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西南茶区土壤-茶树系统重金属现状
胡留杰1 , 廖敦秀 1 , 马连杰 1 , 朱金山 1 , 刘小平 2
（ 1 重庆市农业科学院, 重庆九龙坡 402329；2 四川省泸县农林局, 四川泸县 646100）
摘 要： 西南茶区地处中国西南部, 主要产茶地区为云南、 贵州、 四川和重庆, 是中国最古老的茶区.为了解中国西南茶区的重金属含量现状, 笔者回顾和综述了国内外有关茶园土壤重金属方面的研究文献, 并提出了土壤-茶树系统重金属的研究方向.总结如下： 西南茶区重金属含量状况总体良好, 部分茶区镉、汞含量超标(GB 15618—2008)； 土壤重金属主要以水溶态、 交换态、 有机结合态、 铁锰氧化态、 碳酸盐态、残渣态几种形态存在, 水可溶态和交换态的生物有效性较高, 且受土壤pH值的影响较大.茶园的管理模式、 土壤理化性质、 茶园园龄和茶树树龄等都会影响土壤-茶树系统重金属的迁移.因此加强土壤-茶树系统重金属迁移规律的研究, 构建土壤-茶树重金属污染预测预警尤为重要.
关键词： 茶园土壤； 赋存形态； 迁移转化
中图分类号： S-1 文献标志码： A 论文编号： cjas17040010
基金项目： 重庆市农发资金(NKY-2016AB033； NYK-2016AC030)； 重庆市基本科研业务费(2014cstc-jbky-00505； 2015cstc-jbky-00530).
第一作者简介： 胡留杰, 女, 1981年出生, 河南西平人, 助理研究员, 硕士, 主要从事土壤环境质量变化研究.通信地址： 402329 重庆市九龙坡区白市驿镇农科大道 重庆市农业科学院, Tel： 023-65778912, E-mail： shuimu0702@163.com.
通讯作者： 刘小平, 男, 1964 年出生, 四川泸县人, 农艺师, 本科, 主要从事有机农业研究.通信地址： 646100 四川省泸县农林局, E-mail：lxplxp1964311@sina.com.
收稿日期： 2017-04-11, 修回日期： 2017-07-24.
0 引言
茶树发源于中国, 目前, 亚洲、 欧洲、 非洲、 美洲、 大洋洲150多个国家和地区在从事茶叶生产和经营.茶已成为全世界普遍受欢迎的一种天然、 营养、 保健饮料.但是近年来, 随着工农业的深入发展, 不断出现有关茶叶质量问题的报道, 茶叶重金属含量超标是近几年出现的主要质量问题之一.土壤是茶叶中重金属的重要来源, 茶叶中重金属主要通过 “土壤—植物—人体” 的途径进入人体, 对人类健康产生潜在的威胁 [1-3] ,当重金属富集量超过人体所能承受的最大限值时, 必然会危及人体健康.
西南地区是世界茶树的原产地, 也是中国重要的茶区之一, 大部分茶区分布在海拔500 m以上的高原,属于高原茶区, 也有部分茶区分布在盆地.整个茶区土壤类型较多, 在云南中北部多为赤红壤、 山地红壤及棕壤, 重庆、 四川、 贵州则以黄壤为主.西南茶区各地气候变化大, 年平均气温 15~18℃, 年降水量大多在1000 mm以上, 雾多, 对茶树的生长十分有利.但是随着山区旅游业的开发、 交通运输业的发展, 人为因素造成环境中的重金属越来越多.因此笔者对国内外关于茶园土壤重金属含量、 茶树体内重金属运移、 茶园栽培管理等方面文献和资料进行综述, 阐述中国西南茶区重金属含量现状, 并指出茶园土壤-茶树系统重金属今后的研究方向, 以期为推动茶园土壤重金属预测预警研究工作提供依据.
1 西南茶区土壤重金属含量水平
土壤中的重金属很大程度上来自于人为因素, 人类各种活动如采矿、 冶炼、 施肥、 施用杀虫剂、 废水排放和废渣堆放等都可导致局部土壤重金属含量升高.茶园土壤重金属来源主要包括自然因素和人为因素.成土母质是茶园土壤重金属的自然来源, 但是在人们从事生产、 经济和社会活动的过程中, 会导致大气沉降、农药化肥使用、 茶树种植模式及其他等认为因素, 这也是构成茶园土壤重金属来源的重要因素.
土壤中重金属的生物学毒性以汞最强, 其次是铜, 然后依次是镍>铅>钴等于锌>镉, 并且依据土壤类型及其植物种类的不同, 这一顺序会有所差别 [4] .重金属含量过高对植物造成不可逆的损伤, 会导致植物叶片叶绿素结构破坏、 细胞膜系统受到损伤等, 综合表现为植物生长缓慢、 光合作用下降、 植株矮小、 叶片失绿变形、 根系受损； 果实类作物则表现为果实小、 着色早等问题 [5-7] .
中国四川茶区根据其地域特征, 主要出产蒙顶甘露、 文君绿茶、 青城雪芽、 峨眉竹叶青、 川红工夫五大种茶, 共有近46个产茶县, 其中川西地区包括近30个主要产茶县, 重金属含量总体良好 [8] , 但是不同重金属含量差异较大, 镉的超标率为2.1%, 各重金属元素的污染程度大小依次为镉＞铬＞砷＞汞＞铜＞铅； 单项污染指数均小于1, 综合污染指数小于0.7.川东地区有16个县市产茶, 该地区茶园土壤的铅、 铜、 锌、 镍 等重金属元素含量未超标, 但镉、 汞、 砷、 铬等重金属元素的含量存在一定程度的超标 [8-9] .
贵州是西南茶区重要的产地之一, 根据行政区划、海拔、 产茶类型等条件将贵州产茶区主要分为5个, 分别是黔中, 黔南高档名优茶产业带, 黔东优质出口绿茶产业带、 黔北锌硒优质绿茶产业带, 黔西北高山有机绿茶产业带, 黔西南大叶种早生绿茶和花茶产业带.有研究表明： 贵州部分茶区重金属镉和汞含量较高, 其中贵州黔南州、 开阳、 贵定、 凤冈、 云雾、 都匀、 湄潭等几个主要茶区中镉和汞的含量超标较为严重, 湄潭茶产区土壤镉的超标率最高, 达到39.4%, 都匀茶产区土壤汞超标率最高, 为24.2% [10-15] .
云南省的地形气候环境很特殊, 有高纬度、 高海拔、 低纬度与低海拔同时存在, 加上各地区因茶树品种和生态环境不同, 茶菁茶质有明显不同特质, 具有 “北苦南涩、 东柔西刚” 的特征.有研究表明： 云南省普洱、临沧、 保山、 西双版纳、 大理等地茶园土壤重金属铅、 镉和铜的含量均较低, 铅和镉平均含量均处在国家土壤环境质量一级标准水平, 铜平均含量都处在二级水平； 云南古茶园土壤铅(10.7~3.5 mg/kg), 汞(0.030~0.148mg/kg),镉(0.033~0.120 mg/kg), 锌(21.4~87.3 mg/kg)均达到国家土壤环境质量一级标准(GB15618—2008)； 铬(15.4~8.5mg/kg), 砷(12.2~3.1mg/kg), 铜(13.6~3.4 mg/kg)均达到国家土壤环境质量二级标准, 所有古茶园综合污染指数小于0.7, 表明古茶区土壤属于清洁水平, 满足有机茶园环境条件, 适合建设有机茶园 [16-17] .
重庆已有3000年的种植历史, 重庆茶叶以绿茶为主, 针型绿茶最具代表性, 重庆茶区具有30多个区县产茶, 出产近60种茶叶, 其中以针形绿茶为代表, 通过对已发表的文献查阅： 重庆市永川区、 荣昌区和南川区茶园土壤环境质量总体表现良好, 未受到重金属砷、铜、 铅的污染, 其单因子污染指数Pi<1、 综合污染指数P 综 <0.07, 但Cr元素的综合污染指数为0.763, 达到警戒线水平, Cd元素污染严重 [18] ； 永川区茶园土壤汞含量水平良好 [19] , 重庆某个未标明产地茶园重金属铅、镉、 铬、 铜、 汞总体状况良好, 各元素单因子污染指数Pi<1, 综合污染指数 P 综 <1.0 [20] .笔者所在单位于2006—2008年连续3年对重庆茶区30个区县茶园土壤采样200多个茶园土壤样品, 研究发现, 茶园土壤汞超标率达到5.1%, 其中部分区县汞含量较高, 超过国家土壤环境质量二级标准(GB 15618—1195).
总体来说, 西南茶区由于其地理位置和地形特点,加上人们在种植过程中的合理管理, 土壤中重金属含量状况较为良好, 大部分茶园土壤质量水平达到有机茶园所要求的环境条件, 适合建设有机茶园.
2 茶园土壤中重金属的赋存形态
土壤中重金属主要分为水溶态、 交换态、 有机结合态、 铁锰氧化态、 碳酸盐态、 残渣态 [21] .其中水溶态和交换态重金属又称为有效态, 对植物吸收利用重金属有重要关系.植物从土壤环境吸收重金属元素的难易程度, 一般认为, 植物可直接吸收利用的为水溶交换态重金属, 但毒性也最强.随着土壤中重金属总量增加,可交换态重金属量上升, 残余态重金属量减少, 相对会增加重金属的毒性 [22] .
茶园土壤重金属赋存形态受诸多因素的影响, 如土壤理化性质, 重金属种类、 来源, 茶树品种、 管理措施等, 有研究表明： 公路附近茶园土壤中铅和镉的总量、残余态、 氧化物结合态、 有机质结合态铅和镉的含量主要与土壤中铅、 镉积累有关； 而生物有效性较高的交换态和水可溶态铅、 镉受土壤pH值影响很大 [23] .茶园土壤中重金属含量均随着于高速公路距离的增加而降低的趋势 [24] .不同茶园土壤有效态铅、 铜、 镉含量和总量, 均达到差异极显著水平(P＜0.01), 3种重金属元素有效态和总量也均表现为表土层＞心土层.茶树是多年生植物, 茶树属于富铝作物, 长期种植茶树导致茶园土壤酸化, 会进一步增加土壤中重金属活性, 增强重金属的迁移转化行为.以锌为例, 重金属在茶园土壤中分布规律为残渣态＞有机结合态＞交换态＞铁锰氧化物结合态＞碳酸盐结合态, 其中交换态与土壤pH值呈显著负相关, 有机结合态与土壤阳子交换量显著负相关, 而残渣态与粘粒含量和阳离子交换量均呈显著正相关 [7] .不同赋存形态的重金属表现出不同生物毒性和环境行为, 影响其在土壤-茶树系统中的迁移转化能力.
3 茶树-土壤中重金属迁移规律研究
3.1 土壤-茶树系统中重金属迁移转化规律
重金属元素的植物毒性作用、 重金属在植物体不同器官内迁移和分布能力与该元素的化学形态有非常大的关系, 元素的化学形态不同其生物活性也存在很大差异, 植物中重金属形态的变化是植物对重金属积累和解毒的重要机制之一.
重金属在茶树体内的运移分布多表现为吸收根＞茎老叶＞新梢 [24-25] ； 茶树不同器官中重金属含量有显著差异, 嫩枝中以铅、 镉.锌含量最多； 叶片中以铜、 锰、镍积累较多； 根茎中以锌和铬含量较多； 而茶叶中主要以钙、 镁、 锰、 铝含量较高, 铜则在根、 茎、 叶中分布相对均匀 [25] .但是亦有研究表明： 铅在茶树体内的分布规律为根＞茎＞新叶＞老叶, 新根和主根对铅的吸收能力存在差异 [25-27] .铜在苦丁茶中的分布规律为吸收根＞嫩叶＞茎＞主根 [27] .
3.2 茶树-土壤中重金属迁移转化的影响因素
重金属在土壤-茶树系统中的迁移和转化受到土壤pH值、 土壤质地、 有机质含量、 土壤中重金属赋存形态、 管理方式、 生态条件等因素的影响.
3.2.1 茶园管理模式的影响 不同管理模式下土壤的理化性质和重金属形态差异较大, 直接或间接影响重金属迁移转化 [28] .茶园系统中重金属的年平衡值有机肥施用为主的茶园高于化肥施用为主的茶园, 施用有机肥会增加茶园中锌、 铜、 镉和汞的输入 [29] .茶园施用污泥堆肥、 猪粪和茶树修剪物后茶叶和茶园土壤中重金属含量则有不同程度地改变, 其中以施用污泥堆肥后,茶叶重金属含量增加, 而施用猪粪和茶树修剪物后能降低土壤中的重金属含量, 尤其是有效态含量, 降幅则随施用量的增加而增加, 以猪粪效果为最好 [30-31] .茶园栽培模式对土壤-茶树重金属迁移亦有影响, 单作茶园土壤和茶树叶片中铅、 锌含量均高于间作茶园[31] , 但是不同间作植物对茶园土壤重金属影响较大, 杉木-茶的间作可降低茶园土壤铅、 镍、 锰、 锌元素含量, 尤其对锰有较强降低作用 [32] .
3.2.2 土壤理化性质的影响 茶园土壤是酸性环境, 茶园种植时间越长, 土壤pH值越低, 土壤中重金属的生物利用度越高, 越有利于向茶叶的迁移, 茶树是富铝作物, 由于茶树的多年生特性, 茶园土壤会随着茶园种植年限的增加呈现酸化的趋势, 土壤pH值越低, 土壤中重金属的生物有效性越高, 越有利于向茶叶中迁移 [33] .采用室内模拟酸雨, 酸雨pH值越低, 土壤酸化强度越大, 伴随着土壤的酸化, 土壤中的重金属铅不断溶出,外源铅进入土壤后, 各形态铅的含量显著增加, 活性越强的形态增加的比例越大 [34] ； 土壤有机质与重金属的生物活性有较影响, 有研究表明： 土壤可交换态铜、 可交换态铬和有机结合态铜与土壤有机质呈显著正相关, 茶叶中铜和铬含量与土壤有机质含量呈显著负相关 [35] .
3.2.3 茶树树龄的影响 茶树树龄对重金属的吸收累积时间和过程具有一定差异.有研究表明： 茶树不同树龄中重金属铅、 铜、 铬、 镉、 汞和砷的含量有一定的差异 [36] ；部分重金属元素随着种植年限的延长呈现降低的趋势, 比如嫩叶中铁、 镍、 铬和砷几种元素在40年以上茶树叶片中的含量大于40年以下茶树叶片含量, 而有些元素则随着茶树树龄的增加呈现增加的趋势 [34] , 比如铝、 镁、 锌、 铜和铅.
3.2.4 其他影响因素 海拔高度、 坡度和光照等因素也会影响重金属在茶树-土壤中的迁移.不同海拔、 坡度和光照条件下, 茶园具有独立的小气候环境, 土壤有机质、 pH值等含量差别较大, 进而影响到重金属在茶园生态系统中的积累与迁移 [28] .
4 研究展望
关于茶园土壤中重金属含量、 赋存形态以及污染评价以及重金属在土壤-茶树系统中的运移转化等方面, 已有大量的研究 [27-28,38-39] , 但由于受研究手段、 方法等诸多因素的影响, 目前的诸多研究多存在于模拟实验, 因此今后茶园重金属研究方向2个方面.
（1） 重金属在茶园土壤-茶树系统中的累积和迁移转化特征方面的研究多集中在模拟试验, 但是实际生产当中, 重金属的迁移转化受到多种因素的影响,比如茶树树龄、 管理模式、 气候条件等诸多因素的影响, 因此仍需做大量的野外实验以获得准确的实验数据, 来验证室内实验的结果, 以建立较为标准的研究方法.
（2） 茶园重金属趋势预测预警系统的建立, 土壤重金属预测预警是指一定时期内对土壤重金属含量进行分析、 评价, 再综合评价结果进行总的预测, 从而确定土壤重金属变化的趋势、 速度和达到污染水平的时间, 并且根据需要及时发出各种警戒信息、 提出相应对策.目前土壤重金属预测预警主要应用于农田、城市土壤重金属污染预测, 因此建立茶园土壤重金属预测预警, 及时发现存在的重金属污染风险显得尤为重要.
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