高镉地质背景区土壤中镉-硒相互作用的田间试验研究

基金项目：广西科技基地和人才专项（桂科AD22035015、AC22080006）；广西一流学科农业资源与环境建设项目（桂教科研〔2022〕1号）

第一作者简介：汤小萱（1998-），女，硕士研究生。研究方向为土壤环境质量。

*通信作者：朱正杰（1983-），男，博士，教授。研究方向为土壤环境质量和地球化学。

DOI：10.20028/j.zhnydk.2024.11.008

摘" 要：该研究系统采集广西壮族自治区靖西市那国村巴果屯地区烟草种植地烟叶、烟茎以及土壤样品，分别测定Cd、Se含量，分析Cd、Se元素在土壤未进行Cd富集与进行了富集的背景下，施加不同浓度Se肥的土壤及烟株中的含量及迁移转化。结果表明，Cd与Se之间可能存在拮抗作用，且0.14 mg/kg Se肥是较好的施加浓度，此浓度下对Cd的拮抗作用较好。通过分析典型烟草种植区不同Se肥浓度下土壤-烟叶中镉、硒含量，研究镉、硒元素在土壤-烟株中迁移转化规律，为进一步抑制烟株对镉的吸收以及硒的合理应用提供数据支撑。

关键词：土壤；烟株；镉；硒；相互作用

中图分类号：S572" " " 文献标志码：A" " " " " 文章编号：2096-9902（2024）11-0032-06

Abstract： In this study， tobacco leaves， stems and soil samples were systematically collected from the tobacco growing area of Baguotun， Naguo Village， Jingxi City， Guangxi Zhuang Autonomous Region， and the contents of Cd and Se were determined respectively. The contents， migration and transformation of Cd and Se in soil and tobacco plants without Cd enrichment and enrichment were analyzed. The results showed that there may be antagonism between Cd and Se， and 0.14 mg/kg Se fertilizer is a better concentration， which has a good antagonistic effect on Cd. By analyzing the contents of cadmium and selenium in soil-tobacco leaves under different concentrations of Se fertilizer in typical tobacco planting areas， the migration and transformation rules of cadmium and selenium in soil-tobacco plants were studied， which provided data support for further inhibition of cadmium absorption by tobacco plants and rational application of selenium.

Keywords： soil; tobacco plant; cadmium; selenium; interaction

硒（Se）是人体健康必不可少的微量元素，是硒酶和硒蛋白的活性中心，具有多种生物学功能，在生物体的能量代谢和基因表达中起着重要作用[1]。硒元素摄入不足导致人体缺硒，使人体处于不健康或亚健康状态，并引发多种疾病。水稻（Oryza sativa L.）是我国一半居民的主要粮食作物，食用富硒稻米补硒被认为具有安全、经济等优点，并逐渐受到关注。

然而，研究发现土壤中硒常常由于呈“类质同象”与重金属镉伴生[2]。广西为目前我国多目标区域地球化学调查工作圈定出的最大面积连片富硒土壤区，也是我国南方典型的高镉地质背景区，广西土壤镉背景值为全国土壤镉背景值的2.75倍[3]。镉（Cd）是一种对人体健康危害极高的重金属元素，并被国际癌症研究机构（IARC）列为致癌物质[4]。较之其他作物，水稻对镉具有较强的富集能力，富硒区稻米镉污染问题不容乐观[4]。由此可见，富硒区常存在镉伴生现象，镉可通过水稻富集经食物链进入人体，产生生物毒性，给人体造成潜在健康风险。烟草（Nicotiana tobacum）是双子叶植物中茄科（Solanaceae）烟属（Nicotiana）植物，是我国重要经济作物之一。广西百色部分区域习惯水稻—烟草轮作。百色市属广西区内烤烟种植量巨大的市，2019年底统计得知百色市植烟地面积可达4 667 hm2，约占了广西植烟地总面积的73%[5]。百色烟区当前的耕作模式以“水稻—烤烟”（烟稻轮作） 为主[6-8]。因此开展典型高镉地质背景区土壤中镉-硒相互作用的田间试验研究具有重要的科学意义。

1" 材料与方法

1.1" 田间实验

在靖西市那国村巴果屯选取9垄生长中期的烟株根系土进行编号（第1垄为1号，第2垄为2号……以此类推），将1～3号、4～5号、6～9分别定为低硒、中硒、高硒，分别施加0.14、0.15、0.16 g硒肥。并在施加前随机3组中每组抽取一垄的根系土作为背景土，之后在每垄的根系土施加5 mg/L的Cd肥，根系土按照3 kg计算，Cd按照2 mg/L计算，需要6 mg Cd，母液配制3 g/L，即2 mL，约15 mg，即终浓度约5 mg/L。

1.2" 土样采集和处理

在田间实验前和试验后均采集表层土壤样品，根系土采集深度为0～20 cm。土样剔除树枝、动物残肢、石块，用圆木棍敲碎，四分法后过100目孔径筛（0.150 mm）备用。

1.3" 烟株采样和处理

分别采集靖西市那国村巴果屯进行镉-硒富集处理的烟株的烟茎和烟叶（如图1所示），采集期均为成熟期（如图2所示）。将烟叶与烟茎，分别在烤箱中60 ℃条件下烘干。烟叶分为上、中、下叶用粉碎机粉碎后过100目孔径筛（0.150 mm）；烟茎剪成小块后粉碎过筛并称取一部分后标上编号分装送检。

1.4" 测试方法

利用四酸消解前处理法结合等离子体质谱法（ICP-MS）测定土壤和植物中Se和Cd含量，具体操作为：依次用盐酸、氢氟酸、高氯酸、硝酸对土壤样品消解，接着用稀盐酸定容到一定量。分析土壤样品用电感耦合等离子发射光谱完成，最后的测定结果须矫正元素之间的光谱干扰。

1.5" 数据分析

使用Microsoft Excel及IBM SPSS Statistics 22.0统计软件进行数据处理。

2" 结果与分析

2.1" Cd、Se等元素含量结果

田间试验前土壤中Cd元素含量变化范围为2.65～4.85 mg/kg，平均含量为3.38 mg/kg；Se元素含量范围在0.29～0.50 mg/kg，平均含量为0.37 mg/kg（见表1）。

田间试验后土壤中Cd元素含量变化范围为12.30～13.00 mg/kg，平均含量为12.66 mg/kg；Se元素含量变化范围0.61～0.85 mg/kg，平均含量为0.67 mg/kg（见表2）。

2.2" 镉、硒元素富集特征

在Cd富集和施Se肥后，试验田中Cd的平均浓度由3.38 mg/kg上升到了12.66 mg/kg，上升了274.56%，根据GB 15618—2018《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）》得出Cd已富集到严重超标的程度[9]，足以对该地区的农作物造成影响。Se的平均浓度由0.37 mg/kg上升到了0.67 mg/kg，上升了81%，根据魏复盛等[3]《中国土壤元素背景值基本统计量及其特征》可知Se含量已远超全国平均值，达到富硒标准。Cd的上升效果较Se更为显著。

2.3" 富集Cd背景下施加不同浓度Se肥土壤和烟株中Cd元素特征分析

2.3.1" 富集Cd背景下施加不同浓度Se肥土壤中Cd元素含量特征分析

由表3可知，施加不同浓度Se肥的土壤中，0.14 mg/kg Se肥条件下，Cd含量处于12.65～12.90 mg/kg；0.15 mg/kg Se肥条件下，Cd含量处于12.30～13.00 mg/kg；0.16 mg/kg Se肥条件下，Cd含量处于12.45～12.75 mg/kg。

从不同浓度Se肥条件下土壤中Cd含量的平均值来分析，0.14 mg/kg Se肥条件下平均值为12.73±0.14 mg/kg；0.15 mg/kg Se肥条件下平均值为12.68±0.35 mg/kg；0.16 mg/kg Se肥条件下平均值为12.58±0.15 mg/kg。说明0.14 mg/kg Se肥条件下土壤含Cd量最高。

从变异系数大小来分析（表3），1.13%（0.14 mg/kg）＜1.19%（0.16 mg/kg）＜2.76%（0.15 mg/kg），即0.14 mg/kg Se肥条件下的变异系数最小，说明0.14 mg/kg Se肥条件下土壤中的Cd含量较均匀。

2.3.2" 富集Cd背景下施加不同浓度Se肥烟茎中Cd元素含量特征分析

由表4可知，施加不同浓度Se肥的烟茎中，0.14 mg/kg Se肥条件下，烟茎Cd含量变化范围为2.13～2.93 mg/kg；0.15 mg/kg Se肥条件下，变化范围为3.24～3.55 mg/kg；0.16 mg/kg Se肥条件下，变化范围为3.09～3.91 mg/kg。根据曹晨亮[10]烟草镉的健康风险评价标准，Cd含量严重超出安全食用值。

从变异系数大小来分析（表4），4.74%（0.15 mg/kg）＜11.61%（0.16 mg/kg）＜17.62%（0.14 mg/kg），即0.15 mg/kg Se肥浓度条件下的变异系数最小，说明0.15 mg/kg Se肥条件下烟茎中的Cd含量较均匀。由表4可知，0.14 mg/kg

Se肥浓度条件下的烟茎Cd含量显著低于0.15和0.16 mg/kg Se肥条件下的烟茎Cd含量。

2.3.3" 富集Cd背景下施加不同浓度Se肥上部烟叶中Cd元素含量特征分析

由表5可知，施加不同浓度Se肥的上部烟叶中，0.14 mg/kg Se肥条件下，Cd含量变化范围为6.04～12.40 mg/kg；0.15 mg/kg Se肥条件下，变化范围为5.38～9.62 mg/kg；0.16 mg/kg Se肥条件下，变化范围为9.13～11.05 mg/kg。根据曹晨亮[10]的烟草镉的健康风险评价标准，Cd含量严重超出安全食用值。

从不同浓度Se肥条件下上部烟叶中Cd含量的平均值来分析，0.14 mg/kg Se肥条件下平均值为10.00±1.99 mg/kg；0.15 mg/kg Se肥条件下平均值为8.13±1.38 mg/kg；0.16 mg/kg， Se肥条件下平均值为10.09±0.96 mg/kg。说明0.16 mg/kg Se肥条件下土壤含Cd量最高。

从变异系数大小来分析（表5），9.51%（0.16 mg/kg）＜16.97%（0.15 mg/kg）＜19.90%（0.14 mg/kg），即0.16 mg/kgSe肥条件下的变异系数最小，说明0.16 mg/kgSe肥条件下上部烟叶中的Cd含量较均匀。

2.4" 富集Cd背景下施加不同浓度Se肥土壤和烟株中Se元素特征分析

2.4.1" 富集Cd背景下施加不同浓度Se肥土壤中Se元素含量特征分析

由表6可知，施加不同浓度Se肥的土壤中，0.14 mg/kg

Se肥条件下，Se含量变化范围为0.62～0.85 mg/kg；0.15 mg/kgSe肥条件下，变化范围为0.62～0.80 mg/kg；0.16 mg/kg Se肥条件下，变化范围为0.61～0.71 mg/kg。

从不同浓度Se肥土壤中Se含量的平均值来分析，0.14 mg/kgSe肥条件下平均值为0.69±0.13 mg/kg，0.15 mg/kg Se肥条件下平均值为0.68±0.11 mg/kg，0.16 mg/kg Se肥条件下平均值为0.65±0.06 mg/kg。说明0.14 mg/kg Se肥条件下土壤中Se含量较高，但三者之间差异较小。

从变异系数大小来分析（表6），9.23%（0.16 mg/kg）＜16.92%（0.15 mg/kg）＜18.84%（0.14 mg/kg），即0.16 mg/kg条件下的变异系数最小，说明0.16 mg/kg Se肥条件下土壤中的Se含量较均匀。

2.4.2" 富集Cd背景下施加不同浓度Se肥烟茎中Se元素含量特征分析

由表7可知，施加不同浓度Se肥的土壤中，0.14 mg/kgSe肥条件下，Se含量变化范围0.021～0.031 mg/kg；0.15 mg/kg Se肥条件下，变化范围为0.017～0.032 mg/kg，0.16 mg/kg Se肥条件下，变化范围为0.011～0.016 mg/kg，从结果来看0.14 mg/kg Se肥条件下土壤中Se含量最高。

从变异系数大小来分析（表7），18.57%（0.16 mg/kg）＜20.40%（0.14 mg/kg）＜34.34%（0.15 mg/kg），即0.16 mg/kg浓度下的变异系数最小，说明0.16 mg/kg Se肥条件下土壤中的Se含量较均匀。

由表7可知，0.14 mg/kg Se肥条件下的烟茎Se含量显著高于0.15和0.16 mg/kgSe肥条件下的烟茎。

2.4.3" 富集Cd背景下施加不同浓度Se肥上部烟叶中Se元素含量特征分析

由表8可知，施加不同浓度Se肥的上部烟叶中，0.14 mg/kg Se肥条件下，Se含量变化范围为0.058～0.117 mg/kg；0.15 mg/kg Se肥条件下，变化范围为0.038～0.060 mg/kg；0.16 mg/kg Se肥条件下，变化范围为0.038～0.040 mg/kg。从结果来看0.14 mg/kg Se肥条件下上部烟叶Se含量最高。

从变异系数大小来分析（表8），2.56%（0.16 mg/kg）＜25.53%（0.15 mg/kg）＜35.71%（0.14 mg/kg），即0.16 mg/kg浓度下的变异系数最小，说明0.16 mg/kg Se肥条件下上部烟叶中的Se含量较均匀。

2.5" Cd-Se相关性分析

根据图3可知，高地质背景区土壤Cd与Se之间存在较强的正相关性，暗示土壤中Cd和Se的同一来源。

对采集到的施加0.14 mg/kg Se肥的土壤、烟茎、上部烟叶及中部烟叶共12个样品的数据进行皮尔逊相关性分析。由表9看出，土壤中Cd-Se存在明显的负相关性，土壤中Cd与上部烟叶Cd及烟茎中Cd存在负相关性，土壤中Se与上部烟叶Se及烟茎中Se存在正相关性，暗示土壤中Cd、Se以不同方式进入烟叶及烟茎，说明两者之间存在一定的拮抗作用。

3" 讨论

本文研究结果显示靖西市那国村巴果屯植烟区中，施加0.14 mg/kg Se肥，0.15 mg/kg Se肥和0.16 mg/kg Se肥土壤和烟株中的Cd、Se含量和相关性有所差异。对于烟茎Cd含量而言，0.14 mg/kg Se肥条件下的烟茎Cd含量显著低于0.15和0.16 mg/kg Se肥条件下的烟茎Cd含量。对于Se含量而言，施加0.14 mg/kg Se肥的情况是土壤、烟茎Se和上部烟叶中的Se含量都是最高的，但施加0.16 mg/kg Se肥的情况是这3个部位Se含量最为稳定的。

从相关性的角度分析，在不进行Cd富集和不施加Se肥的情况下，土壤中Cd和Se是具有一定的相关性的，但在进行Cd富集和施加Se肥后，土壤中Cd-Se存在明显的负相关性，土壤中Cd与上部烟叶Cd及烟茎中Cd存在负相关性，土壤中Se与上部烟叶Se及烟茎中Se存在正相关性。可能的原因是烟株对Cd的吸收能力远远大于烟株对Se的吸收能力，导致土壤和烟株中Cd-Se失衡；上部烟叶Se与土壤Se浓度极显著正相关可能是由于Cd-Se之间的拮抗作用影响了烟株对Se的吸收。

Cd含量在烟茎的分布与Se肥的施加量存在一定的关联性，Se含量在土壤、烟茎和上部烟叶中的分布也与Se肥的施加量有一定的关联性，结合管恩相等[11]的研究，认为土壤中Cd与Se之间可能存在一种拮抗作用，且0.14 mg/kg Se肥是一个比较好的施加浓度，此浓度下对Cd的拮抗作用比较好。谭旭生等[12]也得出了类似的结论。

4" 结论

通过田间试验初步分析了不同Se肥浓度下重金属元素Cd和生命元素Se在土壤和烟草植株中的分布特征，简要分析了不同Se肥浓度下Cd与Se之间的相互作用。高镉地质背景下土壤中Cd-Se存在一定的拮抗作用，且在0.14 mg/kg Se肥条件下拮抗作用最强。

目前关于土壤Cd、Se 2种元素含量方面的研究虽然很多，但主要停留在单个元素对土壤的影响，在两者相互作用的研究相对较少[11-12]。因此，有必要通过施加不同浓度Se肥措施的研究来发现土壤中Cd-Se之间的相互作用，研究植物对Cd、Se元素吸收分配和食用此植物的动物的基因型差异及其不同时期和不同部位的变化规律，并明确植物和动物对Cd、Se的吸收和分配机理。此外，随着人们对产品质量安全的不断追求及健康意识的提高，如何降低烟草中镉等重金属含量和提高硒等生命元素的含量，提高烟草安全性和营养性是近年来研究的热点话题。对烟草重金属镉的控制主要集中在2个方面，一是在烟草和水稻种植生产阶段重点控制土壤中镉含量和施加硒肥的浓度；二是在生产阶段解决烟用材料镉的带入问题。

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