, 崔泽玮1, 杨文晓1, 周菲1, 王梦珂1, 梁东丽1,2
1. 西北农林科技大学资源环境学院, 杨凌 712100;
2. 农业部西北植物营养与农业环境重点实验室, 杨凌 712100
收稿日期: 2017-06-28; 修回日期: 2017-09-04; 录用日期: 2017-09-04
基金项目: 国家自然科学基金（No.41571454，41171379）
作者简介: 黄杰(1992-), 男, E-mail:jacksonhuangjie@163.com
通讯作者（责任作者）: 梁东丽, E-mail:dlliang@nwsuaf.edu.cn
摘要: 查明一个地区土壤和主食中硒含量及其空间分布特征，是探究该地区人体硒营养状况的重要基础.基于陕西泾惠渠灌区104个表层土壤样品和对应的小麦籽粒硒含量的测定，运用地统计的方法，对该地区硒含量的空间分布特征进行了分析，评价了土壤硒的有效性及其对人体硒摄入量的影响.结果表明：泾惠渠灌区土壤总硒含量变化为0.020~0.603 mg·kg-1，平均为（0.154±0.085）mg·kg-1，76.9%的地区处于临界缺硒状态，其中以阎良区土壤硒含量显著高于高陵区、临潼区、泾阳县和三原县；小麦籽粒硒含量为0.003~0.485 mg·kg-1，平均为（0.076±0.070）mg·kg-1，各地区间无显著差异，69.2%达到适度硒水平.造成土壤硒含量处于临界缺硒水平而小麦硒含量达到适度硒水平的原因是该地区土壤有效硒占土壤总硒含量的11.6%，硒的有效性相对较高.该灌区土壤和小麦的硒含量分布存在显著空间分布不均一性，在粮食硒强化中应综合考虑土壤供硒及作物硒吸收两个方面.
关键词:小麦硒含量有效硒空间分布泾惠渠灌区
Spatial distribution of selenium in soils and winter wheat grain of Jinghui irrigation area of Shaanxi (China)
HUANG Jie1
, CUI Zewei1, YANG Wenxiao1, ZHOU Fei1, WANG Mengke1, LIANG Dongli1,2 1. College of Natural Resources and Environment, Northwest A & F University, Yangling 712100;
2. Key Laboratory of Plant Nutrient and the Agri-environment in Northwest China, Ministry of Agriculture, Yangling 712100
Received 28 June 2017; received in revised from 4 September 2017; accepted 4 September 2017
Supported by the National Natural Science Foundation of China(No.41571454, 41171379)
Biography: HUANG Jie(1992—), male, E-mail:jacksonhuangjie@163.com
*Corresponding author: LIANG Dongli, E-mail:dlliang@nwsuaf.edu.cn
Abstract: It is important to clarify selenium (Se) spatial distribution in soil and corresponded staple food for exploring Se nutrient status of human in a region. Based on the determination of Se content in 104 surface soil samples and wheat grain in Jinghuiqu irrigation area, the spatial distribution characteristics of Se content in this area were analyzed by means of geostatistics. The results showed that the total Se content in soil of Jinghuiqu irrigation area ranged from 0.020 to 0.603 mg·kg-1 with mean value of (0.154 ±0.085) mg·kg-1.76.9% of the area belonged to critical Se deficiency. Soil Se content was significantly higher in Yanliang district than other areas in this study. Se content in wheat grain ranged from 0.003 to 0.485 mg·kg-1 with mean of (0.076 ±0.070) mg·kg-1. No significant difference was found of wheat grain Se content among different counties. 69.2% of wheat grain Se content belonged to moderate or high selenium levels mainly due to the relatively high bioavailability of selenium in the region. Available Se content in soil accounted for 11.6% of total selenium content further verified this. There was a significant spatial heterogeneity in the content of selenium in soil and wheat grain, which must be taken into consideration in the biofortification practice.
Key words: wheatselenium contentavailable seleniumspatial distributionJinghuiqu irrigation area
1 引言(Introduction)硒是一种人和动物所必需的微量元素, 其丰缺与人及动物的正常机体代谢和健康密切相关.许多地方性疾病如克山病、大骨节病等均与低硒环境有关(Wang et al., 2016).全球范围内土壤硒含量差异很大, 且绝大部分含量在0.1~2 mg·kg-1, 平均为0.4 mg·kg-1(Fordyce, 2013).全世界有40多个国家缺硒, 中国是典型的缺硒大国(唐玉霞等, 2008；朱晓华等, 2015；李婷婷, 2015).陕西是典型克山病地区(杨杰等, 2006), 而泾惠渠灌区位于关中平原腹地, 是陕西省主要的粮食生产基地之一, 小麦是当地的主要作物也是当地居民的日常主食.因此, 研究泾惠渠灌区土壤和小麦中硒含量及其空间分布特征, 对评价当地居民的硒营养状况具有重要意义.
一般认为水溶态和可交换态硒易于被植物吸收利用, 也被称为有效硒, 土壤有效硒在一定程度上反映了土壤的供硒能力(Galinha et al., 2015).小麦中硒的含量取决于其生长的土壤中硒含量(Hartikainen, 2005), 且其随生长季节、地球化学及其气候条件的变化而不同(Hawkesford and Zhao, 2007).
地统计学能够有效的预测采样点周边的重金属空间分布, 揭示土壤重金属含量空间变化和及其变异特征, 通过ArcGIS绘制的元素空间分布图在很大程度上可以直观的揭示其空间分布特征(李晋昌等, 2013).本文旨在通过ArcGIS的地统计方法, 研究泾惠渠灌区土壤-小麦体系中硒的空间分布特征, 评价泾惠渠灌区土壤硒的有效性及其对人体硒摄入量的影响, 为探究北方缺硒地区硒的现状及发展富硒食品保护人体健康提供科学依据.
2 材料与方法(Materials and methods)2.1 研究区概况泾惠渠灌区位于陕西省关中平原中部, 属于泾、渭河冲积平原区.灌区东西长约70 km, 南北宽约24 km, 总面积1180 hm2, 是典型的北方平原灌区.灌区的主要土类为灌淤土和塿土.包括阎良、临潼、高陵3个区和三原、泾阳2个县, 主要种植方式为玉米-小麦轮作, 是全国最重要的小麦产区之一.
2.2 样品采集于小麦收获初期, 根据泾惠渠灌区干支渠分布情况, 按4 km×4 km为一个采样单元均匀布点, 采集土样.为使样品具有代表性, 在灌渠附近加点采样.每个采样单元采用棋盘式布点法, 利用土钻采集0~20 cm耕层土壤样品8~10个混合均匀装入塑封袋带回, 共采集土壤样品104个(其中泾阳县25个、三原县25个、高陵区24个、临潼区16个和阎良区14个), 同时用GPS仪记录采样点地理坐标, 采样点分布如图 1所示.同时, 在土壤相应位点采集小麦麦穗样品, 共计104个, 主要小麦品种有西农979和小偃22号.
图 1(Fig. 1)
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| 图 1 采样点分布示意图 Fig. 1Distribution of sample points |
2.3 硒含量测定将土样在室温下自然风干, 剔除砂石、植物根系等杂质, 研磨后过100目筛.小麦麦穗晒干后, 手工搓掉外皮得到籽粒, 在烘箱中60 ℃烘至恒重, 用粉碎机磨细, 备用.土样经HNO3+HClO4(3:2)消解、小麦HNO3+HClO4(4:1)消解, 6 mol·L-1盐酸还原后, 用氢化物发生-原子荧光光谱法(北京吉天AFS-930双道原子荧光光度计)测定硒含量(Wang et al., 2012).
土壤有效硒, 用0.1 mol·L-1KH2PO4+K2HPO4(pH=7)缓冲溶液, 浸提, 离心, 取上清液直接测定为有效硒四价含量, 在6 mol·L-1HCL溶液中100 ℃水浴还原15 min后测定为总有效硒含量, 有效硒六价含量为总有效硒含量减去有效四价硒含量(Qin et al., 2012；Peng et al., 2016).
每一批样品用石灰土壤(GBW07404, Se=(0.64±0.18) mg·kg-1)和小麦样(GBW10011, Se=(0.053±0.007) mg·kg-1)作为质量控制样品, 实测质量控制样品值石灰岩土为(0.65±0.05) mg·kg-1, 小麦样(0.048±0.006) mg·kg-1.
2.4 人均每日硒摄入量(EDI)
 | (1) |
2.5 数据分析为了反映硒元素在泾惠渠灌区土壤中的离散程度, 以标准差与平均值的比值作为变异系数的值, 采用变异系数来量化泾惠渠灌区的土壤总硒含量在空间上的变异程度, 根据变异程度分级CV≤0.1属于弱变异性, 0.1＜CV＜1属于中等变异性, CV≥1属于强变异性(李志等, 2008).使用origin9.0、SPSS20和Excel2010进行数据分析处理, 采用ArcGIS10.0绘制硒分布图.
3 结果(Results)3.1 土壤硒含量及分布泾惠渠灌区土壤中硒含量为0.020~0.603 mg·kg-1, 平均含量为(0.154±0.085) mg·kg-1, 远远低于中国土壤硒的平均值(0.239 mg·kg-1)(Tan et al., 2002)及世界土壤硒含量的平均水平(0.4 mg·kg-1)(Fordyce, 2013).谭见安(1989)将土壤中硒含量水平划分为5个等级, ＜0.125 mg·kg-1为缺硒, 0.125~0.175 mg·kg-1为潜在缺硒, 0.175~0.400 mg·kg-1为适量, 0.400~3.00 mg·kg-1为富硒, ＞3 mg·kg-1为硒中毒, 按照这个分级标准, 泾惠渠灌区土壤样品中缺乏和潜在缺硒的土壤占总样本数的76.9%, 而硒适量的土壤占20.2%, 富硒的土壤仅仅占2.9%；说明泾惠渠灌区属于缺硒地区.
5个县区相比, 土壤硒含量从高到低依次为：阎良((0.241±0.134) mg·kg-1)>临潼((0.164±0.073) mg·kg-1)>高陵((0.161±0.082) mg·kg-1)>泾阳((0.122±0.047) mg·kg-1)>三原((0.119±0.050) mg·kg-1)(图 2a)；以阎良区土壤硒含量最高, 且显著高于其余4个地区, 临潼区硒含量跨度大.整个研究区域土壤硒含量变异系数均处于30%~60%之间, 属于中等变异性, 说明泾惠渠灌区土壤硒含量空间分布不均匀.
图 2(Fig. 2)
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| 图 2 泾惠灌区土壤中硒含量的空间分布 Fig. 2Spatial distribution of soil selenium content in Jinghui irrigated area |
采用ArcGIS软件中的地统计模块, 对土壤硒元素采用普通克里格插值, 得到研究区硒含量等级空间分布图(图 2b).由图 2b可知, 该地区土壤硒含量的空间分布规律明显, 硒含量自西向东逐渐增大, 高硒区主要集中在阎良大部分地区及临潼北部.泾阳、三原及高陵的土壤硒含量处于潜在缺乏和缺乏水平, 阎良大部和临潼东部属于硒适量区.除三原县和泾阳县土壤硒含量与陕西耕层土壤硒背景值(0.115 mg·kg-1)(中国环境监测总站, 1990)接近外, 临潼和高陵硒含量较背景值高40%, 阎良区较其提高了110%, 整个研究区域硒含量较土壤背景值提高了33.9%, 说明泾惠渠灌区土壤中有一定程度的硒累积.
3.2 小麦籽粒硒含量及分布特征泾惠渠灌区小麦籽粒硒含量为0.003~0.485 mg·kg-1, 平均为(0.076±0.070) mg·kg-1, 变异系数92.1%, 属于中等变异性.各县区小麦籽粒硒含量间无显著性差异, 小麦硒含量由高到低依次为：阎良((0.106±0.122) mg·kg-1)、泾阳((0.082±0.078) mg·kg-1)、临潼((0.075±0.065) mg·kg-1)、三原((0.070±0.049) mg·kg-1)、高陵((0.060±0.033) mg·kg-1)(图 3a).
图 3(Fig. 3)
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| 图 3 小麦中硒含量空间分布 Fig. 3Spatial distribution of selenium in Wheat |
按照谭见安(1989)粮食硒的分级标准, ＜0.025 mg·kg-1为缺硒, 0.025~0.040 mg·kg-1为临界缺硒, 0.040~0.070 mg·kg-1为适度, 0.070~1.00 mg·kg-1为高硒, ＞1.00 mg·kg-1为硒中毒.该地区69.2%小麦硒含量达到适度和高硒水平, 而处于硒缺乏和临界水平分别为10.6%和20.2%.
由图 3b可以看出, 小麦硒含量高的地区主要集中分布在泾阳县西南部、阎良区和临潼区的东北部, 三原、高陵小麦硒含量普遍较低.与土壤中硒含量分布不同(图 2b), 小麦中硒含量并无明显的由东到西渐变的趋势且分布相对较分散.尽管阎良和临潼小麦硒含量较高与其土壤硒含量较高相一致, 但土壤硒含量相对较低的泾阳县的小麦硒含量却相对较高, 这可能与不同地区土壤硒的有效性差异有关.
3.3 土壤中硒的有效性泾惠渠灌区, 土壤中有效硒含量为(0.018±0.008) mg·kg-1, 占土壤总硒含量的11.56%；其中四价硒、六价硒, 分别占有效硒含量的57.3%和42.7%.
如图 4所示, 土壤有效硒、有效六价硒含量(图 4a, 4c)的空间分布与土壤全硒含量明显不同, 均无明显的的变化趋势, 而土壤有效四价硒含量(图 4b)与小麦硒含量的分布特征类似, 即以阎良与临潼交界及泾阳部分地区含量较高.
图 4(Fig. 4)
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| 图 4 泾惠灌区土壤中有效态硒(a)、有效态四价硒(b)、六价硒(c)空间分布 Fig. 4Spatial distribution of available selenium(a), available Se4+ (b) and available Se6+ (c)in soil of Jinghui irrigation area |
相关性分析表明：该地区小麦硒含量与土壤总硒、有效硒和有效硒四价含量显著相关(相关系数分别为0.408、0.518和0.586, p＜0.001), 而与有效六价硒含量无关.
4 讨论(Discussion)4.1 土壤硒含量分布差异的原因本研究表明, 5个县区以阎良区土壤中硒含量最高, 各采样点均达到高硒水平, 究其原因, 阎良是中国国家级融设计、制造、试飞为一体的综合性航空工业基地, 拥有阎良航空制造园及一大批重型企业.硒在高性能电池、集成电路、超导材料、光纤和半导体材料、特种玻璃、钢铁和橡胶工业等高科技领域中有着广泛的应用(张红雨和翟德高, 2010).因此, 阎良排放的工业废气、废水中含有一定量的硒.有研究指出, 影响土壤中硒含量最大的外部因素是干湿沉降、灌溉及肥料等, 而大气沉降的影响占到89%之多(Shand et al., 2012).前期的调查表明, 该地区Hg污染主要集中在阎良且以阎良的重金属累积相对较高(雷凌明等, 2014).因此, 阎良区硒含量高于其它地区, 是源于大气沉降所致.
4.2 土壤硒的有效性问题泾惠渠灌区土壤有效硒含量与中国其它地区的有效硒含量相比相对较高, 如福州市表层土壤中有效态硒含量占土壤全硒的4.12%(方金梅, 2008)；兰州耕作土壤有效硒含量占总硒的8.27% (李伟等, 2012)；青海平安地区土壤中有效硒亦仅占总硒的3%(Yu et al., 2015)；浙北平原富硒区为4.8%(宋明义等, 2010)；四川为8% (Chen, 2012); 瑞安市1.1%(潘金德等, 2007)；河北棕壤、褐土和潮土分别为5.6%、8.6%和10.4%(魏显有和刘云惠, 1999).也高于非洲马拉维地区, 其有效硒含量占土壤总硒的2.9%(Chilimba et al., 2011)；美国加利福尼亚硒中毒地区的7%~10%(Ryu et al., 2011).这与关中地区的塿土呈微碱性有关, 在此条件下, 土壤有效硒中四价硒和六价硒含量分别占有效硒含量的57.3%和42.7%.六价硒相对于四价硒易于被植物体吸收(Ali et al., 2017；Kikkert and Berkelaa, 2013；郭璐等, 2013)；再加上在谷类作物中, 小麦具有最大的硒积累能力(Zhang et al., 2017), 这就是为什么泾惠渠灌区土壤总硒含量多属于缺硒水平, 而小麦籽粒中硒含量则大多达到适度和高硒水平的原因.
4.3 泾惠渠灌区与其他地区小麦中硒含量比较如表 1所示, 中国小麦中硒含量为0.001~0.240 mg·kg-1, 不同地区的平均硒含量差异较大, 最高与最低相差25倍.其中唐山开滦矿区属于煤矿产区, 小麦硒含量达0.169 mg·kg-1, 是泾惠渠灌区的2.2倍, 亦远远高于其它地区.其次是湖北、河南和内蒙古.泾惠渠与河北、山西太原小麦硒含量基本持平, 分别为0.070和0.077 mg·kg-1, 以上均属于高硒地区.四川和重庆则属于适度地区.而黑龙江泰来县仅有0.007 mg·kg-1, 含量不足泾惠渠硒含量10%, 与江苏、山东和上海均属于缺硒及临界缺硒地区.
表 1(Table 1)
| 表 1 中国不同地区和世界不同地区小麦中的硒含量 Table 1 Comparison of selenium content in wheat in different places | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
表 1 中国不同地区和世界不同地区小麦中的硒含量 Table 1 Comparison of selenium content in wheat in different places
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世界范围内, 小麦硒含量因地域和品种不同差异很大, 美国、澳大利亚、希腊、印度北部及加拿大曼尼托巴小麦中硒含量均已达到高硒水平, 且高于泾惠渠灌区小麦中硒含量.而西欧和新西兰及丹麦等地区小麦中硒含量较低, 仅为0.028和0.018 mg·kg-1, 远低于泾惠渠.此外, 葡萄牙、西班牙、丹麦、瑞典及新西兰等欧洲国家小麦中硒含量基本处于缺硒或低硒水平.
4.4 人均每日硒摄入量根据式(1)计算得人均每日通过小麦摄取硒的量为22.8 μg·d-1.将中国营养学会推荐的日最低硒摄入量50 μg作为泾惠渠灌区地区的日硒摄入量, 且该地居民仅以小麦为主食, 则通过谷物类摄入的硒占每日硒摄入量的45.6%.这与江苏苏州通过谷物类摄入的硒占总摄入量的22.6%接近, 高于广东广州的19.6%和山西太原的16.3%(余光辉等, 2007；张晓燕等, 1992；Gao et al., 2011).因此, 泾惠渠灌区居民通过小麦摄入硒的水平相对较高.
5 结论(Conclusions)1) 泾惠渠灌区土壤硒含量, 以阎良区和临潼北部最高, 其余地区间无显著差异, 土壤样品中缺乏和潜在缺硒的占总样本数的76.92%, 而硒适量的土壤占20.19%, 说明该地区土壤属于缺硒水平.
2) 由于泾惠渠灌区土壤中有效硒含量占土壤总硒含量的11.6%, 相对较高, 且小麦具有较强的硒积累能力的缘故, 69.23%小麦籽粒硒含量达到适度和高硒水平.
3) 该地区土壤和小麦籽粒硒含量分布存在显著空间不均一性, 土壤全硒含量并不能完全反映一个地区硒含量水平, 其与土壤硒有效性、植物硒吸收能力有关, 所以在硒的生物强化中应该综合考虑土壤供硒与植物硒吸收两个方面.
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