施硒浓度及硒锌配施对水稻硒含量及品质的影响

匡恩俊，迟凤琴，张久明，宿庆瑞，张一雯，刘亦丹，李永顺，朱宝国，陈磊

1.黑龙江省黑土保护利用研究院，黑龙江省土壤环境与植物营养重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150086 2.东北农业大学资源与环境学院，黑龙江 哈尔滨150030 3.黑龙江省农业科学院佳木斯分院，黑龙江 佳木斯 154007 4.黑龙江省方正县农业技术推广中心，黑龙江 方正 150800

硒(selenium，Se)是一种人体生长发育必需的微量元素，具有预防癌症、提高免疫力、防止衰老等多种功效，在维持身体健康方面有着重要作用[1]。黑龙江省处在我国缺硒带的始端，70%土壤为低硒土壤[2]。通过外源补硒，可以增加稻米中的硒含量，达到膳食补硒目的[3,4]。大米作为主食其含硒量与人体的营养状况密切相关。水稻对硒具有很好的生物富集作用，可把非生物活性及毒性高的无机硒转化为安全且毒性低、生物有效性高的活性有机硒[5]，改善和弥补大米低硒水平，已经成为补充人体缺硒的主要农作物[3]。然而相对于其他主粮作物，水稻在生长季节内的大部时间是生长在水淹土壤中，由于水淹土壤中的有效锌含量常低于非水淹土壤，因此，缺锌是水稻种植中极为常见的现象[6]。随着近年深入的研究，喷施外源硒和锌后能够增加稻米硒和锌的含量[7,8]，其吸收富集硒的过程也会影响其他营养成分的消长变化，导致农产品营养品质发生变化。适量的锌、硒可通过提高某些抗氧化酶活性来增强作物的抗性和提高产量，并可改善水稻品质[9,10]。稻米常以必需氨基酸的含量和比例作为评价其营养价值的重要指标[11]。研究通过不同浓度的外源硒类喷施对稻米中的硒含量、分布及其与稻米品质的关系，可为富硒稻米生产和富硒稻谷食用安全提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地点为黑龙江省南部的五常市龙凤山镇，东北早熟单季稻稻作区，地处中纬度，土壤肥沃，光热充足，雨热同期。土壤类型为典型黑土，黑土层厚度>35cm，大陆性季风气候，该地区年平均气温3.6℃，最低气温为-38.1℃；年均降雨量为608mm，降雨期集中在6～8月份；年平均日照在2629h，无霜期在135～140d。土壤基础肥力见表1。

表1 土壤基础肥力

1.2 试验设计

水稻品种采用“稻花香2号”，于水稻齐穗期喷施不同浓度的外源硒及硒锌配施溶液。供试无机硒为亚硒酸钠(Na2SeO3，98%)，锌溶液为硫酸锌(Zn2SO4·7H2O，≥99.5%)。本研究设置7个处理：①对照(CK)；②Se1：喷施亚硒酸钠0.6g/L；③Se2：喷施亚硒酸钠1.2g/L，参照当地常规用量[3]；④Se3：喷施亚硒酸钠1.8g/L；⑤Se4：喷施亚硒酸钠2.4g/L；⑥Zn；喷硫酸锌溶液8.2g/L；⑦Se2+Zn：喷施亚硒酸钠1.2g/L和硫酸锌溶液8.2g/L。

每个小区面积55m2(10m×5.5m)，每个处理3次重复。

1.3 测定项目及方法

土壤全硒：土壤全硒的测定采用中华人民共和国环境保护标准HJ 680—2013《土壤和沉积物汞、砷、硒、铋、锑的测定微波消解/原子荧光法》中推荐的HCl-HNO3消解，氢化物发生—原子荧光光谱法测定，仪器为北京吉天AFS-933原子荧光光度计。

稻米硒含量的测定按照氢化物原子荧光光谱法[12]进行。淀粉含量测定参照酸水解法[13]，先测定还原糖，最后折算成淀粉含量。粗脂肪含量的测定参照索氏提取法[14]进行测定，蛋白质的折算系数为5.95[15]，17种氨基酸组成分析日立MLC-703 氨基酸自动分析仪测定氨基酸组成[16]。

每个小区取2m2面积的水稻进行产量测定。

1.4 数据处理

数据采用Excel 2010和SPSS 17.0进行处理，并采用Duncan新复极差法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 外源施硒对稻米硒富集的影响

由图1可知，喷施不同浓度硒处理后稻米硒的含量随着硒浓度的增加而增加，稻米硒含量增加幅度在133.3%～508.3%，Se1～Se4处理稻米硒含量分别比对照增加了133.3%、341.7%、508.3%和258.3%，但高施硒量并不能一直增加稻米硒的含量，随着喷硒浓度的继续升高，稻米硒含量降低，Se4处理比Se3降低了41.1%，高浓度的硒抑制了水稻的生长，阻碍了硒的吸收转化从而导致稻米硒含量的下降。锌硒配施(Se2+Zn)与对照相比明显增加了稻米硒的含量，增加了391.7%，比单施同浓度的硒处理(Se2)增加了11.5%，而单施锌稻米硒含量降低了32.8%。可见，锌硒之间的协同能够促进稻米硒的累积。

图1 不同处理稻米硒含量

2.2 外源施硒对水稻产量和稻米品质的影响

在水稻齐穗期通过叶面喷施硒肥，不仅提高了稻米中硒的含量，同时还有不同程度的增产效应。结果(见表2)表明，高浓度的硒及单施锌、硒锌配施等处理增加了水稻的千粒重，因抽穗期是喷施叶面肥，为颖花的生长提供了营养元素，增大了谷壳的体积；以Se2+Zn处理最高，并达到显著水平，低硒处理对千粒重无明显影响。在产量上，施硒和锌能够明显增加水稻的产量，水稻产量随着施硒浓度增加呈先增高后降低的趋势，增产幅度为3.4%～19.3%，其中以Se2处理产量高于其他硒浓度处理，除Se1处理外，其他处理均与对照达显著性差异。硒锌配合增产幅度最高，比对照高22.7%，比相同浓度的Se2处理高2.8%，这可能是硒、锌等元素的加入，促进了水稻生长。

表2 叶面喷施硒、锌肥后水稻的产量和稻米品质

叶面喷施不同浓度的硒、锌能够明显促进稻米粗蛋白和粗脂肪的含量，并随着喷施硒浓度的升高而升高，符合方程:y=-0.1921x2+0.6394x+0.0655(x为喷施硒浓度(g/L)，y为稻米硒含量(mg/kg)，R2= 0.8339)。与对照相比，稻米粗蛋白增加幅度为2.0%～24.4%，以Se4处理含量最高为24.4%(P<0.05)；粗脂肪的增加范围为121%～320%。在本试验中，施锌处理粗蛋白提升幅度较少，为2.1%～4.7%，没有显著性差异。锌硒配施与同浓度的硒肥相比，粗蛋白含量降低了10%，粗脂肪含量则无明显差异，但比对照的粗脂肪含量增加241%，比Zn处理高13.7%。各处理对稻米粗淀粉影响较低，均没有显著性差异，仅以Se2处理略高于其他处理。

2.3 外源施硒对稻米氨基酸组成的影响

水稻中必需氨基酸的含量对稻米的营养品质影响较大[17]。在本试验中，必需氨基酸中的苯丙氨酸、苏氨酸、亮氨酸都有随着Se浓度的升高而增加的趋势(见表3)，配施Zn后也略有增加的趋势。水稻叶面喷施Se处理增加了苯丙氨酸、苏氨酸、亮氨酸的含量，在非必需氨基酸中，增加了天门冬氨酸、丝氨酸、谷氨酸、丙氨酸、精氨酸的含量，且随着硒浓度的升高有增加的趋势。赖氨酸是人体必需的氨基酸之一，它能够促进人体的发育，增强免疫力以及提高中枢神经功能的作用。本研究中所有叶面喷硒处理稻米中赖氨酸都有明显的增加，增加范围5.6%～11.0%，但是单独喷施Zn以及Zn与Se配施没有增加赖氨酸的含量。

表3 不同处理稻米的氨基酸含量

各处理稻米氨基酸总量(TAA)含量在5.3～6.1g/100g幅度之间，氨基酸总量大小顺序为：Se4>Se3>Se1>Se2>Se2+Zn>Zn>CK。施用硒的处理明显增加了氨基酸总量，呈现随着施硒浓度的增加而增加的趋势。其中，Se4处理比对照增加的幅度最高为15.0%，而Zn的处理增加略低，Zn和Se2+Zn 处理仅增加了0.2%和0.6%。

各处理必需氨基酸总量(EAA)变化范围在2.0～2.2g/100g之间，随着Se浓度的升高有提升的趋势，Se2+Zn处理与同浓度的Se2处理相比，EAA相对降低了7.8%。Se浓度越高，EAA/NEAA的值越低，而添加Zn能增加其值，Zn处理比对照增加4.6%，Se2+Zn处理仅比对照增加2.3%。

2.4 水稻产量与粗蛋白、氨基酸及粗脂肪的相关性

从表4可以看出，粗蛋白与氨基酸总量、EAA之间以及氨基酸与EAA之间呈极显著相关(P<0.01)，粗脂肪和产量与所有的指标相关性未达显著水平。

表4 产量与品质指标的相关性

3 讨论与结论

近年来，通过叶面喷施硒肥对水稻、小麦、大麦等作物的补硒效果均很明显[18-20]。本研究结果表明，通过叶面喷施0.6～2.4g/L浓度的硒，稻米硒含量明显提高，增加幅度为133.3%～508.3%，1.2g/L的硒+8.2g/L的锌配施有提高稻米硒含量的趋势，比单施1.2g/L的硒增加了11.5%，锌硒之间的协同能够促进稻米硒的累积。施硒、锌能够明显增加水稻的产量，增产幅度为1.8%～22.7%，适量的硒对水稻有增产的作用。其中，Se3处理含硒量最高，随着喷硒浓度的升高而呈先升高后降低的趋势，这与迟凤琴等[3]、方勇等[21]研究结果一致。外源硒对水稻生长的影响与其价态和剂量有关，低硒能促进作物生长，高硒则造成氧化应激作用，导致植物生长受阻[22]。另外，有研究表明，水稻在施高量硒时，硒更多是积累在颖壳和米糠中[21]。所以，在需要满足人类膳食补硒的需求时，可采用低浓度的硒喷施，既能得到富硒稻米，又能节约生产成本。本试验采用无机硒在水稻齐穗期进行叶面喷施，稻米中的硒通过水稻剑叶吸收无机硒，转运至稻米中转化成有机硒[23]。叶面喷硒还可以促进水稻的生长发育，增加产量。在本试验中，水稻的产量并不是随着硒浓度升高而一直升高，而是以喷施低浓度的1.2g/L的硒增产最高，高浓度的硒对产量增加有抑制作用。

锌也是植物生长发育必需的微量元素，锌缺失对作物产量有较大的影响。施锌具有明显的增产效果[24]，在本研究中，单施锌比对照增产12.5%，而硒锌配施却增加22.7%，比同浓度的硒还提高2.8%，这与FANG等[25]和MANGUEZE等[26]结果相似。薛明月[27]研究显示硒锌配施后对小白菜的生长表现为拮抗作用，POBLACIONES等[28]发现叶面喷施硒酸钠和硫酸锌对豌豆的生物量无显著影响，而王建伟等[29]研究发现，锌硒肥配施对黄土高原马铃薯块茎硒和锌含量无明显影响，但当高浓度硒锌配施时，小白菜的生育指标均比对应的单施硒处理显著增加[30]。这可能是因为硒、锌在植物体内的积累及生理效应有一定的协同作用，锌是植物体内六大类酶所必需的辅助因子[31](包括超氧化物歧化酶)。因此，锌可以在高硒浓度下发挥着解毒作用。另外，锌硒配施效应产生不同结果也可能与试种作物类型、品种以及作物种植环境等有关。

施硒能够不同程度地改善作物品质。杨莉等[32]研究认为施硒提高了水稻的抗氧化能力，协调了抗氧化系统的动态平衡，促进对一些营养元素的吸收，增加稻米中的氨基酸和蛋白质含量。在本研究中，随着喷硒浓度的升高，稻米的粗蛋白质增加2.0%～24.4%，粗脂肪增加121%～320%，锌硒配施与同浓度的硒处理相比，粗蛋白含量降低了10%，粗脂肪和粗淀粉含量没有显著影响。硒通过植物吸收后，一般转化成硒半胱氨酸进而合成蛋白质，脂肪中不含硒。但在本研究中，硒锌配施具有增加稻米脂肪含量的作用，这与周勋波等[33]研究结果相似，可能是施入的锌肥起到了作用，其机理还有待于深入研究。研究发现稻米中氨基酸可通过改变淀粉的特性而影响到稻米淀粉的品质，如赖氨酸和谷氨酸可降低淀粉的糊化温度、谷氨酸影响淀粉的凝滞性[34]。周遗品[35]研究结果表明适量施用硒肥可以提高稻米中氨基酸和蛋白质含量，只有含硫氨基酸-(如胱氨酸和蛋氨酸)含量受硒的影响减少，其他氨基酸含量均明显增加，最高增加了32%。在本研究中，施硒处理增加了苯丙氨酸、苏氨酸、亮氨酸、赖氨酸的含量，在非必需氨基酸中，增加了天门冬氨酸、丝氨酸、谷氨酸、丙氨酸、精氨酸的含量，且随着施硒浓度的升高，有增加的趋势。在李明等[36]的研究中，基施硒肥可以提高莜麦稻米中蛋氨酸、亮氨酸以及赖氨酸等3种必需氨基酸和氨基酸总量的含量，并显著提高天门冬氨酸、谷氨酸、丝氨酸和甘氨酸等非必需氨基酸的含量，本试验的研究结果与上述结论相似。但田春丽等[37]的研究显示，在低硒与锌配合中，能显著提高紫花苜蓿的3种必需氨基酸(缬氨酸、异亮氨酸、亮氨酸)和4种非必需氨基酸含量(精氨酸、甘氨酸、丙氨酸、酪氨酸)，但高硒不利于赖氨酸含量的提高。

根据蛋白质合成所需氨基酸的比例，赖氨酸被认为是稻米蛋白质合成的第一限制性氨基酸，其次是苏氨酸、蛋氨酸[11,38]。目前认为，硒参与蛋白质的代谢，以无机硒的形态进入植物体后很快转化Se-Cys(硒代半胱氨酸)、Se-Met(硒代蛋氨酸)、Cy-Se(硒代胱氨酸)等多种氨基酸，以原料形式直接参与蛋白质的合成，从而减少了游离氨基酸中半胱氨酸、蛋氨酸的含量[39]；本试验中增加了蛋氨酸和胱氨酸的含量，其参与了蛋白质的合成。ZHAO等[40]研究显示在大豆上施硒对氨基酸无明显影响，但一定程度上降低了富硒蛋白中半胱氨酸和蛋氨酸的含量，而杨玉玲[41]的研究显示，大豆中硒代蛋氨酸(SeMet)和硒代半胱氨酸(SeCys)的含量随着硒浓度的增大而增加。可能是因为其中含有与硒吸收和代谢途径相同的硫元素，两者呈竞争关系，因此硒可能会取代含硫氨基酸残基中的硫元素并与其相结合，以SeMet和SeCys的形式存在于植物体内，导致氨基酸和蛋白质含量发生变化。