叶面过量施硒对玉米产量、硒和矿质营养元素含量的影响

蒋曦龙 乔月彤 李晓靖 王 澜 薛燕慧 夏海勇,4,*

(1 山东省农业科学院作物研究所/山东省作物遗传改良与生态生理重点实验室/小麦玉米国家工程实验室，山东 济南 250100；2 中国农业大学资源与环境学院，北京 100193；3 山东师范大学生命科学学院，山东 济南 250014；4 青岛农业大学农学院，山东 青岛 266109)

硒(Se)是维持动物正常生长发育的必需微量元素，是植物生长发育的有益元素[1]。植物在硒的生物地球化学循环中发挥着重要作用，可将土壤环境中的无机态硒转化为生物有机态硒，是人和动物硒营养的重要来源。多数情况下，常规植物源食物中的硒含量较低，不能满足人体的正常需求[2]，需要通过生物强化等措施提高硒在作物中的富集，为人类提供足量的植物性硒源[3]。小麦、玉米和水稻是我国三大主要粮食作物，通过饮食摄入的硒有70%～80%来源于这三大作物[4]。玉米(ZeamaysL.)是典型的非富硒作物，在没有外源硒强化措施支持下，籽粒硒含量普遍较低[5]。通过土壤施硒、叶面喷硒、硒肥拌种或包衣等农艺措施进行生物强化，可显著提高玉米籽粒中的硒含量[6]。其中叶面喷硒更有利于作物对硒的吸收富集，该措施已在生产中得到广泛应用[7-8]。

近年来也有诸多研究表明，虽然硒对动、植物的生长发育有益[9]，但过量施硒不仅对作物造成毒害[10-12]，亦会带来严重的食品安全隐患，引发人体指甲变形、脱发和神经系统疾病；实际生产中过于追求富硒效果，也易造成外源硒过量、硒胁迫、硒土壤污染等不良情况。李圣男等[13]对我国近35年来有关玉米施硒试验的结果进行分析后发现，有35.5%的样本产量下降，平均减产率为14%，参考陕西省地方标准(DB 61/T 556-2018)[14]中规定的玉米中全硒含量不超过0.30 mg·kg-1的要求，仅有11.5%的产品(玉米籽粒)符合富硒标准，有高达44.2%的样本籽粒硒含量超标，具有食品安全风险。目前玉米叶面喷硒的研究中，主要是在抽雄期喷施亚硒酸钠(Na2SeO3)，通常喷施浓度为20～40 mg·L-1，被认为具有较高的硒富集效率[15-16]。但玉米对外源喷硒的耐受浓度范围以及不同品种玉米对硒胁迫的响应差异研究较少；同时，外源喷硒对玉米其他营养元素吸收利用的影响及机理也需进一步研究。

本研究通过叶面喷施不同浓度外源硒处理，探究过量喷硒对常规籽粒玉米与鲜食糯玉米生长发育的影响，及籽粒中硒和其他矿质元素含量的变化情况，以期明确过量施硒对玉米生长的毒害效应，为合理施用硒肥提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验分别设在山东德州乐陵市大孙乡灶户李村(37°48′N，117°2′E)和济南历城区山东省农业科学院作物研究所试验基地(36°42′N，117°4′E)，属于暖温带半湿润大陆性季风气候，年均降水量分别为527和625 mm，年均气温分别为12.5和13.6℃，土壤类型为潮土。德州试验于2017年6―10月和2018年6―10月开展；济南试验于2018年6―10月开展。

1.2 试验材料

德州点供试玉米(ZeamaysL.)品种为鲜食糯玉米京科糯2000(JKN2000)，济南点供试品种为常规籽粒玉米郑单958(ZD958)，由山东省农业科学院玉米研究所提供。供试硒肥为亚硒酸钠(Na2SeO3)，购自国药集团化学试剂(上海)有限公司。

1.3 试验设计

2017年试验于德州点进行，设4个喷硒(亚硒酸钠)浓度处理，分别为0、1、3、5 g·L-1(分别记作CK1、L1、L2、L3)；2018年试验于济南和德州2个试验地进行，各设5个喷硒(亚硒酸钠)浓度处理，分别为0、0.1、0.2、0.5、1.0 g·L-1(济南点分别记作CK2、J1、J2、J3、J4；德州点分别记作CK3、S1、S2、S3、S4)。两地试验小区面积均为4 m×5 m=20 m2，玉米种植密度为4 000株·hm-2，3次重复。每小区选取长势一致的连续5株玉米进行叶面喷施硒肥处理。德州点2017年试验于6月29日播种，9月19日收获；2018年试验于6月30日播种，9月29日收获。济南点2018年试验于6月20日播种，9月30日收获。收获时，将小区内喷施处理的植株全部移除，以防硒对土壤造成污染。试验田播种前基施750 kg·hm-2复合肥(N-P2O5-K2O=15-15-15)；拔节期追施尿素300 kg·hm-2。于玉米开花授粉结束后第5天，按照处理设计，用手持压缩式喷雾器喷施不同浓度硒肥溶液(含0.01%吐温20，v/v)，之后间隔10 d再喷施一次，每次的喷施量为100 mL/株。

1.4 测定项目与方法

玉米成熟期进行植株取样，人工考种、脱粒。籽粒和秸秆分别用去离子水清洗干净，并于60～65℃烘箱中烘至恒重，测定干重。取烘干籽粒和秸秆小样，分别用不锈钢研磨机研磨粉碎、过筛(200目)，粉碎样品采用HNO3-H2O2进行消解，采用AvioTM200电感耦合等离子体发射光谱仪ICP-OES(PerkinElmer,美国)和NexION®1000质谱仪ICP-MS(PerkinElmer,美国)测定籽粒和秸秆中的硒(Se)、锌(Zn)、铁(Fe)、锰(Mn)、铜(Cu)、磷(P)、钾(K)、镁(Mg)、钙(Ca)、钠(Na)、铝(Al)和硼(B)含量[3,17]。

1.5 数据分析

采用Microsoft Excel 2007软件进行数据处理，采用SAS 9.0软件对数据进行单、双因素方差分析(ANOVA)，并在0.05和0.01水平上用最小显著性差异法(least significant difference,LSD)比较平均值。

2 结果与分析

2.1 叶面喷硒对玉米产量和产量构成以及其他农艺性状的影响

由表1可知，叶面喷施不同浓度亚硒酸钠对玉米秸秆和籽粒产量均有一定影响。2017年德州点，喷硒处理玉米(京科糯2000)的秸秆干重和籽粒产量均显著低于CK1(不喷硒对照)，且随喷施浓度的增加，降低幅度增大，秸秆干重和籽粒产量分别比CK1降低26.5%～39.1%和22.4%～60.6%；鲜穗和鲜籽粒产量的变化趋势与之相似。表明3个喷硒浓度均对鲜食糯玉米品种京科糯2000产生了严重的生理毒害作用。鉴于此，在2018年的试验中降低了各处理的喷硒浓度。由2018年德州点的结果可知，京科糯2000喷施0.2 g·L-1亚硒酸钠(S2)的玉米秸秆干重和籽粒产量最高，分别为146.0和96.9 g/株，较CK3分别增加13.4%和5.1%，其中秸秆干重的增加达到了显著水平。喷施0.1(S1)、0.5(S3)和1.0(S4)g·L-1亚硒酸钠处理的秸秆干重比CK3降低2.0%～22.2%，其中S4与CK3的差异达到显著水平；籽粒干重比CK3降低2.0%～49.0%，其中S3和S4均与CK3的差异达到显著水平。鲜穗和鲜籽粒产量亦有类似的变化趋势。2018年济南点的试验结果表明，叶面喷施亚硒酸钠对常规籽粒玉米品种郑单958具有显著的毒害作用。各处理秸秆干重和籽粒产量较CK2分别降低21.7%～41.5%和40.4%～91.6%。综上，叶面喷施亚硒酸钠对玉米的生理毒副作用明显(2018年S2除外)，而且，从2018年度试验结果来看，常规籽粒玉米品种郑单958对亚硒酸钠的敏感性明显高于鲜食糯玉米品种京科糯2000。

表1 叶面喷施亚硒酸钠对玉米秸秆和籽粒产量及其构成因素的影响Table 1 Effects of foliar Na2SeO3 spraying on straw biomass,grain yields and yield components of maize

与秸秆干重和籽粒产量结果一致，随着喷施亚硒酸钠浓度的增加，穗行数、行粒数、百粒重和收获指数均呈现不断降低的趋势。品种与喷施亚硒酸钠浓度交互作用对秸秆干重、籽粒产量、行粒数、百粒重和收获指数均有显著或极显著影响。

喷施亚硒酸钠对玉米植株其他农艺性状(株高、穗位高、茎粗、穗长和秃尖长)的影响规律在不同年份、不同品种和不同指标之间存在较大差异(表2)。总体来看，较高的硒浓度会降低株高、穗位高、茎粗、穗长和穗粗，增加秃尖长。

表2 叶面喷施亚硒酸钠对玉米其他农艺性状的影响Table 2 Effects of foliar Na2SeO3 spraying on other agronomic traits of maize

2.2 叶面喷硒对玉米籽粒和秸秆硒含量的影响

表3结果表明，叶面过量喷硒能够大幅度提高常规籽粒玉米和鲜食糯玉米品种籽粒和秸秆中的硒含量，且随喷施浓度的增加，籽粒和秸秆硒含量均整体呈增加趋势。不同品种之间、不同叶面喷施浓度之间籽粒或秸秆硒含量存在显著差异。0～1.0 g·L-1亚硒酸钠喷施范围内(CK2和J1～J4处理)，郑单958籽粒硒含量变化幅度为0.07～15.32 mg·kg-1；0～5.0 g·L-1亚硒酸钠喷施范围内，京科糯2000籽粒硒含量变化幅度为0.01～11.31 mg·kg-1。所有处理中，喷施0.5 g·L-1亚硒酸钠时(J3)，郑单958籽粒硒含量最高，为15.32 mg·kg-1，显著高于京科糯2000的各浓度处理。

表3 叶面喷施亚硒酸钠对玉米籽粒和秸秆硒含量的影响Table 3 Effects of foliar Na2SeO3 spraying on Se concentrations in grains and straw of maize /(mg·kg-1)

图1拟合曲线显示，郑单958的籽粒硒含量与叶面喷硒浓度成对数型正相关关系(图1-a)，相关系数R2=0.918 2(P<0.05)，京科糯2000的籽粒硒含量与喷施浓度亦成对数型正相关关系(图1-b)，相关系数R2=0.924 7(P<0.05)；郑单958的斜率明显高于京科糯2000，表明郑单958对外源叶面喷硒的响应更加敏感，对硒的吸收富集能力明显高于鲜食糯玉米品种京科糯2000。在不考虑品种差异情况下(图1-c)，玉米籽粒硒含量与叶面喷硒浓度拟合曲线相关系数R2仅为0.558 3，拟合性相对较差。

注：a：郑单958；b：京科糯2000；c：郑单958和京科糯2000。Note:a:Zhengdan 958.b:Jingkenuo 2000.c:Zhengdan 958 and Jingkenuo 2000.图1 不同玉米品种叶面喷施亚硒酸钠浓度与籽粒硒含量关系的拟合曲线Fig.1 Simulated curves of relationships between foliar Na2SeO3 spraying concentrations and Se concentrations in grains of different maize cultivars

2.3 叶面喷硒对玉米籽粒和秸秆其他营养元素含量的影响

由表4可知，叶面喷硒显著增加了郑单958品种籽粒Zn、Fe和Na的含量，其中Zn和Fe增幅较大，较CK2分别增加15.3%～52.3%和13.8%～27.1%；降低了籽粒K、Al与B的累积；对Mn、Cu、P、Mg和Ca的影响相对较小。与CK3相比，S3和S4京科糯2000玉米籽粒的Zn、Fe与Al含量均显著增加；Mn和B含量则呈降低趋势；Cu、P、K (S3除外)、Mg、Ca和Na (S3除外)的累积基本不受影响。品种间比较，郑单958籽粒Fe、Mn和Na含量显著高于京科糯2000，K和B含量均明显低于京科糯2000，其他元素差异相对较小。

表4 叶面喷施亚硒酸钠对玉米籽粒其他营养元素含量的影响Table 4 Effects of foliar Na2SeO3 spraying on other nutrient element concentrations in maize grains /(mg·kg-1)

由表5可知，叶面喷一定浓度的硒能够促进2个品种茎叶对Zn、Fe、Mg和Al的吸收，但同时会抑制玉米对Cu的吸收，对K、Ca和Na的吸收基本无影响(除J4的Na含量显著低于CK2)。叶面喷硒对Mn、P和B吸收的影响在2个品种间存在较大差异。品种间比较，郑单958秸秆Zn、K和Ca含量明显高于京科糯2000，Mg含量明显低于京科糯2000，其他元素含量差异较小。

表5 叶面喷施亚硒酸钠对玉米秸秆其他营养元素含量的影响Table 5 Effects of foliar Na2SeO3 spraying on other nutrient element concentrations in maize straw /(mg·kg-1)

3 讨论

3.1 叶面喷硒对玉米产量、产量构成以及农艺性状的影响

有关硒对玉米产量和生物量的影响，存在一定争议。有研究认为，施硒能够促进作物生长、增加作物产量和生物量[18-21]；另有研究认为，施硒会造成硒毒害，超过一定量后会抑制作物生长、降低作物产量及生物量[22-23]；同时也有一部分研究认为，施用硒肥对作物产量和生物量无显著影响[24-28]。本研究结果显示，叶面喷施不同浓度亚硒酸钠能够显著影响2个品种玉米产量、产量构成及农艺性状，且品种之间存在一定差异。叶面喷硒浓度为0.2 g·L-1时，京科糯2000的秸秆干重和籽粒产量分别较对照(不喷硒)增加13.4%和5.1%；但在此浓度下，郑单958的秸秆干重与籽粒产量均较对照显著降低。可见，同一外源叶面喷硒浓度下2个品种的表现截然不同。这也与李圣男等[13]对我国近35年富硒玉米相关文献综合分析的结果有吻合之处，后者分析发现施硒条件下(叶面喷施、基施、浸种和拌种等)有35.5%的样本产量下降，平均减产14.0%。其主要原因可能是不同用量硒对不同品种玉米造成的影响程度有所差异，且过高硒用量会对玉米产生毒害作用进而造成减产。

本研究中，随叶面喷硒浓度的逐步增加(>0.2 g·L-1)，2个品种玉米秸秆生物量与籽粒产量均呈不断下降的趋势，说明毒害作用增大，这与马志军等[29]和张丽娟[30]的研究结果相一致。前人研究结果显示，土施亚硒酸钠在40～70 mg·kg-1范围内，硒对玉米鲜重、品质等相关指标具有促进作用，超过90 mg·kg-1时，会干扰植物体内谷胱甘肽过氧化物酶的合成，破坏植物的抗氧化能力，降低植物抵御环境胁迫的能力，造成植株硒毒害，限制玉米生长并降低玉米品质[29-32]。前人研究也证实，不同植物对硒中毒的症状有较大差异，玉米等非聚硒植物生长在高硒介质中时，通常会表现出叶片萎缩干枯、蛋白质合成下降、植物未老先衰等现象[33-34]；而赵薇等[35]研究发现，适量外源硒施能间接降低膜脂过氧化产物丙二醛的生成，从而延缓叶片衰老。可见，硒对植株生长发育的影响存在剂量效应，低浓度时表现出一定促进作用，高浓度则抑制植物生长，本研究中京科糯2000的结果也呈现出类似的剂量效应。另外，本研究中，过高硒浓度明显降低玉米果穗长、行粒数、百粒重和收获指数，说明高浓度硒抑制果穗生长发育进而降低籽粒产量[36-37]。综上，在富硒玉米生产中，对于硒肥用量的选择需要兼顾籽粒硒富集、玉米品种的遗传差异和玉米生长状况(产量、生物量等)，协调彼此之间的关系，进而获得高产、优质富硒玉米。

3.2 叶面喷硒对玉米籽粒和秸秆硒含量的影响

诸多学者研究表明，外源施用硒肥能够提高作物籽粒等各部位的硒含量[38-39]。本研究通过喷施较高浓度亚硒酸钠可大幅度提升郑单958和京科糯2000籽粒和秸秆的硒含量，这与史振声等[26]和罗连光等[31]的研究结果一致。郑阳等[40]研究结果也表明，通过叶面喷硒可以显著提高糯玉米籽粒的硒含量，且随外源喷硒量的增加而增加。郝玉波等[22]在不同时期喷施叶面硒肥，可使玉米籽粒硒含量达到57.53 mg·kg-1。本研究结果也表明，叶面喷施0.1～5.0 g·L-1亚硒酸钠，2个品种玉米籽粒和秸秆硒含量与喷硒量之间呈同步增加的趋势，郑单958籽粒硒含量的增幅明显高于京科糯2000，增幅可能与玉米品种的遗传差异有关[41]。

当叶面喷施亚硒酸钠浓度为0.1 g·L-1时，郑单958和京科糯2000籽粒硒含量分别为3.62 mg·kg-1和1.53 mg·kg-1，远超目前国内富硒玉米国家标准(GB 13105-91)[42]和陕西(DB 61/T 556-2018)[14]、宁夏(DB 64/T 1221-2016)[43]等地地方标准规定的籽粒硒含量介于0.15～0.30 mg·kg-1的目标值，存在较大的食品安全风险；其中郑单958籽粒的硒含量已接近世界卫生组织人体食用硒中毒的标准值(5 mg·kg-1)[44]。李圣男等[13]对我国近35年富硒玉米相关文献进行统计分析发现，仅有11.6%的样本籽粒硒含量在0.15～0.30 mg·kg-1标准范围之内，超过42%的样本超过了0.30 mg·kg-1的标准上限。由此可见，玉米籽粒硒含量与施硒量密切相关，且实际生产中，往往为了追求高富硒值而增大硒肥浓度或施用量，造成籽粒硒含量超过安全标准，产生一定的食品安全风险。所以，针对不同玉米品种，应准确控制硒肥施用量，这样不但可以防止籽粒硒含量超标，同时可以减少硒肥的投入。

3.3 叶面喷硒对玉米其他营养元素吸收的影响

合理施用微量元素硒可促进作物生长，提高作物对养分的吸收能力，有效改善作物营养品质；过量施硒会造成离子毒害，影响玉米正常生长发育和其他矿质营养元素的吸收利用。本研究结果显示，外源叶面喷硒不仅能够提高玉米籽粒和秸秆的硒含量，还可以提高玉米籽粒和秸秆内Zn和Fe的含量。而黄丽美等[45]研究发现，施用硒肥对Fe、Zn含量的影响均不显著。这可能与硒肥的施用浓度或施用量不同有关。方勇等[46]研究表明，对水稻叶面喷施硒肥，适宜的硒浓度可以提高水稻籽粒中的硒含量，有利于稻米中Mn元素的吸收；黄丽美等[45]研究也表明，施硒有利于玉米籽粒对Mn和K的吸收。本研究中，与不喷硒对照相比，喷硒后京科糯2000秸秆的Mn含量总体显著增加(叶面喷硒浓度0.5 g·L-1处理除外)，籽粒的Mn含量降低；郑单958秸秆的Mn含量均显著降低，籽粒的Mn含量总体与对照无显著差异(除叶面喷硒浓度0.1 g·L-1处理显著增加外)。另外，叶面喷硒降低了郑单958籽粒的K含量，仅在叶面喷硒浓度为0.5 g·L-1时显著提了高京科糯2000籽粒的K含量(其他浓度处理下与对照相比均无显著性差异)，而对2个品种秸秆K含量基本无影响。可见，本研究中叶面喷硒对Mn和K吸收利用的影响不同，且在不同玉米品种之间存在明显差异。

汪志君等[47]研究认为，在一定浓度范围内，硒对植物吸收P、Ca和Mg等元素有一定的促进作用。而本研究中叶面喷硒对郑单958和京科糯2000两个品种籽粒P、Mg、Ca和秸秆Ca以及郑单958秸秆中P和Mg的吸收影响相对较小，对京科糯2000秸秆中P和Mg的吸收有一定促进作用。刘庆等[25]研究发现，施硒可显著抑制玉米根系对Na的吸收。本研究中，施硒对郑单958籽粒Na吸收有一定的促进作用，而对京科糯2000籽粒Na吸收基本无影响(叶面喷硒浓度0.5 g·L-1除外)，对2个品种秸秆Na影响不显著(郑单958叶面喷硒浓度1.0 g·L-1除外)。此外，本研究中叶面喷硒提高了2个品种秸秆的Al含量，抑制了郑单958籽粒对Al的吸收，但对京科糯2000籽粒Al的吸收有一定的促进作用(叶面喷硒浓度为0.5和1.0 g·L-1时)。本研究还发现，叶面喷硒均会抑制2个品种玉米籽粒和郑单958秸秆对B的吸收，这与王松山等[48]的研究结果一致，主要是由于Se、Zn与B之间存在一定的拮抗作用。上述结果的差异可能与作物种类或品种、土壤和气候环境条件、栽培耕作和水肥药管理措施、硒肥施用方式、形态和用量以及作物取样部位等的不同有关。

4 结论

本研究表明，叶面过量喷硒虽然会提高普通籽粒玉米郑单958和鲜食糯玉米品种京科糯2000的籽粒和秸秆硒含量，但易超过玉米安全食用国家标准上限，且造成离子毒害和玉米产量降低。郑单958对外源叶面喷硒较为敏感，其产量和籽粒硒含量的变化幅度均高于京科糯2000，两品种之间存在较大差异。叶面喷硒可显著提高玉米籽粒的Zn和Fe含量，对Cu、P、Mg和Ca含量基本无影响，抑制B的吸收。本研究只针对郑单958和京科糯2000这2个品种进行比较分析，设置喷硒浓度明显高于前人研究，存在一定的局限性。由于影响硒在玉米体内分配和向籽粒迁移的因素较多，如品种基因型、气候和土壤条件、硒的用量和形态以及其他养分元素管理措施等，因此，未来富硒玉米的发展应因地制宜，从食品安全生产、环境污染防控和经济实用等角度，建立标准化、规范的硒肥施用技术体系；另外，叶面喷硒促进籽粒Zn和Fe的吸收，抑制B吸收的机理需要进一步研究。