硒元素在茶园土壤和茶树内的富集规律

李泽轩,冯 亮,李开元,唐晓玲,樊 爽,付盈盈,梁 霞*

(1.中国地质大学(武汉)环境学院,湖北 武汉 430078;2.贵州省地质矿产勘查开发局一○六地质大队,贵州 遵义 563000)

硒(Se)是人体必需的微量元素之一,在人体抗氧化防御中有着重要地位[1],与人体健康息息相关。硒参与人体内多个主要代谢途径,如甲状腺激素代谢、抗氧化防御系统和免疫功能代谢[2]。硒是人体谷胱甘肽过氧化物酶的重要组成部分,其具有清除自由基的能力,在人体的抗氧化防御中起着重要作用[1]。然而硒的安全阈值非常狭窄,硒缺乏和硒中毒之间的差距很小[3-4]。人体每天硒摄取量低于40 μg就会缺硒,而大于400 μg就可能造成中毒。根据世界卫生组织(WHO)和国际粮农组织(FAO)发布的报告,人体每日硒摄取量参考值为30～55 μg[1,3,5]。

硒在土壤中主要以Se(-Ⅱ)、Se(0)、Se(Ⅳ)和Se(Ⅵ)4种价态存在,Se的生物有效性与其价态密切相关。可溶于水的无机硒[Se(Ⅳ)、Se(Ⅵ)]是植物从土壤溶液中直接吸收的形式[6],单质硒以及硒化物基本不被植物直接吸收[7-8]。总体来说,我国土壤硒资源缺乏,而且分布不均。大部分地区土壤中硒含量不足,但也有陕西省安康市紫阳县、湖北省恩施州等为土壤富硒地区[9-10],硒分布的不均匀性可能造成地方病的发生。硒摄取不足会造成人体生长迟缓、损害骨骼代谢和导致甲状腺功能异常,还会导致心脑血管、眼、胃肠道、前列腺等多处疾病[11]。中国东北和俄罗斯西伯利亚东南部食品中硒含量不足,当地人遭受克山病、大骨节病等地方病的威胁[1]。但过量摄入硒也会对人体健康产生不利的影响。硒的过量摄入会增加人体罹患糖尿病的机率,导致头发和指甲脆弱、皮肤粗糙及神经紊乱。印度旁遮普省当地生产的食品中硒含量过高,每人每天硒摄取量高达750～4 990 μg,导致当地人群和动物出现硒中毒现象[1]。

植物是人体从土壤中摄入硒的重要媒介,研究植物对硒的吸收富集机制对人类健康具有重大意义。茶是世界三大饮料之一,同时茶树是富集硒能力较强的植物,能将土壤中的硒富集储存在茶树植株内[12-14]。硒在茶树不同部位的含量表现出显著差异,顾谦等[15]研究发现茶树的老叶中硒含量要显著高于新叶。但目前茶树对硒的吸收、转运和分配机制尚不明确。为此,本研究采集了贵州省遵义市正安县两处茶园的天然土壤和茶树样品,测定了样品内硒等几种元素的含量,并对土壤中各形态硒含量进行了检测,旨在探明自然条件下茶树内硒等几种重金属元素的富集规律。

1 样品采集与分析

1.1 样品采集与制备

2021年4月12日,根据当地耕地质量调查报告,并结合实际情况分别采集了贵州省遵义市正安县两处茶园共计25份土壤样品和15株茶树样品。其中,茶园1采集了13份土壤样品、9株茶树样品;茶园2采集了12份土壤样品、6株茶树样品。采样过程中使用奥维互动地图记录采样点经纬度和海拔,具体采样点信息见表1。将茶园土壤0～<20 cm深度土层的样品记为表层土样,20～40 cm深度土层的样品记为深层土样。土壤样品采样方法采用五点取样法,土壤样品取样后将每个土壤样品编号,并保存至聚乙烯自封袋中。

表1 采样点位基本信息表

土壤样品于实验室内自然风干后,剔除样品内的石块和植物根系,研钵内研磨后过200目筛,保存于聚乙烯自封袋以备后续检测。将每株茶树样品用超纯水洗净后分为嫩叶、老叶、主茎、分支茎、主根5个部分,共计得到75份植物样品。植物样品于45 ℃烘干后,使用磨粉机进行粉碎处理并用聚乙烯自封袋保存以备后续检测。

1.2 土壤理化性质检测

将一部分自然风干后的土壤样品研磨,过20目筛后进行铵态氮、硝态氮、速效磷、速效钾含量的检测,检测方法分别为靛酚蓝比色法、紫外分光光度法、钼锑抗比色法、乙酸铵-火焰光度计法。另取1.0 g风干过筛后的土壤样品置于10 mL离心管中,加入2.5 mL超纯水,振荡30 min,静置后测量上清液的pH值[16]。

1.3 土壤和植物样品中总硒含量测定

称取过筛后的土壤样品0.5 g,置于特氟龙消解管中(消解管需于45%的硝酸溶液中,70 ℃下浸泡24 h洗净后使用;土壤样品称量质量尽量准确,精确至0.001 g;样品放在消解管中时,尽量让其集中在底部,不沾到消解管的壁上)。每个土壤样品先加入5 mL硝酸,手动摇匀,并盖上盖子,升温至120 ℃保持30 min;然后打开盖子,加入2 mL高氯酸和3 mL氢氟酸,手动摇匀,盖上盖子,升温至150 ℃,保持180 min,中间手动摇匀;再后取下消解管盖子,电热板升温至190 ℃,保持120 min,进行彻底消解的同时赶酸至样品呈果冻黏稠状;最后加入1∶1王水2 mL,盖上盖子,升温至120 ℃保持10 min,用纯水定容至50 mL。

称取磨碎后的植物样品0.5 g,置于特氟龙消解管中(植物样品称量质量尽量准确,精确至0.001 g;样品放在消解管中时,尽量让其集中在底部,不沾到消解管的壁上)。植物样品先加入10 mL硝酸过夜冷消解;次日,加高氯酸2 mL电热板上190 ℃加热消解完全,继续加热至三角瓶内出现高氯酸白色烟雾,赶尽硝酸,保留高氯酸,用纯水定容至50 mL;样品定容后静置8 h后取上清液于15 mL离心管中,使用电感耦合等离子体发射光谱(ICP-OES)仪对样品消解液中总硒元素含量进行检测。

1.4 土壤中各形态硒含量检测

使用ICP-OES仪对土壤中各形态硒含量进行检测。采用连续浸提法[17]将土壤样品中的硒划分为水溶态硒(SOL-Se)、可交换态硒(EXC-Se)、酸溶态硒(FMO-Se)、有机物结合态硒(OM-Se)、残渣态硒(RES-Se)5种形态。此5种形态是“操作定义”的相态。

1) 水溶态硒:称取1.0 g土壤样品于10 mL离心管中,加入10 mL超纯水,在室温下振荡1 h,并以4 000 r/min转速离心30 min,收集上清液以备检测。

2) 可交换态硒:向上述含有残渣的离心管中加入10 mL KH2PO4- K2HPO4溶液(0.1 mol/L),在室温下振荡2 h,并以4 000 r/min转速离心30 min,收集上清液以备检测。

3) 酸溶态硒:向上述含有残渣的离心管中加入10 mL HCl(3 mol/L),90 ℃水浴加热50 min,加热过程中每10 min振荡一次,并以4 000 r/min转速离心30 min,收集上清液以备检测。

4) 有机物结合态硒:向上述含有残渣的离心管中加入10 mL K2S2O8溶液(0.1 mol/L),90 ℃水浴加热2 h,加热过程中每10 min振荡一次,并以4 000 r/min转速离心30 min,收集上清液以备检测。

5) 残渣态硒:收集4)中全部残渣,40 ℃烘干,之后在研钵中研磨,过200目筛,并进行消解,消解操作同第1.3节,收集消解后上清液待测。

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2 结果与分析

2.1 土壤pH值检测结果与分析

遵义市正安县两处茶园土壤pH值检测结果,见表2。

表2 遵义市正安县两处茶园土壤pH值检测结果

由表2可知:茶园1、茶园2两处茶园土壤均为酸性土壤,pH值范围为3.7～5.5,适宜茶树种植。其中,茶园1土壤pH值范围为3.7～5.2;茶园2土壤pH值范围为4.5～5.4。

2.2 土壤中养分含量检测结果与分析

遵义市正安县两处茶园土壤中养分含量(即营养元素含量)检测结果,如图1所示。

注:图中主体高度代表平均值,误差线代表标准差。图1 遵义市正安县两处茶园土壤中营养元素含量检测结果Fig.1 Soil nutrient content of two tea plantations in Zheng’an County,Zunyi City

由图1可以看出:

1) 茶园1土壤中铵态氮、硝态氮、速效磷、速效钾含量范围分别为8.9～58.5、1.0～20.6、11.2～212.9、48.1～242.6 mg/kg;茶园2土壤中铵态氮、硝态氮、速效磷、速效钾含量分别为12.7～19.7、0.2～2.2、6.9～12.4、34.2～117.5 mg/kg。

2) 整体看来,茶园1土壤养分含量高于茶园2,但是点位间养分含量均一性差,变动较大,且茶园1明显表现出表层土中养分含量高于深层土的特点。采样过程中通过对茶园管理人员访谈得知,茶园1处于正常生产经营中而茶园2处于无人管理状态。茶园1可能因生产过程中的施肥手段使土壤中养分得以补充,因此其土壤养分高于无人管理的茶园2。

2.3 土壤中总硒含量检测结果与分析

遵义市正安县两处茶园土壤中总硒含量检测结果,如图2所示。

图2 遵义市正安县两处茶园土壤中总硒含量检测结果Fig.2 Results of total selenium content in the tea plantation soils in Zheng’an County,Zunyi City

2.4 土壤中各形态硒含量检测结果与分析

遵义市正安县两处茶园土壤中各形态硒含量检测结果,如图3所示。

由图3可以看出:正安县两处茶园的表层土、深层土中硒均以残渣态硒为主。生物利用度最高的水溶态硒和可交换态硒被认为是生物有效态硒,仅有数个土壤样品检出生物有效态硒且比例低于20%;仅在茶园2的采样点15土壤样品中检测出酸溶态硒,其余土壤样品均未检出酸溶态硒;表层土中有机物结合态硒比例明显高于深层土,推测表层土中有机质含量比深层土更高。

2.5 土壤中各形态硒含量与土壤理化因子间相互关系

对遵义市正安县两处茶园土壤中各形态硒含量与土壤理化因子间进行Pearson相关性分析,其结果如表3所示。

表3 遵义市正安县两处茶园土壤中各形态硒含量与土壤理化因子间的Pearson相关系数

由表3可知:正安县茶园土壤中水溶态硒和可交换态硒与速效钾之间呈显著相关(p<0.05),具体表现为水溶态硒与速效钾之间呈显著正相关;土壤中可交换态硒与速效钾之间呈显著负相关。除此之外,土壤中各形态硒与土壤理化因子之间不再具有显著相关性,推测可能是土壤中硒主要以残渣态存在,其他形态含量基本为0,导致数据统计时其他形态硒个案数不足导致。

2.6 茶树内各部位元素含量检测结果与分析

使用ICP-OES仪对茶树内各部位消解液进行硒含量检测,结果如图4所示。

图4 遵义市正安县两处茶园茶树内各部位硒元素含量 检测结果Fig.4 Distribution of selenium content in various parts of the tea plants in Zheng’an County,Zunyi City

由图4可以看出:茶树内老叶中硒积累最多,明显高于茶树其他部位,老叶中硒含量为0.29～3.05 mg/kg,根部基本无积累;茶树叶片部位硒积累大于根茎部位;茶树茎叶生长时间长的部分硒积累大于生长时间短的部分。其中,茶园1有55.6%的嫩叶样品硒含量(0.2～4.0 mg/kg)处于富硒茶叶标准,可认定为富硒茶叶。

3 讨 论

茶树喜欢酸性土壤,适宜生长的土壤pH值范围为4.0～5.5[18]。本研究中88%的茶园土壤样品的pH值处于茶树适宜生长范围内,两处茶园土壤均适宜茶树种植。其中,茶园1土壤pH值比茶园2低,呈现酸化趋势。王金林等[18]研究表明长期施用氮肥等化肥会导致土壤pH值降低,因此茶园1在后续经营过程中应注意避免长期单独施用化肥,可以通过配施有机肥改善酸化趋势,保证茶树的持续生长条件。

此外,本研究发现茶树各部位老叶中硒含量最高,而根部基本无硒积累,茶叶中硒含量高于茶树的根茎部位,这与前人研究结果有区别。曹丹等[12]研究表明施加外源硒后,茶树各部位中硒含量都有明显增加,且富集规律表现为根部含量最多、茎次之、叶最少。不同种类的植物对硒的迁移富集有差别,水稻各部位中硒含量呈现根>叶>茎的特点[24]。茶树根部吸收施加的亚硒酸钠后,先在根部转化为硒化物,再沿茎向地上部位转运,根部吸收速率大于亚硒酸钠转化为硒化物的速率[12],致使根部硒含量最高。在水稻、油菜和草莓中也发现这种根部硒含量最高的结果[25-27]。本研究中两处茶园土壤中硒的主要存在形式都是稳定的残渣态硒,其生物利用度低,难以被茶树根系吸收利用。天然条件下,茶树在吸收硒之后将其转化为硒化物转运到地上部位,但由于吸收速率缓慢导致根部的硒绝大部分被转运到茶叶中,因此本研究中茶树内硒空间分布特征呈现叶>茎>根的现象。茶园1中55.6%的嫩叶样品中硒含量(0.2～4.0 mg/kg)处于富硒茶叶标准,可认定为富硒茶叶,说明茶园1具有良好的生产富硒茶叶的潜力。虽然茶园2只有一个嫩叶样品属于富硒茶叶,但是其拥有更高的土壤硒含量,且土壤理化性质更适合茶树生长,合理推测其富硒茶叶生产潜力更大,有待后续合理开发。

4 结 论

1) 贵州省正安县两处目标茶园的土壤pH值均为4.0～5.0,适宜种植茶树。其中茶园1因受施肥的影响,其土壤的养分含量比茶园2高,但同时表现出土壤酸化的趋势。因此,在后续生产经营过程中,针对茶园1应注意混施化肥和有机肥,避免土壤酸化;针对茶园2可通过施肥补充土壤内养分含量,使土壤更适宜茶树的生长。

2) 贵州省正安县两处目标茶园土壤的总硒含量整体偏低,仅部分样品检测到硒,茶园2土壤总硒含量高于茶园1。两处茶园土壤中的硒均以残渣态为主要存在形式,其生物可利用度低。

3) 贵州省正安县两处目标茶园的茶树都表现出老叶内硒含量最高的特点,说明茶树的老叶是硒富集的主要部位。茶园1有55.6%的嫩叶样品硒含量(0.2～4.0 mg/kg)处于富硒茶叶标准,证明茶园1有良好的富硒茶叶产出能力。茶园2土壤条件优于茶园1,后续更应加强生产管理,使得茶园2能生产出富硒茶叶。