纳米硒对谷子生物量和微量元素含量的影响

兰 敏，尹美强，温银元，孙 敏，许佳昕，刘雨衫，张毓宜，石 尧

（山西农业大学农学院，山西太谷030801）

硒由瑞典科学家BERZELIUS于1817年发现，属于类金属元素，是植物体内的有益元素、动物体内的必需元素，已被证实其可以提高人体免疫力、预防癌症和高血压等。克山病、糖尿病、心血管疾病、地方性贫血等疾病均与人体缺硒有关[1-3]。硒元素在植物体有缓解重金属毒害、增强抗逆性和光合作用、提高作物品质和产量等作用[4]。植物硒代谢是硒在自然循环中的一个环节，将自然界中的无机硒转化为有机硒，从而被人体吸收利用。硒对动物抗氧化能力和免疫力的提高已在蛋鸡[5]、奶牛[6]和小鼠[7]等的研究中有所报道。硒对作物的产量、光合作用和生理特性的影响已在黑大豆[8]、茶树[9]和谷子[10]等的研究中有所报道。适宜浓度的硒可以促进小麦的生长，提高其抗氧化能力和抗旱能力，最终提高其产量，而硒浓度过高时反而会抑制小麦生长[11-12]。穆婷婷等[13]研究表明，苗期、抽穗期和灌浆期叶面喷施硒均可以提高谷子的籽粒硒含量、硒收获指数以及有机硒转化率，其中，籽粒硒含量的积累效果在谷子喷硒的不同生育时期之间表现为灌浆期＞抽穗期＞苗期。硒还能够拮抗和缓解砷、汞、铅、铬、镉等元素对植物的毒害作用，以减轻氧化应激、恢复细胞质膜、直接抑制重金属元素的吸收等方式确保植物的正常生长发育[14]。TU等[15]在凤尾蕨的研究中发现，高浓度硒会抑制凤尾蕨根部和叶片对砷的吸收和转运。在对青菜[16]、水稻[17-18]和茶树[19]等的研究中得出，亚硒酸盐能够显著抑制镉在植物中的积累，改善作物品质。适宜的硒能有效缓解镉胁迫，维持细胞正常的生理代谢。黄丽美等[20]研究表明，低浓度的亚硒酸钠对玉米中的有毒元素的拮抗作用不明显，且随着硒浓度的升高，玉米籽粒中的铅、镉和汞含量显著下降。我国72%的地区属于缺硒地区，以华北、东北、西北地区为主，其农作物在自然状态下硒含量很低[21]。而且农药残留、土壤污染等现状使常见的重金属污染物毒害植物体，造成作物减产[14，22]。同时，随着我国居民饮食结构的改善，杂粮作物越来越受到人们的关注[23]。目前，对于外源硒对农作物的研究多集中在小麦、水稻等主要农作物中，在谷子中的报道较少。

本试验以谷子为研究对象，在孕穗期和灌浆期通过叶面喷施不同浓度的纳米硒，探究硒对谷子生物量、籽粒硒含量和重金属元素积累的影响，进一步明确谷子最佳施硒时期和施硒量，为谷子产量和营养价值的提高提供理论依据，同时对富硒小米的生产做出指导。

1 材料和方法

1.1 试验材料

供试谷子品种分别为大白谷、张杂13号，均由山西农业大学农学院谷子栽培课题组提供。

供试硒肥为中农硒科富硒农业技术研究院提供的纳米硒肥。

1.2 试验方法

表1 叶面喷施纳米硒肥处理

试验于2018年5—12月在太谷县申奉村山西农业大学试验田进行。采用裂区设计，小区面积为15 m2（3 m×5 m）。试验共设4个硒肥质量浓度，分别为 0（蒸馏水，CK）、3、6、9 mg/L，分别在孕穗期（A）和灌浆期（B）对2个品种谷子进行叶面喷硒。试验共设7个处理（表1），每个处理重复3次。每小区喷施量为1 L，CK喷施同体积清水。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 生物量的测定 谷子成熟后，每小区随机选择5株完整植株，清理干净后对其根、茎、叶、穗部进行分离并装袋，分别于80℃烘箱烘干至恒质量（根和叶烘48 h，茎和穗烘72 h），之后称量谷子各部位生物量。

1.3.2 籽粒微量元素含量的测定 用脱壳机将收获谷子籽粒进行脱壳，之后用去离子水清洗籽粒并烘干，用微型粉碎机将籽粒粉碎后过筛，装袋待测。

采用微波消解法对粉碎后的籽粒粉末进行消解[24]。取0.30 g籽粒样品于消解管中，依次加入6 mL浓硝酸、2 mL双氧水，加盖旋紧静置12 h对样品进行预消解。预消解完成后，将消解管放入微波消解仪中，消解后冷却开盖，放入170℃赶酸仪内进行赶酸[25]，待溶液余1 mL左右时取出，用超纯水冲洗管壁并定容至10 mL容量瓶中摇匀，用滤器过滤至5mL的EP管中待测。同时制备样品空白。

采用ICP-MS法测定样品酸溶液中Se、Hg、As、Cd 的含量[26]。

1.4 数据分析

数据采用Microsoft Excel 2003软件进行整理，并绘制图表。采用SPSS19.0进行单因素方差分析，用Duncan新复极差法进行显著性检验。

2 结果与分析

2.1 不同时期喷施不同浓度硒对谷子生物量的影响

由表2可知，叶面喷硒可以显著提高各品种谷子的茎部、叶部和穗部的生物量，但是对根部生物量的影响未达显著水平。

在茎部生物量方面，大白谷中，灌浆期施硒比孕穗期施用相同浓度硒对茎部生物量的提升更大，且在B1处理其茎部生物量最大，较CK提升22.10%，达到极显著水平（P＜0.01）。张杂13号中，孕穗期施硒较灌浆期施用相同浓度硒对茎部生物量提升更大，在A3处理时有最大提升，较CK提高20.35%，达到显著水平（P＜0.05）。

在叶部生物量方面，大白谷和张杂13号谷子叶部生物量均在A1处理时有最大提升，较CK分别提高19.35%和28.26%，均达极显著水平（P＜0.01）。且在孕穗期喷硒时，谷子叶部生物量的增加量随硒浓度的提高出现逐渐下降的趋势；在灌浆期喷硒时，谷子的叶部生物量表现为先升高后降低的趋势，出现高浓度硒抑制叶部生物量持续积累的现象。

在穗部生物量方面，大白谷和张杂13号分别在B1和B2处理时有最大增加量，较CK分别提高27.93%和20.44%，达极显著水平（P＜0.01）。且在大白谷和张杂13号中均出现高浓度硒抑制穗部生物量积累的现象。同时，灌浆期喷硒各品种谷子穗部生物量较孕穗期喷施相同浓度的硒更大，说明在灌浆期喷施叶面硒肥更能促进谷子穗部生物量的积累。

综上可知，在不同时期叶面喷施不同浓度硒，可显著提升谷子的茎、叶、穗部的生物量，均可达到极显著水平（P＜0.01），但对根部生物量无较大影响。

表2 叶面喷硒对谷子各部位生物量的影响 g

2.2 不同时期喷施不同浓度硒对籽粒硒含量的影响

我国粮食标准中，硒含量在0.1～0.3 mg/kg为正常，高于0.5 mg/kg时则为致毒含量。本试验籽粒硒含量均在安全范围内。由图1可知，在不同时期喷施不同浓度硒肥均能够极显著提升谷子籽粒中的硒含量（P＜0.01）。随施硒浓度的提高，在孕穗期，大白谷籽粒硒含量呈现先升高后降低的趋势，张杂13号则呈现逐渐升高的趋势；在灌浆期，大白谷和张杂13号均呈现逐渐升高的趋势，与叶面喷硒浓度呈正相关，在B3处理时最大籽粒硒含量分别为0.251、0.298 mg/kg，较CK分别提高了202.41%和272.50%，达到极显著水平（P＜0.01）。并且灌浆期喷硒较孕穗期喷施相同浓度的硒其籽粒硒含量更大，即在灌浆期施硒，高质量浓度的纳米硒肥（9 mg/L）更容易向籽粒中转运硒。

2.3 不同时期喷施不同浓度硒对籽粒重金属含量的影响

2.3.1 叶面喷硒对籽粒汞含量的影响 从图2可以看出，不同时期施用各浓度叶面硒肥均可使谷子籽粒中汞元素的含量明显降低，且达到极显著水平（P＜0.01）。在大白谷和张杂13号中籽粒汞含量最低的处理分别为B2和B3处理，含量分别为4.17、3.52 μg/kg，较CK分别下降了34.64%和49.81%，达到极显著水平（P＜0.01）。即在灌浆期施硒时，籽粒汞含量下降最明显。

2.3.2 叶面喷硒对籽粒砷含量的影响 从图3可以看出，叶面喷硒可使不同品种谷子籽粒中砷元素的含量均明显降低，达到极显著水平（P＜0.01）。在谷子的各时期喷硒，其籽粒砷含量随硒浓度的提高均表现出持续下降的趋势，即谷子籽粒砷含量与叶面施硒浓度呈负相关。在大白谷和张杂13号中，砷含量最低分别为B3和A2处理，含量分别为26.38、46.79 μg/kg，较CK分别下降了61.66%和35.90%，达到极显著水平（P＜0.01）。在大白谷的灌浆期施硒较孕穗期施用同浓度的硒其籽粒砷含量降低更显著，在张杂13号中则表现为在孕穗期施硒更优。即喷施高质量浓度的叶面硒肥（9 mg/L）时，更利于谷子籽粒砷含量的降低。

2.3.3 叶面喷硒对籽粒镉含量的影响 从图4可以看出，叶面喷硒可使不同品种谷子籽粒中镉元素的含量明显降低，各处理较CK均可达到极显著水平（P＜0.01）。各品种谷子中都出现籽粒镉含量随叶面喷硒浓度的增加而逐渐降低的趋势，即籽粒镉含量与叶面喷硒浓度呈负相关。大白谷和张杂13号的籽粒镉含量最低的处理均为A3处理，含量分别为 70.03、101.45 μg/kg，较 CK分别降低了 79.87%、71.37%，达到极显著水平（P＜0.01）。各品种谷子中，在孕穗期施硒较灌浆期施用同浓度的硒其籽粒镉含量降低更显著。即在喷施高质量浓度的叶面硒肥（9 mg/L）时，更利于谷子籽粒镉含量的降低。

3 讨论

3.1 叶面喷硒对谷子生物量的影响

生物量是作物群体产量的基础，是判断植物生长发育的重要指标。硒可以增强植物的抗逆性和光合作用，进一步促进植物对淀粉、蛋白质和糖类的积累，提高作物的产量和品质[4，12]。已有研究表明，叶面喷硒符合Bertrand生物剂量规律，即必需元素在生物体内的效应为低浓度时可以促进植物的生长发育，但是当元素过量时，则对植物产生毒害作用，影响植物营养物质的积累[27]。张妮等[28]研究表明，适宜浓度硒可以提高小麦的生物量，但在施用高浓度硒肥时，则抑制小麦生物量的积累。FENG等[29]、宋丽芳等[30]在水稻和苦荞的试验中也出现高浓度硒抑制生物量积累的现象。本研究得到与前人研究相似的结果，叶面喷硒可以有效促进谷子茎部、叶部和穗部生物量的积累，但高浓度硒则抑制谷子生物量的持续积累。同时得出，在灌浆期施硒更有利于生物量的积累，且叶面硒肥对谷子地上部生物量的积累影响较大，而对地下部生物量的积累影响较小，这一结果与刘新伟等[31]在小麦的研究结果相似。其可能是因为不同形态的硒在谷子不同部位的转运机制不同，所以，在叶面喷硒纳米硒肥对谷子根部的生长影响不大。硒在植物不同器官中的吸收和转运机制还有待进一步研究。

3.2 叶面喷硒对谷子籽粒硒含量的影响

人类很难直接利用自然界的无机硒，人体所需的硒大部分都来自于食物中植物合成的有机硒。因此，富硒农产品的加工成为人体补硒的一条重要途径[32-33]。本研究发现，叶面喷硒可有效提升谷子籽粒的硒含量，这一结果与王政等[34]、刘秀桃等[35]和秦恩华等[36]在大豆、谷子和烤烟的硒肥试验结果相一致。穆婷婷等[13]、郭美俊等[37]在谷子的硒肥试验中均得出，灌浆期施硒更有利于籽粒硒含量的积累。张平平等[38]在小麦的叶面喷硒试验中得出，喷施叶面硒肥可显著提高小麦籽粒的硒含量，但不同品种小麦籽粒硒积累能力不同。本研究结果与上述研究结果相一致，谷子籽粒硒含量的富集以灌浆期施用硒肥为最佳，且在喷施高浓度纳米硒肥时，更利于谷子籽粒对硒元素的积累。

3.3 叶面喷硒对谷子籽粒重金属含量的影响

已有研究表明，硒可以通过减轻氧化应激、直接抑制重金属的吸收、与重金属元素结合形成难溶性复合物而阻断其转运等方式缓解重金属元素对作物的毒害作用[39-40]。ZHANG等[41]在水稻试验中得出，硒会抑制水稻籽粒对汞的吸收，与汞有拮抗作用。刘锦嫦等[42]研究表明，适宜浓度的硒可以促进砷污染水稻的生长，并达到降砷、富硒的效果。张庆等[19]在茶树的研究中得出，硒的加入会降低茶树地上部分镉的积累量，减少镉的毒害原因为硒与镉可形成亚硒酸镉，使镉的溶解性下降，吸收量降低。本研究进一步证实了前人的观点，即外源硒可以有效抑制汞、砷、镉在谷子籽粒中的积累，且随硒浓度的增加籽粒中重金属含量呈持续减少的趋势，与施硒量呈负相关，这一结果与张海英等[43]在草莓硒肥试验中得到的结果相一致。

4 结论

本研究结果表明，叶面喷硒可以有效提高谷子地上部分生物量和籽粒硒含量，并显著降低籽粒中重金属元素的积累，但对根部生物量积累无影响；在灌浆期施用叶面硒肥对谷子生物量、籽粒硒含量的提升最优；叶面硒浓度与籽粒硒含量呈正相关，在灌浆期喷施高质量浓度（9 mg/L）叶面硒肥时，谷子籽粒中硒含量最高。叶面硒浓度与籽粒重金属元素含量呈负相关。