土壤硒含量显著影响黑小麦与普通小麦的硒吸收

鲁晋秀，闫秋艳, ，杨峰，董飞，段增强，李峰，闫翠萍，王苗

1. 山西省农业科学院小麦研究所，山西 临汾 041000；2. 中国科学院南京土壤研究所/土壤与农业可持续发展国家重点实验室，江苏 南京 210008

硒是人体和动物必需的微量元素，人类的多种疾病与长期硒元素摄入量不足有关（张睿等，2015；Bañuelos et al.，2017）。随着对硒研究的不断深入，硒在机体中发挥的重要作用越来越多地被人们所了解，它具有抗癌、抗氧化、抗衰老、增强机体免疫力等多种生物学功能（杨海滨等，2017）。人体缺硒会导致一系列疾病，如克山病和大骨节病，硒缺乏还与一些病毒感染的发生或疾病恶化有关（WHO，2016）。世界卫生组织推荐人均硒摄入量为50～200 μg·d-1（Guerrero et al.，2014），而中国居民人均硒摄入量仅为 26～32 μg·d-1（宁婵娟等，2009），低于世界平均水平。因此，有效拓宽硒摄入途径对人体补硒至关重要。

近年来，学者们在粮食作物对硒的吸收转运规律和特性方面进行了大量的研究（刘庆等，2016；Hu et al.，2014；王裔娜等，2015；李福燕等，2016）。通过提高粮食作物硒含量，以天然有机硒的形式为人类提供安全有效的补硒途径是必然趋势。粮食中正常含硒量在 0.1～1.0 mg·kg-1之间，小于 0.1 mg·kg-1为缺硒，中毒剂量为5 mg·kg-1（Lyons et al.，2015）。因此，国家规定粮食中硒质量分数不能超过0.3 mg·kg-1。谷类及其制品提供了中国低硒区人群日常硒总摄入的70%（唐玉霞等，2011；彭涛等，2015）。常见的小麦（Triticum aestivum L.）、水稻（Oryza sativa L.）、玉米（Zea mays L.）、大麦（Hordeum vulgare L.）、燕麦（Avena sativa L.）等谷类作物中，以小麦硒的生物有效性最高，是全世界最重要的饮食硒来源。在澳大利亚，小麦硒占饮食硒摄入量的50%左右（Kaur et al.，2014）。小麦中硒水平因地域和品种不同而存在很大的差异。中国富硒小麦标准为 0.15～0.3 mg·kg-1（燕雯等，2012）。国外很早就对春小麦进行施硒研究，使春小麦籽粒的硒质量分数从 0.1～0.2 mg·kg-1提高到 0.7～1.3 mg·kg-1（Singh et al.，2008）。国内通过土壤施硒或叶面喷硒等方式提高小麦籽粒硒含量，也取得了一定成效（彭涛等，2015；刘慧等，2016）。

研究表明，同地区不同作物含硒量不同，而同一作物在不同地区的含硒量也有很大差异（王裔娜等，2015）。一般定性地认为，土壤有效硒在很大程度上影响小麦籽粒硒含量（鲁璐等，2010），但目前对不同自然背景条件下土壤有效硒水平对籽粒硒含量及其强化效果影响的定量化研究较为缺乏，尤其是小麦品种对硒的吸收差异与土壤硒含量的关联度缺乏系统研究。刘慧等（2016）对普通小麦的品种硒吸收差异进行研究，发现小麦籽粒硒含量在品种间的吸收差异远不及土壤硒含量的差异带来的影响大。然而，在硒水平相当的区域，黑粒小麦和普通小麦的硒吸收存在怎样的规律尚未见报道。因此，本研究旨在探明不同含硒土壤水平下黑粒小麦和普通小麦对硒的积累强度差异及其与大量元素含量的相关性研究，为提高小麦含硒量和小麦种植提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 样品采集

于2016年6月3日，分别在山西省临汾市洪洞县马三村（36°18'N，111°38'E）和尧都区韩村（36°08'N，111°34'E）采集植株样品，并收集种植区土壤耕作层（0～20 cm）样品。采集品种为当地栽植品种，分为根系、茎、籽粒3个部分。相同地块分别采集黑小麦和普通小麦两个品种，采集植株后同时采集对应的0～20 cm土壤样品，每个采样区采集10个样点，按照“S”曲线采取混合样。

1.2 采样点土壤基本理化性质

表1显示，两个采样点土壤均偏碱性。马三村土壤样点速效养分含量较韩村样点高，其中碱解氮、有效磷和速效钾分别较其高 13.5%、13.7%和11.3%。马三村土壤硒质量分数比韩村高 0.604 mg·kg-1（223.7%）。

1.3 样品处理及测定

用清水将所采集的地上部植株样品冲洗干净，再用超纯水冲洗，用纱布将植株擦干，于105 ℃烘箱中杀青30 min，75 ℃烘干，粉碎后备用；根系放置在网袋中，用清水冲洗干净，去除杂质后，再用超纯水冲洗，用纱布将根系擦干，烘干粉碎后备用；土壤在室内自然风干，研磨过 20目筛，并取部分土壤过100目筛备用。

土壤总硒含量以及植株样品硒含量测定参照国家标准（GB 5009.93—2010）中硒含量的测定方法，使用AFS-3000原子荧光光度计进行测定：称取待测样品1.0000 g于消化管中，加入10 mL混合酸（HNO3:HClO4=4:1，V:V），盖上小漏斗，消化过夜。次日于160 ℃自动控温消化炉上，消化至灰白色，继续消化至冒白烟后，取下稍微冷却，加入10 mL 6 mol·L-1HCl，沸水浴加热 10 min，冷却至室温，用去离子水将消化液转移至50 mL容量瓶，定容至刻度，摇匀，待测，同时做试剂空白。锌、铁元素使用微波消解ICP-AES法测定，由山西省地质勘探院测定。植物主要矿质营养成分 N、P、K含量的测定参照鲁如坤（1999）的相关方法进行。

1.4 数据处理和分析

运用Excel 2003软件作图和SPSS 17.0软件对数据进行方差分析，采用 Duncan多重比较法对不同处理进行差异显著性检验。

2 结果与分析

2.1 不同组织硒含量差异

由表2可知，马三村采样点黑粒小麦临黑131和白粒小麦鑫麦 296籽粒硒平均质量分数分别为0.239 mg·kg-1和 0.172 mg·kg-1，茎秆分别为 0.116mg·kg-1和 0.128 mg·kg-1，根系分别为 0.117 mg·kg-1和0.087 mg·kg-1。黑粒小麦籽粒硒含量比白粒小麦高65.5%。韩村黑粒小麦籽粒硒质量分数的变幅为0.042～0.057 mg·kg-1，平均为 0.042 mg·kg-1，白粒小麦变幅为 0.030～0.036 mg·kg-1，平均为 0.033 mg·kg-1。黑粒小麦籽粒、根系和茎秆硒含量分别比白粒小麦高32.1%、13.3%和46.8%。

表1 采样点土壤理化性质Table 1 Soil physicochemical properties at the two sites

表2 采样点小麦不同组织硒含量Table 2 Selenium contents in different organs of wheat mg·kg-1

2.2 籽粒氮磷钾含量差异

表3显示，马三村黑粒小麦全氮、全磷和全钾平均质量分数分别为25.5、9.0和7.3 g·kg-1，白粒小麦全氮、全磷和全钾质量分数分别为 22.4、9.09和10.4 g·kg-1。韩村黑粒小麦全氮、全磷和全钾平均质量分数分别为24.4、9.96和7.73 g·kg-1，白粒小麦全氮、全磷和全钾分别为 21.5、9.07和 7.43 g·kg-1。两个采样点结果均显示，黑粒小麦在氮和磷的吸收上高于白粒小麦。马三村黑小麦籽粒铁和锌含量比普通小麦高30.1%和43.2%，韩村黑小麦籽粒铁和锌含量比普通小麦高31.7%和54.7%。

2.3 土壤硒与小麦硒吸收量相关性分析

由图1可知，籽粒硒含量与土壤硒含量、根系硒含量和茎秆硒含量呈正相关，表明土壤硒含量对小麦不同组织硒吸收有显著影响。根据拟合曲线，当土壤基础硒质量分数为0.695 mg·kg-1时，籽粒硒质量分数为0.15 mg·kg-1，即为富硒标准的最小值。

3 讨论

土壤硒含量在两个采样点的差异比较大，达显著差异水平。氮磷钾养分含量在硒含量高（马三村）的区域也较高，除土壤碱解氮的含量存在显著差异外，其余指标差异不显著。根据土壤硒含量标准，土壤含硒量在 0.6 mg·kg-1以下，就属于贫硒土壤（张志元等，2012）。马三村土壤硒质量分数变幅为0.689～1.19 mg·kg-1，平均为 0.874 mg·kg-1。马三村土壤属于富硒土壤，各采样点土壤硒质量分数均高于富硒标准（0.6 mg·kg-1）。韩村土壤硒含量变幅为0.235～0.317 mg·kg-1，平均为 0.270 mg·kg-1，属于适中土壤。刘慧等（2016）研究表明，山西临汾土壤有效硒质量分数为0.0195 mg·kg-1，与本研究结果不一致，可能是区域不同或所测定硒的形态不同所导致。从中国土壤硒质量分数平均值（0.290 mg·kg-1）看（唐玉霞等，2011），马三村土壤全硒含量比全国平均值高出201.3%，韩村地土壤硒含量比全国平均值低 6.9%。被誉为世界硒都的湖北恩施，其土壤硒平均质量分数达到0.630 mg·kg-1，处于足硒或富硒的水平（于丽敏等，2015）。可见，马三村拥有天然富硒土壤资源，这将为富硒农产品的生产提供种植基础。土壤硒水平主要与土壤有机碳含量负相关，其次与土壤碱度也相关，高碳酸盐含量的碱性土区，籽粒硒水平较高（刘慧等，2016）。有关两个区域的土壤硒差异原因还需从更多的角度进行阐释。

表3 采样点小麦籽粒氮、磷和钾含量Table 3 Wheat grain nitrogen, phosphorus and potassium of the locations

图1 小麦籽粒硒含量与土壤硒含量、根系硒含量及茎秆硒含量的相关性Fig. 1 Relationship between grain selenium content and soil, root and stem selenium content

籽粒硒含量的差异主要来自于土壤中硒含量的差异（Bañuelos et al.，2017）。土壤硒含量在一定的范围内可以种植出富硒的小麦（彭涛等，2015）。土壤有效硒质量分数每增加 1 μg·kg-1，籽粒硒含量平均增加2.1 μg·kg-1（刘慧等，2016）。本研究结果显示，土壤硒含量与籽粒硒含量的相关系数为R2=0.787，未达到显著相关，但呈正相关的趋势。根据拟合曲线，当土壤基础硒质量分数为0.695 mg·kg-1时，籽粒硒质量分数为 0.15 mg·kg-1，即富硒小麦标准的最小值。Loyns et al.（2015）对墨西哥和澳大利亚等不同地区小麦的研究发现，籽粒硒含量的差异主要来自于土壤中硒含量的差异，基因型间差异较小。Lee et al.（2011）对280份小麦材料硒吸收差异的研究显示，小麦籽粒硒含量和硒吸收在常规品种间的差异不显著。小麦籽粒硒盈缺标准为：＜0.05 mg·kg-1，缺乏；0.05～0.1 mg·kg-1，偏低；0.1～0.15 mg·kg-1，中等；0.15～0.3 mg·kg-1，富硒；0.3～2 mg·kg-1，可耐受；＞2 mg·kg-1，可能中毒（杨峰等，2017）。本研究中，马三村黑粒小麦临黑131和白粒小麦鑫麦296籽粒硒平均质量分数分别为 0.283 mg·kg-1和 0.171 mg·kg-1，属于富硒小麦。黑小麦和白粒小麦茎秆硒平均质量分数分别为0.116 mg·kg-1和 0.128 mg·kg-1，根系分别为 0.117 mg·kg-1和 0.087 mg·kg-1，根系和茎秆在两种籽粒颜色小麦间分别相差 0.012 mg·kg-1和 0.03 mg·kg-1，籽粒相差0.112 mg·kg-1。韩村黑粒小麦籽粒硒质量分数的变幅为0.042～0.057 mg·kg-1，平均为0.0486 mg·kg-1，白粒小麦变幅为 0.030～0.036 mg·kg-1，平均为0.033 mg·kg-1。可见，在土壤硒含量越高的地区，黑小麦和普通小麦籽粒硒含量差异越大。而且，在硒水平相当的土壤中，黑小麦比普通小麦对硒的富集能力强。小麦不同组织的硒含量之间存在显著正相关关系，籽粒硒含量与根系硒含量的相关系数较高（R2=0.963）。同一个小麦品种种植在不同地区，其籽粒硒含量的差异也很大，这与所处的地理位置及土壤硒含量有很大关系（Lee et al.，2011）。关于黑小麦较强的富硒功能已有许多文报道过（李甜等，2015；李韬等，2012；王裔娜等，2015），但其具体吸收机制仍有待进一步探讨。

锌和铁元素在硒含量较高的小麦籽粒中的积累程度也较高，可能是元素之间的吸收存在一定协同效应（Guerrero et al.，2014）。但也有研究指出，小麦对硒的吸收与锌铁含量呈负相关（鲁璐等，2010）。Hu et al.（2014）对水稻施加硒肥的研究表明，水稻籽粒硒含量增加的同时，钙和铅元素的含量也同时降低，原因是硒肥的施入降低了金属元素在土壤中的生物有效性。本研究不添加硒肥，以土壤自然硒含量为研究基点，可能是元素吸收存在不同的吸收机制。黑小麦对氮和磷的吸收量高，但是钾含量在调查点间规律不一致。总体上，与普通小麦相比，黑小麦中所含的各种矿质元素含量高（胡秋辉等，2001；燕雯等，2012）。相同品种小麦在高硒和低硒区对微量元素的吸收差异较大，但对大量元素氮磷钾的吸收差异不大，这与两个区域土壤基本理化性质差异小有关。总之，在土壤养分含量较优的土壤，小麦对大量元素和微量元素的吸收也同时较优（Nawaz et al.，2015）。关于影响小麦硒吸收和转运的生理机理有待进一步研究，这对探索富硒黑小麦功能食品具有重要的理论和现实意义。

4 结论

（1）两个采样点土壤硒含量存在较大差异。马三村土壤硒质量分数变幅为0.689～1.19 mg·kg-1，平均为0.874 mg·kg-1，属于富硒土壤，各样点土壤硒质量分数均高于富硒标准（0.6 mg·kg-1）。韩村土壤硒质量分数变幅为 0.235～0.317 mg·kg-1，平均为0.270 mg·kg-1，属于低硒土壤。两个土壤硒含量不同的区域，氮磷钾养分含量在硒含量高的区域也较高，除土壤碱解氮的含量存在显著差异外，其余指标差异不显著。

（2）土壤硒含量对小麦籽粒硒吸收差异影响较大，相关系数为 R2=0.787，未达到显著相关，但呈正相关的趋势。根据拟合曲线，当土壤基础硒质量分数为0.695 mg·kg-1时，籽粒硒质量分数为0.15 mg·kg-1，即为富硒小麦标准的最小值。土壤硒水平相当时，黑粒小麦比普通小麦的硒吸收强度大，且对其他大量元素和锌铁等微量元素吸收量也较高。

（3）相同小麦品种在高硒和低硒区的微量元素吸收差异较大，但对大量元素氮磷钾的吸收差异不大，这与两个区域土壤基本理化性质差异小有关。