茶樹葉片鉛含量與茶樹葉片光譜反射率相關(guān)性研究

李 芬，金 娜，李 燕，李 梅，馬付婕，楊德龍，黃勇樺

(滇西應用技術(shù)大學普洱茶學院，云南普洱 665000)

我國是茶葉出口大國，茶葉是我國傳統(tǒng)出口的優(yōu)勢農(nóng)產(chǎn)品。茶葉富含茶多酚、氨基酸、維生素、生物堿和多種微量元素，是世界公認的天然健康飲料，受到世界各國人民的喜愛[1-2]。近年來，隨著人們對食品質(zhì)量安全問題的關(guān)注，茶葉中的重金屬污染成為茶葉衛(wèi)生安全的重要問題之一[3]。目前我國茶葉重金屬含量的檢測方法主要應用石墨爐原子吸收(GF-AAS)、電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜(ICP-AES)、電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS)等[4]。經(jīng)歷了從石墨爐原子吸收光譜儀進行單一元素檢測到電感耦合等離子質(zhì)譜儀多種元素同時檢測的發(fā)展歷程，但是，這些檢測方法需采集茶葉，將茶葉烘干、研磨、過篩、濕法或微波消解，再進行單一或者多種元素檢測，檢測精度高，但檢測步驟煩瑣、檢測成本高、耗時長，難以適應市場產(chǎn)品的現(xiàn)場抽查、生產(chǎn)企業(yè)自查及產(chǎn)品進出口快速通關(guān)的要求。因此，在茶葉重金屬檢測方面，市場迫切需要一種能夠應用小型便攜儀器進行簡單實時快速監(jiān)測的方法。

地物光譜儀是利用波段寬度<10 mm的電磁波從研究對象上獲取系列數(shù)據(jù)，它融合了成像技術(shù)和光譜技術(shù)[5-6]，即在保存數(shù)據(jù)的同時產(chǎn)生一條完整而連續(xù)的光譜曲線。植物間化學和形態(tài)的不同導致不同植物對光譜的反射也不同，通過地物光譜儀獲取的植物信息可以反映植物的發(fā)育及健康狀況。因此在實際研究中可根據(jù)目標，選擇合適的光譜波段，獲取詳細、精確的植物光譜信息。環(huán)境中的污染物能夠?qū)е轮参锏娜~面結(jié)構(gòu)、葉綠素含量及植株結(jié)構(gòu)發(fā)生相應的改變，從而引起植物光譜特征的改變。換言之，在重金屬污染脅迫下，其光譜反射特性會發(fā)生變化，污染越重，變化越大。因而從理論上，只要選擇適當?shù)牟ǘ危涂扇〉醚芯繉ο笤谥亟饘傥廴久{迫下的詳細而精確的光譜信息，能用于原位無損、快速檢測重金屬含量。

目前國內(nèi)外基于地物光譜儀研究多集中在葉綠素、氮含量、磷含量、含水量、葉面積指數(shù)、纖維素、淀粉和植被的分類識別以及估測反演等方面，有良好的精度[7-9]，如王紀華等[10]研究小麥含水量和光譜特征的關(guān)系，反演出水分估算模型。但利用茶樹光譜特征定量測定茶樹重金屬元素含量，分析其相關(guān)性研究至今鮮見報道。因此，該研究選擇市區(qū)綠化帶、市區(qū)公園茶園和郊區(qū)茶園3個區(qū)域的茶園茶樹為研究對象，應用便攜式地物光譜儀獲取茶葉光譜信息，同時用ICP-MS測定茶葉中鉛含量，探討鉛含量與光譜特征信息的相關(guān)關(guān)系，反演出檢測茶葉鉛含量的估算模型，實現(xiàn)應用地物光譜儀檢測茶葉中重金屬鉛元素含量的目的，為茶葉的優(yōu)質(zhì)高效生產(chǎn)提供理論和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況及其樣品采集研究區(qū)域位于云南省某市，于2020年6—8月采摘公路綠化帶、市區(qū)公園茶園和郊區(qū)茶園3個地區(qū)的云南大葉種茶樹群體種中的勐海種茶葉的1芽1葉、2葉、3葉、4葉、5葉和6葉，共18個樣品。采集到的樣品用蒸餾水洗滌洗去葉片表面的大氣灰塵顆粒物，并在冷凍干燥機中冷凍干燥至恒重，用研缽研磨過孔徑為0.074 mm的篩子待測。

1.2 室內(nèi)樣品Pb含量的測定稱取0.1 g的普洱茶葉粉末放進特氟龍材質(zhì)的瓶子，加5 mL工藝超純硝酸(國藥集團化學試劑有限公司，純度為65%～68%)，并將瓶子放進不銹鋼高壓密閉罐中，擰緊并置于電熱恒溫干燥箱中120 ℃加熱12 h。取出冷卻后，特氟龍瓶子放置在帶孔電熱板上加熱揮發(fā)干硝酸，然后加3 mL的超純H2O2，并再次放進電熱恒溫干燥箱中于80 ℃加熱6 h。消解液采用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS，型號Agilent HPLC 1290-7700x,USA)進行測定。

1.3 野外高光譜數(shù)據(jù)獲取采用美國Analytical Spectral Device Inc (ASD)公司的ASD FieldSpec 4光譜儀獲取野外高光譜數(shù)據(jù)。該儀器能夠捕獲可見、近紅外和短波紅外光譜。測量時選擇晴天太陽光照穩(wěn)定時段，風力小于3級，以減少陰影和強烈反射體的影響，平均氣溫26 ℃。光譜測量和茶樹葉片采集時間為2020年7月15日10：30—12：30。測量光譜葉片光譜數(shù)據(jù)時，儀器探頭垂直向下，每次數(shù)據(jù)采集前都進行標準白板校正。光譜曲線見圖1，市區(qū)綠化帶、市區(qū)公園茶園和郊區(qū)茶園分別記為 SQLHD、SQGYCY和JQCY，1芽1葉、2葉、3葉、4葉、5葉和6葉分別標為1.asd.ref、2.asd.ref、3.asd.ref、4.asd.ref、5.asd.ref和6.asd.ref，不同區(qū)域葉片的反射光譜曲線的波形基本相似。

圖1 不同區(qū)域葉位數(shù)為5的葉片在350～2 500 nm處的反射率

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2016、SPSS 19.0和Origin 8.5進行統(tǒng)計分析。光譜圖片采用儀器自帶軟件View SpecPro進行分析繪制。茶樹葉片重金屬Pb元素含量與800 nm 波長處的反射率線性相關(guān)性采用Origin 8.5的Analysis-Fitting-linear Fit線性擬合分析，P<0.05表示顯著線性相關(guān)。

2 結(jié)果與分析

2.1 最佳光譜因子的確定從市區(qū)綠化帶、市區(qū)公園茶園和郊區(qū)茶園茶樹葉片不同葉位800 nm左右波長處光譜反射率(圖2～4)可以看出，葉位數(shù)與茶樹光譜的反射率呈現(xiàn)統(tǒng)一的變化趨勢，隨著葉位數(shù)增加，茶樹光譜的反射率增加。因此，選擇800 nm波長為茶樹最佳光譜因子波長。

圖2 市區(qū)綠化帶780～940 nm處不同葉位反射率

圖3 市區(qū)公園茶園775～830 nm處不同葉位反射率

圖4 郊區(qū)公園茶園792～810 nm處不同葉位反射率

2.2 茶樹葉片Pb含量、800 nm波長處反射率與葉位數(shù)相關(guān)性分析市區(qū)綠化帶、市區(qū)公園茶園和郊區(qū)茶園葉片重金屬Pb含量、800 nm波長處光譜反射率與葉位數(shù)曲線擬合分析顯示(表1、圖5)，Pb元素隨著葉位數(shù)的增加有增加的趨勢，其決定系數(shù)(R2)分別為0.02(P=0.35)、0.36(P=0.12)和0.79(P=0.01)。800 nm波長處光譜反射率隨著葉位數(shù)的增加有增加的趨勢，其決定系數(shù)(R2)分別為0.79(P=0.01)、0.96(P<0.01)和0.78(P=0.01)。

圖5 茶樹葉片Pb含量、800 nm波長處反射率隨著葉位變化特征

采樣的3個區(qū)域茶葉重金屬Pb元素在葉片中的含量為0.134～0.843 μg/g，這與Zhang等[11]采集貴州省普安縣茶園中茶葉樣品中的重金屬含量一致,且低于國家食品安全標準(GB 2762—2017)[12]和茶葉重金屬含量限量標準(NY/T 288—2018[13]、NY 659—2003[14]) 限量要求。因此認為在公路綠化帶、市區(qū)公園和郊區(qū)茶園中的云南大葉種茶樹葉片隨著葉位數(shù)的增加重金屬Pb含量表現(xiàn)出富集的現(xiàn)象，但飲用1芽1～6葉茶葉，重金屬Pb含量仍屬安全范圍。茶樹葉片生長年齡的增加不僅延長了葉對各類重金屬的暴露時間，而且葉的生理特征也會發(fā)生改變。一方面，茶樹植株為了解毒將有毒重金屬結(jié)合在含 C、N、S 的大分子有機物上，其發(fā)生遷移的趨勢遠不如其他營養(yǎng)元素[15]，使得有毒重金屬固定積累在植物的某些組織中，故隨著重金屬的暴露時間越長，其含量可能就越高。這可能是該研究中隨著葉位數(shù)的增加，茶葉中有毒重金屬Pb元素增加的原因。而3個采樣區(qū)域重金屬Pb含量差異性不明顯，可能與禁止使用含Pb汽油有關(guān)。國家有關(guān)部門規(guī)定，從2001年7月1日起，在全國禁止使用含鉛汽油，全面推廣使用無鉛汽油。

采樣的3個區(qū)域茶葉800 nm波長處光譜反射率為0.405～0.978，且隨著葉位數(shù)的增加，光譜反射率有增加的趨勢(表1和圖5)。這可能與茶樹葉片生理生化及重金屬含量的變化有關(guān)。

2.3 茶樹800 nm波長處光譜反射率與Pb含量線性相關(guān)擬合方程為了利用茶樹的光譜測量推斷其重金屬含量，將不同葉位數(shù)茶樹葉片重金屬Pb含量與800 nm波長處光譜反射率進行線性擬合。市區(qū)綠化帶、市區(qū)公園茶園和郊區(qū)茶園茶樹葉片重金屬Pb含量與800 nm波長處光譜反射率曲線擬合分析顯示(圖6)，其線性擬合方程分別為y=1.65x-0.52(R2=0.37，P=0.12)、y=0.25x+0.04(R2=0.47，P=0.07)和y=1.50x-0.92(R2=0.37，P=0.12)。

圖6 茶樹葉片Pb含量與800 nm波長處反射率擬合曲線

國內(nèi)外學者在利用光譜技術(shù)檢測其他方式脅迫下生理生化指標含量方面開展了大量工作，Yu等[16]通過采集7種病害脅迫下大麥樣本的高光譜數(shù)據(jù)，建立葉綠素含量的定量模型，模型的系數(shù)分別達到0.84和0.81。許凱雯[17]檢測病害侵染大麥過程中的葉綠素a、葉綠素 b、丙二醛和抗壞血酸含量變化，發(fā)現(xiàn)4種組分與侵染時間顯著相關(guān)，并建立4種生理生化指標的可見近紅外光譜的特征波長模型，預測集的決定系數(shù)均在0.66以上。Li等[18]研究了不同鹽脅迫水平對蓖麻子幼苗葉片葉綠素、丙二醛和脯氨酸的影響，以及光譜特征參數(shù)與蓖麻子幼苗葉片生理之間的關(guān)系。而該研究的重金屬Pb含量與800 nm波長處光譜反射率呈線性相關(guān)，模型的擬合系數(shù)為0.37～0.47。

3 結(jié)論

(1)市區(qū)綠化帶、市區(qū)公園茶園和郊區(qū)茶園茶茶樹葉片重金屬Pb含量隨著葉位數(shù)的增加有增加的趨勢，可能與葉片在空氣中的暴露時間及植物重金屬解毒機制有關(guān)；同時，800 nm波長處光譜反射率隨著葉位數(shù)的增加有增加的趨勢，茶樹葉片的光譜反射率可能與茶樹的生理生化特征有關(guān)。

(2)市區(qū)綠化帶、市區(qū)公園茶園和郊區(qū)茶園茶茶樹葉片重金屬Pb含量與800 nm波長處光譜反射率呈線性相關(guān)，其線性擬合方程分別為y=1.65x-0.52(R2=0.37，P=0.12)、y=0.25x+0.04(R2=0.47，P=0.07)和y=1.50x-0.92(R2=0.37，P=0.12)。茶樹的光譜信息與茶樹葉片的生理生化特性有關(guān)，且茶樹的高光譜特征間接反映茶樹葉片重金屬的含量。