關(guān)中不同類型土壤硒含量特征及其對玉米籽粒硒含量的影響

姬華偉，任蕊，陳繼平，張繼軍，李傲瑞，馮偉華

(陜西省地質(zhì)調(diào)查院，陜西省水工環(huán)地質(zhì)調(diào)查中心，陜西 西安 710068)

Se是生態(tài)環(huán)境中十分重要的微量元素，同時(shí)，作為人體和動(dòng)物所必需的一種微量元素，具有廣泛的生物學(xué)功能，尤其表現(xiàn)在提高機(jī)體免疫力、預(yù)防心血管疾病、克山病及大骨節(jié)病、抗癌、抗氧化以及抗衰老等方面(Rayman，2000；彭耀湘等，2007)。作為人體或動(dòng)植物體內(nèi)硒的最終來源，土壤中硒的分布、賦存狀態(tài)以及與農(nóng)作物中硒的遷移轉(zhuǎn)化關(guān)系等一直是關(guān)注的熱點(diǎn)(周小娟等，2016；趙燕等，2021)。陜西關(guān)中地區(qū)是中國重要的商品糧產(chǎn)區(qū)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)歷史悠久，農(nóng)特產(chǎn)資源極為豐富。任蕊等(2016)通過研究關(guān)中三原—閻良地區(qū)土壤及農(nóng)作物Se含量特征發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域具有發(fā)展“天然、綠色、安全”的富Se農(nóng)作物得天獨(dú)厚的優(yōu)勢。同時(shí)，任蕊等(2018)采用陜西省多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查深、表層土壤數(shù)據(jù)，系統(tǒng)研究了關(guān)中地區(qū)土壤中硒的分布特征及其影響因素，發(fā)現(xiàn)關(guān)中地區(qū)表層土壤硒含量為0.034×10-6～2.628×10-6，平均含量為0.174×10-6，富硒土壤(Se ≥ 0.2×10-6)為8 245.12 km2，其中褐土、新積土、潮土和水稻土具有開發(fā)富硒產(chǎn)品的潛力。在土壤-植物-人和動(dòng)物生態(tài)系統(tǒng)中，土壤是硒的基本來源，區(qū)域土壤硒含量對于農(nóng)產(chǎn)品硒水平及生物健康有重要意義。因此，關(guān)中地區(qū)具有開發(fā)天然富硒農(nóng)產(chǎn)品的價(jià)值，在關(guān)中開展土壤硒含量特征及其對作物硒含量的影響研究，對于提高人民健康水平和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義。此外，任蕊等(2018)研究發(fā)現(xiàn)土壤類型是影響關(guān)中地區(qū)土壤硒含量的主要因素，不同類型土壤中有機(jī)質(zhì)對硒具有明顯的富集作用，pH值對硒的約束存在顯著差異。陳繼平等(2020)研究了關(guān)中塿土地區(qū)土壤pH對土壤硒形態(tài)及有效性的影響，發(fā)現(xiàn)關(guān)中塿土pH對Se的含量影響不顯著，并且發(fā)現(xiàn)偏堿性土壤條件下硒的生物有效性較高。但是，有關(guān)關(guān)中地區(qū)土壤理化性質(zhì)與硒及硒形態(tài)含量關(guān)系的研究以及土壤硒含量變異對作物硒含量特征影響的研究較少。因此，開展這方面的研究將為陜西省硒資源的開發(fā)利用、種植結(jié)構(gòu)調(diào)整提供科學(xué)依據(jù)。筆者以陜西關(guān)中不同類型土壤(潮土、風(fēng)沙土、褐土、黑壚土、紅土、新積土)及其上生長的玉米為研究對象，分別采集74個(gè)玉米樣品和74個(gè)根系土壤樣品，分析了不同類型土壤硒全量及7種形態(tài)硒含量，以及生長在不同類型土壤的玉米籽粒硒含量，探討了土壤硒含量變異與土壤理化性質(zhì)的關(guān)系以及其對農(nóng)作物硒含量特征的影響，以期加深認(rèn)識(shí)關(guān)中地區(qū)土壤理化性質(zhì)，及其與硒有效性關(guān)系，并為調(diào)節(jié)土壤硒水平、改良植物硒營養(yǎng)狀況提供理論依據(jù)。

1 自然地理與地質(zhì)背景

陜西關(guān)中地區(qū)是中國重要的商品糧產(chǎn)區(qū)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)歷史悠久，農(nóng)特產(chǎn)資源極為豐富，西起隴縣，東至黃河，北部以甘肅省為界，南部為秦嶺山脈的北緣，行政區(qū)劃涉及西安市、咸陽市、寶雞市、銅川市和渭南市，地理坐標(biāo)為東經(jīng)：106°34′～110°35′，北緯：34°00′～35°50′，總面積為39 500 km2。該地區(qū)受大陸季風(fēng)氣候影響，四季分明，日照充足。年平均氣溫為12～13 ℃，年平均降水量為550～750 mm。該研究區(qū)土壤類型多樣，包括12個(gè)土類，以褐土和黃綿土為主，另有新積土、黑壚土、粗骨土、潮土、紅土、風(fēng)沙土、水稻土、沼澤土、棕壤、石質(zhì)土。其中，褐土面積為14 980.25 km2，占全區(qū)總面積的37.94%，且保水保肥能力好，土壤礦物質(zhì)豐富，是適宜農(nóng)業(yè)發(fā)展的優(yōu)質(zhì)土類。研究區(qū)出露地層從太古界—新生界均有分布，前新生界及花崗巖構(gòu)成了盆地基底并出露于盆地邊緣，巨厚的新生界形成了遼闊的渭河盆地，構(gòu)造單元?jiǎng)澐忠妶D1。同時(shí)該研究區(qū)集中分布于關(guān)中盆地，關(guān)中盆地自新生代以來，堆積了巨厚的松散堆積體，蘊(yùn)藏著較為豐富的地下水資源。

Ⅰ.塔里木-華北陸塊; Ⅰ1.華北地塊; .鄂爾多斯地體; .陜北上疊盆地; .北山斷隆; .六盤山斷陷盆地; .渭河裂陷盆地; .華北地塊南緣逆沖帶; .太華隆起; .洛南逆沖巖片; .寬坪弧推覆巖片; .二郎坪推覆巖片; .秦嶺雜巖推覆巖片; Ⅱ.秦祁昆造山系; Ⅱ1.祁連造山帶; .隴山構(gòu)造巖片; Ⅱ2.秦嶺造山帶; .商丹蛇綠混雜帶; .劉嶺增生楔; .南秦嶺北部晚古生代地體; .小磨嶺巖片; .太白-鎮(zhèn)安逆沖推覆巖片圖1 關(guān)中地區(qū)構(gòu)造單元?jiǎng)澐謭DFig.1 The division of tectonic units in Guanzhong, Shaanxi

2 樣品采集與分析

2.1 植物樣及根系土樣品采集

采集玉米及其根系土樣品時(shí)，采樣原則遵從在不同類型土壤中采樣，包括褐土、黃綿土、新積土、黑壚土、風(fēng)沙土等，樣品具有代表性，采樣時(shí)避開株體過大過小、遭受病蟲害或機(jī)械損傷以及田邊路旁的植株。在研究區(qū)采集的玉米籽實(shí)樣品重量大于500 g，同時(shí)與農(nóng)作物樣品采集相配套，采集相同點(diǎn)位的玉米根系土，樣品重量為1 kg。共采集玉米樣品74件，對應(yīng)根系土樣品74件(圖2)。

2.2 樣品加工與分析

根系土壤樣品經(jīng)自然風(fēng)干，用木棒壓碎團(tuán)塊，過20目尼龍篩后，提取500 g分析樣，土壤元素及理化性質(zhì)分析指標(biāo)為Se、pH、有機(jī)質(zhì)、陽離子交換量(CEC)、碳酸鹽(CO2計(jì))、物理性黏粒(<0.02 mm)；分析方法分別為原子熒光光譜法(AFS)、pH計(jì)電極法(ISE)、氧化還原容量法(VOL)、乙酸鈉-火焰光度法、CO2體積法、比重計(jì)法。無定形鋁和無定形鐵的測定采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀Icap 6300。土壤Se形態(tài)分析指標(biāo)為水溶態(tài)、離子交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、腐植酸結(jié)合態(tài)、鐵錳結(jié)合態(tài)、強(qiáng)有機(jī)結(jié)合態(tài)、殘?jiān)鼞B(tài)；分析方法為等離子體發(fā)射光譜法(ICP-AES)。稱取適量玉米籽粒樣品，加硝酸浸泡過夜，再加雙氧水，蓋好內(nèi)蓋，旋緊外套，放入微波消解儀器內(nèi)消解3～4 h后，取出冷卻，稀釋至一定體積后進(jìn)行分析。玉米籽粒樣品分析指標(biāo)為Se，分析方法為原子熒光光譜法(AFS)。

圖2 關(guān)中地區(qū)土壤類型分布圖Fig.2 Soil type distribution map of Guanzhong, Shaanxi

2.3 質(zhì)量評述

樣品分析由國土資源部西安礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測中心承擔(dān)。測試過程中加入國家一級標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行分析質(zhì)量控制，所有樣品的報(bào)出率為100%，準(zhǔn)確度和精密度監(jiān)控樣合格率達(dá)98%以上。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同類型土壤硒含量特征及其與土壤性質(zhì)的關(guān)系

通過對關(guān)中地區(qū)不同類型土壤全硒含量進(jìn)行分析，結(jié)果顯示，全硒含量在不同類型土壤間有一定差異，具體表現(xiàn)為：褐土(0.624)>新積土(0.372)>潮土(0.174)>黑壚土(0.148)>風(fēng)沙土(0.133)>紅土(0.124)(算術(shù)平均值，mg·kg-1，表1、圖3)，其中褐土和新積土的全硒含量明顯高于其他4種土壤的全硒含量。富硒土壤，即富含硒的土壤。參照李家熙對土壤硒劃分標(biāo)準(zhǔn)(李家熙等，2000)，并進(jìn)一步參照《天然富硒土地劃定與標(biāo)識(shí)》(試行)(DD 2019-10)對富硒土壤的劃定，褐土和新積土為富硒土壤(土壤pH>7.5)，而潮土、黑壚土、風(fēng)沙土和紅土則為低硒土壤。

表1 不同類型土壤全硒含量Tab.1 Total Se content of different soil types

但是由于方差不齊，本研究采用Games-Howell來檢驗(yàn)硒含量在不同類型土壤間的統(tǒng)計(jì)差異。如表2所示，除了新積土外，褐土Se含量與其他4種土壤(潮土、風(fēng)沙土、黑壚土、紅土)的Se含量都呈顯著差異，并且潮土還與紅土Se含量差異顯著。該研究區(qū)土壤類型中，褐土面積為14 980.25 km2，占全區(qū)總面積的37.94%，其保水保肥能力好，土壤礦物質(zhì)豐富，肥力較高。相較而言，該研究區(qū)內(nèi)其他土壤分布面積較小，同時(shí)，潮土受地下水影響強(qiáng)烈，土壤中有機(jī)質(zhì)含量不高，養(yǎng)分狀況較差，肥力水平低；風(fēng)沙土土質(zhì)松散，滲透快，不保水，不抗旱，易受風(fēng)蝕，一般來說風(fēng)沙土的有機(jī)質(zhì)及植物營養(yǎng)元素含量均很低；黑壚土有機(jī)質(zhì)含量較低，礦質(zhì)養(yǎng)分豐富，土質(zhì)疏松，全磷、全氮含量不高；紅土土質(zhì)黏重，通透性差，耕性不良，肥力低(晁旭等，2017)。因此，褐土肥力高，有機(jī)質(zhì)含量較高，可能是其Se含量高于其他4種土壤的原因(任蕊等，2018)。

圖3 不同類型土壤全硒含量Fig.3 Total Se content of different soil types

通過分析不同類型土壤各形態(tài)硒含量，結(jié)果顯示(表3、圖4)，不同類型土壤間各形態(tài)硒含量存在一定的差異，且與以往研究結(jié)果一致(張艷玲等，2002；王松山，2012；任蕊等，2016)，土壤可溶態(tài)、交換態(tài)硒含量一般較低，主要以有機(jī)結(jié)合態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)硒存在；此外，褐土的7種形態(tài)硒含量在6種土壤類型中均最高，尤其是強(qiáng)有機(jī)結(jié)合態(tài)Se和殘?jiān)鼞B(tài)Se，并且與晁旭等(2018)研究中關(guān)于褐土7種硒形態(tài)含量大小的結(jié)果基本一致。基于已有研究(周小娟等，2016；梁東麗等，2017)，土壤中的硒根據(jù)其溶解性、移動(dòng)性、有效性和毒性的大小，與土壤結(jié)合強(qiáng)度越大，硒的有效性越低，一般認(rèn)為：水溶態(tài)Se和離子交換態(tài)Se為可交換態(tài)Se；水溶態(tài)Se、離子交換態(tài)Se和碳酸鹽結(jié)合態(tài)Se為易利用態(tài)Se；腐植酸結(jié)合態(tài)Se和鐵錳結(jié)合態(tài)Se為中等利用態(tài)Se；強(qiáng)有機(jī)結(jié)合態(tài)Se和殘?jiān)鼞B(tài)Se為惰性態(tài)Se。本研究結(jié)果顯示，褐土和新積土的惰性態(tài)Se含量顯著高于其他幾種土壤類型，并且褐土中易被生物利用的易利用態(tài)Se含量明顯高于其他幾種土壤類型(圖5)。這可能是由于與其他幾種類型土壤相比，褐土含有較高的有機(jī)質(zhì)，保水保肥能力強(qiáng)，有利于硒酸鹽等物質(zhì)的積累。

表2 不同類型土壤全硒含量的Games-Howell多重比較檢驗(yàn)Tab.2 Games-Howell multiple comparison test of total Se content in different soil types

續(xù)表2

表3 不同類型土壤各形態(tài)硒含量(μg·kg-1)Tab.3 Concentrations of various selenium fractions of different soil types (μg·kg-1)

土壤理化性質(zhì)影響著土壤中硒賦存形態(tài)，硒在有機(jī)質(zhì)、黏土礦物、鐵錳氧化物等土壤組分間不斷發(fā)生著吸附解吸、沉淀溶解、生物氧化還原等過程，而這些過程均受到土壤酸堿性等因素的影響(Zawishlanski, et al.，1996)。表4給出了土壤pH、有機(jī)質(zhì)、CEC、無定形鋁、無定形鐵、碳酸鹽、物理性黏粒(<0.02 mm粒級)的含量。并且基于表4給出的幾種土壤理化性質(zhì)，以其余土壤性質(zhì)為控制變量，做某一土壤性質(zhì)與各形態(tài)硒含量的偏相關(guān)分析，結(jié)果顯示(表5)，土壤7種形態(tài)硒以及全硒含量均與土壤pH、有機(jī)質(zhì)含量呈顯著正相關(guān)(p<0.05)，與土壤碳酸鹽含量呈顯著負(fù)相關(guān)(p<0.05)；此外，鐵錳結(jié)合態(tài)Se以及殘?jiān)鼞B(tài)Se與土壤黏粒呈顯著正相關(guān)(p<0.05)，但相關(guān)系數(shù)(-0.242和0.243)很低。

圖4 不同類型土壤各形態(tài)硒含量Fig.4 Concentrations of various selenium fractions of different soil types

圖5 不同類型土壤各形態(tài)硒含量對比圖Fig.5 Concentrations of various selenium fractions of different soil types

褐土和新積土較其他土壤明顯高的全硒含量、各形態(tài)硒含量以及有機(jī)質(zhì)含量和pH值(表6)也進(jìn)一步說明了土壤有機(jī)質(zhì)和pH對土壤硒的較強(qiáng)的影響作用(任蕊等，2018)。與本研究結(jié)果相一致的有：滿楠(2013)發(fā)現(xiàn)土壤中各硒形態(tài)與土壤pH值、有機(jī)質(zhì)、碳酸鹽、無定形鐵含量、陽離子交換量、電導(dǎo)率和黏粒均有不同程度的顯著相關(guān)性；徐爭啟等(2011)發(fā)現(xiàn)土壤pH值與可溶可交換態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)硒含量有顯著相關(guān)關(guān)系；ZHAO等(2005)發(fā)現(xiàn)土壤碳酸鹽含量是控制磷酸鹽浸提態(tài)硒量的主要因素。此外，土壤中黏粒對硒有較強(qiáng)的富集作用，黏粒含量越高，土壤的保肥性越好，從而能有效減少硒的流失(龔河陽等，2015)。因此，研究區(qū)內(nèi)土壤硒有效性受到土壤硒全量、pH、有機(jī)質(zhì)、碳酸鹽等理化性質(zhì)的制約，進(jìn)一步說明土壤中硒的有效性不僅取決于總硒的含量，還受到土壤礦物質(zhì)和有機(jī)質(zhì)的影響，與土壤理化性質(zhì)及環(huán)境因子等有關(guān)(Beladel, et al.，2013；梁東麗等，2017)。

3.2 不同類型土壤生長的玉米籽粒硒含量與土壤硒含量相關(guān)特征

植物對硒的吸收和積累能力因植物種類而異，一般分3類：①累積植物(指示植物)，如十字花科的蘿卜、油菜等。②中度含硒植物，如平常吃的蔬菜。③低度含硒植物，如農(nóng)作物(遲鳳琴，2001)。雖然玉米屬于低含硒植物，但是褐土和新積土生長的玉米籽粒硒含量均達(dá)到陜西省富硒食用農(nóng)產(chǎn)品硒含量標(biāo)準(zhǔn)(DB61/T 556-2018)規(guī)定(> 0.05 mg·kg-1)(表7)。影響作物吸收硒的土壤性質(zhì)因素包括土壤本身的硒含量、pH、有機(jī)質(zhì)及營養(yǎng)元素等，并且LEE等(2011)研究指出，作物中硒含量與土壤中硒含量、pH、正磷酸鹽含量密切相關(guān)。本研究發(fā)現(xiàn)，玉米硒含量與土壤硒含量呈一定的相關(guān)性，表現(xiàn)為隨土壤硒含量的升高而升高，并且褐土和新積土的玉米籽粒硒含量明顯高于其他土壤類型(圖6)。這可能是由于褐土和新積土易利用態(tài)硒含量明顯高于其他類型土壤的原因(圖5)。土壤pH影響硒的有效性，并且硒有效性隨土壤pH的增加而提高(梁東麗等，2017)，陳繼平等(2020)研究也認(rèn)為堿性土壤條件下硒的生物有效性高。本研究中褐土和新積土土壤pH值和有機(jī)質(zhì)含量較其他土壤類型明顯高，且土壤7種形態(tài)硒及全硒含量均與土壤pH值和有機(jī)質(zhì)含量呈顯著正相關(guān)(p<0.05)，因此，雖然土壤本身硒含量對作物吸收硒的影響最關(guān)鍵，但是，土壤pH值及有機(jī)質(zhì)含量作為間接因素，也可以通過活化土壤硒而影響作物對土壤中硒的吸收(劉敏等，2018)。

表4 土壤基本理化性質(zhì)Tab.4 General chemical and physical properties of soils

表5 土壤各形態(tài)硒含量與土壤性質(zhì)的偏相關(guān)分析Tab.5 Partial correlation between soil properties and selenium content in various fractions

表6 不同類型土壤基本理化性質(zhì)Tab.6 General chemical and physical properties of different types of soils

表7 不同土壤類型玉米籽粒硒含量Tab.7 Se content of corn grain in different soil types

圖6 不同類型土壤及玉米籽粒硒含量對比圖Fig.6 Comparison of Se content of corn grain and soils in different soil types

表8顯示，不同土壤類型間土壤各形態(tài)硒含量與玉米硒含量呈現(xiàn)出不同的相關(guān)性，在土壤硒含量較高的潮土(0.124～0.305)、褐土(0.070～1.613)和新積土(0.067～0.789)中，土壤各形態(tài)硒含量幾乎都與玉米硒含量呈顯著相關(guān)；而在土壤硒含量較低的風(fēng)沙土(0.082～0.204)、黑壚土(0.128～0.166)和紅土(0.097～0.137)中，土壤各形態(tài)硒含量與玉米硒含量相關(guān)性都不顯著。這似乎說明只有當(dāng)土壤硒含量累積增加到一定程度，玉米硒含量才隨之增加。

因此，通過對土壤全硒含量與玉米硒含量進(jìn)行曲線擬合(圖7)，玉米硒含量隨土壤全硒含量的增加呈上升趨勢，并且結(jié)果進(jìn)一步說明，當(dāng)土壤硒含量累積增加到一定程度時(shí)，玉米硒含量才隨之增加。與本研究結(jié)果相似的有：水稻根系、莖葉和籽粒中的硒含量均隨著土壤硒含量增加而增加(姜超強(qiáng)等 2015)；小麥籽粒中的硒含量與土壤中硒含量密切相關(guān)(Lee, et al.，2011)；在不同植物間進(jìn)行比較，總硒含量及可用硒含量在整個(gè)生長季對植物累積硒效果相似(Kikkert, et al.，2013)；WANG等(2012)結(jié)合土壤硒價(jià)態(tài)和形態(tài)以及玉米的硒含量，發(fā)現(xiàn)可溶態(tài)硒中的6價(jià)硒含量、可交換態(tài)硒含量及有機(jī)結(jié)合態(tài)硒含量均與玉米硒含量有較好的相關(guān)性。本研究結(jié)果也說明研究區(qū)內(nèi)的褐土和新積土適宜于生產(chǎn)富硒玉米。

表8 不同類型土壤各形態(tài)硒含量與玉米籽粒硒含量的相關(guān)性Tab.8 Pearson’ correlation between content of soil selenium fractions and corn grain Se content in different soil types

圖7 土壤全硒含量對玉米籽粒硒含量的影響Fig.7 The effect of soil total Se content on corn grain Se content

4 結(jié)論

(1)關(guān)中不同類型土壤全硒含量從大到小為：褐土(0.624)>新積土(0.372)>潮土(0.174)>黑壚土(0.148)>風(fēng)沙土(0.133)>紅土(0.124)(算術(shù)平均值，mg·kg-1)。褐土和新積土為富硒土壤，潮土、黑壚土、風(fēng)沙土和紅土為低硒土壤。

(2)土壤全硒及各形態(tài)硒含量均與土壤pH、有機(jī)質(zhì)含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系(p<0.05)。研究區(qū)內(nèi)褐土有機(jī)質(zhì)含量較高，保水保肥能力較強(qiáng)，硒酸鹽等物質(zhì)可能因此積累較多。此外，不同類型土壤可溶態(tài)和交換態(tài)硒含量都較低，主要以有機(jī)結(jié)合態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)硒存在，但是褐土和新積土中易被生物利用的易利用態(tài)硒含量明顯高于其他幾種土壤類型。因此，研究認(rèn)為土壤硒全量、pH、有機(jī)質(zhì)是影響關(guān)中地區(qū)土壤硒有效性的主要因素。

(3)褐土和新積土生長的玉米籽粒硒含量達(dá)到富硒標(biāo)準(zhǔn)，且明顯高于其他4種類型土壤生長的玉米籽粒硒含量。當(dāng)土壤硒含量累積增加到一定水平時(shí)，玉米籽粒硒含量隨之增加。因此，研究區(qū)內(nèi)硒含量較高的褐土和新積土適宜于生產(chǎn)富硒玉米。