硒与生物刺激素联合施用对石灰性矿区污染土壤中芝麻菜砷吸收的调控作用

《Journal of Soil Science and Plant Nutrition》：Selenium and Biostimulant Co-Application Modulates Arsenic Uptake in Rocket Plants Grown on Calcareous Mine-Affected Soil

　　

农业土壤中的砷（As）污染对食品安全和人体健康构成重大风险。已有报道表明，硒（Se）能够抵消植物中的砷毒性，而生物刺激素则能增强植物生长和胁迫耐受性。本研究探讨了硒酸盐施用与生物刺激素联合施用能否降低石灰性矿区污染土壤中芝麻菜（Eruca sativa）对砷的积累。在取自拉夫里翁（Lavrion）历史矿区的土壤上开展了一项盆栽试验。设置了两个硒酸盐水平（3和6 mg Se kg^-1土壤），并分别配合或不配合生物刺激素施用。测定了植物地上部中Se、As、锌（Zn）、磷（P）和硫（S）的浓度，同时通过干重（D.W.）和SPAD值评估植物生长。硒酸盐施用显著增加了植物组织中的Se浓度，最高达1076.90 mg kg^-1 D.W.。然而，较高硒酸盐水平对植物生长产生负面影响，而生物刺激素的施用部分缓解了这种影响。在低硒酸盐水平下，生物刺激素联合施用使As浓度相对于未改良对照降低了69%，同时维持了植物生长。相比之下，高硒酸盐水平与生物刺激素联合施用则部分削弱了这种拮抗效应，表明Se–As相互作用具有剂量依赖性。结果表明，基于硒的砷吸收缓解措施具有剂量依赖性，强调需要进一步研究合适的硒酸盐施用率，以便在受污染农业土壤中安全有效地应用。

**论文解读：硒与生物刺激素共施调控石灰性矿区污染土壤中芝麻菜砷吸收的剂量依赖性机制**

**研究背景与科学问题**

土壤中潜在有毒元素（potentially toxic elements, PTEs）污染对生态系统和食品安全构成严重威胁。其中，砷（As）即使在痕量浓度下也具有高毒性，长期暴露可引发癌症、高血压及发育缺陷等健康风险。希腊拉夫里翁（Lavrion）银/铅矿区因数千年采矿活动导致周边土壤As和锌（Zn）严重富集。该区域土壤呈石灰性（calcareous），pH较高，使得硒酸盐（selenate, SeO₄^2-）具有高溶解性和生物有效性，可能影响植物对硒（Se）和As的吸收。已有研究表明，Se可拮抗植物对As的吸收，但多数研究隐含假设该效应随Se供应量呈线性变化；生物刺激素（biostimulant）虽能促进植物生长并缓解胁迫，但在高硒酸盐水平下是否改变Se–As互作方向尚不明确。因此，研究人员在石灰性矿区污染土壤上开展盆栽试验，旨在探究不同硒酸盐施用率（3和6 mg Se kg^-1土壤）及有无生物刺激素共施对芝麻菜（Eruca sativa）As吸收、植物生长及养分元素动态的影响，并检验Se–As拮抗作用是否随剂量增加而逆转。

**研究设计与关键技术方法**

试验土壤采自Lavrion历史矿区表层土（37.7237, 24.0325），为钙质砂壤土，总As和Zn含量分别为1420和1350 mg kg^-1（原文表1）。供试植物为芝麻菜（Eruca sativa Mill. β lanceolata Pomel），在温室条件下每盆装土1 kg，移栽10日龄幼苗，设6个处理：对照（C）、仅生物刺激素（Cb）、低硒（T1, 3 mg Se kg^-1）、高硒（T2, 6 mg Se kg^-1）、低硒+生物刺激素（T3）、高硒+生物刺激素（T4）；硒源为硒酸钠（Na₂SeO₄），生物刺激素为Actiwave?（含12%有机碳、3%总氮、7% K₂O、0.5%螯合铁、0.08%螯合锌）。主要技术方法包括：土壤理化性质分析（pH、EC、有机质、CaCO₃、CEC、颗粒组成等）及王水提取As、Zn；植物地上部经HNO₃-H₂O₂消解后，用电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）测定As、Se、S，原子吸收光谱仪测定Fe、Zn，火焰光度计测定K，钼蓝比色法测定P，凯氏定氮法测定N；使用SPAD-502Plus叶绿素仪测定SPAD值；基于USEPA模型计算健康风险（HI、LCR）与生物富集因子（BAF），并采用方差分析与主成分分析（PCA）解析多变量关系。

**研究结果**

**3.1 植物生长特征**
芝麻菜地上部干重（D.W.）范围为0.95–3.14 g，对照（C）最高。施用高硒酸盐（T2、T4）显著抑制干重，且不受生物刺激素影响；低硒酸盐配合生物刺激素（T3）干重高于低硒单独处理（T1），表明生物刺激素可部分缓解低硒的抑制作用。SPAD值以Cb最高（54.94），T2最低（34.38）；高硒处理下生物刺激素共施（T4 vs T2）使SPAD数值提高但不显著。

**3.2 大量元素浓度**
氮（N）浓度范围为3.78%–5.14%，生物刺激素提高N水平，但高硒仍抑制N吸收。磷（P）浓度在低硒处理（T1、T3）中显著低于对照，最大降幅达56%，而高硒（T2）较T1有所回升，呈现剂量依赖性。钾（K）浓度随硒酸盐施用普遍下降，生物刺激素无显著影响。硫（S）浓度在硒酸盐处理中显著上升，最高增幅达68%；生物刺激素在低硒水平下显著降低S浓度。

**3.3 微量元素浓度**
铁（Fe）浓度范围为382.0–1247.3 mg kg^-1 D.W.，高硒+生物刺激素（T4）显著高于高硒单独处理（T2），归因于生物刺激素中螯合铁（0.5%）。锌（Zn）浓度在对照（C）中最高（906.35 mg kg^-1），硒酸盐显著降低Zn吸收，且高硒降幅更大；单独施用生物刺激素（Cb）亦显著降低Zn浓度。

**3.4 类金属浓度**
硒酸盐处理显著提高植物地上部Se浓度（529.17–1076.90 mg kg^-1 D.W.），高硒率且加生物刺激素（T4）最高。生物刺激素在低硒率下降低Se浓度，在高硒率下增加Se浓度。As浓度以T3最低（11.33 mg kg^-1 D.W.），对照C最高（36.64 mg kg^-1）；低硒+生物刺激素使As浓度较对照降低69%，而高硒+生物刺激素（T4）部分削弱该缓解作用。

**3.5 As、Se、S、P交互作用**
各硒处理中As/Se比值均较对照显著下降，主要因Se急剧升高。As/P比值呈剂量依赖性：T1高于C、T2低于C，而T3、T4与C无显著差异。As/S比值在所有硒处理中均显著下降，反映As降低与S升高共同作用。Se/P和Se/S比值随硒水平升高而增大，生物刺激素影响相对较小。

**3.6 生物富集因子（BAF）**
所有处理中As和Zn的BAF均小于1，表明芝麻菜对二者的积累能力有限。As的BAF在对照C中最高，低硒+生物刺激素（T3）最低；硒酸盐单独施用降低BAF，高硒率下降幅更明显，而T4（高硒+生物刺激素）较T2略有回升。Zn的BAF在生物刺激素单独施用时降低，硒酸盐也显著降低Zn BAF，高硒率降幅超过60%。

**3.7 主成分分析（PCA）**
前两个主成分解释总方差的63.5%（PC1: 40.88%，PC2: 22.66%）。对照（C）位于左上象限，与As、Zn、Cu、Mn高浓度相关，且远离生长与SPAD向量；Cb接近D.W.和SPAD向量，表明生物刺激素单独促进生长。低硒处理（T1）与Se、S向量适度对齐；T3接近生长与SPAD向量且As水平低。高硒处理（T2、T4）与Se、S向量紧密相关，但远离生物量向量，显示植物毒性。

**讨论与结论**

讨论部分指出，芝麻菜（十字花科）对Se具有高累积能力，硒酸盐在碱性钙质土壤中移动性强，易被植物吸收。低硒酸盐（3 mg kg^-1）配合生物刺激素可在减少As吸收的同时维持生长，实现As缓解与生物量之间的平衡；而高硒酸盐（6 mg kg^-1）导致Se促氧化毒性、抑制生长，并部分弱化Se–As拮抗作用，生物刺激素共施可能进一步加剧毒性。Se对P吸收的抑制可能与竞争转运蛋白有关，而S浓度的上升反映硒酸盐经硫酸盐转运途径进入植物体。总吸收量计算显示，低硒处理Se累积效率更高，高硒处理因生物量降低而总吸收量反而下降。As的总吸收在生物刺激素存在时减少超过50%，高硒+生物刺激素则出现小幅回升。研究还通过植物对土壤As浓度及施用Se剂量的比率证实了Se吸收效率随剂量下降的现象。

研究结论（翻译）：本研究表明，在石灰性矿区污染土壤中生长的芝麻菜体内，硒与砷的拮抗作用具有强烈的剂量依赖性和非线性特征，这为基于硒的农艺措施提供了新见解。在低硒酸盐水平下，砷积累显著降低且植物生长得到维持，生物刺激素共施进一步增强了这些效应，在所有处理中表现出最有利的相对响应——即降低砷积累并保持生长。相反，较高硒酸盐水平对植物生长产生负面影响，并部分削弱了对砷吸收的拮抗作用，而生物刺激素共施进一步加剧了这种不利效应，凸显了设计硒基缓解策略时临界剂量阈值的重要性。石灰性土壤条件可能促进硒酸盐的移动性和生物有效性，从而在低剂量下放大其有益效应、在高剂量下放大其植物毒性。因此，低剂量硒酸盐与生物刺激素联合施用可能是一种有前景的农艺策略，但需谨慎优化施用率。本研究为温室盆栽条件，且仅涉及一种矿区土壤和有限的元素，未来需开展田间试验，涵盖更广泛的硒酸盐剂量及长期土壤-植物-膳食暴露评估。