青海碱性土壤区天然富硒大蒜硒积累规律

张亚峰　姚振　马强　沈骁　王帅　贺连珍　代璐　韩伟明

摘要：通过监测青藏高原东部大蒜主产区大蒜、蒜薹、蒜苗及根系土壤中Se、Sr、Mg、Cu、Zn、Pb、Cr、Hg、Ni 等指标的含量，研究大蒜不同部位对硒的积累特征，以揭示天然富硒大蒜的营养品质。结果表明，基于富硒大蒜行业标准判定，研究区大蒜富硒率为97%，蒜薹富硒率为19%，蒜苗富硒率为13%；大蒜Se 含量与根系土壤Se 含量显著正相关，地上部位（蒜薹、蒜苗）与根系土壤Se 含量的相关性明显弱于地下部位（大蒜）与根系土壤Se 含量的相关性；大蒜Se 的富集系数为13%，蒜薹Se 的富集系数为6.7%，蒜苗Se 的富集系数为5.7%。大蒜的富硒能力强于蒜薹和蒜苗，且研究区强于国内其他区域，印证了碱性富硒土壤的生物有效性高的特征。大蒜根部Se 向蒜薹的转运能力高于向蒜苗的转运能力，蒜薹较蒜苗具有较高积累Se 的能力。大蒜Se 与Cu、Zn 和Cr 元素呈显著正相关，能发生协同吸收效应。基于无机态Cu、Zn、Cr 经土壤转化吸收进入农产品多以有机态存在，对人体有害的铬（Ⅵ）处于低值；同时研究区土壤和农产品Cu、Zn、Cr 总量均不超标，故研究区产出的富硒大蒜健康、安全。

关键词：碱性土壤；天然富硒大蒜；硒积累；富集系数；转运系数

中图分类号：S633.4 文献标识码：A 文章编号：1002?2481（2024）01?0101?06

硒（Se）是人体必需的微量元素，具有增强机体免疫力、清除体内自由基、抗衰老、加强心肌机能、增强生殖能力、减轻重金属毒副作用和预防癌症等功能[1]。而大蒜对硒具有较强的生物富集作用，并能将无机硒以吸收量78% 左右的能力转化为有机硒，且分离出的含硒蛋白具有提高谷胱甘肽过氧化酶、超氧化物歧化酶、过氧化氢酶活性，降低过氧化物酶活性的健康效应，并证实硒代半胱氨酸和烯丙基硒代硫化物比半胱氨酸和烯丙基硫化物具有更高的防癌活性，充分表明了富硒大蒜的健康价值[2]。同时，大蒜属药食两用植物，本身含有100 余种含硫挥发物、硫化亚磺酸酯类、氨基酸、肽类、苷类及酶类等药用和保健成分。蒜氨素作为含硫化合物，发挥消炎抗菌、预防癌症和心血管疾病等功能；富含的Cu、Zn-超氧化物歧化酶（SOD）发挥清除超氧自由基，抗辐射、抗肿瘤及延缓机体衰老等功能；富含的维生素发挥调节代谢等功能[3]。另外，有研究表明，大蒜还具有较强聚锗（Ge）的本能，亦能进一步增强大蒜的抗癌能力[4]。基于以上3 点，研究天然富硒大蒜的硒积累特征，掌握土壤—大蒜系统中硒的转化规律，以期定位富硒大蒜培育的有利土地区位，指导富硒功能产品的开发。

以往研究表明，大蒜是蔬菜中富硒能力最强的作物[5]。关于富硒大蒜中硒的积累研究多集中在外源添加硒或天然和外源共同作用条件下培育的富硒大蒜方面，有关天然富硒土地培育富硒大蒜的研究较少，发布的富硒大蒜硒监测数据也有限。青藏高原东部属我国大蒜主产区，尤其乐都紫皮大蒜作为地理标志产品享有较高的知名度。主产地平安、乐都一带又属天然碱性土壤富硒区，具有总Se 含量稳定、有效Se 含量高、重金属含量低等优势[6-8]。本试验以青藏高原东部碱性土壤区天然富硒大蒜为研究对象，2020 年开展了大蒜、根系土的Se 与其他有益、有害元素的协同监测，评价其富Se 水平和营养品质，以期深入挖掘碱性土壤区天然富硒大蒜的价值潜力，为高效培育天然富硒大蒜和提升经济价值提供技术数据，也为优化食物补硒途径及科学开发碱性天然富硒土地提供参考。

1材料和方法

1.1 研究区概况

研究区地处青藏高原北缘湟水谷地，是全国大蒜主产区和西北天然富硒区，属高原大陆性气候，平均海拔2 300～3 000 m，年均气温5～6 ℃，年均降水量350～500 mm。富硒土壤延湟水河展部在两岸冲洪积阶地，土壤Se 来源于咸水湖相沉积的新生界西宁组红色泥岩，土壤Se 含量在167～654 μg/kg，土壤pH 值中位数为8.5，呈碱性。土壤类型主要为栗钙土和灰钙土。

1.2 试验材料

主栽品种乐都紫皮大蒜是青海省优良地方品种，种植在河谷地带，总面积有3 000余hm2。每年3月春播，6 月收获，生育期超过100 d，鳞片2 层，鳞芽4～6 辫，平均产量为25 500 kg/hm2。

1.3 样品采集与测定

样品采集按照《土地质量地球化学评价规范DZ/T 0295—2016》要求，在海东市乐都、平安两区富硒区和低硒区分别采集大蒜和根系土协同样本。同时在乐都雨润大蒜核心产区采集与大蒜样本配套的蒜苗和蒜薹样本。采样位置见图1。

大蒜—蒜薹—蒜苗配套样本采集采取同一地块采集的原则，蒜苗和蒜薹于5 月下旬同点采集，大蒜于6 月初采集。采取主点与副点组合方法，即在预采集样点位置选择1 个主点，在同一地块内选择3～4 个副点共同采样，主副点样本混合确定为1 件样品。根系土为被采集大蒜样本的根际土壤，同样为主副点混合，用四分法留取约500 g 风干。研究共采集大蒜样本60 件、蒜薹31 件、蒜苗31 件、根系土60 件。

土壤样过0.85 mm 尼龙筛，取筛下物烘干后采用离子电极法测定pH；采用原子荧光法测定Se、Hg；采用X 射线荧光光谱法测定Cr、Cu、Zn、Sr、Mg、Ni、Pb 含量。大蒜、蒜薹和蒜苗样先经清水淘洗，后用去離子水淘洗，室温晾干经专用机具加工至约0.42 mm 粒度，烘干后采用原子荧光法测定Se；采用等离子体质谱法测定Hg、Cr、Ni、Cu、Pb 含量；采用等离子体光谱法测定Zn、Sr、Mg 含量。各指标测定的原始报出率为100%，原始一次性合格率为100%，5% 样本的重复性检验原始一次性合格率为100%。经评价，数据质量满足分析评价要求。

1.4 数据分析

采用Excel 软件对数据进行常规统计分析，采用SPSS 软件进行描述性统计、方差检验和相关分析。

生物富集系数（Biological concentration factor，BCF）可表示大蒜及各部位的富集、积累和吸收能力与程度的定量关系，可反映大蒜及不同部位从土壤中吸收特定元素的能力［9］。

BCFi=Ci-Garlic/Ci-Soil×100% （1）

式中，BCFi为作物i 元素的富集系数，Ci-Garlic指作物i 元素的含量，Ci-Soil 为作物所對应根系土的i元素含量。单位均为μg/kg。

生物转运系数（Biological transshipment factor，BTF）可表示大蒜由不同部位转运能力与程度的定量关系，可反映大蒜从地下部位运移吸收特定元素的能力[10]。

BTFi=Ci-Above/Ci-Root×100% （2）

式中，BTFi为作物对i 元素的转运系数，Ci-Above指蒜苗、蒜薹中i 元素的含量，Ci-Root指大蒜中i 元素的含量。单位均为μg/kg。

2结果与分析

2.1 大蒜富Se 程度评价

从表1 可以看出，大蒜Se 含量处于29.9～120.0 μg/kg，均值为43.6 μg/kg；蒜苗Se 含量处于7.2～39.4 μg/kg，均值为18.4 μg/kg；蒜薹Se 含量处于8.0～45.2 μg/kg，均值为21.7 μg/kg；根系土Se 含量处于167～654 μg/kg，均值为342 μg/kg。对照农业部富硒大蒜行业标准[11]，Se 含量为30～300 μg/kg 被认定为富硒大蒜，研究区97% 的大蒜富硒。在土壤Se≥230 μg/kg 地块中的大蒜Se 处于30.6～120 μg/kg，达100% 富硒。这一点也印证了碱性富硒土壤有效Se 含量高的事实，即在土壤总Se 含量低于谭见安[12]推荐的富硒土壤（400 μg/kg）限定值的情况下，大蒜也能100% 富硒。参照大蒜标准判定，研究区蒜薹富硒率为19%，蒜苗富硒率为13%。同时，大蒜各部位Se 含量与根系土Se 含量的相关分析结果表明，大蒜Se 含量与根系土Se 含量呈极显著正相关（R=0.651，P<0.01），蒜苗Se含量与根系土Se 含量呈显著相关（R=0.395，P<0.05），蒜薹Se 含量与根系土Se 含量相关性不显著（R=0.258），大蒜、蒜薹和蒜苗3 种样品间Se 含量呈极显著正相关（P<0.01）。地上部位（蒜薹、蒜苗）和地下部位（大蒜）Se 含量分别与根系土Se 含量的相关性差异验证了生长周期对作物Se 的吸收影响。

2.2 大蒜富Se 能力评价

通过计算，分别获取了大蒜不同部位Se 的富集系数和转运系数，结果如表1 所示，大蒜Se 的富集系数处于8.0%～27.5%，均值为13.0%；蒜苗Se的富集系数处于1.9%～13.0%，均值为5.7%；蒜薹Se 的富集系数处于2.4%～14.9%，均值为6.7%。总体来看，富集能力大小呈现大蒜>蒜薹>蒜苗。进一步根据马强等[7]对青海东部作物Se 的统计分析，富集系数高于20% 划分为强富Se 潜力作物，富集系数处于10%～20% 划分为中等富Se 潜力作物，富集系数小于10% 划分为弱富Se 潜力作物。可见，大蒜属中等富Se 潜力作物，蒜薹和蒜苗属弱富Se 作物。收集全国其他区域大蒜Se 富集系数资料， 如陕西汉阴地区大蒜Se 富集系数为5.1%～9.6%[13]，整体上低于青海大蒜富Se 水平。反映了青海大蒜的富Se 能力和潜力，这与土壤Se 的有效性有关联。

2.3 大蒜转运Se 能力评价

转运系数是反映地上部分对地下部分的运输和富集能力的指标，为进一步表征蒜苗和蒜薹对Se 的吸收差异，揭示大蒜对Se 的运转能力和富集机制，假定用大蒜Se 测定值代表蒜薹、蒜苗采集时的根部Se。估算得出，蒜苗Se 转运系数处于17.8%～80.9%，均值为43.6%；蒜薹Se 转运系数处于24.9%～109.8%，均值为51.8%。蒜薹有6%的样本转运系数大于1，蒜苗100% 的样本转运系数小于1，且蒜薹转运系数均值大于蒜苗，说明蒜薹在抽薹期具有比蒜苗更强转运Se 的能力，大蒜地上部分的Se 有向花茎聚集的趋势。已有试验表明，外源硒酸盐比亚硒酸盐具有更好的转运效果[14-15]。由此推测，研究区碱性土壤区硒酸盐占比较高，其作物转运Se 的能力也越强，这与碱性土壤区有效Se 高的效应相一致。土壤中无机硒由根部转化成有机硒进入大蒜植株体内，蒜苗和蒜薹在特定的生长期吸收转运了根部的有机Se，且蒜薹的转运能力强于蒜苗。这一结论也为发展高原富硒蒜薹产业提供了技术思路和支撑。

2.4 大蒜Se 与其他元素的吸收关联分析

Se 在经土壤向作物、作物向动物和人体等介质转化过程中，从量上存在相互制约关系[16-19]。而土壤作为作物Se 获取的直接来源，其有利的理化条件是关键。研究区属我国西北典型的碱性土壤，具有比酸性土壤更活跃的易溶硒酸盐，利于作物吸收的有效Se 高，富Se 潜能较大[20]。再者，研究区属干旱咸水湖沉积型富硒土壤，具有重金属低、供给源稳定，Se 含量适中等特点，同时Sr、Mg、Ca 等盐类物质丰富，具备多种有益元素叠加富集的优势[21]。Se 还具有与重金属发生拮抗的作用，通过减轻氧化应激、直接抑制重金属的吸收、与重金属结合形成难溶性复合物等作用而阻断其转运等方式缓解重金属对作物的毒害作用[22-24]。因此，基于以上3 点论述，研究大蒜-土壤系统Se 与其他有益、有害元素间的影响关系，以期为富硒大蒜高品质开发提供依据。

表2 列出了Se 与Sr、Mg、Cu、Zn、Cr、Ni、Hg、Pb 等元素在大蒜-土壤系统中的富集系数相关关系矩阵。

从表2 可以看出，大蒜中富Se 系数与富Cu、富Zn、富Cr 系数在P<0.01 水平上呈极显著正相关关系；与富Hg 系数在P<0.05 水平上呈显著正相关关系。同时，富Sr系数与富Zn、富Ni系数在P<0.01 水平上呈极显著正相关关系；与富Hg 系数在P<0.05水平上呈显著正相关关系。富Mg 系数与富Cr、富Ni 系数在P<0.01 水平上呈极显著正相关关系；与富Pb 系数在P<0.05 水平上呈显著正相关关系。富Cu 系数与富Zn、富Cr、富Ni 系数在P<0.01 水平上呈极显著正相关关系。富Zn 系数与富Cr、富Ni 系数在P<0.01 水平上呈极显著正相关关系；与富Pb、富Hg 系数在P<0.05 水平上呈显著正相关关系。富Cr 系数与富Ni 系数在P<0.01 水平上呈极显著正相关关系。富Ni 系数与富Pb 系数在P<0.05 水平上呈显著正相关关系。以此揭示，富Se大蒜有富Cu、Zn、Cr 的潜力，与Ni、Pb 可能存在拮抗反应。而研究表明，Cr 是人体必需的微量元素之一，作为胰岛素的增敏剂参与影响糖、脂肪和蛋白质的代谢，是胰岛素的一种协同激素。又基于土壤中Cr 经农作物转化吸收进入农产品中，多以有机铬形式存在[25-27]，且研究区土壤和农产品Cr 等均不超标，在一定范围内Cr 可作为人体补充微量元素的有益成分。因此，研究区富Se 大蒜有叠加富Cu、Zn、Cr 等微量元素的优势。

3结论与讨论

青藏高原东部是大蒜主产区，同时也是天然富硒区。以基于当地土壤特性的富硒标准，推荐土壤Se≥230 μg/kg 可认定为富硒土壤，该土壤产出的大蒜富硒率为100%，蒜薹富硒率19%，蒜苗富硒率13%。大蒜Se 含量与根系土Se 含量显著正相关。大蒜Se 富集系数为13%，蒜薹Se 富集系数为6.7%，蒜苗Se 富集系數为5.7%，富Se 能力由根部向花茎至茎叶依次减弱。依据青海东部作物Se 富集系数分级建议，可将大蒜划分为中度富Se 类作物，蒜薹和蒜苗划分为弱富Se 类作物。大蒜相比国内其他地区具有较高的富Se 能力。大蒜中Se 向蒜薹的传输转运能力高于向蒜苗的转运能力。基于大蒜-土壤系统中Se 的富集转运能力比较，蒜薹较蒜苗具有较高累积Se 的能力。大蒜在富Se 的同时，与Cu、Zn、Cr 等微量元素呈正相关，能发生协同吸收效应；与Ni、Pb 等元素不相关，可发生复合性协同拮抗反应。

综上，研究区大蒜具有较高的富Se 能力，同时能协同吸收土壤中的微量元素Cu、Zn 和Cr，集合了大蒜富含有机硫化物的抗菌抗癌、Se 抗氧化抗癌抗衰老、Cu 促血液神经和免疫系统的功能发挥、Zn 参与体内多种激素合成激发代谢及Cr 增加体内胰岛素的敏感活力等五大健康功效，可成为培育多功能食品的目标产品。另外，研究区大蒜硒富集特性可为碱性富硒土壤区的硒资源高效利用提供较好的借鉴，对高原大蒜富硒产业构建和服务乡村振兴战略具有拓展意义。针对碱性土壤区富硒大蒜的有机Se 形态以及Se 与S 是否存在迭代作用等还需要进一步研究，研究区产出的富Se 或含Cu、Zn和Cr 的大蒜、蒜薹与国内酸性富硒区的比对，以及Cr 的无机价态占比和对人体的健康效应分析，都将成为后续产品开发中需要解决的重点。有关大蒜的深加工及保健产品研发也是研究成果衍生的重要方向。

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