硒(Selenium,Se)已被证明为动物和人体必需的微量元素,是一种对植物生长有益的营养元素。硒是生物体多种酶和蛋白质的重要组成成分,具有提高人体免疫力、抗衰老、预防癌变等功能,硒缺乏会导致多种疾病的发生。缺硒土壤分布广泛,中国约72%的市(县)处于严重缺硒或低硒状态,硒摄入不足,威胁着缺硒地区人们的健康。食用富硒农产品是最经济有效、安全方便的补硒方式。自然环境及土壤中硒含量、分布、价态、形态及转化,决定了植物硒含量及食物链系统中硒水平。不同形态及价态的硒对植物的有效性有很大的差异,对土壤生态环境也有不同程度的影响。近年来,提高硒的生物有效性以及硒对植物生理、土壤生态影响等相关研究受到学术界和公众的普遍关注。进行硒在土壤—植物中的转化及植物对硒的富集、抗性机理研究,对认识土壤硒的有效性和植物耐硒机理具有理论与实际意义。本文采用盆栽和水培试验方法,应用生理生化测定、氢化物原子荧光光谱、亚细胞分离技术等手段,以烟草(Nicotiana tabacum L.)和超富集硒植物堇叶碎米荠(Cardamine violifolia O.E.Schulz)为材料,研究了不同价态及种类外源硒条件下,烟草和堇叶碎米荠对硒的吸收与转化、硒对土壤生态学特征的影响及在土壤中转化机制、硒对烟株生理特性的影响和烟株的耐硒机理,探讨了不同类型硒的转化利用率,旨在为正确评价土壤硒的生物有效性,了解硒的土壤生态毒理学特征提供科学依据,为富硒产业的发展提供理论支撑。结果表明:(1)土壤施用低浓度(1-10mg/kg)的两种价态硒可改善烟株农艺性状和提高生物量,而高浓度(20-30mg/kg)硒则有负面影响,且Se(VI)处理抑制效果大于Se(IV)。相同浓度下,Se(VI)和Se(IV)均能有效增加烟株各部位硒含量,前者较后者提高了3-30倍。土壤中的硒优先富集和分布于叶片中,其次是根系,茎秆最小。Michaelis-Menten方程拟合表明,土壤盆栽条件下Se(VI)处理的烟株叶片、茎秆和根系理论最大硒含量分别是Se(IV)处理的1.8、15.8和21.0倍,烟株对Se(VI)的亲和力显著大于Se(IV),Se(VI)对烟株的生物有效性明显较高。施入水溶性硒能显著提高土壤中各形态硒含量,土壤中Se(IV)主要被碳酸盐及铁锰氧化物结合,降低了硒在土壤中的移动性;土壤Se(VI)以水溶态和交换态为主,有效性相对较大。不同价态的硒施入植烟土壤中,其转化量低,以原价态为主。(2)低浓度(<10mg/kg)的硒处理对土壤过氧化氢酶和中性磷酸酶活性有促进、对土壤脲酶和蔗糖酶活性有降低效果;高浓度(>10mg/kg)的硒处理对土壤过氧化氢酶、脲酶和蔗糖酶活性都有降低作用,且抑制效果为Se(VI)大于Se(IV)。适当浓度Se(VI)和Se(IV)对土壤微生物数量和均匀性有促进、高浓度硒则有降低效果。相关性分析表明,土壤脲酶活性降低可表征土壤Se(VI)污染状况(-0.916**),土壤蔗糖酶活性的降低可表征土壤Se(IV)污染状况(-0.871*)。土壤水溶态硒含量对土壤酶活性影响最大,呈显著负相关。土壤蔗糖酶活性和脲酶活性降低、土壤微生物(细菌和真菌)数量减少是硒污染导致土壤生态恶化的原因之一。(3)水培液中加Se(IV)和Se(VI)处理,低浓度(<2mg/L)处理对烟株生长有促进作用,高浓度(>5mg/L)有明显的抑制效果,相同硒浓度下表现为Se(IV)毒性大于Se(VI)。施用不同价态的硒,烟株各部位硒含量和积累量增加显著,Se(VI)处理的茎和叶中硒浓度高于Se(IV),而在根中分布低于Se(IV);烟株叶片以有机硒为主,无机硒主要以Se(IV)存储。水培烟株叶片和茎秆对Se(VI)的亲和力大于Se(IV),而根系对Se(IV)的亲和力大于Se(VI)。烟株叶片吸收的硒主要贮存组织分别为细胞质>细胞壁>线粒体>叶绿体。同等硒用量下,Se(VI)处理叶片总硒含量及细胞壁、细胞质中硒含量大于Se(IV)处理,说明烟株叶片对Se(VI)的吸收能力和耐受性均大于Se(IV),原因为烟株吸收的Se(VI)更易合成含硒氨基酸或蛋白质等积累在细胞质中和被细胞壁固定,进而缓解硒的毒性。随着Se(IV)和Se(VI)浓度的增加,烟株叶片SOD酶活性呈增加的趋势,POD酶活性较对照有降低的趋势;CAT酶活性呈先迅速增加,再降低的趋势。SOD酶可能参与了高硒浓度的解毒过程(高硒浓度下SOD酶活性仍较强),而CAT酶仅在低浓度硒处理下起到清除H2O2的作用。高浓度Se(VI)和Se(IV)胁迫导致烟株气孔关闭、CO2供应受阻是水培烟株叶片光合作用下降的主要限制因子。施用不同价态的硒,低浓度(<2mg/L)处理的烟株叶片MDA含量降低,根系活力增加,烟株的抗逆性增强;高浓度(>5mg/L)处理,烟株叶片MDA增加明显,根系活力下降,对烟株产生了胁迫,致使叶片抗逆性物质增加。烟株对Se(VI)的耐受性大于Se(IV),其原因为Se(VI)处理促进烟株叶片产生更多的脯氨酸和增加SOD酶活性以提高烟株的耐硒水平,另外与烟株对不同价态硒的吸收、固定能力差异有关。(4)采用亚硒酸钠和硒矿粉处理研究堇叶碎米荠对不同种类硒的吸收与转化。结果表明,两种类型的硒对堇叶碎米荠硒含量和硒积累量的增加效果显著,植株各部位硒积累规律为叶>茎>根。在硒用量低(<10mg/kg)时,硒矿粉对堇叶碎米荠各部位硒含量的增加效果较亚硒酸钠好,而在硒用量高(>10mg/kg)时效果相反。施用硒矿粉较亚硒酸钠处理有提高堇叶碎米荠叶片硒转化率的趋势。适量施硒能增加植株对硒的利用率,高浓度则有降低效果。施用亚硒酸钠,主要提高了土壤交换态硒含量;施用硒矿粉,主要提高了土壤残渣态硒含量。叶片硒转化率与土壤有效硒占总硒比例呈显著负相关(-0.779*),表明叶片有机硒的转化率与植株对土壤硒吸收的难易程度有一定关系。