云南凤庆冬春两季大叶种茶中常量元素的差异性分析

侯 顺，肖 涵，马银海

(昆明学院 化学化工学院，云南 昆明 650214)

云南省临沧市凤庆县属代表性滇红茶产区.该茶产区位于滇西北，属中亚热带、北亚热带，为亚热带山地高原季风气候，年平均温度14.7～19.5 ℃，年降雨量1 100～2 100 mm，土壤以山地红壤为主，pH值5.0～5.5，适宜茶树生长.此外，该地区隶属于Pb-Zn-Ag-Cu-S-Hg矿化带，金属元素背景值较高[1].

凤庆大叶种茶树(Camelliasinenesis(Linn.) var.assamica(Masters) Kitamura)种植时间长、面积广、茶产量较大.茶树呈单轴分枝，叶形以椭圆为主，叶尖聚尖或渐尖，叶面隆起，叶色绿有光泽，叶片厚而柔软，叶身背卷或稍内折，叶缘微波，侧脉10～11条.凤庆大叶种茶树定型成熟叶片长12.7～25.3 cm、宽8.0～9.0 cm，面积大于40 cm2.栅栏组织大多数为一层，且排列较稀疏.叶片碳代谢强烈，海绵组织多，易于次生代谢产物的合成与累积.茶产品水浸出物含量较高，呈味物质累积多，茶汤滋味强烈，风味独特[2].

由于茶树体内的矿质元素不能自身合成，必须从周围环境吸收富集.而地质环境作为内源性影响因素，直接或间接影响水、气、肥、热等条件，从而干扰茶树生长发育过程.土壤为茶树矿质元素吸收的主要来源，自根向上，矿质元素逐级分馏迁移，进入茶叶新梢，参与生理生化反应，并形成动态循环.目前，茶树组织中已检出67种以上元素，其含量范围相差7个数量级以上.Al、F、Mn和Se等元素显著富集，并成为影响茶树生长的常量元素[3].已有大量研究[4-5]分析了茶树生长过程中涉及的常量矿质元素对茶树的影响，其中各结论整理见表1.

表1 常见无机元素对茶树的影响

世界各国标准不仅对进出口茶叶的质量控制除限定有机污染物外，还十分重视矿质元素指标.各类标准对茶叶中矿质元素的限定[6]详见表2.

茶组织中的矿质元素主要来源于土壤，但其含量仍受茶树树龄、茶叶新梢嫩度、加工方式等多种因素的影响.作为按特定时间采收并分级的植株，茶树的生长周期对其产品品质的影响已形成共识.在自然生长条件下，茶树全年有3次生长和休止，即：越冬芽萌发→第1次生长(春梢)→休止→第2次生长(夏梢)→休止→第3次生长(秋梢)→冬季休眠.新梢明显的轮性生长特点和花果、根系生长的季节性变化，进一步引起茶树叶片水分及特征性物质含量的变化[7].

一般而言，茶树冬季进入休眠期，代谢率低，萌芽少.而早春日均气温高于10 ℃时茶芽萌动，代谢活动增强.目前，对茶树生长周期的研究[7-11]多集中于其次生代谢产物，且一致认为：春季茶产品水浸出物多，氨基酸、可溶性糖、咖啡因等良性呈味因子含量较高；而夏秋茶黄酮类、多酚、花色素类不良呈味因子含量较高.因此茶产品历来以春季，特别是清明前为佳.

此外，目前对茶树及其制品中矿质元素的研究多集中于有关其含量的调查[12-13]、品种差异[14]、不同产地、不同部位、不同加工方式[15]、土壤-茶树元素相关性分析[16]、浸出率[17]、指纹图谱[18]的研究.而对其不同生长周期内矿质元素变化的研究仍不够充分，尤其是冬季变化研究尚不多见.Zhou等[19]使用同位素分析研究结果表明，δD 和δ18O在不同季节有显著差异，降雨量是周年变化的重要贡献因子；Zhao等[20]认为，Na、Mg、K、V、Cr、Co、Se、Rb和Pt可作为不同季节茶叶的指纹因子；方灵等[21]认为，季节不影响茶叶对稀土元素的总富集能力，但影响茶叶对铈、钇的吸收；王朝阳等[22]研究结果显示，硒元素含量为w(春茶)>w(秋茶)>w(夏茶)，夏茶含硒量与春茶、秋茶差异显著.需要说明的是，这些研究都是基于行业习惯(春及夏、秋季)设计采样节点，因为冬季茶树进入休眠期，茶芽小且难以收集，所以对采样提出了挑战.

表2 各标准对茶叶中矿质元素的限量

综上所述，由于采样因素的限制，涉及茶树冬季生长特征的研究尚不多见，且其结果受多重因子干扰.在茶树生长周期中，冬季休眠越冬，春季为萌动期，可代表茶树生长状态的极值，方便进行茶树生长周期典型变化的降维研究.因此，以云南省临沧市凤庆县为研究区域，并选择当地典型茶园样地，确定经纬度后，按农业节气采摘特定茶树一芽二叶至三叶新梢，清洗后快速干燥，消解后采用ICP-MS测定其常量元素含量，并对数据进行成对T检验以获得准确的统计结果，其结果可为临沧市典型大叶种茶树的生长周期元素特性累积原始数据，也能为建立茶产品元素指纹图谱提供参考.

1 材料与方法

1.1 样品采集

2020年1—4月，于前期调研择定的5个凤庆县代表性大叶种茶园样地直接采收茶叶新梢.野外采样时间参考茶行业常规[23-24]，即春季：春分-清明(2020-03-20—2020-04-04)；冬季：小寒-大寒(2020-01-06—2020-01-20).在固定的经纬点茶园，选取向阳坡面中部，具有代表性的茶树5～20棵(冬季芽叶稀少，其他季节采样以冬季茶株分布中心为起始点，向外辐射)，以布带标记后采一芽二叶至三叶样品，纯净水快速冲刷甩干后摊晾干燥，冰箱密封冷藏.

由于冬季各样品芽叶显著变小，叶片革质化，部分呈现猫耳朵状，叶绿素、水分含量偏低，少量叶片有焦边现象.

1.2 仪器条件

ICP-MS工作条件(n=3)：等离子体射频(RF)功率1 550 W，蠕动泵0.10 r/s，采样深度10.0 mm，雾化室温度2 ℃，载气1.03 L/min；等离子体模式：He模式(碰撞反应池模式)，氦气流量4.3 mL/min，重复3次. 重金属多元素混合标准溶液(V，Cr，Mn，Co，Ni，Cu，Zn，As，Cd，Pb)购自安捷伦公司(8500-6940)，以国家有色金属及电子材料分析测试中心的Rh、Re标准溶液为内标溶液，安捷伦5188-6564的Li、Co、Y、Ce和Tl 混合标准溶液为调谐溶液.

1.3 实验方法

茶叶样品临用前70 ℃烘干后磨碎至60目.准确称取2.00 g茶叶粉末(n=3)于锥形瓶中，加入V(高氯酸)∶V(硝酸)=1∶5的混酸30 mL，加盖浸泡过夜后，加热消解至无色澄清透明，消解后充分赶酸，冷却，以2%硝酸溶液转移定容至200 mL.

在优化后的仪器分辨率、灵敏度、稳定性、氧化物、双电荷条件下，测定标准、样品和空白溶液，扣除空白后计算结果.

2 结果与讨论

2.1 冬、春季茶叶中常量元素含量分析

采用ICP-MS法对冬春两季5个茶叶样品中的9种常量元素(Mg、Fe、Zn、Cu、Ni、Al、Mn、Ti、Sr)的含量进行测定，结果见表3.

表3 冬、春季节大叶种茶树新梢9种常量元素含量

由表3可见，各样品9种常量矿质元素的含量分异明显，各元素含量均值水平变异达3个数量级.其中：Mg含量最高(1 757.00±62.58 mg/kg)；Sr含量最低(1.24±0.26 mg/kg).各元素含量平均值的高低顺序为：w(Mg)>w(Al)>w(Mn)>w(Fe)>w(Ti)>w(Zn)>w(Cu)>w(Ni)>w(Sr).此顺序与地球陆地植物矿质元素含量顺序相近[3]，但Al、Mn和Ti等元素的含量顺序有大幅度提高，其中Al提高1～2个数量级，Mn和Ti提高1个数量级，体现出明显的富集.

此外，样品变化幅度指征冬春季节性差异，RSD指征不同样地间差异.冬季与春季比较，不同矿质元素含量特征显著不同：Fe含量较为稳定；冬季含量高于春季的是w(Al)>w(Zn)>w(Mn)>w(Sr)(含量均值排序)，冬季含量低于春季的为w(Mg)>w(Ti)>w(Fe)>w(Cu)>w(Ni)(含量均值排序).对冬、春单一常量元素的含量变化幅度进行归一化后可以看出，冬季与春季含量变幅顺序为w(Ti)>w(Ni)>w(Cu)>w(Sr)>w(Mg)>w(Fe)>w(Mn)>w(Zn)>w(Al).两季节同一元素含量RSD不均，除Sr和Fe外，冬季茶叶样品常量元素分量变异情况远大于春季；Fe稳定性最高，Al和Ti变异最大.冬季含量范围差异表现为w(Zn)>w(Ni)>w(Mn)>w(Al)>w(Cu)>w(Mg)>w(Sr)>w(Fe)>w(Ti)，春季含量范围差异表现为w(Sr)>w(Mn)>w(Al)>w(Fe)>w(Ni)>w(Zn)>w(Cu)>w(Mg)>w(Ti).

可以认为，除Sr和Fe外，各样品的其他元素在春季变化幅度较为一致.在春季水热条件变动剧烈，对样品地茶树的吸收、分布特性干扰超过背景值干扰.若春茶元素含量RSD小，变幅小(如Fe)，则该元素在茶树体内分布较为稳定，环境影响较少，可能固持性较好；若春茶元素含量RSD小，变幅大(如Al和Mn)，则该元素受土壤环境影响较少，受水热条件影响较大.若春茶元素含量RSD大，变幅小(如Sr)，则此元素与土壤背景关系更为密切，适宜进一步研究其产地溯源可靠性；若春茶元素含量RSD大，变幅大(如Mn)，则此元素对多重干扰响应明显，不适宜作为指纹图谱组成元素.

2.2 冬、春季节常量元素成对T检验结果

对样品涉及的5个样地数据进行点对点成对比较T检验，结果见表4.

表4 冬、春季节样品常量元素差异性分析

由表4可知，冬春两季大叶种茶新梢常量元素含量差异较大，与之前研究结果[3]中春夏元素含量差异有显著提高.在冬、春两季，Mg、Fe、Ti和Sr含量差异无统计学意义，Zn、Cu和Al含量差异极具统计学意义，Ni和Mn含量差异有统计学意义.在春季Zn和Al含量极显著下降，Mn含量显著下降.同时Cu含量极显著升高，Ni含量显著升高.因此，Zn、Al和Cu元素可以作为常量元素季节性变化的表征元素.

茶新梢常量元素含量的季节变化主要取决于当地气候的季节节律，也受茶树生长的生理特性和茶园管理方式、频率影响.因此本结论只代表当地的地方性现象，有待于累积更多代表性地区数据获得普适性结论.

3 结论

选定云南省临沧市凤庆县5个大叶种茶园样地特定植株，在冬春季节特定时间采取同株一芽二叶至三叶茶叶样品，使用ICP-MS法对其9 种常量矿质元素(Mg、Fe、Zn、Cu、Ni、Al、Mn、Ti、Sr)进行分析，得到以下结论：

1)样品中9种常量矿质元素的含量分异明显，各元素含量均值水平变异达3个数量级.各元素含量平均值的高低顺序为：w(Mg)>w(Al)>w(Mn)>w(Fe)>w(Ti)>w(Zn)>w(Cu)>w(Ni)>w(Sr).此顺序与地球陆地植物矿质元素含量顺序相近，但Al、Mn和Ti等元素明显富集.

2)比较冬春两季，不同矿质元素含量特征显著不同：Fe含量较为稳定；冬季含量高于春季的是w(Al)>w(Zn)>w(Mn)>w(Sr)(含量均值排序)，冬季含量低于春季的为w(Mg)>w(Ti)>w(Fe)>w(Cu)>w(Ni)(含量均值排序).对冬、春单一常量元素的含量变化幅度进行归一化后可以看出，冬季与春季含量变幅顺序为w(Ti)>w(Ni)>w(Cu)>w(Sr)>w(Mg)>w(Fe)>w(Mn)>w(Zn)>w(Al).

3)两季节同一元素含量RSD不均，除Sr和Fe外，冬季茶叶样品常量元素分量变异情况远大于春季，其中Fe稳定性最高，Al和Ti变异最大.冬季含量范围差异表现为w(Zn)>w(Ni)>w(Mn)>w(Al)>w(Cu)>w(Mg)>w(Sr)>w(Fe)>w(Ti)，春季含量范围差异表现为w(Sr)>w(Mn)>w(Al)>w(Fe)>w(Ni)>w(Zn)>w(Cu)>w(Mg)>w(Ti).结合元素含量RSD值和含量变幅可对元素在茶树中的受干扰特性做出初步推断.

4)成对比较T检验结果表明，冬春两季大叶种茶新梢常量元素含量差异较大，在春季Zn和Al含量极显著下降，Mn含量显著下降，Cu含量极显著升高，Ni含量显著升高,其中Zn、Al和Cu元素可以作为季候变化的指纹因子进行深入研究.