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青海堿性土壤區天然富硒大蒜硒積累規律

2024-04-23 21:53張亞峰姚振馬強沈驍王帥賀連珍代璐韓偉明
山西農業科學 2024年1期

張亞峰 姚振 馬強 沈驍 王帥 賀連珍 代璐 韓偉明

摘要:通過監測青藏高原東部大蒜主產區大蒜、蒜薹、蒜苗及根系土壤中Se、Sr、Mg、Cu、Zn、Pb、Cr、Hg、Ni 等指標的含量,研究大蒜不同部位對硒的積累特征,以揭示天然富硒大蒜的營養品質。結果表明,基于富硒大蒜行業標準判定,研究區大蒜富硒率為97%,蒜薹富硒率為19%,蒜苗富硒率為13%;大蒜Se 含量與根系土壤Se 含量顯著正相關,地上部位(蒜薹、蒜苗)與根系土壤Se 含量的相關性明顯弱于地下部位(大蒜)與根系土壤Se 含量的相關性;大蒜Se 的富集系數為13%,蒜薹Se 的富集系數為6.7%,蒜苗Se 的富集系數為5.7%。大蒜的富硒能力強于蒜薹和蒜苗,且研究區強于國內其他區域,印證了堿性富硒土壤的生物有效性高的特征。大蒜根部Se 向蒜薹的轉運能力高于向蒜苗的轉運能力,蒜薹較蒜苗具有較高積累Se 的能力。大蒜Se 與Cu、Zn 和Cr 元素呈顯著正相關,能發生協同吸收效應?;跓o機態Cu、Zn、Cr 經土壤轉化吸收進入農產品多以有機態存在,對人體有害的鉻(Ⅵ)處于低值;同時研究區土壤和農產品Cu、Zn、Cr 總量均不超標,故研究區產出的富硒大蒜健康、安全。

關鍵詞:堿性土壤;天然富硒大蒜;硒積累;富集系數;轉運系數

中圖分類號:S633.4 文獻標識碼:A 文章編號:1002?2481(2024)01?0101?06

硒(Se)是人體必需的微量元素,具有增強機體免疫力、清除體內自由基、抗衰老、加強心肌機能、增強生殖能力、減輕重金屬毒副作用和預防癌癥等功能[1]。而大蒜對硒具有較強的生物富集作用,并能將無機硒以吸收量78% 左右的能力轉化為有機硒,且分離出的含硒蛋白具有提高谷胱甘肽過氧化酶、超氧化物歧化酶、過氧化氫酶活性,降低過氧化物酶活性的健康效應,并證實硒代半胱氨酸和烯丙基硒代硫化物比半胱氨酸和烯丙基硫化物具有更高的防癌活性,充分表明了富硒大蒜的健康價值[2]。同時,大蒜屬藥食兩用植物,本身含有100 余種含硫揮發物、硫化亞磺酸酯類、氨基酸、肽類、苷類及酶類等藥用和保健成分。蒜氨素作為含硫化合物,發揮消炎抗菌、預防癌癥和心血管疾病等功能;富含的Cu、Zn-超氧化物歧化酶(SOD)發揮清除超氧自由基,抗輻射、抗腫瘤及延緩機體衰老等功能;富含的維生素發揮調節代謝等功能[3]。另外,有研究表明,大蒜還具有較強聚鍺(Ge)的本能,亦能進一步增強大蒜的抗癌能力[4]?;谝陨? 點,研究天然富硒大蒜的硒積累特征,掌握土壤—大蒜系統中硒的轉化規律,以期定位富硒大蒜培育的有利土地區位,指導富硒功能產品的開發。

以往研究表明,大蒜是蔬菜中富硒能力最強的作物[5]。關于富硒大蒜中硒的積累研究多集中在外源添加硒或天然和外源共同作用條件下培育的富硒大蒜方面,有關天然富硒土地培育富硒大蒜的研究較少,發布的富硒大蒜硒監測數據也有限。青藏高原東部屬我國大蒜主產區,尤其樂都紫皮大蒜作為地理標志產品享有較高的知名度。主產地平安、樂都一帶又屬天然堿性土壤富硒區,具有總Se 含量穩定、有效Se 含量高、重金屬含量低等優勢[6-8]。本試驗以青藏高原東部堿性土壤區天然富硒大蒜為研究對象,2020 年開展了大蒜、根系土的Se 與其他有益、有害元素的協同監測,評價其富Se 水平和營養品質,以期深入挖掘堿性土壤區天然富硒大蒜的價值潛力,為高效培育天然富硒大蒜和提升經濟價值提供技術數據,也為優化食物補硒途徑及科學開發堿性天然富硒土地提供參考。

1材料和方法

1.1 研究區概況

研究區地處青藏高原北緣湟水谷地,是全國大蒜主產區和西北天然富硒區,屬高原大陸性氣候,平均海拔2 300~3 000 m,年均氣溫5~6 ℃,年均降水量350~500 mm。富硒土壤延湟水河展部在兩岸沖洪積階地,土壤Se 來源于咸水湖相沉積的新生界西寧組紅色泥巖,土壤Se 含量在167~654 μg/kg,土壤pH 值中位數為8.5,呈堿性。土壤類型主要為栗鈣土和灰鈣土。

1.2 試驗材料

主栽品種樂都紫皮大蒜是青海省優良地方品種,種植在河谷地帶,總面積有3 000余hm2。每年3月春播,6 月收獲,生育期超過100 d,鱗片2 層,鱗芽4~6 辮,平均產量為25 500 kg/hm2。

1.3 樣品采集與測定

樣品采集按照《土地質量地球化學評價規范DZ/T 0295—2016》要求,在海東市樂都、平安兩區富硒區和低硒區分別采集大蒜和根系土協同樣本。同時在樂都雨潤大蒜核心產區采集與大蒜樣本配套的蒜苗和蒜薹樣本。采樣位置見圖1。

大蒜—蒜薹—蒜苗配套樣本采集采取同一地塊采集的原則,蒜苗和蒜薹于5 月下旬同點采集,大蒜于6 月初采集。采取主點與副點組合方法,即在預采集樣點位置選擇1 個主點,在同一地塊內選擇3~4 個副點共同采樣,主副點樣本混合確定為1 件樣品。根系土為被采集大蒜樣本的根際土壤,同樣為主副點混合,用四分法留取約500 g 風干。研究共采集大蒜樣本60 件、蒜薹31 件、蒜苗31 件、根系土60 件。

土壤樣過0.85 mm 尼龍篩,取篩下物烘干后采用離子電極法測定pH;采用原子熒光法測定Se、Hg;采用X 射線熒光光譜法測定Cr、Cu、Zn、Sr、Mg、Ni、Pb 含量。大蒜、蒜薹和蒜苗樣先經清水淘洗,后用去離子水淘洗,室溫晾干經專用機具加工至約0.42 mm 粒度,烘干后采用原子熒光法測定Se;采用等離子體質譜法測定Hg、Cr、Ni、Cu、Pb 含量;采用等離子體光譜法測定Zn、Sr、Mg 含量。各指標測定的原始報出率為100%,原始一次性合格率為100%,5% 樣本的重復性檢驗原始一次性合格率為100%。經評價,數據質量滿足分析評價要求。

1.4 數據分析

采用Excel 軟件對數據進行常規統計分析,采用SPSS 軟件進行描述性統計、方差檢驗和相關分析。

生物富集系數(Biological concentration factor,BCF)可表示大蒜及各部位的富集、積累和吸收能力與程度的定量關系,可反映大蒜及不同部位從土壤中吸收特定元素的能力[9]。

BCFi=Ci-Garlic/Ci-Soil×100% (1)

式中,BCFi為作物i 元素的富集系數,Ci-Garlic指作物i 元素的含量,Ci-Soil 為作物所對應根系土的i元素含量。單位均為μg/kg。

生物轉運系數(Biological transshipment factor,BTF)可表示大蒜由不同部位轉運能力與程度的定量關系,可反映大蒜從地下部位運移吸收特定元素的能力[10]。

BTFi=Ci-Above/Ci-Root×100% (2)

式中,BTFi為作物對i 元素的轉運系數,Ci-Above指蒜苗、蒜薹中i 元素的含量,Ci-Root指大蒜中i 元素的含量。單位均為μg/kg。

2結果與分析

2.1 大蒜富Se 程度評價

從表1 可以看出,大蒜Se 含量處于29.9~120.0 μg/kg,均值為43.6 μg/kg;蒜苗Se 含量處于7.2~39.4 μg/kg,均值為18.4 μg/kg;蒜薹Se 含量處于8.0~45.2 μg/kg,均值為21.7 μg/kg;根系土Se 含量處于167~654 μg/kg,均值為342 μg/kg。對照農業部富硒大蒜行業標準[11],Se 含量為30~300 μg/kg 被認定為富硒大蒜,研究區97% 的大蒜富硒。在土壤Se≥230 μg/kg 地塊中的大蒜Se 處于30.6~120 μg/kg,達100% 富硒。這一點也印證了堿性富硒土壤有效Se 含量高的事實,即在土壤總Se 含量低于譚見安[12]推薦的富硒土壤(400 μg/kg)限定值的情況下,大蒜也能100% 富硒。參照大蒜標準判定,研究區蒜薹富硒率為19%,蒜苗富硒率為13%。同時,大蒜各部位Se 含量與根系土Se 含量的相關分析結果表明,大蒜Se 含量與根系土Se 含量呈極顯著正相關(R=0.651,P<0.01),蒜苗Se含量與根系土Se 含量呈顯著相關(R=0.395,P<0.05),蒜薹Se 含量與根系土Se 含量相關性不顯著(R=0.258),大蒜、蒜薹和蒜苗3 種樣品間Se 含量呈極顯著正相關(P<0.01)。地上部位(蒜薹、蒜苗)和地下部位(大蒜)Se 含量分別與根系土Se 含量的相關性差異驗證了生長周期對作物Se 的吸收影響。

2.2 大蒜富Se 能力評價

通過計算,分別獲取了大蒜不同部位Se 的富集系數和轉運系數,結果如表1 所示,大蒜Se 的富集系數處于8.0%~27.5%,均值為13.0%;蒜苗Se的富集系數處于1.9%~13.0%,均值為5.7%;蒜薹Se 的富集系數處于2.4%~14.9%,均值為6.7%??傮w來看,富集能力大小呈現大蒜>蒜薹>蒜苗。進一步根據馬強等[7]對青海東部作物Se 的統計分析,富集系數高于20% 劃分為強富Se 潛力作物,富集系數處于10%~20% 劃分為中等富Se 潛力作物,富集系數小于10% 劃分為弱富Se 潛力作物??梢?,大蒜屬中等富Se 潛力作物,蒜薹和蒜苗屬弱富Se 作物。收集全國其他區域大蒜Se 富集系數資料, 如陜西漢陰地區大蒜Se 富集系數為5.1%~9.6%[13],整體上低于青海大蒜富Se 水平。反映了青海大蒜的富Se 能力和潛力,這與土壤Se 的有效性有關聯。

2.3 大蒜轉運Se 能力評價

轉運系數是反映地上部分對地下部分的運輸和富集能力的指標,為進一步表征蒜苗和蒜薹對Se 的吸收差異,揭示大蒜對Se 的運轉能力和富集機制,假定用大蒜Se 測定值代表蒜薹、蒜苗采集時的根部Se。估算得出,蒜苗Se 轉運系數處于17.8%~80.9%,均值為43.6%;蒜薹Se 轉運系數處于24.9%~109.8%,均值為51.8%。蒜薹有6%的樣本轉運系數大于1,蒜苗100% 的樣本轉運系數小于1,且蒜薹轉運系數均值大于蒜苗,說明蒜薹在抽薹期具有比蒜苗更強轉運Se 的能力,大蒜地上部分的Se 有向花莖聚集的趨勢。已有試驗表明,外源硒酸鹽比亞硒酸鹽具有更好的轉運效果[14-15]。由此推測,研究區堿性土壤區硒酸鹽占比較高,其作物轉運Se 的能力也越強,這與堿性土壤區有效Se 高的效應相一致。土壤中無機硒由根部轉化成有機硒進入大蒜植株體內,蒜苗和蒜薹在特定的生長期吸收轉運了根部的有機Se,且蒜薹的轉運能力強于蒜苗。這一結論也為發展高原富硒蒜薹產業提供了技術思路和支撐。

2.4 大蒜Se 與其他元素的吸收關聯分析

Se 在經土壤向作物、作物向動物和人體等介質轉化過程中,從量上存在相互制約關系[16-19]。而土壤作為作物Se 獲取的直接來源,其有利的理化條件是關鍵。研究區屬我國西北典型的堿性土壤,具有比酸性土壤更活躍的易溶硒酸鹽,利于作物吸收的有效Se 高,富Se 潛能較大[20]。再者,研究區屬干旱咸水湖沉積型富硒土壤,具有重金屬低、供給源穩定,Se 含量適中等特點,同時Sr、Mg、Ca 等鹽類物質豐富,具備多種有益元素疊加富集的優勢[21]。Se 還具有與重金屬發生拮抗的作用,通過減輕氧化應激、直接抑制重金屬的吸收、與重金屬結合形成難溶性復合物等作用而阻斷其轉運等方式緩解重金屬對作物的毒害作用[22-24]。因此,基于以上3 點論述,研究大蒜-土壤系統Se 與其他有益、有害元素間的影響關系,以期為富硒大蒜高品質開發提供依據。

表2 列出了Se 與Sr、Mg、Cu、Zn、Cr、Ni、Hg、Pb 等元素在大蒜-土壤系統中的富集系數相關關系矩陣。

從表2 可以看出,大蒜中富Se 系數與富Cu、富Zn、富Cr 系數在P<0.01 水平上呈極顯著正相關關系;與富Hg 系數在P<0.05 水平上呈顯著正相關關系。同時,富Sr系數與富Zn、富Ni系數在P<0.01 水平上呈極顯著正相關關系;與富Hg 系數在P<0.05水平上呈顯著正相關關系。富Mg 系數與富Cr、富Ni 系數在P<0.01 水平上呈極顯著正相關關系;與富Pb 系數在P<0.05 水平上呈顯著正相關關系。富Cu 系數與富Zn、富Cr、富Ni 系數在P<0.01 水平上呈極顯著正相關關系。富Zn 系數與富Cr、富Ni 系數在P<0.01 水平上呈極顯著正相關關系;與富Pb、富Hg 系數在P<0.05 水平上呈顯著正相關關系。富Cr 系數與富Ni 系數在P<0.01 水平上呈極顯著正相關關系。富Ni 系數與富Pb 系數在P<0.05 水平上呈顯著正相關關系。以此揭示,富Se大蒜有富Cu、Zn、Cr 的潛力,與Ni、Pb 可能存在拮抗反應。而研究表明,Cr 是人體必需的微量元素之一,作為胰島素的增敏劑參與影響糖、脂肪和蛋白質的代謝,是胰島素的一種協同激素。又基于土壤中Cr 經農作物轉化吸收進入農產品中,多以有機鉻形式存在[25-27],且研究區土壤和農產品Cr 等均不超標,在一定范圍內Cr 可作為人體補充微量元素的有益成分。因此,研究區富Se 大蒜有疊加富Cu、Zn、Cr 等微量元素的優勢。

3結論與討論

青藏高原東部是大蒜主產區,同時也是天然富硒區。以基于當地土壤特性的富硒標準,推薦土壤Se≥230 μg/kg 可認定為富硒土壤,該土壤產出的大蒜富硒率為100%,蒜薹富硒率19%,蒜苗富硒率13%。大蒜Se 含量與根系土Se 含量顯著正相關。大蒜Se 富集系數為13%,蒜薹Se 富集系數為6.7%,蒜苗Se 富集系數為5.7%,富Se 能力由根部向花莖至莖葉依次減弱。依據青海東部作物Se 富集系數分級建議,可將大蒜劃分為中度富Se 類作物,蒜薹和蒜苗劃分為弱富Se 類作物。大蒜相比國內其他地區具有較高的富Se 能力。大蒜中Se 向蒜薹的傳輸轉運能力高于向蒜苗的轉運能力?;诖笏?土壤系統中Se 的富集轉運能力比較,蒜薹較蒜苗具有較高累積Se 的能力。大蒜在富Se 的同時,與Cu、Zn、Cr 等微量元素呈正相關,能發生協同吸收效應;與Ni、Pb 等元素不相關,可發生復合性協同拮抗反應。

綜上,研究區大蒜具有較高的富Se 能力,同時能協同吸收土壤中的微量元素Cu、Zn 和Cr,集合了大蒜富含有機硫化物的抗菌抗癌、Se 抗氧化抗癌抗衰老、Cu 促血液神經和免疫系統的功能發揮、Zn 參與體內多種激素合成激發代謝及Cr 增加體內胰島素的敏感活力等五大健康功效,可成為培育多功能食品的目標產品。另外,研究區大蒜硒富集特性可為堿性富硒土壤區的硒資源高效利用提供較好的借鑒,對高原大蒜富硒產業構建和服務鄉村振興戰略具有拓展意義。針對堿性土壤區富硒大蒜的有機Se 形態以及Se 與S 是否存在迭代作用等還需要進一步研究,研究區產出的富Se 或含Cu、Zn和Cr 的大蒜、蒜薹與國內酸性富硒區的比對,以及Cr 的無機價態占比和對人體的健康效應分析,都將成為后續產品開發中需要解決的重點。有關大蒜的深加工及保健產品研發也是研究成果衍生的重要方向。

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