陕西紫阳地区茶园土壤氟形态测定及影响茶叶氟含量主要因素

冯博鑫，门倩妮，甘黎明，魏立勇，刘玖芬，何涛，王鹏，贺怡欣

（1. 中国地质调查局西安矿产资源调查中心，陕西 西安 710100；2. 中国地质调查局自然资源综合调查指挥中心，北京 100055；3. 中国地质大学（北京），北京100055）

茶树是氟高富集植物，其富集能力是其他植物的几十倍甚至上百倍，每千克干茶中氟的含量可高达几千毫克［1］。饮茶是人类摄取氟的重要途径，摄入适量的氟对机体生长具有促进作用，而摄入过量的氟则会破坏人体正常的钙、磷代谢，导致氟斑牙、氟骨症、神经毒害、原发性高血压、颈动脉粥样硬化等［2-3］。饮茶型氟中毒是中国特有的一种氟中毒类型，也是中国西部地区较为严重的公共卫生问题。迄今为止，氟中毒问题已涉及全球50多个国家，中国约有2200万至4500万人口受到氟中毒影响［4-6］。

近年来，通过饮茶摄入氟与人体健康的关系受到较大关注［7］。在无大气污染的情况下，茶叶中的氟主要来源于土壤，茶树根系对氟的吸收转运受土壤pH、氟存在形态和其他元素(如Al3+、Ca2+、Cl-等)影响［8］。Ruan等［9］研究发现，茶树适宜生长在pH为4.0～6.5酸性环境中。Yang等［10］研究发现，在酸性条件下F-优先与Al3+形成配合物，并以该配合物为主要形式被茶树吸收。氟在土壤中的形态直接影响茶叶氟含量［11-14］。Deng等［15-17］用连续提取法将土壤中氟的形态分为水溶态、可交换态、铁锰结合态、有机态和残渣态，其中水溶态氟被认为是有效态氟［9］，在土壤-植物系统中，植物会以根系吸收的方式从土壤中吸收可溶态氟［11］。氟在土壤中的形态受pH值、有机质、土壤黏粒、土壤母质等多种因素的影响［18］；Loganathan等［19］对新西兰地区研究表明，可溶态氟与土壤有机质正相关与土壤pH呈负相关；李张伟等［20］对粤东凤凰茶区研究发现，水溶态氟与土壤pH、交换性阳离子Ca2+、Mg2+、Na+、K+呈显著正相关，与交换性阳离子Mn2+和有机质呈显著负相关。可见，土壤性质对土壤氟形态有显著影响，目前认为土壤pH值、有机质、土壤黏粒、交换性离子等较大程度地影响水溶性氟，但其影响程度与研究区有关。

面对依然严峻的氟暴露健康问题，研究土壤特性对茶叶氟的影响，对于降低饮茶型氟中毒具有重要意义。陕南省大巴山区东段的安康紫阳县，是中国有名的富硒区，产茶历史悠久，紫阳富硒茶远销国内外，目前对于该地区茶叶中硒元素的富集及迁移规律研究较多，而茶叶中氟元素的富集规律及影响因素还缺乏深入研究。本文以陕西省大巴山区紫阳县某茶园土壤-茶叶为研究对象，采集不同茶园的土壤样品及对应茶叶样品，用氢氧化钠熔融-氟离子选择电极测定土壤总氟，顺序提取-氟离子选择电极测定土壤氟的形态，盐酸浸泡-氟离子选择电极测定茶叶样品氟含量，参照《土壤农业化学分析方法》测定土壤理化性质。分析了土壤理化性质对茶叶氟的影响，通过建立多元回归方程筛选出影响茶叶氟的主要因素，构建了影响茶叶氟的预测方程，为了解大巴山区茶园土壤氟和茶叶氟的分布规律特点、进行生态风险评价以及助力当地绿色农业发展提供依据。

1 实验部分

1.1 研究区概况

研究区位于陕西省安康市南部大巴山区，隶属于秦岭褶皱系北大巴山加里东褶皱带，主要有红椿坝—曾家坝断裂带和高滩兵房街褶皱束两个构造单元，广泛发育晚前寒武纪耀岭河群、埃迪卡拉纪和早古生代地层。采样点分布在大巴山北麓、汉江以南，该地区年平均气温15～17℃，湿热多雨的北亚热带季风气候和山地地形导致区内风化作用强烈，基岩风化剥蚀产生的碎屑和溶解物是当地土壤的主要物质来源。年均降水量1050mm，水资源丰富，该区海拔最高2896m，最低304m，高差2592m，主要有亚高山、中山、低山、宽谷、岩溶、山地古冰川等地貌。

研究区土层较薄、土壤相对贫瘠，耕地以小面积田块为主，土壤类型主要有潮土、黄棕壤、棕壤、灰化土、山地草甸土。该区域为秦巴山区生物多样性功能区的核心区，陕西省及西北地区最主要的茶叶主产区。

1.2 样品采集

根据研究区茶园分布状况，于2022年9月至2023年4月实地踏勘了4个茶叶产区。按统一方法分别采集代表性茶园土壤-茶叶样品64组，进行实验室分析。

根据不同海拔、坡向及周边环境等条件，选择具有代表性的茶园，每块茶园以10m×10m区域随机布设样方，按照“S型”采样法采集表层土壤，采样密度为1件/4km2，采集深度为0～20cm，充分混合后按照四分法取300～500g。采样过程中用GPS定好坐标。采样部位尽量避开堆积土、田埂、低洼地等，剔除植物根须和砾石等杂物。

茶叶样品以新叶为主，与土壤样点对应(土壤样品采自茶树根部10～15cm范围内)，以便分析土壤质量与茶叶氟的关联性。当天采回的鲜样，经过去离子水洗净，杀青后烘干至恒重，粉碎过筛后待测。

1.3 样品制备与测试

土壤样品置于烘箱内低温干燥，捏碎大块土壤以加速干燥。风干后的样品平铺在干净的制样板上，再次剔除植物残体、碎砾石等杂物，用木棍碾碎，用无污染棒磨机研磨至200目，装袋待测。

土壤总氟采用氢氧化钠熔融-氟离子选择电极法测定［21］；土壤氟形态采用连续提取法［15］，具体步骤及检出限见表1。所用离子计型号为RXSJ-227L(上海仪电科学仪器有限公司)，所用电极型号为PF-1型氟离子选择复合电极。土壤pH值采用土水比为1:2.5离子选择电极法(NY/T 1121.2—2006)测定(PHS-3E型pH计，上海雷磁仪电科学仪器有限公司)。土壤有机质采用重铬酸钾稀释热容量法测定(NY/T 1121.6—2006)。以下参数采用《土壤农业化学分析方法》中的方法测试：阳离子交换量(CEC)采用乙酸铵-电感耦合等离子体发射光谱法测定(型号ICAP-PRO，美国ThermoFisher公司)，交换性盐基Ca2+、Mg2+用乙酸按浸提，EDTA络合滴定法测定；K+、Na+用乙酸铵交换，电感耦合等离子体发射光谱法测定；土壤黏粒采用吸管法和比重法测定；铝氧化物采用氟化钾取代-EDTA容量法测定；锰氧化物采用原子吸收分光光度法测定。

表1 土壤氟形态提取步骤及检出限［15］Table 1 The extraction procedure and detection limit of fluorine speciation in soil of Ziyang area.

茶叶氟的测定参照《砖茶含氟量的检测方法》(GB/T 217280—2008)用氟离子选择电极法测定。称取0.1000g粉碎过40目筛的样品，置于50mL容量瓶中，加入10mL的1mol/L盐酸密闭浸泡提取1h，不时轻轻摇动。提取后加入25mL总离子强度调节剂(TISAB)，加入去离子水至刻度，摇匀，用氟离子选择电极法测定茶叶中氟含量［22］。

土壤样品氟形态采用农用地土壤成分标准物质GBW07915、GBW07916、GBW07935进行质控，标准物质的水溶态氟和全氟有推荐值，对标准物质各形态测定7次。测定结果（表2）的精密度均小于10%，各形态回收率在95.54%～103.23%之间(回收率=各形态加和/全量×100%)，满足研究工作要求。

表2 分析方法质量监控Table 2 Quality control of analysis method.

1.4 数据处理

采用SPSS Statistics 25.0软件进行数据描述性统计。运用数据偏度和峰度检验数据正态性分布，将满足正态分布或对数正态分布的数据进行Pearson相关性分析和回归分析。

Freundlich方程可用于预测元素从土壤到植物系统的转移［23］，其方程式如下:

式中：Cplant和Csoil是植物和土壤中某元素含量；a和b是常数。采用逐步多元线性回归建立预测模型。

2 结果与讨论

2.1 研究区土壤理化性质与茶叶氟含量安全性评价

样品测试结果见表3。研究区表层土壤样品的pH为5.2～7.4，平均值6.1。表层土壤氟含量的变化范围为487.37～1120.78mg/kg，平均值为730.63mg/kg，显著高于陕西省表层土壤背景值(497mg/kg)和全国表层土壤氟背景值(478mg/kg)［24］。根据《土壤质量地球化学评价规范》(DZ/T 0295—2016)规定的等级标准，500～550mg/kg属于适量等级，550～700mg/kg为高含量等级，超过700mg/kg为过剩等级，样品中超过700mg/kg的比例为37.34%，变异系数为87.22%，说明该地区土壤含氟量受成土母质或者人为因素的影响在空间分布上有显著差异。李静等［25］根据中国氟病区分布结合中国土壤氟总体分布，认为土壤总氟超过800mg/kg易发生地氟病，按照此标准该地区超过800mg/kg的样点约为13.4%，表明研究区部分地区存在一定生态风险。

茶树是一种高富氟植物，茶叶中的氟含量可以达到100～1000mg/kg，而茶叶中40%～90%的氟可溶解到茶水中［17］。中国农业行业标准NY 659—2003规定茶叶中氟化物含量≤200mg/kg，世界卫生组织(WHO)提出人均每天适宜的氟摄入量为2.5～4mg，研究区茶叶氟含量为31.23～112.49mg/kg，平均为57.58mg/kg，表明所有样品均未超过标准限值，与冯雪等［26］研究陕南新茶叶的氟含量为31.15～78.60mg结论一致。按照农业部制定的标准，按成人日饮茶量为10g和氟的浸出率为80%计算，则通过饮茶摄入的氟为1.6mg，约为允许摄入最大量(4mg)的40%，属于安全范围。

2.2 研究区茶园土壤氟形态特征

从土壤样品中抽选13件按照前述方法测试了土壤氟形态，插入3个标准物质，由于目前无土壤氟形态标准物质，所使用的标准物质只有水溶态氟和总氟的定值，因此本研究采用水溶态氟、总氟、回收率来进行质量控制。每个标准物质平行测定7次以考察其精密度，结果见表4。研究区土壤氟的形态分布总体为：残渣态＞水溶态＞有机态＞铁锰结合态＞可交换态。

表4 研究区茶园土壤氟形态含量及质量控制Table 4 Contents of fluorine speciation of soils in tea garden in Ziyang area and its recovery rate.

水溶态氟主要是以离子或者络合物形式存在于土壤溶液中的氟，研究区茶园土壤水溶态氟含量范围为5.27～23.15mg/kg，平均值9.72mg/kg，高于Deng等［15］在黄土高原区研究结果6.14mg/kg，远高于中国氟病发生区土壤水溶态氟的平均含量2.5mg/kg［27］，说明研究区有一定生态风险。Ws-F/To-F变化范围为1.05%～2.45%，平均值1.31%。Yi等［12］研究了土壤水溶态氟平均占比为51%，可见不同地区土壤水溶态氟的含量及占比相差很大。

可交换态氟是靠静电引力被吸附在土壤胶体表面，易被其他阴离子交换出来的氟。土壤中的铁铝氧化物、黏土矿物和有机大分子都能吸附土壤中的氟离子和金属-氟化合物。供试土壤可交换态氟含量范围为0.23～1.24mg/kg，平均值0.81mg/kg，远小于水溶态氟。Ex-F/To-F变化范围为0.05%～0.13%，平均值0.11%，Deng等［15］研究发现可交换态氟的变化范围明显大于水溶态，为0.2%～12%，这可能与研究区的土壤性质有关。

铁锰结合态氟是与铁锰氧化物结合包裹于铁锰结核表面的氟，属于较强的键合形态，具有相对较低的生物可利用性，当氧化还原电位发生变化时有可能成为游离氟。供试土壤铁锰结合态氟含量范围为5.09～8.18mg/kg，平均值6.36mg/kg，约占总氟的0.88%。

有机态氟是土壤中有机质如腐植质和有机酸起配合作用形成的螯合态氟或有机束缚态氟［28］。供试土壤有机态氟的含量范围为5.26～11.25mg/kg，平均值8.25mg/kg，约占总氟的1.15%，明显高于Deng等［15］在黄土高原地区开展的研究中铁锰结合态氟含量。

供试土壤以残渣态氟含量最高，这部分氟是被固定在矿物晶格中［29］，与水溶态、可交换态、铁锰结合态和有机态不同，残渣态氟很难释放或迁移至土壤溶液中，被认为是不具有生物有效性的氟。本研究中的残渣态氟是总氟与前4个形态的差值，其范围为456.83～952.12mg/kg，平均值682.19mg/kg，约占总氟的95.2%，与Yi等［12］和Deng等［15］在其他地区的研究结果一致，可见残渣态是土壤氟形态的主要存在形态。

2.3 研究区茶园土壤氟形态与茶叶氟相关性

土壤中各形态氟与土壤性质之间的相关性如表5所示。结果表明，影响土壤中氟赋存形态的主要因素有：土壤总氟、CEC、交换性钙、土壤黏粒、铝氧化物。水溶态氟与pH(r=0.55，p＜0.05)、CEC(r=0.85，p＜0.01)、交换性钙(r=0.67，p＜0.01)、交换性钾(r=0.52，p＜0.05)有显著正相关性。土壤pH是理化性质的综合体现，土壤pH升高时土壤中负离子增加，OH-(离子半径0.140nm)与F-(离子半径0.136nm)相近，在土壤溶液中易发生交换，OH-易与Al3+、Ca2+、Fe3+形成沉淀，减少与F-的接触机会。袁连新等［30］研究发现土壤pH＜7.5时，pH与水溶性氟呈正相关关系，但对于碱性土壤(pH＞7.5)，水溶态氟含量与pH之间并无明显相关性，因此在判定水溶态氟与pH的关系时，应先以土壤pH范围划分，供试土壤pH范围为5.2～7.4，与本研究结论一致。水溶态氟与CEC、交换性钙、交换性钾有显著正相关性，是因为土壤中阳离子的增加使得土壤对氟阴离子的交换性吸附减少，从而使得水溶性氟含量增大［31］。水溶态氟与土壤黏粒(r=-0.75，p＜0.01)、铝氧化物(r=-0.66，p＜0.01)呈显著负相关关系，可能是由于氟的外层电子构型是2s22p5，获得电子的能力非常强，很容易与其他原子的电子轨道形成共价键，土壤溶液中的氟可与镁、硅、铝、铁等离子形成络合物从而带负电荷，这些负电荷会被土壤黏粒、铁铝氧化物等吸附而失去活性［32］。

表5 土壤理化性质、茶叶氟与土壤氟形态的相关性Table 5 Correlation among physicochemical properties of soil,tea fluorine and soil fluorine speciation.

水溶态氟与茶叶氟呈显著正相关(r=0.82，p＜0.01)，说明水溶态越高，茶叶氟含量越高，此结论与谢忠雷等［33］、陆丽君等［34］、Ruan等［9］研究一致。其余氟形态对茶叶氟的影响并不显著。

2.4 研究区茶园土壤理化性质对茶叶氟的影响

土壤理化性质与茶叶氟的相关性列于表6，可以看出影响茶叶氟的最主要因素是水溶态氟、CEC、pH、交换性铝、土壤黏粒。此研究不考虑茶叶品种、气候、地形等影响，单纯考虑土壤特性对茶叶氟的影响。从表6可以看出，土壤总氟对水溶态氟、铁锰结合态氟均有显著影响，但土壤总氟与茶叶氟的相关性却不显著，可能是由于水溶态氟在土壤中容易被吸附而固化，导致可溶性氟降低的原因。而交换性钙和交换性钾与水溶态氟有显著正相关(r=0.67，p＜0.01；r=0.52，p＜0.05)，而对茶叶氟却未显示出明显相关性，其中机理还需进一步研究。

表6 土壤理化性质与茶叶氟的相关性Table 6 Correlation of soil physicochemical properties with tea fluorine.

值得注意的是，可交换态铝与水溶态氟未显示出显著相关性，却与茶叶氟呈显著正相关(r=0.67，p＜0.01)。黄春雷等［35］认为茶树生长过程中根系分泌的有机酸、氨基酸等可以调节根际微环境，对元素的形态起到调节作用，从而影响其有效性。徐仁扣等［36］认为低分子量的有机酸类物质可以通过与铝离子的配合作用及与氟离子的竞争作用改变土壤中氟的形态，从而改变水溶性氟含量，有利于茶树对氟的吸收。Pan等［37］和谢忠雷等［38］认为氟铝络合物(AlF2+、AlF2+、AlF4-)是茶树体内氟的主要存在和运输形态，且土壤中的交换性铝可以促进茶树对氟的吸收，此结论与本研究一致。

2.5 研究区茶叶氟的影响因素

回归分析是确定两种以上变量之间定量关系的统计方法，它用于揭示因变量与多个自变量之间的关系，本研究采用多元线性回归方法分析影响茶叶氟的主要控制因素，采取置信区间为99%表述变量之间的相关性。土壤理化性质为自变量，茶叶氟(Tea-F)为因变量，建立方程。

通过表6看出，影响茶叶氟含量的因子主要有水溶态氟（x1）、CEC（x2）、交换性铝（x3）、有机质（x4）、pH（x5）和土壤黏粒（x6），其中有机质虽与茶叶氟含量相关性不显著（R2=-0.35），考虑到方程的适用度，故一并纳入方程考察。以上6种土壤性质参数作为因变量，以茶叶中氟含量作为变量构建多元回归方程，用对数转换的Freundlich模型来拟合土壤理化性质对茶叶氟的影响的回归方程，见表7，其中CTea-F、Cx1、Cx3、Cx2、Cx4、Cx3、Cx5、Cx6分别代表茶叶氟含量、土壤水溶态氟、CEC、交换性铝、有机质、pH和土壤黏性粒含量。从表7中可以看出，基于土壤水溶态氟的单因素回归方程预测精度最低（R2=0.54,p＜0.01）；基于水溶态氟、CEC、交换性铝、有机质、pH的回归方程6预测精度最高（R2=0.86,p＜0.01），此方程若考虑土壤黏粒，预测精度反而有所降低（R2=0.81,p＜0.01），见方程7。在方程6的基础上不考虑有机质，方程的预测精度下降（R2=0.84,p＜0.01），见方程5。故将有机质作为考虑的因素，对该模型进行了共线性诊断，VIF值为5.02，说明该方程中自变量之间有自相关性，而方程6的VIF值为2.02，说明方程6各因子之间没有明显自相关性，因此认为方程6可以较好地预测大巴山区茶叶氟的含量，方程中的5种因子是影响茶叶氟含量的主要因素。

表7 影响茶叶氟的回归模型Table 7 Regression model of factors influencing tea fluorine.

用16组土壤-茶叶样品数据对方程预测精度进行了验证，回归方程的预测精度达到88.0%，说明由水溶态氟、CEC、交换性铝、有机质、pH等5个因子构建的预测模型lgCTea-F=lgCx1+0.18lgCx2-1.42lgCx4+1.06lgCx3+0.09Cx5+1.09可以解释影响茶叶氟86.0%的变异。Freundlich模型经常被用于预测元素的生物有效性，通常基于容易测得的土壤性质，如pH、OC、CEC和元素总量等。宋文恩等研究水稻中Cd的生物有效性时，得到的方程可以解释81.9%以上的变异［39］。在本研究中，5个土壤因子的变化范围较大，以确保这些变量在回归模型中有意义。本研究可以为紫阳地区及相似地区茶叶氟生态风险评价、指导绿色农业发展提供理论依据。

3 结论

以大巴区茶园土壤为研究对象，研究了土壤性质对茶叶氟的影响，采用多元回归方程建立了影响茶叶氟含量的Freundlich模型。结果表明：①研究区表层土壤氟的变化范围为487.37～1120.78mg/kg，平均值730.63mg/kg，部分地区有发生氟病的风险；②土壤氟形态分布总体为：残渣态＞水溶态＞有机态＞铁锰结合态＞可交换态，供试土壤以残渣态含量最高，其范围为456.83～952.12mg/kg，平均值682.19 mg/kg，约占总氟的95.2%；③水溶态氟与茶叶氟有显著相关性(R2=0.82，p＜0.01)，以土壤理化性质参数作为变量，构建影响茶叶氟含量的多元回归方程，用对数转换的Freundlich模型拟合土壤理化性质对茶叶氟的影响的方程为lgCTea-F=lgCx1+0.18lgCx2-1.42lgCx4+1.06lgCx3+0.09Cx5+1.09，该方程可以解释86.0%的变异，通过验证模型的预测精度达到88.0%。

可见研究区水溶态氟、CEC、交换性铝、有机质、pH等5个因子是影响大巴山地区茶叶氟的主要因素。该研究对于调控茶叶氟含量、提高茶叶品质、助力当地绿色农业发展具有重要意义。

BRIEF REPORT

Significance:Tea trees are plants with high fluorine enrichment, and their enrichment ability is dozens or even hundreds of times that of other plants. The fluorine content in each kilogram of dry tea can reach several thousand milligrams. Drinking tea is an important pathway for human intake of fluorine, and moderate intake of fluorine has a promoting effect on body growth. In recent years, the relationship between fluorine intake through tea drinking and human health has received significant attention. Tea drinking-induced fluorosis is a unique type of fluorosis in China and a serious public health problem in western China. In the absence of air pollution, the fluorine in tea mainly comes from the soil. The absorption and transportation of fluorine by tea tree roots are influenced by soil pH, the presence of fluorine speciation, and other elements (such as Al3+, Ca2+, Cl-, etc.)[8]. Soil properties have a significant impact on soil fluorine speciation. Currently, it is believed that soil pH, organic matter, soil clay, exchangeable ions,and other factors have a significant impact on water-soluble fluorine, but their degree of influence is related to the research area. This study constructed a model for predicting tea fluorine based on soil physicochemical properties and soil fluorine speciation data, which reached a reliable level. It can provide theoretical basis for ecological risk assessment of tea fluorine in Ziyang and similar areas and guide the development of green agriculture.

Methods:The tea garden soil in Ziyang County, Daba Mountain area was used as the research area. 64 sets of tea garden soil-tea samples were collected, and the physical and chemical properties of the soil, soil fluorine, soil fluorine speciation, and tea fluorine content were measured. Through multiple regression analysis, a Freundlich model affecting the fluorine content of tea in Daba Mountain area was established, and the prediction accuracy of the model was tested.

Data and Results:The results show that: (1) The variation range of fluorine in the surface soil of tea gardens in the study area is 487.37-112.78mg/kg, with an average value of 730.63mg/kg; The fluorine content in tea leaves in the study area is 31.23-112.49mg/kg, with an average content of 57.58mg/kg (Table 3). All samples do not exceed the limit of agricultural standards (NY659-2003); (2) The distribution of fluorine speciation in tea garden soil in the study area is as follows: residual F>water-soluble F>F bound to organic matter>F bound to Mn and Fe oxides>exchangeable F. The range of water-soluble fluorine content is 5.27-23.15mg/kg, with an average of 9.72mg/kg, which is much higher than the average water-soluble fluorine content of 2.5mg/kg in China’s endemic fluorosis areas, indicating the risk of endemic fluorosis in the study area. There is a significant correlation between soil water-soluble fluorine and tea fluorine content (n=64,r=0.82,p<0.01) (Table 6), while other forms have no significant correlation with tea fluorine content; (3) Using water-soluble fluorine, CEC, exchangeable aluminum,organic matter, and pH as variables, a multiple regression equation was constructed to predict the fluorine content in tea. The Freundlich model was used to predict the fluorine content in tea, which can explain 86.0% of the variation.The prediction accuracy of the model reached 88.0% through verification, and overall, the prediction effect was good.