山西省谷子主栽区土壤和谷子硒赋存状况分析

刘 洋，李廷亮，2，3，栗 丽，2，3，张晋丰，陈 婷

（1.山西农业大学 资源环境学院，山西 太谷 030801；2.黄土高原特色作物优质高效生产省部共建协同创新中心，山西太谷 030801；3.山西农业大学农业资源与环境国家级实验教学示范中心，山西 太谷 030801）

硒（Se）是人和动物必需的微量元素，主要存在于土壤中，被植物吸收后通过食物链进入人体，摄入不足或过量摄入硒都会对人体产生不利影响。硒缺乏可能导致人体克山病和大骨节病等缺乏病症，硒过量可能会引起家畜的碱性病和蹒跚病[1]。近年来，越来越多的研究表明[2]，人体摄入适量硒元素可以有效提高人体免疫机能、延缓衰老、降低癌症发病率和死亡率，因此，对于硒的相关研究越来越多。谷子属于喜温作物，由于生育期较短、适应能力强，并且具有抗旱耐瘠耐热、粮草兼收等特点，而在我国被广泛种植[3]。谷子脱壳后称为小米，其营养均衡，具有保健功能而成为世界性主要杂粮。因此，基于开发富硒小米解决人体硒摄入不足问题的需求，研究区域土壤中硒赋存特征，分析谷子硒利用效率的影响因素，对指导富硒小米产业发展具有积极意义。

土壤母质、成土过程和人类活动等外界因素，影响了土壤中硒赋存状况。前人研究表明，土壤硒含量存在空间变异性，华北地区硒含量为0.180 mg/kg，东北平原土壤硒含量为0.184 mg/kg，云南土壤硒含量为0.51 mg/kg。TAN等[4-7]研究了四川省不同地区土壤硒含量，双流地区土壤硒含量为0.083 mg/kg，显著高于西昌等地区。而李杰等［8］研究认为，影响广西南宁市土壤硒含量的主要因素是成土母质，土壤p H值、有机碳及铁和铝的含量对土壤全硒含量的富集与分布也有一定的影响。同时，环境因素也影响着土壤有效硒含量，有效硒含量直接影响着作物对硒的吸收利用。王松山等［9］研究认为，有机质和无定形铁对硒在土壤中的形态起直接决定作用，而土壤p H值和黏粒也是不可忽略的影响因素。作物受硒的吸收利用与作物种类（基因型）和环境因素的影响，不同作物对硒的富集能力也不同，陈锦平等[10]研究表明，广西浔郁平原水稻籽粒硒含量为0.064 mg/kg，在酸性和碱性土壤上硒含量也不相同，分别为0.065、0.061 mg/kg。姚海波等[11]研究表明，地域因素和品种因素均对小麦籽粒硒含量产生显著影响，河北省不同地区小麦籽粒硒含量为0.04～0.177 mg/kg，不同品种小麦籽粒硒含量为0.131～0.210 mg/kg。

通过人为措施提高作物硒含量，不仅有利于提升作物产量和抗逆性，也能满足人类健康所需要的硒。山西省位于我国华北地区，地处黄土高原东部，年平均气温10.7℃，年平均降雨量426 mm。山西省谷子种植面积19.78万hm2，约占全国谷子种植面积的25.4%，是我国种植谷子的主要省份之一。在山西省转型发展和“农谷”建设战略发展要求下，2017年山西省人民政府提出“要立足山西省农业特色资源和产业发展需求，发展功能食品和功能农业新产业拓展农业产业链和价值链”[12]，明确土壤硒含量及其利用效率，对推进山西省功能农业发展尤为重要。因此，本研究选取代表性谷子种植县域，系统分析区域内耕层土壤硒的含量特征，以及谷子对土壤中硒利用效率的影响因素，以期为推进山西省功能农业发展提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

研究区土壤基本理化性质如表1所示。

表1 研究区土壤基本理化性质Tab.1 Basic physical and chemical properties of soil in the study area

本研究依据山西省统计年鉴数据，选取五寨县、临县和沁县作为研究区域，其谷子种植面积分别为10 551、9 359、2 289 hm2。3个研究区均属大陆性气候，其中五寨县年平均气温4.3℃，年平均降水量500 mm，无霜期120 d左右；临县年平均气温8.8℃，年平均降水量为519 mm，全年无霜期160 d左右；沁县年平均气温8.9℃，年平均降水量606 mm，全年无霜期167 d左右。

1.2 试验方法

研究区谷子于2019年4月末至5月初播种，当地农户施肥常以复合肥做底肥，夏季雨期追施1次尿素，具体施肥量因土壤肥力差异、农户经验和农户家庭经济状况而异。9月末至10月初谷子成熟后进行样品采集工作，在每个县域选择100个采样点。在选择采样点时，为保证采样点所在区域的代表性，综合考虑采样点之间距离、当地谷子种植规模和地形（如是否在梁上种植）等因素，以确保采样点具有充分的代表性。

1.3 样品采集与测定

供试样品采集工作于2019年10—11月谷子收获后进行。根据各县域的土壤类型和种植结构，采集耕层（0～20 cm）土壤样品以及谷子籽粒样品，测定其硒含量，并分析土壤基本理化性质（pH、有机质、硝态氮、速效磷和速效钾）。土壤样品采用五点法或S型法采集，将土壤样品混合后经四分法处理留下1 kg左右，使用手持GPS记录经纬度（图1），并在地块对应的农户家中采集谷子籽粒样品。将样品带回实验室后，土样进行自然风干，除去石砾和植物残体，粉碎并分别过1.000、0.149 mm尼龙网筛，装进自封袋做好标记备用；谷子籽粒烘干后，粉碎标记备用。

土壤和植物全硒含量采用HNO3-HClO4（4∶1) 高温消解—HG-AFS法测定[13]。土壤基本理化性质的测定参考鲍士旦的《土壤农化分析》[14]：土壤硝态氮采用紫外分光光度法测定；土壤速效磷采用0.5 mol/L NaHCO3法测定；土壤速效钾采用NH4OAc浸提—火焰光度法测定；土壤p H采用电位法测定（水土比=2.5∶1.0）；土壤有机质含量采用重铬酸钾外加热法测定。

1.4 数据处理与统计分析

使用Excel 2010对数据进行初步整理，Arcgis 10.2制作采样点分布图，IBM SPSS Statistics 19进行描述性统计分析、方差分析、方差齐性检验、Pearson相关分析和多元逐步回归分析。

式中，BCF为生物富集系数（Biological concentration factor，%），Cgrain为采样点谷子籽粒微量元素含量，Csoil为采样点土壤全量微量元素含量，单位均为mg/kg。

2 结果与分析

2.1 土壤和谷子籽粒硒含量特征

从表2、3可以看出，研究区土壤平均硒含量为0.178 mg/kg，根据全国第2次土壤普查养分含量分级标准，研究区土壤平均硒含量总体处于适量水平，其中高水平、适量水平和边缘水平占比分别为2.64%、25.00%和26.00%，缺乏比例占32.67%。沁县土壤平均硒含量为0.251 mg/kg，总体处于适量水平，显著高于其他县域（P＜0.05），其缺乏水平占比也最低，为5.00%，适量水平占比为77.00%；临县土壤硒含量次之（0.144 mg/kg），总体处于边缘水平，缺乏水平占比为43.69%，适量水平和边缘水平分别占比为31.07%和25.24%；五寨县土壤硒含量最低（0.140 mg/kg），总体处于边缘水平，适量水平和边缘水平分别占比为25.00%和26.00%，缺乏水平占比为49.00%。

表2 研究区土壤和谷子籽粒硒含量特征Tab.2 Char acter istics of Se contents in soil and millet gr ains in the study ar ea

表3 土壤硒含量频率分布Tab.3 Frequency distribution of Se content in soil

研究区谷子籽粒硒含量情况如表2所示，研究区谷子籽粒平均硒含量为0.021 mg/kg，生物富集系数为13.68%。其中，谷子硒含量以临县和沁县最高（P＜0.05），分别为0.025、0.023 mg/kg，而五寨县谷子硒含量最低，仅为0.014 mg/kg。生物富集系数以临县最高（P＜0.05），为19.71%，五寨县和沁县最低，分别为10.90%、10.21%。

2.2 土壤类型对土壤和谷子籽粒硒赋存状况的影响

不同土壤类型中土壤、谷子籽粒硒含量与生物富集系数如表4所示，研究区不同土壤类型上，土壤硒含量、籽粒硒含量和生物富集系数均差异显著（P＜0.05）。红黏土中硒含量最高（0.280 mg/kg），其谷子籽粒的硒含量也最高（0.028 mg/kg）；风沙土硒含量最低（0.120 mg/kg），其谷子籽粒的硒含量也最低（0.011 mg/kg）。黄绵土上谷子对硒的生物富集系数最大（16.872%），褐土上谷子的生物富集系数最小（9.381%）。潮土土壤硒含量的空间变异性最强（50.629%），谷子硒含量的空间变异性最弱（30.447%），粗骨土土壤硒的空间变异性最弱（30.050%），红黏土谷子硒含量的空间变异性最强（42.725%）。风沙土生物富集系数的空间变异性最强（64.922%），粗骨土生物富集系数的空间变异性最弱（39.948%）。

表4 土壤类型对硒赋存状况的影响Tab.4 Effects of soil types on Se enrichment

2.3 谷子品种对籽粒硒累积特征的影响

从表5可以看出，不同品种谷子栽培区土壤硒含量、谷子籽粒硒含量和生物富集系数均差异显著（P＜0.05）。其中，沁州黄栽培区土壤硒含量最高（0.297 mg/kg），青杂6号栽培区土壤硒含量最低（0.116 mg/kg），谷子硒含量也最低（0.013 mg/kg），而长农35号籽粒硒含量最高（0.028 mg/kg）；晋谷21号生物富集系数最大（18.656%），晋谷40号生物富集系数最小（9.341%）。晋谷21号栽培区土壤硒含量的空间变异性最强（51.795%），生物富集系数的空间变异性也最强（57.535%）；青杂6号栽培区土壤硒含量的空间变异性最弱（24.701%），但籽粒硒含量的空间变异性最强（43.185%），长农35号籽粒硒含量的空间变异性最弱（27.122%）；沁州黄生物富集系数的空间变异性最强（57.535%），长农35号生物富集系数的空间变异性最弱。

表5 谷子品种对籽粒硒累积特征的影响Tab.5 Effects of millet varieties on Se accumulation characteristics in grains

2.4 土壤基本理化性质对谷子籽粒生物富集系数的影响分析

相关性分析表明（表6），谷子籽粒硒的生物富集系数与土壤和籽粒硒含量相关性最强，分别呈极显著负相关（-0.529）和极显著正相关（0.532）关系（P＜0.01），与pH值和有机质也呈极显著相关关系，相关系数分别为0.393和-0.237，与硝态氮呈显著负相关，相关系数为-0.145，与速效磷和速效钾的相关性不显著。但土壤硝态氮、速效磷、速效钾含量对籽粒硒含量影响较大，总体呈显著或极显著相关关系。

表6 土壤基本理化性质与谷子籽粒生物富集系数的相关性分析Tab.6 Cor relation analysis between basic physical and chemical properties of soil and BCF of millet grains

2.5 各影响因素的多元逐步回归分析

为比较各影响因素对硒生物富集系数的影响程度，以土壤硒含量、谷子硒含量、谷子品种、土壤类型、p H值、有机质、硝态氮、速效磷和速效钾为自变量，以硒的生物富集系数为因变量，进行多元逐步回归分析，定量研究各影响因素对生物富集系数变化的解释比例和相对重要性，回归方程如下。

式中，X1、X2、X3分别表示籽粒硒含量、土壤硒含量和谷子品种，X前的系数表示该影响因素对生物富集系数变化的解释度。其中，回归方程的R2=0.828，F假设=193.603，P=0.000。

若自变量未进入方程，则表示该自变量对生物富集系数的影响程度相对较小。因此说明土壤硒含量、籽粒硒含量和谷子品种对硒的生物富集系数变化影响最大，分别能够解释其变化的27.9%、39.2%和1.4%，而其他影响因素对硒生物富集系数变化的影响程度相对较小。

3 结论与讨论

山西省处在我国东北至西南的缺硒带上，土壤硒含量相对较低。研究区土壤硒平均含量为0.178 mg/kg，总体处于适量水平，与山西省土壤微量元素背景值大致相等（0.180 mg/kg），与陕西关中地区硒含量基本相同（0.174 mg/kg）[15]，较华北地区土壤硒含量低37.10%[4]。3个县中，以沁县土壤硒含量最高，总体处于适量水平，而五寨县和临县土壤硒含量较低，处于边缘水平，这主要因为当地土壤硒本底值有关。史崇文等[16]研究表明，山西省土壤硒含量从南向北逐渐降低，与沁县、临县和五寨县从南向北分布的规律一致。另一方面，通过前期调查发现，沁县农户向土壤中施用农家肥比例最高，农家肥中含有的硒能一定程度上能够提高土壤硒含量。根据我国相关富硒产品国家标准和行业标准对硒含量要求[17]，籽粒硒含量在0.1 mg/kg则属于富硒产品，研究区没有满足天然富硒标准的样品。山西省开发富硒小米，可以结合测土配方施肥技术适量补充外源硒，同时增施有机肥，从而提高谷子硒含量和利用效率。

土壤类型中基本理化性质的差异影响着土壤中硒的活化率，进而对硒利用效率产生影响。土壤黏粒比表面积大，胶体特性强，对硒有极强的吸附作用[18]。因此，在黏粒含量高的土壤上，不易发生养分流失，土壤硒含量相对较高。但被黏粒固定的硒大多为无效硒，难以被作物吸收利用。因此，黏粒含量高的土壤硒含量也较高，但可供作物吸收利用的硒较少；相反在黏粒含量低的土壤，硒更容易被植物吸收利用。此外，土壤p H值和有机质含量也影响着谷子对硒的吸收利用。研究表明，随土壤p H值的升高，土壤硒活性增强，可溶态硒含量升高，可供谷子吸收利用的硒越多，从而提高了硒的利用效率[19]。因此，土壤p H值与硒的生物富集系数呈极显著正相关。CHARAK等[20]研究认为，有机质对土壤硒具有双重作用，一方面硒能够与土壤有机物质结合，或者由于微生物的作用结合到氨基酸和蛋白质中，比黏土矿物有更强的固定能力；另一方面有机质的增加会提高土壤有机硒含量，进而提高硒的生物可利用性。理论上随土壤硒含量的增加，籽粒硒含量也在增加[21]，但土壤和籽粒硒含量数量级的差异导致土壤硒含量和硒的生物富集系数在数学上表现为负相关。本研究中有机质与硒的生物富集系数呈极显著负相关，这可能因为随土壤有机质含量的增加，土壤硒含量也在增加，而相较于有机质，土壤硒含量对生物富集系数的影响更明显，所以，表现出有机质与硒含量呈负相关。

硒通过主动吸收的方式进入作物体内，因此，大量研究表明，作物对硒的吸收利用不仅与外界环境有关，同时也受自身品种（基因型）的影响[7，11，22]。本研究表明，品种对硒吸收的影响仅次于土壤和籽粒的硒含量，但远高于土壤基本理化性质的影响。前期调查发现，研究区已知的谷子品种有29个，其中，沁县种质资源最丰富（27个品种），主要包括沁州黄（18%）、长农35号（15%）和晋谷40号（11%）。这可能与当地土壤养分含量丰富、气候适宜，因此，对品种的要求较低有关。此外，由于当地谷子种植技术相对成熟，且籽粒适口性好，当地小米的产量和质量均较高。临县有8个品种，以晋谷21号（76%）为主，其中，晋谷21号对硒的吸收累积作用较强，尽管临县土壤硒含量仅为0.144 mg/kg，但谷子籽粒的硒含量（0.025 mg/kg）显著高于其他县，说明晋谷21号对硒具有更强的吸收累积能力。五寨县有6个品种，以张杂3号（65%）和青杂6号（10%）为主，其中，张杂3号产量最高，且抗逆性最强，但适口性不足。因此，在进行谷子引种时，要结合当地土壤和气候条件选择合适的谷子品种，以保证其高产优质。

研究区谷子对硒的富集能力与土壤硝态氮含量呈极显著负相关，这可能是由于氮肥大量施入提高了谷子产量，但土壤硒供给不足而造成的稀释效应，因此，作物产量与硒的生物富集系数呈负相关，这与ZHAO等[23]研究结果一致。HUANG等[24]研究认为，在旱地种植区，产量才是增加小麦籽粒微量元素的限制因素。所以，应优先提高旱地作物的微量元素含量，补充微量元素不仅是为了提高作物的营养质量，也是为了保证高产[25]。部分研究认为[26-27]，施氮量从零增加到最佳水平可提高谷物籽粒微量元素的浓度。同时最佳的氮供应能有效改善微量元素从土壤到营养部位再到籽粒的转移，最终增加籽粒中微量营养素的浓度和土壤中微量元素的生物利用率[28]。理论上磷和钾也与硒的生物富集系数呈极显著负相关关系，但本研究中，磷和钾均与硒的生物富集系数无显著相关性，可能是因为研究区磷钾含量本身较低，其影响作用被其他因素掩盖。

研究区土壤硒含量总体不缺乏，其中，沁县硒含量水平较高，五寨县和临县缺乏比例较大，而临县谷子对硒的富集作用最强。红黏土硒含量最高，其谷子籽粒硒含量也最高，但谷子在黄绵土上对硒的富集作用最强，粗骨土土壤性质稳定，对硒利用效率影响最小。不同谷子品种中，沁州黄栽培区土壤硒含量最高，籽粒硒含量也最高，但晋谷21号对硒的吸收能力最强，此外，长农35号受环境变化影响最小。硒的生物富集系数与pH值呈极显著正相关，与有机质呈极显著负相关，与硝态氮呈显著负相关，与磷和钾相关性不显著。