天然富硒土壤的性质及硒对重金属的拮抗研究

胡居吾，熊华

（1.江西省科学院，江西南昌 330096；2.南昌大学食品科学与技术国家重点实验室，江西南昌 330047）

土壤中的Se元素不能被植物吸收和利用，但经过一系列的风化作用、物理和化学反应或者在微生物的作用下，土壤中的金属Se元素被转化成含硒氧化物，最后以各种形态进入土壤中。土壤中Se的形态有硒酸盐、亚硒酸盐、金属硒化物和有机结合态、元素态Se，以及小分子有机硒化物，如含硒蛋白、硒基氨基酸等[1]。硒的有效性除受形态影响外，还与土壤全硒量、土壤有机质、土壤质地、土壤pH等有关。丰城市被誉为“中国生态硒谷”，有良好的天然硒资源基础，其土壤中硒含量适中；不同于高硒含量地带，可避免硒含量过高造成对人体健康的危害。丰城市分布的富硒土壤资源面积较大，属于江西省首次发现的富硒土壤。土壤中硒元素含量0.12～0.99 mg/kg，平均含量约0.538 mg/kg，面积大约在524.7km2。研究表明，未经任何技术处理，大部分种植产品就达到富硒农产品标准。

本文主要研究了丰城市天然富硒土壤性质，包括硒含量、硒形态、土壤的pH值、土壤中有机质含量和阳离子交换量等以及天然土壤中硒在水稻生长过程中对重金属镉和铅的拮抗效果。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

1.1.1 天然富硒农产品样品采集

随机采集丰城市富硒地区（董家村）的天然富硒产品，包括大蒜籽、笋大豆（秋）、早稻（糙米）、百合、黑豆（早）、黄豆（早）、花生、早米、晚米、红薯、荞麦、白芝麻、水稻秸秆以及草鱼等原料，分别检测样品中总硒含量，验证它们的天然富硒情况。

1.1.2 土壤样品采集

收集丰城市3个有代表性稻田地区的土壤，这3个地区的土壤中含硒量不同，分别设为低区（A区，蕉坑村）、中区（B区，荷湖乡）、高区（C区，董家村）3个不同天然富硒土壤区（低区同样达到富硒土壤标准）。试点稻田土壤的深度设为3个层次，分别为0～15cm（耕作层）、15～30 cm（自土层）、30～45 cm（底土层），采集后，在40℃烘干，过100目的尼龙筛，备用。

盐酸、硝酸、磷酸二氢钾、磷酸氢二钾、高硫酸钾、浓硫酸均为国产，分析纯。

1.2 仪器与设备

AA-6880原子荧光光度仪（日本岛津）、ST16高速离心机（美国Thermo公司）、PHS-3C酸度计（上海雷磁）、PHS-2C数显恒温水浴锅（江苏金坛市医疗器械）、FA-2004分析天平（苏州赢安杨仪器有限公司）。

1.3 方法

1.3.1 样品中总硒含量的测定[2]

称取约0.25g通过100目的样品于100mL的三角瓶中，加入10 mL的浓硝酸和高氯酸混合酸（HNO3∶HClO4=4∶1），静置过夜后，在350℃电热板上消化2～3 h，消化至无色并冒白烟，取下稍冷后加入5mL浓HCl，继续加热至无色，并冒白烟，取下冷却至室温，再加5mLHCl，全部转入25mL容量瓶中，用超纯水定容，制成待测液。待测液中的硒含量用原子荧光光谱仪测定。

1.3.2 土壤中硒形态的提取

参照Liu等[3]人的方法，将高硒含量的土壤（董家村）中的不同形态硒连续性提取。

1.3.3 土壤pH的测定[4]

称取10.0g±0.1g试样，置于50mL的高型烧杯或适宜的容器中，并加入25mL水（或氯化钾溶液或氯化钙溶液）。将容器密封后，用磁力搅拌器，搅拌5min，静置1～3h，然后用酸度计测定。

1.3.4 有机质含量的测定

参照Gitelson等[5]的方法进行。

1.3.5 土壤中阳离子交换量的测定

土壤中的阳离子交换量（Cation Exchange Capacty，简称CEC），是指土壤对所有阳离子所能吸附的总量。土壤中阳离子交换量的大小，是土壤具有保肥能力的主要评价标准之一。

1.3.6 土壤中天然硒对重金属铅和镉的拮抗作用

采集A区和C区水稻不同生长时期（秧苗期、返青期、分蘖期、幼穗发育期、开花结实期、果实成熟期）的叶片，测定其中硒、镉和铅的含量[6-7]。

1.3.7 数据统计与分析

试验数据采用统计分析软件SAS进行统计分析，均值间比较采用Duncan's多重比较，显著检验及皮尔逊相关系数在0.05和0.01水平进行。

2 结果与分析

2.1 天然富硒产品中硒含量的测定

对收集到的丰城天然富硒地区（C区，董家村）所生产的天然富硒产品中的样品，经原子荧光光谱仪测定其中总硒含量，结果见表1。从表1中可知，收集到的丰城天然富硒地区（董家村）所生产的天然富硒农产品中硒含量均达到富硒含量标准，证实了丰城天然富硒土壤中所生产的农作物大部分为天然富硒产品。

在相近或相同的自然环境条件下，土壤中所生长的不同植物对硒的吸收和利用能力不同，因此，这些不同植物的体内硒含量也会存在着明显差别。从表1可知，大米（硒含量0.098～0.110mg/kg，蛋白质含量约为8%）、大豆类（硒含量在0.142～0.151 mg/kg，蛋白质含量约为40%）、花生（硒含量0.161 mg/kg，蛋白质含量约为30%）、荞麦（硒含量0.140 mg/kg，蛋白质含量约为15%）、草鱼（硒含量0.253 mg/kg，蛋白质含量约为16%）等中的硒含量明显高于笋（硒含量0.083 mg/kg，主要成分为膳食纤维，蛋白质含量2.6%）、百合（硒含量0.012 mg/kg，蛋白质含量1.2%）和红薯（硒含量0.011 mg/kg，蛋白质含量0.9%）中的硒含量。并且，大米、大豆、荞麦、草鱼中的蛋白质含量也明显高于笋、百合和红薯中蛋白质的含量。因此，初步可以推测，天然富硒农作物产品中硒含量与农作物产品中蛋白质含量存在着重要的关系[8]。

从表1可知，大蒜籽（硒含量0.215 mg/kg，蛋白质含量4.5%）、韭菜（硒含量0.561 mg/kg，蛋白质含量2.4%）中的硒含量明显高于高蛋白质物质，如大米、大豆、荞麦的硒含量。其主要原因是大蒜籽主要含硫胺素和大蒜素，韭菜为多年生宿根蔬菜，主要含硫胺素和硫化合物，由于大蒜籽和韭菜中含有大量的硫元素，硒元素同硫元素竞争，硒原子取代硫原子进入植物质代谢过程中，使得大蒜仔和韭菜中硒含量较高[9]。

硒元素也是动物，如鱼类正常生长所必需的微量元素之一，水环境中硒含量过高或过低都不利于鱼类的生长和机体代谢。鱼类的鳃可以从周围环境中吸收和利用一部分环境中的硒，但是鱼类的肠道才是鱼类所吸收和利用硒的主要来源。从表1中草鱼肠的硒含量（0.301 mg/kg）要高于草鱼鳃（0.260 mg/kg）中硒含量也得到了证实。

表1 丰城天然富硒产品中的总硒含量

2.2 稻田土壤中形态硒含量的测定

采集丰城地区的稻田土壤，通过分步法提取不同的形态硒并测其含量，结果如图1所示。由图1可知，在董家村（C区）稻田的土壤中水溶性Se含量达到0.065 mg/kg，约是蕉坑村（A区）的10倍（硒含量为0.007 mg/kg）。并且在董家村（C区）稻田土壤中的酸溶态硒、可交换态硒、有机物结合态硒的含量要远远高于蕉坑（A区）稻田土壤中酸溶态硒、可交换态硒、有机物结合态硒的含量。由于这4种形态硒能直接或间接被植物吸收利用，所以，这两个地区所生产出产品中所含硒量有着明显的差异。

图1 不同地区稻田土壤中硒形态的含量

研究表明，采用纯水作提取剂会使得样品发生胶溶现象，影响提取的效果和提取率，而采用中性盐，如KCl、Na2SO4等作提取剂，由于这些中性盐溶液的离子强度大，能有效的抑制胶溶现象的产生，提高了水溶态硒的提取效果和提取率。但使用中性盐作为提取剂，存在着一定的不足之处，主要体现在，由于盐类之间存在着离子交换的作用，会使部分土壤表面弱吸附的SeO42-、SeO32-难于进入溶液，从而影响了水溶态硒的含量。因此，本实验直接用超纯水作提取剂，浸提率趋于稳定。

可交换态硒主要是SeO32-，在提取土壤中的SeO32-时，通常会采用磷酸二氢钾、碳酸氢钠等化合物的水溶液。研究表明，PO43-、SO42-和HCO3-等常见的阴离子交换剂对天然富硒土壤中的SeO32-解吸能力大不相同，其中PO43-的解吸能力最强，而且它能快速取代SeO32-，其次是HCO3-，SO42-的解吸能力最弱。本研究试验了多种不同提取剂的提取效果和提取率，最终选取用0.1mol/L KH2PO4-K2HPO4缓冲溶液作为可交换态硒的提取剂。

酸溶态（碳酸盐及铁锰氧化物结合态）硒的提取过程，由于水浴温度、HCl浓度及浸提时间对Fe、Mn氧化物结合态硒（即酸溶态硒）提取率有十分重要影响。若提取温度太低、浸提时间不足或者反应体系中HCl浓度偏低，都会影响到酸溶态硒的提取率。但是，若提取温度过高、提取时间过长、或者反应体系中HCl浓度过大都会使部分Se挥发，从而使酸溶态硒的提取率降低[10]。因此，在本实验中，提取土壤和沉积物中酸溶态硒选用3 mol/L HCl在90℃恒温下，振荡30 min。

有机结合态硒的提取剂有很多，其中K2S2O8具有较强的氧化性，可作为有机结合态硒的提取剂。本实验参照Martens[11]提供的方法进行实验，实验时采用K2S2O8作为提取剂，对提取时间和提取温度进行了考察，实验结果较好。

2.3 天然富硒土壤其他物质的测定

研究土壤中天然硒在水稻和大豆中的迁移情况时，除了要考察土壤中天然硒含量及形态外，还要了解土壤中其他物质的情况。

水稻秧苗种子种植到水田后，在土壤中的生长深度不会超过30cm，因此，对水田的两个不同土层深度（0～15cm，15～30cm）进行采样，分别测定其中总硒量、pH、有机质、阳离子交换量（CEC）、镉（Cd）和铅（Pb）的含量，结果见表2。

表2 天然富硒稻田土壤中相关成分的含量

表2结果表明，在同一区域不同土层深度的天然富硒稻田土壤中的硒含量在数值上有不同，但没有显著性差异。如A区土层深度为0～15 cm处的硒含量为0.028 mg/kg，土层深度为15～30cm处的硒含量为0.034 mg/kg。同样，在C区土层深度为0～15 cm处的硒含量为0.941 mg/kg，土层深度为15～30cm处的硒含量为0.836 mg/kg，两者在数值上有不同，也没有显著性差异。但是，在不同区域（如A、C区）同一土层深度的天然富硒稻田土壤中的硒含量明显不同，且显著性差异明显。如A区土层深度为0～15 cm处的硒含量为0.028 mg/kg，而C区土层深度为0～15 cm处的硒含量为0.941 mg/kg。

表2还表明，除了两区（A、C区）土壤中硒含量不同外，土壤中的pH、有机质、阳离子交换量及土壤中镉、铅的含量都没有显著性差异。因此，这两个地区种植出的产品中硒含量差异，最主要的原因是土壤中含硒量的不同，土壤中的其他因素（pH、有机质和CEC）为次要因素，但这些因素对土壤中硒形态有着密切关系[12]。

土壤中硒能被植物吸收和利用，除了与硒本身形态的影响外，同时受到土壤类型、土壤中的pH值和土壤中有机质含量等因素有着密切的关系。土壤中的pH值是控制土壤中亚硒酸盐和硒酸盐之间转化的主要因素。在碱性土壤中，硒主要以硒酸盐（SeO42-）的形式存在，在酸性和中性的土壤中主要以亚硒酸盐（SeO32-）的形式存在，土壤中的pH越高，土壤中的硒越容易损失[13]。土壤中有机质通过降解作用释放出硒，因此，在土壤表层（0～30cm）由于较多有机质使得土壤硒含量增加。

2.4 天然硒与重金属的拮抗作用研究

不同硒含量地区的水稻各生长期叶片中镉和铅的含量如表3所示，随着水稻生长时间的增加，Cd和Pb在叶片中硒含量呈相正的关系。如Cd和Pb在A区的水稻分蘖期时叶片中含量分别为2.158 mg/kg和6.897 mg/kg，随着水稻生长到幼穗发育期时，叶片中Cd和Pb含量分别为3.787 mg/kg和7.158 mg/kg。但是，在水稻的每个生长期内，叶片中Cd和Pb的含量在高硒区（C区）均低于低硒区（A区）中的含量。如，在水稻返青期时，叶片中的Cd在A区和C区的含量分别为1.574 mg/kg和1.412 mg/kg。同时，研究表明在整个生长期内，高硒区的Cd和Pb积累速率比低硒区（A区）的积累速率缓慢（如图2和3）。结果表明，在水稻生长过程中，适量的硒浓度对重金属Cd和Pb起到了一定的拮抗作用。

表3 不同硒含量地区的水稻各生长期叶片中硒、镉、铅的含量

图2 A区和C区水稻各生长期叶片中Cd含量

图3 A区和C区水稻各生长期叶片中Pb含量

土壤中常见的重金属，如Cd和Pb等会对植物体产生有毒作用。研究表明，过量的Cd和Pb会抑制植物的光合作用，降低植物中叶绿素的产量[14]。研究人员以生菜叶面为研究对象，在其生长过程中，对生菜叶面进行人工喷施硒源的实验，结果表明喷硒后，生菜对重金属镉的吸收出现了显著性变化，其含量与空白对照相比，明显下降，其原因是在植物体内，硒是谷胱甘肽过氧化物酶的重要成分之一，硒能促进谷胱甘肽过氧化物酶的活性。随后大量的研究均表明，Se在低浓度范围内对重金属Cd、As、Ag和Pb的毒性也具有较好的抑制功效[15]。刘燕等[16]的研究也表明，在低硒含量时，硒能明显提高油菜中SOD活性和POD活性和增加蛋白质含量，硒能增强油菜对重金属的抗性。

3 结论

（1）研究了丰城不同富硒地区的稻田土壤中硒形态，发现在董家村（C区）稻田的土壤中水溶性Se含量是蕉坑村（A区）的10倍。董家村（C区）稻田土壤中的酸溶态硒、可交换态硒、有机物结合态硒的含量要远高于蕉坑村（A区）。这4种形态硒能直接或间接的能被植物吸收利用，导致两个地区所生产出产品中所含硒量有着明显的差异。

（2）Cd和Pb在水稻生长期间，叶片中含量与时间呈正相关的关系。在水稻的每个生长期内，叶片中Cd和Pb的含量在高硒区（C区）均低于低硒区（A区）中的含量。同时，研究表明在整个生长期内，高硒区的Cd和Pb积累速率比低硒区（A区）的积累速率缓慢。结果表明，在水稻生长过程中，适量的硒浓度对重金属Cd和Pb起到了一定的拮抗作用。