鎘和鉛在茶園土壤—茶樹系統(tǒng)中分布及遷移特征

劉燕飛，李葒葒，黃幸然，方 熊，易志剛

(福建農(nóng)林大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院/土壤環(huán)境健康與調(diào)控福建省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建福州350002)

鎘(Cd)、鉛(Pb)在環(huán)境和生物體內(nèi)具有毒性和蓄積性[1]，也是對人體危害較大的重金屬.隨著工礦業(yè)和農(nóng)業(yè)的迅猛發(fā)展以及城市化進(jìn)程的加快，土壤Cd和Pb污染問題日益凸顯.根據(jù)《全國土壤污染狀況調(diào)查公報》[2]報道，在所調(diào)查的全國土壤位點(diǎn)中，7.0%土壤Cd超標(biāo)，1.5%土壤Pb超標(biāo).茶樹是我國重要的經(jīng)濟(jì)作物，其對土壤活性態(tài)重金屬具有吸收累積能力[3]，茶葉污染問題應(yīng)引起重視.目前，全國已有不少關(guān)于茶園土壤和茶葉中Cd和Pb污染的研究報道[4-5]，研究主要集中于對土壤、茶樹根部和葉芽或市場商業(yè)用茶及其茶湯中的Cd、Pb含量分析與健康風(fēng)險評估[6-7].將茶園茶樹和土壤聯(lián)系起來作為一個系統(tǒng)進(jìn)行研究能更好地闡明Cd和Pb在土壤—茶樹系統(tǒng)中轉(zhuǎn)移富集規(guī)律，一些學(xué)者也針對茶園土壤和茶樹中Cd、Pb來源及其累積特征進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究：長期盆栽種植和大田試驗(yàn)的結(jié)果表明土壤和空氣沉降物均對龍井茶中Pb的含量有較大影響[8]；蘭海霞等[9]通過研究表明，茶樹各部位Cd和Pb含量與土壤Cd和Pb含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系；Lu et al[10]利用同位素技術(shù)分析西湖龍井茶中Pb的含量和來源，結(jié)果表明龍井茶中的Pb主要來自于土壤，汽車尾氣為次要影響因素；有研究表明重金屬在茶樹體內(nèi)的分布規(guī)律主要是根＞莖＞葉[11-12]，但也有研究發(fā)現(xiàn)，茶樹品種、土壤類型屬性或茶園周圍環(huán)境等不同可能會導(dǎo)致研究結(jié)果有所差異[13].

福建省地處東南沿海，地形氣候適合種植茶樹，是中國主要的茶產(chǎn)地.周娜等[14]對福建省多個茶產(chǎn)區(qū)茶葉重金屬含量進(jìn)行的調(diào)查表明樣品Cd和Pb含量未超過國家標(biāo)準(zhǔn)限值.但是陳增文[15]對福建土壤重金屬污染狀況的調(diào)查表明，包括茶園在內(nèi)的土壤出現(xiàn)了不同程度的重金屬累積污染，且Cd和Pb為主要污染元素.這說明福建茶園還存在一定的Cd、Pb污染風(fēng)險，需要進(jìn)一步對福建茶園進(jìn)行研究分析，而目前針對福建茶園重金屬污染的研究報道比較少，且相比于前人研究，細(xì)化茶樹組成部分有利于進(jìn)一步了解福建部分茶園Cd和Pb在土壤—茶樹系統(tǒng)間的遷移富集特征.本研究以泉州大坪鄉(xiāng)、三明坂面鄉(xiāng)和福建農(nóng)林大學(xué)茶園為研究對象，測定茶園土壤及對應(yīng)茶樹的根、老枝、嫩枝、老葉和嫩葉樣品中Cd和Pb含量，研究探討Cd和Pb在土壤—茶樹系統(tǒng)中的分布規(guī)律及遷移累積特征，旨在為福建科學(xué)管理茶園和種植茶樹以及茶園重金屬污染防治提供理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

福建省位于我國東南丘陵地區(qū)，受季風(fēng)和地形的影響，屬于亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，光照充足，降水充沛，多年平均降水量為1 000～2 200 mm，多年平均氣溫為17～21℃.研究區(qū)泉州大坪鄉(xiāng)茶園(24°53′23″N，117°58′35″E)、三明坂面鄉(xiāng)茶園(26°05′10″N，118°09′29″E)、福建農(nóng)林大學(xué)茶園(26°05′05″N，119°14′07″E)的土壤類型均為紅壤.

1.2 樣品采集與處理

2010年7月，采用S形布點(diǎn)法，分別于大坪鄉(xiāng)、坂面鄉(xiāng)和農(nóng)林大學(xué)茶園設(shè)置6個采樣點(diǎn)，采集茶樹根際0～30 cm土壤，每個采樣點(diǎn)以多點(diǎn)(5點(diǎn))取樣法取樣后混合均勻并保留1 kg.土樣經(jīng)去除小石子、殘根和碎屑后，自然風(fēng)干，使用瑪瑙研缽研磨并過100目篩，備用.

采集對應(yīng)采樣點(diǎn)長勢良好的茶樹植物樣品，每株茶樹采集根(吸收根)、老枝(兩年生)、嫩枝(當(dāng)年生)、老葉(當(dāng)年生成熟葉)和嫩葉(一芽兩葉，夏茶)樣品，老枝與老葉同枝，嫩枝與嫩葉同枝.植物樣品經(jīng)去離子水清洗干凈，自然風(fēng)干，再置于微波爐中殺青；60℃烘干至恒重.冷卻后粉碎過30目篩.

1.3 樣品分析

土壤中Cd、Pb的測定參考《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》(GB 15618—2018)[16]：稱取0.200 g土壤樣品至聚四氟乙烯坩堝中，經(jīng)HCl-HNO3-HF-HClO4濕式消解，待冷卻，用超純水沖洗坩堝內(nèi)壁和坩堝蓋7～8次轉(zhuǎn)移至50 mL容量瓶中后定容至刻度線，然后過濾，濾液使用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS，Agilent 7500a)測定(表1)，同法設(shè)置平行樣(3個)和空白樣進(jìn)行質(zhì)量控制.土壤成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)采用石灰?guī)r，Cd和Pb的回收率分別為94.65%和120.67%.

表1 ICP-MS儀器的數(shù)據(jù)采集參數(shù)Table 1 ICP-MS setup for heavy metal analysis

茶樹樣品中Cd、Pb的測定參考王秋霜等[7]的研究：稱取0.200 g茶樹樣品于聚四氟乙烯坩堝中，加入4 mL優(yōu)級純濃硝酸和1 mL優(yōu)級純過氧化氫(濃硝酸∶過氧化氫＝4∶1)，靜置30 min后用微波消解儀進(jìn)行消解，消解完全后轉(zhuǎn)移至50 mL容量瓶中并用超純水定容至刻度.同法設(shè)置平行樣(3個)和空白樣進(jìn)行質(zhì)量控制，茶葉成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)采用綠茶，ICP-MS測定，Cd和Pb的回收率分別為94.80%和105.36%.

1.4 數(shù)據(jù)分析

土壤重金屬污染評價標(biāo)準(zhǔn)參考《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》(GB 15618—2018)[16]，茶葉中重金屬污染評價標(biāo)準(zhǔn)參考《茶葉中鎘、鉻、汞、砷及氟化物限量》(NY 659—2003)[17]及《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中污染物限量》(GB 2762—2017)[18]，福建土壤重金屬背景值參考陳振金等[19]的研究.使用SPSS 19.0分析不同茶園土壤Cd和Pb含量，同時采用單因素方差分析對茶樹樣品Cd和Pb含量進(jìn)行顯著性差異分析，并采用SigmaPlot 12.5繪圖.

Cd、Pb富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)計(jì)算公式：富集系數(shù)＝茶樹重金屬含量/土壤重金屬含量；轉(zhuǎn)移系數(shù)＝地上部(枝、葉)重金屬含量/地下部(根)重金屬含量.

2 結(jié)果與分析

2.1 茶園土壤Cd和Pb含量

3個茶園土壤中Cd和Pb含量均低于《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》[16]的最大限值.坂面鄉(xiāng)茶園土壤Cd含量平均值高于福建土壤Cd背景值，大坪鄉(xiāng)和農(nóng)林大學(xué)茶園土壤Pb含量平均值均超過福建土壤Pb背景值[19].各茶園土壤Cd平均含量表現(xiàn)為坂面鄉(xiāng)＞農(nóng)林大學(xué)＞大坪鄉(xiāng)，Pb平均含量表現(xiàn)為大坪鄉(xiāng)＞農(nóng)林大學(xué)＞坂面鄉(xiāng).除農(nóng)林大學(xué)茶園土壤Cd含量變異系數(shù)低于10%外，其余茶園土壤Cd和Pb變異系數(shù)均介于17.20%～33.74%(表2).

表2 福建不同茶園土壤中Cd和Pb含量(n=6)Table 2 Cd and Pb concentrations in soils from 3 tea gardens(n＝6)

2.2 茶園茶樹Cd和Pb分布

2.2.1 茶樹不同部位Cd和Pb含量 各茶園老葉和嫩葉中Cd、Pb含量分別介于0.003～0.054、0.01～4.28mg·kg-1，低于《茶葉中鎘、鉻、汞、砷及氟化物限量》(NY 659—2003)[17]和《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中污染物限量》(GB 2762—2017)[18]中的相應(yīng)限值(Cd≤1 mg·kg-1，Pb≤5 mg·kg-1).除坂面鄉(xiāng)茶園外，大坪鄉(xiāng)、農(nóng)林大學(xué)茶園茶樹中Cd含量和大坪鄉(xiāng)茶園茶樹中Pb含量由高到低表現(xiàn)為根＞嫩枝＞老枝＞老葉＞嫩葉，農(nóng)林大學(xué)茶園茶樹的Pb含量分布總體表現(xiàn)為根＞枝＞葉，表明Cd和Pb在茶園茶樹中的分布特征為自下而上減小，即Cd和Pb在根中的累積量最大，在嫩葉中的累積量最小.農(nóng)林大學(xué)茶園茶樹根的Cd和Pb含量均顯著大于嫩葉(P＜0.05)，大坪鄉(xiāng)和坂面鄉(xiāng)茶園茶樹老葉的Pb含量顯著高于嫩葉(P＜0.05)(圖1).

圖1 茶樹不同部位Cd、Pb含量Fig.1 Cd and Pb contents in different parts of tea trees

2.2.2 茶樹不同部位Cd和Pb轉(zhuǎn)移系數(shù) Cd在3個茶園茶樹不同部位間轉(zhuǎn)移系數(shù)由高到低均表現(xiàn)為嫩枝＞老枝＞老葉＞嫩葉，且各茶園嫩枝轉(zhuǎn)移系數(shù)顯著大于老葉和嫩葉(P＜0.05)，說明Cd較容易轉(zhuǎn)移至嫩枝而不易轉(zhuǎn)移至嫩葉.Pb在坂面鄉(xiāng)和農(nóng)林大學(xué)茶園茶樹各部位間轉(zhuǎn)移系數(shù)依次為老枝＞嫩枝＞老葉＞嫩葉，表現(xiàn)為自下而上遞減的趨勢(表3).

表3 Cd和Pb在不同茶園茶樹不同部位間的轉(zhuǎn)移系數(shù)(n=6)1)Table 3 Transfer factors of Cd and Pb in different parts of tea trees(n＝6)

2.3 土壤—茶樹系統(tǒng)中的Cd和Pb富集系數(shù)

由圖2可知，大坪鄉(xiāng)和農(nóng)林大學(xué)茶園茶樹不同部位中Cd的富集系數(shù)表現(xiàn)為根＞嫩枝＞老枝＞老葉＞嫩葉；Pb在大坪鄉(xiāng)和農(nóng)林大學(xué)茶園茶樹根中的富集系數(shù)最大，在嫩葉中的富集系數(shù)最小.Cd在各茶園茶樹中的富集系數(shù)大于Pb.

圖2 茶樹不同部位Cd、Pb富集系數(shù)Fig.2 Accumulation factors of Cd，Pb in different compartments of tea trees

3 討論

3.1 土壤Cd和Pb分布特征

雖然部分茶園土壤Cd或Pb含量超過相應(yīng)的福建土壤背景值[19]，但是各茶園土壤中的Cd和Pb含量均未超標(biāo)，均低于《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》[16]最大限值，因此各茶園土壤未受到Cd和Pb污染.坂面鄉(xiāng)茶園土壤Cd平均含量最高(0.061 mg·kg-1)，但明顯低于周玉嬋等[20]研究的桂林區(qū)某茶園土壤Cd含量(1.10～1.56 mg·kg-1).有研究表明重金屬在土壤中的累積和轉(zhuǎn)移明顯受到土壤性質(zhì)的影響[21]，因此坂面鄉(xiāng)茶園土壤Cd含量低于其他地區(qū)可能與兩地土壤屬性差異有關(guān).

研究區(qū)土壤Cd和Pb變異系數(shù)介于6.32%～33.74%，說明各采樣點(diǎn)土壤Cd、Pb含量具有中等變異性，這表明研究地區(qū)土壤Cd、Pb區(qū)域空間差異較大[22]，可能是外界影響程度不同導(dǎo)致的.麻萬諸等[23]對浙江典型茶園生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)茶區(qū)Cd輸入主要來源于化肥的施用，因此不同的地理位置和施肥方式均有可能造成不同茶園土壤Cd含量的差異.

3.2 茶樹Cd和Pb累積特征

研究區(qū)3個茶園茶葉Cd和Pb含量均未超標(biāo)，說明3個茶園茶葉均未受到Cd和Pb污染.研究結(jié)果表明，茶樹中Cd和Pb的分布表現(xiàn)為根＞嫩枝＞老枝＞老葉＞嫩葉，這與石元值等[24-25]對茶園茶樹中Pb和Cd含量分布研究以及李云等[11]研究茶苗不同部位對Cd和Pb的吸收累積結(jié)果基本一致，均表現(xiàn)為根＞莖＞葉，即自下而上呈遞減分布，這可能是因?yàn)椴铇涓鞑课粚d和Pb的運(yùn)輸轉(zhuǎn)移有一定的緩沖和延滯作用，說明茶樹根部較容易累積Cd和Pb而受其毒害.研究表明，坂面鄉(xiāng)茶園土壤Cd含量最高，嫩葉中Cd含量在3個茶園中也最高；大坪鄉(xiāng)茶園土壤Pb含量最高，但其嫩葉Pb含量則低于其余2個茶園.這說明研究茶園茶樹嫩葉中的Cd含量可能受土壤中Cd含量影響較大，而嫩葉中的Pb含量可能還受到其他因素的影響，因此控制土壤中的Cd和Pb含量對茶樹的生長有一定的保護(hù)作用，并且有助于降低嫩葉中Cd和Pb含量.

3.3 土壤—茶樹系統(tǒng)Cd和Pb的轉(zhuǎn)移富集能力

本研究結(jié)果中，不同茶園Cd和Pb在茶樹各部位間的轉(zhuǎn)移能力有所不同，總體而言，Cd和Pb在根到老枝間的轉(zhuǎn)移能力最強(qiáng)，在根到嫩葉間的轉(zhuǎn)移能力最弱.王春梅等[26]進(jìn)行長達(dá)44個月的關(guān)于Cd脅迫對茶樹吸收累積特性影響的研究，結(jié)果表明茶樹各部位對Cd的轉(zhuǎn)移系數(shù)依次為根＞枝(莖)＞葉(新梢)，這與本研究結(jié)果相似，說明根對Cd的吸收累積能力較強(qiáng)導(dǎo)致Cd不易往茶樹地上部轉(zhuǎn)移.林龍勇等[27]在對三七累積土壤Cd和Pb等重金屬的研究中發(fā)現(xiàn)，Cd和Pb在三七中具有較強(qiáng)的向地上部轉(zhuǎn)移能力，這可能是不同種類植物生理特性不同導(dǎo)致的.各茶園茶樹不同部位的富集系數(shù)也有所差異，在本研究中，根對Cd和Pb的富集能力最強(qiáng)，其次是枝，葉的富集能力最弱，尤其是嫩葉，這與張清海等[28]對貴州3個茶園土壤—茶葉系統(tǒng)研究結(jié)果相似，表明不同地區(qū)不同品種茶樹對Cd和Pb的富集能力相似.造成這種結(jié)果的原因可能是Cd是強(qiáng)累積元素，而Pb的轉(zhuǎn)移能力較弱，同時茶樹根系有可能產(chǎn)生分泌物進(jìn)而影響茶樹根系環(huán)境，使得根系對Cd和Pb的富集能力最強(qiáng)[9].另外，土壤中Zn元素的存在也有可能導(dǎo)致Cd和Pb的轉(zhuǎn)移能力發(fā)生改變，從而影響枝和葉對Cd和Pb的富集能力[29].由于Cd一般是通過韌皮部向植物各部位運(yùn)輸?shù)?，而土壤中的Zn元素能干擾這個運(yùn)輸過程進(jìn)而影響Cd向枝和葉運(yùn)輸，使得枝和葉中的Cd含量低于根部[30]，所以有必要關(guān)注茶園土壤中的Zn元素的累積情況.此外，其他種類植物也具有相似的富集現(xiàn)象，表現(xiàn)為根＞莖＞葉[31].對比相同茶園茶樹部位對Cd和Pb富集系數(shù)發(fā)現(xiàn)，各茶樹部位對Cd的富集能力明顯比對Pb的富集能力強(qiáng)，Rashid et al[32]測定茶園土壤和茶葉中的重金屬發(fā)現(xiàn)Cd在土壤和茶葉中的轉(zhuǎn)移系數(shù)大于Pb，有可能是因?yàn)橥寥乐械亩喾N元素共存引起的拮抗或協(xié)同作用導(dǎo)致的[33]，說明相對于茶園Pb污染，Cd污染更應(yīng)該引起重視.且Cd和Pb在茶樹體內(nèi)的轉(zhuǎn)移機(jī)制和影響因素比較復(fù)雜，有待進(jìn)一步的研究.

4 結(jié)論

(1)研究地茶園中，泉州大坪鄉(xiāng)茶園土壤Pb含量最高，三明坂面鄉(xiāng)茶園土壤Cd含量最高，但研究地茶園土壤Cd和Pb含量均未超過《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》[16]標(biāo)準(zhǔn)限值.大坪鄉(xiāng)和農(nóng)林大學(xué)茶園土壤Pb含量以及坂面鄉(xiāng)茶園土壤Cd含量超過相應(yīng)元素的福建土壤背景值[19]，而研究區(qū)土壤Cd和Pb變異系數(shù)較大，說明土壤Cd和Pb還受到人為因素影響，因此選擇合適的茶園地理位置和科學(xué)的茶園管理尤為重要.

(2)各茶園茶葉中的Cd和Pb含量均低于國家標(biāo)準(zhǔn)限值，說明研究地茶葉未受到Cd和Pb污染.Cd和Pb在茶樹不同部位分布主要表現(xiàn)為根＞嫩枝＞老枝＞老葉＞嫩葉，說明茶樹根部更容易受到Cd和Pb的毒害.研究地Cd和Pb在各茶園茶樹部位間的轉(zhuǎn)移以及富集能力也表現(xiàn)為自下而上遞減，即根＞枝＞葉，說明Cd和Pb不易向茶樹地上部運(yùn)輸，因此采集嫩葉作為茶產(chǎn)品原料可以提高茶產(chǎn)品安全.此外，研究區(qū)茶樹對Cd的富集能力比Pb強(qiáng)，故在進(jìn)行茶園管理時需要更加重視Cd污染.