硒(Se)是人体所必需的微量元素，有“生命元素”之称，在维持机体正常生理功能和提升免疫、抗癌方面具有重要作用^[1-2]。研究发现，机体心肌病变、骨肿大、甲状腺代谢异常、癌症及病毒性疾病的发生均与缺Se有关^[3]。无机态Se (硒酸盐、亚硒酸盐)具有一定毒性，不能直接用于人体Se的补充，必须经生物转化后形成有机态Se (如硒甲基硒代半胱氨酸、硒代蛋氨酸、硒代胱氨酸等)才能发挥健康功效^[4]。人体日摄入Se量小于40 μg时被认为有缺Se风险，日摄入Se量大于400 μg时被认为有Se中毒风险^[5]。因为Se有“有益–毒性”“量小–量大”的阈值限制，且此值域还较为狭窄，因此逐渐有两种观念成为共识，一是当作为日常健康、亚健康人群Se补给时，优先选择天然富Se产品；二是Se用于辅助治疗某种疾病时，优选特定剂量的有机Se生物产品^[6-7]。

青海省平安区拥有丰富的天然富Se资源，被誉为“高原硒都”，有中国“十大富硒之乡”之称。平安富Se资源具有沉积地层厚、Se含量适中、有效Se高、重金属不伴生等优势，同时叠加青藏高原独特的冷凉气候，具备开发天然高质富Se产品的独特条件^[8-9]。目前，平安区已通过中国地质学会认证天然绿色富Se土地14万亩(15亩=1 hm²)，认证区也是青藏高原富Se产业的核心区^[10]。近年来，国内外报道Se的相关研究成果较多集中在Se生物强化方向，且关于中酸性富Se土壤的研究相对偏多^[10-13]。基于碱性–强碱性富Se土壤的研究及天然Se产品的培育报道较少，而同时叠加高原独特生态环境和气候的研究则更少。本文在系统总结Se相关文献基础上，运用地球化学、土壤学、生态学、植物营养学等交叉学科知识体系，通过监测平安富Se小米中Se等营养元素的传输、转运和富集特征，开展土壤质量评价、营养功能识别及营养源解析，为地方Se资源高效利用、富Se小米推广及富Se产业发展提供数据支撑。

1 材料与方法 1.1 研究区概况

平安区位于青海省东部、海东市中心腹地，西邻西宁市，东连海东市乐都区，北接黄河一级支流湟水河，南隔拉脊山脉；海拔2 066~4 500 m，年均气温6.4 ℃，年降水量300~600 mm，属高原大陆性气候。平安区土壤Se含量为0.04~5.79 mg/kg，平均值为0.29 mg/kg。平安区小峡镇、三合镇、平安街道、洪水泉乡存在富Se土壤，其中三合镇是种植基础较好、交通工业干扰较小、Se品质较优的典型区，平安富Se小米即产自此地(图 1)。产地地貌类型为河流阶地，海拔2 500 m，无霜期120 d左右，土壤类型为栗钙土，土地利用类型为水浇地，灌溉水源为祁家川河，土壤Se含量介于0.4~1.5 mg/kg，属平安区富Se土壤核心区，也是富Se产业的重点孵化地。

1.2 样品采集与分析

按地块采集小米和根系土同点配套样品。具体采样方法：每个分析样均由1个主点和4个副点等量混合而成，主副点选用梅花法在同一地块中确定；每个分点各采集5~6株谷穗，根系土采集谷穗对应根系的周围土体，一共采集20组样本。土样经自然阴干后过孔径为1 mm的尼龙筛，取200 g置于60 ℃的恒温干燥箱内烘干。取烘干样50 g测定碱解氮、有效磷、速效钾、CEC；部分烘干样继续过孔径为0.25 mm的尼龙筛后，取50 g测定全氮、全磷、全钾、有机质和pH；另取烘干样经玛瑙球磨机研磨至0.074 mm粒度，测定Cd、Hg、As、Pb、Cr等土壤环境指标和Se、Zn、Cu、Mn、Sr、I、MgO、CaO、Fe₂O₃等土壤营养指标。以空间均匀性为原则，选定5件根系土测定土壤Se形态。小米样测定Se、Zn、Mg、K、P、Ca、Fe、Mn、I、Cu、Sr等营养指标和Cd、Hg、As、Pb、Cr等重金属指标；并选取1件小米样测定能量、蛋白质、脂肪、碳水化合物、维生素B₁、维生素E和叶酸等基础营养成分。

土壤指标和小米元素含量指标由安徽省地质实验研究所测定。采用离子选择性电极法(ISE)测定pH；重铬酸钾氧化还原容量法测定有机质；经硫酸分解、加浓碱蒸馏后用酸碱滴定容量法测定全氮；碱解扩散法测定碱解氮；碳酸氢钠提取–钼锑抗比色法(Olsen法)测定有效磷；醋酸铵浸提–火焰光度计法测定速效钾；三氯化六氨合钴浸提–分光光度法测定CEC。采用原子荧光光谱法(AFS)测定Se、As、Hg；X射线荧光光谱法(XRF)测定Cr、Cu、Pb、Zn、Mn、Sr、CaO、MgO、Fe₂O₃；等离子质谱法(ICP-MS)测定Cd；催化比色法(COL)测定I。采用连续提取法分析土壤Se形态，经水处理后提取水溶态Se(Sol-Se)，经氯化镁处理后提取离子交换态Se(Ex-Se)，经醋酸钠处理后提取碳酸盐结合态Se(Can-Se)，经焦磷酸钠处理后提取腐殖质结合态Se(Hab-Se)，经盐酸羟胺–盐酸处理后提取铁锰氧化物结合态Se(Ox-Se)，经过氧化氢处理后提取强有机结合态Se(SOM-Se)，经氢氟酸处理后提取残渣态Se(Re-Se)，AFS测定各形态Se含量。采用硝酸溶液浸提，加王水、高氯酸加热消化至冒高氯酸白烟后采用AFS测定浸提性Se。检测指标报出率均为100%，原始数据一次性合格率为100%。采用插入重复样分析监控质量，分析精密度和准确度均满足DZ/T0258《多目标区域地球化学调查规范(1∶250 000)》^[14]要求。质量可靠，满足研究需要。

小米营养成分由通标标准技术服务(青岛)有限公司(SGS)检测。蛋白质采用凯氏定氮法(GB 5009.5—2016)^[15]测定，脂肪采用索氏抽提法(GB 5009.6—2016)^[16]测定，水分采用直接干燥法(GB 5009.3—2016)^[17]测定，灰分采用食品中总灰分检测法(GB 5009.4—2016)^[18]测定，维生素E采用反向高效液相色谱法(GB 5009.82—2016)^[19]测定，维生素B₁采用高效液相色谱法(GB 5009.84—2016)^[20]测定，叶酸参照GB 5009.211—2022^[21]测定。

1.3 数据处理 1.3.1 数据预处理

采用Excel 2016软件进行数据整理和特征值计算；运用SPSS Statistics 26.0软件进行数据分析，包括数据检验、Pearson相关性分析、主成分分析等。采用Origin 10.5和ArcGIS 10.1绘制图件。

1.3.2 富集、转运系数及活化率

生物富集系数(Bioaccumulation factor，BCF)是表征元素或化合物在生物体积累趋势的重要指标，一般用生物体中元素或化合物含量与供源介质中对应元素或化合物含量的比值百分比表示^[22]。生物转运系数(Translocation factor，TF)是表征元素或化合物被生物体转运的效率和能力，一般用生物的地上部分元素或化合物含量与地下部分对应元素或化合物含量的比值百分比表示^[23]。活化率(Activation rate，AR)是表征土壤中元素或化合物的生物有效程度的指标，一般用土壤中元素或化合物的有效态含量与土壤中元素或化合物的总量比值百分比表示^[24]。

$ {\text{BC}}{{\text{F}}_i}(\% ) = \frac{{{C_{{\text{M - }}i}}}}{{{C_{{\text{S - }}i}}}} \times 100 $

(1)

$ {\text{T}}{{\text{F}}_i}(\% ) = \frac{{{C_{{\text{M - }}i}}}}{{{C_{{\text{R - }}i}}}} \times 100 $

(2)

$ {\text{A}}{{\text{R}}_i}(\% ) = \frac{{{C_{{\text{A - }}i}}}}{{{C_{{\text{S - }}i}}}} \times 100 $

(3)

式中：BCF_i指小米中i元素或化合物的富集系数(%)；C_M-i指小米中i元素或化合物的含量测定值(mg/kg)；C_S-i指根系土中i元素或化合物的含量测定值(mg/kg)；TF_i指小米中i元素或化合物的转运系数(%)；C_R-i指小米植株根部i元素或化合物的含量测定值(mg/kg)；AR_i指土壤中i元素或化合物的活化率(%)；C_A-i指土壤中i元素或化合物的有效量测定值(mg/kg)。

1.3.3 营养素占比

营养素参考值(Nutrient reference values，NRV)专用于食品营养标签，是用于比较食品营养成分含量的参考值。营养素占比是食品营养成分表中用于衡量食品营养成分的重要指标，一般以营养素含量占该营养素参考值的百分比表示^[25]。

$ {\text{NR}}{{\text{V}}_i}(\% ) = \frac{{{C_i}}}{{{B_i}}} \times 100 $

(4)

式中：NRV_i指小米中i营养素占该营养素参考值的百分比(%)；B_i指GB28050—2011《预包装食品营养标签通则》^[26]中给定的i营养素的参考值(NRV)，具体Se为50 μg，Mg为300 mg，Zn和Fe为15 mg，Cu为1.5 mg，Mn为3 mg，Ca为800 mg，P为700 mg，K为2 000 mg；C_i指小米中i营养素的含量值(μg/100g或mg/100g)。

2 结果与分析 2.1 土壤元素含量特征 2.1.1 土壤环境质量评价

研究区根系土壤pH介于8.23~8.59，平均值为8.41，土壤处于碱性环境。土壤重金属元素含量特征统计见表 1。结果显示，土壤中Cd、Hg、As、Pb和Cr含量均低于GB15618—2018《农用地土壤污染风险管控标准》^[27]规定的筛选值，判定土壤无污染风险。与中国土壤平均值^[28]相比，研究区土壤Cd、As和Cr平均值增幅分别为9%、79% 和11%，而Hg和Pb降幅为54% 和25%，As和Hg的变化幅度均大于50%，可判定研究区为富As贫Hg的环境。与青海省东部土壤平均值^[29]相比，研究区土壤Cd、Hg和As含量平均值均有增加，增幅分别为22%、25% 和31%，土壤Pb和Cr呈持平状态。因研究区处于耕地区，推测部分重金属的小幅增加与农耕活动有关。

2.1.2 土壤肥力评价

研究区根系土肥力指标统计见表 2。对照我国第二次土壤普查肥力分级标准，判定研究区土壤有机质、全氮处于中等水平，土壤全磷、全钾、有效磷及速效钾处于丰富水平，碱解氮处于缺乏水平。土壤中阳离子的交换性能通常用阳离子交换量(CEC)表示，CEC是土壤胶体表面所吸附各种阳离子的总和，反映土壤保育能力和缓冲性能。研究区CEC处于10.2~17.6 cmol/kg，平均值为15.0 cmol/kg，处于中等水平。

2.1.3 土壤其他营养供给水平

研究区根系土其他营养指标含量统计见表 3。土壤Se、Cu、Zn、Fe、Mg、Ca和Sr含量均高于青海东部土壤平均值和中国土壤平均值，而土壤I含量低于青海东部土壤平均值和中国土壤平均值。土壤Se含量平均值为0.757 mg/kg，是青海东部土壤Se含量平均值的4.0倍，中国土壤Se平均值的2.9倍，高于DZ/T 0380—2021《天然富硒土地划定与标识》^[30]中碱性土壤富Se阈值0.300 mg/kg标准的2.5倍，属天然富Se土壤。为进一步分析研究区土壤营养元素的富集贫化程度，采用了两个比值指标：研究区土壤营养元素平均值与青海省东部土壤平均值的比值K₁和研究区营养元素平均值与中国土壤平均值的比值K₂。根据K₁值大小将营养元素分为3类，即K₁≥2的元素为Se，1≤K₁<2的元素为Cu、Zn、Fe、Mg、Mn、Ca和Sr，K₁<1的元素为I，并分别表示各元素相对青海东部土壤丰度属于丰富级、充足级和匮乏级。根据K₂值大小将营养元素也分为3类，即K₂≥2的元素为Ca、Mg、Se和Sr，1≤K₂<2的元素有Zn、Fe、Cu和Mn，K₂<1的元素为I，并分别表示各元素相对中国土壤丰度属丰富级、充足级和匮乏级。综合K₁和K₂表达的信息，提取研究区主要优势营养元素为Se，其次为Ca、Mg和Sr。研究区属富Se并伴高Ca、Mg、Sr的天然矿物资源。

2.1.4 土壤Se形态

为进一步揭示研究区土壤Se的天然储备优势，通过分析土壤Se的形态来评价其品质和评估富Se农产品的潜力。结果表明，研究区土壤Se的7种形态表现出残渣态(Re-Se)>强有机结合态(SOM-Se)>腐殖质结合态(Hab-Se)>水溶态(Sol- Se)=离子交换态(Ex-Se)>碳酸盐结合态(Can-Se)>铁锰氧化物结合态(Ox-Se)的特征(图 2)。水溶态Se是最易被作物转化的Se，李永华^[31]将水溶态Se划分为缺乏、边缘、中等、高Se和Se中毒5个等级，对应含量分别为<0.003、0.003~0.006、0.006~0.008、0.008~0.020和≥0.020 mg/kg。研究区水溶态Se平均值为0.011 mg/kg，属高Se范围。离子交换态也是有效Se的重要形态，碳酸盐结合态是有效Se的潜在可利用形态。以水溶态、离子交换态和碳酸盐结合态作为有效Se的评价指标，研究区有效Se平均值为0.032 mg/kg，占总Se的4.23%。浸取性Se平均值为0.023 mg/kg，占总Se的3.04%。对比说明碳酸盐结合态Se部分参与了浸取。因此，可通过活化碳酸盐结合态Se来增加有效Se量，以达到提高Se生物利用率的效果。

2.2 小米营养元素含量特征

小米营养元素含量、富集系数、转运系数特征统计见表 4。结果表明，小米中As、Cd、Cr、Hg和Pb含量远低于GB2762—2022《食品中污染物限量》^[32]规定值，小米安全无风险。小米中Ca含量平均值为606 mg/kg，Cu含量平均值为7.31 mg/kg，Fe含量平均值为78.0 mg/kg，I含量平均值为0.041 mg/kg，K含量平均值为3 831 mg/kg，Mg含量平均值为1 861 mg/kg，Mn含量平均值为17.6 mg/kg，P含量平均值为4 566 mg/kg，Se含量平均值为0.28 mg/kg，Sr含量平均值为4.15 mg/kg，Zn含量平均值为35.6 mg/kg。小米对各元素的富集能力有所差异，其中富集系数大于10% 的元素有Cu、K、Mg、P、Se和Zn，且呈现P>Zn>Se>Cu>K>Mg的规律。转运系数大于100% 的元素有Cu、Mg、P、Se和Zn，且呈现P>Zn>Cu>Mg>Se的规律。小米植株对应根系土中Fe的活化率最高，Cd的活化率最低。

2.3 小米营养元素主成分分析 2.3.1 相关性分析

图 3反映了研究区小米中11种营养元素间的相关关系，用相关系数r值表征两种重金属之间的关联程度，揭示两种或多种元素在地球化学行为上的同源性或协同性^[33-35]。Se与其他元素均不具有显著相关性，指示Se在小米生长过程中的转化富集具有独立性。Fe与Ca和Mn在P<0.01水平显著正相关；Cu与Zn、Mg、Mn、K、P和Sr在P<0.01水平显著正相关；Zn与Mg、Mn、K、P和Cu在P<0.01水平显著正相关；Mg与Mn、K和、P、Cu和Zn在P<0.01水平显著正相关；Mn与P、N、Cu、Fe、Mg和Zn在P<0.01水平显著正相关；K与P、Sr、Mg、Cu和Zn在P<0.01水平显著正相关。其中，Mg、Mn、Cu、Zn和P相互间均显著正相关，说明5种元素具有强烈的协同效应，推断小米在营养积累过程中存在Mg、Mn、Cu、Zn、P吸收组合序列，更进一步推测土壤P的充足供应，可提高小米对Mg、Mn、Cu、Zn营养的吸收率。另外，Sr和K在P<0.01水平呈显著正相关，说明Sr与K具吸收一致性或同源性。进一步结合研究区土壤的成土母质为古近系干旱咸水湖沉积型泥岩风化物，Sr和K属同期演化产物，也印证了以上推测。

2.3.2 主成分分析

为进一步确定研究区小米中营养元素及其他元素的吸收机制和来源，采用主成分分析对小米中17种元素进行降维处理，对源的分类进行揭示和解析^[36]。研究区各元素含量的巴特利特球形度(Bartlett球形度)检验结果为0(<0.05)，KMO度量值检验结果为0.61(>0.5)，说明各元素数据间存在相关性且相关程度无大差异，可进行主成分分析。对因子进行正交旋转后，得出4个主成分，累计贡献率达到77%，基本可以概况解释大部分信息。

主成分载荷矩阵结果显示(表 5)，第一主成分中载荷较高的因子为Zn、Cu、Mg、Mn、K、P。这6种元素包含K、P、Mg 3种大量营养元素和Zn、Cu、Mn 3种微量元素，其迁移转化行为具有一致性，与相关性分析结果一致。说明这6种元素在小米生产过程中具有同步协调性，也指示在小米产地营养肥料补给方面，要确保这6种元素的比例一致性，避免因一种或几种营养元素的不足造成限制性营养，影响小米籽粒的成熟和品质。综合来看，第一主成分表征的信息属小米的基础营养源。第二主成分中载荷较大的为Fe、Ca和As 3种正载荷因子，反映研究区Fe、Ca和As的吸收一致性。Fe和Ca为小米生长有益营养源，As为小米营养有害源，两类元素相互协同吸收却又发挥相反作用影响小米营养积累。综合来看，第二主成分表征的信息属小米的补充营养源。第三主成分中载荷较大的为正载荷因子Se和负载荷因子Cd。已有研究表明，Se与重金属间具有拮抗作用，研究区土壤Cd含量属低背景，叠加Se发挥拮抗效应，最终实现了研究区小米的高Se低Cd特征。综合来看，第三主成分反映了小米富Se抗Cd的富集机制。第四主成分中载荷较大的为正载荷因子Sr和负载荷因子N，推断Sr吸收过程中可能与蛋白质合成存在一定排异性。综合来看，第四主成分反映了小米富Sr抗N的富集机制。

2.4 小米营养成分标签

GB28050—2011《预包装食品营养标签通则》^[26]规定了食品中营养成分的标注要求，并规定了营养素NRV值≥30% 可称为富营养素，NRV值介于15%~ 30% 可称为含营养素。其中能量、蛋白质、脂肪、碳水化合物、Na这5项指标为必标注项，其他营养素为选标注项。为突出研究区小米的营养功能成分，选定能量、蛋白质、脂肪、碳水化合物、Na、维生素B₁、维生素E、叶酸、Se、Cu、Fe、Mg、Mn、Zn、Ca、K和P共17项指标制定小米营养成分标签(表 6)。结果显示，除必标的5项基本指标外，NRV≥30% 的指标有Se、Fe、Cu、Mg、Mn和P，说明小米富Se、Fe、Cu、Mg、Mn、P；NRV介于15%~30% 的指标有维生素B₁、叶酸、Zn和K，说明小米含维生素B_1、叶酸、Zn、K。必标的5项基本指标中，蛋白质和能量NRV为18%，碳水化合物NRV为24%。综合来看，研究区产出的小米具有独特的营养功能，不但富Se，还同时富Fe、Cu、Mg、Mn、P等，具有丰富的矿物营养，是人体补充Se、Fe、Cu、Mg、Mn等的天然功能食品。

3 讨论

研究区土壤环境有4个方面的优势特征，具体表现为：重金属含量背景值低；肥力整体较好；属天然富Se土地，水溶性Se呈高水平状态，有效Se含量高；伴有高Ca、Mg、Sr等天然矿物营养。据报道，富Se土地与成土母质关系密切，多产自黑色岩系、硫化物、煤系地层等母质风化物。湖北恩施Se资源即是以黑色岩系为容矿围岩的独立Se矿床^[37]；陕西安康Se资源是以下寒武系的一套碳质板岩为源^[38]；海南岛Se资源是以火山岩为源^[39]；青海拉脊山Se资源是一套硫化物矿化岩系为源^[40]。以上这些富Se资源均有重金属相伴生，湖北恩施土壤偏酸性，且Se与Cd伴生；陕西安康土壤偏中酸性，Se与Cd伴生。中酸性土壤中Se以亚硒酸盐占主导，Se的活性降低，转化到农产品的Se有限，加之还存在土壤Cd的富集风险；而碱性土壤中硒酸盐比例显著提升，Se的活性进一步激发^[41]，增强了Se到农产品中的转化率，碱性环境重金属则表现出惰性增加，迁移变缓的运移特性。因此，研究区在地形、气候、古地理等有利因素作用下，成就了低重金属、高有效Se的高品质资源。其次，Se沉积环境是一个古咸水湖干旱炎热的退缩盆地^[42-43]，伴随Se的富集，还有Ca、Mg、Sr、K等盐类物质同时沉积，这成为研究区叠加其他有益矿物元素的又一优势。再者，土壤Se的水溶态高、Fe的活化率高、Cd的活化率低是土壤质量的第三大优势，具有培育富Se、富Fe和低Cd农产品的生态潜力。

研究区产出的小米重金属含量低，且富Se、Fe、Cu、Mg、Mn、P。究其原因，与青海高原冷凉气候紧密相关。冷凉气候直接对小米成分的影响主要表现在2个方面：①能拉长小米的生长周期，增加小米中营养成分的储集量；②因昼夜温差大，可能会激活小米的代谢机制，间接影响小米对土壤营养元素的转化率。因此，以此思路，可以利用土壤元素活化率、产品富集和运移元素的能力构建“土壤–农产品”系统中的矿物营养评价体系。

4 结论

基于青海平安富硒小米品质评价和营养功能源解析，得出研究区在优质绿色土壤环境条件下，产出了优质的富Se产品。研究区土壤具有重金属含量背景值低，肥力好，天然富Se，高Ca、Sr等天然矿物营养等4种优势特征。产出的小米重金属含量低，且富含Se、Fe、Cu、Mg、Mn、P，营养转化过程中存在Mg、Mn、Cu、Zn、P和Sr、K两组协同吸收序列；营养源解析中识别出4种营养谱系，分Zn、Cu、Mg、Mn、K、P等基础营养源，Fe、Ca等强化营养源，Se功能营养源和Sr功能营养源。研究区优质的土壤环境培育出了优质功能农产品，这为后续产品推广提供了科学依据。建议进一步结合地方气候、土壤特征，研究土壤–小米系统中营养转化机理，为开发出健康生物产品做技术保障。