基于聚類分析法的茶園巖石-土壤-茶葉中物質(zhì)分布及關(guān)鍵地化組分

謝萌麗，常 河*，張 昊，周曉華，楊天福，龍 坤

1.昆明理工大學(xué) 國(guó)土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650221；2.云南新意科技有限公司,云南 昆明 650051；3.云南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局 中心實(shí)驗(yàn)室/自然資源部 昆明礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測(cè)中心，云南 昆明 650217

茶是世界上最受歡迎的非酒精飲料之一，具有降血糖、降血脂、抗氧化等功效[1-3]。云南大葉種茶是典型的高原特色農(nóng)作物之一，云南雙江縣冰島村是大葉種茶的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)區(qū)。無(wú)機(jī)礦物元素和有機(jī)化學(xué)成分構(gòu)成了茶葉的物質(zhì)基礎(chǔ)，并在一定程度上影響茶葉的品質(zhì)。研究表明，不同施肥處理對(duì)茶園養(yǎng)分及茶葉品質(zhì)影響較大[4-5]。茶葉主要通過(guò)吸收富集的方式從土壤中獲取礦物質(zhì)等，而土壤中的礦物成分主要與其發(fā)育所在的基巖有密切關(guān)系。吳榕榕等[6]在研究古茶樹(shù)立地環(huán)境的地球化學(xué)特征時(shí)發(fā)現(xiàn)，土壤中主量、微量元素含量大小特征與成土基巖相似，且Se元素同等程度富集；駱新崢等[7]研究發(fā)現(xiàn)，‘鐵觀音’有機(jī)茶園的土壤中約2.23%的稀土元素遷移至茶葉中；黃華斌等[8]通過(guò)研究巖石、土壤和茶葉中元素的配分模式，總結(jié)出元素在體系內(nèi)繼承性明顯的特點(diǎn)；Tao等[9]研究發(fā)現(xiàn)，土壤有機(jī)質(zhì)會(huì)影響As、Pb等重金屬元素在土壤和茶葉中的分布和遷移。在巖石-土壤-茶葉體系中，針對(duì)礦質(zhì)元素的遷移富集已展開(kāi)大量研究，但關(guān)于茶園地質(zhì)背景影響茶葉品質(zhì)的關(guān)鍵地球化學(xué)因子方面卻鮮有報(bào)道。

聚類分析法已廣泛應(yīng)用于地質(zhì)數(shù)據(jù)的處理和整合[10]。目前，聚類分析多用于茶葉的產(chǎn)地溯源[11-13]、茶葉品種之間相關(guān)性[14-16]、茶園土壤分級(jí)[17-18]，明顯缺乏對(duì)樣品多指標(biāo)之間的統(tǒng)計(jì)分析和內(nèi)在聯(lián)系的深入挖掘，阻礙了對(duì)茶園種植管理方面的調(diào)控。本文在雙江冰島茶園內(nèi)系統(tǒng)采集巖石、土壤和茶葉樣品，檢測(cè)各樣品中礦物元素和有機(jī)成分含量，采用R型逐步聚類法分析樣品中元素和有機(jī)成分的聚類特征，總結(jié)茶園地質(zhì)背景影響茶葉品質(zhì)的關(guān)鍵地球化學(xué)因子，為冰島茶的推廣開(kāi)發(fā)和資源保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

冰島茶園位于云南省臨滄市雙江縣，主要包括南迫、冰島老寨、地界、壩歪、糯伍五寨，屬亞熱帶山地季風(fēng)氣候，干濕季分明，年平均氣溫18℃，年平均日照時(shí)間2 400 h，山區(qū)年平均降水量1 800 mm，地勢(shì)西北高、東南低，海拔1 600～2 000 m。

研究區(qū)內(nèi)廣泛出露古生代瀾滄群變質(zhì)巖系地層a段與b段地層及三疊紀(jì)酸性花崗巖侵入體。a段主要巖性為片巖、變粒巖夾石榴石片巖；b段主要巖性為石英片巖、石榴石片巖、變粒巖、角閃斜長(zhǎng)巖及石榴石巖（富含鐵質(zhì)）。巖石風(fēng)化后形成土壤，土壤類型以黃棕壤、紅壤為主。冰島茶園的地質(zhì)背景簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 冰島茶園地質(zhì)背景簡(jiǎn)圖Figure 1 Geological background of Bingdao tea garden

1.2 樣品采集及預(yù)處理

以地質(zhì)層為劃分依據(jù)選擇采樣點(diǎn)，分別采集18份巖石樣品、27份土壤樣品和8份茶葉樣品。其中，土壤樣品中包含表層土和深層土，8份茶葉樣品、16份土壤樣品和8份巖石按剖面自下而上采集，其余樣品用于定性參照。巖石樣品用地質(zhì)錘鑿開(kāi)，選擇新鮮巖塊。為避免金屬元素污染，采集土壤樣品時(shí)用塑料鏟。土壤樣品由多個(gè)子樣混合組成，約1.5 kg。茶葉樣品采集選擇嫩葉。

巖石樣品用蒸餾水洗凈后烘干研磨至顆粒直徑小于2 mm進(jìn)行下一步分析；土壤樣品置于干凈陰涼通風(fēng)處至干燥，用橡膠錘或木棒碾壓，剔除碎石塊、草根等雜物，過(guò)2 mm孔徑尼龍篩，過(guò)篩的樣品用塑封袋封裝編號(hào)，并選取其中四分之一用瑪瑙研缽研磨，過(guò)150目尼龍篩用于元素測(cè)定分析；茶葉樣品用蒸餾水洗凈晾干稱重，用鼓風(fēng)干燥器80℃烘干至恒重，瑪瑙研缽研磨后稱重待測(cè)。

1.3 樣品測(cè)試

巖石樣主測(cè)N、P、K、F、Si、Al、Ca、Mg、Na、I、B、Sn、As、Ge、Hg、Se、Mo、Cd、Cs、Tl、Pb、Th、Ba、Co、Cr、Cu、Mn、Ni、Rb、Sr、Ti、V、Zn和Sc共34種元素；土壤樣與巖石樣測(cè)試元素相同，另測(cè)土壤有機(jī)物；茶葉樣除N元素外，其他測(cè)試元素與巖石相同，另測(cè)咖啡堿、兒茶素、茶氨酸、可可堿、茶堿、茶多酚、多糖等有機(jī)物。

34種元素由多種方法測(cè)定，電感耦合等離子體質(zhì)譜法（ICP-MS）測(cè)定Cd、Cu、Pb、Ni、Co、V、Zn、I、Tl、Mo、N、K、Si、Ca、Cs、Th，試樣通過(guò)濃鹽酸-濃硝酸-氫氟酸-過(guò)氧化氫微波高壓密閉消解，冷卻定容后測(cè)定；電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法（ICP-AES）測(cè)定Mn、Ba、P、Mg、B、Sn、Cr；原子熒光光譜法（AFS）測(cè)定As、Hg、Se、Ge；X-射線熒光光譜法測(cè)定Ti、Al、Na；離子選擇電極法測(cè)定氟化物。采用高質(zhì)量的去離子水用于清洗玻璃器皿，制備標(biāo)品和稀釋樣品等。

土壤有機(jī)質(zhì)測(cè)定采用容量法。稱取風(fēng)干試樣0.05～0.50 g于試管中，加入10 mL的0.4 mol/L重鉻酸鉀-硫酸溶液搖勻，放置190℃的油浴鍋內(nèi)，使試管液面低于油面，等油浴溫度下降至175℃左右、試管中的溶液沸騰時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，5 min后取出冷卻，試管內(nèi)溶液和沖洗液并入250 mL三角瓶中，總體積控制在50～60 mL，加3滴鄰菲咯啉指示劑，用硫酸亞鐵標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定后計(jì)算。

茶葉中有機(jī)物的測(cè)定：采用高效液相色譜法測(cè)定茶葉中咖啡堿、茶氨酸、茶堿和可可堿的含量；HPLC法測(cè)定茶葉中兒茶素含量；分光光度法測(cè)定茶葉中茶多酚含量；流程均為先制作標(biāo)準(zhǔn)工作液，再進(jìn)行樣品試液制備，注入不同的儀器中，制作標(biāo)準(zhǔn)曲線，進(jìn)行色譜測(cè)定。茶葉中的茶氨酸則是通過(guò)測(cè)定吸光度A來(lái)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線用于計(jì)算。

3. ?ber-iyen bodo, teɡebel du tai 你自己想想，這樣，對(duì)你是有好處的！)

1.4 數(shù)據(jù)處理

R型逐步聚類法主要針對(duì)指標(biāo)的分類，聚類結(jié)果繪制出的譜系圖可直觀地了解指標(biāo)之間的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)（R）為1、0、-1時(shí)分別表示最正相關(guān)、無(wú)相關(guān)性和最負(fù)相關(guān)[19-21]。本文數(shù)據(jù)處理分別采用軟件Microsoft Excel 2019進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，SPSS進(jìn)行R型逐步聚類，CorelDRAW 2020軟件對(duì)圖形進(jìn)一步繪制加工。由于本次研究樣品量大、指標(biāo)過(guò)多，省略原始數(shù)據(jù)直接展示元素聚類聯(lián)結(jié)結(jié)果。

2 結(jié)果與討論

2.1 茶園-巖石

2.1.1 巖石元素主要聚類特征

冰島茶園巖石樣品主要為片巖、石英巖、千枚巖、糜棱巖、閃長(zhǎng)巖和花崗巖。將不同類型的巖石礦質(zhì)元素進(jìn)行聚類，可揭示冰島茶園地質(zhì)背景的基本特點(diǎn)。巖石全量物質(zhì)逐步聚類分析結(jié)果如表1所示。

表1 冰島茶園巖石全量物質(zhì)含量逐步聚類分析元素聯(lián)結(jié)表Table 1 Element linking in the stepwise cluster analysis of the total substance content in the rocks of Bingdao tea garden

其中，R最大值為0.997 9，最小值為-0.589 7，R＞ 0占整體的84.85%，R＜ 0僅占15.15%，表明冰島茶園巖石所含的元素之間正相關(guān)性較強(qiáng)。V、Hg、Ca和Co四種元素的連接順序分別為1、12和18；Sc、Mo、Cu、Sr和Na五種元素的連接順序?yàn)?、10、17和19，均位于前列。由此可得冰島茶園巖石地球化學(xué)元素主要聚類特征：以V-Hg-Ca-Co元素組合和Sc-Mo-Cu-Sr-Na元素組合為主。

2.1.2 巖石元素譜系圖分析

巖石元素譜系圖見(jiàn)圖2。為便于分析，取相關(guān)系數(shù)R=-0.25，可將巖石中的元素劃分為3類：①Th-Si-Ba-Al-Ti-Ge-Mn-I；②Cd-N-Tl-K-Zn-Se-Cr-Mg-Rb-Sn；③V-Hg-Ca-Co-Ni-B-Cs-P-Sc-Mo-Cu-Sr-Na-Pb-F-As。組內(nèi)元素之間存在著密切的相關(guān)關(guān)系，組間為輕度負(fù)相關(guān)。

圖2 冰島茶園巖石（基巖）全量物質(zhì)含量逐步聚類分析譜系圖Figure.2 Gradual cluster analysis pedigree of total material content in rocks of Bingdao tea garden

綜上，①組元素可能與巖漿巖活動(dòng)有關(guān)；②組元素與巖性和變質(zhì)作用有關(guān)；③組元素與高溫?zé)嵋鹤饔糜嘘P(guān)。該地區(qū)位于斷裂帶上，經(jīng)歷了不同程度的溫壓變質(zhì)作用，構(gòu)造演化復(fù)雜[28-29]。

2.2 茶園-土壤

2.2.1 土壤元素和有機(jī)質(zhì)主要聚類特征

土壤是地質(zhì)背景與植物之間聯(lián)系的橋梁，是由巖石風(fēng)化而來(lái)，繼承了母巖中的元素含量及特征[30]。由于茶葉的生長(zhǎng)依賴于土壤條件，所以土壤也會(huì)將地質(zhì)環(huán)境的部分特點(diǎn)傳遞給茶葉；而茶樹(shù)的生長(zhǎng)也會(huì)影響到土壤性狀，比如隨著茶樹(shù)種植年限的增長(zhǎng)茶園土壤會(huì)逐漸酸化[31]。土壤全量物質(zhì)逐步聚類分析結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 冰島茶園土壤全量物質(zhì)含量逐步聚類分析元素聯(lián)結(jié)表Table 2 Element linking in the stepwise cluster analysis of the total substance content in the soil of Bingdao tea garden

由表2結(jié)果可知，R最大值為0.821 4，最小值為-0.807 1，R＞ 0占整體的73.53%，R＜ 0占26.47%，土壤樣物質(zhì)之間正相關(guān)性略弱于巖石樣，負(fù)相關(guān)性略強(qiáng)于巖石樣。其中，Si、F、有機(jī)質(zhì)三者的連接順序分別為1和4；Ge、Na、Th三元素的連接順序?yàn)?和5；Cd、As、Mo三元素的連接順序?yàn)?和7。可以得出冰島茶園土壤元素和有機(jī)物的主要聚類特征：以Si-F-有機(jī)質(zhì)組合、Ge-Na-Th元素組合及Cd-As-Mo組合為主。

2.2.2 土壤元素和有機(jī)質(zhì)譜系圖分析

結(jié)果如圖3所示。與巖石R值取值保持相同，當(dāng)相關(guān)系數(shù)R=-0.25時(shí)可將冰島茶園土壤中的物質(zhì)劃分為3類：①Ge-Na-Th-Ba-Ti-V-Zn-Sr-Rb-Cr-Co；②Se-Hg-Si-F-有機(jī)質(zhì)-Pb-K-Cd-As-Mo-Sc-Mn-Cu-Mg-Ni；③Sn-B-I-Tl-Cs-Al-NCa-P。組內(nèi)元素之間存在著密切的相關(guān)關(guān)系，組間為輕度負(fù)相關(guān)。

圖3 冰島茶園土壤全量物質(zhì)含量逐步聚類分析譜系圖Figure 3 Gradual cluster analysis pedigree of total substance content in soil of Bingdao tea garden

①組中Ba-Zn-Sr為表生酸性環(huán)境中活動(dòng)性較強(qiáng)的元素組合，酸性土壤有利于土壤Zn含量的增加；Ba-Zn-Sr-Ge-Rb-V組合與前人研究的變質(zhì)巖風(fēng)化而來(lái)的土壤特征相符[32]；Ge-Th-Ba-Ti元素組合繼承了巖石中的狀態(tài)。該組元素在土壤酸性環(huán)境下活動(dòng)性較強(qiáng)。②組中Mo元素在氧化環(huán)境中遷移能力會(huì)增強(qiáng)；有機(jī)物和Fe、Mn高價(jià)氧化物對(duì)Mo有較強(qiáng)的吸附和沉淀作用；Pb元素與有機(jī)質(zhì)和鐵錳膠體的吸附作用以及有機(jī)質(zhì)的還原作用有關(guān)；As易存在于硫化物和有機(jī)質(zhì)中，易于在還原環(huán)境且富含有機(jī)質(zhì)土層底部富集；As-Mo-Cu具有相同表生地球化學(xué)性質(zhì)；Si與有機(jī)物在土壤中為顯著正相關(guān)。該組分類依據(jù)為氧化還原反應(yīng)引起的相關(guān)性。③組中Sn、Tl、Cs、Al、P均屬于在表生酸性環(huán)境中活動(dòng)性較低的元素，因此該組元素在酸性表生環(huán)境中活動(dòng)性較弱。

2.3 茶園-茶葉

2.3.1 茶葉中元素和有機(jī)物的主要聚類特征

土壤的元素組成直接影響植物的多元素組成[33]。茶葉中礦質(zhì)元素的穩(wěn)定性高于茶多酚、茶氨酸、多糖等有機(jī)物質(zhì)。茶葉的全量物質(zhì)含量逐步聚類分析結(jié)果見(jiàn)表3。其中，R最大值為0.999 998，最小值為-0.415 050，R＞ 0占整體的94.87%，R＜ 0占5.13%，茶葉樣品中的元素和有機(jī)物之間相關(guān)性極強(qiáng)，聚類明顯，這與植物的生長(zhǎng)特性密切相關(guān)。可總結(jié)出冰島茶園茶葉中元素和有機(jī)物的主要聚類特征：以V-氟化物-茶氨酸-Cs-Sc-P-Mo-Cu和As-K-Hg-Mn-Tl-B-茶堿組合為主。

表3 冰島茶園茶葉全量物質(zhì)含量逐步聚類分析元素聯(lián)結(jié)表Table 3 Element linking in the stepwise cluster analysis of the total substance content of tea in Bingdao tea garden

2.3.2 茶葉中元素和有機(jī)物譜系圖分析

當(dāng)取相關(guān)系數(shù)R=-0.25時(shí)可將冰島茶園茶葉中的物質(zhì)劃分為2類（圖4）：①Ge-可可堿-Zn-Ca-Cr-Si-As-K-Hg-Mn-Tl-B-茶堿-Cd-I-Ti-多糖-Th-Sr-兒茶素-Ni-Na-Se-Ba和②Pb-Al-茶多酚-咖啡堿-Co-Rb-Sn-Mg-V-氟化物-茶氨酸-Cs-Sc-P-Mo-Cu，組內(nèi)元素之間存在著密切的相關(guān)關(guān)系，組間為輕度的負(fù)相關(guān)。

圖4 冰島茶園茶葉全量物質(zhì)含量逐步聚類分析譜系圖Figure 4 Gradual cluster analysis pedigree of total substance content of tea in Bingdao tea garden

已有研究發(fā)現(xiàn)，茶葉中金屬元素K-Hg-Cr-Tl-Mn-Cd-Zn-Ni與茶園土壤pH值呈現(xiàn)一定程度負(fù)相關(guān)，茶園土壤pH值降低會(huì)導(dǎo)致茶葉中重金屬含量增多，且茶葉中的Mn會(huì)與Ca發(fā)生置換作用[27,34]。Mg-茶多酚-茶氨酸與茶園土壤pH值呈顯著正相關(guān)，土壤pH值增加有利于茶多酚和茶氨酸的積累；同時(shí)，茶氨酸與土壤pH值和K呈正相關(guān)，土壤中的K和Cu分別促進(jìn)茶氨酸和咖啡堿的合成，而Ni對(duì)茶多酚的積累具有抑制作用[35]。由此可以總結(jié)，使茶葉中物質(zhì)聚為兩類的主要原因是土壤pH值和其他理化性質(zhì)，①組是抑制作用下的，②組是促進(jìn)作用下的。

2.4 茶園巖石-土壤-茶葉中礦質(zhì)元素和有機(jī)物的關(guān)鍵組分

巖石風(fēng)化成壤，土壤元素物質(zhì)含量主要受控于成土母巖[36]；而土壤的風(fēng)化淋濾和茶葉的吸收代謝則是組成茶葉內(nèi)在品質(zhì)的重要過(guò)程。總結(jié)冰島茶園巖石-土壤-茶葉中的元素和有機(jī)物分布特征于表4。結(jié)果可知，Th-Ba-Ti-Ge、Cd-K-Se-Mg和Ca-B-Cs-P三組元素是冰島茶園巖石-土壤-茶葉體系中的重要組分，與其地質(zhì)背景（巖性組成、構(gòu)造活動(dòng)、變質(zhì)作用）密不可分。

表4 巖石-土壤-茶葉體系內(nèi)元素和有機(jī)物的分布特征Table 4 Distribution characteristics of elements and organic matter in rock-soil-tea system

冰島茶園的地質(zhì)環(huán)境為茶葉的生長(zhǎng)提供了優(yōu)質(zhì)基礎(chǔ)條件。Ge、B元素對(duì)人體有益，可促進(jìn)血液循環(huán)；Mg是葉綠素的重要無(wú)機(jī)元素，會(huì)影響茶的湯色[37]；Se可以提高茶鮮葉品質(zhì)；K能有效促進(jìn)茶葉氨基酸的合成，增強(qiáng)酶活性，提高茶樹(shù)抗逆性，還可以增強(qiáng)茶葉的香氣；P可提高茶葉中茶多酚的含量；Ca是茶葉生長(zhǎng)所必須的營(yíng)養(yǎng)元素[38-39]。Ba是土壤地質(zhì)中的重要元素，多用于產(chǎn)地判別[40]；過(guò)量的Cd會(huì)傷害茶葉葉片超微結(jié)構(gòu)，對(duì)細(xì)胞的毒害具有明顯的累積效應(yīng)，施用有機(jī)肥，阻止土壤酸化，可減少Cd的產(chǎn)生[41-42]。綜上，冰島茶園所生長(zhǎng)出的茶葉中所含有益元素居多，品質(zhì)上佳。

3 結(jié)論

綜上可獲得如下結(jié)論：

（1）冰島茶園地質(zhì)背景為茶樹(shù)提供了優(yōu)質(zhì)的生長(zhǎng)環(huán)境，使茶葉中營(yíng)養(yǎng)元素豐富，影響茶葉品質(zhì)的關(guān)鍵地球化學(xué)組分為：Th-Ba-Ti-Ge、Cd-K-Se-Mg和Ca-B-Cs-P。

（2）物質(zhì)相關(guān)性由大到小的順序?yàn)椋翰枞~、巖石、土壤。茶葉中的物質(zhì)從土壤提供后還會(huì)由內(nèi)部激素進(jìn)行自我調(diào)節(jié)，因此物質(zhì)之間相關(guān)性較強(qiáng)；地質(zhì)構(gòu)造演變會(huì)影響巖石中的物質(zhì)含量；土壤中的物質(zhì)即巖石風(fēng)化而來(lái)，又會(huì)受溫度濕度等因素改變理化性質(zhì)，還會(huì)受到茶葉生長(zhǎng)的影響，因此物質(zhì)之間相關(guān)性較茶葉和巖石略弱。

（3）R型逐步聚類法分析詳細(xì)且準(zhǔn)確，能夠?qū)r石-土壤-茶葉各自的聚類特征和內(nèi)在聯(lián)系展現(xiàn)出來(lái)，從地質(zhì)角度探討地質(zhì)背景對(duì)茶葉的影響，為其他農(nóng)產(chǎn)品的地質(zhì)背景調(diào)查奠定了基礎(chǔ)。