武夷山公路邊茶園重金屬分布及風險評價

廖素蘭， 翁器林， 林維晟， 林福良， 陳碧云， 趙泰霞， 王飛權

(1.武夷學院茶與食品學院，福建武夷山 354300； 2.武夷學院信息技術與實驗室管理中心，福建武夷山 354300； 3.福建省生態產業綠色技術重點實驗室，福建武夷山 354300；4.武夷山茗蘭茶業研究所，福建武夷山 354300； 5.中國烏龍茶產業協同創新中心，福建武夷山 354300)

茶因其具有降火名目、消食去膩、寧心除煩、生津止渴等保健功能，符合現在人們的養生理念，越來越受到人們的喜歡。當前，我國茶葉的產量、在國內的銷售、茶葉的出口都屬于歷史高峰期[1-2]。隨著武夷巖茶知名度的提高[3]，武夷山地區掀起了種茶熱潮。隨著茶葉種植面積的擴張，茶葉品質問題愈加嚴峻。茶葉的質量問題不僅會阻礙我國茶葉出口，更重要的是會影響人們的身體健康。有關報道顯示，有4個因素影響茶葉質量：重金屬、農藥殘留、微生物的影響、非茶異類的影響[4]。因重金屬極易在土壤中積累且難降解，土壤是植物之本，因此茶葉中重金屬的主要來源是土壤，部分來源是其他的外環境。武夷巖茶種植面積逐漸增大，有部分茶區分布在道路兩旁，而汽車尾氣含有一定的重金屬，隨著大氣的沉降影響道路兩旁的農作物[5]。路邊土壤中的重金屬濃度受土壤特性、交通量和氣象條件等的影響[6]。

國內外在茶區土壤重金屬分布及累積等方面已有較多研究[7-15]，對武夷山茶園土壤重金屬含量、形態及監測評價等研究也有報道[11，14-15]，對路邊茶區重金屬分布和茶鮮葉重金屬及道路對茶區重金屬及茶鮮葉重金屬影響等方面的研究有重要意義[5]。本研究通過對武夷山茶葉主產區南源嶺、南岸、黃柏村、曹墩4個地方路邊茶區茶鮮葉及土壤中鉻(Cr)、鎳(Ni)、銅(Cu)、鋅(Zn)和鉛(Pb)含量的測定，分析茶區茶鮮葉及土壤中Cr、Ni、Cu、Zn和Pb含量與道路遠近的相關性；以及茶鮮葉中Cr、Ni、Cu、Zn和Pb含量與土壤中這些金屬含量的相關性；嫩葉中與老茶葉中Cr、Ni、Cu、Zn和Pb含量的相關性及這些金屬在茶葉中的流動性及積累性。通過茶鮮葉中重金屬含量的分析可以更好地了解目前茶鮮葉的重金屬含量狀況，通過對茶葉重金屬含量相關因素的分析可以更好地控制這些有害因素，從而更好地保證茶葉的質量，也為我國公路沿線的茶園生產布局及公路交通導致的重金屬污染防治提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于武夷山茶葉主產區——星村鎮、興田鎮、武夷街道中具有代表性的南源嶺、南岸、黃柏村、曹墩共4個茶產地的公路邊茶園，南源嶺位于武夷山風景名勝區邊緣地帶，公路等級為省道，通過車輛主要是客車和小汽車，車流量大；南岸公路等級為縣道，通過車輛主要是工程車和小汽車，車流量大；黃柏村位于武夷山風景名勝區邊緣地帶，公路等級為鄉道，通過車輛主要是小汽車，車流量一般；曹墩位于武夷山自然保護區邊緣地帶，公路等級為鄉道，通過車輛主要是小汽車，車流量少。受地形影響，茶園與公路距離及茶園面積大小略有不同。

1.2 樣品采集

南源嶺分別選取距公路(S205)平行距離分別為5、50、100、150 m的4個單元，每個單元在距公路平行帶隨機取5個采樣點，每個采樣點分別采集嫩葉、老葉及對應的土壤(嫩葉為1芽2梢的地方、老葉為茶樹上除1芽2梢外其他較成熟的茶葉、采集0～20 cm深度的土壤)，土壤采集時避開施肥溝，靠近茶樹根部，老葉、嫩葉、土壤樣品采集量大約1 kg。南岸(X806)、黃柏村(Y215)采樣地點選取距公路平行距離為15、50、100、150 m的4個單元。曹墩(Y238)采樣地點分別距公路平行距離為5、50、100、150、300 m 共5個單元。南岸、黃柏村、曹墩采樣方法與南源嶺采樣方法一致。采樣時間為2014年4—5月。

1.3 樣品制備與測試

每個單元5個采樣點的鮮(嫩、老)茶葉混勻為1個鮮(嫩、老)茶葉樣，鮮茶樣用自來水輕柔洗凈，然后用超純水洗滌3次，165 ℃烘5 min，攤涼，后80 ℃烘至足干，按四分法縮分、研磨，過100目篩，備用。每個單元的5個采樣點揀出碎石、沙礫、植物殘體，并壓碎及翻動處理后的土樣進行混勻，合并為1個土壤樣品，土壤樣品在室內通風處風干，按四分法縮分，研磨，過100目篩，備用。

茶葉樣品及土壤樣品的化學分析按照相應的國家標準執行完成，主要包括5種重金屬Cr、Ni、Cu、Zn和Pb含量的測定。所有樣品均平行測量3次，并用國家標準土樣監控樣品分析質量水平，加標回收率控制在90%～110%，試驗過程中試劑均為優級純，水均為超純水。

1.4 評價方法

1.4.1 綜合污染指數法 采用單項污染指數法和綜合污染指數法相結合評價茶園土壤重金屬污染現狀。土壤內梅羅綜合污染指數是一種目前應用較多的多因子環境質量指數，其在加權過程中避免了權系數中主觀因素的影響[14]。

Pi=Ci/Si。

(1)

(2)

式中：Pi為第i種污染物指數值，Pi≤1為非污染，13為重度污染，Pi值越大表示受到的污染越嚴重；Ci為第i種污染物的測定值；Si為第i種污染物的評價標準值；P為綜合污染指數；(Pi)max為土壤中最大污染物的單因子指數；(Pi)ave為土壤中各污染指數平均值。采用有機茶產地環境條件限值進行評定。

1.4.2 潛在生態危害指數法 采用目前重金屬風險評價中應用最廣的Hakanson潛在生態危害指數法(RI法)，該方法綜合考慮環境化學、生態學、生物毒理學、各重金屬的毒性及多元素的協同作用等方面的內容，并以區域背景值為基準進行比較，可綜合反映區域重金屬對生態環境的影響潛力[16-18]。

(3)

(4)

表1 內梅羅污染指數與潛在生態風險指數分級

2 結果與分析

2.1 公路邊茶園茶鮮葉及土壤重金屬含量特征

從表2可以看出，從茶鮮葉測試結果的平均值來看，除黃柏、曹墩嫩葉中的Cu以及南源嶺、南岸茶老葉中的Pb超過有機茶限量標準[25]但未超過食品茶葉中限量標準[26]，其余均未超過有機茶及食品茶葉中限量標準，表明研究區茶鮮葉總體比較安全。從土壤測試結果的平均值來看，除南源嶺Cu含量超過有機茶產地環境條件值[27]，其余均未超過有機茶產地環境條件及茶葉產地環境技術標準[28]；除曹墩Pb及Zn、南源嶺及黃柏Cu含量超過國家土壤環境的Ⅰ級標準值[29]，其余均未超過國家土壤環境的Ⅰ級、Ⅱ級標準[29]及荷蘭土壤環境質量標準值[30]；曹墩Pb、Cu及Zn，南源嶺、南岸Cr及南源嶺、黃柏Cu含量超過福建省及中國土壤背景值[19，31]，其中Cr和Cu的平均值相對較高，分別是福建省背景值的1.47～1.98倍和1.81～4.05倍，表明研究區可能受不同程度的Cr和Cu污染，其余均未超過背景值。另外，變異系數(CV)從側面反映了土壤重金屬距離公路不同距離的區域差異性，Pb的變異系數基本在20%以上，其中40%以上占一半，Cr的變異系數基本30%以上，其中45%以上占大部分，說明Cr、Pb區域差異性較明顯，個別地區的Pb變異系數達63.00%、Cr的變異系數達84.80%，屬高度變異，表明這2種金屬元素的離散程度較高，區域差異明顯，Ni變異系數大部分在14.50%～30.00%之間，說明Ni區域差異性中等，Zn變異系數大部分在20%以下且近一半在10%以下，Cu變異系數大部分在10%以下，可見Zn區域差異性中等偏弱，Cu區域差異性弱。同種元素空間分異和同區域內距離公路不同距離含量的差異的現象除與污染源分布有關外，還與氣候、成土母質、地型特征、灌溉、施肥等多種因素有關[15]。

2.2 離公路遠近對茶鮮葉及土壤中重金屬含量的影響及相關因素分析

從圖2-A南岸可看出，隨著離公路距離的增加，土壤、茶葉中Pb含量逐漸減少，此結果與周陽靖等的研究結果一致[32-33]。在南岸這一茶區公路的距離對茶園土壤、茶葉中Pb含量影響較大，可能原因是汽車尾氣含有一定量的Pb，在南岸茶區沒有明顯的樹木隔離茶區與公路，車流量也較多，使得這一茶區受汽車尾氣影響較大。南源嶺及曹墩土壤中Pb含量先增大后減少，其原因可能是這些地方有樹木擋住公路與茶區或這些地方有較少的大型車輛經過。黃柏土壤中Pb含量先迅速減小后緩慢增加，可能還受當地局部氣候、地形地貌、綠化帶和耕作管理等綜合因素的影響[6]。由表2可知，土壤中Pb含量平均值，曹墩>黃柏>南源嶺>南岸，南岸整體土壤Pb含量較其他3個區域低，可能與土壤母質及耕作管理方式差異有關。從圖2-A可以看出，嫩葉中的Pb含量整體比老茶葉少，說明Pb在茶葉中不可移動，表現出一定的積累性；土壤Pb含量遠遠大于嫩葉及老茶葉中的Pb含量，而且茶葉中Pb含量波動幅度比其對應土壤的Pb含量波動幅度小，這說明茶葉對于土壤中Pb有其自身吸收范圍[34]。由表2可知，老茶葉中Pb含量表現為南岸>南源嶺>黃柏≈曹墩，可能主要受汽車尾氣影響，南岸、南源嶺車流量較大，黃柏、曹墩車流量小；嫩葉中Pb含量表現為曹墩>南岸>黃柏>南源嶺，可能是土壤母質及耕作管理方式的差異及周圍環境綜合作用結果。

表2 武夷山公路邊茶鮮葉及土壤重金屬含量

由圖2-B可知，距公路遠近對于土壤Cu含量有一定的影響，與Fakayode等報道的重金屬含量隨著距公路距離的增加呈指數形式下降，Cu在距公路50 m處基本達到背景值水平[35]不同，南岸是隨著離公路距離的增加，土壤Cu含量先增加后下降，在100 m處達最大值，可能Cu主要來自剎車里襯的機械磨損，此處工程車較多，影響較大。而南源嶺、黃柏區域Cu隨著距公路距離的增加變化較小，曹墩茶區隨距公路距離的增加層波浪式上升，可能是因為曹墩位于武夷山自然保護區邊緣地帶，公路等級為鄉道，通過車輛主要是小汽車，車流量少，影響較小，主要與土壤耕作管理方式的差異有關。此外，距公路距離的遠近對茶葉中Cu含量沒有明顯的影響，這與石元值等研究結果[5]基本一致，隨著距公路距離的增加，嫩葉中Cu含量輕微下降，而老葉中Cu含量基本保持不變，嫩葉中Cu含量大于老茶葉中Cu含量，這說明隨著茶葉生長，Cu在茶葉中表現出一定的移動性。嫩葉中Cu含量不僅高于老茶葉，有些地方嫩葉中Cu含量甚至還高于土壤的Cu含量，這說明在嫩葉發芽時，Cu這一元素會向嫩葉運移以滿足其生長需要，而在嫩葉生長成老葉的過程中Cu會部分流失。此外，這4個地方嫩葉、老葉中Cu含量與土壤中Cu含量沒有明顯的相關性，可能是因為茶葉對土壤中Cu的吸收有一定量，茶葉中Cu會隨著茶葉的生長而流失。

由圖2-C可知，距公路遠近對茶葉及土壤中Ni含量有一定的影響；劉世梁等研究認為農田土壤重金屬含量隨距離公路增加逐漸降低，而自然土壤中，變化趨勢呈波動趨勢[36]，但本研究結果與之不同。土壤中Ni含量是先增大后減小或趨于平緩；嫩葉中Ni含量基本上比老茶葉含量低，說明Ni在茶葉生長過程中有一定的積累性；茶葉中Ni含量和土壤中Ni含量沒有明顯的相關性，但兩者間略有影響；在南源嶺及南岸這2個采樣單元土壤中Ni的檢出量較低，但茶葉中的Ni含量并沒有達到最低值，說明茶葉Ni含量不僅和土壤中Ni含量有關，還和其他外環境相關。從表2可知，土壤中Ni含量是曹墩>黃柏>南源 嶺> 南岸，而茶嫩葉與老葉中Ni含量表現一致，是南源嶺>曹墩>南岸>黃柏，可見茶鮮葉中Ni含量可能是土壤中Ni含量差異及周圍環境車流量等綜合作用的結果；各茶場土壤中Ni含量平均值均低于福建省土壤背景值，南源嶺和南岸低于植物生長>10 mg/kg的要求，各茶區的Ni儲量范圍變化較大，有些樣點的Ni含量過低，為了茶樹的正常生長，建議施用適量Ni肥。

由圖2-D可知，公路遠近對茶葉及土壤中Cr含量有一定的影響，南源嶺、黃柏隨距公路距離的增加Cr含量先增加后減小；但曹墩和南岸在距公路越遠土壤中Cr含量越高，這可能是因為汽車尾氣或輪胎摩擦中含Cr的影響，也可能還受土壤中金屬含量具有一定的地域差異性影響。土壤中Cr含量遠遠大于茶鮮葉中Cr含量，且在土壤中Cr含量的波動幅度大于茶鮮葉中的波動幅度，這說明茶葉對土壤中重金屬元素Cr的吸收有其自身吸收范圍[34]。土壤中Cr含量的變化與茶鮮葉中Cr的變化趨勢有一定的相似，這說明茶鮮葉中Cr含量與土壤中Cr含量有一定的相關性。嫩葉Cr含量比老葉少，這說明Cr會隨著茶葉的生長在茶葉中積累。由表2可知，土壤中Cr含量表現為南源嶺>南岸>黃柏>曹墩，老葉中Cr含量表現為黃柏>南源嶺>南岸>曹墩，嫩葉中Cr含量表現為黃柏>南源嶺>曹墩>南岸，除黃柏的茶鮮葉外，土壤及茶鮮葉中Cr含量呈南源嶺>南岸和曹墩，可能是土壤母質及耕作管理方式的差異及周圍環境車流量等綜合作用結果。黃柏茶鮮葉中Cr含量在研究的4個地方中最高，可能是施加葉面肥或農藥等原因影響。

交通中產生的Zn主要來源于汽車輪胎的磨損，由圖2-E可知，茶區距公路遠近對茶嫩葉中Zn含量有一定的影響，而對老茶葉中Zn含量影響很小，除南源嶺外，其余3個茶區嫩葉中Zn含量基本隨距高速公路距離的增加而減小。與郭廣慧等[6，35，37]研究結果：土壤中Zn含量隨距高速公路距離的增加而降低不同，在所研究范圍內除黃柏外，其余3個茶區土壤中Zn含量隨距高速公路距離的增加而略增，可能與土壤本身背景值差異有關。茶鮮葉中Zn含量與土壤中Zn含量之間并沒有明顯的相關性，說明茶葉中Zn含量不僅受土壤中Zn含量的影響，其還受到其他外環境的影響；茶嫩葉中Zn含量比茶老葉的多，這說明嫩葉在生長過程中Zn元素會部分流失。由表2可知，4個茶區土壤中Zn含量是曹墩>南源嶺>黃柏>南岸，但老茶葉中4個采樣點Zn含量基本一致，而嫩葉中的Zn含量與土壤中Zn含量大小順序不同，是南源嶺>南岸>黃柏>曹墩，說明車流量對嫩葉中的Zn含量有一定影響，可能因為Zn大部分來源于葉片對大氣中重金屬的吸收，車流量較大路邊茶區嫩葉中的Zn含量也相對較大，此結果與馮金飛的結果[38]一致。

2.3 風險評價結果

2.3.1 土壤重金屬綜合污染指數 采用茶葉產地環境技術條件限值進行評定。所研究茶園土壤均屬于未污染，安全等級。采用有機茶產地環境條件限值進行評定。從表3單項污染指數來看，曹墩距公路距離50 m處的Pb單項污染指數和南源嶺距公路距離5～150 m Cu單項污染指數及50、100 m處的Cr單項污染指數均處于1與2之間，存在輕度污染；其余地方土壤樣品未受到Pb、Cr、Cu污染。從表1和表3可知，茶園土壤綜合污染指數存在明顯的區域差異，南源嶺>曹 墩> 黃柏>南岸。南源嶺茶園土壤污染最嚴重，均屬于輕污染等級。黃柏距公路距離15 m處為警戒線等級。曹墩距公路距離50～150 m處為警戒線等級。雖然南岸車流量較大，但氮土壤綜合污染指數最小，或與其土壤本底值較小有關，但從結果來看，除黃柏距公路距離15 m處土壤綜合污染指數相對較高外，所有茶園距公路距離50或100 m處土壤綜合污染指數相對較高，距離公路較近和較遠處茶園土壤相對安全。因此，應警惕茶園距公路距離50或100 m附近茶園中Pb、Cr、Cu污染。

2.3.2 土壤重金屬潛在生態風險評價 結合表1與表3可知，公路邊各茶園Ni的風險等級輕微，屬于輕微生態危害；曹墩距公路距離5～150 m處的Pb風險等級為中等，屬于中等生態危害，其余茶園風險等級輕微；Cu在南岸的風險等級低，在曹墩、黃柏的風險等級中等， 在南源嶺除距公路距離50 m處的的風險等級很強，其余強；Cr除在南源嶺距公路距離 50 m 處的風險等級中等，屬于中等生態危害外，其余風險等級輕微；Zn在南源嶺除距公路距離150 m處和曹墩的風險等級中等，其余茶園風險等級輕微。因此，應警惕部分茶園距公路不同距離中Pb、Cr、Cu和Zn含量，特別是Cu元素的潛在生態風險。

表3 路邊茶園土壤單項污染、內梅羅污染、單項潛在生態風險及綜合潛在生態風險指數

由表3可知，綜合潛在生態風險評價指數區域差異明顯，南源嶺>曹墩>黃柏>南岸。結合表1可知，南岸和黃柏距公路不同距離綜合潛在生態風險等級輕微；曹墩距公路距離50～150 m處及南源嶺距公路不同距離綜合潛在生態風險等級中等。各茶園總體上，距公路較近5、15 m及較遠 150 m 及以上茶園土壤的綜合潛在生態風險危害小于50～150 m處。

土壤重金屬綜合污染指數與土壤重金屬潛在生態風險評價的結果大體一致，略微差異可能由2種評價采用的參照標準及評價方法不同。

3 結論

距公路距離及車流狀況對茶園茶鮮葉中Cr、Pb含量影響最大，其次是Zn、Ni，而Cu幾乎不受影響，對土壤中Pb、Cr含量影響最大，其次是Ni、Cu、Zn。每個茶區每種金屬含量比較接近，但各個地方的金屬含量具有差異性，可看出土壤及茶鮮葉中金屬含量存在地域差異。茶鮮葉中Pb、Cr含量與土壤中含量有明顯的相關性，而茶鮮葉中Ni、Zn、Cu等金屬含量與土壤中的含量沒有表現出明顯的相關性。

采用茶葉產地環境技術條件限值進行評定。所研究茶園土壤均屬于未污染，安全等級。采用有機茶產地環境條件限值進行評定，應警惕茶園距公路距離50或100 m附近茶園中Pb、Cr和Cu污染。以福建省土壤背景值為參照，應警惕部分茶園距公路不同距離中Pb、Cr、Cu和Zn含量，特別是Cu元素的潛在生態風險。各茶園總體上，距公路較近的5、15 m及較遠的150 m及以上茶園土壤的綜合潛在生態風險危害小于50～150 m處。隨著工業化進程的深入，農村城鎮化進程的加快，三廢排放量的日益增加，農藥、化肥的濫用，須加強茶園的保護。建議茶園建設在距公路距離150 m外或車流量較少并增設隔離帶的地方，多施用天然的有機肥料等措施，以減少重金屬在茶鮮葉及土壤中的積累。