土壤—植物系统硒的迁移转化机制研究进展

doi:10.11867/j.issn.1001-8166.2022.090

地球科学进展 ›› 2023, Vol. 38 ›› Issue (1): 44 -56. doi: 10.11867/j.issn.1001-8166.2022.090

土壤—植物系统硒的迁移转化机制研究进展

钟庆祥 ¹(

), 张豫 ², 陶贞 ¹(

), 贺一聪 ¹, 吴迪 ¹, 林培松 ²

^1.中山大学地理科学与规划学院，广东省城市化与地理环境空间模拟重点实验室，广东广州 510006
^2.嘉应学院地理科学与旅游学院，广东梅州 514015

收稿日期:2022-06-13 修回日期:2022-10-08 出版日期:2023-01-10
通讯作者: 陶贞 E-mail:zhongqx6@mail2.sysu.edu.cn;taozhen@mail.sysu.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金项目“雅砻江下游梯级筑坝对河流生源物质性质和输出的改变机制研究”(41771216);广州市科技计划项目“南沙滨海生态系统土壤碳汇功能的关键过程与调控机制”(202201011738)

Advance on Selenium Migration and Transformation Mechanism in Soil-plant Systems

Qingxiang ZHONG ¹( ), Yu ZHANG ², Zhen TAO ¹( ), Yicong HE ¹, Di WU ¹, Peisong LIN ²

^1.School of Geography and Planning, Sun Yat-Sen University, Guangdong Key Laboratory for Urbanization and Geosimulation, Guangzhou 510006, China
^2.School of Geography and Tourism, Jiaying University, Meizhou Guangdong 514015, China

Received:2022-06-13 Revised:2022-10-08 Online:2023-01-10 Published:2023-02-02
Contact: Zhen TAO E-mail:zhongqx6@mail2.sysu.edu.cn;taozhen@mail.sysu.edu.cn
About author:ZHONG Qingxiang (1998-), male, Maoming City, Guangdong Province, Master student. Research area includes selenium biogeochemical cycle research. E-mail: zhongqx6@mail2.sysu.edu.cn
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China “Study of the altering riverine biogenic matter transformation and its export fluxes with cascade damming in the lower reach of the Yalongjiang River”(41771216);Guangzhou Municipal Scientific Program “Key processes and regulation mechanisms of soil carbon sink in Nansha coastal ecosystem”(202201011738)

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元素硒是许多生物（包括土壤微生物，植物、动物和人类）机体必需的微量营养元素之一，而且对植物、动物和人具有双重生物效应。半个多世纪以来土壤—植物系统元素硒的迁移、转化和富集过程一直备受关注。土壤硒的存在形态包括可溶态硒、可交换态及碳酸盐结合态硒、铁锰氧化物结合态硒、有机物结合态硒和残渣态硒5种形态，其中可溶态硒和可交换态及碳酸盐结合态硒具生物有效性，有机物结合态硒随着有机质分解可转化为可溶态硒而成为土壤潜在有效硒源。不同植物硒含量水平取决于区域土壤有效硒含量和不同植物的硒吸收和富集水平。因此，土壤硒的生物有效性是决定食物链硒含量的关键，同时土壤有效硒通过调节根际环境和植物代谢过程提高植物抗逆性。土壤—植物系统元素硒的迁移和转化是一个复杂的生物地球化学过程，受地壳运动、母岩性质、气候、地貌、土壤环境（物理、化学和微生物活动）条件、土壤硒含量及其化学性质、植物种类及其生理习性、田间管理过程等因素的耦合作用影响。为充分合理利用土壤硒资源，将来应加强植物体内，尤其是主要粮食作物、蔬菜、果树和地道药材叶片、果实中硒迁移、转化和富集研究，为缺硒地区硒的生物强化、富硒地区农作物种植选择和居民食品选择及其风险评价提供基础数据。

关键词: 硒, 生物有效性, 生物效应, 生物强化, 土壤—植物系统

Selenium (Se) is an essential micronutrient for many organisms (including soil microorganisms, plants, animals, and humans), and has dual biological effects on plants, animals, and humans. The migration, transformation, and enrichment of Se in soil-plant systems have attracted considerable attention for more than half a century. There are five forms of soil Se: soluble Se (SOL-Se), exchangeable carbonate-bound Se (EXC-Se), iron-manganese oxide-bound Se (FMO-Se), organic matter-bound Se (OM-Se), and residual Se (RES-Se), of which SOL-Se and EXC-Se are characterized by bioavailability. OM-Se can be converted into soluble Se by the decomposition of organic matter and is a potentially effective selenium source in soil. The Se content of different plants depends on the soil-available Se content and the Se absorption and enrichment levels of different plants. Therefore, the bioavailability of soil Se plays a critical role in determining the Se content in the food chain, and soil-available Se can improve plant stress resistance by regulating the rhizosphere environment and metabolic processes. Soil-plant system Se migration is a complex biogeochemical process that is dominated by coupled crustal movement, parent rock properties, climate, geomorphology, soil environment (physico-chemical properties and microbial activity) conditions, soil Se content and chemical properties, plant species and biological habits, and field management processes. For the rational utilization of soil Se resources, research needs to focus on Se migration, transformation, and enrichment in plants, especially the main food crops, vegetables, fruit trees, and Authentic Chinese herbs. This study provides basic data for Se biofortification in Se-deficient areas, and crop selection, food selection, and risk assessment in Se-rich areas.

Key words: Selenium, Bioavailability, Biological effects, Biofortification, Soil-plant system

中图分类号:

P595

图1 全球土壤硒含量和分布^{［

18
］}

Fig. 1 Selenium content and distribution in global surface^{［

18
］}

图2 我国天然土壤表层硒含量变化（数据来源于参考文献［ 11 ］）

Fig. 2 Selenium content in soil in different areas of China（data from reference ［ 11 ］）

表1 不同植物硒含量

Table 1 Selenium content in plants

植物名称	部位	硒含量/（mg/kg）	参考文献
黄芪	根	32.833	［ 23 ］
小叶章	叶片	0.007	［ 23 ］
扁豆	籽粒	0.24~0.36	［ 4 ］
土豆	块茎	0.12	［ 4 ］
豌豆	籽粒	0.05~79.60	［ 17 ］
燕麦	籽粒	0.05~1.00	［ 17 ］
小白菜	地上部	0.16±0.06	［ 24 ］
小麦	籽粒	0.005 2~0.440 0	［ 20 ］
玉米	籽粒	0.072	［ 25 ］
茶树	叶片	0.148±0.010	［ 26 ］

表1 不同植物硒含量

Table 1 Selenium content in plants

植物名称	部位	硒含量/（mg/kg）	参考文献
黄芪	根	32.833	［ 23 ］
小叶章	叶片	0.007	［ 23 ］
扁豆	籽粒	0.24~0.36	［ 4 ］
土豆	块茎	0.12	［ 4 ］
豌豆	籽粒	0.05~79.60	［ 17 ］
燕麦	籽粒	0.05~1.00	［ 17 ］
小白菜	地上部	0.16±0.06	［ 24 ］
小麦	籽粒	0.005 2~0.440 0	［ 20 ］
玉米	籽粒	0.072	［ 25 ］
茶树	叶片	0.148±0.010	［ 26 ］

表2 土壤硒赋存形态及性质

Table 2 Forms and properties of selenium in soil

土壤硒赋存形态	缩写	性质
可溶态硒	SOL-Se	含量较低，主要呈SeO $4 2 -$ 、SeO $3 2 -$ 和可溶有机硒化物形式存在，易迁移、可被植物吸收利用^{［ 33 ］}
可交换态及碳酸盐结合态硒	EXC-Se	有效硒的主要组分，存在形式有通过离子交换吸附在矿物表面的SeO $3 2 -$ 、与碳酸盐共存的SeO $3 2 -$ 和SeO $4 2 -$ ，在酸性条件下溶解^{［ 34 ］}
铁锰氧化物结合态硒	FMO-Se	一般不能被植物吸收利用，在还原条件下随铁、锰还原释放到土壤中
有机物结合态硒	OM-Se	主要为胡敏酸结合硒（HA-Se）、富里酸结合硒（FA-Se），其中FA-Se易向可溶态硒转化^{［ 24 ， 35 ］}
残渣态硒	RES-Se	以硫化物结合态硒和含硒硅酸盐矿物为主，不能被植物吸收利用^{［ 33 ］}

表2 土壤硒赋存形态及性质

Table 2 Forms and properties of selenium in soil

土壤硒赋存形态	缩写	性质
可溶态硒	SOL-Se	含量较低，主要呈SeO $4 2 -$ 、SeO $3 2 -$ 和可溶有机硒化物形式存在，易迁移、可被植物吸收利用^{［ 33 ］}
可交换态及碳酸盐结合态硒	EXC-Se	有效硒的主要组分，存在形式有通过离子交换吸附在矿物表面的SeO $3 2 -$ 、与碳酸盐共存的SeO $3 2 -$ 和SeO $4 2 -$ ，在酸性条件下溶解^{［ 34 ］}
铁锰氧化物结合态硒	FMO-Se	一般不能被植物吸收利用，在还原条件下随铁、锰还原释放到土壤中
有机物结合态硒	OM-Se	主要为胡敏酸结合硒（HA-Se）、富里酸结合硒（FA-Se），其中FA-Se易向可溶态硒转化^{［ 24 ， 35 ］}
残渣态硒	RES-Se	以硫化物结合态硒和含硒硅酸盐矿物为主，不能被植物吸收利用^{［ 33 ］}

图3 土壤—植物系统硒的迁移转化过程示意图
（a）根际土壤硒的迁移转化过程；（b）植物硒的迁移转化

Fig. 3 Selenium migration and transformation in soil-plant system
（a） Selenium migration and transformation in rhizosphere；（b） Selenium metabolism in plant

表3 土壤—植物系统硒含量、迁移转化过程及其生物有效性分析方法

Table 3 Methods for measurement and analysis of bioavalible selenium content in soil-plant system

方法	原理和特征	应用范围和优缺点
土壤硒组分提取	化学浸提法基于溶质在不同溶剂之间溶解度和离子交换强度的差异，萃取土壤样品中的不同结合态硒^{［ 34 ］} DGT法基于离子扩散平衡和固定膜的选择性吸收来分离环境中的目标物^{［ 41 ］} DMT法利用带正电荷的阴离子交换膜分离溶液中的离子和胶体颗粒	单一化学浸提法：主要用于快速判断土壤硒生物有效性水平^{［ 5 ］}；这一方法缺乏普适性^{［ 81 ］}
		五步连续化学浸提法：侧重于土壤中有效硒和潜在有效硒的分析；被广泛接受。连续浸提过程中存在硒的再分配和再吸附问题
		DGT法：模拟植物对土壤硒的动态吸收过程，具有普适性 DGT装置成本较高^{［ 81 ］}
		DMT法：DMT分析过程中样品不被稀释，适用于低硒浓度的环境样品^{［ 82 ］}
植物硒组分提取	湿消解法利用混合酸进行植物样品消解，HG-AFS或ICP-MS进行测定酶解法用特定的蛋白酶将有机硒从细胞蛋白中游离出来。液相萃取法通过有机溶剂或酸、碱溶液作为萃取溶剂，提取植物有机硒^{［ 83 ］}	湿消解法：用于植物组织总硒含量的提取；不能区分植物硒组分的结合形式
		酶解法：提取植物有机硒，包括游离硒代氨基酸和含硒蛋白中的有机硒组分。提取过程硒形态稳定，回收率高
		液相萃取法：提取游离的小分子有机硒；效率低，提取过程存在有机硒分解和硒形态转变的情况
同位素示踪	硒有6种稳定同位素（⁷⁴Se、⁷⁶Se、⁷⁷Se、⁷⁸Se、⁸⁰Se和⁸²Se）和2种放射性同位素（⁷⁵Se和⁷⁹Se）	通常用δ^82/76Se值表征土壤硒迁移转化过程中发生的同位素分馏^{［ 28 ， 84 - 85 ］}和验证植物对不同形式硒的吸收、积累和转化
ARE系统	分析矿物质在土壤固相—土壤液相—根系—植物组织间迁移转化的过程机制^{［ 86 ］}	土柱实验：利用土柱实验和光谱分析数据，揭示土壤硒酸盐和亚硒酸盐在土壤中的吸附—解吸以及运移过程^{［ 87 - 88 ］}
		搅拌流法：利用搅拌流法和模型拟合吸附曲线，分析锰氧化物对Se（Ⅳ）的吸附和氧化过程^{［ 60 ］}
		抑制剂法：添加阴离子通道抑制剂或呼吸抑制剂，分析不同形式硒进入根细胞的生理机制和能量消耗^{［ 51 ］}
		基因组分析：利用PCR技术对植株蛋白质进行测序与分析，以确定植物吸收和转运硒的方式与机理^{［ 47 ］}

表3 土壤—植物系统硒含量、迁移转化过程及其生物有效性分析方法

Table 3 Methods for measurement and analysis of bioavalible selenium content in soil-plant system

方法	原理和特征	应用范围和优缺点
土壤硒组分提取	化学浸提法基于溶质在不同溶剂之间溶解度和离子交换强度的差异，萃取土壤样品中的不同结合态硒^{［ 34 ］} DGT法基于离子扩散平衡和固定膜的选择性吸收来分离环境中的目标物^{［ 41 ］} DMT法利用带正电荷的阴离子交换膜分离溶液中的离子和胶体颗粒	单一化学浸提法：主要用于快速判断土壤硒生物有效性水平^{［ 5 ］}；这一方法缺乏普适性^{［ 81 ］}
		五步连续化学浸提法：侧重于土壤中有效硒和潜在有效硒的分析；被广泛接受。连续浸提过程中存在硒的再分配和再吸附问题
		DGT法：模拟植物对土壤硒的动态吸收过程，具有普适性 DGT装置成本较高^{［ 81 ］}
		DMT法：DMT分析过程中样品不被稀释，适用于低硒浓度的环境样品^{［ 82 ］}
植物硒组分提取	湿消解法利用混合酸进行植物样品消解，HG-AFS或ICP-MS进行测定酶解法用特定的蛋白酶将有机硒从细胞蛋白中游离出来。液相萃取法通过有机溶剂或酸、碱溶液作为萃取溶剂，提取植物有机硒^{［ 83 ］}	湿消解法：用于植物组织总硒含量的提取；不能区分植物硒组分的结合形式
		酶解法：提取植物有机硒，包括游离硒代氨基酸和含硒蛋白中的有机硒组分。提取过程硒形态稳定，回收率高
		液相萃取法：提取游离的小分子有机硒；效率低，提取过程存在有机硒分解和硒形态转变的情况
同位素示踪	硒有6种稳定同位素（⁷⁴Se、⁷⁶Se、⁷⁷Se、⁷⁸Se、⁸⁰Se和⁸²Se）和2种放射性同位素（⁷⁵Se和⁷⁹Se）	通常用δ^82/76Se值表征土壤硒迁移转化过程中发生的同位素分馏^{［ 28 ， 84 - 85 ］}和验证植物对不同形式硒的吸收、积累和转化
ARE系统	分析矿物质在土壤固相—土壤液相—根系—植物组织间迁移转化的过程机制^{［ 86 ］}	土柱实验：利用土柱实验和光谱分析数据，揭示土壤硒酸盐和亚硒酸盐在土壤中的吸附—解吸以及运移过程^{［ 87 - 88 ］}
		搅拌流法：利用搅拌流法和模型拟合吸附曲线，分析锰氧化物对Se（Ⅳ）的吸附和氧化过程^{［ 60 ］}
		抑制剂法：添加阴离子通道抑制剂或呼吸抑制剂，分析不同形式硒进入根细胞的生理机制和能量消耗^{［ 51 ］}
		基因组分析：利用PCR技术对植株蛋白质进行测序与分析，以确定植物吸收和转运硒的方式与机理^{［ 47 ］}

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