恩施富硒土壤区水稻及其根系土硒镉含量关系研究——以恩施市新塘乡为例

袁知洋，潘 飞，杨良哲

(1.湖北省地质科学研究院，湖北 武汉 430000; 2.湖北省硒生态环境效应检测中心,湖北 武汉 430000)

1 引言

恩施州富硒土壤区的主要生态问题为：土壤高硒背景下潜在的硒过量风险和以镉为主要的土壤重金属生态风险。中国地质大学郭宇[2]博士通过对恩施高硒地区-新塘乡鱼塘坝地区的富硒黑色岩系的成分研究，发现研究区内的岩石样品中普遍富集镉和硒,且相对全国土壤平均含量超标倍数明显偏高。国内外关于硒镉在植物和动物体内的吸收关系试验已经出现较多报道，在某些植物在生长过程中，通过施加硒能显著降低植物对镉的吸收[3，4]。硒元素和镉元素的相互作用的生理过程研究，在先进实验器材和科学的实验方案下取得了较为精细的研究结论。如梁程、林匡飞、张雯等以水稻为试验材料[5]，研究了不同硫浓度下硒和镉交互胁迫对水稻幼苗一些生理特性的影响，发现随着Cd浓度的增加，Cd对水稻幼苗生长的毒性不断增大，在加入一定浓度的Se后，Cd的毒性作用得到缓解。王建伟、王朝辉、毛晖等研究施用硒锌钼肥料对该地区作物生长及可食部分镉元素含量的影响具有重要意义[6]，国外关于硒镉的关系研究，大多通过在动物医学实验里获取相关的规律和结论，主要因为镉对人类健康造成危害，而硒具有合成抗氧化酶的作用，且参与动物体内的免疫过程，增强动物细胞免疫功能，如El-Boshy M E等[7]发现硒通过改善肝脏和肾脏免疫学参数标志物改善因为镉导致的肝脏和肾脏损伤。结果表明，硒在动物体内具有拮抗镉对肝，肾的氧化损伤的潜力，硒对镉的毒性有抑制作用；Van Puymbroeck S L等[8]同样发现在无脊椎动物中，施用亚硒酸钠，可以使该动物对镉的敏感性几乎降低了一半，硒减弱了镉的毒性。

本文通过采集恩施市新塘乡富硒土壤区种植的水稻成熟籽粒及其根系土，分析该地区水稻籽粒及其根系土硒镉等元素的关系，为恩施市新塘乡水稻富硒开发利用提供理论参考

2 材料与方法

2.1 实验材料

如图1所示， 新塘乡位于湖北省恩施市东南方向，地跨东经109°11′～109°55′，北纬29°33′～30°12′之间。土壤多为二叠纪、三叠纪沉积岩中的灰岩和页岩等发育而来，由于枯枝落叶丰富以及温度较低等因素，有机物腐烂分解缓慢，土层较浅，色泽多棕黄或者灰黄。

图1 富硒土壤区水稻采样区

2.2 试验方法

2.2.1 试验设计与样品采集

在新塘乡的乡镇府驻地附近的水稻田，进行水稻采样，一共设置20个取样点，取水稻籽粒样品为20个，并采集所在样点的水稻根系土壤，共20份土样，水稻根系土带回实验室风干后，取出细根、石粒等杂质，碾磨后过0.1 mm孔径塞制成待测土壤样品。

2.2.2 测定和分析方法

(1)水稻根系土壤全量硒和镉的测定按照《土壤地球化学样品分析测试质量要求及质量控制》的相关进行测定，具体方法如表1。

表1 土壤样品分析方法

稻米全量硒和镉的测定采用等离子体质谱法(ICP-MS)、原子荧光法(AFS)等分析方法进行，方法如表2。

表2 生物样品分析方法

(2)数据统计和相关分析采用SPSS17.0统计软件，图像均采用Origin8.1绘制。

3 结果与分析

3.1 水稻籽粒硒元素的含量状况

水稻全部采集于恩施新塘乡，测试部位为稻米籽实，20个采样点的稻米硒含量达到国家富硒稻谷标准(GB/T 22499-2008)(硒≥0.04mg/kg)的样品有20件，占100%。其中最高级别硒含量的达16件，一级含硒2件，共占90%，结合恩施地区水稻含硒量特征，将水稻硒划分为五级，如表3。

3.2 水稻和水稻根系土内硒、镉关系

(1)根据本次研究所采集的水稻硒、镉含量以及水稻根系土硒、镉含量数据，如图2水稻含硒量和对应水稻根系土硒含量数据趋势成图，水稻籽粒含硒量和水稻根系土含硒量关系呈现较好的趋势一致性；如图3，做线性回归拟合过程中，得出拟合方程为y=0.04323x+0.627，Pearson相关系数位0.50303，拟合度R2位0.21154；P值(Prob>F)为0.02377<0.05，因此此次回归分析所呈现的水稻籽粒硒含量和水稻根系土的硒含量的线性正比例关系达到了显著水平。

图2 水稻籽粒硒元素含量和对应水稻根系土含硒量趋势

(2)如图4水稻籽粒含镉量和对应水稻根系土镉含量数据趋势成图，水稻籽粒含镉量和水稻根系土含镉量关系呈现较好的趋势一致性；如图5，做线性回归拟合过程中，得出拟合方程为y=0.00351x+0.03382，Pearson相关系数为0.74635，拟合度R2为0.53243；P值(Prob>F)为1.57824E-4<0.01，因此此次回归分析所呈现的水稻籽粒镉含量和水稻根系土镉含量呈线性正比例关系，且达到极显著水平。

图3 水稻籽粒硒元素含量和对应水稻根系土含硒量线性回归

(3)如图6水稻籽粒含镉量和水稻籽粒硒含量数据趋势成图，水稻籽粒含硒量和水稻籽粒含镉量呈现较好的趋势一致性；进行线性回归分析如图7，相关系数pearson值是0.48348，线性拟合关系初步呈现是正相关，拟合度R2为0.19118，P值为0.0308<0.05，水稻籽粒硒含量和镉含量线性正比例关系显著，表明水稻籽粒内硒镉存在协同关系。

3.4 水稻土壤理化性质及其元素硒镉锌元素间的相关性分析

通过SPSS对20个样点水稻及其根系土的中全量微量元素硒、镉的含量进行Pearson双变量相关分析，得出以下相关性矩阵如表4。

图4 水稻籽粒镉元素含量和对应水稻根系土含镉量趋势

图5 水稻籽粒镉元素含量和对应水稻根系土含镉量线性回归

图6 水稻籽粒硒元素含量和对应水稻籽粒含镉量趋势

图7 水稻籽粒硒元素含量和对应水稻籽粒含镉量线性回归

水稻根系土中，除了土壤有机碳和土壤全量Zn元素相关性较弱，土壤有机碳和土壤pH的相关性较弱，且水稻全量硒镉元素与土壤有机碳及pH的相关性较强，与土壤CEC的相关性较弱。

表4 水稻根系土理化性质和水稻籽粒及其根系土硒镉锌含量相关系数

4 结论

恩施市新塘乡的水稻籽粒硒含量和水稻根系土的硒含量的线性正比例关系达到了显著水平(P<0.05)。水稻根系土镉含量和水稻根系土镉含量的线性正比例关系极显著(P<0.01)。水稻籽粒硒含量和水稻籽粒镉含量的线性正比例关系显著，二者在水稻籽粒里呈协同关系(P<0.05)；该地区水稻全量硒镉元素与土壤有机碳及pH的相关性较强，与土壤CEC相关性较弱。

5 讨论

恩施市有丰富的富硒土壤资源，富硒资源的开发应该坚持绿色可持续发展理念，富硒农产品和硒生态资源是发展重点[9]，恩施土壤硒镉元素在高硒土壤区协同化程度较高[10]，发展绿色低镉富硒农产品是研究重点，除了恩施的玉米和茶叶在富硒高镉土壤区表现出富硒低镉的生态特征[11]，水稻作为恩施地区重要的农产品，应该探讨利用新的方法技术解决水稻在富硒高镉土壤区硒镉元素协同吸收的问题，比如适当提高土壤pH值和土壤有机质含量，以及选育出富硒低镉水稻品种等。