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物探与化探, 2019, 43(6): 1367-1372 doi: 10.11720/wtyht.2019.0187

生态环境调查

中国大宗农作物及根系土中硒的含量特征与富硒土壤标准建议

成晓梦1,2,3,4, 马荣荣1,2,3,5, 彭敏1,2,3,5, 杨柯1,2,3, 李括1,2,3,5, 王惠艳1,2,3, 吴超1,2,3,4, 杨峥1,2,3

1. 中国地质科学院 地球物理地球化学勘查研究所,河北 廊坊 065000

2. 中国地质调查局 土地质量地球化学调查研究中心,河北 廊坊 065000

3. 中国地质科学院 地球表层碳—汞地球化学循环重点实验室,河北 廊坊 065000

4. 联合国教科文组织全球尺度地球化学国际研究中心,河北 廊坊 065000

5. 中国地质大学(北京) 地球科学与资源学院,北京 100083

Characteristics of selenium in crops and roots in China and recommendations for selenium-enriched soil standards

CHENG Xiao-Meng1,2,3,4, MA Rong-Rong1,2,3,5, PENG Min1,2,3,5, YANG Ke1,2,3, LI Kuo1,2,3,5, WANG Hui-Yan1,2,3, WU Chao1,2,3,4, YANG Zheng1,2,3

1. Institute of Geophysical & Geochemical Exploration, Chinese Academy of Geological Sciences, Langfang 065000, China

2. Research Center of Geochemical Survey and Assessment on Land Quality, China Geological Survey, Langfang 065000, China

3. Key Laboratory of Geochemical Cycling of Carbon and Mercury in the Earth's Critical Zone, CAGS, Chinese Academy of Geological Sciences, Langfang 065000, China

4. UNESCO International Center on Global-scale Geochemistry, Langfang 065000, China

5. School of Earth Sciences and Resources, China University of Geosciences (Beijing), Beijing 100083, China

责任编辑: 蒋实

收稿日期: 2019-04-2   修回日期: 2019-10-28   网络出版日期: 2019-12-20

基金资助: 中国地质调查局土地地球化学调查工程项目.  121201108000150008
浙中盆地典型富硒区重金属生态风险研究.  AS2017J14

Received: 2019-04-2   Revised: 2019-10-28   Online: 2019-12-20

作者简介 About authors

成晓梦(1991-),女,硕士研究生,地质工程专业,主要从事环境地球化学方向的工作。Email:chengxiaomeng@igge.cn 。

摘要

植物中的硒主要来自于土壤,植物不仅可用于减轻硒缺乏的问题,还可用于管理环境硒毒性。本文基于6 917件根系土—水稻籽实样品、1 489件根系土—小麦籽实样品和1 816件根系土—玉米籽样品,提出水稻种植区富硒土壤硒含量0.22×10 -6≤w(Se)<3.0×10 -6,小麦种植区富硒土壤硒含量0.31×10 -6 ≤w(Se)<1.0×10 -6,玉米种植区富硒土壤硒含量0.94×10 -6≤w(Se)<4.91×10 -6的标准,对全国富硒土壤资源的科学利用和开发富硒农产品具有重要意义。

关键词： 富硒土壤 ; 国家标准 ; 地方标准 ; 大宗农作物

Abstract

Selenium (Se) in plants is mainly derived from soil, and plants can be used not only to alleviate the problem of selenium deficiency, but also to manage environmental selenium toxicity. On the basic of 6 917 co-samples of soil and rice, 1 489 co-samples of soil and wheat, and 1 816 co-samples of soil and corn seed, the Selenium concentration in selenium-enriched soil was 0.22×10 -6≤w(Se)<3.0×10 -6 for rice producing areas, 0.31×10 -6≤w(Se)<1.0×10 -6 for wheat planting area, and 0.94×10 -6≤w(Se)<4.91×10 -6 for corn planting area. It is of great significance to the scientific utilization of selenium-enriched soil resources and the development of selenium-enriched agricultural products.

Keywords： Selenium-enriched soil ; national standard ; local standard ; crops

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本文引用格式

成晓梦, 马荣荣, 彭敏, 杨柯, 李括, 王惠艳, 吴超, 杨峥. 中国大宗农作物及根系土中硒的含量特征与富硒土壤标准建议. 物探与化探[J], 2019, 43(6): 1367-1372 doi:10.11720/wtyht.2019.0187

CHENG Xiao-Meng, MA Rong-Rong, PENG Min, YANG Ke, LI Kuo, WANG Hui-Yan, WU Chao, YANG Zheng. Characteristics of selenium in crops and roots in China and recommendations for selenium-enriched soil standards. Geophysical and Geochemical Exploration[J], 2019, 43(6): 1367-1372 doi:10.11720/wtyht.2019.0187

0 引言

硒(Se)是人体和动物必须的微量营养元素,人体硒摄入量的不足(<40 μg /(人·天))和过量(>400 μg/(人·天))均会导致各种健康问题[1,2]。地表环境介质中硒含量过低导致的人体硒摄入不足,可引起克山病和心肌病等地方病[3];地表环境硒含量过高导致的人体硒摄入过量,也可引起头发和皮肤脱落、皮肤损伤、神经系统紊乱、瘫痪,甚至死亡[4,5,6]。对自然界岩石、土壤、水体、作物中Se含量水平的调查和地方病的长期观察也已证实,硒在自然界分布极不均匀[7,8,9],因此在缺硒地区通过膳食增加硒的摄入量对维持人体健康、预防疾病和提高生活质量均具有重要意义。中国是全球40个缺硒国家之一,全国有366个县(约1.05亿人)因硒摄入量不足而面临不利的健康影响[10]。寻找富硒土壤和富硒农作物对增加人体硒摄入量,改善膳食营养水平,预防地方病尤为迫切。

谭见安等基于地理区划理论和方法[11,12],通过236个土壤剖面中的硒含量水平及硒与地方病的关系,给出了土壤总硒的环境阈值,即土壤总硒含量≤0.125×10-6为缺硒土壤,0.125×10-6<w(Se) ≤0.175×10-6为少硒或缺硒边缘土壤,0.175×10-6<w(Se) ≤0.400×10-6为中等硒含量或足硒土壤,土壤全硒含量在0.400×10-6<w(Se) ≤3.000×10-6为高硒或富硒土壤,高于3.000×10-6为过剩硒土壤。

1999年以来,原国土资源部中国地质调查局组织实施的全国1:25万多目标区域地球化学调查,采用统一的采样和分析方法,在我国主要农耕区进行了系统的土壤地球化学测量,目前已覆盖调查面积253.87万k[13],以土壤0.40×10-6<w(Se)≤3.000×10-6为标准,协同《绿色食品产地环境质量》(NY/T 391-2013)中的土壤环境质量要求[14],圈定绿色富硒土壤6 869万亩[15]。但在部分富硒土壤的开发利用中,发现农作物富硒比例存在较大的变化,在一些足硒、少硒甚至缺硒土壤中存在较高比例的富硒农作物。富硒土壤与富硒农作物之间的不一致性对富硒土壤资源的圈定、开发利用和保护及发展富硒特色农业带来困惑。

笔者以全国土地质量地球化学调查工程中协同采集的水稻—土壤、小麦—土壤、玉米—土壤样品为基础,结合富硒成品粮的国家、地方标准及全国各地富硒土地资源的开发利用经验,初步探讨了适于发展富硒大宗农作物的富硒土壤标准,为我国圈定富硒土地资源,发展富硒特色农业提供依据。

1 数据来源

本文数据来自各省地质调查院、中国地质大学(北京)及中国地质科学院地球化学物理地球化学勘查研究所承担的多目标区域地球化学调查计划或土地地球化学调查工程中的相关项目。其中水稻主要分布在浙江、辽宁、江西、福建、广东、广西、湖南、四川、海南等41个主产区,协同采集根系土—水稻籽实样品各6 917件;新疆、青海、江苏、山西、河南、山东等11个小麦主产区协同采集根系土—小麦籽实样品各1 489件;辽宁、山西、山东、河南、福建、四川等14个玉米主产区协同采集根系土—玉米籽实各1 816件。样品分析测试方法和精度控制严格按照规范(DZ/T 0295-2016)执行[16]。

2 根系土与作物籽实Se含量特征

全国玉米、小麦和水稻产区根系土壤中的硒含量中位值分别为0.284×10-6、0.289×10-6和0.370×10-6,对应的玉米、小麦和稻米籽实中的硒含量中位值分别为0.031×10-6、0.059×10-6和0.050×10-6。硒的生物富集系数指示小麦富硒能力最大,水稻籽实次之,玉米富硒能力最小(表1),说明不同农作物对硒的吸收能力存在较大差异,暗示在圈定富硒土壤资源、发展富硒特色农业时应采用差异化的圈定标准。

表1   全国大宗农作物籽实和对应根系土Se含量特征

Table 1  Selenium concentrations in bulk crops and soils of China

参数玉米小麦水稻
根系土籽实生物富集
系数		根系土籽实生物富集
系数		根系土籽实生物富集
系数
样品数/件181618161816148914891489691769176917
最小值0.0490.0000.0020.0710.0060.0060.0080.0010.002
最大值15.1757.4216.2553.3951.0256.1206.3953.2967.750
平均值0.4250.0720.1560.3400.0990.2840.4250.0610.179
中位值0.2840.0310.1080.2890.0590.2070.3700.0500.139
标准离差0.6630.3530.2700.2080.1120.2860.3020.0680.221

注:根系土、籽实Se含量单位为10-6;生物富集系数=作物籽实中硒含量/根系土中硒含量,无量纲

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《富硒稻谷》(GB/T 22499-2008)的国家标准规定[17],富硒稻谷加工的大米检测结果硒含量在0.04×10-6~0.30×10-6的为富硒稻谷,如以富硒水稻的硒标准作为小麦、玉米籽实的富硒标准,对水稻、小麦、玉米根系土和作物籽实中Se的协同分析发现,在w(Se) ≤0.175×10-6的少硒土壤中,水稻、小麦和玉米籽实中富硒率高达35%、24%和16%;在足硒土壤(0.175×10-6<w(Se) ≤0.40×10-6)中,水稻、小麦和玉米的富硒率分别为65%、66%和26%;在0.40×10-6<w(Se) ≤3.00×10-6的富硒土壤中,水稻、小麦和玉米的富硒率分别为81%、76%和58%,不富硒的水稻、小麦和玉米籽实的比例分别为18%、4%和38%(表2),指示用0.40×10-6作为划定富硒土壤存在明显的误判和漏判(图1),给发展富硒特色农产品带来不确定性。出现这种误判和漏判的主要原因是由于作物在吸收土壤硒的过程中,受土壤总硒和有效硒含量水平[9]、田间管理方式[18,19]、天气和气候变化[20,21,22]、土壤pH和Eh的高低[23,24]、土壤有机质含量和粘度[25]、元素的协同和拮抗作用[26]等多种因素影响。

图1

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图1   我国土壤和大宗农作物籽实硒含量协同分析

Fig.1   Co-analysis of Selenium in soils and crops in China


表2   不同土壤硒分区大宗农作物的富硒比例

Table 2  Selenium enrichment ratio of crops in different soil selenium divisions

土壤Se含量分区硒超标籽实
w(Se)≥0.30×10-6		富硒籽实
0.04×10-6≤w(Se)<0.30×10-6		不富硒籽实
w(Se)<0.04 ×10-6
水 稻
w(Se)≤0.175×10-6样本数/件
比例/%		4
0.49		288
35.42		521
64.08
0.175×10-6<w(Se)≤0.40×10-6样本数/件
比例/%		7
0.22		2027
65.11		1079
34.66
0.40×10-6<w(Se)≤3.00×10-6样本数/件
比例/%		25
0.84		2419
81.26		533
17.90
w(Se)>3.00×10-6样本数/件
比例/%		8
57.14		4
28.57		2
14.29
小 麦
w(Se)≤0.175×10-6样本数/件
比例/%		2
1.24		39
24.22		120
74.53
0.175×10-6<w(Se)≤0.40×10-6样本数/件
比例/%		18
1.87		631
65.59		313
32.54
0.40×10-6<w(Se)≤3.00×10-6样本数/件
比例/%		71
19.51		277
76.10		16
4.40
w(Se)>3.00×10-6样本数/件
比例/%		1
50.00		0
0.00		1
50.00
玉 米
w(Se)≤0.175×10-6样本数/件
比例/%		0
0.00		52
15.71		279
84.29
0.175×10-6<w(Se)≤0.40×10-6样本数/件
比例/%		1
0.11		237
25.76		682
74.13
0.40×10-6<w(Se)≤3.00×10-6样本数/件
比例/%		24
4.35		318
57.61		210
38.04
w(Se)>3.00×10-6样本数/件
比例/%		8
61.54		5
38.46		0
0.00

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3 富硒土壤的标准建立

作物硒主要来自于土壤,富硒土壤是生产富硒作物的基础[27]。我国国土面积巨大,气候类型多样,不同地区土壤中的化学成分差异巨大,作物从土壤中吸收硒的影响因素较为复杂,这对制定统一的富硒标准带来较大困难。为了便于全国科学开发利用富硒土壤资源,分别用41个水稻产区、11个小麦主产区和14个玉米主产区的土壤和作物籽实样品中Se含量中位值构建了大宗农作物和根系土中Se的关系模型,发现水稻、小麦和玉米籽实硒含量与土壤硒含量之间存在显著的线性相关(图2)。虽然我国在《食品安全国家标准 食品中污染物限量》(GB2762-2012)中已经取消了食品中Se的限量规定,且在《食品安全国家标准 食品中污染物限量》(GB2762-2017)中继续取消了食品中Se的限量规定[28,29],但由于硒对人体健康的两面性,为安全起见,在探索富硒土壤的圈定标准时,仍考虑了硒的限量值。我国一些地方标准多数以作物籽实中Se含量小于0.30×10-6作为富硒成品粮的上限,富硒成品粮的Se下限变化于0.02×10-6~0.15 ×10-6之间(表3),下限变化的中位数为0.07×10-6。根据富硒成品粮Se的上、下限值及作物籽实与根系土中Se的线性相关模型,推算出我国水稻产区富硒土壤的上、下限为2.78×10-6和0.22×10-6,小麦产区富硒土壤的上、下限分别为0.84×10-6和0.31×10-6,玉米产区富硒土壤的上、下限分别为0.94×10-6和4.91×10-6(表4)。

图2

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图2   我国大宗农作物籽实与根系土中Se的线性模型

Fig.1   Linear model of Se in crop seeds and root soil in China


表3   全国各地富硒粮食中硒含量标准

Table 3  Standard for selenium content in selenium-rich foods in China

地区粮食品种Se含量/10-6引用标准
中华人民共和国国家标准稻米0.04~0.30富硒稻谷GB/T 22499-2008
中华人民共和国卫生部固体食品0.15预包装食品营养标签通则GB 28050-2011
中华人民共和国供销合作行业标准谷物类0.10~0.50富硒农产品GH/T 1135-2017
湖北省地方标准大米、玉米、小麦0.20~0.50富有机硒食品硒含量要求DBS 42/ 002-2014
江西省地方标准稻米及制品0.07~0.30富硒食品硒含量分类标准DB 36/T566-2009
陕西省地方标准粮食加工品0.15~0.30富硒食品与其相关产品硒含量标准DB 61/T556-2012
陕西省安康市地方标准成品粮
粮食加工制品		0.02~0.30
0.005~0.30		富硒食品硒含量分类标准DB 6124.01-2010
重庆市地方标准稻谷及制品
玉米及制品		0.05~0.30
0.02~0.30		富硒农产品DB 50/T524-2013
广西省地方标准粮食0.15~0.50富硒农产品硒含量分类要求DB 45/T1061-2014
湖南省地方标准固体食品0.15富硒农产品生产技术规程 DB 43/T816-832-2013
宁夏回族自治区地方标准水稻、玉米、小麦0.04~0.30宁夏富硒农产品标准(水稻、玉米、小麦与枸杞干果)
DB 64/ T1221-2016

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表4   基于作物籽实和根系土线性模型的富硒土壤标准值

Table 4  Standard value of selenium-enriched soil based on linear model of crop seed and root soil

作物与根系土硒含量关系模型富硒成品量标准/10-6富硒土壤标准/10-6
水稻 Y=0.1015X+0.01753下限 0.04
上限 0.30		下限 0.22
上限 2.78
小麦 Y=0.4296X-0.0616下限 0.07
上限 0.30		下限 0.31
上限 0.84
玉米 Y=0.0580X+0.0153下限 0.07
上限 0.30		下限 0.94
上限 4.91

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近年来一些地方政府根据当地富硒农作物的分布特征,也颁布了一些富硒土壤的地方标准[30,31,32],本项研究制定的富硒土壤的硒含量下限变化于0.22×10-6~0.94×10-6,完全覆盖了上述地方富硒土壤的标准,也表明本文提出的富硒土壤的值能适用于全国。

4 结论

鉴于上述结果,在重金属含量小于《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 15618)中农用地土壤污染风险筛选值规定的前提下,建议富硒土壤标准如下:水稻种植区富硒土壤硒含量0.22×10-6 ≤w(Se)<3.0×10-6 ,小麦种植区富硒土壤硒含量0.31×10-6 ≤w( Se)<1.0×10-6 ,玉米种植区硒土壤硒含量0.94×10-6 6 ≤w(Se)<4.91×10-6 。各地可根据土壤中的硒含量,优化种植结构,开发富硒农产品。

致谢:

本文得到各省地质调查院的大力支持,在此致以诚挚的谢意。另外,感谢审稿人和编辑老师提出的宝贵意见。

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