湖北省不同农作物对土壤硒吸收富集规律的研究

闫加力， 徐春燕， 杨 军， 邹 辉， 赵 敏， 黄 彬

(湖北省地质科学研究院，湖北 武汉 430034)

硒是土壤环境中重要的微量元素，又是人和动物生长必需的营养元素，在食物链中，硒主要来源于植物并最终来源于土壤[1]，因此植物对土壤硒的吸收富集一直是研究热点。已有研究表明，植物对土壤硒的吸收富集取决于植物种类和土壤条件[2]，且植物硒与土壤硒之间一般存在正相关关系，有时这种相关关系也会受植物和土壤条件的影响而表现不显著[3]。胡秋辉等的研究指出影响硒生物有效性的因子主要有：硒的形态、土壤质地、土壤pH，土壤有机质等[4-5]。而土壤中硒的形态是决定土壤硒有效性的重要因素，在酸性和中性土壤中，硒一般以Se4+形态出现，与铁形成水溶性极低的氧化物或水合氧化物，很难被植物利用；在碱性土壤中，硒一般以Se6+为主，可溶性高，易被植物吸收利用；土壤中的有机硒主要来源于生物体的分解产物，可与富里酸络合被植物吸收，与胡敏酸络合则不能被植物吸收[6]。

湖北省1∶25万多目标地球化学调查和湖北省土地质量地球化学调查成果显示湖北省富硒资源总量大、分布广、品质优。本研究以这两项地质调查成果为基础，通过数据收集、整理和统计分析，对湖北省不同农作物硒含量特征及土壤硒有效性的影响因素进行研究探讨，以期为全省富硒农作物的生产管理提供科学依据。

1 方法技术

1.1 数据来源

湖北省开展面积性土壤硒含量调查工作起始于1999年，由中国地质调查局和原湖北省国土资源厅组织，先后开展了1∶25万多目标区域地球化学调查和1∶5万土地质量地球化学评价工作。本研究收集了截至2018年7月调查评价区表层(0～20 cm)土壤样品硒含量数据89 375件，四种农作物样品(水稻、小麦、玉米和黄豆)硒含量数据2 901组，土壤硒形态样品数据377组以及土壤有效态样品数据1 160组，数据分布范围如图1所示。

1.2 分析方法

背景值按照中国地质调查局《土壤地球化学基准值与背景值研究若干要求》文件计算。首先判定数据是否服从正态分布，不服从则对数据按照3倍离差剔除异常值。剔除后的数据若呈正态分布，则算术平均值代表背景值，若呈对数正态分布，则几何平均值代表背景值，若呈偏态分布，则中位值代表背景值。

综合考虑土壤条件，为更好地描述农作物对土壤硒的吸收富集，本研究引入富集系数(PUF)表征农作物的硒富集特性[7]。农作物富集系数计算公式为：PUF=农作物籽实中硒含量/根系土硒含量。

图1 研究数据分布范围图Fig.1 Distribution range map of research data1.1∶25万多目标区域地球化学调查数据范围；2.1∶5万土地质量地球化学评价数据范围。

参数统计分析采用SPSS软件和Excel进行，相关图表采用SPSS、Statistica for Windows和Excel绘制，Pearson相关系数表征两个因素的相关程度。

2 不同农作物硒含量特征

农作物对环境中硒的吸收利用，取决于土壤条件和作物种类等因素。水稻、小麦、玉米均是中国主要粮食作物，本研究对收集的四种农作物硒含量数据，其中水稻1 172组，小麦686组，玉米775组，黄豆268组进行统计分析，硒含量频数分布直方图和统计参数分别见图2和表1。

图2 四种农作物硒含量频数分布图Fig.2 Frequency distribution diagram of selenium content in four crops

表1 四种农作物硒含量参数(单位：mg/kg)Table 1 Selenium content parameters of four crops

可以看出，湖北省内水稻硒含量变化范围为0.016～0.838 mg/kg，背景值为0.052 mg/kg；小麦硒含量变化范围为0.010～0.33 mg/kg，背景值为0.073 mg/kg；玉米硒含量变化范围为0.001～2.071 mg/kg，背景值为0.036 mg/kg；黄豆硒含量变化范围为0.026～1.737 mg/kg，背景值为0.111 mg/kg。四种农作物硒含量大小和富集系数大小表现一致均为黄豆>小麦>水稻>玉米，表明不同种类农作物对土壤硒的吸收富集能力不同，省内四种农作物中黄豆富硒性能最强，玉米最弱。

3 农作物对土壤硒吸收富集的影响因素

3.1 土壤硒形态

土壤全量硒是土壤中各形态硒含量的总和，但并不是所有形态的硒都能直接被植物吸收利用，而能够被植物直接吸收利用的硒称之为土壤有效硒[8]。土壤中的水溶态硒是植物最容易吸收的形态，离子交换态和碳酸盐结合态硒在一定环境和pH条件下也能被植物吸收，腐殖酸结合态硒也可以分解成无机硒或小分子形式的有机硒而被植物吸收利用，而铁锰结合态、强有机结合态和残渣态很难被植物吸收[9]。本研究统计了湖北省土壤有效硒含量和形态硒含量，见表2。

表2 湖北省土壤有效硒含量基本统计值(单位：μg/kg)Table 2 Basic statistical value of available selenium contentin soil of Hubei Province

从土壤有效硒和各形态硒含量均值来看，湖北省土壤中水溶态、离子交换态、碳酸盐结合态和腐殖酸结合态硒含量之和接近土壤有效硒含量，约为8.0 μg/kg左右。进一步说明这四种形态硒均是可以被作物吸收的形态，它们的变化直接导致土壤中有效硒含量的变化，影响农作物对土壤硒的吸收富集。

3.2 土地利用类型

水田和旱地是湖北省两种重要的土地利用类型。已有研究表明对于水田来说，淹水耕作期间，土壤Eh值一般低于200 mV[10-11]，还原性较强。Masscheleyn指出：在还原条件下，硒的溶解性很低，在氧化状态下可溶性硒的浓度增加；在Eh为200 mV以上，Se4+缓慢氧化成Se6+，在Eh为450 mV 以上，Se6+是主要的溶解形式[12]。本研究根据不同土地利用类型土壤中硒形态的不同，重点研究了水田和旱地土壤中硒含量与其农作物硒含量的相关关系(见图3)，可以看出水田作物硒含量与其根系土硒含量的相关性优于旱地作物，表明不同土地利用类型条件下，农作物硒含量的吸收富集不同。在水田条件下，作物吸收富集土壤硒与土壤硒含量具有很大的相关性，而在旱地条件下，作物吸收富集土壤硒与土壤硒含量也呈正相关关系，但是相关系数不高，反映了旱地作物对土壤硒的吸收富集还需要综合考虑其他影响因素。

图3 水田和旱地作物硒含量与其根系土硒含量的相关关系图Fig.3 Correlation map between selenium content of paddy and dryland crops and selenium content of root soil

3.3 土壤pH

前人研究表明土壤pH值决定着土壤中硒的赋存形态，从而影响着土壤硒的有效性。本文对收集的湖北省土壤有效态元素进行SPSS聚类分析，聚类分析树状图见图4，由图4可知，土壤有效硒含量与土壤交换性钙、交换性镁和速效钾聚为一类，且在0.01水平上显著正相关。前人研究已指出土壤交换性钙、镁含量与土壤pH呈正相关关系[13]，由此也间接推断土壤有效硒含量与土壤pH具有正相关性，土壤pH是影响土壤有效硒含量的一个重要因素。张联合等研究表明碱性土壤中硒主要以硒酸盐存在，有效性很高，中性和酸性土壤中硒与铁形成了溶解性极低的氧化物或水合氧化物，有效性大大降低[14]。

图4 土壤元素有效态含量聚类分析图Fig.4 Cluster analysis map of available content of soil elements

4 不同土壤条件下农作物硒吸收富集规律

根据农作物对土壤硒吸收富集的影响因素，本研究将农作物划分为两类：水田作物和旱地作物；将土壤pH划分为三个等级：pH<6.5(酸性)、6.5≤pH<7.5(中性)和pH≥7.5(碱性)。通过分析不同pH条件下水田作物硒含量与其根系土硒含量的相关性和旱地作物硒的富集特性，探讨土壤pH条件下不同农作物的硒吸收富集规律。

4.1 水田作物在不同土壤pH条件下的硒吸收富集规律

水稻属于非聚硒植物，但水稻对硒具有一定的富集能力，能主动吸收利用硒，提高土壤硒含量能够增加水稻各部位的硒含量[15]。前述已知水田作物硒含量与其土壤硒含量相关性大，绘制相关关系散点图如图5可知，水稻稻米硒含量与其土壤硒含量在总体和不同pH条件下均呈显著的正相关关系，说明稻米硒含量高低与其土壤硒含量高低直接相关，随着水田土壤硒含量的增大而增多。吴永尧等研究结果表明，土壤含硒量越高，水稻累积硒的量越大，累积作用在水稻全生育期逐渐增强，成熟期达到最强，有60%的硒是在水稻生育后期40%的生长时间内累积的[16]。

图5 不同条件下水稻稻米硒含量与其土壤硒含量相关性散点图Fig.5 Scatter plot of correlation between selenium content in rice and soil under different conditions

4.2 旱地作物在不同土壤pH条件下的硒吸收富集规律

旱地作物硒含量与其根系土硒含量相关性较小，综合考虑土壤环境因素，本研究采用富集系数来描述旱地作物对土壤硒的吸收富集规律。分析小麦、玉米和黄豆在不同土壤pH条件下的富集系数如表3和图6。

表3 不同条件下小麦、玉米和黄豆硒富集系数参数表Table 3 Selenium enrichment coefficient of wheat,maize and soybean under different conditions

可以看出，三种旱地作物的富集系数黄豆>小麦>玉米，且碱性条件下均比中性和酸性条件下大。综合前面作物种类说明富硒性能强的作物硒吸收富集能力强；对于旱地作物，土壤偏碱性时可以促进其对土壤硒的吸收富集，且随着土壤pH的增大作物累积硒有增多趋势。

图6 不同土壤pH条件下旱地作物富集系数对比图Fig.6 Contrast map of crop enrichment coefficient in dryland underdifferent soil pH conditions

5 结论

(1) 湖北省四种大宗农作物硒含量大小和富硒性能表现一致：黄豆>小麦>水稻>玉米。

(2) 农作物对土壤硒吸收富集的影响因素主要有：作物种类、土壤pH、土地利用类型。土壤pH和氧化还原电位均通过影响硒的赋存形态来影响硒的有效性，从而影响作物对硒的吸收。

(3)富硒性能强的作物硒含量较高。水田作物水稻对土壤硒的吸收富集量主要受土壤硒含量影响，随着土壤硒含量的增大而提高，受土壤pH的影响较小；旱地作物小麦、玉米和黄豆对土壤硒的吸收富集除了受作物种类影响外，还受土壤理化性质的综合影响，其中碱性土壤有利于它们对硒的吸收富集。