南京市茶园土壤重金属分布特征及污染评价

黄 莹，景金泉，肖 旭，赵荷娟，文蔚明，马建宏，毛久庚

（1.江苏丘陵地区南京农业科学研究所，江苏 南京 210046；2.南京市农产品质量检测院，江苏 南京 210036）

茶树作为典型的喜酸性作物，其适宜生长的土壤pH值范围在4.0～6.5之间，最适值为5.5，大于6.0或小于4.5，茶树的生长将受到抑制甚至死亡。由于茶树的代谢作用、人为管理措施不当等原因，使得茶园土壤酸化现象日趋严重。马立峰等［1］对苏、浙、皖茶园土壤的pH状况进行了调查，发现3省pH＜4的茶园土壤近10年来上升了30.2%。此外，各种针对茶园土壤的研究表明［2-3］，我国茶园土壤酸化速度越来越快，严重危害了茶树的生长和茶叶品质。土壤是茶树生长的载体，在茶园土壤的酸化背景下，土壤重金属的活性增强，从而增加了重金属向茶叶的转移，对人类健康造成威胁。

江苏是我国重要的茶叶生产省份之一，2010年全省茶园面积3.13万hm2，比2005年增加28%；茶叶产量和产值也是连年增加，分别比2005年增加32%和76%［4］。作为江苏省茶叶新兴产区，南京市茶园总面积0.87万hm2，2012年总产值7.6亿元，均居全省前列。在茶产业快速发展的同时，茶叶中重金属含量问题越来越受到消费者的关注。产地土壤环境质量是茶叶科学种植的一个重要依据，本研究通过对南京市不同地区典型茶园土壤环境质量的长期定位调查，从总体上掌握南京市茶园土壤的酸化程度以及重金属 Cu、Pb、Cd、Hg、As、Cr的含量状况；采用NY5020—2001《无公害食品茶叶产地环境条件》中无公害茶园土壤环境质量标准为依据，对南京市茶园土壤的重金属污染状况进行评价，并分析影响南京市茶叶生产的限制因子，旨在为促进南京市茶叶生产的合理区划和科学种植提供依据。

1 材料与方法

1.1 土样采集与制备

土样采集具体步骤：选择南京市为研究区域，于2004年4月至2012年5月分别采集江宁、浦口、溧水、六合、高淳5个地区116个代表性茶园的表层土壤，每个茶园于每年相同时间段采样1次。为避免污染，采样过程中使用木铲等工具，采样时根据茶园的面积和地形确定采样点的数量和分布，每个茶场选择代表性茶园，设置6～8个采样点，采样点的面积不低于0.67 hm2，采用GPS定位，以“S”法采集表层（0～20 cm）土壤；将各采样点的土样混合均匀，用四分法弃取至各混合土样保留1 kg左右。共采集116份土样，经风干、磨碎分别过孔径0.85、0.15 mm筛备用。

1.2 测定项目及方法

土壤分析参照农化分析方法，土壤pH值测定采用水浸提电位法（液固比2.5∶1）。土壤Cu、Pb、Cd、Hg、As、Cr等 6种重金属元素含量测定方法：称取0.15 mm土样0.5 g，经盐酸-氢氟酸-高氯酸-硝酸进行消煮，消煮完成后定容，然后采用等离子体原子发射光谱仪（ICPAES）测定。

1.3 污染评价

参照NY5020-2001《无公害食品茶叶产地环境条件》中无公害茶园土壤环境质量标准中各项污染物的含量限值（表1）为评价标准，对南京市茶园土壤重金属的污染现状进行评价。

式中，Pi为土壤重金属i的污染指数，Ci为重金属i的实测含量，Si为重金属i的含量限值。

式中，PN为内梅罗污染指数，Pimax为土壤重金属的最大污染分指数，Pi为各污染分指数的算术平均值。

内梅罗污染指数法与单因子污染指数法采用相同的评价分级标准：当Pi≤0.7，土壤环境处于清洁状态；0.7＜Pi≤1.0，土壤重金属含量不超标，属尚清洁，不影响作物的正常生长发育，但污染已处于安全警戒状态；Pi＞1.0，土壤重金属含量超标，对作物的生长发育有影响，其中1.0＜Pi≤2.0 为轻度污染，2.0＜Pi≤3.0 为中度污染，Pi≥3.0为重度污染。

用SPSS20.0对土壤pH与重金属含量的相关性进行Pearson分析，用Sigma Plot 12.0对土壤酸碱度的分布情况进行作图。

2 结果与分析

2.1 南京市茶园土壤pH值分布情况

土壤酸化是我国各茶区普遍存在的问题。对南京市不同地区116个茶园土壤pH的测定结果（图1）显示，不同采样时期（2004—2006、2007—2009、2010—2012）茶园土壤 pH值分布情况存在明显差异。2004—2006年间，土壤pH 4.1～5.0的茶园只占19.4%，2007—2009年为22.2%，而2010—2012年增加到49.1%，说明南京市茶园土壤正变得越来越酸；土壤pH 5.1～6.0的茶园占比随采样年份的增加呈下降趋势，由2004—2006年的66.7%下降到2010—2012年的35.8%；土壤pH 6.1～7.0的茶园占比在2007—2009年达到最大，为29.6%，2010—2012年则降为9.4%；土壤pH＜4的茶园占比在2010—2012年间比2004—2009年增加了3.8个百分点。如果按通常认为的pH 4.5～5.5最适合于茶树生长的标准划分，近10年来（2004—2012），最适宜茶树生长土壤比例未发生显著改变；如按适于种茶树的土壤（pH 4.0～6.5）的标准划分，则2010—2012年该土壤pH范围内的茶园比例与2004—2006年相比，减少了12.6个百分点。

2.2 南京市茶园土壤重金属含量分布情况

表1 南京市不同地区重金属分布情况（mg/kg）

由表1 可知，南京市茶园土壤中Cu、Pb、Cr、Hg、As、Cd平均含量均低于《无公害食品茶叶产地环境条件》中无公害茶园土壤环境质量标准限量要求（表2）。2004—2006年Cu含量为20.2～43.2 mg/kg，最高含量为最低含量的2.1 倍，均值为26.2 mg/kg。随着年份的增加，土壤Cu含量显著升高，2010—2012年Cu含量均值为28.8，超过江苏省土壤背景值，说明Cu在茶园土壤中有一定程度的积累。3个时间段土壤Cu含量的变异系数在22.0%～27.3%范围内变化；土壤Pb含量随着年份的增加呈上升趋势，2010—2012年土壤Pb含量为27.9，超过江苏省土壤背景值，且样本之间差异较大。Cd含量随着年份的增加呈现先增加后降低的趋势，2010—2012年土壤Cd含量为0.08 mg/kg，未超过江苏省土壤背景值。不同年份土壤的Hg含量在0.05～0.07 mg/kg范围内变化，均未超过江苏省土壤背景值。不同年份土壤的As含量虽然有下降趋势，但是2010—2012年土壤的As含量超过江苏省土壤背景值。土壤的Cr含量随年份增加呈显著上升趋势，为64.7～80.1 mg/kg，2007—2009和2010—2012的土壤Cr含量均超过江苏省土壤背景值。说明从2007年开始，Cr在土壤中有一定的积累。

表2 无公害茶园土壤环境质量标准

2.3 南京市茶园土壤不同重金属含量与pH值之间的相关性

pH是土壤重要的基本性质之一，影响了土壤中重金属的活性。分析土壤pH与重金属之间的相关性，从而得到南京市茶园土壤重金属污染程度和大致趋势，结果显示，土壤pH值与Cu、Cr含量均呈极显著负相关，相关系数分别为-0.232和-0.385；与Pb、Hg含量呈显著负相关，相关系数分别为-0.197和-0.235；pH值与Cd、As相关性不显著。

2.4 茶园土壤重金属污染评价

以NY5020-2001《无公害食品茶叶产地环境条件》为评价标准，有一项单项污染指数大于1即可判定为土壤不合格。评价结果（表3）表明，南京地区茶园土壤6种重金属单项污染指数平均值均小于0.7，综合污染指数为0.12～0.58，土壤环境质量评价均为清洁。

表3 以《无公害食品茶叶产地环境条件》为评价标准的单项污染指数

3 结论与讨论

本试验结果表明，南京市茶园土壤存在明显的酸化现象，且存在进一步酸化的趋势。虽然 Cu、Pb、Cd、Hg、As、Cr 等 6种重金属元素含量未超过NY5020-2001《无公害食品茶叶产地环境条件》中无公害茶园土壤环境质量标准，土壤环境质量评价均为清洁，但土壤pH值的持续降低会促进重金属Cu、Pb、Cr在土壤中的积累，从而影响茶叶质量的安全。此外，畜禽粪便肥和含Cr农药的使也会造成Cu和Cr在茶园土壤中有一定的积累。因此，为防止南京市茶园土壤酸化的加剧和避免重金属污染的危害，在茶园日常管理中，要避免使用化肥，可通过施用适量白云石粉或生物质炭减轻茶园土壤的酸化现象；同时，控制有机肥和农药的输入等农业措施来减少重金属的输入从而缓解重金属在土壤中的积累。

3.1 南京市茶园土壤酸化的原因

茶园土壤的酸化成因包括自然酸化和人为酸化，其中受栽培过程中人为的影响更大。施肥是直接影响茶园土壤酸度的首要因素［5］。我们对一些典型茶场调查施肥情况时了解到，偏施氮肥和过量施氮肥的现象较普遍，氮肥品种以尿素为主，作基肥使用。尿素虽是中性肥，但它在土壤中很快氨化继而又被硝化后，也能酸化土壤。茶园中施用的大多为氨态氮肥，茶树根系在吸收氨态氮后分泌大量的H+，从而造成土壤pH的下降。已有研究表明［6］，氮肥用量大的茶园土壤pH值较低，原因主要是由于施肥不平衡引起的土壤盐基元素的淋失，从而导致茶园土壤的酸化。随着近10年来南京市名优茶的迅速发展，茶园氮肥施用量越来越大，而有机肥用量比例却未发生显著改变，这可能是茶园土壤pH值持续下降的一个重要原因。土壤酸化的另一人为原因是环境条件的恶化。随着工业化生产水平的高速发展，“三废”问题尤其严重，一些酸沉降物质随降雨等方式落到地面，会直接造成土壤酸化，随着年限增加，土壤pH＜4的茶园比例显著增加，说明工业发展加快导致环境污染以酸雨的形式造成茶园土壤酸化加剧。

除上述栽培过程中人为的影响导致茶园土壤酸化外，茶树自身物质代谢（茶树凋落物和修剪叶还园）和茶树根系分泌物也会导致土壤的酸化。研究表明，茶树在生长过程中每年要从土壤深处吸收大量活性铝，茶树平均含铝量在1 500 mg/kg以上，老叶中的含量可达20 000 mg/kg，茶树每年通过枯枝落叶归还土壤的铝可高达30.06 kg/hm2［7］；茶树根系分泌的有机酸较其他作物高出8倍多［8］。因此，茶树自身物质循环是导致茶园酸化的主要原因。

3.2 南京市茶园土壤重金属含量与pH值的关系

与自然状态下稳定的土壤重金属含量水平和分布规律不同，在人为因素高强度作用下，土壤中重金属含量和分布特征将发生较大变化。pH值是影响重金属有效性的最重要因素，因为它不仅影响重金属在土壤溶液中的形态，而且通过影响土壤颗粒表面交换性能而影响其有效性。重金属与土壤pH值的相关分析显示，Pb、Cu、Cr、Hg与土壤pH值呈显著负相关，其原因主要是由于随着土壤酸度的增加，重金属离子的溶解度逐渐增大，致酸离子会与土壤胶体吸附的重金属离子发生交换，造成土壤中被固定的重金属发生淋溶，从而导致土壤中重金属含量增加［9］。

3.3 南京市茶园土壤环境质量的影响因子

茶园土壤是茶叶赖以生存的物质基础，土壤的质量及安全状况对茶叶质量具有重要影响。本研究结果显示，南京市各地茶场的土壤重金属含量均小于我国无公害茶叶产地环境条件中的规定，但呈现明显的酸化趋势。我们调查了一些典型茶场的地理位置、交通状况、管理措施等因子，发现大部分的茶园已开始按照有机茶园的模式对茶园进行整改，并且茶区大多位于偏远郊区，周边鲜有工业废水、废气及汽车尾气的排放，空气质量良好，这可能是重金属含量低于标准的主要原因。重金属含量与土壤pH的相关性分析表明，随着南京市茶园土壤的pH持续下降，重金属Pb、Cu、Cr含量呈上升趋势。研究表明，茶叶与土壤中的Pb含量呈正相关关系［10］，Pb积累到一定限度就会对土壤植物系统产生危害，直接影响茶叶对重金属的吸收量从而危害人类健康。因此，为了杜绝茶叶的Pb超标问题，必须有效控制土壤中的Pb含量，即控制茶园土壤的酸度持续下降。另外，我们在调查过程中发现，茶园中养殖粪便施用量增多，而饲料添加剂中铜的使用由于增加了粪便中铜的含量从而进一步加重茶园土壤铜的积累。因此，畜禽粪便施用量的增加是南京市茶园土壤环境中的重金属Cu积累的原因之一。此外，含Cr化肥和农药的使用是造成茶园土壤重金属Cr含量积累的主要原因。因此，茶农在日常的施肥管理中应该控制畜禽粪便肥和含Cr农药的使用，从源头上避免土壤的重金属污染。

［1］ 马立峰，石元值，阮建云. 苏、浙、皖茶区茶园土壤pH状况及近十年来的变化［J］. 土壤通报，2000，31（5）：205-207.

［2］ 程正芳，宋木兰，童云娟，等. 苏南低产茶园土壤障碍因素研究［J］. 茶叶，1994，20（1）：18-22.

［3］ 吴云，杨剑虹，魏朝富. 重庆茶园土壤酸化及肥力特征的研究［J］. 土壤通报，2000，35（6）：715-719.

［4］ 杨意成，张定. 江苏省茶叶产业“十二五”发展思考［J］. 中国茶叶，2011（1）：4-6.

［5］ 罗敏，宗良纲，陆丽君，等. 江苏省典型茶园土壤酸化及其对策分析［J］. 江苏农业科学，2006（2）：139-142.

［6］ 廖万有. 我国茶园土壤的酸化及其防治［J］. 农业环境保护，1998，17（4）：178-180.

［7］ 丁瑞兴，黄骁. 茶园土壤系统铝和氟的生物地球化学循环及对土壤酸化的影响［J］. 土壤学报，1991，28（3）：229-236.

［8］ 陆建良，梁月荣. 茶树根系特性与茶园管理［J］. 茶叶科学简报，1994（1）：1-5.

［9］ 汤民，张进忠，张丹，等. 果园土壤重金属污染调查与评价—— 以重庆市金果园为例［J］. 中国农学通报，2011，27（14）：244-249.

［10］ 王林云. 土壤对茶叶含铅量影响研究［J］. 中国公共卫生管理，2001，17（4）：318-319.

［11］ 廖启林，华明，金洋，等. 江苏省土壤重金属分布特征与污染源初步研究［J］. 中国地质，2009，36（5）：1163-1174.