土壤-马铃薯系统中Se的生物有效性及Se-Cd耦合效应研究——以恩施州富硒地区为例

汪 丹, 王龙艳, 杨良哲, 张阳阳, 王 瑜, 周 伟, 王梦园

(1.湖北省地质科学研究院(湖北省富硒产业研究院)，武汉 430034；2.湖北省硒生态环境效应检测中心，武汉 430034；3.中国地质大学(武汉)，武汉 430074)

【研究意义】硒(Selenium,Se)是人体必需的微量元素，具有抗氧化、活化免疫系统、预防癌症等作用[1]。由于人体中的Se主要通过食物摄入，为社会缺Se人群提供富硒产品，是解决Se元素缺乏问题的主要途径[2]。湖北省恩施州被国际组织誉为“世界硒都”，Se资源集多样性、丰富性于一身[3]。富硒耕地作为富硒农产品生产的主要场所，其土壤富硒程度是决定农产品是否富硒的决定性因素。【前人研究进展】关于土壤富硒程度表征的指标选取问题，有学者认为采用土壤总Se含量能够表征土壤富硒程度及其对生产富硒农产品的影响[4-5]；随着研究的逐渐深入，大量学者发现土壤有效态Se含量比总Se含量更符合Se元素从土壤到植物的迁移转化规律，采用土壤有效态Se含量来表征土壤富硒程度更加科学[6-7]。然而有效Se的形态组成复杂多变，不同形态、组成的有效Se对于Se元素在“土壤-植物”系统中的迁移转化效率的影响存在较大差异[8]，有待进一步研究。研究显示，恩施地区内土壤中Se元素与Cd元素具有较强的伴生关系[9]，土壤中Cd含量高为种植农产品带来了极大的安全隐患[10]。各国学者对植物中Se与Cd的相互作用进行过许多研究，一方面Se是植物体内抗氧化系统的重要组成成分，能明显改善Cd诱发的脂质过氧化反应，减轻Cd元素对植株的毒害；另一方面Se与金属有很强的亲和力，可在体内与Cd结合成金属硒蛋白复合物，从而可降低Cd的毒性作用[11]，合理利用土壤Se资源，对减少Cd造成的健康隐患具有重要意义。此外，喷施Se肥能够对农作物果实等地上部分中的Cd形成拮抗作用[12-13]，并提高植物抵御Cd胁迫的能力[14]。【本研究切入点】由于前人对土壤中Se的研究主要集中在总Se含量、Se的分布特征及其影响因素方面[15-17]，针对Se有效态及其影响因素方面研究较少。土壤中的Se以无机态(-2，0，+4，+6)和有机态Se形态存在，且表现出不同的化学和生物特性[18]，直接影响植物对Se的吸收。本研究深入剖析在不同形态、组成下的有效Se对Se元素在“土壤-植物”系统中的迁移转化效率的影响，以及Se-Cd之间的拮抗或者协同作用。【拟解决的关键问题】研究对正确评价富硒地区土壤中Se的状况，如何安全利用土壤中的Se元素及促进农作物对Se的吸收富集及生产出符合国家标准、当地标准的富硒农产品具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 样品采集

供试马铃薯及其配套根系土样品各30组，分别采自建始县、龙凤镇、沐抚镇、新塘乡等地(图1)。马铃薯鲜样于收获期采集，样重2 kg。以0.1～0.3km2为采样单元，在采样单元内选取5～20个植株，采集根实，植株连根带泥一同挖起，去掉根系和叶。将采集好的样品及时装入保鲜袋中。样品带回室内后，洗净、晾干水分后备用。将马铃薯根系部位的原始新鲜土壤，去除杂草、草根、砾石、砖块、肥料团块等杂物后，采集对应的土壤样品。原始样重2 kg，风干后保存。

审图号：GS(2019)1822号图1 采样点位置Fig.1 Location of sampling points

1.2 样品分析

1.2.1 马铃薯Se含量测试 依据《食品安全国家标准——食品中硒的测定》(GB 5009.93—2017)测定农作物中Se含量。

1.2.2 马铃薯Cd含量测试 依据《食品安全国家标准——食品中镉的测定》(GB 5009.15—2014)测定农作物中Cd含量。

1.2.3 土壤Se含量测试 依据《土壤和沉积物 汞、砷、硒、铋、锑的测定——微波消解/原子荧光法》(HJ680—2013)测定土壤中Se含量。

1.2.4 土壤有效Se含量测试 建立了HPLC-ICP-MS的硒形态分析方法：称取2 g土壤放入50 mL离心管，加入土壤Se形态浸提剂磷酸二氢钠20 mL。放置恒温水浴振荡器上在20 ℃下250 r/min震荡120 min，然后8000 r/min离心5 min。将上层清液过0.45 μm滤膜，倒入新的50 mL离心管中，放置于4 ℃环境中冷藏待测。

1.2.5 土壤Cd含量测试 依据《全国土壤污染状况详查-土壤样品分析测试方法技术规定》测试土壤中Cd含量。

1.2.6 土壤有效Cd含量测试 依据《土壤质量有效态铅和镉的测定——原子吸收法》(GB/T 23739—2009)测定土壤中有效Cd含量。

1.3 数据处理

统计前对数据进行异常值筛除，采用MAPGIS 6.7软件绘制采样点位置图，采用SPSS软件进行图件绘制以及Excel软件进行数据处理。

2 结果与分析

2.1 马铃薯及其根系土Se、Cd含量状况

2.1.1 马铃薯与根系土Se含量状况 在恩施州富硒地区采集马铃薯和根系土样品各30件，分别采自建始县、龙凤镇、沐抚镇、新塘乡等地。马铃薯富硒评价标准参照湖北省食品安全地方标准《富有机硒食品硒含量要求》(DB42/002—2014)和陕西省地方标准《富硒食品与其相关产品硒含量标准》(DB61/T556—2012)，规定富硒马铃薯标准参考值Se≥0.02 mg/kg。土壤富硒评价标准参照《土地质量地球化学评价规范》(DZ/T0295—2016)，规定富硒土壤标准参考值Se≥0.4 mg/kg。

从表1可知，所采集马铃薯样品Se含量范围为0.002～2.332 mg/kg，平均值为0.318 mg/kg。有16件样品达到富硒标准，富硒占比53.33%。根系土样品Se含量范围为0.211～11.020 mg/kg，平均值为1.777 mg/kg，远高于恩施州土壤Se元素背景值(0.408 mg/kg)。25件土壤达到富硒标准，富硒占比83.33%，表明研究区富硒土壤资源优越。此外，发现富硒马铃薯对应的根系土Se全部达到富硒标准，马铃薯样品Se含量最高时，对应的根系土样品Se含量也最高，都位于恩施新塘乡。可见土壤富硒是农作物富硒的必要条件，而新塘乡和沐抚镇大量分布的富硒岩层——二叠系炭质页岩，风化后形成富硒土壤，是该地土壤中Se含量极高的主要因素。

表1 马铃薯及其根系土Se和Cd含量统计

2.1.2 马铃薯与根系土Cd含量状况 根据国家标准中华人民共和国《食品安全国家标准食品中污染物限量》(GB2762—2012)中所示的限量指标及本次农作物样品的分析指标，马铃薯块茎Cd标准限值为0.1 mg/kg。根据国家标准《食品农产品产地环境质量评价标准》(HJ332—2006)，土壤Cd标准限值为0.3 mg/kg。马铃薯Cd含量范围为0～0.255 mg/kg(表1)，平均值为0.081 mg/kg，超标率达到30%。土壤Cd含量范围为0.33～29.11 mg/kg，平均值为7.603 mg/kg，超标率达到100%，高于中国背景值0.074 mg/kg，高于湖北省Cd背景值(0.114 mg/kg)，可见研究区土壤中Cd污染严重。

2.1.3 土壤有效态Se-Cd分布情况 就土壤中有效态Se和Cd占总Se和总Cd的百分比而言(图2)，恩施富硒地区土壤中Se的有效性较低，沐抚镇和新塘乡土壤总有效Se含量最高，但仅为3.77%和3.37%。而土壤中Cd的有效性则非常高，例如新塘乡最高可达39.18%，建始县可达30.35%，在全国富硒、高镉地区中表现极为突出[19]，潜在生态危害性较大，对土壤Se资源的开发利用形成阻碍。

NP问题有好多个，装箱问题是其中一个。设有体积分别为T1,T2,T3,……Tn的m种货品要装容量为c的箱子里。采用不同装箱方法所需的箱子数可能不同[1]。要解决的问题是如何使用最少的箱子数将这m种货品装进去。装箱问题是NP问题，这是不容易得到一个最佳的解决方案，为了比较快速得到满意解，近似算法经常被使用。常见的算法[2]：NF(Next Fit)近似算法，BF(Best Fit)算法，BFD(Best Fit Deceasing)算法，FF(First Fit)近似算法，FFD(First Fit Decreasing)近似算法等。

图2 土壤中有效态Se和Cd占总Se和总Cd百分比Fig.2 The percentage of available Se and Cd in the soil to the total Se and total Cd

2.2 马铃薯与根系土Se相关关系

2.2.1 马铃薯Se含量与土壤总Se相关关系 为考察土壤Se含量对农作物含Se高低的影响，研究农作物吸收转化Se的规律，对马铃薯块茎部分Se含量与土壤Se含量数据进行标准化处理，然后利用SPSS 20软件分析其相关性，结果显示，二者呈现出明显的正相关关系(图3)，马铃薯Se含量随着土壤中Se含量的增加而增加。这与已有研究结果土壤表层Se含量高，产出农产品Se含量相应较高一致[20]，说明土壤中Se的总量是衡量土壤Se充盈状态的重要手段。

图3 马铃薯Se含量与土壤总Se的相关性Fig.3 Correlation between potato Se content and total soil Se

另一方面，富硒土壤中种植出的富硒马铃薯比例仅为64%(16/25)，考虑到决定食物链中Se水平的关键因素是土壤中有效Se含量而非全Se含量，需要对土壤中有效Se的形态成分及其影响因素、有效Se与马铃薯Se含量的关系进行更深入的研究。

2.2.2 马铃薯Se含量与土壤有效Se相关关系 各富硒地区土壤有效Se含量变化幅度大，范围在0.002～0.211 mg/kg，平均值为0.044 mg/kg，土壤有效Se占总Se的比例为0.689%～5.587%，说明恩施富Se地区土壤Se的有效性整体较低。新塘乡土壤有效硒含量最高，平均值可达0.146 mg/kg，其次为沐抚镇，平均值达到0.621 mg/kg；最低为龙凤镇，仅达到0.070 mg/kg。

为研究土壤中Se的生物有效性，进一步分析马铃薯Se与土壤有效Se含量之间的相关性(图4)，结果表明二者存在极强的正相关关系，相关系数K=7.738(R2=0.9368)，说明土壤有效Se更能表征土壤Se的生物有效性，土壤中有效Se含量越高，马铃薯中Se的含量越高，为了更准确的判断土壤对作物的供Se能力，应该划分土壤形态，以有效态Se来表征土壤的供Se能力。

图4 马铃薯Se含量与土壤有效Se含量的相关性Fig.4 Correlation between potato Se content and soil available Se content

从土壤总Se和土壤有效Se(Se4+、Se6+、有机Se)与马铃薯Se含量之间的回归分析结果来看，有效Se与马铃薯Se含量的正相关性更强，回归模型的拟合优度也更高，说明以土壤有效Se的含量来表征土壤富Se程度比土壤总Se含量更加科学。然而不同形态、组成的有效Se对于Se元素在“土壤-植物”系统中的迁移转化效率的影响存在较大差异，需要进行更深入的对比分析，挖掘有效Se中与马铃薯Se含量相关性最高的成分和组成。

2.3 土壤Se的生物有效性研究

为研究马铃薯根系土中的Se形态分布特征及其有效性，研究了土壤中所提取出的有效Se：Se4+、Se6+、有机Se、滤渣中的Se形态和总Se之间的关系。所有根系土样品中均有有机Se和Se4+检出，部分样品中有少量Se6+检出。土壤有效态中有机Se占主导地位，占比高达18.55%～85.66%；其次为Se4+，占比为2.21%～69.84%。Se6+占比最少，且只出现在土壤Se含量>1.9 mg/kg的样品中。此外，残渣态Se也具有一定的占比，范围在0.24%～54.79%。

从马铃薯Se含量与不同形态的土壤有效Se含量之间相关关系来看，Se4+、Se6+、有机Se都能对富Se马铃薯生产起到显著的积极作用(图5)。土壤Se4+能够强力提升马铃薯的Se含量(K=18.173)，但稳定性稍差(R2=0.7739)；Se6+对马铃薯的Se含量有着极强的促进作用(K=68.391)，稳定性也很好(R2=0.8524)，但天然土壤中出现Se6+的概率较低，通过增施硒肥增加土壤中的Se6+含量是马铃薯生产中可以突破的重要方向；有机Se对马铃薯中Se含量增加的促进作用与Se4+相近(K=13.444)，但明显低于有机Se，但具有极强的稳定性(R2=0.8873)，在绝大部分的土壤环境中均能发挥有效作用，故有机Se的含量是Se各有效态中对马铃薯Se含量最具有代表性的影响因素。

图5 马铃薯Se含量与不同形态土壤有效Se含量之间的相关关系Fig.5 Correlation between potato Se content and soil available Se content of different forms

2.4 马铃薯Cd含量与土壤Cd相关关系

土壤Cd含量是评价土壤Cd污染程度和土壤Cd生物有效性的前提，但大量研究结果表明，仅以土壤Cd总量并不能很好地预测评估Cd污染程度和土壤Cd生物有效性。只有具有高生物利用度的有效金属形态，才是决定Cd在土壤-农作物中迁移转换和富硒农产品Cd含量的制约因素[21-22]。因此，确定Cd的有效形态对于充分了解其迁移转化机制，判定土壤的污染程度，实现Cd污染土壤的等级划分和安全利用具有十分重要的意义。

分析马铃薯Cd含量与土壤有效态Cd之间的关系(图6)可以发现，根系土有效Cd相对于土壤总Cd而言，对马铃薯Cd的影响系数K更高，说明土壤中有效Cd的含量比总Cd含量更能表征土壤中Cd的生物有效性。

图6 马铃薯Cd与土壤Cd、根系土有效Cd含量的相关关系Fig.6 Correlation between potato Cd and soil Cd, root soil available Cd content

2.5 土壤Se与马铃薯Cd之间的拮抗效应

本研究在土壤有效态Se、Cd含量的基础上，进一步从有效态角度考察马铃薯中Cd含量与土壤可利用态Se-Cd摩尔比之间的关系。如图7所示，随着土壤可利用态Se-Cd摩尔比增大，马铃薯Cd含量呈稳定下降趋势(R2=0.3728)。相对于直接分析马铃薯Cd与土壤Se含量相关关系，可清晰分辨出其间存在的阈值效应。当土壤有效Se含量增加到与有效Cd摩尔比0.15以上后，可以极大地抑制马铃薯对土壤Cd的吸收，二者之间存在强劲的拮抗作用，且当土壤中有效态Se-Cd摩尔比值为0.199时，拮抗作用的边际效率达到最大(此时y=0.0146x-1.161的曲率最大为2.766)。

图7 马铃薯Cd与土壤可利用态Se-Cd摩尔比间的相关关系Fig.7 Correlation between potato Cd and soil available Se-Cd molar ratio

3 讨 论

土壤中广泛存在Se-Cd伴生的现象，且一直被认为是可能给农业生产带来重要安全隐患的主要因素之一[23]。然而已有研究证实通过土壤、叶面施用Se肥的手段，能够有效抑制植物地上部分Cd吸收[24-25]。同时，本研究表明，土壤Se(尤其是有效态Se)对植物在生长过程中Cd的吸收具有明显的拮抗作用。在土壤Se与水稻籽实中As之间存在拮抗关系已被证实的启示下[26]，广泛开展“土壤-植物”系统中Se和Cd的生物有效性研究对实现农业生产安全和生产效率的同步提升具有重要意义。

从本研究“土壤-马铃薯”系统中Se和Cd的总含量与有效态含量的对比结果来看，仅用马铃薯Cd与土壤中Se含量相关关系来衡量土壤-农作物系统中Se-Cd耦合效应，不足以直观反应土壤中Se对农作物吸收Cd的影响。本研究从土壤可利用态Se-Cd摩尔比与马铃薯Cd含量之间进行相关关系分析，更能体现土壤中能被生物利用的有效态Se对农作物吸收土壤中有效态Cd的拮抗过程。

4 结 论

(1)马铃薯对Se的富集程度与土壤总Se之间存在正相关关系，但土壤有效Se能更好地反应土壤对植物的供Se水平。该规律同样适用于土壤-马铃薯系统中Cd的迁移。

(2)土壤中Se6+、有机Se是有效Se各形态中决定马铃薯Se含量的重要因素，Se6+对马铃薯Se含量的提升作用最显著，但由于样本量小，统计学意义不明显；有机Se是提升马铃薯Se含量主要和最有效因素。

(3)土壤中有效态Se-Cd摩尔比与马铃薯Cd的关系相对于土壤总Se与马铃薯Cd的相关关系，能更好的表征土壤-马铃薯系统中土壤Se与马铃薯Cd含量之间的阈值效应，土壤中有效态Se含量达到0.199时，对马铃薯吸收土壤中Cd的拮抗作用具有最强边际效率。

(4)恩施地区Se资源丰富，通过改变土壤理化性质，如提高土壤中有机质含量、土壤pH等，可促进农作物对Se的吸收，并对Cd的吸收形成一定阻断，实现Se资源的高效开发利用。

(5)现行标准均以土壤总Cd含量作为农作物安全生产的依据，未能考虑土壤-植物系统中Se与Cd间存在的拮抗作用，土壤中有效态Se对植物吸收Cd形成的拮抗作用应该被纳入土壤环境质量标准评估体系中，从而形成更加科学和全面的土壤环境质量评价体系和标准。