硒的土壤与生物营养研究!

硒的土壤与生物营养研究及农业上的应用,汪根法,主要内容,硒与动植物和人类的健康我国土壤中硒的含量与分布土壤硒的赋存形态硒的生物有效性及其与环境条件的关系动物和人的硒营养水平调控硒的农业研究与应用,序言,非金属元素硒位于元素周期表第四周期第A族。硒在1817年被瑞典科学家柏齐济阿斯发现后，很长时期都被认为是有害元素。1957年Schwarz和Foltz研究报告，膳食硒可以防止维生素缺乏的大鼠肝坏死以后，才发现硒是生物必需微量元素，并确立了硒在医学生物领域中的地位。截止目前，对硒的研究已取得了卓著的成就。,序言,研究表明 硒对人和动物都有许多重要的生理功能，并与健康关系密切；但其毒性与营养之间仅有狭小的范围缺乏和过多都会致病。世界上有三分之二的地区、中国有72%的县、市都不同程度缺硒。人和动物的硒营养主要来源于食物链，从食物链中获取硒营养是比较安全、可靠而且可行的。我国国民的硒摄入量不足！,一、硒与动植物和人类的健康,硒与动植物和人类的健康关系密切（一）硒与植物 硒作为作物生长的必需元素的实验证明日趋增多。现已表明，硒可能是高等植物生长的必需元素，植物自身对硒的吸收积累有差异，植物之间含硒量可相差100倍以上。根据植物对硒的积累能力将植物分为聚硒植物、非聚硒植物、高硫高硒植物三类。,一、硒与动植物和人类的健康,聚硒植物 可以忍耐高硒浓度而在高硒土壤中生长。非聚硒植物 含硒量在1mg/kg以下。高硫高硒植物 可积蓄较高的硒和硫。 一般作物中，以十字花科积蓄硒能力强，谷类最弱；天然植物以乔木最强，单子叶植物最弱；生长期短的蔬菜、水果积蓄能力弱。,一、硒与动植物和人类的健康,农业生产中观察到，施少量的硒对农作物生长和农产品品质有促进作用，在陕西大骨节病区对土壤施硒可以提高谷子的产量，东北对玉米、小麦、大豆进行喷硒试验均促进了增产。,一、硒与动植物和人类的健康,（二）硒与动物 动物因缺硒相关的病多达几十种。 血肌病是缺硒地区牲畜的病症，表现为心肌、骨骼肌灰白，萎缩病变； 禽类渗出性素质病、胰肝纤维病变、牛羊腹泻、繁殖低下、流产、死胎猪的桑葚心等与缺硒有关。 摄硒过量也有害动物的健康，如高硒地区的动物蹒跚病、碱毒病等。,一、硒与动植物和人类的健康,禽流感与缺硒的关系,一、硒与动植物和人类的健康,（三）硒与人类 二十年来，人们逐渐认识并确认了硒对生命过程的重要性。硒作为必需的微量元素，在人体中的功能是无法替代的。 概括的说，硒对人体有以下作用：清除号称“人体垃圾”的自由基，从而实现延缓衰老的目的；维护白血球及容菌酶的活性,增加人体的免疫能力；保护血液中的红细胞，红细胞中的血红白蛋白就不会被氧化，其携氧能力就强，就能把充足的氧带给机体的每一个细胞，使每一个细胞都能维持正常功能。参与损伤心肌的修复，预防和辅助治疗心血管疾病；并对辐射损伤有明显的修复能力；是铅、砷、汞、镉、铊等有害重金属的天然解毒剂，可以减轻和防止其对人体的毒害。预防和辅助治疗肝脏病、糖尿病、克山病、哮喘病等40多种疾病；有“抗癌之王”之称誉,一、硒与动植物和人类的健康,硒可防治人类多种疾病心脏病 芬兰一项大范围研究发现，低血硒的人患心脏病死亡的人数为血中高浓度硒的人的3倍。硒能多方面保护心脏：阻止血小板聚集；阻止坏胆固醇破坏动脉壁；改善心肌的血氧供应；保护心脏免受病毒感染等 。糖尿病 硒具有降低血糖和拟胰岛素作用，糖尿病患者血硒平均值明显低于健康人，服含硒中药可改善糖尿病者的症状 。癌症 研究表明，硒可以在总体上降低40%的癌症风险，并对前列腺癌、肠癌和肺癌的效果最为明显。还有研究指出，硒可抑制肝癌、乳腺癌和白血病等多种癌症的发生和发展。抗衰老 我国人群调研结果，人体硒水平与长寿水平呈正相关的线性关系。人体硒水平偏低，到达衰老期就较早。有专家报道，长寿老人头发中的硒较常人为高，百岁老人血液中硒含量比常人高3倍！免疫能力 研究证实，硒能维持白血球及泪液内溶菌酶的活性，增强体液免疫功能，刺激免疫球蛋白及抗体形成 。,一、硒与动植物和人类的健康,中国预防医学科学院著名营养家杨光圻教授，潜心研究了人体硒需要量和安全摄取量的范围，他的研究数据已被国内外学者、营养机构和国际组织所采用： 每日最低需要量为22g，低于这个量就该得硒缺乏症；最大安全摄取量为400g（高硒地区可偏高到550g），说明每天摄取400g硒是安全的；人体每日最高硒摄取量为990g；最低有毒摄取量的平均值为1540g。据估计，美国人在一般饮食中，每天可摄入硒60g，英国人每天的硒摄入量约为70g，日本为88g，加拿大为98224g，北京市居民每日硒摄入量仅为60g，而我国东北克山病、大骨节病区每天的硒摄入量甚至低于10g。,二、我国土壤中硒的含量与分布,硒的含量很少，地球上的丰度在510-8 910-8之间；土壤硒含量变化大，一般为0.0052mg/kg(0.75-300克/亩.20cm耕层)，平均值0.3mg/kg(45克/亩. 20cm耕层)。我国表层土壤硒含量范围0.0069.13mg/kg(0.9-1369.5克/亩. 20cm耕层)，算术平均值为0.29mg/kg（43.5克/亩. 20cm耕层）。其中硒含量最高的为赤红壤，其次为红壤、黄壤，含量最低的为棕漠土、灰漠土。,二、我国土壤中硒的含量与分布,硒的分布不均衡，地域间差异大（贫富差距1:3923）。我国有一条贯穿东北与西南的、以棕褐土系为中心的低硒地带，包括十多个省份的部分地区，这些地带土壤硒含量低于临界值0.127mg/kg （19.05克/亩. 20cm耕层）；相应的高硒地区分布于湖北南部的恩施市，然后经长江三峡地带向西北延伸到陕西紫阳县。如紫阳县硒中毒区的土壤硒含量高达23.54mg/kg （3525克/亩. 20cm耕层），是我国典型的富硒地区。,二、我国土壤中硒的含量与分布,三、土壤硒的赋存形态,土壤中硒的全量分析是确定土壤硒营养状况（或污染水平）及环境容量的重要手段，但全量硒却不能很好地提供硒的生物有效性和流动性方面的信息。硒在土壤中的吸持、富集、迁移和转化及在植物营养化学上的意义与硒的存在形态有关，硒在土壤中的形态与分布又是硒向食物链迁移的关键。因此，目前硒含量的研究多关注硒的形态。,三、土壤硒的赋存形态,研究 表明，从整体上土壤硒形态可分为两大类： （一）无机态硒 根据其价态不同，无机态硒的存在有四种。 1、元素硒(Se0) 来源于土壤微生物还原成为高价硒，它不溶于水，也不能直接被植物吸收，仅在适当条件下，部分地转化为可溶性硒。,三、土壤硒的赋存形态,（2）硒化物（Se2-） 其中的氢化物是易于挥发的气体，金属硒化物难溶于水，也不为植物所吸收利用，在风化过程中释放出少量可溶性硒。 （3）亚硒酸盐（ SeO3 2-） 易溶于水，易被植物吸收利用，它代表了土壤中的主要硒形态，含量一般在土壤总硒量的40%左右；但易被土壤所吸附，也易被有机物固定（可能是微生物合成含硒氨基酸和有机化合物），既使其在土壤中得以保存，也在一定程度上限制硒向食物链的迁移。,三、土壤硒的赋存形态,（4）硒酸盐（ SeO4 2- ） 硒的最高氧化态化合物，易溶于水，易被植物吸收，但又易被淋溶流失，多存在于干旱、通气良好的碱性土壤。在自然土壤的氧化还原势下，硒酸盐在土壤中的含量很少，植物有效利用量较为有限。 （二）有机态硒 源于植物、动物的腐解，部分经土壤微生物的进一步分解而成为小分子烷基化合物。土壤中的有机态硒通常在总硒量的20%以上，其中相当部分是可溶的，易被植物吸收。,四、硒的生物有效性及其与环境条件的关系,微量元素的生物有效性问题一直引起人们的广泛关注。有些元素以较高浓度存在于土壤中而不引发生危害性，主要取决于其形态、价态和理化性质。土壤硒的有效性决定于水溶性硒的数量。水溶性硒和植物摄硒量显著相关，可作为土壤硒有效性的评价指标；土壤有效硒尤其是水溶性硒是决定食物链硒营养水平的关键；预测硒的生物有效性还对评价其潜在环境毒性至关重要。,四、硒的生物有效性及其与环境条件的关系,硒在岩石土壤植物动物（人）间的循环，实际上是硒的生物地球化学过程，有效硒主要发生在土壤植物这一关键环节。作为息息相关的硒循环体系中的某一特定组分，硒的有效性必然受岩矿类型、土壤母质、土壤理化性质甚至植物种类的影响。,四、硒的生物有效性及其与环境条件的关系,（一）岩矿和土壤类型 硒几乎存在于所有岩石中，但含硒量与岩石的岩性和形成时代密切相关。从变质岩、岩浆岩到沉积岩，硒的丰度下降。在岩浆岩系列中，由酸性岩至基性岩，硒含量递增； 这两个变化序列说明，岩浆活动是硒的主要来源。,四、硒的生物有效性及其与环境条件的关系,原生地质环境中，硒的另一来源归于富硒的沉积层，如中生代黑色页岩和煤（黄山市有侏罗纪、白垩纪的紫色土）。从目前的含硒矿床和富硒地层分析，它产出的大地构造位置，一般在扬子地台的周缘（我市属于此！）和南秦岭区，赋矿地层一般是下寒武系（石灰岩）和二叠系黑色页岩（黄山市没有）。,四、硒的生物有效性及其与环境条件的关系,土壤和风化壳是硒由不活动状态转化为活动状态的场所，土壤全硒的数量不仅代表土壤中硒的储量，而且也是土壤有效硒的基础和来源，从一定的意义上来说，土壤全硒量高，土壤有效硒的含量也就多。我国各土类全硒含量总的趋势是 东南地区各土类含硒量较高，西北地区各主要土类居中，其间地区各主要土类含量较低，形成从东北到西南地区连续的低硒带。,四、硒的生物有效性及其与环境条件的关系,（二）土壤酸碱度pH和氧化还原电位Eh 土壤和水溶液中硒的浓度和形态在很大程度上决定于环境介质中的pH和Eh。一般来说通气良好的碱性介质中，元素硒(Se0)或硒化物（Se2-）可被氧化为亚硒酸盐（ SeO3 2-）或硒酸盐（ SeO4 2- ），有机态硒分解后产生的H2Se，也可经氧化而成（ SeO3 2-）或（ SeO4 2- ），从而提高介质中硒的有效性。,四、硒的生物有效性及其与环境条件的关系,在强还原或酸性介质中，嫌气微生物可使氧化态硒还原成为Se0和 Se2-) ，使硒的有效性降低。pH和Eh是作为一个整体来影响硒的形态和含量的。pH还影响土壤对硒的吸持和植物对硒的吸收。研究表明，土壤氧化物对亚硒酸盐的吸持主要通过配位络合交换金属氧化物对亚硒酸根离子的吸附，这个过程受土体中的pH、可利用的吸附点位以及平衡液中阴离子数目等因素的影响，提高体系中的pH能减少硒的吸附。,四、硒的生物有效性及其与环境条件的关系,生长在pH高的土壤中的植物含硒量高：中性土壤中的紫花苜蓿对硒的积累量明显高于酸性土壤；生长在用石灰改良后的土壤上植物的含硒量比改良前高。原因可能在于 ：低pH条件下（pH5）,硒易形成可溶性金属络合物,降低硒的有效性;高pH时， Fe(OH)2可取代吸附点上的SeO3 2-，使SeO3 2- 进入溶液，导致硒的有效性增加。,四、硒的生物有效性及其与环境条件的关系,（三）土壤有机质有机质对硒的生态效应具有两重性。当它作为有机无机复合体粘粒吸附阴离子时，可能有利于硒的循环；当它只作为阴离子的环境宿体时，则可能成为屏障，从而影响硒的传输。实验证实，有机质对硒的影响主要表现为固定。有机质能大量富集硒，土壤中约有80%的硒与腐殖质相结合，一般认为与富里酸结合的硒能被植物吸收，而与胡敏酸结合的硒植物难以吸收。,四、硒的生物有效性及其与环境条件的关系,（四）土壤的吸附能力红壤和砖红壤等是含铁、铝、锰氧化物较高的酸性土壤，一般具有较高的硒吸附量，而灰漠土、紫色土等风化发育程度较低的碱性、石灰性土壤，一般对硒吸附较小。被土壤吸附的硒，有的不易解吸，从而限制了硒向食物链的迁移。,四、硒的生物有效性及其与环境条件的关系,（五）其它成分和因素的作用一般认为，蛋白质、氨基酸及水溶性氮素可促进植物对硒的吸收。硫与硒，性质相似，通常拮抗硒的吸收；但低硒水平土壤，硒与硫有相互协同吸收的作用。磷酸根离子会增加植物对硒的利用，但高磷环境下，施磷肥对硒的吸收又有抑制作用。多数情况下，微量的金属离子对植物吸收硒影响不大，而在重金属污染的情况下，影响植物对硒的吸收。,四、硒的生物有效性及其与环境条件的关系,土壤硒的含量丰缺标准： 缺硒（指土壤中的Se总量） 0.1mg/kg; 严重缺硒 0.020.05mg/kg;,五、动物和人硒营养水平的调控,研究表明，动物饲料含硒0.1ug/g,是满意而安全的剂量。对人健康有保护作用的日最大摄入量为500ug，低于17ug可能会出现低硒症状。硒的形态是影响生物吸收和利用硒的重要因素，为克服硒对人和动物带来的危害，近年来大量的动物实验和临床研究表明，硒形态对动物有利的顺序是：生物态型有机态型无机态型。,五、动物和人硒营养水平的调控,目前，为调节人的硒营养水平所开发和应用的硒制剂及富硒保健品主要有:亚硒酸钠、硒蛋氨酸、硒力口服液、富硒酵母、富硒盐、富硒麦芽、富硒藻类、富硒蛋、富硒米、富硒苹果、富硒茶等。然而，其中的亚硒酸钠是剧毒试剂，以Na2SeO3作为动物补硒的硒源，其风险大，因动物和人的需要量低（0.1-0.2ug/g），与中毒剂量（ 3-5ug/g ）相差范围小，且动物对其吸收利用率不高。,五、动物和人硒营养水平的调控,虽然通过食品添加或保健品来强化动物的硒营养是一种快速的方法，但仍然存在投资大、费用高、覆盖面小，不能根治硒营养不良的问题。利用天然食品补硒是一种安全的补硒途径。依据植物对硒的积累营养特性，通过农业技术措施，由植物吸收转化，通过食物链系统，调节硒的数量、价态和形态的变化，促进硒从土壤向食物链的迁移，促进硒从无机态向有机态转化，以更好地发挥硒有益于人类健康和发展畜牧业、种植业生产的生物效应和经济效应。,五、动物和人硒营养水平的调控, 通过食物链转化途径是动物和人类自身获得适量硒营养的一条安全、廉价、可行的调控途径！,五、动物和人硒营养水平的调控,品名 含硒微克/公斤 富硒茶 6000 鱿鱼干 1561 海参 1500 猪肾 1117 牛肾 700 大黄鱼 666 淡菜 578 海虾 572 螃蟹 510 牡蛎肉 541 墨斗鱼 420 带鱼 397 鸡肝 386 鲤鱼 354 鹅蛋 336 鸭蛋 307 鲳鱼 300 大蒜 276 淡水虾 272 南瓜子 270 鹌鹑蛋 255 鲢鱼 246 猪心 240,富硒食品,品名 含硒微克/公斤 西瓜子 234 鸡 蛋 223 鳝 鱼 204 牛 脑 203 猪 肝 198 羊 肝 177 人 参 150 白 果 145 兔 肉 140 鸭 肉 128 鲜蘑菇 122 瘦猪肉 120 鸡 肉 116 猪 肉 90 花生米 83 黄 芪 70 黄 豆 57 牛 奶 50 蚕 豆 35 豌 豆 31 大白菜 30 羊 肉 30 胡萝卜 22,六、硒的农业研究与应用,（一）富硒茶的开发茶叶是天然富硒能力较强的植物，茶叶中的硒80%为有机硒（蛋白质硒），所以茶叶是天然硒源植物。我国茶区广大，但富硒茶产区和产量均十分有限，开发富硒茶已成了茶叶生产提高经济效益的热点课题。研究表明，茶树不同器官含硒量背景值年度间变化不大，且根（140ug/kg）二年生枝条（120ug/kg）新叶 （104ug/kg） 老叶（78ug/kg）。,六、硒的农业研究与应用,富硒茶的开发思路 1、利用天然富硒母岩和土壤 富硒母岩和土壤环境是天然富硒茶生长的必要条件，继湖北恩施、陕西紫阳之后，我市周边石台县利用牯牛降南麓的珂田乡大山村成功开发除了富硒茶。,六、硒的农业研究与应用,2、人工施硒 我市处严重缺硒地区，土壤硒含量低，加之茶树能吸收利用的土壤硒主要包括有机硒、硒酸盐和亚硒酸盐，我市绝大多数茶园土壤呈酸性，硒主要以亚硒酸形态存在，茶树难以吸收利用。因此以人工施硒的方法开发富硒茶是主要途径。,六、硒的农业研究与应用,土壤施硒是开发富硒茶的技术措施之一。 试验表明，土壤施硒（3.33-13.32ug/kg土），茶叶产量较对照增产6.8-18.4%；但年茶叶含硒量提高幅度较小，第二年达到高峰，最高达 1665ug/kg，1-3年内可达富硒茶标准；以后逐年下降，后效期为56年。,六、硒的农业研究与应用,喷施硒肥也是开发富硒茶的重要技术措施。 试验还表明，在茶叶新梢生长期间喷施150-180mg/kg的亚硒酸纳水溶液，5天后即可采茶，其成品茶含硒量达到富硒茶的标准（0.3-5ug/kg）；第6天新梢含硒量达到最大值，其后以8-10%的日速率递减；从喷后第10天至第18天内，可采摘富硒茶。,六、硒的农业研究与应用,(二)大豆对硒的富集动态研究大豆累积硒的能力较强。大豆中的硒主要存在于蛋白质中，对人体的有效性居植物性食物的前列。大豆全生育期都能积累，且积累随生育期进程而逐渐增强，成熟期达高峰；成熟收获时各器官的硒含量：根成熟种子叶茎；大豆对硒的生物富集以生长后期为主，生