设施蔬菜生产系统中硒元素土壤生物地球化学研究

Taking greenhouse vegetable farming system, a special agro-ecosystem in China, as a study object and using HPLC-ICP-MS technique at trace level, batch experiments, greenhouse simulation experiments, and field experiments, this program will systematically evaluate migration and transformation of chemical speciations and fractions of selenium (Se) in soils at trace level, behaviors and mechanisms of Se adsorption-desorptions in soils, and relationships between Se availability in soils and Se uptakes by vegetables under the conditions of rapid changes of soil pH, frequent cyclings of organic matter, and heavy accumulations of phosphrous and nitrate. The objectives are to understand deeply soil biogeochemistry of Se and to clarify the regulating and controlling principles of Se amendment in soil under intensively farming practices in the ecosystems. Theoretically, the results will contribute to new knowledge for soil biogeochemistry and, practically, also will contribute to rationale foundation for developing Se regulation technologies.

本项目以我国设施蔬菜生产这一特殊的农业生态系统为研究对象，运用高效液相色谱-电感耦合等离子体质谱联用(HPLC-ICP-MS)测定技术、实验室批实验、温室模拟实验和野外田间试验等手段，详细研究系统内土壤 pH 急剧变化、有机质快速循环、磷素和盐分强烈积累等条件下，土壤微量硒元素化学形态和赋存形态的迁移转化过程，土壤对硒元素的吸附/解吸行为及机理，土壤硒元素的有效性与作物吸收之间的关系等。其目的是深入地认识高强度农业利用条件下，土壤硒元素生物地球化学过程的特点及其演变机制。阐明土壤中硒元素的利用和调控机理。理论上丰富土壤生物地球化学的研究内容，同时为设施蔬菜生产系统硒元素人为调控的技术研发提供理论基础。

硒是维持人和动物体正常生命活动所必需的微量元素，且其安全摄入范围极窄（40 – 400 μg/天）。硒主要通过土壤-植物-人和动物的方式实现人、畜对硒的营养需求，其中土壤是最根本的环节。近些年来，设施蔬菜发展迅速，至2014年，设施蔬菜产值已占到蔬菜总产值的30%以上，且仍在以每年10%的速度增加。然而，设施蔬菜生产系统中，高强度人为利用条件下，土壤性质变化剧烈而独特，这必然会对土壤中硒元素的生物地球化学过程产生明显的影响。通过对山东寿光、江苏谷里、云南昆明、陕西杨凌和宁夏中卫几个主要设施蔬菜生产基地的土壤理化性质、全硒、有效硒详细调查和土壤对硒元素的吸附/解析、土壤硒元素赋存形态、蔬菜作物硒元素吸收等研究发现：1、设施菜地土壤酸化和次生盐渍化趋势明显，养分积累、非均衡化现象严重，有效磷含量甚至增加十倍以上。2、设施农业生产明显增加了土壤全硒的含量。土壤有效硒的含量除受全硒影响外，还受土壤pH、有效磷、游离铁含量等因素影响，不同地区影响因素有明显不同；3、微生物活动明显增加了土壤Se（IV）吸附量、Kd值，降低了Se（IV）解吸率。而且，微生物对云南的湿润雏形土硒的Kd值影响程度大于陕西的旱耕人为土。4、磷累积能够抑制土壤亚硒酸盐的吸附过程，并促进其解吸过程，但是只有当有效磷的积累达到一定程度的时候才能发生显著作用；与大田土壤相比，设施蔬菜土壤Se（IV）吸附量和Kd值更低、解吸率更高；有机质及活性铁、铝含量较高的土壤对硒有更强的吸附能力。5、不同类型蔬菜对硒的富集能力存在明显差异，总体表现为：叶菜类蔬菜>根茎类蔬菜>茄果类蔬菜。作物中硒含量与土壤有机结合态硒之间存在明显的负相关关系，随着设施农业生产强度的增加，土壤中有机结合态硒含量增加，降低了作物硒的吸收。本次研究系统地认识了高强度农业利用条件下，土壤硒元素生物地球化学过程的特点及其演变规律，为以后设施蔬菜生产系统人为调控硒元素的技术研发提供重要理论基础。