硒是人体必需的微量营养元素之一,适量的硒摄入对于维持人体健康的免疫体系和预防癌症风险具有非常重要的意义。水稻作为中国和世界人口的主食,通过土壤-水稻系统进行硒营养生物强化,提高水稻籽粒硒含量,是从源头上改善人体硒营养均衡和健康的根本途径。为此,本论文研究土壤-水稻系统硒营养生物强化调控效应以及农艺生物强化策略的成本效益分析,该项研究对于改善人体硒营养均衡和健康,特别是对于广大农村地区居民具有非常重要的理论和实践意义。本论文所取得的主要结果如下:(1)为了明确不同生育期水稻各部位对硒的吸收累积及根表铁膜对水稻吸收积累硒的影响机制,为后续硒营养调控奠定基础。采用土壤盆栽试验的方法,设置加硒和不加硒处理,在水稻各个不同生育期取样分析不同部位对硒的吸收累积效应。结果表明:水稻各组织中约50%的硒是在拔节期和孕穗期吸收的,小穗吸收总硒的47.22%是在孕穗期完成的。铁膜中硒占总硒的比例在幼苗期高达73.63%,是水稻苗地上部的近5倍。随着水稻生长发育,铁膜中硒分配比例逐步递减。水稻收获时,铁膜中硒所占比例已降低到20.02%,此时茎中硒占总硒的比例为65.42%,是前者的3倍。因此,拔节期和孕穗期是水稻吸收累积硒的关键时期,根表铁膜在整个生育期中水稻吸收累积硒的过程中所扮演的“缓冲器”角色。(2)为了明确决定水稻籽粒硒累积水平的关键生理过程以及不同生育期供应硒对水稻籽粒硒累积的贡献,为实际生产实践中的施硒时期提供借鉴。采用沙培试验的方法,在富硒水稻秀水48和非富硒水稻丙9652不同生育期供硒7天,水稻成熟后测定分析各部位对硒的吸收累积效应。结果表明:秀水48根的硒浓度显著低于丙9652,但地上部硒浓度显著高于后者,茎和籽粒的差异最为显著,硒累积量规律与之基本一致。秀水48地上部各器官转移系数均显著高于丙9652,其中籽粒更是高达4倍;同样,秀水48地上部分配的硒也大于丙9652。水稻幼穗分化期之前供硒处理的地上部硒累积量均显著地高于幼穗分化期之后供硒处理,地上部的硒转移系数和分配系数也符合以上规律。因此,水稻在拔节期到幼穗分化期这一段时期的硒转运效率最高效,富硒水稻秀水48籽粒硒积累的关键在于硒从根向籽粒转运的过程更加高效,其中叶硒再分配过程更为重要。(3)为了研究不同的硒吸收转运途径之间硒生物强化和籽粒营养品质的差异,为生产过程中的施硒方式提供借鉴依据。本研究采用盆栽土培实验,设置土壤施硒和叶面喷硒两种不同施硒方式,控制水稻品种、土壤类型、硒用量等条件严格一致,水稻成熟后测定分析不同施硒方式对水稻硒转运积累机制及籽粒营养品质的影响效应。结果显示,两种施硒方式均能提高水稻各部位硒含量,但土壤施硒地上部和籽粒硒含量分别是叶面施硒的8.9和5.3倍,而叶面喷硒处理籽粒硒的分配系数是土壤施硒处理的2倍。土壤施硒能显著提高籽粒微量营养元素含量。相比不施硒处理,土壤施硒和叶面喷硒能够分别提高籽粒粗蛋白含量8%和4.5%。同时,施硒处理下籽粒丝氨酸(Ser)和酪氨酸(Tyr)含量均显著高于不施硒处理,土壤施硒处理下籽粒Tyr含量显著高于叶面喷硒,前者是后者的1.15倍。因此,相比叶面喷硒,土壤施硒能够更加高效地提高水稻籽粒硒含量和营养品质,但前者的硒在转运过程中损失较少。(4)为了使农艺生物强化措施能够在中国贫困农村地区人口中推广,降低该项策略的成本是必要的。为此,本研究采用伤残折损寿命年(DALY)框架模型计算铁锌缺乏导致的健康负担,量化农艺生物强化的健康影响和成本效益分析。研究对象为中国四个水稻种植区域,采用的农艺生物强化措施为计算铁或锌叶面肥单独施用、铁锌叶面肥联合施用和铁锌叶面肥加入杀虫剂联合施用。结果显示,目前中国铁和锌缺乏所造成的健康负担在四个地区(用DALYs表示)分别为45-145和14-84万年。与非生物强化水稻饮食相比,通过食用铁和锌生物强化大米,提高铁和锌的日均摄入量,四个地区的铁和锌的健康负担分别降低了32.1和57.7%。不同的农艺生物强化措施达到该效果所需的成本差异很大。这四个地区铁或锌叶面肥单独喷施的成本范围在276-3696美元;铁锌叶面肥联合喷施由于减少了人工成本,所需的成本范围在162-1538美元之间;在进一步减少人工成本的情况下,铁锌叶面肥加入杀虫剂联合喷施的成本被控制在31.6-298.9美元之间。因此,针对缓解以水稻为主食的人群营养缺乏的现状,微量元素叶面肥加入杀虫剂联合喷施为基础的农艺生物强化策略将会是一种快速有效、成本效益高的途径。综上所述,本研究立足于土壤-水稻体系,从时间和空间两个方面,联系实际生产进行研究。首先从时间上探明了水稻整个生育期中铁膜的吸附-解吸附效应,明确了水稻施硒关键生育期;再从空间上阐明了水稻硒的吸收转运过程,明确了水稻硒生物强化的关键生理过程。在生产实践中,推荐土施硒酸盐作为硒生物强化策略,有效提高籽粒硒含量和营养品质。此外,微量元素叶面肥加入杀虫剂联合喷施降低生产成本的策略也可以为硒生物强化的推广起到一定借鉴意义。