镉和铅在茶园土壤—茶树系统中分布及迁移特征

刘燕飞，李荭荭，黄幸然，方 熊，易志刚

(福建农林大学资源与环境学院/土壤环境健康与调控福建省重点实验室，福建福州350002)

镉(Cd)、铅(Pb)在环境和生物体内具有毒性和蓄积性[1]，也是对人体危害较大的重金属.随着工矿业和农业的迅猛发展以及城市化进程的加快，土壤Cd和Pb污染问题日益凸显.根据《全国土壤污染状况调查公报》[2]报道，在所调查的全国土壤位点中，7.0%土壤Cd超标，1.5%土壤Pb超标.茶树是我国重要的经济作物，其对土壤活性态重金属具有吸收累积能力[3]，茶叶污染问题应引起重视.目前，全国已有不少关于茶园土壤和茶叶中Cd和Pb污染的研究报道[4-5]，研究主要集中于对土壤、茶树根部和叶芽或市场商业用茶及其茶汤中的Cd、Pb含量分析与健康风险评估[6-7].将茶园茶树和土壤联系起来作为一个系统进行研究能更好地阐明Cd和Pb在土壤—茶树系统中转移富集规律，一些学者也针对茶园土壤和茶树中Cd、Pb来源及其累积特征进行了较为系统的研究：长期盆栽种植和大田试验的结果表明土壤和空气沉降物均对龙井茶中Pb的含量有较大影响[8]；兰海霞等[9]通过研究表明，茶树各部位Cd和Pb含量与土壤Cd和Pb含量呈极显著正相关关系；Lu et al[10]利用同位素技术分析西湖龙井茶中Pb的含量和来源，结果表明龙井茶中的Pb主要来自于土壤，汽车尾气为次要影响因素；有研究表明重金属在茶树体内的分布规律主要是根＞茎＞叶[11-12]，但也有研究发现，茶树品种、土壤类型属性或茶园周围环境等不同可能会导致研究结果有所差异[13].

福建省地处东南沿海，地形气候适合种植茶树，是中国主要的茶产地.周娜等[14]对福建省多个茶产区茶叶重金属含量进行的调查表明样品Cd和Pb含量未超过国家标准限值.但是陈增文[15]对福建土壤重金属污染状况的调查表明，包括茶园在内的土壤出现了不同程度的重金属累积污染，且Cd和Pb为主要污染元素.这说明福建茶园还存在一定的Cd、Pb污染风险，需要进一步对福建茶园进行研究分析，而目前针对福建茶园重金属污染的研究报道比较少，且相比于前人研究，细化茶树组成部分有利于进一步了解福建部分茶园Cd和Pb在土壤—茶树系统间的迁移富集特征.本研究以泉州大坪乡、三明坂面乡和福建农林大学茶园为研究对象，测定茶园土壤及对应茶树的根、老枝、嫩枝、老叶和嫩叶样品中Cd和Pb含量，研究探讨Cd和Pb在土壤—茶树系统中的分布规律及迁移累积特征，旨在为福建科学管理茶园和种植茶树以及茶园重金属污染防治提供理论依据.

1 材料与方法

1.1 研究区概况

福建省位于我国东南丘陵地区，受季风和地形的影响，属于亚热带海洋性季风气候，光照充足，降水充沛，多年平均降水量为1 000～2 200 mm，多年平均气温为17～21℃.研究区泉州大坪乡茶园(24°53′23″N，117°58′35″E)、三明坂面乡茶园(26°05′10″N，118°09′29″E)、福建农林大学茶园(26°05′05″N，119°14′07″E)的土壤类型均为红壤.

1.2 样品采集与处理

2010年7月，采用S形布点法，分别于大坪乡、坂面乡和农林大学茶园设置6个采样点，采集茶树根际0～30 cm土壤，每个采样点以多点(5点)取样法取样后混合均匀并保留1 kg.土样经去除小石子、残根和碎屑后，自然风干，使用玛瑙研钵研磨并过100目筛，备用.

采集对应采样点长势良好的茶树植物样品，每株茶树采集根(吸收根)、老枝(两年生)、嫩枝(当年生)、老叶(当年生成熟叶)和嫩叶(一芽两叶，夏茶)样品，老枝与老叶同枝，嫩枝与嫩叶同枝.植物样品经去离子水清洗干净，自然风干，再置于微波炉中杀青；60℃烘干至恒重.冷却后粉碎过30目筛.

1.3 样品分析

土壤中Cd、Pb的测定参考《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 15618—2018)[16]：称取0.200 g土壤样品至聚四氟乙烯坩埚中，经HCl-HNO3-HF-HClO4湿式消解，待冷却，用超纯水冲洗坩埚内壁和坩埚盖7～8次转移至50 mL容量瓶中后定容至刻度线，然后过滤，滤液使用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS，Agilent 7500a)测定(表1)，同法设置平行样(3个)和空白样进行质量控制.土壤成分分析标准物质采用石灰岩，Cd和Pb的回收率分别为94.65%和120.67%.

表1 ICP-MS仪器的数据采集参数Table 1 ICP-MS setup for heavy metal analysis

茶树样品中Cd、Pb的测定参考王秋霜等[7]的研究：称取0.200 g茶树样品于聚四氟乙烯坩埚中，加入4 mL优级纯浓硝酸和1 mL优级纯过氧化氢(浓硝酸∶过氧化氢＝4∶1)，静置30 min后用微波消解仪进行消解，消解完全后转移至50 mL容量瓶中并用超纯水定容至刻度.同法设置平行样(3个)和空白样进行质量控制，茶叶成分分析标准物质采用绿茶，ICP-MS测定，Cd和Pb的回收率分别为94.80%和105.36%.

1.4 数据分析

土壤重金属污染评价标准参考《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 15618—2018)[16]，茶叶中重金属污染评价标准参考《茶叶中镉、铬、汞、砷及氟化物限量》(NY 659—2003)[17]及《食品安全国家标准食品中污染物限量》(GB 2762—2017)[18]，福建土壤重金属背景值参考陈振金等[19]的研究.使用SPSS 19.0分析不同茶园土壤Cd和Pb含量，同时采用单因素方差分析对茶树样品Cd和Pb含量进行显著性差异分析，并采用SigmaPlot 12.5绘图.

Cd、Pb富集系数和转移系数计算公式：富集系数＝茶树重金属含量/土壤重金属含量；转移系数＝地上部(枝、叶)重金属含量/地下部(根)重金属含量.

2 结果与分析

2.1 茶园土壤Cd和Pb含量

3个茶园土壤中Cd和Pb含量均低于《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》[16]的最大限值.坂面乡茶园土壤Cd含量平均值高于福建土壤Cd背景值，大坪乡和农林大学茶园土壤Pb含量平均值均超过福建土壤Pb背景值[19].各茶园土壤Cd平均含量表现为坂面乡＞农林大学＞大坪乡，Pb平均含量表现为大坪乡＞农林大学＞坂面乡.除农林大学茶园土壤Cd含量变异系数低于10%外，其余茶园土壤Cd和Pb变异系数均介于17.20%～33.74%(表2).

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

2.2 茶园茶树Cd和Pb分布

2.2.1 茶树不同部位Cd和Pb含量 各茶园老叶和嫩叶中Cd、Pb含量分别介于0.003～0.054、0.01～4.28mg·kg-1，低于《茶叶中镉、铬、汞、砷及氟化物限量》(NY 659—2003)[17]和《食品安全国家标准 食品中污染物限量》(GB 2762—2017)[18]中的相应限值(Cd≤1 mg·kg-1，Pb≤5 mg·kg-1).除坂面乡茶园外，大坪乡、农林大学茶园茶树中Cd含量和大坪乡茶园茶树中Pb含量由高到低表现为根＞嫩枝＞老枝＞老叶＞嫩叶，农林大学茶园茶树的Pb含量分布总体表现为根＞枝＞叶，表明Cd和Pb在茶园茶树中的分布特征为自下而上减小，即Cd和Pb在根中的累积量最大，在嫩叶中的累积量最小.农林大学茶园茶树根的Cd和Pb含量均显著大于嫩叶(P＜0.05)，大坪乡和坂面乡茶园茶树老叶的Pb含量显著高于嫩叶(P＜0.05)(图1).

图1 茶树不同部位Cd、Pb含量Fig.1 Cd and Pb contents in different parts of tea trees

2.2.2 茶树不同部位Cd和Pb转移系数 Cd在3个茶园茶树不同部位间转移系数由高到低均表现为嫩枝＞老枝＞老叶＞嫩叶，且各茶园嫩枝转移系数显著大于老叶和嫩叶(P＜0.05)，说明Cd较容易转移至嫩枝而不易转移至嫩叶.Pb在坂面乡和农林大学茶园茶树各部位间转移系数依次为老枝＞嫩枝＞老叶＞嫩叶，表现为自下而上递减的趋势(表3).

表3 Cd和Pb在不同茶园茶树不同部位间的转移系数(n=6)1)Table 3 Transfer factors of Cd and Pb in different parts of tea trees(n＝6)

2.3 土壤—茶树系统中的Cd和Pb富集系数

由图2可知，大坪乡和农林大学茶园茶树不同部位中Cd的富集系数表现为根＞嫩枝＞老枝＞老叶＞嫩叶；Pb在大坪乡和农林大学茶园茶树根中的富集系数最大，在嫩叶中的富集系数最小.Cd在各茶园茶树中的富集系数大于Pb.

图2 茶树不同部位Cd、Pb富集系数Fig.2 Accumulation factors of Cd，Pb in different compartments of tea trees

3 讨论

3.1 土壤Cd和Pb分布特征

虽然部分茶园土壤Cd或Pb含量超过相应的福建土壤背景值[19]，但是各茶园土壤中的Cd和Pb含量均未超标，均低于《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》[16]最大限值，因此各茶园土壤未受到Cd和Pb污染.坂面乡茶园土壤Cd平均含量最高(0.061 mg·kg-1)，但明显低于周玉婵等[20]研究的桂林区某茶园土壤Cd含量(1.10～1.56 mg·kg-1).有研究表明重金属在土壤中的累积和转移明显受到土壤性质的影响[21]，因此坂面乡茶园土壤Cd含量低于其他地区可能与两地土壤属性差异有关.

研究区土壤Cd和Pb变异系数介于6.32%～33.74%，说明各采样点土壤Cd、Pb含量具有中等变异性，这表明研究地区土壤Cd、Pb区域空间差异较大[22]，可能是外界影响程度不同导致的.麻万诸等[23]对浙江典型茶园生态系统进行研究发现茶区Cd输入主要来源于化肥的施用，因此不同的地理位置和施肥方式均有可能造成不同茶园土壤Cd含量的差异.

3.2 茶树Cd和Pb累积特征

研究区3个茶园茶叶Cd和Pb含量均未超标，说明3个茶园茶叶均未受到Cd和Pb污染.研究结果表明，茶树中Cd和Pb的分布表现为根＞嫩枝＞老枝＞老叶＞嫩叶，这与石元值等[24-25]对茶园茶树中Pb和Cd含量分布研究以及李云等[11]研究茶苗不同部位对Cd和Pb的吸收累积结果基本一致，均表现为根＞茎＞叶，即自下而上呈递减分布，这可能是因为茶树各部位对Cd和Pb的运输转移有一定的缓冲和延滞作用，说明茶树根部较容易累积Cd和Pb而受其毒害.研究表明，坂面乡茶园土壤Cd含量最高，嫩叶中Cd含量在3个茶园中也最高；大坪乡茶园土壤Pb含量最高，但其嫩叶Pb含量则低于其余2个茶园.这说明研究茶园茶树嫩叶中的Cd含量可能受土壤中Cd含量影响较大，而嫩叶中的Pb含量可能还受到其他因素的影响，因此控制土壤中的Cd和Pb含量对茶树的生长有一定的保护作用，并且有助于降低嫩叶中Cd和Pb含量.

3.3 土壤—茶树系统Cd和Pb的转移富集能力

本研究结果中，不同茶园Cd和Pb在茶树各部位间的转移能力有所不同，总体而言，Cd和Pb在根到老枝间的转移能力最强，在根到嫩叶间的转移能力最弱.王春梅等[26]进行长达44个月的关于Cd胁迫对茶树吸收累积特性影响的研究，结果表明茶树各部位对Cd的转移系数依次为根＞枝(茎)＞叶(新梢)，这与本研究结果相似，说明根对Cd的吸收累积能力较强导致Cd不易往茶树地上部转移.林龙勇等[27]在对三七累积土壤Cd和Pb等重金属的研究中发现，Cd和Pb在三七中具有较强的向地上部转移能力，这可能是不同种类植物生理特性不同导致的.各茶园茶树不同部位的富集系数也有所差异，在本研究中，根对Cd和Pb的富集能力最强，其次是枝，叶的富集能力最弱，尤其是嫩叶，这与张清海等[28]对贵州3个茶园土壤—茶叶系统研究结果相似，表明不同地区不同品种茶树对Cd和Pb的富集能力相似.造成这种结果的原因可能是Cd是强累积元素，而Pb的转移能力较弱，同时茶树根系有可能产生分泌物进而影响茶树根系环境，使得根系对Cd和Pb的富集能力最强[9].另外，土壤中Zn元素的存在也有可能导致Cd和Pb的转移能力发生改变，从而影响枝和叶对Cd和Pb的富集能力[29].由于Cd一般是通过韧皮部向植物各部位运输的，而土壤中的Zn元素能干扰这个运输过程进而影响Cd向枝和叶运输，使得枝和叶中的Cd含量低于根部[30]，所以有必要关注茶园土壤中的Zn元素的累积情况.此外，其他种类植物也具有相似的富集现象，表现为根＞茎＞叶[31].对比相同茶园茶树部位对Cd和Pb富集系数发现，各茶树部位对Cd的富集能力明显比对Pb的富集能力强，Rashid et al[32]测定茶园土壤和茶叶中的重金属发现Cd在土壤和茶叶中的转移系数大于Pb，有可能是因为土壤中的多种元素共存引起的拮抗或协同作用导致的[33]，说明相对于茶园Pb污染，Cd污染更应该引起重视.且Cd和Pb在茶树体内的转移机制和影响因素比较复杂，有待进一步的研究.

4 结论

(1)研究地茶园中，泉州大坪乡茶园土壤Pb含量最高，三明坂面乡茶园土壤Cd含量最高，但研究地茶园土壤Cd和Pb含量均未超过《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》[16]标准限值.大坪乡和农林大学茶园土壤Pb含量以及坂面乡茶园土壤Cd含量超过相应元素的福建土壤背景值[19]，而研究区土壤Cd和Pb变异系数较大，说明土壤Cd和Pb还受到人为因素影响，因此选择合适的茶园地理位置和科学的茶园管理尤为重要.

(2)各茶园茶叶中的Cd和Pb含量均低于国家标准限值，说明研究地茶叶未受到Cd和Pb污染.Cd和Pb在茶树不同部位分布主要表现为根＞嫩枝＞老枝＞老叶＞嫩叶，说明茶树根部更容易受到Cd和Pb的毒害.研究地Cd和Pb在各茶园茶树部位间的转移以及富集能力也表现为自下而上递减，即根＞枝＞叶，说明Cd和Pb不易向茶树地上部运输，因此采集嫩叶作为茶产品原料可以提高茶产品安全.此外，研究区茶树对Cd的富集能力比Pb强，故在进行茶园管理时需要更加重视Cd污染.