南渡河流域农田土壤-水稻系统硒与镉富集特征及其相互关系

摘要：测定南渡河流域农田表土和水稻共80份样品的硒（Se）和镉（Cd）含量，采用生物富集系数分析土壤-水稻系统中Se与Cd的富集特征，并结合Pearson系数分析表土与稻米Se含量、Cd含量、pH以及有机碳含量的相互关系。结果表明，研究区农田土壤达到了足硒-富硒标准，且有40%稻米样品达到富Se大米标准；土壤中Cd含量均未超出国家农用地土壤污染风险筛选值（0.300 mg/kg），稻米Cd含量均小于食品安全国家标准限值（0.200 mg/kg），未发现有Cd污染。研究区土壤-水稻系统中Se含量呈正态分布，有明显的分段现象；Cd含量受外源干扰强，空间分布较不均衡。Se与Cd在水稻中都达到中等富集，其中稻米对Cd的富集能力强于对Se的富集能力。研究区的富Se土壤与当地酸性土壤环境以及高有机碳含量有着密切联系。综上，南渡河流域农田土壤Se资源丰富，不存在“富硒镉米”现象，可加以开发利用生产绿色富Se农产品。

关键词：土壤-水稻系统；硒；镉；富集特征；原子荧光光谱仪（AFS）；电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）；南渡河流域

中图分类号：P595；X503.231 文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2024）09-0022-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2024.09.005 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Enrichment characteristics of selenium and cadmium in farmland soil-rice system and their relationships in the Nandu River basin

SHEN Lin-li1， LUO Song-ying1， LIANG Zhi-peng2， LIANG Xiao-qi1， LIN Qian-ce1

（1.School of Geographical Sciences， Lingnan Normal University， Zhanjiang 524048， Guangdong， China； 2.School of Earth Sciences and Engineering， Sun Yat-Sen University， Zhuhai 528478， Guangdong， China）

Abstract： Selenium （Se） and Cadmium （Cd） contents in 80 samples of farmland topsoil and rice in the Nandu River basin were determined. The enrichment characteristics of Se and Cd in the soil-rice system were analyzed using bioenrichment coefficients， and the interrelationships among Se content， Cd content， pH value and organic carbon content of topsoil and rice were analyzed using Pearson coefficient analysis. The results showed that， the farmland soil of the study area met the standards for sufficient and rich selenium， and 40% of the rice samples met the Se rich rice standard. The Cd content in the soil did not exceed the national agricultural land pollution risk screening value （0.300 mg/kg）， and the Cd content in rice was less than the national food safety standard value （0.200 mg/kg）， indicating no Cd pollution in the study area. The Se content in the soil-rice system in the study area showed a normal distribution， with an obvious segmentation phenomenon. Cd content was strongly influenced by external interference and was unevenly distributed in space. Both Se and Cd elements were moderately enriched in rice， with rice having a stronger ability to enrich Cd than Se. The Se rich soil in the study area was closely related to the local acidic soil environment and high organic carbon content. In summary， the farmland soil Se resources in the Nandu River basin were abundant， and there was no phenomenon of “se-rice and cd-unpvlluted rice”. It could be developed and utilized to produce green Se rich agricultural products.

Key words： soil-rice system； Se； Cd； enrichment characteristics； atomic fluorescence spectrometer （AFS）； inductively coupled plasma mass spectrometer （ICP-MS）； Nandu River basin

硒（Se）是人体必需的微量元素，也是促进植物生长发育的重要微量元素［1］，但该元素在地球表面较为稀缺且分布不均［2］。人体和动物摄入硒的主要来源是植物硒，而土壤是植物硒的来源库。研究显示，人体缺少硒元素容易引起各种疾病，但食用过量的硒也会对人体产生毒害［3］。因此，土壤中硒元素含量的分布状况对农业的安全生产及人群的健康有着重要意义。镉（Cd）具有明显的生物毒性，过量的Cd会降低农作物品质［3］。广东省雷州半岛南渡河流域大面积种植水稻［4］，该流域是湛江最大的水稻主产区，素有“粤西粮仓”之称。随着生活水平的提高，人们愈加重视膳食营养和粮食安全问题。目前农作物Cd污染问题屡见不鲜，南渡河流域农田是否存在“富硒镉米”备受关注［5］。

目前针对农田土壤中Se与Cd的研究取得了较丰富的成果，集中于研究外源Se对植物体Se含量的影响［6，7］或人为干预下Se与Cd的拮抗作用［8，9］。然而，关于自然富Se或足Se土壤环境背景下农田土壤-水稻系统Se、Cd相互关系的研究仍需进一步深入探讨。本试验以广东省雷州半岛南渡河流域农田土壤-水稻系统为研究对象，采用原子荧光光谱仪（AFS）测定土壤和水稻样品的Se含量，采用电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）测定Cd含量，进而分析研究区土壤-水稻系统中Se与Cd的空间分布特征，采用富集系数对Se与Cd富集特征进行评价，并运用Pearson系数对Se与Cd富集的影响因素进行分析，旨在探讨研究区是否存在有“富硒镉米”现象，为雷州半岛开展绿色富Se农产品生产工作提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 样品采集

于水稻成熟期采集样品，采样点沿着南渡河流域两岸水稻田布设。为了更好地研究土壤-水稻系统中Se与Cd的富集特征，将南渡河流域分成上、中、下3个河段，共设置40个样点，采集土壤和水稻样品共80个。其中，南渡河上段流域设置样点6个，中段流域设置样点16个，下段流域设置样点18个。每个土壤样品在50 m×50 m范围内采用梅花布点法采样，使用PVC管压入水稻土中取出后按四分法处理，深度为0～20 cm，取约1.00 kg样品装袋。同时采集对应样点的水稻子粒部分，取约1.00 kg带回实验室。

1.2 样品处理与分析测试

土壤样品经过自然风干、去杂和研磨后，过100目尼龙筛备用。为避免污染，在水稻样品处理期间全程使用非金属用具，采用石磨去壳后，用石英研钵研磨，过100目尼龙筛。样品使用高氯酸、硝酸、氢氟酸和盐酸消解后，使用稀盐酸定容，使用ICP-MS（Agilent 7700x型）测定Cd含量；使用AFS-3000型原子荧光光谱仪（北京海光仪器有限公司）测定样品的全Se含量。采用重铬酸钾-硫酸外加热容量法测定土壤有机碳含量，使用电极法（水土体积比2.5∶1）测定土壤pH。样品均设3个空白试验和20%的平行样品以保证数据质量。采用标准参考物质（GLG 908-4）进行质量控制。标样准确度RSD<10%，Cd和Se回收率在90%以上。

1.3 评价方法

为表征元素在生物中的富集能力，用生物富集系数评价土壤对植物的作用和影响，计算式［10］如式（1）所示。

[BCF=CiCs] &nbsp;（1）

式中，BCF为生物富集系数，Ci为稻米中元素含量，Cs为土壤中元素含量。BCF越大，表示稻米吸收土壤中元素的能力越强。

1.4 数据处理

采用Excel 2016和SPSS 26.0软件处理数据，使用ArcGIS 10.2与Origin 2022软件绘图。

2 结果与分析

2.1 土壤-水稻系统中Se含量特征

南渡河流域农田土壤pH均值为5.30，pH范围为4.48～6.88。原始数据经过自然对数转换后，水稻与土壤的Se含量数据服从正态分布，满足统计学分析的要求。如表1所示，稻米样品中Se含量变化范围为0.018～0.116 mg/kg，平均值为0.046 mg/kg，是全国水稻Se含量平均水平（0.032 mg/kg）［11］的1.44倍，全河段变异系数为49.81%，属中等变异强度。根据《富硒稻谷》（GB/T 22499—2008）［12］，大米中Se含量在0.04～0.30 mg/kg范围内判定为富Se稻米，研究区所采集的40件样品中有16件达到了富Se大米标准，富Se比例为40%。水稻Se平均含量从大到小依次为上段、中段、下段。

南渡河流域表土样品中Se含量范围为0.147～0.557 mg/kg，平均值为0.283 mg/kg。样品实测值的最大值为0.557 mg/kg，该样点位于流域上段；最小值为0.147 mg/kg，样点位于流域下段。上、中、下河段的Se含量均值分别为0.476、0.294、0.210 mg/kg，各河段流域的平均值由大到小依次为上段、中段、下段。

2.2 土壤-水稻系统中Cd含量特征

据统计结果（表2）显示，全流域农田土壤Cd含量平均值为0.063 mg/kg，是区域背景值（采用广东省砖红壤背景值作为土壤背景值，其Cd含量为0.034 mg/kg［13］）的1.85倍，但均未超出国家农用地土壤污染风险筛选值0.300 mg/kg（《土壤环境质量——农用地土壤污染风险管控标准》，pH<5.5）［14］。土壤样品Cd含量的变异系数为30.04%，属中等强度变异，说明重金属Cd的累积受到了一定程度的人类活动影响。

稻米Cd含量范围在0.015～0.115 mg/kg，平均值为0.048 mg/kg。所有稻米样品的Cd含量均小于0.200 mg/kg，未超过规定重金属标准限值（《食品安全国家标准——食品中污染物限量》（GB 2762—2022））［15］，说明研究区中稻米没有受到重金属Cd的污染，不存在有“富硒镉米”现象。

2.3 土壤-水稻系统Se与Cd含量的空间分布特征

为进一步分析南渡河流域土壤-水稻系统中Se与Cd含量的空间分布特征，利用ArcGIS 10.2反距离权重插值法（IDW）［16］对研究区各样点所测得的Se与Cd含量数据进行空间分布作图（图1）。从图1可以得知，稻米与土壤Se含量分布整体上一致，均为上段较高，中段次之，下段含量最低；个别样点Se含量呈岛状分布，其中最高值均位于河流上段。稻米Cd含量高值集中分布在中段北部区域，在下段的高值样点则呈岛状分布；而土壤Cd含量的高值集中分布在下段区域，也有个别高值样点呈岛状分布在流域上段。整体上看，Cd含量空间分布较不均衡，在一定程度上反映了研究区Cd元素的来源与人类活动关系密切。

2.4 水稻对Se和Cd的富集特征

为了更清楚反映Se元素及重金属Cd元素在水稻中的富集情况，采用生物富集系数评价土壤对植物的作用和影响，生物富集系数统计结果见图2。

从水稻BCF评价结果看，Se和Cd在空间分布上相似，均表现为中段流域最高。其中，南渡河上段、中段、下段流域中水稻Se的BCF平均值依次为0.150、0.178、0.151，中段流域稻米对Se的富集最高，总体上与全流域Se的BCF较接近；水稻Cd的BCF平均值依次为0.554、0.960、0.685，在空间分布上与Se类似，表现为中段流域最高。

水稻对Se、Cd两种元素的BCF存在明显差异（图2），全流域中Cd元素BCF平均值为0.761，Se元素BCF平均值为0.162。按照李新虎［17］对生物富集系数划分的4个等级，即强烈富集（BCF>1.00）、中等富集（0.10<BCF≤1.00）、微弱富集（0.01<BCF≤0.10）、极弱富集（BCF≤0.01），Se、Cd在水稻中都达到中等富集，说明研究区内水稻对Se与Cd的总体富集能力较强；其中水稻对Cd的富集能力强于对Se的富集。

2.5 土壤-水稻系统中Se与Cd的相互关系及其影响因素

Se与Cd相互作用主要表现在土壤Se与稻米Se、土壤Cd与稻米Cd、土壤Se与稻米Cd以及土壤Cd与稻米Se的相互关系。采用Pearson系数对Se含量、Cd含量、土壤pH与土壤有机碳含量进行相关性分析，结果见图3。土壤Se含量与稻米Se含量呈显著正相关，相关系数为0.676（P<0.01），说明稻米中Se含量受土壤中Se含量的影响较大，土壤富Se是生产富Se稻米的直接因素。土壤Cd含量与稻米Cd含量的相关系数为0.272，无显著相关性；土壤Cd含量与稻米Se含量的相关系数为-0.245，无显著相关性；土壤Se含量与稻米Cd含量的相关系数为0.063，无显著相关性。当土壤Se含量与土壤Cd含量之间呈显著正相关的条件满足时，正常农田土壤中Se与Cd之间的拮抗作用才能显现出来［18］。可见，南渡河流域水稻田土壤-水稻系统中Se与Cd之间的拮抗作用与协同作用均不明显。

此外，研究区稻米Se含量与土壤pH呈显著负相关，与土壤有机碳含量呈显著正相关，相关系数分别为-0.408、0.409（P<0.01）。研究区土壤Se含量与土壤pH及有机碳含量的相互关系类似，也表现为与pH呈显著负相关，与有机碳含量呈显著正相关，相关性系数分别为-0.649、0.780（P<0.01）。由此可见，研究区典型的酸性土壤以及高有机碳含量在一定程度上促进了土壤富集Se元素。

2.6 研究区与其他地区土壤Se含量对比

通过对比本研究区与其他地区土壤平均Se含量发现，南渡河流域水稻田表土Se含量平均值与广东省土壤平均Se含量［19］结果相近，是全球地壳Se含量丰度值（0.130 mg/kg）［20］的2.177倍；研究区Se含量均值高于典型Se缺乏区的平均水平，如位于中国缺Se带上的黑龙江省［21］和西藏自治区［22］；低于典型富Se地区的平均水平，如广东省普宁市［23］、江西省丰城市［24］、陕西省紫阳县［25］以及湖北省恩施州Se毒地区［26］（表3）。此外，研究区土壤中Se含量平均值（0.283 mg/kg）为中国Se含量（0.200 mg/kg）［2］的1.415倍，低于世界土壤Se含量水平［27］。

按照DZ/T 0295—2016［28］对中国土壤硒元素等级的划分，土壤中硒含量的5个等级分别为缺硒土壤（≤0.125 mg/kg）、硒潜在不足土壤（0.125～0.175 mg/kg）、足硒土壤（0.175～0.400 mg/kg）、富硒土壤（0.400～3.000 mg/kg）和过硒土壤（>3.000 mg/kg）。结合本研究结果（表1）可以得出，研究区上段样品硒含量均值达到富硒土壤标准，中段和下段样品硒含量均值达到足硒土壤标准，未发现缺硒和过硒土壤。总体上看，研究区水稻田表土硒含量普遍处于足硒水平及以上，具备生产富Se稻米的物质条件。

Se对人体健康具有重要作用，而人体补充Se主要通过富Se农产品来摄取。水稻作为中国第一大粮食作物［4］，是人体补充Se的重要来源。水稻Se含量是通过植物根系从土壤中吸收Se元素而来［1］。与此同时，土壤中的重金属Cd亦可通过植物根系被水稻吸收，经食物链被人体摄入并对人体健康构成重大威胁［5］。因此，讨论土壤-水稻系统中Se与Cd的富集特征和相互关系对规避“富硒镉米”污染风险具有重要意义。南渡河农田流域土壤中Cd平均含量为0.063 mg/kg，与前人研究［4］相比，研究区土壤Cd含量值略有下降，未发现Cd污染现象。综上，富Se土壤是生产富Se稻米的重要前提条件，研究区水稻存在有富Se现象并未发现有Cd污染的情况，相关部门可针对南渡河农用地进行富Se等级划分，并在相应区域制定农产品种植规划。

3 小结

本研究采用AFS和ICP-MS分别测定南渡河流域农田土壤-水稻系统的Se和Cd元素含量。研究表明，研究区水稻田表土硒含量达到了足硒-富硒标准，未发现缺硒和过硒土壤。稻米Se含量是全国稻米Se平均水平的1.44倍，且有40%样品达到富Se大米标准；土壤和稻米中Cd含量均在国家安全标准限值范围内，不存在“富硒镉米”现象。从空间分布特征看，Se含量具有明显的分段特征；Cd含量受外源干扰强，空间分布较不均衡。从富集特征看，Se与Cd在水稻中都达到中等富集，其中稻米对Cd的富集能力强于对Se的富集能力。研究区土壤中富Se与土壤酸性环境以及高有机碳含量有着密切联系。

参考文献：

［1］ 韩晓霞，魏洪义.硒的营养生物学研究进展［J］.南方农业学报，2015，46（10）：1798-1804.

［2］ 鄢明才，顾铁新，迟清华，等.中国土壤化学元素丰度与表生地球化学特征［J］.物探与化探，1997（3）：161-167.

［3］ 范荣伟，王时雄，王俊霞，等.硒、砷及重金属在苏州地区水稻中分布特征及风险评价［J］.环境监测管理与技术，2018，30（4）：37-41.

［4］ 张法英，周鸿凯，吕建慧，等.湛江水稻生产环境及其稻米中Cd的安全性评价［J］.农业环境科学学报，2012，31（3）：510-515.

［5］ 汪 鹏，王 静，陈宏坪，等.我国稻田系统镉污染风险与阻控［J］.农业环境科学学报，2018，37（7）：1409-1417.

［6］ 何 璇，张平安，丁光武，等.外源硒对黄瓜富硒及抗氧化反应和营养品质的影响研究［J］.核农学报，2024，38（8）：1568-1574.

［7］ 孟祥龙，赵治国，林香君，等.外源硒对蒲公英生长、生理特性及其硒含量的影响［J］.湖北农业科学，2024，63（4）：106-111，135.

［8］ 张秀锦，柴冠群，刘桂华，等.土壤-植物体系中施硒方式影响作物吸收转运镉的研究进展［J］.安徽农业科学，2023，51（1）：10-12.

［9］汤小萱，杨郑州，王 泽，等.高镉地质背景区土壤中镉-硒相互作用的田间试验研究［J］.智慧农业导刊，2024，4（11）：32-36，42.

［10］ 杜舒阳，丁昌峰，王兴祥.三种有机物料对稻田土壤汞甲基化及水稻汞积累的影响［J］.土壤，2022，54（6）：1219-1224.

［11］ 商靖敏，罗 维，吴光红，等.洋河流域不同土地利用类型土壤硒（Se）分布及影响因素［J］.环境科学，2015，36（1）：301-308.

［12］ GB/T 22499—2008， 富硒稻谷［S］.

［13］ 许炼烽，刘腾辉.广东土壤环境背景值和临界含量的地带性分异［J］.华南农业大学学报，1996（4）：61-65.

［14］ GB 15618—2018，土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准［S］.

［15］ GB 2762—2022，食品安全国家标准 食品中污染物限量［S］.

［16］ 郦逸根，董岩翔，郑 洁，等.浙江富硒土壤资源调查与评价［J］.第四纪研究，2005（3）：323-330.

［17］ 李新虎.土壤地球化学环境对宁夏枸杞品质的制约影响研究［D］.北京：中国地质大学（北京）， 2007.

［18］ 范 健，任静华，廖启林，等.苏南典型区农田土壤硒-镉拮抗作用研究［J］.土壤，2021，53（5）：1023-1032.

［19］ 陈俊坚，张会化，余炜敏，等.广东省土壤硒空间分布及潜在环境风险分析［J］.生态环境学报，2012，21（6）：1115-1120.

［20］ 杨妍萍，刘晓端，刘久臣，等.川西高原地区岩石中硒的地球化学特征和影响因素［J］.岩矿测试，2020，39（1）：115-126.

［21］ 迟凤琴，徐 强，匡恩俊，等.黑龙江省土壤硒分布及其影响因素研究［J］.土壤学报，2016，53（5）：1262-1274.

［22］ 张晓平，张玉霞.西藏土壤中硒的含量及分布［J］.土壤学报， 2000，37（4）：558-562.

［23］ 蒋慧豪，罗 杰，蔡立梅，等.广东省普宁市土壤硒的分布特征及影响因素研究［J］.现代地质，2019，33（1）：161-168.

［24］ 吴文良，张 征，卢 勇，等.江西省丰城市“中国生态硒谷”创意产业的发展战略［J］.农产品加工（创新版），2010（3）：72-75.

［25］ 张建东，王 丽，王浩东，等.紫阳县土壤硒的分布特征研究［J］.土壤通报，2017，48（6）：1404-1408.

［26］ QIN H B， ZHU J M， LIANG L，et al. The bio-availability of selenium and risk assessment for human selenium poisoning in high-Se areas［J］. Environment international， 2013，52： 66-74.

［27］ FORDYCE F M. Selenium deficiency and toxicity in the environment［A］.SELINUS O， FUGE R， ALLOWAY B， et al. Essentials of medical geology Netherlands［M］. Revised edition. Springer：2013.375-416.

［28］ DZ/T 0295—2016，土地质量地球化学评价规范［S］.

收稿日期：2023-09-15

基金项目：广东省湛江市海洋青年人才创新项目（2021E05018）；岭南师范学院燕岭优青教师培训计划项目（YL20200209）；岭南师范学院红树林研究院开放课题（YBXM03）；岭南师范学院大学生创新创业训练计划项目（X202210579023）

作者简介：沈琳丽（2001-），女，广东茂名人，在读本科生，研究方向为自然地理，（电话）13727274702（电子信箱）sll783536121@163.com；罗松英（1985-），广东阳春人，副教授，博士，主要从事生态环境保护与修复、环境地球化学等研究，（电话）18312681796（电子信箱）luosongying@163.com。

沈琳丽，罗松英，梁志鹏，等. 南渡河流域农田土壤-水稻系统硒与镉富集特征及其相互关系［J］. 湖北农业科学，2024，63（9）：22-27．