響應(yīng)面法優(yōu)化土壤有效硒浸提條件及生物有效性研究

劉淑琴　陳永波　黃光昱　熊倩　張朝陽(yáng)　陳娥　秦邦　鄒雪園

摘要：以土壤為材料，采用KH2PO4溶液提取土壤中的有效硒。以有效硒的提取量為響應(yīng)值，浸提液濃度、pH、浸提時(shí)間和液料比為自變量，建立數(shù)學(xué)模型，利用響應(yīng)面法獲得土壤有效硒的最佳提取條件。結(jié)果表明，土壤有效硒的最佳提取條件為浸提液濃度0.5 mol/L，pH 9.9，浸提時(shí)間72 min，液料比27∶1，在此優(yōu)化條件下有效硒提取量為0.56 mg/kg，與響應(yīng)面分析預(yù)測(cè)值0.53 mg/kg基本相符。作物盆栽試驗(yàn)也表明，土壤有效硒的KH2PO4溶液浸提法可以作為評(píng)價(jià)土壤對(duì)作物有效態(tài)硒的指標(biāo)。

關(guān)鍵詞：土壤;有效硒;生物有效性;響應(yīng)面法

中圖分類號(hào)：S151.9+3? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：0439-8114（2019）15-0107-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.15.025? ? ? ? ? ?開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Optimization of soil available selenium extraction conditions and

bioavailability by response surface methodology

LIU Shu-qin，CHEN Yong-bo，HUANG Guang-yu，XIONG Qian，

ZHANG Chao-yang，CHEN E，QIN Bang，ZOU Xue-yuan

（Enshi Tujia and Miao Autonomous Prefecture Academy of Agricultural Sciences，Enshi 445000，Hubei，China）

Abstract： Using soil as material， KH2PO4 solution was used to extract available selenium from soil. Taking the available selenium extraction amount as the response value， the extract concentration， pH value， extraction time and liquid sample ratio were independent variables， and the mathematical model was established. The optimal extraction conditions of soil available selenium were obtained by response surface methodology. The results showed that the optimal extraction conditions for soil available selenium were： extract concentration 0.5 mol/L， pH 9.9， extraction time 72 min， liquid sample ratio 27∶1， and the available selenium extraction amount was 0.56 mg/kg under the optimized conditions， which is basically consistent with the response surface analysis predicted value of 0.53 mg/kg. The crop pot experiment showed that the KH2PO4 solution extraction method for soil available selenium can be used as an index to evaluate the soil available for crop selenium.

Key words： soil; available selenium; response surface

硒是人體必需的微量元素，對(duì)人類的身體健康具有重要意義，富硒土壤是植物中硒的主要來(lái)源之一。硒在土壤中存在的形態(tài)有水溶態(tài)、可交換態(tài)、礦質(zhì)結(jié)合態(tài)、有機(jī)結(jié)合態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)，其各種硒形態(tài)的總和稱為總硒，其中能直接被作物吸收利用的稱為生物有效硒[1-3]。大量的研究報(bào)道表明，作物含硒量與土壤總硒沒(méi)有顯著的相關(guān)性，而與土壤有效硒相關(guān)性顯著[4-9]。關(guān)于土壤有效硒的研究目前尚沒(méi)有統(tǒng)一的測(cè)定方法，常用連續(xù)浸提或單一浸提的化學(xué)法，提取劑有水、CaCl2、NaHCO3、K2SO4、KH2PO4和磷酸鹽緩沖液等[10-15]，對(duì)不同類型的土壤有效硒浸提雖沒(méi)有形成共識(shí)，但一般采用NaHCO3溶液和KH2PO4溶液浸提，溫國(guó)燦等[14]在酸性土壤有效硒優(yōu)化的研究中提出了HCO3-和H2PO4-對(duì)土壤硒的提取機(jī)理，HCO3-主要是使與硒結(jié)合的鐵和鋁水解而釋放出硒，水解性高，提取的硒量也越高，因此提取的硒量未必能很好的反映作物對(duì)土壤硒的吸收量，而H2PO4-是通過(guò)陰離子交換作用將被吸附在土壤固相表面的硒取代出來(lái)，交換所取代的硒在一般土壤條件下也較容易釋放出來(lái)，更能代表土壤硒的有效性。因此，本研究采用KH2PO4溶液提取土壤中的有效硒，利用響應(yīng)面分析法對(duì)提取條件進(jìn)行優(yōu)化，并進(jìn)行了盆栽試驗(yàn)，旨在為土壤有效硒的提取提供理論參考和技術(shù)依據(jù)。

1? 材料與方法

1.1? 材料

土壤采于湖北省恩施州雙河鎮(zhèn)，土壤類型為壤土，土壤經(jīng)自然風(fēng)干后捶碎過(guò)60目篩裝于密封袋中，備用。

1.2? 儀器

MDS-15型微波消解儀，SINEO新儀;AFS-930D型原子熒光光度計(jì)，北京吉天儀器公司。

1.3? 試劑

磷酸二氫鉀，分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;硝酸，優(yōu)級(jí)純，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司;鹽酸，優(yōu)級(jí)純，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司;過(guò)氧化氫，分析純，天津恒興化學(xué)試劑制造有限公司;硒標(biāo)準(zhǔn)溶液，核工業(yè)北京化學(xué)冶金研究院;硼氫化鉀，分析純，山東西亞化學(xué)工業(yè)有限公司。

1.4? 方法

1.4.1? 土壤有效硒的測(cè)定? 稱取土壤樣品0.25～1.00 g于離心管中，準(zhǔn)確加入0.1～0.8 mol/L的KH2PO4浸提液（pH 4～10）10 mL，在恒溫振蕩器1 500 r/min、30 ℃振蕩30～120 min，3 000 r/min離心15 min，取上清液5 mL于微波消解罐中，加入HNO3 7 mL、H2O2 1 mL進(jìn)行消解，樣品消解完畢后，取下消解罐，在電熱板上加熱至近干，冷卻后加入5 mL 6 mol/L鹽酸，繼續(xù)加熱至溶液清亮無(wú)色并伴有白煙出現(xiàn)，冷卻，轉(zhuǎn)移至10 mL容量瓶中，加入鐵氰化鉀溶液1 mL，用5%鹽酸溶液定容，用氫化物-原子熒光光譜法測(cè)定硒含量。

1.4.2? 土壤有效硒的提取響應(yīng)面試驗(yàn)? 采用響應(yīng)面曲面中心組合試驗(yàn)軟件設(shè)計(jì)方案進(jìn)行中心組合試驗(yàn)，因素與水平見(jiàn)表1。

1.4.3? 盆栽試驗(yàn)? 供試土壤采自湖北省恩施州天池山，盆栽作物為韭菜，設(shè)4個(gè)處理，每個(gè)處理分別加入亞硒酸鈉0、0.5、1.0、2.0 mg/kg和硒酸鈉0、0.5、1.0、2.0 mg/kg，重復(fù)3次，每盆施肥量相等。30 d后采集地上部分，并測(cè)定其干態(tài)全硒含量（參照GB 5009.93-2017法測(cè)定），同時(shí)采集盆中土壤，風(fēng)干后過(guò)60目篩以測(cè)定有效態(tài)硒。

2? 結(jié)果與分析

2.1? 響應(yīng)面試驗(yàn)有效硒的提取結(jié)果

中心組合響應(yīng)面試驗(yàn)有效硒提取結(jié)果見(jiàn)表2。運(yùn)用Design-expert 8.05b軟件采用Box-Behnken Design（BBD）設(shè)計(jì)對(duì)表2中數(shù)據(jù)進(jìn)行響應(yīng)面分析，通過(guò)多元回歸擬合分析得到模型并進(jìn)行方差分析，得到土壤中有效硒的優(yōu)化數(shù)學(xué)回歸方程為：R=0.49+0.033A+0.056B+0.028C+0.050D-0.005AB+0.012AC-0.005AD-0.029BC-0.021BD+0.017CD-0.019A2+0.007B2-0.027C2-0.027D2。

對(duì)模型進(jìn)行F檢驗(yàn)和方差分析，結(jié)果見(jiàn)表3。由表3方程一次項(xiàng)系數(shù)得出，影響土壤有效硒提取率因素的順序?yàn)椋簆H>液料比>浸提液濃度>浸提時(shí)間。表3方差結(jié)果分析顯示，回歸方程的F值為7.09，P>F項(xiàng)的值小于0.01，說(shuō)明該模型極顯著，其中A、B、D對(duì)整個(gè)試驗(yàn)影響極顯著，C小于0.05，影響顯著。經(jīng)過(guò)響應(yīng)面分析及回歸模型預(yù)測(cè)，得到土壤有效硒的最佳提取條件為：浸提液濃度0.52 mol/L，pH 9.94，浸提時(shí)間72.21 min，液料比27.44∶1，結(jié)合實(shí)際操作最終確定為：浸提液濃度0.5 mol/L，pH 9.9，浸提時(shí)間72 min，液料比27∶1，有效硒浸提量實(shí)際值為0.56 mg/kg，預(yù)期值為0.53 mg/kg，說(shuō)明該模型可以很好地預(yù)測(cè)土壤有效硒的提取量。

2.2? 不同因素間的響應(yīng)面分析

模型中各因素間的交互作用如圖1至圖6所示，響應(yīng)面越陡，表明兩因素間的交互作用越顯著，AC、AD、CD 3個(gè)曲面的拋物面均開口向下，表明浸提液濃度、浸提時(shí)間和液料比具有極大值點(diǎn)，AB、BC和BD曲面向上，表明浸提液pH還沒(méi)有達(dá)到最大值。

2.3? 盆栽試驗(yàn)結(jié)果分析

4個(gè)處理的盆栽韭菜的含硒量分別為0.67、1.92、3.10、5.01 mg/kg，對(duì)應(yīng)的土壤有效硒分別為0.90、1.17、1.65、1.77 mg/kg，其韭菜含硒量與土壤有效硒含量的相關(guān)性見(jiàn)圖7，以土壤有效硒為自變量x，植物干態(tài)硒含量作為因變量y進(jìn)行一元線性回歸分析，線性回歸方程為：y=4.298 9x-3.225 3

韭菜含硒量與土壤有效硒含量的相關(guān)系數(shù)R2為0.902 6，相關(guān)性較好，達(dá)到了顯著水平，因此用磷酸二氫鉀提取的硒能反映植物從土壤吸收硒的情況，可以作為土壤有效硒的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

3? 小結(jié)

通過(guò)響應(yīng)面法優(yōu)選出了土壤有效硒的最佳提取條件，結(jié)果表明，土壤有效硒的最佳提取條件為浸提液濃度0.5 mol/L，pH 9.9，浸提時(shí)間為72 min，液料比為27∶1，在此優(yōu)化條件下有效硒提取量為0.56 mg/kg，與響應(yīng)面分析預(yù)測(cè)值0.53 mg/kg基本相符。韭菜盆栽試驗(yàn)也表明，韭菜中的含硒量與土壤有效硒的含量的相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.902 6，由此可以得出，土壤有效硒的KH2PO4溶液浸提法可以作為評(píng)價(jià)土壤有效態(tài)硒的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 侯軍寧，李繼云.土壤硒的形態(tài)及有效硒的提取[J].土壤學(xué)報(bào)，1990，27（4）：405-410.

[2] 魏顯有，劉云惠，王秀敏，等.土壤中硒的形態(tài)分布及有效態(tài)研究[J].河北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，22（1）：20-23.

[3] 吉清妹，潘孝忠，張冬明，等.海南農(nóng)田土壤有效硒含量與分級(jí)及其影響因素[J].廣東農(nóng)業(yè)科學(xué)，2016（3）：88-91.

[4] 瞿建國(guó)，徐伯興，龔書椿.上海不同地區(qū)土壤中硒的形態(tài)分布及其有效性研究[J].土壤學(xué)報(bào)，1998，35（3）：398-403.

[5] 朱建民，毛大均.漁塘壩微地域中玉米硒的分布及其與土壤硒的關(guān)系[J].環(huán)境科學(xué)，1999，28（4）：38-41.

[6] 王兆雙.土壤有效硒提取方法比較及其生物有效性研究[D].武漢：華中農(nóng)業(yè)大學(xué)，2014.

[7] 趙成義.土壤硒的生物有效性研究[J].中國(guó)環(huán)境科學(xué)，2004，24（2）：184-187.

[8] 王松山.土壤中硒的形態(tài)和價(jià)態(tài)及生物有效性研究[D].陜西楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2012.

[9] 安夢(mèng)魚.富硒土壤硒形態(tài)轉(zhuǎn)化的主要影響因子及對(duì)作物吸收的研究[D].福州：福建農(nóng)林大學(xué)，2017.

[10] 吳少尉，池? 泉，陳文武，等.土壤中硒的形態(tài)連續(xù)浸提方法的研究[J].土壤，2004，36（1）：92-95.

[11] 朱? 英，王? 锝，熊玉祥.土壤中有效硒的提取和測(cè)定方法[J].資源環(huán)境與工程，2009，23（6）：859-862.

[12] 耿建梅，王文斌，羅? 丹，等.不同浸提劑對(duì)海南稻田土壤有效硒浸提效果比較[J].土壤，2010，42（4）：624-629.

[13] 李輝勇，劉? 鵬，劉軍鴿，等.酸性水稻土有效硒提取劑的比較研究[J].生態(tài)環(huán)境，2003，12（1）：12-14.

[14] 溫國(guó)燦，黃? 艷，郭永玲，等.酸性土壤有效硒提取條件優(yōu)化的研究[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2007，26（5）：1996-2000.

[15] 吳雄平，鮑俊丹，伊? 田，等.石灰性土壤有效硒浸提劑和浸提條件研究[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2009，28（5）：931-936.