陜南茶區(qū)土壤重金屬含量評價分析

趙 璇, 李新生,2,3, 趙佐平, 郭文伯, 米 桂, 付 靜,2

(1.陜西理工學(xué)院, 陜西 漢中 723000; 2.陜西省資源生物重點實驗室, 陜西 漢中 723000;3.陜西省黑色有機食品工程技術(shù)研究中心, 陜西 漢中 723000; 4.漢中市茶產(chǎn)業(yè)辦公室, 陜西 漢中 723000)

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陜南茶區(qū)土壤重金屬含量評價分析

趙 璇1, 李新生1,2,3, 趙佐平1, 郭文伯4, 米 桂1, 付 靜1,2

(1.陜西理工學(xué)院, 陜西 漢中 723000; 2.陜西省資源生物重點實驗室, 陜西 漢中 723000;3.陜西省黑色有機食品工程技術(shù)研究中心, 陜西 漢中 723000; 4.漢中市茶產(chǎn)業(yè)辦公室, 陜西 漢中 723000)

為了解陜南茶區(qū)土壤重金屬的含量特征及其污染現(xiàn)狀，對陜南漢中的31個茶區(qū)進行土壤樣品采集，分析了土壤中的Cu，Cd，Cr，Zn和Ni的含量以及土壤pH值。采用單因子指數(shù)法、綜合指數(shù)法以及潛在生態(tài)危害指數(shù)法對陜南茶區(qū)土壤重金屬污染進行評價。結(jié)果表明：茶區(qū)土壤pH值為4.32～6.66，主要呈酸性；Cu，Cd，Cr，Zn和Ni的平均含量分別為23.73 mg/kg，0.00 mg/kg，46.79 mg/kg，102.78 mg/kg和35.17 mg/kg。各重金屬含量均符合《土壤環(huán)境質(zhì)量標準》(GB15618—1995)二級土壤標準。以陜西省土壤元素背景值作為評價標準，以單因子指數(shù)法、潛在生態(tài)危害指數(shù)法為評價方法，茶區(qū)土壤總體表現(xiàn)為安全清潔，均達到無公害、綠色食品產(chǎn)地環(huán)境土壤標準，大部分達到有機標準。

茶區(qū); 土壤; 重金屬; 評價分析

茶葉(CamelliasinensisL.)，多年生常綠木本植物，山茶科、山茶屬灌木或小喬木，葉革質(zhì)，長圓形或橢圓形，背面有短白色絨毛，花白色。我國有悠久的茶葉種植歷史，茶葉是我國特色經(jīng)濟作物，其作為被大眾認可的一種健康飲料已有2 000多年的歷史[1]。陜西屬中國四大茶區(qū)中的江北茶區(qū)，漢中茶區(qū)一般在春至夏末期間采摘茶鮮葉制茶，主要產(chǎn)茶縣有南鄭、城固、鎮(zhèn)巴、西鄉(xiāng)、寧強等。重金屬指比重大于4.5 g/cm3以及在元素周期表中序數(shù)超過24的金屬元素[2-3]。土壤中的重金屬污染物一般不能被土壤中的微生物分解，且滯留時間長，在土壤環(huán)境中持續(xù)累積，可危害人體健康。其中Cu在一定含量范圍內(nèi)可維持植物的正常生長發(fā)育，但植物所吸收的Cu超過一定限度時，植物的質(zhì)量和產(chǎn)量就會明顯降低[4-5]。Cd是毒性較大的重金屬之一，其可刺激呼吸道并被人體吸收，對腎臟有明顯損害[6]。Cr分為三價鉻和六價鉻，其在植物中的含量超過一定限量之后，都可對植物株體造成一定損害，從而危害人體健康[7]。Zn是植物生長發(fā)育過程中的必要元素，其與葉綠素的合成有關(guān)，但過量的Zn會影響植物根系的生長，阻礙植物的正常生長發(fā)育，使植株地上部分壞死[8-9]。Ni過量會直接造成植物的損傷，影響植物的結(jié)實，從而使產(chǎn)量降低[10-11]。

隨著人們對食品質(zhì)量安全關(guān)注度的提高，重金屬污染成為最受關(guān)注的食品質(zhì)量安全指標。因此本文對陜南茶區(qū)的土壤重金屬進行含量檢測及污染評價，以期為陜西省茶區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的保護以及陜西茶葉的質(zhì)量控制提供科學(xué)依據(jù)。

1　材料和方法

采樣區(qū)位于陜西省漢中市，地處長江第一大支流漢江的源頭，北依秦嶺山脈，南至巴山，漢中盆地位于其間，城南有漢江穿流而過，屬亞熱帶氣候。漢中盆地平均海拔在500 m左右，而山體海拔500～3 000 m。茶園主要分布在南鄭、城固、鎮(zhèn)巴、勉縣、洋縣、寧強、略陽、西鄉(xiāng)，土壤pH值為4.32～6.66，偏酸性，適合茶樹生長，易于耕作。

1.2樣品采集及預(yù)處理

樣品于2014年4—6月采集，樣點主要分布于南鄭、城固、鎮(zhèn)巴、勉縣、洋縣、寧強、略陽、西鄉(xiāng)的茶園，每個采樣點均用GPS定位，并記錄采樣點周圍概況。采用4～7點混合取樣法，采樣深度為0—30 cm，后經(jīng)自然風(fēng)干，除雜后用木棒碾碎，過100目篩。參考農(nóng)業(yè)標準(NYT 1377—2007)進行pH值的測定，參考國家標準(GBT 30376—2013)、國家標準(GBT 17138—1997)中所規(guī)定的濕法消解法進行土壤的消解。再用ICP-AES測定Cu，Cd，Cr，Zn，Ni全量。

1.3評價方法

以中國土壤背景值[12]、陜西省土壤背景值[12]以及土壤環(huán)境質(zhì)量標準[13](GB 15618—2009)作為土壤重金屬的評價標準，采用單因子指數(shù)法、綜合指數(shù)法[14-16]以及潛在生態(tài)危害指數(shù)法[17]對茶園土壤重金屬污染水平及潛在生態(tài)危害進行分析評價。并以無公害食品茶葉產(chǎn)地環(huán)境條件[18]、綠色食品產(chǎn)地環(huán)境技術(shù)條件[19]為評價基礎(chǔ)，對漢中茶區(qū)體系進行評價分級。

單因子指數(shù)法計算公式為[20]：

2）PNCR系統(tǒng)：PNCR還原劑易吸潮，脫硝劑在輸送過程中易堵，造成物料輸送不連續(xù)、加藥量不精確；堵塞頻率與天氣、物料干燥度有關(guān)，出現(xiàn)過1 d多次堵料的情況。

Pi=Ci/C0i

(1)

式中：Ci——某種重金屬元素的測定值；C0i——某種重金屬元素的參比值；其中Pi≤1表示無污染，13表示重度污染。

綜合指數(shù)法計算公式為[21]：

(2)

式中：P——土壤綜合污染指數(shù)；Pn——土壤各單因子污染系數(shù)的平均值；Pmax——土壤各單因子污染系數(shù)中最大值；其中P≤1表示無污染，13表示重度污染。

潛在生態(tài)危害指數(shù)法的計算公式為[22]：

Eri=Tri(Ci/C0i)

(3)

R=∑Eri

(4)

式中：Eri——土壤中某種重金屬元素的潛在生態(tài)危害系數(shù)；Tri——某種重金屬的毒性相應(yīng)系數(shù)(Zn=1

具體評價標準可參考表1。

表1　潛在生態(tài)危害指數(shù)評價標準

1.4數(shù)據(jù)處理

土壤重金屬含量分析與評價采用Excel 2007軟件處理。

2　結(jié)果與分析

2.1茶區(qū)土壤pH值

對采集的土壤樣品根據(jù)農(nóng)業(yè)標準(NYT1377—2007)進行pH值的測定，各樣點pH值范圍為：4.32～6.66，平均值為5.53，屬于酸性土壤，有益于茶樹的生長，易于耕作。根據(jù)pH值數(shù)據(jù)可知，土壤環(huán)境質(zhì)量標準(GB15618—1995)應(yīng)選擇二級土壤環(huán)境質(zhì)量標準值作為土壤環(huán)境質(zhì)量標準限值背景值。

2.2茶區(qū)土壤干物質(zhì)量

根據(jù)國家標準(GBT 8304—2002)對采集的茶區(qū)土壤樣品進行干物質(zhì)量測定，干物質(zhì)含量最大值為99.3%，最低值為92.7%。計算出干物質(zhì)量，以便為后期重金屬含量的測定提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2.3茶區(qū)土壤重金屬含量

研究區(qū)域土壤重金屬含量的參數(shù)統(tǒng)計見表2，各重金屬元素平均含量大小為：Cd

根據(jù)農(nóng)業(yè)標準無公害茶葉產(chǎn)地環(huán)境條件，土壤環(huán)境質(zhì)量標準限值可知，漢中整體茶區(qū)土壤Cu，Cd，Cr含量，均不超過限量標準。根據(jù)農(nóng)業(yè)標準綠色食品產(chǎn)地環(huán)境條件，土壤環(huán)境質(zhì)量標準限值可知，漢中茶區(qū)Cd，Cr含量均未超過到綠色食品產(chǎn)地土壤限量標準，部分地區(qū)Cu含量輕微過量?？傮w綜合來看，茶區(qū)土壤重金屬中Cu，Ni含量較高，并且均不含Cd。

表2　土壤重金屬背景值與測定值比較

注：ND表示未測出。

2.4茶區(qū)土壤重金屬污染評價

本試驗采用陜西省土壤重金屬背景值作為參比值，該背景值與中國土壤背景值和國家土壤環(huán)境質(zhì)量二級標準相比，能夠更準確反映出陜南茶區(qū)土壤重金屬的含量。

由圖1可知，各單因子污染系數(shù)最大值中，Cu，Ni，Zn，Cr的單因子污染指數(shù)可達3.27，3.43，2.89以及1.59，表明部分地區(qū)的銅、鎳、鋅污染達到中度污染水平。如表3所示，茶區(qū)土壤各重金屬的平均單一污染系數(shù)表現(xiàn)為：Zn(1.39)>Cu(1.11)>Cr(0.77)>Ni(0.70)>Cd(0.00)，Zn，Cu表現(xiàn)為輕污染，其余3種重金屬表示為未污染。說明陜南茶園大部分地區(qū)土壤較清潔。

因茶區(qū)土壤中這5種重金屬富集程度的不同，所以單因子污染系數(shù)不能綜合表現(xiàn)土壤重金屬的污染程度，因此在單因子污染系數(shù)的基礎(chǔ)之上選擇綜合污染系數(shù)，該指標可完整、準確地反映出各重金屬污染物對土壤環(huán)境的綜合污染程度并突出高濃度污染物的影響。根據(jù)公式計算可得，P=2.09，因為綜合污染指數(shù)法主要突出高濃度污染物的作用，在土壤重金屬含量測定值高于背景值的前提下計算得出的污染指數(shù)較高[23-24]，因此該評價結(jié)果為輕微污染。

潛在生態(tài)危害指數(shù)法能夠綜合考慮各重金屬元素的濃度、毒性水平、生態(tài)敏感性以及協(xié)同作用[25]，考慮因素較全面。根據(jù)潛在生態(tài)危害指數(shù)法進行評價，結(jié)果表明(圖2)，茶區(qū)土壤重金屬元素的潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)范圍為：0.00～17.16，均遠低于40，表現(xiàn)為無污染安全清潔狀態(tài)。5種重金屬的平均潛在生態(tài)危害指數(shù)范圍為0.00～5.55，平均值為2.396，總體表現(xiàn)為輕微的生態(tài)危害，相比較下，Cu和Ni的潛在生態(tài)危害較大，其平均貢獻率分別為46.32%和29.21%。

表3　土壤重金屬污染系數(shù)

3　結(jié) 論

(1) 陜南茶區(qū)土壤重金屬含量與中國土壤背景值相比，Cu，Zn分別高于此背景值105.00%，138.51%，其余三個元素均低于此背景值；與陜西土壤背景值相比，除Cd，Cr含量低于該背景值外，其余Cu，Zn，Ni分別高于該背景值110.89%，148.10%，122.12%，且陜南茶區(qū)的重金屬含量均在土壤二級標準限值之內(nèi)。

圖1　茶區(qū)土壤各重金屬單因子污染指數(shù)的分布

圖2　茶區(qū)土壤各重金屬潛在生態(tài)危害指數(shù)

(2) 潛在生態(tài)危害指數(shù)法評價結(jié)果表明，茶區(qū)土壤5種重金屬的平均潛在生態(tài)危害指數(shù)范圍為0.00～5.55，平均值為2.396，總體表現(xiàn)為輕微的生態(tài)危害，Cu和Ni是主要的污染因子和生態(tài)危害因子。

(3) 以農(nóng)業(yè)標準無公害茶葉產(chǎn)地環(huán)境條件(NY 5020—2001)為評價依據(jù)，可知漢中茶區(qū)土壤整體可達無公害標準；以綠色食品產(chǎn)地環(huán)境條件(NY 391—2000)為依據(jù)可以看出，漢中茶區(qū)土壤Cd，Cr含量均可達到綠色食品產(chǎn)地土壤標準；有機產(chǎn)品標準規(guī)定土壤環(huán)境質(zhì)量應(yīng)符合土壤環(huán)境質(zhì)量標準(GB15618)中的二級標準。整體說明漢中茶區(qū)土壤較清潔，且大部分地區(qū)符合有機種植要求，對于漢中進一步發(fā)展有機茶產(chǎn)業(yè)具有較大優(yōu)勢。

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Assessment on Soil Heavy Metal Contents in Tea Plantation in Southern Shaanxi Province

ZHAO Xuan1, LI Xinsheng1,2,3, ZHAO Zuoping1, Guowen Bo4, MI Gui1, FU Jing1,2

(1.ShaanxiUniversityofTechnology,Hanzhong,Shaanxi723000,China; 2.ShaanxiKeyLaboratoryofBio-Resource,Hanzhong,Shaanxi723000,China; 3.ShaanxiProvinceBlackOrganicFoodEngineeringTechnologyResearchCenter,Hanzhong,Shaanxi723000,China; 4.HanzhongTeaIndustryOffice,Hanzhong,Shaanxi723000,China)

A total of 31 soil samples were colletcted in 31 tea plantations in the southern Shaanxi Province. Concentrations of heavy metals such as Cu, Cd, Cr, Zn and Ni, and the pH of soils, were measured．Single factor index, comprehensive index were used to assess the degree of heavy metal contamination, and the potential ecological risk index method was applied to evaluate the ecological risk of heavy metal contamination of soil in tea plantation. The results showed that the tea plantation soil was mainly acidic with a pH ranging from 4.32 to 6.66, the average concentrations of Cu, Cd, Cr, Zn and Ni were 23.73 mg/kg, 0.00 mg/kg, 46.79 mg/kg, 102.78 mg/kg and 35.17 mg/kg, respectively. Heavy metal concentrations in the tea plantation soil samples were all lower than the heavy metal limit values of the class Ⅱ environmental quality standard for soils in China (GB15618—1995). If the concentrations of soil heavy metals in Shaanxi Province was selected as the standard, it could be seen that the heavy metal pollution in tea plantation soil was generally low and posed low ecological risk, the soils all reached the standards of pollution-free， and most soils conformed to the organic standars.

tea plantation; soil; heavy metal; assessment

2015-09-19

2015-10-30

農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)環(huán)境重點實驗室項目(2015);漢中市茶葉分析檢測技術(shù)體系的研究(11JS031);陜西理工學(xué)院人才啟動項目(SLGQD13-17)

趙璇(1990—),女,陜西略陽人,碩士研究生,研究方向:植物資源學(xué)。E-mail:zxmm314@163.com

李新生(1956—),男,湖南衡陽人,教授,研究方向:生物資源開發(fā)應(yīng)用。E-mail:lxs9@tom.com

趙佐平(1982—)男,陜西旬陽,博士,主要從事污染物遷移與調(diào)控研究。E-mail:zhaozuoping@126.com

X53

A

1005-3409(2016)03-0287-04