4 Map of quality interval distribution of potato tubers in high selenium and high cadmium soil area

图5 富硒高镉土壤区中玉米籽粒的优质区间分布状况图Fig.5 Map of quality distribution of maize grain in selenium rich and high cadmium soil area

按照农作物的硒含量、镉的安全性、硒镉的吸收能力强弱性等指标为筛选依据,通过SPSS系统聚类分析,如表6和图11作物的筛选情况如下。

经过四轮分类,第一轮:魔芋单独一类;二类为茶叶、水稻、玉米、萝卜、白菜、土豆;从相似矩阵和树状图上看,魔芋的各项数据和其他农作物之间的相对组间距离最长,在做分类第一类,其余为一大类。魔芋是典型的低硒高镉农作物。第二轮:一类为魔芋;二类为水稻;三类为玉米、茶叶;四类为土豆、萝卜、白菜。结合水稻的硒镉数据以及相似矩阵和树状图上看,水稻的单独分类出来,主要表现在即水稻的含硒量最高,但是含镉量也最高。第三轮:一类为魔芋;二类为水稻;三类为土豆;四类为玉米、茶叶;五类为萝卜和白菜。土豆从萝卜、白菜中分离出来形成一类,因为这组里面土豆的含镉情况和萝卜白菜相似,但是含硒量较萝卜白菜少,是7大农作物中最低硒的农作物。第四轮:一类为魔芋;二类为水稻;三类为土豆;四类为玉米;五类为茶叶;六类为萝卜、白菜。玉米和萝卜的相似性十分明显。本次分类主要是只有七种农作物,种类样本相对较少,因此选取三轮分类,即最终分类结果:一类为魔芋;二类为水稻;三类为土豆;四类为玉米、茶叶;五类为萝卜和白菜。

图6 富硒高镉土壤区中茶叶叶片的优质区间分布状况图Fig.6 Distribution of quality leaves of tea leaves in selenium rich soil area

图7 富硒高镉土壤区中水稻籽粒的优质区间分布状况图Fig.7 Map of quality distribution of rice grains in selenium rich soil area

图8 富硒高镉土壤区中魔芋块根的优质区间分布状况图Fig.8 Map of quality distribution of Amorphophallus konjac root zone in selenium rich soil area

图9 富硒高镉土壤区中白菜茎叶的优质区间分布状况图Fig.9 Distribution of quality intervals of stems and leaves of Chinese cabbage in selenium rich soil area

综合上述农作物优质区间对比、聚类分析以及前文中关系农作物硒镉含量情况、农作物硒镉吸收规律、富硒情况和镉超标情况和农作物硒镉效应规律,初步筛选出玉米、茶叶为本次富硒高镉土壤区富硒较好但镉含量偏低的优质农作物,筛选出的优质农作物排序依次是玉米≥茶叶>水稻>白菜>萝卜>土豆>魔芋,特别是玉米富硒能力强且镉含量较低,镉超标率较低,而土豆和魔芋富硒能力较弱,富镉能力较强,镉超标较严重,因此魔芋和土豆不适宜在富硒高镉土壤区种植。

表5 主要农作物的筛选指标原值Table 5 The original value of the screening index for major crops

表6 主要农作物近似矩阵Table 6 Approximate matrix of main crops

图10 富硒高镉土壤区中萝卜块茎的优质区间分布状况图Fig.10 Quality distribution map of radish tubers in selenium rich and high cadmium soil area

图11 主要农作物聚类分析树状图Fig.11 Dendrogram of cluster analysis of main crops

3 结论与讨论

3.1 结论

本次研究初步筛选出玉米、茶叶为恩施州富硒高镉土壤区富硒较好但镉含量偏低的优质农作物,筛选结果依次是玉米、茶叶、水稻、白菜、萝卜、土豆、魔芋,特别是玉米富硒能力强且镉含量较低,镉超标率较低,而魔芋低硒高镉,土豆镉超标率较高,因此魔芋和土豆不适宜在富硒高镉土壤区种植。

3.2 讨论

从本研究的结果上看,玉米和茶叶成为绿色富硒农作物,通过文献的查阅,可能是玉米对镉离子的吸收和运输主要是在根系和茎秆上,而玉米含有的硫代蛋白含量相对较高,而茶叶对硒的吸收弱于玉米,但是茶叶对镉的吸收比玉米还少,除了茶叶的茎较长,恩施茶叶往往在巴东组地层上的偏酸性紫红土壤上生长较好,此地层硒镉含量较低;而魔芋和土豆这样可食部位直接接触土壤的块根植物,对重金属的吸收十分直接和迅速。

恩施富硒高镉土壤区进行农作物种植时应当做好农业规划,可以发展特色高山富硒茶叶、高山玉米等,以及富硒深加工等,进一步调查研究应该关注农作物的品种筛选,同一类农作物不同品种对硒、镉的吸收有所差异,可以通过品种的筛选进一步细化种植。