硒元素在茶園土壤和茶樹內(nèi)的富集規(guī)律

李澤軒,馮 亮,李開元,唐曉玲,樊 爽,付盈盈,梁 霞*

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)環(huán)境學(xué)院,湖北 武漢 430078;2.貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局一○六地質(zhì)大隊(duì),貴州 遵義 563000)

硒(Se)是人體必需的微量元素之一,在人體抗氧化防御中有著重要地位[1],與人體健康息息相關(guān)。硒參與人體內(nèi)多個(gè)主要代謝途徑,如甲狀腺激素代謝、抗氧化防御系統(tǒng)和免疫功能代謝[2]。硒是人體谷胱甘肽過氧化物酶的重要組成部分,其具有清除自由基的能力,在人體的抗氧化防御中起著重要作用[1]。然而硒的安全閾值非常狹窄,硒缺乏和硒中毒之間的差距很小[3-4]。人體每天硒攝取量低于40 μg就會缺硒,而大于400 μg就可能造成中毒。根據(jù)世界衛(wèi)生組織(WHO)和國際糧農(nóng)組織(FAO)發(fā)布的報(bào)告,人體每日硒攝取量參考值為30～55 μg[1,3,5]。

硒在土壤中主要以Se(-Ⅱ)、Se(0)、Se(Ⅳ)和Se(Ⅵ)4種價(jià)態(tài)存在,Se的生物有效性與其價(jià)態(tài)密切相關(guān)?？扇苡谒臒o機(jī)硒[Se(Ⅳ)、Se(Ⅵ)]是植物從土壤溶液中直接吸收的形式[6],單質(zhì)硒以及硒化物基本不被植物直接吸收[7-8]?？傮w來說,我國土壤硒資源缺乏,而且分布不均。大部分地區(qū)土壤中硒含量不足,但也有陜西省安康市紫陽縣、湖北省恩施州等為土壤富硒地區(qū)[9-10],硒分布的不均勻性可能造成地方病的發(fā)生。硒攝取不足會造成人體生長遲緩、損害骨骼代謝和導(dǎo)致甲狀腺功能異常,還會導(dǎo)致心腦血管、眼、胃腸道、前列腺等多處疾病[11]。中國東北和俄羅斯西伯利亞東南部食品中硒含量不足,當(dāng)?shù)厝嗽馐芸松讲?、大骨?jié)病等地方病的威脅[1]。但過量攝入硒也會對人體健康產(chǎn)生不利的影響。硒的過量攝入會增加人體罹患糖尿病的機(jī)率,導(dǎo)致頭發(fā)和指甲脆弱、皮膚粗糙及神經(jīng)紊亂。印度旁遮普省當(dāng)?shù)厣a(chǎn)的食品中硒含量過高,每人每天硒攝取量高達(dá)750～4 990 μg,導(dǎo)致當(dāng)?shù)厝巳汉蛣游锍霈F(xiàn)硒中毒現(xiàn)象[1]。

植物是人體從土壤中攝入硒的重要媒介,研究植物對硒的吸收富集機(jī)制對人類健康具有重大意義。茶是世界三大飲料之一,同時(shí)茶樹是富集硒能力較強(qiáng)的植物,能將土壤中的硒富集儲存在茶樹植株內(nèi)[12-14]。硒在茶樹不同部位的含量表現(xiàn)出顯著差異,顧謙等[15]研究發(fā)現(xiàn)茶樹的老葉中硒含量要顯著高于新葉。但目前茶樹對硒的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)和分配機(jī)制尚不明確。為此,本研究采集了貴州省遵義市正安縣兩處茶園的天然土壤和茶樹樣品,測定了樣品內(nèi)硒等幾種元素的含量,并對土壤中各形態(tài)硒含量進(jìn)行了檢測,旨在探明自然條件下茶樹內(nèi)硒等幾種重金屬元素的富集規(guī)律。

1 樣品采集與分析

1.1 樣品采集與制備

2021年4月12日,根據(jù)當(dāng)?shù)馗刭|(zhì)量調(diào)查報(bào)告,并結(jié)合實(shí)際情況分別采集了貴州省遵義市正安縣兩處茶園共計(jì)25份土壤樣品和15株茶樹樣品。其中,茶園1采集了13份土壤樣品、9株茶樹樣品;茶園2采集了12份土壤樣品、6株茶樹樣品。采樣過程中使用奧維互動地圖記錄采樣點(diǎn)經(jīng)緯度和海拔,具體采樣點(diǎn)信息見表1。將茶園土壤0～<20 cm深度土層的樣品記為表層土樣,20～40 cm深度土層的樣品記為深層土樣。土壤樣品采樣方法采用五點(diǎn)取樣法,土壤樣品取樣后將每個(gè)土壤樣品編號,并保存至聚乙烯自封袋中。

表1 采樣點(diǎn)位基本信息表

土壤樣品于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)自然風(fēng)干后,剔除樣品內(nèi)的石塊和植物根系,研缽內(nèi)研磨后過200目篩,保存于聚乙烯自封袋以備后續(xù)檢測。將每株茶樹樣品用超純水洗凈后分為嫩葉、老葉、主莖、分支莖、主根5個(gè)部分,共計(jì)得到75份植物樣品。植物樣品于45 ℃烘干后,使用磨粉機(jī)進(jìn)行粉碎處理并用聚乙烯自封袋保存以備后續(xù)檢測。

1.2 土壤理化性質(zhì)檢測

將一部分自然風(fēng)干后的土壤樣品研磨,過20目篩后進(jìn)行銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、速效磷、速效鉀含量的檢測,檢測方法分別為靛酚藍(lán)比色法、紫外分光光度法、鉬銻抗比色法、乙酸銨-火焰光度計(jì)法。另取1.0 g風(fēng)干過篩后的土壤樣品置于10 mL離心管中,加入2.5 mL超純水,振蕩30 min,靜置后測量上清液的pH值[16]。

1.3 土壤和植物樣品中總硒含量測定

稱取過篩后的土壤樣品0.5 g,置于特氟龍消解管中(消解管需于45%的硝酸溶液中,70 ℃下浸泡24 h洗凈后使用;土壤樣品稱量質(zhì)量盡量準(zhǔn)確,精確至0.001 g;樣品放在消解管中時(shí),盡量讓其集中在底部,不沾到消解管的壁上)。每個(gè)土壤樣品先加入5 mL硝酸,手動搖勻,并蓋上蓋子,升溫至120 ℃保持30 min;然后打開蓋子,加入2 mL高氯酸和3 mL氫氟酸,手動搖勻,蓋上蓋子,升溫至150 ℃,保持180 min,中間手動搖勻;再后取下消解管蓋子,電熱板升溫至190 ℃,保持120 min,進(jìn)行徹底消解的同時(shí)趕酸至樣品呈果凍黏稠狀;最后加入1∶1王水2 mL,蓋上蓋子,升溫至120 ℃保持10 min,用純水定容至50 mL。

稱取磨碎后的植物樣品0.5 g,置于特氟龍消解管中(植物樣品稱量質(zhì)量盡量準(zhǔn)確,精確至0.001 g;樣品放在消解管中時(shí),盡量讓其集中在底部,不沾到消解管的壁上)。植物樣品先加入10 mL硝酸過夜冷消解;次日,加高氯酸2 mL電熱板上190 ℃加熱消解完全,繼續(xù)加熱至三角瓶內(nèi)出現(xiàn)高氯酸白色煙霧,趕盡硝酸,保留高氯酸,用純水定容至50 mL;樣品定容后靜置8 h后取上清液于15 mL離心管中,使用電感耦合等離子體發(fā)射光譜(ICP-OES)儀對樣品消解液中總硒元素含量進(jìn)行檢測。

1.4 土壤中各形態(tài)硒含量檢測

使用ICP-OES儀對土壤中各形態(tài)硒含量進(jìn)行檢測。采用連續(xù)浸提法[17]將土壤樣品中的硒劃分為水溶態(tài)硒(SOL-Se)、可交換態(tài)硒(EXC-Se)、酸溶態(tài)硒(FMO-Se)、有機(jī)物結(jié)合態(tài)硒(OM-Se)、殘?jiān)鼞B(tài)硒(RES-Se)5種形態(tài)。此5種形態(tài)是“操作定義”的相態(tài)。

1) 水溶態(tài)硒:稱取1.0 g土壤樣品于10 mL離心管中,加入10 mL超純水,在室溫下振蕩1 h,并以4 000 r/min轉(zhuǎn)速離心30 min,收集上清液以備檢測。

2) 可交換態(tài)硒:向上述含有殘?jiān)碾x心管中加入10 mL KH2PO4- K2HPO4溶液(0.1 mol/L),在室溫下振蕩2 h,并以4 000 r/min轉(zhuǎn)速離心30 min,收集上清液以備檢測。

3) 酸溶態(tài)硒:向上述含有殘?jiān)碾x心管中加入10 mL HCl(3 mol/L),90 ℃水浴加熱50 min,加熱過程中每10 min振蕩一次,并以4 000 r/min轉(zhuǎn)速離心30 min,收集上清液以備檢測。

4) 有機(jī)物結(jié)合態(tài)硒:向上述含有殘?jiān)碾x心管中加入10 mL K2S2O8溶液(0.1 mol/L),90 ℃水浴加熱2 h,加熱過程中每10 min振蕩一次,并以4 000 r/min轉(zhuǎn)速離心30 min,收集上清液以備檢測。

5) 殘?jiān)鼞B(tài)硒:收集4)中全部殘?jiān)?40 ℃烘干,之后在研缽中研磨,過200目篩,并進(jìn)行消解,消解操作同第1.3節(jié),收集消解后上清液待測。

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2 結(jié)果與分析

2.1 土壤pH值檢測結(jié)果與分析

遵義市正安縣兩處茶園土壤pH值檢測結(jié)果,見表2。

表2 遵義市正安縣兩處茶園土壤pH值檢測結(jié)果

由表2可知:茶園1、茶園2兩處茶園土壤均為酸性土壤,pH值范圍為3.7～5.5,適宜茶樹種植。其中,茶園1土壤pH值范圍為3.7～5.2;茶園2土壤pH值范圍為4.5～5.4。

2.2 土壤中養(yǎng)分含量檢測結(jié)果與分析

遵義市正安縣兩處茶園土壤中養(yǎng)分含量(即營養(yǎng)元素含量)檢測結(jié)果,如圖1所示。

注:圖中主體高度代表平均值,誤差線代表標(biāo)準(zhǔn)差。圖1 遵義市正安縣兩處茶園土壤中營養(yǎng)元素含量檢測結(jié)果Fig.1 Soil nutrient content of two tea plantations in Zheng’an County,Zunyi City

由圖1可以看出:

1) 茶園1土壤中銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、速效磷、速效鉀含量范圍分別為8.9～58.5、1.0～20.6、11.2～212.9、48.1～242.6 mg/kg;茶園2土壤中銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、速效磷、速效鉀含量分別為12.7～19.7、0.2～2.2、6.9～12.4、34.2～117.5 mg/kg。

2) 整體看來,茶園1土壤養(yǎng)分含量高于茶園2,但是點(diǎn)位間養(yǎng)分含量均一性差,變動較大,且茶園1明顯表現(xiàn)出表層土中養(yǎng)分含量高于深層土的特點(diǎn)。采樣過程中通過對茶園管理人員訪談得知,茶園1處于正常生產(chǎn)經(jīng)營中而茶園2處于無人管理狀態(tài)。茶園1可能因生產(chǎn)過程中的施肥手段使土壤中養(yǎng)分得以補(bǔ)充,因此其土壤養(yǎng)分高于無人管理的茶園2。

2.3 土壤中總硒含量檢測結(jié)果與分析

遵義市正安縣兩處茶園土壤中總硒含量檢測結(jié)果,如圖2所示。

圖2 遵義市正安縣兩處茶園土壤中總硒含量檢測結(jié)果Fig.2 Results of total selenium content in the tea plantation soils in Zheng’an County,Zunyi City

2.4 土壤中各形態(tài)硒含量檢測結(jié)果與分析

遵義市正安縣兩處茶園土壤中各形態(tài)硒含量檢測結(jié)果,如圖3所示。

由圖3可以看出:正安縣兩處茶園的表層土、深層土中硒均以殘?jiān)鼞B(tài)硒為主。生物利用度最高的水溶態(tài)硒和可交換態(tài)硒被認(rèn)為是生物有效態(tài)硒,僅有數(shù)個(gè)土壤樣品檢出生物有效態(tài)硒且比例低于20%;僅在茶園2的采樣點(diǎn)15土壤樣品中檢測出酸溶態(tài)硒,其余土壤樣品均未檢出酸溶態(tài)硒;表層土中有機(jī)物結(jié)合態(tài)硒比例明顯高于深層土,推測表層土中有機(jī)質(zhì)含量比深層土更高。

2.5 土壤中各形態(tài)硒含量與土壤理化因子間相互關(guān)系

對遵義市正安縣兩處茶園土壤中各形態(tài)硒含量與土壤理化因子間進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析,其結(jié)果如表3所示。

表3 遵義市正安縣兩處茶園土壤中各形態(tài)硒含量與土壤理化因子間的Pearson相關(guān)系數(shù)

由表3可知:正安縣茶園土壤中水溶態(tài)硒和可交換態(tài)硒與速效鉀之間呈顯著相關(guān)(p<0.05),具體表現(xiàn)為水溶態(tài)硒與速效鉀之間呈顯著正相關(guān);土壤中可交換態(tài)硒與速效鉀之間呈顯著負(fù)相關(guān)。除此之外,土壤中各形態(tài)硒與土壤理化因子之間不再具有顯著相關(guān)性,推測可能是土壤中硒主要以殘?jiān)鼞B(tài)存在,其他形態(tài)含量基本為0,導(dǎo)致數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)時(shí)其他形態(tài)硒個(gè)案數(shù)不足導(dǎo)致。

2.6 茶樹內(nèi)各部位元素含量檢測結(jié)果與分析

使用ICP-OES儀對茶樹內(nèi)各部位消解液進(jìn)行硒含量檢測,結(jié)果如圖4所示。

圖4 遵義市正安縣兩處茶園茶樹內(nèi)各部位硒元素含量 檢測結(jié)果Fig.4 Distribution of selenium content in various parts of the tea plants in Zheng’an County,Zunyi City

由圖4可以看出:茶樹內(nèi)老葉中硒積累最多,明顯高于茶樹其他部位,老葉中硒含量為0.29～3.05 mg/kg,根部基本無積累;茶樹葉片部位硒積累大于根莖部位;茶樹莖葉生長時(shí)間長的部分硒積累大于生長時(shí)間短的部分。其中,茶園1有55.6%的嫩葉樣品硒含量(0.2～4.0 mg/kg)處于富硒茶葉標(biāo)準(zhǔn),可認(rèn)定為富硒茶葉。

3 討 論

茶樹喜歡酸性土壤,適宜生長的土壤pH值范圍為4.0～5.5[18]。本研究中88%的茶園土壤樣品的pH值處于茶樹適宜生長范圍內(nèi),兩處茶園土壤均適宜茶樹種植。其中,茶園1土壤pH值比茶園2低,呈現(xiàn)酸化趨勢。王金林等[18]研究表明長期施用氮肥等化肥會導(dǎo)致土壤pH值降低,因此茶園1在后續(xù)經(jīng)營過程中應(yīng)注意避免長期單獨(dú)施用化肥,可以通過配施有機(jī)肥改善酸化趨勢,保證茶樹的持續(xù)生長條件。

此外,本研究發(fā)現(xiàn)茶樹各部位老葉中硒含量最高,而根部基本無硒積累,茶葉中硒含量高于茶樹的根莖部位,這與前人研究結(jié)果有區(qū)別。曹丹等[12]研究表明施加外源硒后,茶樹各部位中硒含量都有明顯增加,且富集規(guī)律表現(xiàn)為根部含量最多、莖次之、葉最少。不同種類的植物對硒的遷移富集有差別,水稻各部位中硒含量呈現(xiàn)根>葉>莖的特點(diǎn)[24]。茶樹根部吸收施加的亞硒酸鈉后,先在根部轉(zhuǎn)化為硒化物,再沿莖向地上部位轉(zhuǎn)運(yùn),根部吸收速率大于亞硒酸鈉轉(zhuǎn)化為硒化物的速率[12],致使根部硒含量最高。在水稻、油菜和草莓中也發(fā)現(xiàn)這種根部硒含量最高的結(jié)果[25-27]。本研究中兩處茶園土壤中硒的主要存在形式都是穩(wěn)定的殘?jiān)鼞B(tài)硒,其生物利用度低,難以被茶樹根系吸收利用。天然條件下,茶樹在吸收硒之后將其轉(zhuǎn)化為硒化物轉(zhuǎn)運(yùn)到地上部位,但由于吸收速率緩慢導(dǎo)致根部的硒絕大部分被轉(zhuǎn)運(yùn)到茶葉中,因此本研究中茶樹內(nèi)硒空間分布特征呈現(xiàn)葉>莖>根的現(xiàn)象。茶園1中55.6%的嫩葉樣品中硒含量(0.2～4.0 mg/kg)處于富硒茶葉標(biāo)準(zhǔn),可認(rèn)定為富硒茶葉,說明茶園1具有良好的生產(chǎn)富硒茶葉的潛力。雖然茶園2只有一個(gè)嫩葉樣品屬于富硒茶葉,但是其擁有更高的土壤硒含量,且土壤理化性質(zhì)更適合茶樹生長,合理推測其富硒茶葉生產(chǎn)潛力更大,有待后續(xù)合理開發(fā)。

4 結(jié) 論

1) 貴州省正安縣兩處目標(biāo)茶園的土壤pH值均為4.0～5.0,適宜種植茶樹。其中茶園1因受施肥的影響,其土壤的養(yǎng)分含量比茶園2高,但同時(shí)表現(xiàn)出土壤酸化的趨勢。因此,在后續(xù)生產(chǎn)經(jīng)營過程中,針對茶園1應(yīng)注意混施化肥和有機(jī)肥,避免土壤酸化;針對茶園2可通過施肥補(bǔ)充土壤內(nèi)養(yǎng)分含量,使土壤更適宜茶樹的生長。

2) 貴州省正安縣兩處目標(biāo)茶園土壤的總硒含量整體偏低,僅部分樣品檢測到硒,茶園2土壤總硒含量高于茶園1。兩處茶園土壤中的硒均以殘?jiān)鼞B(tài)為主要存在形式,其生物可利用度低。

3) 貴州省正安縣兩處目標(biāo)茶園的茶樹都表現(xiàn)出老葉內(nèi)硒含量最高的特點(diǎn),說明茶樹的老葉是硒富集的主要部位。茶園1有55.6%的嫩葉樣品硒含量(0.2～4.0 mg/kg)處于富硒茶葉標(biāo)準(zhǔn),證明茶園1有良好的富硒茶葉產(chǎn)出能力。茶園2土壤條件優(yōu)于茶園1,后續(xù)更應(yīng)加強(qiáng)生產(chǎn)管理,使得茶園2能生產(chǎn)出富硒茶葉。