两种含硒调理剂对生姜硒含量及营养品质的影响研究

窦昂洋 涂书新 ，* 熊双莲 曹梦华

（华中农业大学资源与环境学院，湖北 武汉 430070）

硒是人和动物必需的营养元素，是形成谷胱甘肽过氧化物酶（glutathione peroxidase，GSH-Px）和硫氧蛋白还原酶（thiooxygenin reductase，TrxR）的重要组分［1］，在清除体内活性氧自由基和减轻逆境胁迫［2］、抗癌解毒、抗氧化、增强免疫力等方面发挥着重要作用。研究表明，硒对植物的影响存在剂量效应，施用适量外源硒不但能提高植物体内硒含量，还能影响植物生长及其营养品质［3］。如，刘庆等［4］发现，外源硒施用量为750～1 500 g·hm-2时，玉米籽粒总硒含量显著增加，并对锌等营养元素的吸收效果增强；孙崇庆等［5］对生菜施用外源硒量为0.5 mg·L-1时，生菜硒含量增加43.02倍，维生素C（Vitamin C，Vc）含量和产量分别提高30.67%和40%；张杨杨等［6］发现土施浓度为10 mg·kg-1的蛋氨酸硒时，甜瓜硒含量达到44.74 µg·kg-1，可溶性糖、可溶性蛋白和Vc 含量分别提高14.82%、49.88%和25.03%，单株产量提高19.53%。此外，硒还参与调控植物的光合及呼吸作用，抵御植物体内自由基的伤害，同时还可拮抗重金属，提高作物抗逆性，改善作物品质［7］。如，王淑珍等［8］研究发现，对大蒜叶片喷施500～1 000 mg·L-1亚硒酸钠溶液可增加叶片气孔导度，促进CO2同化，提高光合速率，从而使大蒜产量和硒含量增加，Vc、可溶性糖等内在品质明显改善。虽然适量的外源硒可提高作物体内硒含量，促进硒向人体转化，但因农业生产中不科学施用外源硒肥造成的农产品营养品质和产量下降、作物缺硒加剧、重金属污染加重等现象依然很普遍，并严重危害人体健康和生态环境［3］。目前如何提高农产品富硒效果，使其达到行业富硒标准已经成为全球研究的热点。

生姜（Zingiber officinaleRoscoe）是药食兼用的高经济作物，是我国重要的外汇出口农产品之一，其姜块富含优质的营养成分和功能物质，是生产富硒蔬菜的良好食材。但目前有关生姜富硒及硒与营养品质的关系研究尚鲜见报道。

因此，本研究基于前人施用外源硒、硅等可有效缓解植物环境胁迫［9］，增强农作物对矿质营养元素的吸收，提高农作物产量及品质［10-11］的研究结果，以生姜为研究对象，通过大田试验开展不同品种及用量的含硒调理剂对生姜硒积累、生长发育和营养品质效果影响机制的研究，旨在为富硒生姜优质生产提供理论依据和技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本试验于2021年3—10月在湖北省汉川市田水湾生态农业园进行，大田供试土壤为石灰性冲积土，质地为沙壤土。试验开始前，每块试验田采用五点采样法采集原始土壤，经自然风干、磨细、过筛，储存备用。土壤基本理化性质如下：pH 值8.24，碱解氮52.49 mg·kg-1，速效磷72.26 mg·kg-1，速效钾113.20 mg·kg-1，有机质19.80 mg·kg-1，总硒0.19 mg·kg-1。

供试农作物选用山东莱芜大姜，品种为山农一号，由湖北盈亮农业科技有限公司提供。该品种具有姜块大、地上茎粗壮、叶片色深且抗逆性强、产量高等优点。

供试含硒调理剂为硒改性硅酸钾和硒改性麦饭石，均为富含硅的天然矿物，由华中农业大学环境污染与修复课题组配制。两种土壤调理剂均含亚硒酸钠当量1%，具体成分见表1。

1.2 试验设计

本试验为大田试验，采用硅酸钾型和麦饭石型2 种含硒土壤调理剂开展试验。设计含硒硅酸钾调理剂施用量1.2 kg·hm-2（记为T1）、2.4 kg·hm-2（记为T2）、3.6 kg·hm-2（记为T3），含硒麦饭石调理剂施用量2.4 kg·hm-2（记为T4）、3.6 kg·hm-2（记为T5）。以不施土壤含硒调理剂为对照（记为CK），共计6个处理。

设计沟距0.75 m，沟深0.25 m。每个小区按0.75 m×19.5 m 的矩形设计，面积为14.6 m2。每组处理设置3个重复，总计18个小区。

根据山东大姜生长期长、产量高、需肥量大的特点，总结参考当前大姜施肥技术和肥料用量［12-13］，设计有机肥基施、专用肥打底、结合水溶肥追施的施肥方式。

试验前施用有机肥45 t·hm-2，实际测定N-P2O5-K2O含量0.89%-3.09%-2.59%，相当于每公顷N 400.5 kg，P2O51 390.5 kg，K2O 1 165.5 kg。有机肥为全田均匀撒施，然后旋耕混匀。之后，用开沟机开沟，把专用复合肥（15-6-20）施在沟中，施用水平为1 500 kg·hm-2，相当于每公顷N 225 kg，P2O590 kg，K2O 300 kg。施用复合肥后，按照处理设计施用上述含硒调理剂。最后，盖一层土壤，在沟中播种生姜，随后适量覆土，浇透水，盖地膜。

在姜苗生长期间，除对照外，各处理分3 次追施水溶复合肥（35-5-5），每次150 kg·hm-2，设计用量共450 kg·hm-2，相当于每公顷N 157.5 kg，P2O522.5 kg，K2O 22.5 kg。在2021年6月29日进行第1 次追施水溶肥，2021年7月30日进行第2次追施，2021年9月1日进行第3次追施。

于2021年10月20日生姜成熟期采样，每个处理随机采三株生姜样品，分为地上部和姜块两部分，测定各部分株高、根长、叶绿素含量；每个部分再分为鲜样和干样，鲜样部分迅速用去离子水洗净，快速分装后放入盛有冰块的保温箱中，然后转存于-80 ℃超低温冰箱保存。干样部分先用自来水将表面杂质清洗干净，再用去离子水润洗数次后擦干，置于样品袋中105 ℃杀青30 min，再于70 ℃烘干至恒重。称量各样品干重，用粉碎机粉碎后备用。在生姜成熟期，每小区采用五点采样法采集土壤样品，充分混匀后，经风干、磨细、过筛，储存备用。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤化学元素分析 参照《土壤农化分析》（第三版）［14］的方法进行土壤基本理化性质的测定。土壤pH 值测定采用水浸提-电位法，土水比为1∶2.5；土壤有机质测定采用重铬酸钾容量法-外加热法；土壤碱解氮测定采用碱解-扩散法；土壤速效磷测定采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法；土壤速效钾测定采用乙酸铵交换-火焰光度法。

参考《NY/T 1104-2006 土壤中全硒的测定》［15］，准确称取0.5 g 土壤样品，采用HNO3-HClO4法消解，经50% HCl还原，随后用AFS-9700原子荧光分光光度计（北京海光仪器公司）测定土壤全硒含量。于生姜成熟期采用五点采样法取每小区土壤样品，通过连续浸提技术提取土壤中不同形态的硒，随后用AFS-9700原子荧光分光光度计测定其含量［16］。

1.3.2 植物化学元素分析 参考《GB 5009.93-2017

食品安全国家标准 食品中硒的测定》［17］，准确称取2 g鲜姜，经10 mL 混酸（HNO3∶HClO4=9∶1）消化冷却后50%加入盐酸还原，随后定容至25 mL，采用氢化物原子荧光光谱法测定总硒含量。参考《NY/T 2017-2011植物中氮、磷、钾的测定》［18］，准确称取0.2 g 姜粉，采用H2SO4-H2O2消煮法消解后定容至50 mL，采用AA3 流动注射分析仪（德国SEAL 公司）测定氮、磷含量，采用M410 火焰光度计（英国Sherwood 公司）测定钾含量。参考《GB 5009.14-2017 食品安全国家标准 食品中锌的测定》［19］，准确称取2 g 鲜姜，经10 mL混酸（HNO3∶HClO4=9∶1）消化后定容至25 mL，采用200 Series AA 火焰原子吸收分光光度计（美国Agilent公司）测定总铁、锰、锌含量。

1.3.3 植物抗氧化性及品质指标测定 取0.5 g新鲜姜叶于预冷的研钵中，加入5 mL 预冷磷酸缓冲液，研磨样品呈匀浆，离心后取上清液即为抗氧化酶粗提液。姜叶样品中超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）活性测定采用氮蓝四唑光还原比色法［20］，过氧化物酶（peroxidase，POD）活性测定采用愈创木酚比色法［21］，过氧化氢酶（catalase，CAT）活性测定采用过氧化氢分解法［22］，丙二醛（malondialdehyde，MDA）含量测定采用硫代巴比妥酸比色法［23］。参考《植物生理生化实验原理和技术》（第二版）［24］，准确称取0.2 g 鲜姜，分别采用蒽酮比色法和考马斯亮蓝G-250 法测定生姜可溶性糖和可溶性蛋白含量；采用紫外分光光度法测定生姜姜辣素和姜黄素含量［25-26］。

1.4 数据处理

本研究所有数据均以3 次平行试验的平均值作为最终结果，利用Microsoft Excel 2019 和Origin 2018 软件进行数据处理及制图，应用SPSS 22 统计软件对试验数据进行统计分析，5%水平下采用Duncan 多重比较检验各处理平均值之间的差异显著性。所有百分数数据作反正弦转换后再进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 生姜硒含量

由图1 可知，与对照相比，两种含硒调理剂均显著提高了生姜硒含量，其中硅酸钾型效果优于麦饭石型，各处理效果表现为T3＞T5＞T2＞T1＞T4。施用硅酸钾型（T1～T3）处理下生姜地上部和姜块硒含量分别较对照显著增加22.33%～254.87%、54.55%～366.03%，以T3处理富硒效果最好；麦饭石型T4、T5处理下生姜地上部和姜块硒含量分别较对照显著增加22.53% 和126.87%、24.76%和203.16%，其中T5 处理富硒效果最好。

2.2 姜块养分含量

由表2 可知，与对照相比，施用两种含硒调理剂均提高姜块N、P、K、Fe、Zn 含量，降低Mn 含量，各处理综合效果表现为T3＞T5＞T2＞T4＞T1；施用含硒硅酸钾调理剂（T1～T3）处理分别使姜块N、P、K、Fe、Zn含量增加7.71%～29.08%、15.83%～43.32%、20.43%～36.59%、27.50%～51.87% 和10.58%～54.81%，Mn 含量降低25.88%～36.96%，总体效果以T3 处理最好；施用含硒麦饭石调理剂T5 处理综合效果好于T4 处理，前者使姜块N、P、K、Fe、Zn 含量分别较对照增加20.87%、32.98%、41.92%、59.70%和28.85%，而Mn 含量降低36.15%。

表2 含硒调理剂及施用量对成熟期姜块养分元素含量的影响Table 2 Effects of selenium-containing conditioners and application rates on nutrient element content of ginger block at maturity stage

2.3 生姜品质

由表3可知，施用两种含硒调理剂均可显著提升生姜品质。与对照相比，施用含硒硅酸钾调理剂（T1～T3）处理分别使生姜可溶性糖、姜辣素含量较对照提高0.92～1.86和0.45～0.68个百分点，可溶性蛋白、姜黄素含量相应提高86.66%～114.60%和35.69%～68.07%，以T3效果最好；而施用含硒麦饭石调理剂T5处理则分别使可溶性糖、姜辣素含量提高1.47和0.53个百分点，可溶性蛋白、姜黄素含量分别提高115.80%和66.64%，效果好于T4。

表3 含硒调理剂及施用量对成熟期生姜品质的影响Table 3 Effects of selenium-containing conditioners and application rates on the quality of ginger at maturity stage

2.4 生姜生长和产量

为考察含硒调理剂对生姜生长发育的影响，于成熟期取样分析测定生姜各生长参数。结果如表4所示，在本试验条件下，与对照相比，施用含硒硅酸钾调理剂（T1～T3）处理生姜株高、根长、产量和姜叶叶绿素含量分别较对照提高51.25%～60.00%、317.07%～384.32%、22.25%～66.59%和40.15%～43.65%，以含硒硅酸钾调理剂T3效果最佳；施用含硒麦饭石调理剂T5处理使生姜株高、根长、产量和姜叶叶绿素含量分别较对照提高57.50%、185.71%、51.60%和43.36%，效果明显优于T4。当两种含硒调理剂施用量相同时，生姜生长参数和产量表现为T3＞T5，T2＞T4，表明硅酸钾型含硒调理剂的效果好于麦饭石型。

表4 含硒调理剂及施用量对成熟期生姜生长参数和产量的影响Table 4 Effects of selenium-containing conditioners and application rates on the growth and yield of ginger at maturity stage

2.5 生姜抗氧化参数

为探究含硒调理剂对生姜抗氧化能力的提高效果，在分叉期和成熟期分别取样测定了姜叶SOD、POD、CAT 活性和MDA 含量，结果如图2所示，两种含硒调理剂均整体显著提高姜叶SOD、POD和CAT活性，降低MDA 含量。与对照相比，施用含硒硅酸钾调理剂（T1～T3）处理分别使分叉期姜叶SOD、POD、CAT 活性较对照显著提高36.99%～77.34%、30.35%～46.09%和11.36%～48.48%，而MDA 含量降低37.40%～55.13%，以T3 处理效果最好；含硒麦饭石调理剂的效果以T5处理最佳，分别使姜叶SOD、POD、CAT 活性较对照提高31.61%、38.75%和25.64%，而MDA 含量降低42.27%。

在成熟期，与对照相比，施用含硒硅酸钾调理剂（T1～T3）处理的姜叶SOD、POD、CAT 活性分别显著增加38.07%～78.82%、26.80%～40.38%、9.83%～44.11%，以T3 处理效果最好；含硒麦饭石调理剂T5 处理姜叶SOD、POD、CAT 活性分别增加40.58%、39.19% 和33.06%；T1～T5处理姜叶MDA含量显著降低10.76%～50.51%。在两种含硒调理剂施用量相同时，硅酸钾型含硒调理剂的效果高于麦饭石型，各处理综合效果表现为T3＞T5＞T2＞T4＞T1。

2.6 土壤pH值和硒化学形态变化

2.6.1 土壤pH值 在生姜成熟期测定土壤pH值，结果如图3所示，施用含硒调理剂均较对照显著提高了土壤pH 值。随着含硒调理剂施用量的增加，土壤pH值也随之增加，土壤pH值与两种含硒调理剂施用量呈正相关。与对照相比，施用两种含硒调理剂使土壤pH值提高0.35～0.67 个单位，其中T3、T5 效果最好，土壤pH值分别提高0.67、0.64个单位。

图3 含硒调理剂及施用量对土壤pH值的影响Fig.3 Effects of selenium-containing conditioners and application rates on soil pH value

2.6.2 土壤硒化学形态变化 采用连续浸提法分析土壤硒的化学形态，结果如图4所示，施用两种含硒调理剂均能活化土壤硒，提高土壤有效硒含量（可溶态硒与可交换态及碳酸盐结合态硒含量之和）。与对照相比，施用含硒硅酸钾调理剂土壤可溶态硒（soluble selenium，SOL-Se）、可交换态及碳酸盐结合态硒（exchangeable and carbonate bound selenium，EXC-Se）含量分别提高2.14～4.57 和4.79～8.23 个百分点，土壤铁-锰氧化物结合态硒（iron manganese oxide bound selenium，FMO-Se）、有机物-硫化物结合态及元素态硒（organic-sulfide bound and elemental selenium，OM-Se）、残渣态硒（residual selenium，RES-Se）含量分别降低1.64～5.47、1.05～7.07 和1.41～2.84 个百分点，其中以T3 处理活化土壤硒效果最好，有效硒含量最高；施用含硒麦饭石调理剂T5 处理使SOL-Se、EXC-Se 含量分别提高2.63 和7.28 个百分点，而FMO-Se、OM-Se、RES-Se 含量分别降低2.84、4.26 和2.80 个百分点，活化土壤硒效果好于T4。各调理剂处理的活化土壤硒效果表现为T3＞T5＞T2＞T1＞T4。

3 讨论

大量研究表明，硒是植物生长过程中有益营养元素之一，其用量对植物的影响存在剂量效应［3］。一般地，适量的硒能促进作物生长，提高作物对矿质元素的吸收，改善作物品质，增加作物产量［27-28］。硅是促进植物生长和提高养分吸收的关键元素之一，适量的硅能提高土壤养分有效性，促进作物对养分元素的吸收，提高作物抗性和代谢能力，增加作物产量［11］。如，刘海芝等［29］研究发现，施用硅钙钾肥可提高生姜土壤养分含量，增加生姜产量和矿质养分积累量，改善姜块内在品质；邹兰香等［30］通过基施有机硅肥来提高土壤养分含量，促进生姜生长，使姜块营养品质有所提高，产量提高11%以上；在水稻［31］和黄瓜［32］上的研究也得到类似结果。本研究在大田条件下，施用含有硒、硅等营养成分的两种硒改性调理剂提高姜块养分吸收能力（表2），促进生姜生长（表4），进而改善生姜品质（表3），增加生姜产量（表4），与上述研究结果一致。此外，本研究两种硒改性肥中含有的黄腐酸类活性有机质也可参与调节植物生长过程［33］，被植物吸收后可增强植株抗性和提高多种酶活性，增加叶片叶绿素含量，促进植物新陈代谢，从而提高植株品质和产量。土壤调理剂还可能促进土壤有效成分转化，提高有效成分利用率，并有刺激作物根部生长、增强作物抗逆性能、改善品质、提高产量的效果［34］。如，贺月等［35］通过硅肥与黄腐酸钾配施改善并活化土壤中大量的营养元素，使土壤肥力和酶活性提高，植株养分含量增加，从而促进植株生长，提高植株产量；李志鹏等［36］在基施化肥的基础上增施黄腐酸肥有效改善了作物根系土壤环境，提高了烟叶和马铃薯营养品质及产量。

硒是抗氧化物酶的活性中心元素，通过硒形态转变、活性氧自由基的清除、调节必需元素含量等方式来影响植物抗氧化系统机制，从而使植物体内抗氧化酶活性增强，作物膜损伤减弱，抗逆性提高，外界环境的胁迫作用降低［37］。本试验表明，适宜浓度的硒可增强生姜抗氧化能力，降低MDA含量（图2），与前人研究结果一致，即在低硒情况下，植物体内MDA 含量降低，活性氧防御体系增强［38］，而高浓度硒则会提高植株MDA含量，降低SOD、POD、CAT 等抗氧化酶活性，使植物受氧化胁迫加重。如，韩丹［39］对烤烟施用2.2 mg·kg-1的外源硒使叶片CAT、POD 活性增强，而MDA 含量减少；当施硒量达到4.4 mg·kg-1时，叶片SOD 活性升高，POD 和CAT 活性达到最高值，MDA 含量在较低水平。与此同时，适量的硅能加强生姜体内新陈代谢，减缓膜脂过氧化作用，提高姜叶抗氧化酶活性，增强生姜抗氧化能力，这与薛高峰［40］贾茜茹等［41］对水稻和黄瓜施用硅肥取得的结果类似。

本试验分析施用调理剂对土壤理化性质和硒形态影响的结果表明，两种硒改性调理剂均能提高土壤pH值，并促进土壤硒的活化（图3、4）。这可能是由于本试验中两种硒改性调理剂含有的硅、钙、镁等碱金属氧化物和有机质成分在土壤中发生水解、吸附、交换等过程［42-43］，使土壤OH-浓度增加，H+浓度减小，同时可增加土壤盐基饱和度［44］，最终导致土壤pH值增加。土壤pH值的提高具有活化体系硒的作用［45］，可能的原因包括：一是土壤pH 值提高使土壤表面负电荷增加，导致各土壤组分对硒酸根离子的吸附减弱，增加硒的生物有效性［46］；二是土壤pH值越高，硒甲基化越强，促进硒在土壤中的迁移性，提高硒的生物活性［47］；三是土壤pH 值增加抑制硒酸盐的老化，使土壤中硒有效性提高［48］；四是土壤pH值增加会影响硒在土壤各组分中的吸附/解吸、氧化/还原、沉淀/溶解等过程，改变土壤中硒赋存形态和热力学稳定价态［49］，促进土壤缓效态硒向活性态硒转化［50］。除此之外，本研究向土壤中施用的调理剂含有的亚硒酸钠成分也可使土壤有效硒含量增加。

4 结论

含硒土壤调理剂增加了生姜土壤有效硒含量，从而提高生姜硒含量；同时还促进生姜对氮、磷、钾等养分的吸收，促进生姜生长发育，提高生姜抗氧化能力，进而提高生姜产量和品质。硅酸钾型含硒调理剂的效果要好于麦饭石型，其中3.6 kg·hm-2是最适宜用量。