不同海拔区间白茶化学元素特征分析及产地判别

罗 钦 陈谢勇 徐梦婷 邵淑贤 吴秀秀 叶乃兴， 郑德勇

（1福建省农业科学院农业质量标准与检测技术研究所/福建省农产品质量安全重点实验室，福建 福州 350003；2福建农林大学园艺学院，福建 福州 350002； 3福建水木年生态茶业有限公司，福建 南平 353600；4福建农林大学材料工程学院，福建 福州 350002）

白茶是以特定的茶树品种为原料加工制作而成，适制品种主要有福安大白茶、福鼎大白茶和九龙大白茶等［1］，白茶中的白牡丹因汤色浅黄明亮清澈、滋味鲜醇回甘清香而深受消费者青睐。福建是我国白茶的发源和主产地，主产区为政和县、福鼎市和福安市等，产区地貌主要为山地丘陵，海拔跨度为100～1 500 m。因高山上生产的茶叶具有特殊的“山韵”和高品质，故福建省素有生产“高山茶”的传统，高山红茶标准［2］规定500 m以上的产茶区为高海拔地区。在福建省内，500 m以上相对较高海拔茶叶的品质和经济价值均高于500 m以下相对较低海拔茶叶，在利益的驱动下，易出现低海拔白茶假冒高海拔产品，扰乱市场秩序［3］。小尺度区域如同一市县内，白茶加工工艺基本一致、外形相似，“山韵”的辨别传统上主要采用感官评审，但是靠审评员和做茶师的经验难以准确判断茶叶的原产地［4］。因此，开发一种不同海拔白茶的有效判别方法对福建白茶的保护和可持续发展具有重要意义。

茶叶生长的海拔高度与茶叶中的化学元素有着密切关系。不同海拔的水、土壤和气候等生境条件中的常量、微量元素有其各自的特征，茶叶选择性地吸收和持续累积这些元素后其体内元素含量会存在不同程度的差异［5-6］，这种微化学“指纹”的差异可作为产地溯源指标。特别是稀土元素，其在茶叶与土壤中呈明显正相关性［7］，而且其含量在茶叶加工过程中不会发生变化，是茶叶产地溯源的理想元素［8-10］。国内外在众多农产品中开展了基于化学元素的产地溯源研究［11-15］，茶叶产地溯源多侧重于跨不同国家或省份等大地理区域上的追踪［16-21］。由于在小空间尺度上种植的同一类型茶叶中化学成分差异可能较小，会导致产地更难区分［22］，不过少量研究表明，铁观音［23］、龙井［24］、普洱茶［25］等稀有或特殊茶在跨不同市县等较小区域上的追踪是可行的。但鲜见同一县域小空间尺度上的白茶产地溯源研究。随着电感耦合等离子质谱法（inductively coupled plasma mass spectrometry，ICP-MS）的稳定性、准确性不断提高，可实现多元素快速检测。因此，本研究应用ICP-MS 测定同一地区不同海拔白牡丹样品中的矿质元素和稀土元素含量，通过数理统计方法，筛选出特征元素，构建最佳判别模型，实现不同海拔白茶的产地溯源，旨在为小空间尺度下不同海拔区间白茶的产地判别提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试茶样

2022年3—4月，在政和县的同一年福安大白茶春茶的收获期，对30 份100～500 m 相对较低海拔区间福安大白茶（low altitude intervals Fu’an big white tea，LWT，样品代号LWT1～30）和30份500～1 500 m相对较高海拔区间福安大白茶（high altitude intervals Fu’an big white tea，HWT，样品代号HWT1～30）白牡丹进行取样，经研磨并过100 mm 目筛后，置于-18 ℃冰箱中存储，作为分析样品备用。

1.2 仪器与试剂

2030 型电感耦合等离子质谱仪，日本岛津公司；TOPEX 型微波消解仪，上海屹尧仪器科技发展有限公司；GT-400 型可调式电热板，上海屹尧仪器科技发展有限公司；AL-204 型分析天平，瑞士梅特勒-托利多公司。

浓硝酸（优级纯），福州申辉化工仪器设备有限公司；Al、Ca、Cu、Fe、K、Mg、Mn、Na、Zn、As、Cd、Sn、Se、Pb、Th和Hg标准溶液（1 000 mg·L-1），国家有色金属及电子材料分析测试中心（北京）；La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Y、Sc 和Pm 混合标准溶液（10 mg·L-1），北京坛墨质检科技有限公司。茶叶标准物质［GBW 10016（GSB-7 茶叶）］，中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所（河北省廊坊市）。

1.3 试验方法

称取茶粉0.3 g（精确至0.000 1 g）置于微波消解罐中，加入5 mL 硝酸，旋紧罐盖，放置60 min，按照微波消解仪的标准操作步骤进行消解，消解的程序为先阶梯升温至100 ℃，保持 3 min；然后130 ℃，保持2 min；然后150 ℃，保持2 min；然后170 ℃，保持5 min；最后190 ℃，保持20 min。冷却至室温后取出消解罐，放于电热板上，加热赶酸至1 mL，加去离子水定容至25 mL混匀备用，空白样品同法处理。稀土元素混合标准母液与As、Cd、Sn、Se、Pb、Th 和Hg 等7 种矿质元素标准母液通过逐级稀释，最终配制成50 μg·L-1混合标准使用液。另外9 种矿质元素标准母液通过逐级稀释，最终配制成10 mg·L-1混合标准使用液，并分别配制标准曲线溶液，同时分批次与上机溶液导入电感耦合等离子质谱仪中进行矿质元素和稀土元素含量的测定。期间，在测定另外9 种矿质元素和Ce 元素时，由于其浓度均超出了标准曲线最高值，故上机溶液均稀释25 倍后再导入电感耦合等离子质谱仪中进行测定。电感耦合等离子质谱仪工作参数为高频功率1.2 kW、采样深度5.0 mm、等离子体气8.0 L·min-1、辅助气1.1 L·min-1、载气0.7 L·min-1、池气体6.0 mL·min-1、池电压-21 V、能量过滤器7.0 V、雾室温度5 ℃。31种化学元素标准曲线的线性关系良好（R≥0.999 31），茶叶标准物质中各元素测定值均符合GBW 10016（GSB-7茶叶）标准值的质量控制范围。

1.4 数据处理

通过Excel 2010 对数据进行统计分析；采用SPSS 26.0软件进行差异分析、主成分分析（principal component analysis，PCA）和逐步判别分析；采用SIMCA14.1软件进行偏最小二乘判别分析（partial least squares discriminant analysis，PLS-DA）和正交偏最小二乘判别分析（orthogonal partial least squares discriminant analysis，OPLS-DA）。

2 结果与分析

2.1 不同海拔区间福安大白茶中矿质元素和稀土元素的含量及差异

2.1.1 矿质元素 由表1可知，60份福安大白茶样品中16种矿质元素平均总含量为2.69×104mg·kg-1，LWT样品中矿质元素平均总含量（2.87×104mg·kg-1）极显著高于HWT（2.51×104mg·kg-1）（P＜0.01）。16种矿质元素含量差异较大，其中矿质元素中含量水平较高（＞300 mg·kg-1）的元素有Al、Ca、K、Mg、Mn、Na，这6种元素含量之和占矿质元素总量的99.35%，含量最高的为K元素（平均含量为2.00×104mg·kg-1），而重金属元素Pb 含量低于1.00 mg·kg-1，As、Cd、Hg含量低于0.30 mg·kg-1，均不高于现行标准中对茶叶这4种重金属元素的限量要求（分别≤2.0、1.0、5.0、0.3 mg·kg-1）。LWT样品中Ca、K、Mg元素含量极显著高于HWT样品（P＜0.01），LWT样品中Mn元素含量显著高于HWT样品（P＜0.05）；LWT样品中Na、As、Se、Sn、Cd元素含量极显著低于HWT样品（P＜0.01）。

表1 不同海拔福安大白茶的矿质元素含量Table 1 Contents of mineral elements in Fu’an big white tea at different altitudes/（mg·kg-1）

2.1.2 稀土元素 由表2可知，60份福安大白茶样品中15 种稀土元素平均总含量为1.62 mg·kg-1，LWT 样品中稀土元素平均总含量（1.42 mg·kg-1）极显著低于HWT（1.83 mg·kg-1）（P＜0.01）。稀土元素平均含量较高的为Ce、La、Y、Nd，这4种元素含量之和占15种稀土元素总量的92.40%（LWT）和91.70%（HWT）；无论是在LWT还是HWT均以Ce元素的含量最高。而且15种稀土元素含量在不同海拔样品中变化趋势一致，LWT样品低于HWT样品，说明稀土含量随原料采摘海拔升高呈递增趋势。同时，LWT、HWT 样品中轻稀土元素平均值含量均高于重稀土元素平均值含量，分别为1.29、1.61 和1.24×10-1、2.16×10-1mg·kg-1，LWT、HWT 样品中轻稀土含量分别占稀土总含量的90.84%和89.98%，说明福安大白茶具有富集轻稀土的特点。LWT样品中Ce、Y、La、Lu、Pr、Sm、Tb、Tm 元素含量极显著低于HWT样品（P＜0.01），LWT样品中Nd元素含量显著低于HWT样品（P＜0.05），其他6 种稀土元素含量在LWT 和HWT样品中的差异不显著（P＞0.05）；同时LWT样品中轻元素总含量极显著低于HWT 样品（P＜0.01），LWT 样品中重元素总含量显著低于HWT样品（P＜0.05）。

表2 不同海拔福安大白茶的稀土元素含量Table 2 Contents of rare earth elements in Fu’an big white tea at different altitudes/（mg·kg-1）

2.2 不同海拔区间福安大白茶中矿质元素和稀土元素含量的相关性

为进一步分析各元素含量之间的关系，对茶叶中矿质元素和稀土元素含量进行相关性分析，结果见图1，红色代表呈正相关，蓝色代表呈负相关，矩阵颜色越深则代表其相关性越显著，反之则相关性越低。福安大白茶在吸收无机元素时，Al除了与Ce呈极显著正相关外，与其他29 种元素均无相关性；Ca 除了与K、Mn、Cu 呈正相关外，与其余27 种元素呈负相关；K 除了与Mn、Mg、Zn、Ca 呈正相关外，与其余26 种元素呈负相关或无相关，且K 与Cu、Na、As、Cd、Se、Sn、Ce、Y、Lu、Tb 与Tm 两两之间呈极显著负相关，反映这些元素之间有着较强的拮抗作用；但大部分矿质元素如Al、Mg、Mn等3种矿质元素之间基本上无显著相关性，Al、Cu、Mg、Mn、Zn 等5 种矿质元素与15 种稀土元素无显著相关性。As、Cd、Hg、Pb、Se、Sn、Th 等7 种矿质元素与15 种稀土元素之间基本上互呈正相关，而且大部分呈极显著正相关，表明这些矿质元素与稀土元素之间存在较强的协同吸收作用。

图1 福安大白茶中矿质元素与稀土元素含量之间的相关性热图Fig.1 Correlation heat map of mineral elements content and rare earth elements in Fu’an big white tea

2.3 不同海拔区间福安大白茶中矿质元素和稀土元素含量的主成分分析

2.3.1 矿质元素 对不同海拔福安大白茶中16 种矿质元素含量进行主成分分析，结果见表3，共提取到6个特征值大于1的主成分，前6个主成分累计贡献率达到75.64%，能够代表16 种元素指标的大部分信息，可以用来进行综合评价。6 个主成分中，主成分1 主要与Fe、K、Mg、Zn 和Se 5 种元素相关，其方差贡献率为26.50%；主成分2 主要与Cu、Na、Sn 和Th 4 种元素相关，其方差贡献率为12.73%；主成分3主要综合了Ca、Mg、Mn 和Cd 4 种元素的信息，其方差贡献率为11.98%；主成分4 主要综合了As、Cd、Hg 和Sn 4 种元素的信息，其方差贡献率为10.18%；主成分5 主要综合了Pb元素的信息，其方差贡献率为7.83%；主成分6主要综合了Al元素的信息，其方差贡献率为6.42%。

表3 矿质元素的主成分贡献率Table 3 Principal components contribution rate of mineral elements

选择主成分1和主成分2的因子载荷值作图，如图2所示，横坐标代表主成分1的载荷值，纵坐标代表主成分2 的载荷值，成分因子载荷值的绝对值越大，代表元素的方差贡献率越大。如表3 所示，K、Zn 和Se 3 种元素对主成分1贡献较大，载荷值均大于0.7，而主成分2主要综合了Cu、Sn和Th的信息。根据前两个主成分的因子得分绘制散点图，如图2所示，在得分散点图上，存在LWT和HWT部分样品交织在一起，不易区分现象。

图2 不同海拔白茶中矿质元素主成分得分图Fig.2 PCA score plot of mineral elements in white tea at different altitudes

2.3.2 稀土元素 对不同海拔福安大白茶中15 种稀土元素进行PCA分析（表4），共提取到2个特征值大于1或接近于1的主成分，主成分1方差贡献率为87.26%，主成分2 方差贡献率为6.29%，前两个主成分累计贡献率达到93.55%，两个主成分能够代表15 种元素指标的大部分信息，可以用来进行综合评价。

表4 稀土元素的主成分贡献率Table 4 Principal components contribution rate of rare earth elements

选择主成分1和主成分2的因子载荷值作图，如图3所示，横坐标代表主成分1 载荷值，纵坐标代表主成分2 载荷值，成分因子载荷值的绝对值越大，代表元素的方差贡献率越大。如表4 所示，除了Ce 外，另外14 种稀土元素在主成分1 上载荷值较大，均大于0.7；主成分2 主要综合了Ce 的信息，其载荷值大于0.6。根据主成分1 和主成分2 的因子得分绘制散点图，LWT 和HWT 样品在得分散点图上存在大部分样品交织在一起，不易区分现象。

图3 不同海拔白茶中稀土元素主成分得分图Fig.3 PCA score plot of rare earth elements in white tea at different altitudes

2.4 不同海拔区间福安大白茶矿质元素和稀土元素含量的逐步判别分析

2.4.1 矿质元素 以16 种矿质元素作为指标元素，利用Fisher 函数对不同海拔福安大白茶进行逐步判别分析，当变量F值≥3.84 时该变量进入函数，当变量F值≤2.71 时该变量被剔除，最终筛选到对模型贡献较大的变量为Ca、K、Cd、Pb 和Sn，并且构建不同海拔区间福安大白茶矿质元素判别模型：

模型判别结果见表5，16 种矿质元素的整体初始判别准确率为91.7%，LWT 样品有4 份被判为HWT，HWT 样品仅1 份被误判为LWT，LWT 和HWT 初始判别率分别为86.7%和96.7%。结合“留一法”对样品进行交叉验证，整体初始判别准确率为88.3%，其中LWT和HWT 样品的正确判别率分别为83.3%和93.3%。上述结果表明，Ca、K、Cd、Pb和Sn 5种元素对福安大白茶2 个海拔区间判别效果较好，可作为区分不同海拔福安大白茶的特征矿质元素。

表5 不同海拔白茶中矿质元素的判别分析分类结果Table 5 Identification analysis and classification results of mineral elements in white tea at different altitudes/%

2.4.2 稀土元素 以15 种稀土元素作为指标元素，对不同海拔福安大白茶进行了逐步判别分析，最终筛选到对模型贡献较大的变量为Eu 和Tb，并且构建不同海拔区间福安大白茶稀土元素判别模型：

模型判别结果见表6，15 种稀土元素的整体初始判别准确率为91.7%，LWT和HWT初始判别率分别为93.3%和90.0%。结合“留一法”对样品进行交叉验证的整体初始判别准确率为91.7%，其中LWT 和HWT样品的正确判别率分别为93.3%和90.0%。说明Eu和Tb 两种元素对福安大白茶两个海拔区间的判别效果较好，可作为区分不同海拔福安大白茶的特征稀土元素。

表6 不同海拔白茶中稀土元素的判别分析分类结果Table 6 Identification analysis and classification of rare earth elements in white tea at different altitudes/%

2.4.3 特征化学元素 根据逐步判别分析筛选出7种特征差异元素，包括Ca、K、Cd、Pb 和Sn 等5 种矿质元素，Eu 和Tb 等2 种稀土元素。以上述7 种特征差异元素作为指标元素，对不同海拔区间福安大白茶进行判别分析，最终筛选到对模型贡献较大的变量为Cd、Pb、Eu和Tb，并且构建不同海拔区间福安大白茶稀土元素判别模型：

模型判别结果见表7，7 种特征化学元素初始的判别率正确率为98.3%，LWT和HWT样品的初始判别率正确率分别为96.7%和100.0%。结合“留一法”对样品进行交叉验证的整体初始判别准确率为96.7%，其中LWT和HWT样品的正确判别率均为96.7%。

2.5 不同海拔区间福安大白茶矿质元素和稀土元素含量的PLS-DA和OPLS-DA判别分析

为进一步探讨元素对不同海拔区间福安大白茶的区分效果，将16 种矿质元素、5 种特征矿质元素、15 种稀土元素、2 种特征稀土元素、矿质与稀土联合的7 种特征化学元素等分别作为指标元素，采用PLS-DA 和OPLS-DA 模型对数据共进行200 次随机置换试验，结果如图4 所示，Q2回归线与纵轴的交点均小于0，表明这两个判别模型不存在过度拟合现象，模型验证有效［26］。

图4 不同海拔白茶的PLS-DA和OPLS-DA交叉验证结果Fig.4 The result of PLS-DA and OPLS-DA cross-validation models for white tea at different altitudes

对60份不同海拔的样品进行PLS-DA和OPLS-DA判别分析，各类指标元素的得分散点图如图5 所示，图中一个圆点代表一个样品，同一种颜色圆点代表同一海拔区间的样品，聚合程度反映同一海拔区间样品间相似度。结果显示，PLS-DA 判别模型综合评价的3个指标，自变量拟合指数（the fit index of the argument variable，R2x）大小顺序为16 种矿质元素（0.432）＜5 种特征矿质元素（0.719）＜7 种特征化学元素（0.757）＜15种稀土元素（0.997）＜2 种特征稀土元素（1.000）；因变量拟合指数（fit index of dependent variable，R2y）大小顺序为5 种特征矿质元素（0.678）＜16 种矿质元素（0.702）＜2 种特征稀土元素（0.778）＜7 种特征化学元素（0.811）＜15 种稀土元素（0.837）；模型预测指数（model prediction index，Q2）大小顺序为16 种矿质元素（0.583）＜15 种稀土元素（0.589）＜5 种特征矿质元素（0.646）＜2 种特征稀土元素（0.727）＜7 种特征化学元素（0.732）。OPLS-DA 判别模型综合评价的3 个指标，R2x大小顺序为16种矿质元素（0.432）＜5种特征矿质元素（0.921）＜15种稀土元素（0.963）＜2种特征稀土元素（1.000）=7 种特征化学元素（1.000）；R2y大小顺序为16 种矿质元素（0.702）＜5 种特征矿质元素（0.709）＜2 种特征稀土元素（0.778）＜15 种稀土元素（0.787）＜7种特征化学元素（0.851）；Q2大小顺序为16种矿质元素（0.619）＜5种特征矿质元素（0.678）＜15种稀土元素（0.682）＜2 种特征稀土元素（0.734）＜7 种特征化学元素（0.807）。PLS-DA 和OPLS-DA 的Q2值均大于0.500，表明稀土元素和矿质元素可以对LWT 与HWT样品进行识别，而且采用2种特征稀土元素比15种稀土元素的识别效果更佳，采用5 种特征矿质元素比16 种矿质元素的识别效果更佳。采用矿质与稀土联合的7种特征化学元素作为判别指标（图5-A和B），不仅比单独使用5 种特征矿质元素的识别效果更佳，而且也比4种特征稀土元素的识别效果更佳，说明联合矿质与稀土的7种特征化学元素识别效果最佳。

图5 不同海拔白茶的PLS-DA和OPLS-DA判别分析结果Fig.5 Results of identification analysis of PLS-DA and OPLS-DA for white tea at different altitudes

3 讨论

3.1 福安大白茶中化学元素的内在品质关联

矿质元素和稀土元素对茶树的生理和生长、茶叶的营养品质有重要作用［27］，而且其含量要在合适范围内才能发挥有益作用［28］，Zn 元素被誉为“生命的火花”，当茶叶中Zn含量为20～65 mg·kg-1时，对人体健康有着重要的营养保健价值［29］。本研究中60 份福安大白茶中Zn 平均含量为52.7 mg·kg-1，符合最佳浓度标准值，说明福安大白茶可作为补Zn的营养源。福安大白茶中矿质元素和稀土元素含量最高的分别为K元素和Ce元素，这一结果与之前的大多数研究一致［30-31］。矿质元素中部分重金属元素会对人体产生毒害作用，本研究结果显示，福安大白茶中重金属元素As、Cd、Hg、Pb 含量均未超出国家相关限量值，同时该4 种重金属与15 种稀土元素含量之间大部分呈极显著正相关，存在较强的协同吸收作用。前人研究表明，施用适当浓度稀土能够促进植物对营养元素的吸收、转化和利用［32］。因此，在种植福安大白茶时为了减少茶叶对重金属As、Cd、Hg、Pb 的吸收，不建议施用含稀土元素的肥料。

3.2 不同海拔区间对福安大白茶中化学元素含量差异的影响

LWT 样品中的Na、As、Cd、Sn、Se 含量极显著低于HWT 样品，而K、Ca、Mg、Mn 含量却极显著或显著高于HWT 样品，这种差异是两组样品的整体特征的反映。由于本研究的样品均取自同一县域内同一品种，其茶园的农艺措施相近，因此造成差异的主要原因可能是土壤背景差异，由于不同海拔会导致空气散热速度、温度、湿度、降水量和日照量等生物气候差异，从而形成各种不同属性的土壤，土壤中元素的含量分布也会存在差异，福建省政和县地处中亚热带地区，不同海拔区间的土壤背景存在差异，低海拔茶园土壤以红壤为主，高海拔茶园土壤以黄壤、黄棕壤为主［33］，但前人研究也表明土壤与植物中化学元素含量并非全部都呈强正相关性［10］。造成不同海拔茶叶中化学元素含量差异的原因较复杂，后续建议对本研究中发现的不同海拔区间福安大白茶中部分元素含量呈显著差异的形成原因进行深入研究，以期为白茶品质提升及其原产地鉴别提供更全面的理论参考。

3.3 不同海拔区间对福安大白茶判别的影响分析

HWT、LWT 样品中Ca、K、Mg、Mn、Na、As、Se、Sn和Cd 等9 种矿质元素以及La、Tb、Tm、Y、Ce、Pr、Nd、Sm和Lu 等9 种稀土元素含量均存在极显著或显著差异，说明31 种化学元素中大部分化学元素在不同海拔样品中的含量存在极显著或显著差异。PCA可以区分组间差异较大、组内差异较小的样本，而HWT、LWT样品组内差异较大，但16 种矿质元素中有7 种元素组间无差异，15种稀土元素中有6种元素组间无差异，PCA 不能很好地区分不同海拔福安大白茶，需要进一步判别分离。逐步判别分析法引入判别能力强的变量并剔除判别能力弱的变量，筛选出越强的变量则判别效果越好。联合矿质元素与稀土元素组成的7 种特征化学元素的初始判别率正确率与15 种稀土元素的正确率相同，同时大于16种矿质元素的正确率；7种特征化学元素交叉验证的整体初始判别准确率不仅大于15 种稀土元素而且也大于16 种矿质元素的正确率，说明联合矿质元素与稀土元素比单独使用矿质元素或稀土元素的识别效果更佳，与马婉君等［34］的研究结果相似。Cd、Pb、Eu 和Tb 4 种元素对福安大白茶2 个海拔区间的判别效果最好，可作为区分不同海拔福安大白茶的最主要的特征化学元素。PLS-DA 和OPLS-DA 均是有监督的判别分析法，常用来处理更难的分类和判别问题，本研究中不同海拔福安大白茶OPLS-DA 较PLS-DA 得分图中的点聚集更明显、可视化效果更好，且判别预测指数值更高，这与OPLS-DA 在各种农产品的产地区分中普遍优于PLS-DA 和无监督PCA方法［35］的研究结果相似。

4 结论

本研究探明了福安大白茶在政和县2 个不同海拔区间下化学元素含量的变化特征，联合Ca、K、Cd、Pb、Sn 等5 种矿质元素和Eu、Tb 等2 种稀土元素，并结合Fisher 逐步判别分析和OPLS-DA 方法对不同海拔区间的福安大白茶判别效果较为理想，实现了小尺度空间内的白茶产地判别，确定了上述7 种元素是福安大白茶的特征化学元素。