茶樹鎘的吸收富集與控制研究進(jìn)展

鐘興剛，覃事永，羅 意，劉淑娟，羅軍武，譚正初*

（1.湖南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 茶葉研究所，湖南 長沙410125；2.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 茶學(xué)系，湖南 長沙 410128）

茶樹鎘的吸收富集與控制研究進(jìn)展

鐘興剛1，覃事永1，羅 意1，劉淑娟1，羅軍武2，譚正初1*

（1.湖南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 茶葉研究所，湖南 長沙410125；2.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 茶學(xué)系，湖南 長沙 410128）

綜述了茶園及茶葉中重金屬鎘含量現(xiàn)狀，土壤中鎘形態(tài)分布特點(diǎn)及來源，茶樹鎘的吸收、富集、遷移規(guī)律與分布特性及對茶樹的影響，提出了防控鎘污染的技術(shù)措施。

茶葉；鎘；吸收；富集；控制

我國是茶葉生產(chǎn)和消費(fèi)大國，長期以來，茶葉質(zhì)量安全是廣大消費(fèi)者關(guān)注的熱點(diǎn)。重金屬含量作為茶葉質(zhì)量安全指標(biāo)的重要一環(huán)，直接關(guān)系到人類的健康及茶葉產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。越來越多的研究證實(shí)［1-3］，鎘（Cd）因其毒性強(qiáng)、易吸收積累、難消除等特點(diǎn)，被認(rèn)為是重金屬中最具危害性的一種污染元素。Cd對人體會(huì)產(chǎn)生亞慢性、慢性、急性中毒危害等負(fù)面影響，Cd中毒會(huì)造成腎小管再吸收障礙，造成腎損害、骨痛病等［4］，嚴(yán)重中毒甚至危及生命。隨著人們健康意識的不斷提高，茶葉中Cd的含量已經(jīng)成為茶葉消費(fèi)者及茶產(chǎn)業(yè)從業(yè)者關(guān)注的焦點(diǎn)。

目前，國內(nèi)外對茶園及茶葉中重金屬含量已開展較多研究，但系統(tǒng)性闡述Cd的研究報(bào)道尚不多。本文綜述了前人有關(guān)茶園與茶葉中鎘的研究進(jìn)展，以期為今后茶葉中鎘的研究及控制降低茶葉中Cd含量提供參考。

1　茶園及茶葉中Cd含量調(diào)查與評價(jià)

華南地區(qū)是我國重要的產(chǎn)茶區(qū)之一，種茶面積較廣［5］。梁玉清等［6］分析了該地區(qū)茶園表層土壤（0～40 cm）樣品中包括Cd在內(nèi)的6 種重金屬元素的含量。結(jié)果表明，土壤中Cd元素污染指數(shù)為0.34～0.92，根據(jù)土壤質(zhì)量環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定［12］，當(dāng)單項(xiàng)元素污染指數(shù)＜1，判斷該土壤未被該元素污染，因此該地區(qū)茶園未被Cd污染。陳劍俠等［7］對福建省的泉州、漳州、龍巖、三明、南平、寧德、莆田、福州等8個(gè)有代表性茶園土壤進(jìn)行重金屬檢測，結(jié)果表明，這些地區(qū)茶園土壤Cd含量狀況總體較好。余志強(qiáng)等［8］測定了廣西樂業(yè)、羅城、蒼梧、橫縣等重要茶區(qū)土壤中Cd及其它重金屬含量，發(fā)現(xiàn)這些茶區(qū)Cd含量均較低，Cd元素污染指數(shù)均小于1.0，說明廣西茶園土壤中Cd總體情況良好。有學(xué)者對云南省普洱、保山、西雙版納、大理等茶區(qū)土壤重金屬含量進(jìn)行普查，結(jié)果也表明，這些茶區(qū)土壤Cd含量均較低，污染指數(shù)均＜1.0，說明云南茶區(qū)土壤Cd總體良好。徐麗紅等［9］2010年對浙西南地區(qū)茶園重金屬含量進(jìn)行監(jiān)測與研究發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)茶葉和土壤樣品Cd元素污染指數(shù)P均＜0.6，表明該地區(qū)茶園土壤未受Cd的污染。

張清海等［10］2012年對貴州省云霧、都勻、湄潭3個(gè)典型名優(yōu)茶產(chǎn)區(qū)做過研究，發(fā)現(xiàn)部分地區(qū)存在Cd污染，特別是湄潭、都勻茶園土壤中Cd有超標(biāo)，超標(biāo)率達(dá)到39.4%。黃蘋［11］和李云等［12］分別對雅安等川西地區(qū)30多個(gè)主產(chǎn)茶縣和重慶市茶園重金屬進(jìn)行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)土壤中各種重金屬均存在污染，以Cd的含量最高，污染最重，且各種重金屬污染程度大小順序?yàn)镃d＞Cr＞As＞Hg＞Cu＞Pb。譚和平等［13-14］通過調(diào)查研究也發(fā)現(xiàn)，川西地區(qū)、川東地區(qū)、重慶地區(qū)茶園土壤Cd等重金屬元素存在一定程度的超標(biāo)。有關(guān)研究人員［15］對鄂東大別山、鄂西武陵山、宜昌三峽庫區(qū)、鄂西北秦巴山、鄂南幕阜山等茶區(qū)進(jìn)行重金屬含量普查，結(jié)果顯示，這些茶區(qū)90%以上土壤未受重金屬污染，Cd元素有超標(biāo)的現(xiàn)象，但屬于輕度污染。

湖南茶區(qū)在這方面公開發(fā)表統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)不多，還不能很明確的得出有關(guān)結(jié)論。

2　茶園土壤Cd形態(tài)分布特點(diǎn)及來源

2.1土壤中Cd的形態(tài)分布特點(diǎn)

馬玲等［18］研究表明：土壤中Cd形態(tài)包括以下幾種：離子交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、有機(jī)結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、殘?jiān)鼞B(tài)等。其中離子交換態(tài)活性較大，所占比率最高，對環(huán)境影響嚴(yán)重，是重要的Cd污染來源形態(tài)。碳酸鹽結(jié)合態(tài)在pH值偏低的環(huán)境時(shí)，會(huì)重新釋放進(jìn)入環(huán)境，是潛在的Cd污染來源形態(tài)，因此對于碳酸鹽結(jié)合態(tài)，酸度減弱有利于鎘的固化。有機(jī)結(jié)合態(tài)是金屬離子被有機(jī)質(zhì)吸附、絡(luò)合或者螯合，固定在土壤中，可分為腐殖酸結(jié)合態(tài)和強(qiáng)有機(jī)結(jié)合態(tài)［19］，腐殖酸結(jié)合態(tài)鎘活性大些，強(qiáng)有機(jī)結(jié)合態(tài)則相對穩(wěn)定，能起到固定土壤鎘的作用［20］。

2.2茶園土壤中Cd的來源及遷移

Cd元素的主要來源有以下幾種途徑：（1）成土母質(zhì)，土壤自然含有，如含錳鐵鉛礦地區(qū)。李藝等［21］對廣西思榮錳鐵鉛礦恢復(fù)種植區(qū)的土壤進(jìn)行Cd含量分析。結(jié)果表明，該復(fù)墾區(qū)土壤中的Cd含量較高，達(dá)31.42～46.5 mg/kg，超土壤三級標(biāo)準(zhǔn)值30倍，明顯高于非礦區(qū)，作物中Cd含量也超出正常范圍。（2）隨含Cd污染的液體進(jìn)入土壤，再被截留固定。如污水中Cd離子很容易被水中的懸浮物、有機(jī)質(zhì)和粘土礦物吸附累積。（3）隨大氣塵埃進(jìn)入土壤。來源于能源、冶金和建筑材料的Cd，在使用、生產(chǎn)和加工中伴隨產(chǎn)生的氣體和粉塵，以氣溶膠的形態(tài)融入大氣，通過自然沉降和降水進(jìn)入土壤帶來污染。有關(guān)研究表明，Cd元素污染通過大氣塵埃帶入具有直接關(guān)系［17］。（4）隨固體廢棄物進(jìn)入土壤。以工礦業(yè)固體廢棄物、農(nóng)資廢棄物污染為主，其次過度不合理使用農(nóng)資也帶來污染。例如在個(gè)別農(nóng)藥和肥料組成中含有Cd等重金屬，廢棄或過度不合理使用，會(huì)增加土壤重金屬Cd的污染，特別是磷肥，是由磷礦生產(chǎn)出來，具有高含量Cd的風(fēng)險(xiǎn)。

3　茶樹Cd的吸收、富集及對茶樹生長的影響

3.1不同茶樹品種對Cd吸收富集的差異性

唐茜等［23］研究表明：不同茶樹品種對Cd的吸收、累積和向上部遷移能力有一定差異，這種差異在其它作物也表現(xiàn)明顯［24-25］。實(shí)驗(yàn)所選的3個(gè)品種，Cd吸收含量大小順序依次為：老葉和枝條：名山131＞福鼎＞名山213；新梢和主莖：福鼎＞名山131＞名山213；根部：名山213＞福鼎＞名山131。

3.2茶樹不同器官對Cd的吸收富集特性及與土壤Cd含量的關(guān)系

李云等［22］針對茶樹對包括Cd在內(nèi)的四種重金屬元素的吸收和富集進(jìn)行研究，結(jié)果表明，茶樹對Cd吸收累積呈以下規(guī)律：（1）茶樹不同部位吸收Cd有明顯差異，茶樹受到Cd污染時(shí)，大部分累積在根部，向莖和葉遷移量較少，Cd從根部向葉片的平均遷移量僅為2%左右；（2）茶樹各部位Cd含量隨著土壤Cd添加量的增加而增加，且與土壤中Cd的有效態(tài)含量呈顯著相關(guān)；（3）茶樹各部位Cd含量隨著時(shí)間的增長，累積含量增加；（4）有效態(tài)Cd離子活性與pH值呈負(fù)相關(guān)。

3.3茶樹對Cd和其它重金素元素吸收富集能力比較

黃蘋等［10］和李云等［11］針對茶樹對包括Cd在內(nèi)多個(gè)重金屬元素的富集能力進(jìn)行研究，結(jié)果表明，包括Cd在內(nèi)的六種重金屬在茶樹中的富集能力有一定差異，富集能力大小依次為：Cd＞Cu＞Hg＞ Cr＞Pb ＞As，可以看出，Cd歸為高富集重金屬元素。

3.4Cd對茶樹的影響

唐茜等［23］針對茶樹在Cd脅迫下的傷害癥狀進(jìn)行研究，結(jié)果表明：一定的Cd污染程度下，茶樹基本癥狀為：葉片出現(xiàn)褐變或失綠黃化，發(fā)芽、發(fā)根和新梢生長受到嚴(yán)重抑制。李云等［22］利用Cd離子水培液栽培茶樹，在Cd離子的脅迫作用下，茶樹產(chǎn)生應(yīng)激反應(yīng)，會(huì)加速生理生化活動(dòng)，產(chǎn)生大量的代謝物與重金屬結(jié)合以解毒，通過適應(yīng)性反應(yīng)產(chǎn)生保護(hù)作用；另一方面，激活的代謝系統(tǒng)加速了Cd離子的進(jìn)入，反過來抑制植物的代謝活動(dòng)，對植物產(chǎn)生毒害作用。因此，Cd濃度過大，會(huì)影響茶樹特別是茶苗的正常生長。

4　茶園及茶葉中Cd的控制

4.1 篩選、利用Cd低吸收富集品種

不同基因型茶樹品種對Cd的吸收累積及Cd在茶樹不同器官分配具有顯著的差異性。因此可以通過篩選、培育一些對Cd富集比較低，尤其在茶鮮葉中富集少的茶樹品種，來達(dá)到控制茶葉中Cd的含量。這方面可以借鑒煙草成功的案例，采用農(nóng)桿菌介導(dǎo)法將星星草中的金屬硫蛋白基因?qū)氲綗煵莼蚪M中的轉(zhuǎn)基因煙草，其抗Cd脅迫能力明顯優(yōu)于非轉(zhuǎn)基因煙草［26］。

4.2科學(xué)選址建園

發(fā)展、建設(shè)新的茶園基地，要改變過去粗放型的發(fā)展模式，采取現(xiàn)代集約型、生態(tài)型農(nóng)業(yè)發(fā)展模式。首先要充分調(diào)研論證，做好總體發(fā)展規(guī)劃；其次在建基地前，對基地環(huán)境空氣、灌溉水質(zhì)、土壤質(zhì)量等方面進(jìn)行檢測、評估，并本著適宜茶樹生長的氣候、環(huán)境、土質(zhì)等條件，選擇適宜的基地發(fā)展茶園。

4.3規(guī)范茶園農(nóng)藝措施

（1）定期監(jiān)測土壤肥力水平及重金屬特別是Cd元素含量，每3年檢測1次，根據(jù)結(jié)果，有針對性地采取土壤改良措施，對土壤重金屬等污染物嚴(yán)重超標(biāo)的茶園應(yīng)退茶還林。（2）茶行間裸露土地采用稻草、青草等植物源材料覆蓋，以提高茶園的保土保肥蓄水能力，覆蓋材料應(yīng)未受Cd等有害或有毒物質(zhì)的污染。（3）采用合理耕作、施用有機(jī)肥等方法改良土壤結(jié)構(gòu)。（4）茶園間作綠肥。（5）當(dāng)土壤pH值低于4.0時(shí)，宜施用白云石粉、石灰等物質(zhì)調(diào)節(jié)pH值至4.0～5.5。（6）茶園實(shí)行節(jié)水噴灌工程，水質(zhì)應(yīng)符合GB 5084。（7）加強(qiáng)對茶園廢棄農(nóng)資物品的收集，慎重使用污泥、內(nèi)河疏浚底泥、城市垃圾做肥料。（8）據(jù)茶園土壤理化性質(zhì)、茶樹生理生態(tài)規(guī)律，實(shí)施茶園測土平衡施肥，基肥與追肥、化肥與有機(jī)肥配合使用，避免單純使用化肥和礦物源肥料，宜多施有機(jī)肥，特別是生物菌肥，肥料應(yīng)該符合相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，農(nóng)家肥施用前應(yīng)經(jīng)渥堆等無害化處理。有研究表明，在煙葉控Cd中，通過測土平衡施肥可有效、簡單調(diào)控?zé)熑~中Cd的含量［27］。

4.4綜合利用工程、物理、化學(xué)與生物修復(fù)技術(shù)

4.4.1工程措施

工程修復(fù)主要針對小范圍Cd嚴(yán)重污染的土壤，采取包括客土、換土等措施。目前，這些措施已在葡萄、梨樹、柑橘、桃樹等的種植上取得成功。

4.4.2物理、化學(xué)措施

目前最常用、普遍的是在Cd等重金屬污染地區(qū)，施撒熟石灰，或施撒骨粉、活性炭、赤泥等土壤改良劑，通過提高土壤pH值，降低Cd的活性以及生物有效性，增加土壤中粘土礦物、水合氧化物和有機(jī)物表面的負(fù)電荷，及其對Cd2+的吸附力和Cd2+絡(luò)合物的穩(wěn)定性，減少Cd等重金屬進(jìn)入植物體內(nèi)，從而減少進(jìn)入農(nóng)作物中Cd的含量。目前市面上的重金屬修復(fù)土壤改良劑，就是依據(jù)這個(gè)原理。

4.4.3生物修復(fù)

生物修復(fù)包括植物修復(fù)與微生物修復(fù)，具有效果顯著、操作方便、成本較低、不會(huì)造成二次污染等特點(diǎn)。

植物修復(fù)，是指利用某些植物對一些重金屬高富集、高累積的原理，帶走受污染土壤的重金屬，從而凈化和修復(fù)污染地區(qū)土壤的一種綠色環(huán)保技術(shù)，是一種最具有發(fā)展前景的污染土壤植物修復(fù)方法。目前，國際上報(bào)道的重金屬超積累植物已有500多種，主要集中在十字花科［30］，涵蓋主要在蕓苔屬、庭芥屬及遏藍(lán)菜屬。如油萊、寶山堇菜、龍葵和東南景天等為Cd超積累植物［31-32］，特別是油菜，在我國大部分茶區(qū)，都適合種植，對重金屬Cd有超積累，最高含量（干物質(zhì)量）可達(dá)Cd 180 mg/g。因此，茶園中可充分考慮間作油菜。

微生物修復(fù)，是指利用微生物新陳代謝過程中所產(chǎn)生的代謝物，如酶、多糖、蛋白質(zhì)、DNA、纖維素、糖蛋白、聚氨基酸等對金屬離子進(jìn)行還原沉淀、絮凝、吸附等作用來降低重金屬離子溶解度及毒性的一種技術(shù)。目前市面上有一種土壤重金屬Cd修復(fù)劑（金無蹤）就是利用這種原理降低農(nóng)作物中Cd的含量。據(jù)在Cd污染的試驗(yàn)田應(yīng)用試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)對稻谷中Cd含量的降低平均可以達(dá)到21.62%［33］。因此，在茶園控制Cd污染的措施中，微生物修復(fù)技術(shù)是一個(gè)非常值得考慮的選項(xiàng)。

5　思考與展望

目前，我國茶園及茶葉中Cd含量總體情況較為理想，比較安全，僅個(gè)別地區(qū)處在警戒線上，存在輕、中度污染，值得關(guān)注。雖然我國目前在重金屬污染修復(fù)、防控存在著一些問題，譬如技術(shù)研究較單一、不夠深入系統(tǒng)和全面、治理試點(diǎn)少規(guī)模小、污染區(qū)劃和識別不清晰、治理政策體制不完善、參與主體尚末多元化等情況，但是，在實(shí)際中，通過加強(qiáng)技術(shù)集成與創(chuàng)新研究，實(shí)施分類分區(qū)示范與治理，加強(qiáng)政府監(jiān)管和治理力度，政府環(huán)保部門、涉茶行業(yè)機(jī)構(gòu)、企業(yè)等參與主體密切配合，科學(xué)謀劃，是完全能夠做好茶園Cd的污染防控，即使在Cd污染區(qū)，也能夠?yàn)橄M(fèi)者提供優(yōu)質(zhì)安全的茶葉產(chǎn)品。

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［33］黃恩雄，楊俊杰，何定國，等. 土壤修復(fù)劑（金無蹤）的推廣與應(yīng)用［J］. 作物研究，2014， 28（8）：922-924.

Research Progress on Absorption Accumulation and Control of Cadmium of tea

ZHONG Xing-gang1，QING Shi-yong1，LUO Yi1，LIU Shu-juan1，LUO Jun-wu2，TAN Zheng-chu1*
（1.Tea Research Institute of Hunan Academy of Agricultural Sciences，Changsha 410125，China； 2.College of Horticulture and Landscape，Hunan Agricultural University， Changsha 410128，China）

Expounded the harm of cadmium to the human body， review the tea garden and tea in the heavy metal cadmium content status and evaluation， a detailed explanation of the soil cadmium speciation distribution characteristics and sources， tea on cadmium absorption， accumulation， migration rule， distribution characteristics and influence on the growth and quality of tea， the prevention and control of cadmium in tea garden， provides the reference for the safe production of tea.

Tea，Cadmium，Absorption，Enrichment，Control

S571.1

A

1009-525X（2016）03-08-12

2016-03-04

2016-07-26

農(nóng)業(yè)部、省農(nóng)委重大項(xiàng)目：“湖南省鎘低積累作物品種篩選與選育項(xiàng)目”子課題“鎘低積累茶樹品種篩選及配套技術(shù)研究與示范”

鐘興剛（1977-），男，湖南宜章人，副研究員，主要從事茶葉加工與利用，茶樹生化、代謝組學(xué)及質(zhì)量安全研究。

譚正初，tanzhengchu@163.com