硒在不同品种甘薯茎块中的累积特征及其与重金属互作的规律研究

张 川

（龙岩市农业科学研究所，福建 龙岩 364000）

0 引言

硒（Se）是人类和动物必需的微量元素，是含硒酶和硒蛋白的活性中心。硒在生物体的能量代谢和基因表达中起重要作用，具有抗氧化作用、调节免疫系统以及拮抗作用等重要的生物学功能［1-2］。人体在硒摄入不足时会患克山病和白肌病，但摄入过量也会对身体健康造成影响，如头发和指甲脱落、皮肤损伤、神经系统紊乱、瘫痪，甚至死亡［3-4］。据报道，我国39%~61%的居民每日膳食硒摄入量低于WHO/FAO推荐的硒营养摄入量［5］。食物中的硒含量、食物消耗量和饮食结构共同决定了人体每日硒的摄入量。甘薯营养丰富，其富含膳食纤维，深受人们的青睐，近年来甘薯消费量也呈逐年增长趋势，因此，适当提高甘薯中的硒含量有利于人体膳食硒的摄入。

植物对土壤中硒的吸收会受到各方面因素的影响。首先，植物的硒含量与土壤有效态硒含量呈正相关关系［5］。陈金等［6］研究表明，当硒供应充分时容易向地上部迁移和向籽粒富集，在硒供应不足时，硒向植物生殖器官的转移和累积会受到抑制。另外，土壤有效态硒的含量还会受土壤理化性质的影响，土壤中的铁锰氧化物、有机质、黏土矿物等对硒具有一定的吸附作用［7-11］。不同形态硒的生物有效性也不相同，亚硒酸盐和硒酸盐最常用于农业中的富硒生产［12］，其中，硒酸盐在土壤溶液中的水溶性更高，因此，其生物有效性也高于亚硒酸盐［13-14］。其次，植物体内硒累积量也与植物品种有关［15］。牛笑菲［16］对20个不同品种大豆的富硒能力进行了研究，发现不同品种大豆籽粒Se含量范围为0.031~0.063 mg/kg，硒高累积大豆品种的Se含量是低累积品种的2倍。姚海坡等［17］研究发现，同一地点生产的优质强筋小麦籽粒的硒含量低于中筋小麦。此外，植物对硒的吸收与土壤中其他离子之间存在拮抗或协同关系，闫加启等［18］研究发现，施硒不仅能够提高甘薯块茎中Se的含量，同时还能显著增加N和P的含量，但B的含量会有所下降。

目前，关于甘薯中硒的研究大多集中于外源施加硒肥对甘薯品质的影响，如施加硒肥能显著提高甘薯可溶性蛋白含量，增加甘薯产量［18-19］。而关于不同甘薯品种硒富集能力的差异及其影响因素的研究还较少。福建省闽西地区拥有丰富的富硒土壤资源，甘薯也是该地区的主要粮食作物之一，但该地区甘薯的硒含量及其影响因素尚未明确。因此，本研究以福建闽西地区某流域为研究区域，对该流域内的土壤和不同品种甘薯的硒含量进行调查，分析影响甘薯硒累积的土壤环境因素，以期为富硒地区甘薯种植品种的选择提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于福建省闽西地区，属亚热带季风气候，年平均气温为13.8～19.5 ℃，年平均日照时数为1761 h，年平均降水量为1734 mm。研究区的地质构造复杂，矿产资源类型丰富，其中煤、稀土、锰、铅锌、膨润土、石灰石等储量较大。甘薯为当地特色农产品之一。

1.2 采样方法与样品处理

选择有代表性的田块进行采样，采集4个品种的甘薯样品（块茎）及其块茎下方土壤样品，土壤样品采样深度为0~20 cm，每个品种的样品数为15个，总共60个样品，所选取的品种为该地区种植面积较广的品种，分别为福宁紫3号、金山57、金山630和龙薯15。采样过程中，在每个采样小区至少采集3~5个样品组成1个混合样品。先使用自来水对甘薯样品进行冲洗，然后再使用去离子水进行清洗，去皮后于105 ℃条件下杀青30 min，之后在70 ℃下烘干至恒重，并记录样品的鲜重和干重，并将所有样品研磨过100目尼龙筛备用。土壤样品风干研磨后过2和0.149 mm的尼龙筛备用。

1.3 样品测定

使用pH计测定土壤样品的pH值；采用元素分析仪Vario MAX Cube测定土壤有机质、土壤全氮、土壤全硫含量；采用连二亚硫酸钠－柠檬酸钠－碳酸氢钠（DCB）提取法提取样品中的游离氧化铁，并使用原子吸收分光光度计（AAS）进行测定。

土壤样品中硒和汞的含量分别参照标准NY/T 1104—2006、DZ/T 0279.13—2016进行测定；土壤样品中镉、铬、铅和砷4种元素的含量参照标准GB/T 17141—1997进行测定；植物样品中的硒含量参照标准GB 5009.93—2017进行测定；植物样品中汞的含量参照标准GB 5009.17—2014进行测定；植物样品中镉、铬、铅和砷的含量分别参照标准GB 5009.15—2014、GB 5009.123—2014、GB 5009.12—2017、GB 5009.11—2014进行测定。每批样品均分别设置空白样品和标准物质（GBW-07402、GBW-10023）与样品进行同步分析，为保证分析结果准确，回收率设定在95%~105%之间。

1.4 数据处理与分析

应用SPSS 19.00软件进行数据分析，利用Sigmaplot 12.5软件制图，各处理间的比较均采用单因素方差分析（One-way ANOVA），使用转移系数（transfer factor，TF）分析甘薯对硒和重金属（镉、铅、铬、砷）的富集能力，计算公式为：

式中，Csoil为土壤中硒或重金属的含量，C*为农作物可食用部分中硒或重金属的含量。

本文基于健康效应将土壤的全硒含量分为5个等级［20］，具体标准为：硒含量≤0.125 mg/kg为缺硒；0.125 mg/kg＜硒含量≤0.175 mg/kg为潜在缺硒；0.175 mg/kg＜硒含量≤0.400 mg/kg为潜在缺硒；0.400 mg/kg＜硒含量≤3.000 mg/kg为富硒；硒含量＞3.000 mg/kg为硒中毒。

2 结果与分析

2.1 土壤理化性质

研究区土壤的pH值在4.22~6.02范围内，平均值为4.81，总体呈酸性；土壤的有机质、氮、硫和游离Fe2O3含量的平均值分别为40.50、0.22、0.66和14.0 g/kg。由此可见，研究区土壤的有机质含量丰富，但土壤氮含量偏低。

2.2 硒在土壤—甘薯系统中的转移特征

由表1可知，土壤全硒含量平均值为0.21 mg/kg，变幅在0.09~0.50 mg/kg之间；基于健康效应的土壤全硒含量分级标准，其中有5个点位处于缺硒水平，占8.33%；有20个点位处于潜在缺硒水平，占33.33%；有33个点位处于足硒水平，占55.00%；有2个点位达到了富硒水平，占3.33%。甘薯硒含量的平均值为1.68 μg/kg，但不同品种甘薯中硒含量存在差异（表2），不同品种甘薯硒含量的平均值由高到低依次为：龙薯15＞金山630＞金山57＞福宁紫3号。由于目前还未统一富硒甘薯平均硒含量的标准，因此，采用福建省地方标准《富硒农产品硒含量分类要求》（DB 35/T 1730—2017）对甘薯硒含量进行评价（薯类作物硒含量在0.02~0.50 mg/kg之间），各点位甘薯硒含量均低于富硒标准。甘薯品种中硒含量最低的为福宁紫3号，含量最高的品种为龙薯15，龙薯15的硒含量是福宁紫3号的2.90倍，说明合理进行甘薯品种的选育有利于提高甘薯的硒含量。

表1 土壤和甘薯中硒含量的描述性统计

表2 不同品种甘薯中硒含量及其富集特征

不同品种甘薯硒富集能力存在差异，各品种甘薯的迁移系数在0.00106~0.02793之间，平均迁移系数为0.00824。不同品种甘薯对硒的迁移系数由高到低依次为：龙薯15＞金山630＞金山57＞福宁紫3号。在4个甘薯品种中，龙薯15和金山630对硒富集能力较强，而金山57和福宁紫3号对硒富集能力较弱。不同品种甘薯对硒富集能力的差异可能与其自身的遗传特性有关。

2.3 甘薯中重金属的富集特征及风险

研究区域土壤和甘薯中的重金属含量如表3所示。由于甘薯中汞含量极低，大部分样品结果为未检出，因此，未对甘薯中的汞元素进行统计分析。由表3可知，甘薯中镉的平均含量为0.016 mg/kg，不同品种甘薯中镉含量由高到低依次为：福宁紫3号＞金山57＞金山630＞龙薯15；甘薯中铅的平均含量为0.113 mg/kg，不同品种甘薯中铅含量由高到低依次为：福宁紫3号＞金山57＞金山630＞龙薯15；甘薯中铬的平均含量为0.029 mg/kg，不同品种甘薯中铬含量由高到低依次为：福宁紫3号＞龙薯15＞金山630＞金山57；甘薯中砷的平均含量为0.017 mg/kg，不同品种甘薯中砷含量由高到低依次为：龙薯15＞金山630＞金山57＞福宁紫3号。

表3 土壤和甘薯中重金属含量及其富集特征

甘薯对不同重元素的富集能力差别很大，对4种重金属的平均富集能力表现为：镉＞砷＞铅＞铬。但是限于土壤中镉的本底值较低，甘薯中镉的浓度并未达到污染水平。此外，研究中15%的甘薯超过了《食品安全国家标准 食品中污染物限量》（GB 2762—2017）中铅的限定值，且77.78%的超标甘薯样品为福宁紫3号，因此在农作物生产中要同时注意对铅污染的预防和对低富集农作物品种的选育，降低农作物的重金属风险。本研究中，4个甘薯品种仅龙薯15不存在重金属污染，且龙薯15的富硒能力优于其他3个甘薯品种。

2.4 甘薯硒累积的影响因素

2.4.1 土壤理化性质及土壤全硒含量对甘薯硒累积的影响 由图1可知，甘薯硒含量与土壤全硒含量呈极显著正相关关系（r=0.4709），甘薯硒含量与土壤pH值、土壤有机质含量均呈极显著正相关关系，而甘薯硒含量与土壤全氮、全硫和游离氧化铁含量的相关性不显著。由此可见，土壤中的硒含量是甘薯硒富集的主要来源，土壤pH值和土壤有机质含量对甘薯的富硒能力具有显著的影响。

图1 甘薯硒含量与土壤性质、土壤全硒含量之间的相关性

2.4.2 甘薯硒含量与其吸收重金属之间的相关性 由图2可知，甘薯硒含量和甘薯铅、砷含量分别呈极显著负相关和极显著正相关，而甘薯硒含量与甘薯镉、铬含量之间的相关性不显著。这说明甘薯对硒和铅的吸收表现为拮抗作用，而甘薯对硒和砷的吸收表现为协同关系。本研究甘薯中的汞含量过低，故未列入分析。

图2 甘薯硒含量与重金属含量的相关性

3 讨论

本研究流域内甘薯硒的平均含量为1.68 μg/kg，甘薯的硒含量受到各方面因素的影响。首先，不同品种甘薯对硒的富集能力不同。本研究中龙薯15和金山630块茎中硒含量相对较高，且对硒的富集能力显著大于福宁紫3号和金山57。廖青等［21］对自然状态下10个甘薯品种进行富硒研究，结果发现不同甘薯品种的硒含量存在显著差异，硒含量最高的品种为桂粉2号，其含量为福薯604的4倍。另外，钱秋平等［22-23］的研究结论与本研究的研究结果基本一致。

土壤硒含量直接影响甘薯硒的来源，本研究中甘薯硒含量与土壤全硒含量呈显著正相关。这与前人的研究结果相似，富硒农作物产生的秸秆硒含量也较高，将这一部分秸秆进行还田，不仅可以减少化肥的使用量，还可以为土壤提供安全的外源硒［24］。李圣男等［25］通过向土壤添加富硒的奶牛粪便和富硒秸秆进行玉米富硒生产，取得了良好的效果，且玉米硒含量与添加的富硒有机肥的量呈正相关关系。此外，甘薯的硒含量也受土壤理化性质的影响。本研究中甘薯硒含量与土壤pH值呈极显著正相关。前人研究表明，酸性和中性土壤中的硒主要以亚硒酸盐形式存在，当土壤环境变化为碱性时，土壤中的亚硒酸盐也转化为硒酸盐，而土壤对亚硒酸盐的吸附能力强于硒酸盐［26］，随着土壤pH值的升高，土壤中被固定的硒重新释放出来，同时一些结合态的硒也出现活化的现象［27］，从而提高了土壤有效态的硒含量。本研究中甘薯硒含量与土壤有机质含量呈现极显著正相关关系。前人的研究表明，硒、有机质和矿物质（如铁铝氧化物）可以相互作用形成三元复合物［28］，增加土壤对硒的固定。另外，有机质的团聚作用有助于土壤产生缺氧区域，有助于降低硒的迁移性，从而将硒固定在土壤中［29］。

本研究发现甘薯硒含量与甘薯铅含量呈极显著负相关关系。可见，农作物吸收硒和铅的过程中，硒与铅表现为拮抗行为，土壤中的硒可以缓解农作物铅毒害。多项研究表明，土壤中一定含量的硒可以显著降低铅胁迫下农作物中超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）和过氧化氢酶（CAT）的活性，并可降低成熟期农作物各器官中的铅含量［30-31］。秦成等［31］研究表明，土壤中一定浓度的硒（1.0~2.5 mg/kg）可以降低铅污染对荞麦的毒害水平。刘燕等［32］对油菜进行种子萌发实验时发现，低浓度硒可通过减轻铅对油菜叶绿素的胁迫作用从而降低铅毒害的影响［32］。此外，甘薯硒含量与块茎砷含量呈显著正相关。研究表明农作物在受到砷胁迫时会影响植物的磷酸盐转运蛋白的表达［33］，而磷酸盐转运蛋白为植物吸收四价硒的重要途径［34-35］。

综上，该研究流域甘薯硒含量受甘薯品种、土壤硒含量、土壤pH值和土壤有机质含量的共同影响，且甘薯吸收硒的过程分别与吸收铅、砷的过程存在拮抗、协同作用。

4 结论

研究流域种植甘薯的土壤硒含量平均值为0.21 mg/kg，供试的4种甘薯茎块硒含量的平均值依次为：龙薯15＞金山630＞金山57＞福宁紫3号。甘薯对重金属的平均富集能力表现为：镉＞砷＞铅＞铬，供试的4个甘薯品种中仅龙薯15不存在重金属污染，且龙薯15的富硒能力优于其他3个甘薯品种。甘薯硒含量与土壤全硒含量、pH值和有机质含量均呈极显著正相关关系，而与甘薯铅、砷含量分别呈极显著负相关和显著正相关关系。