基于聚類分析法的茶園巖石-土壤-茶葉中物質分布及關鍵地化組分

謝萌麗，常 河*，張 昊，周曉華，楊天福，龍 坤

1.昆明理工大學 國土資源工程學院，云南 昆明 650221；2.云南新意科技有限公司,云南 昆明 650051；3.云南省地質礦產勘查開發局 中心實驗室/自然資源部 昆明礦產資源監督檢測中心，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作物之一，云南雙江縣冰島村是大葉種茶的優質產區。無機礦物元素和有機化學成分構成了茶葉的物質基礎，并在一定程度上影響茶葉的品質。研究表明，不同施肥處理對茶園養分及茶葉品質影響較大[4-5]。茶葉主要通過吸收富集的方式從土壤中獲取礦物質等，而土壤中的礦物成分主要與其發育所在的基巖有密切關系。吳榕榕等[6]在研究古茶樹立地環境的地球化學特征時發現，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]研究發現，‘鐵觀音’有機茶園的土壤中約2.23%的稀土元素遷移至茶葉中；黃華斌等[8]通過研究巖石、土壤和茶葉中元素的配分模式，總結出元素在體系內繼承性明顯的特點；Tao等[9]研究發現，土壤有機質會影響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，針對礦質元素的遷移富集已展開大量研究，但關于茶園地質背景影響茶葉品質的關鍵地球化學因子方面卻鮮有報道。

聚類分析法已廣泛應用于地質數據的處理和整合[10]。目前，聚類分析多用于茶葉的產地溯源[11-13]、茶葉品種之間相關性[14-16]、茶園土壤分級[17-18]，明顯缺乏對樣品多指標之間的統計分析和內在聯系的深入挖掘，阻礙了對茶園種植管理方面的調控。本文在雙江冰島茶園內系統采集巖石、土壤和茶葉樣品，檢測各樣品中礦物元素和有機成分含量，采用R型逐步聚類法分析樣品中元素和有機成分的聚類特征，總結茶園地質背景影響茶葉品質的關鍵地球化學因子，為冰島茶的推廣開發和資源保護提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

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，屬亞熱帶山地季風氣候，干濕季分明，年平均氣溫18℃，年平均日照時間2 400 h，山區年平均降水量1 800 mm，地勢西北高、東南低，海拔1 600～2 000 m。

研究區內廣泛出露古生代瀾滄群變質巖系地層a段與b段地層及三疊紀酸性花崗巖侵入體。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、角閃斜長巖及石榴石巖（富含鐵質）。巖石風化后形成土壤，土壤類型以黃棕壤、紅壤為主。冰島茶園的地質背景簡圖如圖1所示。

圖1 冰島茶園地質背景簡圖Figure 1 Geological background of Bingdao tea garden

1.2 樣品采集及預處理

以地質層為劃分依據選擇采樣點，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。巖石樣品用地質錘鑿開，選擇新鮮巖塊。為避免金屬元素污染，采集土壤樣品時用塑料鏟。土壤樣品由多個子樣混合組成，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進行下一步分析；土壤樣品置于干凈陰涼通風處至干燥，用橡膠錘或木棒碾壓，剔除碎石塊、草根等雜物，過2 mm孔徑尼龍篩，過篩的樣品用塑封袋封裝編號，并選取其中四分之一用瑪瑙研缽研磨，過150目尼龍篩用于元素測定分析；茶葉樣品用蒸餾水洗凈晾干稱重，用鼓風干燥器80℃烘干至恒重，瑪瑙研缽研磨后稱重待測。

1.3 樣品測試

巖石樣主測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；土壤樣與巖石樣測試元素相同，另測土壤有機物；茶葉樣除N元素外，其他測試元素與巖石相同，另測咖啡堿、兒茶素、茶氨酸、可可堿、茶堿、茶多酚、多糖等有機物。

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

土壤有機質測定采用容量法。稱取風干試樣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，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開始計時，5 min后取出冷卻，試管內溶液和沖洗液并入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，用硫酸亞鐵標準溶液滴定后計算。

茶葉中有機物的測定：采用高效液相色譜法測定茶葉中咖啡堿、茶氨酸、茶堿和可可堿的含量；HPLC法測定茶葉中兒茶素含量；分光光度法測定茶葉中茶多酚含量；流程均為先制作標準工作液，再進行樣品試液制備，注入不同的儀器中，制作標準曲線，進行色譜測定。茶葉中的茶氨酸則是通過測定吸光度A來繪制標準曲線用于計算。

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

1.4 數據處理

R型逐步聚類法主要針對指標的分類，聚類結果繪制出的譜系圖可直觀地了解指標之間的相關性，相關系數（R）為1、0、-1時分別表示最正相關、無相關性和最負相關[19-21]。本文數據處理分別采用軟件Microsoft Excel 2019進行統計，SPSS進行R型逐步聚類，CorelDRAW 2020軟件對圖形進一步繪制加工。由于本次研究樣品量大、指標過多，省略原始數據直接展示元素聚類聯結結果。

2 結果與討論

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、閃長巖和花崗巖。將不同類型的巖石礦質元素進行聚類，可揭示冰島茶園地質背景的基本特點。巖石全量物質逐步聚類分析結果如表1所示。

表1 冰島茶園巖石全量物質含量逐步聚類分析元素聯結表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性較強。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為3、10、17和19，均位于前列。由此可得冰島茶園巖石地球化學元素主要聚類特征：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

巖石元素譜系圖見圖2。為便于分析，取相關系數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。組內元素之間存在著密切的相關關系，組間為輕度負相關。

圖2 冰島茶園巖石（基巖）全量物質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有關；②組元素與巖性和變質作用有關；③組元素與高溫熱液作用有關。該地區位于斷裂帶上，經歷了不同程度的溫壓變質作用，構造演化復雜[28-29]。

2.2 茶園-土壤

2.2.1 土壤元素和有機質主要聚類特征

土壤是地質背景與植物之間聯系的橋梁，是由巖石風化而來，繼承了母巖中的元素含量及特征[30]。由于茶葉的生長依賴于土壤條件，所以土壤也會將地質環境的部分特點傳遞給茶葉；而茶樹的生長也會影響到土壤性狀，比如隨著茶樹種植年限的增長茶園土壤會逐漸酸化[31]。土壤全量物質逐步聚類分析結果見表2。

表2 冰島茶園土壤全量物質含量逐步聚類分析元素聯結表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%，土壤樣物質之間正相關性略弱于巖石樣，負相關性略強于巖石樣。其中，Si、F、有機質三者的連接順序分別為1和4；Ge、Na、Th三元素的連接順序為2和5；Cd、As、Mo三元素的連接順序為3和7?？梢缘贸霰鶏u茶園土壤元素和有機物的主要聚類特征：以Si-F-有機質組合、Ge-Na-Th元素組合及Cd-As-Mo組合為主。

2.2.2 土壤元素和有機質譜系圖分析

結果如圖3所示。與巖石R值取值保持相同，當相關系數R=-0.25時可將冰島茶園土壤中的物質劃分為3類：①Ge-Na-Th-Ba-Ti-V-Zn-Sr-Rb-Cr-Co；②Se-Hg-Si-F-有機質-Pb-K-Cd-As-Mo-Sc-Mn-Cu-Mg-Ni；③Sn-B-I-Tl-Cs-Al-NCa-P。組內元素之間存在著密切的相關關系，組間為輕度負相關。

圖3 冰島茶園土壤全量物質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為表生酸性環境中活動性較強的元素組合，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巖風化而來的土壤特征相符[32]；Ge-Th-Ba-Ti元素組合繼承了巖石中的狀態。該組元素在土壤酸性環境下活動性較強。②組中Mo元素在氧化環境中遷移能力會增強；有機物和Fe、Mn高價氧化物對Mo有較強的吸附和沉淀作用；Pb元素與有機質和鐵錳膠體的吸附作用以及有機質的還原作用有關；As易存在于硫化物和有機質中，易于在還原環境且富含有機質土層底部富集；As-Mo-Cu具有相同表生地球化學性質；Si與有機物在土壤中為顯著正相關。該組分類依據為氧化還原反應引起的相關性。③組中Sn、Tl、Cs、Al、P均屬于在表生酸性環境中活動性較低的元素，因此該組元素在酸性表生環境中活動性較弱。

2.3 茶園-茶葉

2.3.1 茶葉中元素和有機物的主要聚類特征

土壤的元素組成直接影響植物的多元素組成[33]。茶葉中礦質元素的穩定性高于茶多酚、茶氨酸、多糖等有機物質。茶葉的全量物質含量逐步聚類分析結果見表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物之間相關性極強，聚類明顯，這與植物的生長特性密切相關?？煽偨Y出冰島茶園茶葉中元素和有機物的主要聚類特征：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含量逐步聚類分析元素聯結表Table 3 Element linking in the stepwise cluster analysis of the total substance content of tea in Bingdao tea garden

2.3.2 茶葉中元素和有機物譜系圖分析

當取相關系數R=-0.25時可將冰島茶園茶葉中的物質劃分為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，組內元素之間存在著密切的相關關系，組間為輕度的負相關。

圖4 冰島茶園茶葉全量物質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

已有研究發現，茶葉中金屬元素K-Hg-Cr-Tl-Mn-Cd-Zn-Ni與茶園土壤pH值呈現一定程度負相關，茶園土壤pH值降低會導致茶葉中重金屬含量增多，且茶葉中的Mn會與Ca發生置換作用[27,34]。Mg-茶多酚-茶氨酸與茶園土壤pH值呈顯著正相關，土壤pH值增加有利于茶多酚和茶氨酸的積累；同時，茶氨酸與土壤pH值和K呈正相關，土壤中的K和Cu分別促進茶氨酸和咖啡堿的合成，而Ni對茶多酚的積累具有抑制作用[35]。由此可以總結，使茶葉中物質聚為兩類的主要原因是土壤pH值和其他理化性質，①組是抑制作用下的，②組是促進作用下的。

2.4 茶園巖石-土壤-茶葉中礦質元素和有機物的關鍵組分

巖石風化成壤，土壤元素物質含量主要受控于成土母巖[36]；而土壤的風化淋濾和茶葉的吸收代謝則是組成茶葉內在品質的重要過程?？偨Y冰島茶園巖石-土壤-茶葉中的元素和有機物分布特征于表4。結果可知，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，與其地質背景（巖性組成、構造活動、變質作用）密不可分。

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

冰島茶園的地質環境為茶葉的生長提供了優質基礎條件。Ge、B元素對人體有益，可促進血液循環；Mg是葉綠素的重要無機元素，會影響茶的湯色[37]；Se可以提高茶鮮葉品質；K能有效促進茶葉氨基酸的合成，增強酶活性，提高茶樹抗逆性，還可以增強茶葉的香氣；P可提高茶葉中茶多酚的含量；Ca是茶葉生長所必須的營養元素[38-39]。Ba是土壤地質中的重要元素，多用于產地判別[40]；過量的Cd會傷害茶葉葉片超微結構，對細胞的毒害具有明顯的累積效應，施用有機肥，阻止土壤酸化，可減少Cd的產生[41-42]。綜上，冰島茶園所生長出的茶葉中所含有益元素居多，品質上佳。

3 結論

綜上可獲得如下結論：

（1）冰島茶園地質背景為茶樹提供了優質的生長環境，使茶葉中營養元素豐富，影響茶葉品質的關鍵地球化學組分為：Th-Ba-Ti-Ge、Cd-K-Se-Mg和Ca-B-Cs-P。

（2）物質相關性由大到小的順序為：茶葉、巖石、土壤。茶葉中的物質從土壤提供后還會由內部激素進行自我調節，因此物質之間相關性較強；地質構造演變會影響巖石中的物質含量；土壤中的物質即巖石風化而來，又會受溫度濕度等因素改變理化性質，還會受到茶葉生長的影響，因此物質之間相關性較茶葉和巖石略弱。

（3）R型逐步聚類法分析詳細且準確，能夠將巖石-土壤-茶葉各自的聚類特征和內在聯系展現出來，從地質角度探討地質背景對茶葉的影響，為其他農產品的地質背景調查奠定了基礎。