典型有机和无机硒对土壤健康的影响机制及潜在风险研究

Soil health is vital to sustainable development. Selenium is an essential micronutrient in human and animals. Selenium–enrich agricultural activity has been hastening the release of selenium from geologic sources into soil ecosystem. The imported selenium may lead beneficial or adverse effects on soil health, however, the effects are poorly investigated. In this project, 3 environmentally common selenium compounds, selenate, selenite and selenomethionine are selected as the target compounds. Laboratory test, simulated ecosystem, and eco-survey methods were combined to depict the effects of the selenium compounds on soil microorganism and representative soil microfauna, earthworms. The mechanisms of the effects on soil health are to be quantified by the analysis of the chemicals structure, bioavailability and bioaccumulation, metabolic toxicity, genotoxity and cytotoxicity. Sensitive biomarkers are to be screened, and then indicators and environmental thresholds for soil-health diagnosis are to be set. Eco-survey in soils of selenium–enrich agricultural farms are to be explored, and risk of the sites are assessed by combining the results of the ecological diagnosis and chemical analysis. The results of the project will be one of the scientific evidences on depicting the precautionary effects of soil health diagnosis in selenium importation, provide technical support for the selenium–enrich agriculture.

土壤健康对可持续发展至关重要。当前，人工转化富硒产业迅速发展的同时加速了硒进入土壤生态系统中的进程。土壤中的硒可能会对土壤健康产生有益影响或潜在风险，但相关基础数据及机理研究严重匮乏。本项目拟选择代表性的无机硒（亚硒酸钠、硒酸钠）和有机硒肥（硒代蛋氨酸）为研究对象，通过人工土模拟、半野外模拟及富硒生产地实地生态调查结合，比较分析不同形态的硒对土壤微生态和典型土壤动物的影响，结合土壤物理化学指标变化，探讨硒对土壤健康的影响并评估其潜在风险。从微生态结构和功能、生物可利用性、生物富集、代谢过程、遗传毒性等角度分析效应机理，筛选敏感生物标志物；构建硒的土壤健康诊断多指标体系，提出硒土壤环境基准。选择富硒农业生产地，进行土壤健康诊断，评估生态风险。本研究将为硒的土壤健康生物学监测提供基础数据支持，预防硒在食物链中过度放大，为富硒农业科学学发展提供支撑。

硒可能对土壤生态系统带来有益影响或潜在风险，富硒农业的迅速发展加剧了硒在土壤中的累积，但相关影响及机理、评价标准和管理规范严重匮乏。本项目选取典型富硒农业发展区，分析了硒在土壤中的时空分异特征和影响因素，通过人工土模拟、半野外模拟实验探索无机硒（亚硒酸钠）和有机硒（硒代蛋氨酸），对典型土壤动物存活、生长、代谢的影响，对土壤微生物数量和结构、土壤酶活性、有效N形态和含量特征及作物品质的影响，比较分析不同形态和浓度的硒对对土壤生态系统结构和功能的影响，深入探究硒对土壤健康的影响机制。研究结果表明：案例地区博山区土壤硒含量几何均值为0.369mg /kg，有效硒表现为富啡酸态硒含量>交换态硒含量>水溶态硒含量，基施硒肥会在一定程度上造成硒在土壤中长期残留。亚硒酸钠和硒代蛋氨酸对蚯蚓致死的LC50（14d）分别为57.4和46.2mg/kg，高浓度硒暴露下蚯蚓的标志代谢物为丙氨酸、亮氨酸、谷氨酸和乳酸。野外条件下，土壤微生物总菌数、革兰氏阳性菌数、革兰氏阴性菌数均与硒含量存在显著正相关关系（p<0.05）。不同种类的土壤酶对不同形态、不同浓度的外源硒的响应不同。. 基于硒对陆生生物的毒性效应，推导出硒的生态风险评估基准值为2.05mg/kg，我国大部分地区土壤硒不具有生态风险；应用层次分析法，从土壤中硒的含量、养分和环境质量三个方面建立区域硒资源环境综合评价体系。选择富硒农业生产区，进行区域硒资源环境综合评价，并对富硒产业布局提出规划建议。. 依托本项目，共发表研究论文16篇，其中SCI 论文11篇，申请发明专利1项。研究结果可为硒的土壤健康生物学监测和环境标准制定提供基础数据支持，预防硒在食物链中过度放大，为土壤中硒的风险评价和富硒农业发展布局提供科学依据。