土壤不同硒含量对小麦主要产量相关性状和硒吸收利用的影响

姜宗昊，刘玉秀，张正茂，王文杰

(西北农林科技大学 农学院，陕西杨凌 712100)

硒是人体必需的微量元素之一，是人体内各种代谢反应和免疫反应的参与者[1]，具有抗氧化、防衰老、增强免疫力等生物学功能，在防癌、抗肿瘤方面也起到关键的作用[2]。硒元素摄入不足会影响人们身体健康，严重者可引发一系列疾病[3-4]，如大骨节病、帕金森和癫痫等[5]。世界卫生组织推荐正常人体每日硒摄入量为50～200 μg[6]，而中国人均摄入量仅为30 μg·d-1左右[7]，远低于世界平均水平。现如今世界上大多数地区土壤中缺乏硒，从而导致农产品硒含量过低[8-9]。

小麦是中国第三大粮食作物[10]，也是聚硒能力最强的谷类作物[11]。Fox等[12]研究发现人体对小麦硒的吸收利用率最高。黑小麦是普通小麦中的一种特殊类型品种，营养成分含量高，被营养学家们称为补钙、富硒、高碘营养麦[13]，是有效的硒积累作物和高硒食物选择[14]。由于无机硒具有较高的毒性，且不易被人体所吸收，因此经植物转化形成的有机硒是人体吸收硒元素的主要途径[15]。目前，国际上富硒农产品的来源主要有两种途径，一种是在富硒地区种植，另一种是种植过程中施加外源硒，因此，研究不同土壤硒含量对小麦主要产量相关性状和硒吸收利用的影响，提高小麦籽粒硒含量和硒转化率，满足人们对硒元素的需求显得尤为重要和迫切[16]。

硒对农作物的生长发育具有两面性，适量的硒促进作物的生长发育，反之高浓度的硒抑制生长且产生毒害[17]。目前已有许多通过叶面喷施硒肥提高小麦籽粒硒含量的研究，但施用浓度差别较大，得到的结论也不尽相同。研究土壤硒含量对小麦籽粒硒含量影响的文献较少，小麦品种对硒吸收利用和其生长发育与土壤硒含量的关系也缺乏系统研究，在相同土壤硒含量条件下黑小麦和普通小麦对硒吸收的规律尚不明确。陕西紫阳是中国已发现的第二个高硒地区，当地种植的茶叶中有70%达到了富硒水平[18]。马芳宇[19]对汉江平原富硒地区小麦等农作物调查发现，由富硒土壤种植生长的小麦为硒含量适宜的富硒农产品，因此，本研究以紫阳高硒矿粉为硒源，按比例配制不同硒含量梯度的土壤，采用盆栽试验，研究不同土壤硒含量对黑小麦和普通小麦的主要农艺性状、叶绿素含量(SPAD值)、光合特性以及籽粒硒含量的影响，对有效开发富硒土壤资源和为缺硒地区富硒小麦生产提供技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验选用由西北农林科技大学农学院张正茂研究员课题组选育的小麦品种(系)‘普冰151’和‘西农黑大穗’，周口市农业科学院提供的‘周黑麦1号’为试验材料。

采用盆栽的种植方式，花盆高29 cm，最大内径44 cm。所用土壤类型为壤土，取0～20 cm土层土壤将其风干、过筛。土壤有机质、全氮、速效磷、速效钾和硒含量分别为9.7 g·kg-1、 1.5 g·kg-1、10.5 mg·kg-1、250.1 mg·kg-1和 0.24 mg·kg-1，pH为8.2。土壤装盆前加入复合肥(N 102 kg·hm-2、P2O5132 kg·hm-2和K2O 36 kg·hm-2)。

硒源为紫阳高硒矿粉(硒含量513.4 mg·kg-1)。通过混入不同量的硒矿粉设置5个土壤硒浓度梯度: 0添加硒矿粉(对照，S0)、土壤硒含量4 mg·kg-1(S1)、土壤硒含量8 mg·kg-1(S2)、土壤硒含量12 mg·kg-1(S3)和土壤硒含量16 mg·kg-1(S4)。本试验共15个处理，每个处理6次重复，播种方式为穴播，每盆种植15穴，每穴种植2粒小麦，三叶期定苗至12株，试验期间统一管理。

1.2 测定项目及方法

农艺性状的调查：于分蘖期每个处理随机选取12株小麦调查其分蘖数，取其平均值。于成熟期每个处理随机选取10株小麦测定其株高、穗长和穗粒数，取其平均值。收取每个处理3盆成熟期小麦测其单株产量和千粒质量，重复3次，取平均值[20]。

旗叶叶绿素值测定： 每个处理于开花期标记12株小麦主茎，用叶绿素仪(SPAD-502puls，柯尼卡-美能达)每隔5 d测定旗叶SPAD值，并取平均值[21]。

灌浆阶段光合特性测定：灌浆期于晴朗无风的上午每个处理选取12株具有代表性的小麦，用美国COR公司生产的Li-6400型便携式光合测定仪测定旗叶净光合速率、蒸腾速率、气孔导度和胞间CO2浓度[22]。

小麦籽粒粗蛋白质含量测定：称取全麦粉 0.5 g(精确到0.000 1 g)于消化管中，加入催化剂(硫酸钾与硫酸铜10∶1混合)2.0 g，加入H2SO410 mL，用消煮炉(晟声公司 X20A型)在400 ℃下消化1 h，冷却后用自动凯氏定氮仪(海能仪器 K9840)测定，测定结果乘以5.7，即为籽粒粗蛋白含量[23]。

籽粒全硒含量的测定：准确称取0.5 g(精确到0.000 1 g)样品于锥形瓶中，加入硝酸+高氯酸4∶1混合液10 mL，摇匀，在瓶口加盖塞有玻璃棉的小长颈漏斗，于低温电热板上加热分解，至高氯酸冒烟，小长颈漏斗取下，加入5 moL·L-1的盐酸10 mL，再加热5 min，使其溶解，同时能保证Se6+还原为Se4+，取下冷却，定容至25 mL，摇匀并倒入10 mL离心管中，用液相色谱原子荧光联用仪(LC-AFS9780)测定[24]。

籽粒无机硒含量的测定：用电子天平准确称取1 g(精确到0.000 1 g)样品于有塞刻度试管中，加体积分数50%盐酸溶液10 mL，超声波混匀30 min后，沸水浴30 min，冷却后用脱脂棉过滤，留其滤液待用。样品消解及测定同上，测定其无机硒的含量[25]。

1.3 计算公式

参照张妮[26]计算公式：

籽粒硒转化率= 籽粒有机硒含量/籽粒全硒含量×100%

籽粒硒利用率=(施硒处理籽粒硒含量-不施硒处理籽粒硒含量)/施硒量×100%

籽粒有机硒含量= 籽粒全硒含量-籽粒无机硒含量

1.4 统计分析

采用Excel 2016处理数据、图表，采用SPSS (Statistical Product and Service Solutions) 20.0数据处理软件进行数据统计分析，采用新复极差法进行差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 不同土壤硒含量条件对小麦旗叶SPAD值的影响

SPAD 值即叶绿素的相对含量，是反应植物光合能力的重要参数。由图1可知，土壤中施加高硒矿粉后，3个小麦材料旗叶SPAD值在花后5 d、10 d、15 d和20 d较S0均显著增加(P< 0.05)，其中‘普冰151’在花后5 d达到最大值，‘西农黑大穗’和‘周黑麦1号’在花后10 d达到最大值。土壤中施加高硒矿粉使小麦旗叶在花后20 d仍维持较高的叶绿素含量，有效延缓小麦 衰老。

2.2 不同土壤硒含量对小麦旗叶光合特性的影响

由表1可知，与S0相比，土壤中施加高硒矿粉显著提高3个小麦材料旗叶净光合速率(Pn)(P<0.05)，Pn在S2水平下显著高于其他水平(P<0.05)，S1、S3、S4水平之间无显著差异，随土壤硒含量的升高，呈先升高后降低的趋势。气孔导度表示气孔开放程度，与小麦光合、呼吸和蒸腾有密切的关联。与S0相比，土壤硒含量对小麦旗叶气孔导度与蒸腾速率均无显著影响，但数值变化呈现出与旗叶净光合速率一致的规律 (表1)。CO2通过气孔进入叶片，扩散到细胞间隙参与光合作用，小麦旗叶光合作用越强，消耗的CO2越多。由表1可知，3个小麦材料旗叶胞间CO2浓度随硒含量的增加呈先降低后升高的趋势，与旗叶净光合速率规律相反。

表1 不同土壤硒含量下小麦灌浆期旗叶光合特性Table 1 Flag leaf photosynthetic characteristics of wheat during grain filling stage under different soil selenium contents

2.3 不同土壤硒含量对小麦农艺性状的影响

由表2可知，与S0相比，土壤硒含量对3个小麦材料分蘖数和穗长无显著影响，对‘普冰151’和‘周黑麦1号’的株高无显著影响，S2和S3水平下，显著提高‘西农黑大穗’的株高(P< 0.05)。在不同土壤硒含量条件下，3个小麦材料单株产量较S0均显著增加(P<0.05)，‘普冰151’和‘西农黑大穗’在S2水平达到最大值，‘周黑麦1号’在S3水平达到最大值，三者最大产量较S0分别增产23.66%、 25.89%和26.42%。施硒条件下3个小麦材料穗粒数和千粒质量较S0均显著增加(P<0.05)。可见，土壤中施加高硒矿粉提高小麦的穗粒数和千粒质量，从而达到增产效果，表明土壤中施加一定量的硒能有效提高小麦产量。

表2 不同土壤硒含量下小麦农艺性状Table 2 Agronomic traits of wheat under different selenium contents in soil

2.4 不同土壤硒含量对小麦籽粒粗蛋白含量的影响

由图2可知，与S0相比，土壤中施加高硒矿粉显著提高小麦籽粒粗蛋白含量(P<0.05)。3个小麦材料籽粒粗蛋白含量在S2、S3和S4水平无显著差异，但均显著高于S0和S1水平(P< 0.05)，表明土壤中施加一定量的硒可以有效改善小麦籽粒粗蛋白含量。

2.5 不同土壤施硒量对小麦籽粒硒利用及含量的影响

由表3可知，与S0相比，土壤中施加高硒矿粉显著提高小麦籽粒硒含量和有机硒含量(P< 0.05)。3个小麦材料籽粒硒含量和有机硒含量随施硒量增加而增加，均在S4水平达到最大值。土壤中添加高硒矿粉条件下(S1、S2、S3、S4)，3个小麦材料籽粒硒转化率均显著高于S0(P< 0.05)，呈先增加后降低的趋势，均在S2水平达到最大值；在施硒条件下3个小麦材料的籽粒硒利用率均无显著差异，呈随施硒量增加而减少的趋势。小麦面粉的国家富硒标准为0.15～0.3 mg·kg-1，3个小麦材料籽粒有机硒含量在S1和S2水平下为0.163～0.288 mg·kg-1，均达到富硒标准(GB13105-1991)。表明土壤中施加一定量的硒可有效提高小麦籽粒硒含量和有机硒含量，使其达到富硒标准。

表3 不同土壤施硒量下小麦籽粒硒利用及含量Table 3 Wheat selenium utilization and content under different selenium application rates

3 讨 论

目前有通过硒包衣剂及土壤中直接施硒等方法对小麦产量及相关性状进行研究。杨峰等[20]研究发现硒包衣剂处理小麦籽粒能显著提高黑小麦株高，株高随包衣剂浓度的增加而增加；对黑小麦穗长有一定影响，呈现随处理浓度先升高后下降的趋势。本研究中发现随土壤硒含量的增加，3个小麦材料穗长较S0无显著差异；与S0相比，S2和S3水平显著提高‘西农黑大穗’的株高。李鸣凤等[24]研究发现土壤中施加硒矿粉后，小麦穗粒数较S0显著增加，成穗数与千粒质量略有增加但无显著差异。李韬等[27]通过对土壤中施加纳米硒肥发现低浓度的硒肥可显著提高小麦的百粒质量，但随施硒量升高百粒质量又会出现下降的趋势。本研究发现土壤中施加高硒矿粉可提高小麦的穗粒数和千粒质量，从而增加小麦产量。与杨峰等[20]关于穗长的结论，以及与李鸣凤等[24]和李韬等[27]的产量相关性状结论有所差异，可能是由于硒源、施硒浓度和品种的不同造成的，具体原因还需要进一步试验和探讨。

叶绿素虽然不含硒，但是以硒-氨基酸的形式参与叶绿素前体物的合成，因此外施硒能对小麦叶绿素含量产生影响[28]。王海红[29]在孕穗期对小麦喷施硒肥的研究中发现喷硒的4个处理SPAD值较清水对照均显著提高，并经过硒处理的小麦植株在生理后期旗叶SPAD值下降缓慢，延缓小麦的衰老。本研究通过土壤施硒试验方法得出的结论与王海红[29]一致，适量的外源硒可有效促进小麦旗叶SPAD值的增加，并延缓小麦的衰老。繆树寅[30]通过在土壤中混入亚硒酸盐种植小麦发现外源Se4能显著提高部分品种的旗叶净光合速率，施用外源Se6对小麦旗叶净光合速率无显著影响，部分品种的旗叶净光合速率甚至降低，胞间CO2浓度与净光合速率呈现相反的趋势，蒸腾速率与净光合速率趋势基本相同。本研究结论与繆树寅[30]所得结论一致，土壤中施加适量的硒对小麦旗叶净光合速率起到促进作用。

叶面喷硒与土壤施硒是前人研究硒对小麦籽粒硒含量影响常用的方法，且结果都表明施用外源硒能显著增加小麦籽粒硒含量。刘庆等[31]通过在不同时期对小麦叶面喷施硒肥发现喷施一定浓度的亚硝酸硒能有效提高小麦籽粒粗蛋白含量。蒋方山等[32]通过对小麦叶面喷施亚硒酸钠同样表明喷施硒肥能显著提高小麦籽粒粗蛋白含量。本研究通过土壤中施加高硒矿粉的试验方法同样发现适量的硒对小麦籽粒粗蛋白含量有显著提高作用。本研究采用土施高硒矿粉的方法，所得到的结论与前人一致，3个小麦材料在S1、S2、S3和S4水平下籽粒硒含量和有机硒含量较S0均显著增加，S1和S2水平下籽粒有机硒含量达到国家富硒标准(GB13105-1991)。人体对小麦有机硒吸收利用最高，转化率是衡量小麦籽粒有机硒含量的重要指标，转化率越高则籽粒有机硒含量越高。张妮[26]在研究中发现施用外源硒显著提高小麦籽粒硒转化率，硒利用率则随施硒量的增加而降低。樊俊等[33]研究表明小麦对有机硒的转化能力有限，施硒过多可能会导致硒的转化率下降。本研究发现与S0相比，土壤中施加高硒矿粉显著提高小麦籽粒硒转化率，呈先增加后降低的趋势；小麦籽粒硒利用率随土壤硒含量的增加而降低，与张妮[26]研究结论一致。

4 结论

本研究得出以下结论：(1)土壤中施加高硒矿粉显著提高小麦旗叶叶绿素含量和净光合速率，有效延缓小麦的衰老。(2)土壤中施加高硒矿粉显著提高小麦穗粒数、千粒质量和产量。(3)土壤中施加高硒矿粉显著提高小麦籽粒粗蛋白含量。(4)土壤中施加高硒矿粉可显著提高小麦籽粒硒含量和有机硒含量，3个小麦材料在S1和S2水平籽粒有机硒含量均达到富硒小麦标准，S2水平是最适宜种植富硒小麦的土壤硒浓度。‘西农黑大穗’在3个材料中表现最好，适宜在紫阳县等高硒地区种植。