石臺縣大山村茶園土壤-茶樹系統中Cr遷移規律研究

苗 瑞,吳海中

(1.福建師范大學 地理科學學院、碳中和未來技術學院,福建 福州 350000; 2.池州學院 地理與規劃學院,安徽 池州 247100)

茶樹起源于我國西南地區,作為一種重要的經濟作物已在世界各地廣泛種植[1].茶葉既是食品,又是一味傳統中藥,深受世人喜愛[2].隨著生活水平的提高,人們在飲茶的同時也越來越關注茶葉的衛生質量問題,尤其是茶葉中的重金屬污染問題[2].土壤是茶葉中重金屬元素的重要來源,我國農田土壤主要受Cd、As、Hg、Pb、Cr等5種重金屬元素的危害,其中Cd的危害最大,其次是Cr[3].土壤中的Cr可以通過“土壤—植物—人”這一系統間接地進入人體,給人類健康造成潛在威脅.

目前關于茶葉重金屬污染問題的研究主要集中在兩個方面: 一是研究茶葉及茶園土壤中重金屬污染的來源,并建立快速靈敏的檢測手段; 二是研究重金屬在茶樹各部位的吸收積累特征.但對茶樹體內重金屬遷移規律的研究較為欠缺,特別是關于Cr在土壤-茶樹系統中遷移規律的研究罕有報道.因此,面對茶葉Cr污染日趨嚴重的現狀,對Cr在土壤-茶樹系統中的累積分布、遷移規律進行深入探究,對控制茶葉中Cr超標具有理論價值.

大山村,位于安徽省石臺縣仙寓山,有“中國第一富硒村”的美譽,自然地理環境優越,是皖南名優茶葉傳統產區,地形以低山、丘陵為主,氣候溫和濕潤,屬于亞熱帶季風性氣候,全年光照充足,年平均氣溫15～16 ℃,≥10 ℃的年積溫在4 900～5 300 ℃之間,夏秋多雨,春冬少雨,年降水量1 000～1 600 mm,氣候條件適宜農作物生產[4].該地區的土壤主要有紅壤、紅黃壤兩種,普通土壤的pH值在4～6之間,適合茶樹的生長,屬全國三大富硒村之首.本論文選取大山村茶樹種植區域,研究該區域土壤-茶樹系統中的Cr含量分布,以及Cr在土壤-茶樹系統中的遷移規律,旨在為該區域茶葉的安全生產提供一定的理論依據.

1 研究方法

1.1 樣品采集

選擇石臺縣大山村的4個茶園,采取所需要分析研究的茶樹和土壤樣品,采集點如圖1所示.

圖1 土壤-茶樹樣品采集點

分別采集0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm三層土樣垂直剖面上的樣本作為土壤樣品,重復采樣三處.攪拌均勻,除掉雜質,將1kg左右的土壤樣品放入密封袋內,并記錄采樣點坐標和土壤類型.采集的茶樹樣品包括茶樹的須根、主根、主莖、側莖、老葉和新葉.新葉采集一芽兩葉,老葉統一取位于茶樹中上部顏色、大小較為一致的葉子.為了不受外源金屬的干擾,利用陶瓷剪刀把茶樹的各個部分分開,每個部分單獨收集250 g,然后去除附著物并馬上運回實驗室.

1.2 樣品處理

茶樹各個部位分別用自來水和去離子水先后沖洗干凈,并用濾紙吸去多余水分.把嫩芽、老葉分別放入燒杯中,置于105 ℃烘箱中殺青30 min,然后在60 ℃下恒溫干燥13 h后取出備用.取干茶樹根部、主莖、側莖樣品,用陶瓷剪刀剪成2～3 cm長,分別放入已經洗干凈的植物粉碎機內進行破碎.破碎20 s后關閉,晃動粉碎機讓樣品勻速,再破碎,如此反復進行3次.幾分鐘后打開蓋子,用勺子和刷子將粉碎機中已經粉碎好的樣品裝入封口袋中備用.

1.3 樣品分析

稱取0.200 0 g土壤樣品,放入微波消解內罐中,加入5 mL優級純硝酸和1 mL氫氟酸,按照微波消解儀的規范操作流程進行消解.冷卻后取出消解罐,打開罐蓋排氣口排氣,然后將消解罐置于控溫電熱板上,于150 ℃下趕酸至近干,然后用2%的硝酸溶液定容至50 mL,混勻備用,并做空白試驗.

稱取0.500 0 g植物樣品,放入微波消解內罐中,添加5 mL優級純硝酸,在150 ℃加熱板上預消解30 min,降溫后再補充5 mL硝酸,按照微波消解儀的規范操作流程進行消解.冷卻后取出消解罐,開啟罐蓋排氣口排氣,然后將消解罐置于控溫電熱板上,于150 ℃下趕酸至接近干燥狀態,然后用2% 硝酸溶液定容至50 mL,混勻備用,并做空白試驗.

1.4 研究方法

通常情況下,土壤中重金屬的含量與茶樹中重金屬的含量呈現出一定的相關性.為了深入探究土壤-茶樹系統中Cr元素的遷移規律,本文運用富集系數法、轉移系數法進行研究.

1.4.1 富集系數法

富集系數是指植物某一部位的重金屬含量與土壤中相應重金屬含量之比.富集系數計算公式為

BAC=Cp/Cs.

(1)

其中BAC為富集系數,Cp為重金屬在茶樹中各部位的含量(mg/kg),Cs為重金屬在土壤中的含量(mg/kg).

一般認為茶園土壤為茶葉重金屬主要來源[5].植物在對重金屬的吸收過程中表現出高度的選擇性,其富集系數是衡量作物對重金屬積累能力的一個重要指標.隨著富集系數的增加,植物的富集效率提升,說明植物越容易從土壤中吸收元素,即重金屬遷移性越強[6].

優質護理服務作為一種應用廣泛的護理模式，具有較好的護理效果。此次研究選取了我院收治的84例動靜脈內瘺術后血透患者作為研究對象，對實驗組中42例患者實施了優質護理服務，不但使護理滿意度得到提高，同時降低了并發癥發生率，具體報告如下。

1.4.2 轉移系數法

轉移系數是植物地上部分重金屬含量和植物地下部分重金屬含量的比值,用以評價植物將重金屬從地下根部向地上部分運輸的能力.其計算公式為

BTC=Fi/Ri.

(2)

其中BTC為重金屬i的轉移系數,Fi為重金屬i在地上各部分的含量,Ri為重金屬i在根部含量.

1.5 數據處理

采用賽默飛iCAP Q電感耦合等離子體質譜儀,儀器工作條件如表1所示.使用SPSS26進行數據分析,圖表繪制在Microsoft Excel 2019版軟件下完成.

表1 儀器工作條件

2 結果與分析

2.1 土壤中Cr元素的積累與分布

各采集點土壤中Cr的平均含量見表2.從表2可以看出,采集點NO.1的土壤中Cr平均含量最小,采集點NO.4的平均含量最大.Cr在土壤中由高到低的分布次序為: NO.4>NO.2>NO.3>NO.1.采集點4的土壤中Cr含量最高,可能是因為相比于其他三點,海拔較低,并靠近公路邊和停車場,受到汽車尾氣影響較大.4個采集點土壤中Cr含量的平均值為127.680 8,符合《土壤環境質量標準》(GB 15618-1995)規定二級標準(Cr≤150 mg/kg),說明石臺縣大山村的生態環境良好.

表2 各采集點土壤中Cr的平均含量

2.2 茶樹中Cr元素的積累與分布

土壤中重金屬Cr經茶樹根系吸收后向茶樹上部遷移,在茶樹莖、葉等部位累積.對從采集點土壤中采集的茶樹樣品進行實驗室分析測定,茶樹不同部位Cr含量均值見表3.

表3 不同采集點茶樹中Cr的平均含量

從表3可知,Cr在茶樹體內由高到低的分布次序為須根>主根>主莖>側莖>新葉(1芽2葉)>老葉,須根的累積量最大,老葉的累積量最小.茶樹體內Cr含量分布表現為根>莖>葉,茶樹根部Cr含量遠遠高于其他部位,分別是茶樹莖、茶樹葉的2.4、6.8倍,說明茶樹各器官對Cr的吸收累積量有較大的差異.作為可以飲用的嫩葉中,Cr含量為2.153 mg/kg,遠低于中華人民共和國農業部頒布實施的《茶葉中鉻、鎘、砷和氟化物限量》(NY659—2003)規定的安全限量(鉻的限量標準為5 mg/kg).

根部Cr積累量較大,說明茶樹根系具有較強的滯留效應,多數Cr被固定在須根及主根上,運輸到地面上部的比例較低.茶樹根系可同時發揮屏障和過濾器的功能,防止營養液中Cr元素進一步遷移到地上部[7].很多研究結果表明,大部分植物從根系中吸收的Cr也會累積到植物根部,表明植物根具有極強的Cr元素富集能力,且不容易移到地上部分[8-9].

2.3 茶樹對重金屬Cr的富集能力

利用公式(1)計算茶樹不同部位的富集系數,結果見表4.

表4 茶樹各部位重金屬Cr的富集系數

從表4可知,在采集點NO.1、NO.4種植的茶樹中,重金屬Cr在茶樹的須根中富集系數最大,老葉中最小.采集點NO.2茶樹的須根中富集系數最大,新葉中富集系數最小.采集點NO.3茶樹的主根中富集系數最大,老葉中最小.茶樹根、莖和葉中富集系數平均值分別為0.085 2、0.035 8、0.012 6.總體上,茶樹根部Cr的富集系數遠超其他部位,分別是茶樹莖和茶樹葉的2.4倍和6.8倍,重金屬Cr主要富集于根部.重金屬Cr主要集中在茶樹根部,少量向地上部分轉移,表明茶樹體內重金屬Cr的分布模式表現為代謝旺盛部位蓄積量比較大.這可能是由于土壤中重金屬與茶樹根系直接接觸.此外,茶樹的根部有著大量微生物,這些微生物通過自身代謝過程產生的代謝產物或胞外分泌物,能夠吸附或固定含有重金屬Cr的物質[10].

2.4 茶樹對重金屬Cr的轉移能力

利用公式(2)計算茶樹不同部位的轉移系數,結果見表5.

表5 茶樹各部位重金屬Cr的轉移系數

由表5可以看出,在采集點NO.1種植的茶樹中,主莖的轉移系數最大,老葉最小.采集點NO.2轉移系數最大和最小的分別是側莖和新葉.采集點NO.3轉移系數最大和最小的分別是主莖和老葉.采集點NO.4轉移系數最大和最小的分別是新葉和老葉.茶樹莖和茶樹葉轉移系數的平均值分別為0.785 9、0.207 1,茶樹莖的轉移系數是茶樹葉的3.79倍,茶樹莖的轉移能力大于茶樹葉,說明較低比例的重金屬Cr向上轉移至葉片中.茶樹莖和茶樹葉重金屬Cr的轉移系數多在1以下,表明地上部重金屬含量低于茶樹根部.

研究人員認為,轉移系數低于1的植物能把重金屬固定到植物根部,限制重金屬轉移到植物地上部分,以緩解重金屬對植物產生毒害,這就是人們所說的植物重金屬耐性機制.

3 結論

石臺縣大山村茶園土壤-茶樹系統中Cr的分布規律為: 土壤中Cr的含量遠大于茶樹中Cr的含量,茶樹體系內分布表現為: 須根>主根>主莖>側莖>新葉(1芽2葉)>老葉.土壤是植物中Cr的主要來源,其Cr的平均含量為127.7 mg/kg.根系和莖中Cr的含量也較高,平均含量分別為10.884 3 mg/kg、4.574 8 mg/kg.植物傳遞和富集Cr的路徑是須根→主根→莖→葉,這說明茶樹能把土壤中Cr元素集中在不傷害人的根、莖上,根、莖起到阻截作用,有利于提高茶產品的服用安全性.

茶樹的不同部位對重金屬Cr的富集能力存在較大差異,茶樹根Cr富集系數最大,達到0.085 2,是茶樹葉的6.8倍,說明重金屬Cr主要集中在茶樹根部,僅少量向地上部分轉移.茶樹莖的轉移系數是茶樹葉的3.79倍,轉移能力大小為茶樹莖>茶樹葉,說明較少的重金屬Cr向上轉移至葉片中.