本文摘要：摘要:通過對松嫩平原綏化地區(qū)農(nóng)作物及根系土樣品的研究，開展了土壤理化性質、總硒、有效硒、硒形態(tài)及農(nóng)作物硒含量測試，結合統(tǒng)計學方法探究了研究區(qū)內(nèi)主要農(nóng)作物的樣品硒水平差異及其影響因素。結果表明，農(nóng)作物硒含量為0.002～0.096mg/kg，土壤總硒含量為0
摘要:通過對松嫩平原綏化地區(qū)農(nóng)作物及根系土樣品的研究，開展了土壤理化性質、總硒、有效硒、硒形態(tài)及農(nóng)作物硒含量測試，結合統(tǒng)計學方法探究了研究區(qū)內(nèi)主要農(nóng)作物的樣品硒水平差異及其影響因素。結果表明，農(nóng)作物硒含量為0.002～0.096mg/kg，土壤總硒含量為0.13～0.52mg/kg，土壤有效硒含量為0.002～0.007mg/kg，土壤硒以強有機態(tài)硒(31.52%)為主。土壤總硒與有機質相關性較高，與有效硒、氧化還原電位(Eh)相關性較低;土壤有效硒與pH顯著正相關;農(nóng)作物硒含量與土壤離子交換態(tài)硒、有效硒、pH、Eh和有機質均有不同程度的相關關系。不同作物對硒元素的富集機理不同，水稻對硒元素的富集能力明顯強于玉米。該研究表明可通過一定程度人為控制的土壤特性使得土壤中的硒更有利于農(nóng)作物吸收，以便使農(nóng)作物中硒含量能夠滿足居民硒健康需求，同時該研究為解決地質背景因素引起的天然“缺硒”地區(qū)提供了可能的解決途徑。
關鍵詞:中國東北;糧食基地;土壤硒;相關性;影響因素
硒(Se)是維持人體正常生命運轉所必需的微量元素，人體硒的攝入不足和過量都會嚴重影響人體健康。然而，人體硒風險介于硒攝入不足和硒中毒之間的硒安全攝入閾值十分狹窄，這也提高了居民群眾潛在的硒風險[1-2]。硒一方面可以預防克山病、大骨節(jié)病等缺硒性反應癥，另一方面硒有提高人體免疫機能、抗氧化、防癌抗癌、保護心血管和心肌健康等作用，因此硒有“生命之源”的美譽[3-6]。
農(nóng)作物論文范例：農(nóng)業(yè)機械在農(nóng)作物種植中的作用探討
中國屬于缺硒國家，72%的地區(qū)不同程度缺硒[7-8]。我國土壤中硒分布不均衡，低硒帶呈東北-西南走向，不同地區(qū)土壤硒含量水平導致其生產(chǎn)出的農(nóng)產(chǎn)品硒含量有較大差異。人體硒風險通常取決于日常飲食攝入，而人體硒的攝入主要取決于從土壤進入食物鏈的生物有效性硒水平。適當?shù)霓r(nóng)作物耕種方式不但可以緩解自然環(huán)境所帶來的缺硒困擾，另一方面也可以降低環(huán)境中硒過高所帶來的暴露風險。土壤作為主要農(nóng)作物的載體和硒源，是確保農(nóng)作物硒達標的先決條件，而土壤中硒的有效性強弱則影響著硒在土壤-植物系統(tǒng)中的運輸能力[1-2]。
硒的生物有效性目前為止尚無明確定義，Leeuwen等[9](2007)將在生物活動中或環(huán)境污染中潛在可利用硒的比例作為硒的生物有效性;Alexander[10](2000)將硒的生物有效性定義為土壤硒中能形成可以產(chǎn)生同化作用或者可能毒性的硒所占的比例�？偠灾�，硒的生物有效性主要從以下兩個方面定義:(1)依據(jù)外界與生物間硒交換量的傳輸效率;(2)基于生物吸收的含量界定。由于測試技術的限制，目前難以準確測量生物對硒的吸收速率或植物與外界硒的交換通量，故本文中所提及的硒生物有效性為植物可直接吸收利用的離子交換態(tài)Se、碳酸鹽態(tài)Se、水溶態(tài)Se以及小分子的有機態(tài)Se等[2-4]。作為中國最大的糧食生產(chǎn)基地，松嫩平原出現(xiàn)過數(shù)次缺硒造成的集體地方病事件。前人對黑龍江硒的研究主要集中在土壤總硒含量、分布特征及影響因素等，而關于農(nóng)作物硒含量、硒的生物有效性方面的研究較少[11]。
如戴慧敏等[12](2015)利用多目標調查數(shù)據(jù)對松遼平原中南部土壤進行研究，認為表層土壤以足硒為主，深層土壤以硒反應不足為主，鐵錳氧化物、有機質是影響土壤硒含量的主要因素;遲鳳琴等[13](2016)通過對采集的400余個耕作層土壤樣品及21個主要類型土壤剖面樣品進行研究，認為黑龍江省表層土壤總體上處于缺硒及潛在缺硒的水平，土壤有機碳(SOC)、黏粒含量與pH是影響土壤硒含量的主要因素;張立等[14](2019)對黑龍江省海倫市耕層土壤總硒含量及其影響因素進行研究，得出土壤硒含量分布主要受成土母質、SOC和pH影響的結論。
近年來，對松嫩平原海倫市和綏棱縣耕地土壤硒、農(nóng)作物硒含量研究結果表明[15]，海倫市和綏棱縣耕地土壤硒均以足硒為主，不同種類農(nóng)作物硒含量差異較大，其中海倫市水稻硒平均含量(0.045mg/kg)明顯高于大豆(0.038mg/kg)和玉米硒平均含量(0.024mg/kg)。但未開展有關農(nóng)作物硒生物有效性方面的研究，松嫩平原農(nóng)作物硒的有效性研究尚屬空白。由于上世紀五十年代以后松嫩平原大規(guī)模的人為耕種，導致耕地硒水平和土壤環(huán)境條件發(fā)生了顯著變化，造成目前硒在土壤-農(nóng)作物系統(tǒng)中的遷移轉化機制更為復雜。為此，本研究以松嫩平原典型農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地———綏化地區(qū)為研究平臺，評估典型農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式下的農(nóng)作物中硒的地球化學特征，探討當前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中農(nóng)作物硒含量的耦合環(huán)境控制因素，為中國大宗糧食中硒的賦存風險把控提供相應的耕種策略。
1研究區(qū)概況
松嫩平原地處中緯度亞洲大陸東岸，屬于中溫帶。冬季在極地大陸氣團控制下，氣候嚴寒干燥;夏季受副熱帶海洋氣團的影響，降水集中，氣候溫暖濕潤，具有明顯的大陸性季風氣候的特征，因而一年中的太陽高度角變化及各季節(jié)間的太陽輻射量的變化均較大，致使氣候年變化大，冬季漫長而嚴寒，夏季短促而炎熱。松嫩平原區(qū)≥10℃積溫的分布由南向北變化范圍為2800～2200℃，南北相差很大，呈明顯的緯向分布。研究區(qū)地處松嫩平原中東部，積溫范圍在2400～2600℃之間，位于綏化市和哈爾濱市的連接地帶，行政區(qū)劃包括綏化市北林區(qū)、望奎縣、慶安縣和哈爾濱市巴彥縣，地理坐標為126°30'～127°45'E，46°22'～47°02'N，面積約4950km2。
研究區(qū)屬溫帶大陸性季風氣候，年平均 氣溫3.3℃，年平均降水量543.5mm。境內(nèi)主要水系為松花江水系和呼蘭河水系，土地肥沃，集中連片，地勢平坦，適合開展大規(guī)模農(nóng)牧業(yè)機械化耕作。主要土壤類型有黑土、草甸土和黑鈣土，土地利用以耕地為主，其次為草地和林地。綏化市是世界三大黑土帶之一東北平原的黑土核心地帶，是國家重要的商品糧基地。據(jù)統(tǒng)計，研究區(qū)所處的松嫩平原糧食產(chǎn)量連續(xù)七年居中國糧食產(chǎn)量首位，是中國寒地黑土特色農(nóng)業(yè)物產(chǎn)之鄉(xiāng)，主要糧食作物有玉米(32%)、水稻(27%)等[16]。
2材料與方法
2.1樣品采集與處理
考慮到研究區(qū)廣泛種植的大宗農(nóng)作物類型為玉米和水稻，結合研究區(qū)土壤類型，在兼顧代表性和均勻性原則的條件下布設采樣點位，配套采集根系土壤樣品和各類農(nóng)作物籽實樣品各154件。野外采樣方法技術依據(jù)DZ/T0295-2016《土地質量地球化學評價規(guī)范》，在采集農(nóng)作物籽實時同時采集作物根系土壤。玉米和水稻樣品采集于農(nóng)作物收獲盛期，均在無風晴天時進行，采樣時避開病蟲害作物。利用GPS定點中心位，采集5～10個作物籽實然后等量混勻組成一個混合樣品。樣品采集后，立即裝入聚乙烯塑料袋，每件農(nóng)作物樣品重量均不少于3kg。
根系土采樣深度0～20cm，確定3～5個子樣點，由各子樣等量混合組成一件樣品裝入樣品袋。采樣時均滿足各子樣點位種植的作物種類和土壤類型相同，且距中心位距離10～20m。根系土樣品，自然風干后，對干燥的樣品用粉碎機粉碎，過0.84mm(20目)尼龍篩，混勻后稱重200g裝入牛皮紙袋送實驗室分析。在實驗室取30g(20目)土壤樣品裝袋用作pH分析，其余土壤樣品用無污染瑪瑙球磨機研磨至0.074mm(200目)備用。
采集的水稻籽實樣品需要先用清水沖洗表面泥土，再用蒸餾水清洗，放入冷凍干燥機進行干燥，然后用粳米機去殼，再用蒸餾水輕輕淘洗，將殘留的米殼洗去，晾干后稱鮮樣重量。玉米籽實樣品直接用清水沖洗、蒸餾水清洗、晾干后稱其鮮樣重量。將鮮樣置于干燥機中進行干燥，待樣品完全干燥后進行稱重，計算干濕比。干燥后的樣品用萬能粉碎機粉碎后裝入樣品袋備用。
2.2樣品測試分析
土壤硒的測定采用氫化物發(fā)生原子熒光光譜法(HG-AFS);土壤有機碳(SOC)采用容量法;pH采用玻璃電極法;Eh采用鉑電極直接測定法;土壤有效硒含量用KH2PO4浸提，AFS測定。從采集的土壤樣品中隨機抽取10件進行硒形態(tài)分析，采用分步提取法提取硒形態(tài):用H2O提取水溶態(tài)硒，用MgCl2提取離子交換態(tài)硒，用CH3COOH-CH3COONa提取碳酸鹽態(tài)硒，用Na4P2O7提取腐殖酸態(tài)硒，用HONH3Cl提取鐵錳氧化態(tài)硒，用H2O2提取強有機結合態(tài)硒，用HNO3-HF提取殘渣態(tài)硒[17-18]。農(nóng)作物樣品硒含量測定用HNO3微波消解后采用AFS分析[19-20]。
3結果與討論
3.1土壤和農(nóng)作物硒含量特征
3.1.1土壤硒含量
農(nóng)作物根系土總硒、有效硒和不同形態(tài)硒的含量來看，總硒平均值為0.32mg/kg，高于全國表層土壤硒平均含量0.29mg/kg[21]，變異系數(shù)19.06%，硒元素空間分布比較均勻。
依據(jù)譚見安[22](1996)對我國生態(tài)環(huán)境硒界限值的劃分，將土壤硒含量小于0.125mg/kg劃分為缺硒土壤，0.125～0.175mg/kg劃分為有硒潛在不足土壤，0.175～0.40mg/kg劃分為足硒土壤，0.40～3.0mg/kg劃分為富硒土壤，大于3.0mg/kg劃分為高硒暴露風險土壤。研究區(qū)土壤硒水平處于足硒水平(87.66%)，少數(shù)表層土壤存在潛在硒不足(2.60%)及富硒特征(9.74%)。作為松嫩平原的重要糧食生產(chǎn)地區(qū)，綏化地區(qū)土壤總硒處于安全范圍之內(nèi)，但土壤總硒含量一般不能反映土壤對植物的供硒水平，只能作為土壤硒的容量指標。因此，為較全面地評估綏化地區(qū)糧食產(chǎn)業(yè)的硒健康風險，土壤硒的有效特征可以作為進一步詳細衡量土壤供硒能力的指標[2-3，5]。
綏化地區(qū)根系土壤有效硒為0.002～0.007mg/kg，平均含量0.003mg/kg，相對較低。利用土壤硒的有效度來表征硒的生物有效性，根系土壤硒有效性為0.5%～2.6%，平均值僅為1.11%，略低于河北張家口克山病重病村[23](1.43%)，低于張家口地區(qū)非病村(6.88%)。從硒的七種形態(tài)分析結果來看，硒平均含量由高到低依次為強有機態(tài)>殘渣態(tài)>腐殖酸態(tài)>離子交換態(tài)>鐵錳氧化態(tài)>碳酸鹽態(tài)>水溶態(tài)。
土壤硒以強有機態(tài)硒(平均值31.52%)為主，其次為殘渣態(tài)硒(26.36%)和腐殖酸態(tài)硒(25.15%)，易被作物吸收利用的離子態(tài)、水溶態(tài)和碳酸鹽態(tài)硒含量均較低，說明研究區(qū)土壤硒的生物有效性相對較低。松嫩平原一直處于我國“低硒”帶上，隨著人為因素的介入，雖然土壤中總硒含量得到了普遍的提升，但土壤硒有效含量偏低的特征表明綏化地區(qū)農(nóng)作物硒安全仍存在較大風險。
3.1.2農(nóng)作物硒含量
研究區(qū)大宗農(nóng)作物玉米、水稻耕種面積占總糧食耕種面積的59.8%和15.6%[16]。為了準確反映研究區(qū)主要農(nóng)作物硒健康風險問題，我們針對玉米和水稻進行了研究，發(fā)現(xiàn)不同作物種類硒含量差異明顯。
水稻樣品中硒含量在0.009～0.081mg/kg之間，平均含量為0.043±0.015mg/kg;玉米樣品硒含量在0.002～0.096mg/kg之間，平均含量為0.028±0.015mg/kg。整體上，水稻樣品平均硒含量高于玉米樣品。與松嫩地區(qū)甘南縣農(nóng)作物硒 水平比較，玉米果實中的Se含量接近，然而甘南縣根系土平均Se含量為0.209mg/kg，說明綏化地區(qū)土壤中Se的生物有效性低于甘南縣[24]。按照《富硒稻谷》(GB/T22499-2008)標準規(guī)定[25]，富硒水稻加工的大米硒含量在0.04～0.30mg/kg之間，為富硒水稻;富硒玉米尚無國家標準，本次研究按照富硒水稻的標準作為富硒玉米的評價標準。結果表明，研究區(qū)有32件水稻和14件玉米達到《富硒稻谷》規(guī)定界限值。
3.2土壤硒與土壤性質的關系
土壤中硒元素的含量受很多因素的影響，如成土母質、土壤質地、土壤理化性質、人類活動、降雨等，其中成土母質和土壤性質是影響土壤硒含量的最主要因素[26]。然而在土壤成土過程中，成土母質對硒含量的影響逐漸降低，而土壤理化性質對硒含量影響增強[27]。
3.3影響農(nóng)作物硒含量的因素
農(nóng)作物硒含量主要來源于土壤，除了受土壤硒含量及其有效性影響外，還與農(nóng)作物種類有關[1-2，4，6，34]。土壤理化性質通過影響土壤硒含量、土壤硒的有效性進而影響農(nóng)作物硒的含量，因此探討農(nóng)作物Se含量對影響因素的響應十分必要[2，26-27]。
4結論
1)綏化地區(qū)農(nóng)作物根系土壤以足硒為主，從硒的形態(tài)分布來看，土壤硒以強有機態(tài)硒為主，其次為殘渣態(tài)硒和腐殖酸態(tài)硒，土壤硒的生物有效性相對較低，該地區(qū)農(nóng)作物硒安全仍存在較大風險;部分水稻和玉米樣品達到《富硒稻谷》規(guī)定界限值。
2)土壤總硒與有機質、有效硒顯著正相關，與Eh有負相關關系;土壤有效硒與pH顯著正相關;農(nóng)作物硒與土壤離子交換態(tài)硒顯著正相關;玉米硒含量與土壤有效硒、pH顯著正相關，與Eh顯著負相關，水稻硒含量與土壤有機質顯著負相關，說明綏化地區(qū)土壤中有機質是限制農(nóng)作物有效吸收硒的主要因素之一。
3)不同作物對硒元素的富集機理不同，水稻對硒元素的富集能力強于玉米。根系土中Se水平不能完全左右農(nóng)作物的硒含量，農(nóng)作物自身的Se運輸能力和富集差異是導致果實中硒含量差異的重要因素。因此，在綏化地區(qū)以水稻種植逐漸代替玉米種植可以減緩當?shù)剞r(nóng)作物的缺Se風險，除此以外適宜的利用天然物料人為調控土壤酸堿度，杜絕人工肥料過度使用的情況，以提高土壤硒的生物有效性是改善當?shù)剞r(nóng)業(yè)生態(tài)中缺硒的積極手段。
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作者：張立1，2，楊晨夢3，孫廣義3，*，毛龍2，劉立芬2，崔玉軍2
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