陜南茶區土壤重金屬含量評價分析

趙 璇, 李新生,2,3, 趙佐平, 郭文伯, 米 桂, 付 靜,2

(1.陜西理工學院, 陜西 漢中 723000; 2.陜西省資源生物重點實驗室, 陜西 漢中 723000;3.陜西省黑色有機食品工程技術研究中心, 陜西 漢中 723000; 4.漢中市茶產業辦公室, 陜西 漢中 723000)

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陜南茶區土壤重金屬含量評價分析

趙 璇1, 李新生1,2,3, 趙佐平1, 郭文伯4, 米 桂1, 付 靜1,2

(1.陜西理工學院, 陜西 漢中 723000; 2.陜西省資源生物重點實驗室, 陜西 漢中 723000;3.陜西省黑色有機食品工程技術研究中心, 陜西 漢中 723000; 4.漢中市茶產業辦公室, 陜西 漢中 723000)

為了解陜南茶區土壤重金屬的含量特征及其污染現狀，對陜南漢中的31個茶區進行土壤樣品采集，分析了土壤中的Cu，Cd，Cr，Zn和Ni的含量以及土壤pH值。采用單因子指數法、綜合指數法以及潛在生態危害指數法對陜南茶區土壤重金屬污染進行評價。結果表明：茶區土壤pH值為4.32～6.66，主要呈酸性；Cu，Cd，Cr，Zn和Ni的平均含量分別為23.73 mg/kg，0.00 mg/kg，46.79 mg/kg，102.78 mg/kg和35.17 mg/kg。各重金屬含量均符合《土壤環境質量標準》(GB15618—1995)二級土壤標準。以陜西省土壤元素背景值作為評價標準，以單因子指數法、潛在生態危害指數法為評價方法，茶區土壤總體表現為安全清潔，均達到無公害、綠色食品產地環境土壤標準，大部分達到有機標準。

茶區; 土壤; 重金屬; 評價分析

茶葉(CamelliasinensisL.)，多年生常綠木本植物，山茶科、山茶屬灌木或小喬木，葉革質，長圓形或橢圓形，背面有短白色絨毛，花白色。我國有悠久的茶葉種植歷史，茶葉是我國特色經濟作物，其作為被大眾認可的一種健康飲料已有2 000多年的歷史[1]。陜西屬中國四大茶區中的江北茶區，漢中茶區一般在春至夏末期間采摘茶鮮葉制茶，主要產茶縣有南鄭、城固、鎮巴、西鄉、寧強等。重金屬指比重大于4.5 g/cm3以及在元素周期表中序數超過24的金屬元素[2-3]。土壤中的重金屬污染物一般不能被土壤中的微生物分解，且滯留時間長，在土壤環境中持續累積，可危害人體健康。其中Cu在一定含量范圍內可維持植物的正常生長發育，但植物所吸收的Cu超過一定限度時，植物的質量和產量就會明顯降低[4-5]。Cd是毒性較大的重金屬之一，其可刺激呼吸道并被人體吸收，對腎臟有明顯損害[6]。Cr分為三價鉻和六價鉻，其在植物中的含量超過一定限量之后，都可對植物株體造成一定損害，從而危害人體健康[7]。Zn是植物生長發育過程中的必要元素，其與葉綠素的合成有關，但過量的Zn會影響植物根系的生長，阻礙植物的正常生長發育，使植株地上部分壞死[8-9]。Ni過量會直接造成植物的損傷，影響植物的結實，從而使產量降低[10-11]。

隨著人們對食品質量安全關注度的提高，重金屬污染成為最受關注的食品質量安全指標。因此本文對陜南茶區的土壤重金屬進行含量檢測及污染評價，以期為陜西省茶區生態系統的保護以及陜西茶葉的質量控制提供科學依據。

1　材料和方法

采樣區位于陜西省漢中市，地處長江第一大支流漢江的源頭，北依秦嶺山脈，南至巴山，漢中盆地位于其間，城南有漢江穿流而過，屬亞熱帶氣候。漢中盆地平均海拔在500 m左右，而山體海拔500～3 000 m。茶園主要分布在南鄭、城固、鎮巴、勉縣、洋縣、寧強、略陽、西鄉，土壤pH值為4.32～6.66，偏酸性，適合茶樹生長，易于耕作。

1.2樣品采集及預處理

樣品于2014年4—6月采集，樣點主要分布于南鄭、城固、鎮巴、勉縣、洋縣、寧強、略陽、西鄉的茶園，每個采樣點均用GPS定位，并記錄采樣點周圍概況。采用4～7點混合取樣法，采樣深度為0—30 cm，后經自然風干，除雜后用木棒碾碎，過100目篩。參考農業標準(NYT 1377—2007)進行pH值的測定，參考國家標準(GBT 30376—2013)、國家標準(GBT 17138—1997)中所規定的濕法消解法進行土壤的消解。再用ICP-AES測定Cu，Cd，Cr，Zn，Ni全量。

1.3評價方法

以中國土壤背景值[12]、陜西省土壤背景值[12]以及土壤環境質量標準[13](GB 15618—2009)作為土壤重金屬的評價標準，采用單因子指數法、綜合指數法[14-16]以及潛在生態危害指數法[17]對茶園土壤重金屬污染水平及潛在生態危害進行分析評價。并以無公害食品茶葉產地環境條件[18]、綠色食品產地環境技術條件[19]為評價基礎，對漢中茶區體系進行評價分級。

單因子指數法計算公式為[20]：

2）PNCR系統：PNCR還原劑易吸潮，脫硝劑在輸送過程中易堵，造成物料輸送不連續、加藥量不精確；堵塞頻率與天氣、物料干燥度有關，出現過1 d多次堵料的情況。

Pi=Ci/C0i

(1)

式中：Ci——某種重金屬元素的測定值；C0i——某種重金屬元素的參比值；其中Pi≤1表示無污染，13表示重度污染。

綜合指數法計算公式為[21]：

(2)

式中：P——土壤綜合污染指數；Pn——土壤各單因子污染系數的平均值；Pmax——土壤各單因子污染系數中最大值；其中P≤1表示無污染，13表示重度污染。

潛在生態危害指數法的計算公式為[22]：

Eri=Tri(Ci/C0i)

(3)

R=∑Eri

(4)

式中：Eri——土壤中某種重金屬元素的潛在生態危害系數；Tri——某種重金屬的毒性相應系數(Zn=1

具體評價標準可參考表1。

表1　潛在生態危害指數評價標準

1.4數據處理

土壤重金屬含量分析與評價采用Excel 2007軟件處理。

2　結果與分析

2.1茶區土壤pH值

對采集的土壤樣品根據農業標準(NYT1377—2007)進行pH值的測定，各樣點pH值范圍為：4.32～6.66，平均值為5.53，屬于酸性土壤，有益于茶樹的生長，易于耕作。根據pH值數據可知，土壤環境質量標準(GB15618—1995)應選擇二級土壤環境質量標準值作為土壤環境質量標準限值背景值。

2.2茶區土壤干物質量

根據國家標準(GBT 8304—2002)對采集的茶區土壤樣品進行干物質量測定，干物質含量最大值為99.3%，最低值為92.7%。計算出干物質量，以便為后期重金屬含量的測定提供數據基礎。

2.3茶區土壤重金屬含量

研究區域土壤重金屬含量的參數統計見表2，各重金屬元素平均含量大小為：Cd

根據農業標準無公害茶葉產地環境條件，土壤環境質量標準限值可知，漢中整體茶區土壤Cu，Cd，Cr含量，均不超過限量標準。根據農業標準綠色食品產地環境條件，土壤環境質量標準限值可知，漢中茶區Cd，Cr含量均未超過到綠色食品產地土壤限量標準，部分地區Cu含量輕微過量。總體綜合來看，茶區土壤重金屬中Cu，Ni含量較高，并且均不含Cd。

表2　土壤重金屬背景值與測定值比較

注：ND表示未測出。

2.4茶區土壤重金屬污染評價

本試驗采用陜西省土壤重金屬背景值作為參比值，該背景值與中國土壤背景值和國家土壤環境質量二級標準相比，能夠更準確反映出陜南茶區土壤重金屬的含量。

由圖1可知，各單因子污染系數最大值中，Cu，Ni，Zn，Cr的單因子污染指數可達3.27，3.43，2.89以及1.59，表明部分地區的銅、鎳、鋅污染達到中度污染水平。如表3所示，茶區土壤各重金屬的平均單一污染系數表現為：Zn(1.39)>Cu(1.11)>Cr(0.77)>Ni(0.70)>Cd(0.00)，Zn，Cu表現為輕污染，其余3種重金屬表示為未污染。說明陜南茶園大部分地區土壤較清潔。

因茶區土壤中這5種重金屬富集程度的不同，所以單因子污染系數不能綜合表現土壤重金屬的污染程度，因此在單因子污染系數的基礎之上選擇綜合污染系數，該指標可完整、準確地反映出各重金屬污染物對土壤環境的綜合污染程度并突出高濃度污染物的影響。根據公式計算可得，P=2.09，因為綜合污染指數法主要突出高濃度污染物的作用，在土壤重金屬含量測定值高于背景值的前提下計算得出的污染指數較高[23-24]，因此該評價結果為輕微污染。

潛在生態危害指數法能夠綜合考慮各重金屬元素的濃度、毒性水平、生態敏感性以及協同作用[25]，考慮因素較全面。根據潛在生態危害指數法進行評價，結果表明(圖2)，茶區土壤重金屬元素的潛在生態風險指數范圍為：0.00～17.16，均遠低于40，表現為無污染安全清潔狀態。5種重金屬的平均潛在生態危害指數范圍為0.00～5.55，平均值為2.396，總體表現為輕微的生態危害，相比較下，Cu和Ni的潛在生態危害較大，其平均貢獻率分別為46.32%和29.21%。

表3　土壤重金屬污染系數

3　結 論

(1) 陜南茶區土壤重金屬含量與中國土壤背景值相比，Cu，Zn分別高于此背景值105.00%，138.51%，其余三個元素均低于此背景值；與陜西土壤背景值相比，除Cd，Cr含量低于該背景值外，其余Cu，Zn，Ni分別高于該背景值110.89%，148.10%，122.12%，且陜南茶區的重金屬含量均在土壤二級標準限值之內。

圖1　茶區土壤各重金屬單因子污染指數的分布

圖2　茶區土壤各重金屬潛在生態危害指數

(2) 潛在生態危害指數法評價結果表明，茶區土壤5種重金屬的平均潛在生態危害指數范圍為0.00～5.55，平均值為2.396，總體表現為輕微的生態危害，Cu和Ni是主要的污染因子和生態危害因子。

(3) 以農業標準無公害茶葉產地環境條件(NY 5020—2001)為評價依據，可知漢中茶區土壤整體可達無公害標準；以綠色食品產地環境條件(NY 391—2000)為依據可以看出，漢中茶區土壤Cd，Cr含量均可達到綠色食品產地土壤標準；有機產品標準規定土壤環境質量應符合土壤環境質量標準(GB15618)中的二級標準。整體說明漢中茶區土壤較清潔，且大部分地區符合有機種植要求，對于漢中進一步發展有機茶產業具有較大優勢。

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Assessment on Soil Heavy Metal Contents in Tea Plantation in Southern Shaanxi Province

ZHAO Xuan1, LI Xinsheng1,2,3, ZHAO Zuoping1, Guowen Bo4, MI Gui1, FU Jing1,2

(1.ShaanxiUniversityofTechnology,Hanzhong,Shaanxi723000,China; 2.ShaanxiKeyLaboratoryofBio-Resource,Hanzhong,Shaanxi723000,China; 3.ShaanxiProvinceBlackOrganicFoodEngineeringTechnologyResearchCenter,Hanzhong,Shaanxi723000,China; 4.HanzhongTeaIndustryOffice,Hanzhong,Shaanxi723000,China)

A total of 31 soil samples were colletcted in 31 tea plantations in the southern Shaanxi Province. Concentrations of heavy metals such as Cu, Cd, Cr, Zn and Ni, and the pH of soils, were measured．Single factor index, comprehensive index were used to assess the degree of heavy metal contamination, and the potential ecological risk index method was applied to evaluate the ecological risk of heavy metal contamination of soil in tea plantation. The results showed that the tea plantation soil was mainly acidic with a pH ranging from 4.32 to 6.66, the average concentrations of Cu, Cd, Cr, Zn and Ni were 23.73 mg/kg, 0.00 mg/kg, 46.79 mg/kg, 102.78 mg/kg and 35.17 mg/kg, respectively. Heavy metal concentrations in the tea plantation soil samples were all lower than the heavy metal limit values of the class Ⅱ environmental quality standard for soils in China (GB15618—1995). If the concentrations of soil heavy metals in Shaanxi Province was selected as the standard, it could be seen that the heavy metal pollution in tea plantation soil was generally low and posed low ecological risk, the soils all reached the standards of pollution-free， and most soils conformed to the organic standars.

tea plantation; soil; heavy metal; assessment

2015-09-19

2015-10-30

農業部農業環境重點實驗室項目(2015);漢中市茶葉分析檢測技術體系的研究(11JS031);陜西理工學院人才啟動項目(SLGQD13-17)

趙璇(1990—),女,陜西略陽人,碩士研究生,研究方向:植物資源學。E-mail:zxmm314@163.com

李新生(1956—),男,湖南衡陽人,教授,研究方向:生物資源開發應用。E-mail:lxs9@tom.com

趙佐平(1982—)男,陜西旬陽,博士,主要從事污染物遷移與調控研究。E-mail:zhaozuoping@126.com

X53

A

1005-3409(2016)03-0287-04