石台县大山村茶园土壤-茶树系统中Cr迁移规律研究

苗 瑞,吴海中

(1.福建师范大学 地理科学学院、碳中和未来技术学院,福建 福州 350000; 2.池州学院 地理与规划学院,安徽 池州 247100)

茶树起源于我国西南地区,作为一种重要的经济作物已在世界各地广泛种植[1].茶叶既是食品,又是一味传统中药,深受世人喜爱[2].随着生活水平的提高,人们在饮茶的同时也越来越关注茶叶的卫生质量问题,尤其是茶叶中的重金属污染问题[2].土壤是茶叶中重金属元素的重要来源,我国农田土壤主要受Cd、As、Hg、Pb、Cr等5种重金属元素的危害,其中Cd的危害最大,其次是Cr[3].土壤中的Cr可以通过“土壤—植物—人”这一系统间接地进入人体,给人类健康造成潜在威胁.

目前关于茶叶重金属污染问题的研究主要集中在两个方面: 一是研究茶叶及茶园土壤中重金属污染的来源,并建立快速灵敏的检测手段; 二是研究重金属在茶树各部位的吸收积累特征.但对茶树体内重金属迁移规律的研究较为欠缺,特别是关于Cr在土壤-茶树系统中迁移规律的研究罕有报道.因此,面对茶叶Cr污染日趋严重的现状,对Cr在土壤-茶树系统中的累积分布、迁移规律进行深入探究,对控制茶叶中Cr超标具有理论价值.

大山村,位于安徽省石台县仙寓山,有“中国第一富硒村”的美誉,自然地理环境优越,是皖南名优茶叶传统产区,地形以低山、丘陵为主,气候温和湿润,属于亚热带季风性气候,全年光照充足,年平均气温15～16 ℃,≥10 ℃的年积温在4 900～5 300 ℃之间,夏秋多雨,春冬少雨,年降水量1 000～1 600 mm,气候条件适宜农作物生产[4].该地区的土壤主要有红壤、红黄壤两种,普通土壤的pH值在4～6之间,适合茶树的生长,属全国三大富硒村之首.本论文选取大山村茶树种植区域,研究该区域土壤-茶树系统中的Cr含量分布,以及Cr在土壤-茶树系统中的迁移规律,旨在为该区域茶叶的安全生产提供一定的理论依据.

1 研究方法

1.1 样品采集

选择石台县大山村的4个茶园,采取所需要分析研究的茶树和土壤样品,采集点如图1所示.

图1 土壤-茶树样品采集点

分别采集0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm三层土样垂直剖面上的样本作为土壤样品,重复采样三处.搅拌均匀,除掉杂质,将1kg左右的土壤样品放入密封袋内,并记录采样点坐标和土壤类型.采集的茶树样品包括茶树的须根、主根、主茎、侧茎、老叶和新叶.新叶采集一芽两叶,老叶统一取位于茶树中上部颜色、大小较为一致的叶子.为了不受外源金属的干扰,利用陶瓷剪刀把茶树的各个部分分开,每个部分单独收集250 g,然后去除附着物并马上运回实验室.

1.2 样品处理

茶树各个部位分别用自来水和去离子水先后冲洗干净,并用滤纸吸去多余水分.把嫩芽、老叶分别放入烧杯中,置于105 ℃烘箱中杀青30 min,然后在60 ℃下恒温干燥13 h后取出备用.取干茶树根部、主茎、侧茎样品,用陶瓷剪刀剪成2～3 cm长,分别放入已经洗干净的植物粉碎机内进行破碎.破碎20 s后关闭,晃动粉碎机让样品匀速,再破碎,如此反复进行3次.几分钟后打开盖子,用勺子和刷子将粉碎机中已经粉碎好的样品装入封口袋中备用.

1.3 样品分析

称取0.200 0 g土壤样品,放入微波消解内罐中,加入5 mL优级纯硝酸和1 mL氢氟酸,按照微波消解仪的规范操作流程进行消解.冷却后取出消解罐,打开罐盖排气口排气,然后将消解罐置于控温电热板上,于150 ℃下赶酸至近干,然后用2%的硝酸溶液定容至50 mL,混匀备用,并做空白试验.

称取0.500 0 g植物样品,放入微波消解内罐中,添加5 mL优级纯硝酸,在150 ℃加热板上预消解30 min,降温后再补充5 mL硝酸,按照微波消解仪的规范操作流程进行消解.冷却后取出消解罐,开启罐盖排气口排气,然后将消解罐置于控温电热板上,于150 ℃下赶酸至接近干燥状态,然后用2% 硝酸溶液定容至50 mL,混匀备用,并做空白试验.

1.4 研究方法

通常情况下,土壤中重金属的含量与茶树中重金属的含量呈现出一定的相关性.为了深入探究土壤-茶树系统中Cr元素的迁移规律,本文运用富集系数法、转移系数法进行研究.

1.4.1 富集系数法

富集系数是指植物某一部位的重金属含量与土壤中相应重金属含量之比.富集系数计算公式为

BAC=Cp/Cs.

(1)

其中BAC为富集系数,Cp为重金属在茶树中各部位的含量(mg/kg),Cs为重金属在土壤中的含量(mg/kg).

一般认为茶园土壤为茶叶重金属主要来源[5].植物在对重金属的吸收过程中表现出高度的选择性,其富集系数是衡量作物对重金属积累能力的一个重要指标.随着富集系数的增加,植物的富集效率提升,说明植物越容易从土壤中吸收元素,即重金属迁移性越强[6].

优质护理服务作为一种应用广泛的护理模式，具有较好的护理效果。此次研究选取了我院收治的84例动静脉内瘘术后血透患者作为研究对象，对实验组中42例患者实施了优质护理服务，不但使护理满意度得到提高，同时降低了并发症发生率，具体报告如下。

1.4.2 转移系数法

转移系数是植物地上部分重金属含量和植物地下部分重金属含量的比值,用以评价植物将重金属从地下根部向地上部分运输的能力.其计算公式为

BTC=Fi/Ri.

(2)

其中BTC为重金属i的转移系数,Fi为重金属i在地上各部分的含量,Ri为重金属i在根部含量.

1.5 数据处理

采用赛默飞iCAP Q电感耦合等离子体质谱仪,仪器工作条件如表1所示.使用SPSS26进行数据分析,图表绘制在Microsoft Excel 2019版软件下完成.

表1 仪器工作条件

2 结果与分析

2.1 土壤中Cr元素的积累与分布

各采集点土壤中Cr的平均含量见表2.从表2可以看出,采集点NO.1的土壤中Cr平均含量最小,采集点NO.4的平均含量最大.Cr在土壤中由高到低的分布次序为: NO.4>NO.2>NO.3>NO.1.采集点4的土壤中Cr含量最高,可能是因为相比于其他三点,海拔较低,并靠近公路边和停车场,受到汽车尾气影响较大.4个采集点土壤中Cr含量的平均值为127.680 8,符合《土壤环境质量标准》(GB 15618-1995)规定二级标准(Cr≤150 mg/kg),说明石台县大山村的生态环境良好.

表2 各采集点土壤中Cr的平均含量

2.2 茶树中Cr元素的积累与分布

土壤中重金属Cr经茶树根系吸收后向茶树上部迁移,在茶树茎、叶等部位累积.对从采集点土壤中采集的茶树样品进行实验室分析测定,茶树不同部位Cr含量均值见表3.

表3 不同采集点茶树中Cr的平均含量

从表3可知,Cr在茶树体内由高到低的分布次序为须根>主根>主茎>侧茎>新叶(1芽2叶)>老叶,须根的累积量最大,老叶的累积量最小.茶树体内Cr含量分布表现为根>茎>叶,茶树根部Cr含量远远高于其他部位,分别是茶树茎、茶树叶的2.4、6.8倍,说明茶树各器官对Cr的吸收累积量有较大的差异.作为可以饮用的嫩叶中,Cr含量为2.153 mg/kg,远低于中华人民共和国农业部颁布实施的《茶叶中铬、镉、砷和氟化物限量》(NY659—2003)规定的安全限量(铬的限量标准为5 mg/kg).

根部Cr积累量较大,说明茶树根系具有较强的滞留效应,多数Cr被固定在须根及主根上,运输到地面上部的比例较低.茶树根系可同时发挥屏障和过滤器的功能,防止营养液中Cr元素进一步迁移到地上部[7].很多研究结果表明,大部分植物从根系中吸收的Cr也会累积到植物根部,表明植物根具有极强的Cr元素富集能力,且不容易移到地上部分[8-9].

2.3 茶树对重金属Cr的富集能力

利用公式(1)计算茶树不同部位的富集系数,结果见表4.

表4 茶树各部位重金属Cr的富集系数

从表4可知,在采集点NO.1、NO.4种植的茶树中,重金属Cr在茶树的须根中富集系数最大,老叶中最小.采集点NO.2茶树的须根中富集系数最大,新叶中富集系数最小.采集点NO.3茶树的主根中富集系数最大,老叶中最小.茶树根、茎和叶中富集系数平均值分别为0.085 2、0.035 8、0.012 6.总体上,茶树根部Cr的富集系数远超其他部位,分别是茶树茎和茶树叶的2.4倍和6.8倍,重金属Cr主要富集于根部.重金属Cr主要集中在茶树根部,少量向地上部分转移,表明茶树体内重金属Cr的分布模式表现为代谢旺盛部位蓄积量比较大.这可能是由于土壤中重金属与茶树根系直接接触.此外,茶树的根部有着大量微生物,这些微生物通过自身代谢过程产生的代谢产物或胞外分泌物,能够吸附或固定含有重金属Cr的物质[10].

2.4 茶树对重金属Cr的转移能力

利用公式(2)计算茶树不同部位的转移系数,结果见表5.

表5 茶树各部位重金属Cr的转移系数

由表5可以看出,在采集点NO.1种植的茶树中,主茎的转移系数最大,老叶最小.采集点NO.2转移系数最大和最小的分别是侧茎和新叶.采集点NO.3转移系数最大和最小的分别是主茎和老叶.采集点NO.4转移系数最大和最小的分别是新叶和老叶.茶树茎和茶树叶转移系数的平均值分别为0.785 9、0.207 1,茶树茎的转移系数是茶树叶的3.79倍,茶树茎的转移能力大于茶树叶,说明较低比例的重金属Cr向上转移至叶片中.茶树茎和茶树叶重金属Cr的转移系数多在1以下,表明地上部重金属含量低于茶树根部.

研究人员认为,转移系数低于1的植物能把重金属固定到植物根部,限制重金属转移到植物地上部分,以缓解重金属对植物产生毒害,这就是人们所说的植物重金属耐性机制.

3 结论

石台县大山村茶园土壤-茶树系统中Cr的分布规律为: 土壤中Cr的含量远大于茶树中Cr的含量,茶树体系内分布表现为: 须根>主根>主茎>侧茎>新叶(1芽2叶)>老叶.土壤是植物中Cr的主要来源,其Cr的平均含量为127.7 mg/kg.根系和茎中Cr的含量也较高,平均含量分别为10.884 3 mg/kg、4.574 8 mg/kg.植物传递和富集Cr的路径是须根→主根→茎→叶,这说明茶树能把土壤中Cr元素集中在不伤害人的根、茎上,根、茎起到阻截作用,有利于提高茶产品的服用安全性.

茶树的不同部位对重金属Cr的富集能力存在较大差异,茶树根Cr富集系数最大,达到0.085 2,是茶树叶的6.8倍,说明重金属Cr主要集中在茶树根部,仅少量向地上部分转移.茶树茎的转移系数是茶树叶的3.79倍,转移能力大小为茶树茎>茶树叶,说明较少的重金属Cr向上转移至叶片中.