武夷山公路边茶园重金属分布及风险评价
2019-01-09廖素兰翁器林林维晟林福良陈碧云赵泰霞王飞权
廖素兰， 翁器林， 林维晟， 林福良， 陈碧云， 赵泰霞， 王飞权
(1.武夷学院茶与食品学院，福建武夷山 354300； 2.武夷学院信息技术与实验室管理中心，福建武夷山 354300； 3.福建省生态产业绿色技术重点实验室，福建武夷山 354300；4.武夷山茗兰茶业研究所，福建武夷山 354300； 5.中国乌龙茶产业协同创新中心，福建武夷山 354300)
茶因其具有降火名目、消食去腻、宁心除烦、生津止渴等保健功能，符合现在人们的养生理念，越来越受到人们的喜欢。当前，我国茶叶的产量、在国内的销售、茶叶的出口都属于历史高峰期[1-2]。随着武夷岩茶知名度的提高[3]，武夷山地区掀起了种茶热潮。随着茶叶种植面积的扩张，茶叶品质问题愈加严峻。茶叶的质量问题不仅会阻碍我国茶叶出口，更重要的是会影响人们的身体健康。有关报道显示，有4个因素影响茶叶质量：重金属、农药残留、微生物的影响、非茶异类的影响[4]。因重金属极易在土壤中积累且难降解，土壤是植物之本，因此茶叶中重金属的主要来源是土壤，部分来源是其他的外环境。武夷岩茶种植面积逐渐增大，有部分茶区分布在道路两旁，而汽车尾气含有一定的重金属，随着大气的沉降影响道路两旁的农作物[5]。路边土壤中的重金属浓度受土壤特性、交通量和气象条件等的影响[6]。
国内外在茶区土壤重金属分布及累积等方面已有较多研究[7-15]，对武夷山茶园土壤重金属含量、形态及监测评价等研究也有报道[11，14-15]，对路边茶区重金属分布和茶鲜叶重金属及道路对茶区重金属及茶鲜叶重金属影响等方面的研究有重要意义[5]。本研究通过对武夷山茶叶主产区南源岭、南岸、黄柏村、曹墩4个地方路边茶区茶鲜叶及土壤中铬(Cr)、镍(Ni)、铜(Cu)、锌(Zn)和铅(Pb)含量的测定，分析茶区茶鲜叶及土壤中Cr、Ni、Cu、Zn和Pb含量与道路远近的相关性；以及茶鲜叶中Cr、Ni、Cu、Zn和Pb含量与土壤中这些金属含量的相关性；嫩叶中与老茶叶中Cr、Ni、Cu、Zn和Pb含量的相关性及这些金属在茶叶中的流动性及积累性。通过茶鲜叶中重金属含量的分析可以更好地了解目前茶鲜叶的重金属含量状况，通过对茶叶重金属含量相关因素的分析可以更好地控制这些有害因素，从而更好地保证茶叶的质量，也为我国公路沿线的茶园生产布局及公路交通导致的重金属污染防治提供科学依据。
1 材料与方法
1.1 研究区概况
研究区位于武夷山茶叶主产区——星村镇、兴田镇、武夷街道中具有代表性的南源岭、南岸、黄柏村、曹墩共4个茶产地的公路边茶园，南源岭位于武夷山风景名胜区边缘地带，公路等级为省道，通过车辆主要是客车和小汽车，车流量大；南岸公路等级为县道，通过车辆主要是工程车和小汽车，车流量大；黄柏村位于武夷山风景名胜区边缘地带，公路等级为乡道，通过车辆主要是小汽车，车流量一般；曹墩位于武夷山自然保护区边缘地带，公路等级为乡道，通过车辆主要是小汽车，车流量少。受地形影响，茶园与公路距离及茶园面积大小略有不同。
1.2 样品采集
南源岭分别选取距公路(S205)平行距离分别为5、50、100、150 m的4个单元，每个单元在距公路平行带随机取5个采样点，每个采样点分别采集嫩叶、老叶及对应的土壤(嫩叶为1芽2梢的地方、老叶为茶树上除1芽2梢外其他较成熟的茶叶、采集0～20 cm深度的土壤)，土壤采集时避开施肥沟，靠近茶树根部，老叶、嫩叶、土壤样品采集量大约1 kg。南岸(X806)、黄柏村(Y215)采样地点选取距公路平行距离为15、50、100、150 m的4个单元。曹墩(Y238)采样地点分别距公路平行距离为5、50、100、150、300 m 共5个单元。南岸、黄柏村、曹墩采样方法与南源岭采样方法一致。采样时间为2014年4—5月。
1.3 样品制备与测试
每个单元5个采样点的鲜(嫩、老)茶叶混匀为1个鲜(嫩、老)茶叶样，鲜茶样用自来水轻柔洗净，然后用超纯水洗涤3次，165 ℃烘5 min，摊凉，后80 ℃烘至足干，按四分法缩分、研磨，过100目筛，备用。每个单元的5个采样点拣出碎石、沙砾、植物残体，并压碎及翻动处理后的土样进行混匀，合并为1个土壤样品，土壤样品在室内通风处风干，按四分法缩分，研磨，过100目筛，备用。
茶叶样品及土壤样品的化学分析按照相应的国家标准执行完成，主要包括5种重金属Cr、Ni、Cu、Zn和Pb含量的测定。所有样品均平行测量3次，并用国家标准土样监控样品分析质量水平，加标回收率控制在90%～110%，试验过程中试剂均为优级纯，水均为超纯水。
1.4 评价方法
1.4.1 综合污染指数法 采用单项污染指数法和综合污染指数法相结合评价茶园土壤重金属污染现状。土壤内梅罗综合污染指数是一种目前应用较多的多因子环境质量指数，其在加权过程中避免了权系数中主观因素的影响[14]。
Pi=Ci/Si。
(1)
(2)
式中：Pi为第i种污染物指数值，Pi≤1为非污染，1
1.4.2 潜在生态危害指数法 采用目前重金属风险评价中应用最广的Hakanson潜在生态危害指数法(RI法)，该方法综合考虑环境化学、生态学、生物毒理学、各重金属的毒性及多元素的协同作用等方面的内容，并以区域背景值为基准进行比较，可综合反映区域重金属对生态环境的影响潜力[16-18]。
(3)
(4)
表1 内梅罗污染指数与潜在生态风险指数分级
2 结果与分析
2.1 公路边茶园茶鲜叶及土壤重金属含量特征
从表2可以看出，从茶鲜叶测试结果的平均值来看，除黄柏、曹墩嫩叶中的Cu以及南源岭、南岸茶老叶中的Pb超过有机茶限量标准[25]但未超过食品茶叶中限量标准[26]，其余均未超过有机茶及食品茶叶中限量标准，表明研究区茶鲜叶总体比较安全。从土壤测试结果的平均值来看，除南源岭Cu含量超过有机茶产地环境条件值[27]，其余均未超过有机茶产地环境条件及茶叶产地环境技术标准[28]；除曹墩Pb及Zn、南源岭及黄柏Cu含量超过国家土壤环境的Ⅰ级标准值[29]，其余均未超过国家土壤环境的Ⅰ级、Ⅱ级标准[29]及荷兰土壤环境质量标准值[30]；曹墩Pb、Cu及Zn，南源岭、南岸Cr及南源岭、黄柏Cu含量超过福建省及中国土壤背景值[19，31]，其中Cr和Cu的平均值相对较高，分别是福建省背景值的1.47～1.98倍和1.81～4.05倍，表明研究区可能受不同程度的Cr和Cu污染，其余均未超过背景值。另外，变异系数(CV)从侧面反映了土壤重金属距离公路不同距离的区域差异性，Pb的变异系数基本在20%以上，其中40%以上占一半，Cr的变异系数基本30%以上，其中45%以上占大部分，说明Cr、Pb区域差异性较明显，个别地区的Pb变异系数达63.00%、Cr的变异系数达84.80%，属高度变异，表明这2种金属元素的离散程度较高，区域差异明显，Ni变异系数大部分在14.50%～30.00%之间，说明Ni区域差异性中等，Zn变异系数大部分在20%以下且近一半在10%以下，Cu变异系数大部分在10%以下，可见Zn区域差异性中等偏弱，Cu区域差异性弱。同种元素空间分异和同区域内距离公路不同距离含量的差异的现象除与污染源分布有关外，还与气候、成土母质、地型特征、灌溉、施肥等多种因素有关[15]。
2.2 离公路远近对茶鲜叶及土壤中重金属含量的影响及相关因素分析
从图2-A南岸可看出，随着离公路距离的增加，土壤、茶叶中Pb含量逐渐减少，此结果与周阳靖等的研究结果一致[32-33]。在南岸这一茶区公路的距离对茶园土壤、茶叶中Pb含量影响较大，可能原因是汽车尾气含有一定量的Pb，在南岸茶区没有明显的树木隔离茶区与公路，车流量也较多，使得这一茶区受汽车尾气影响较大。南源岭及曹墩土壤中Pb含量先增大后减少，其原因可能是这些地方有树木挡住公路与茶区或这些地方有较少的大型车辆经过。黄柏土壤中Pb含量先迅速减小后缓慢增加，可能还受当地局部气候、地形地貌、绿化带和耕作管理等综合因素的影响[6]。由表2可知，土壤中Pb含量平均值，曹墩>黄柏>南源岭>南岸，南岸整体土壤Pb含量较其他3个区域低，可能与土壤母质及耕作管理方式差异有关。从图2-A可以看出，嫩叶中的Pb含量整体比老茶叶少，说明Pb在茶叶中不可移动，表现出一定的积累性；土壤Pb含量远远大于嫩叶及老茶叶中的Pb含量，而且茶叶中Pb含量波动幅度比其对应土壤的Pb含量波动幅度小，这说明茶叶对于土壤中Pb有其自身吸收范围[34]。由表2可知，老茶叶中Pb含量表现为南岸>南源岭>黄柏≈曹墩，可能主要受汽车尾气影响，南岸、南源岭车流量较大，黄柏、曹墩车流量小；嫩叶中Pb含量表现为曹墩>南岸>黄柏>南源岭，可能是土壤母质及耕作管理方式的差异及周围环境综合作用结果。
表2 武夷山公路边茶鲜叶及土壤重金属含量
由图2-B可知，距公路远近对于土壤Cu含量有一定的影响，与Fakayode等报道的重金属含量随着距公路距离的增加呈指数形式下降，Cu在距公路50 m处基本达到背景值水平[35]不同，南岸是随着离公路距离的增加，土壤Cu含量先增加后下降，在100 m处达最大值，可能Cu主要来自刹车里衬的机械磨损，此处工程车较多，影响较大。而南源岭、黄柏区域Cu随着距公路距离的增加变化较小，曹墩茶区随距公路距离的增加层波浪式上升，可能是因为曹墩位于武夷山自然保护区边缘地带，公路等级为乡道，通过车辆主要是小汽车，车流量少，影响较小，主要与土壤耕作管理方式的差异有关。此外，距公路距离的远近对茶叶中Cu含量没有明显的影响，这与石元值等研究结果[5]基本一致，随着距公路距离的增加，嫩叶中Cu含量轻微下降，而老叶中Cu含量基本保持不变，嫩叶中Cu含量大于老茶叶中Cu含量，这说明随着茶叶生长，Cu在茶叶中表现出一定的移动性。嫩叶中Cu含量不仅高于老茶叶，有些地方嫩叶中Cu含量甚至还高于土壤的Cu含量，这说明在嫩叶发芽时，Cu这一元素会向嫩叶运移以满足其生长需要，而在嫩叶生长成老叶的过程中Cu会部分流失。此外，这4个地方嫩叶、老叶中Cu含量与土壤中Cu含量没有明显的相关性，可能是因为茶叶对土壤中Cu的吸收有一定量，茶叶中Cu会随着茶叶的生长而流失。
由图2-C可知，距公路远近对茶叶及土壤中Ni含量有一定的影响；刘世梁等研究认为农田土壤重金属含量随距离公路增加逐渐降低，而自然土壤中，变化趋势呈波动趋势[36]，但本研究结果与之不同。土壤中Ni含量是先增大后减小或趋于平缓；嫩叶中Ni含量基本上比老茶叶含量低，说明Ni在茶叶生长过程中有一定的积累性；茶叶中Ni含量和土壤中Ni含量没有明显的相关性，但两者间略有影响；在南源岭及南岸这2个采样单元土壤中Ni的检出量较低，但茶叶中的Ni含量并没有达到最低值，说明茶叶Ni含量不仅和土壤中Ni含量有关，还和其他外环境相关。从表2可知，土壤中Ni含量是曹墩>黄柏>南源 岭> 南岸，而茶嫩叶与老叶中Ni含量表现一致，是南源岭>曹墩>南岸>黄柏，可见茶鲜叶中Ni含量可能是土壤中Ni含量差异及周围环境车流量等综合作用的结果；各茶场土壤中Ni含量平均值均低于福建省土壤背景值，南源岭和南岸低于植物生长>10 mg/kg的要求，各茶区的Ni储量范围变化较大，有些样点的Ni含量过低，为了茶树的正常生长，建议施用适量Ni肥。
由图2-D可知，公路远近对茶叶及土壤中Cr含量有一定的影响，南源岭、黄柏随距公路距离的增加Cr含量先增加后减小；但曹墩和南岸在距公路越远土壤中Cr含量越高，这可能是因为汽车尾气或轮胎摩擦中含Cr的影响，也可能还受土壤中金属含量具有一定的地域差异性影响。土壤中Cr含量远远大于茶鲜叶中Cr含量，且在土壤中Cr含量的波动幅度大于茶鲜叶中的波动幅度，这说明茶叶对土壤中重金属元素Cr的吸收有其自身吸收范围[34]。土壤中Cr含量的变化与茶鲜叶中Cr的变化趋势有一定的相似，这说明茶鲜叶中Cr含量与土壤中Cr含量有一定的相关性。嫩叶Cr含量比老叶少，这说明Cr会随着茶叶的生长在茶叶中积累。由表2可知，土壤中Cr含量表现为南源岭>南岸>黄柏>曹墩，老叶中Cr含量表现为黄柏>南源岭>南岸>曹墩，嫩叶中Cr含量表现为黄柏>南源岭>曹墩>南岸，除黄柏的茶鲜叶外，土壤及茶鲜叶中Cr含量呈南源岭>南岸和曹墩，可能是土壤母质及耕作管理方式的差异及周围环境车流量等综合作用结果。黄柏茶鲜叶中Cr含量在研究的4个地方中最高，可能是施加叶面肥或农药等原因影响。
交通中产生的Zn主要来源于汽车轮胎的磨损，由图2-E可知，茶区距公路远近对茶嫩叶中Zn含量有一定的影响，而对老茶叶中Zn含量影响很小，除南源岭外，其余3个茶区嫩叶中Zn含量基本随距高速公路距离的增加而减小。与郭广慧等[6，35，37]研究结果：土壤中Zn含量随距高速公路距离的增加而降低不同，在所研究范围内除黄柏外，其余3个茶区土壤中Zn含量随距高速公路距离的增加而略增，可能与土壤本身背景值差异有关。茶鲜叶中Zn含量与土壤中Zn含量之间并没有明显的相关性，说明茶叶中Zn含量不仅受土壤中Zn含量的影响，其还受到其他外环境的影响；茶嫩叶中Zn含量比茶老叶的多，这说明嫩叶在生长过程中Zn元素会部分流失。由表2可知，4个茶区土壤中Zn含量是曹墩>南源岭>黄柏>南岸，但老茶叶中4个采样点Zn含量基本一致，而嫩叶中的Zn含量与土壤中Zn含量大小顺序不同，是南源岭>南岸>黄柏>曹墩，说明车流量对嫩叶中的Zn含量有一定影响，可能因为Zn大部分来源于叶片对大气中重金属的吸收，车流量较大路边茶区嫩叶中的Zn含量也相对较大，此结果与冯金飞的结果[38]一致。
2.3 风险评价结果
2.3.1 土壤重金属综合污染指数 采用茶叶产地环境技术条件限值进行评定。所研究茶园土壤均属于未污染，安全等级。采用有机茶产地环境条件限值进行评定。从表3单项污染指数来看，曹墩距公路距离50 m处的Pb单项污染指数和南源岭距公路距离5～150 m Cu单项污染指数及50、100 m处的Cr单项污染指数均处于1与2之间，存在轻度污染；其余地方土壤样品未受到Pb、Cr、Cu污染。从表1和表3可知，茶园土壤综合污染指数存在明显的区域差异，南源岭>曹 墩> 黄柏>南岸。南源岭茶园土壤污染最严重，均属于轻污染等级。黄柏距公路距离15 m处为警戒线等级。曹墩距公路距离50～150 m处为警戒线等级。虽然南岸车流量较大，但氮土壤综合污染指数最小，或与其土壤本底值较小有关，但从结果来看，除黄柏距公路距离15 m处土壤综合污染指数相对较高外，所有茶园距公路距离50或100 m处土壤综合污染指数相对较高，距离公路较近和较远处茶园土壤相对安全。因此，应警惕茶园距公路距离50或100 m附近茶园中Pb、Cr、Cu污染。
2.3.2 土壤重金属潜在生态风险评价 结合表1与表3可知，公路边各茶园Ni的风险等级轻微，属于轻微生态危害；曹墩距公路距离5～150 m处的Pb风险等级为中等，属于中等生态危害，其余茶园风险等级轻微；Cu在南岸的风险等级低，在曹墩、黄柏的风险等级中等， 在南源岭除距公路距离50 m处的的风险等级很强，其余强；Cr除在南源岭距公路距离 50 m 处的风险等级中等，属于中等生态危害外，其余风险等级轻微；Zn在南源岭除距公路距离150 m处和曹墩的风险等级中等，其余茶园风险等级轻微。因此，应警惕部分茶园距公路不同距离中Pb、Cr、Cu和Zn含量，特别是Cu元素的潜在生态风险。
表3 路边茶园土壤单项污染、内梅罗污染、单项潜在生态风险及综合潜在生态风险指数
由表3可知，综合潜在生态风险评价指数区域差异明显，南源岭>曹墩>黄柏>南岸。结合表1可知，南岸和黄柏距公路不同距离综合潜在生态风险等级轻微；曹墩距公路距离50～150 m处及南源岭距公路不同距离综合潜在生态风险等级中等。各茶园总体上，距公路较近5、15 m及较远 150 m 及以上茶园土壤的综合潜在生态风险危害小于50～150 m处。
土壤重金属综合污染指数与土壤重金属潜在生态风险评价的结果大体一致，略微差异可能由2种评价采用的参照标准及评价方法不同。
3 结论
距公路距离及车流状况对茶园茶鲜叶中Cr、Pb含量影响最大，其次是Zn、Ni，而Cu几乎不受影响，对土壤中Pb、Cr含量影响最大，其次是Ni、Cu、Zn。每个茶区每种金属含量比较接近，但各个地方的金属含量具有差异性，可看出土壤及茶鲜叶中金属含量存在地域差异。茶鲜叶中Pb、Cr含量与土壤中含量有明显的相关性，而茶鲜叶中Ni、Zn、Cu等金属含量与土壤中的含量没有表现出明显的相关性。
采用茶叶产地环境技术条件限值进行评定。所研究茶园土壤均属于未污染，安全等级。采用有机茶产地环境条件限值进行评定，应警惕茶园距公路距离50或100 m附近茶园中Pb、Cr和Cu污染。以福建省土壤背景值为参照，应警惕部分茶园距公路不同距离中Pb、Cr、Cu和Zn含量，特别是Cu元素的潜在生态风险。各茶园总体上，距公路较近的5、15 m及较远的150 m及以上茶园土壤的综合潜在生态风险危害小于50～150 m处。随着工业化进程的深入，农村城镇化进程的加快，三废排放量的日益增加，农药、化肥的滥用，须加强茶园的保护。建议茶园建设在距公路距离150 m外或车流量较少并增设隔离带的地方，多施用天然的有机肥料等措施，以减少重金属在茶鲜叶及土壤中的积累。
