茶是历史悠久、营养丰富的中国古老传统饮品,也是世界三大饮料之一。近年来,有关茶叶重金属含量超标的报道越来越多。重金属含量超标是影响茶饮用安全的重要因素之一^[1],若重金属含量超标,将影响茶的口感,降低其营养价值和品质,最终危害人体健康^{[2, 3, 4, 5]}。不少发达国家和地区对茶叶重金属含量提出了严格的限量要求,茶叶重金属含量超标导致中国茶叶出口量持续下降^{[3, 5]}。茶园土壤是茶叶重金属的主要来源^[3],其重金属含量对茶树生长代谢、产量和品质等方面具有十分重要的影响^[4]。茶园土壤、茶树的重金属污染程度受化肥、农药、种植模式以及周边工业、旅游业、交通业发展等诸多因素的影响^{[6, 7]}。

茶树[Camellia sinensis (L.) O. Ktze.]是中国亚热带地区重要的经济作物。武夷岩茶作为中国十大名茶之一,茶园面积大,分布范围广,环境差异性大,茶叶品质不一^{[8, 9]}。土壤重金属分布具有随机性和结构性的空间变异性质,以往研究对此有所忽视,研究结果没有直观反映重金属的空间分异,使其评价和实用性受到限制^[4]。目前,对武夷山茶园不同生态区域土壤重金属含量分析及风险评价的研究鲜见报道^[10],因此有必要对武夷山不同区域茶园土壤重金属含量及其分布特征进行研究,并作出科学评价。本课题组研究了武夷山国家级自然保护区、九曲溪生态保护区和国家级风景名胜区3种不同生态区域条件下土壤重金属(Cu、Zn、Pb、Cr、Cd、As、Hg)的空间分异特征,并进行生态风险评价,为有效防治武夷山茶园土壤重金属污染、保护茶园生态环境以及保障茶叶品质提供基础资料和科学依据。

武夷山市位于福建省西北部,北纬27°27'31″-28°04'49″,东经117°37'22″-118°19'44″,属亚热带季风湿润气候。大部分成土母岩由火山砾岩、红砂岩和页岩组成,土壤表层多为灰紫色砂粒及砾块。截至2013年6月,拥有茶山9 200 hm²,且茶园面积仍呈上升趋势。

武夷山国家级风景名胜区(以下简称景区)地处福建省西北部,面积约7 000 hm²,属低山丘陵地。国家质量监督检验检疫总局根据《原产地域产品保护规定》批准武夷山市风景区为武夷岩茶名岩产区的范围^[10]。九曲溪生态保护区(简称生态区)位于武夷山风景名胜区西侧,总面积3.64×10⁴ hm²,是1988年福建省人民政府为使武夷山风景名胜资源得以永续利用而划定的保护地带。山地坡度30°-40°,海拔500-1 000 m;拥有大面积的次生阔叶林和人工林,并盛产茶叶、毛竹[Phyllostachys heterocycla (Carr.) Mitford]等。武夷山国家级自然保护区(简称保护区)位于武夷山脉北段的最高部位,平均海拔1 200 m,并以山貌雄伟和生物多样性而闻名于世,总面积为5.65×10⁴ hm²,是福建省最大的自然保护区;其森林覆盖率达95%以上,主要分布有常绿阔叶林、针阔混交林、针叶林、山地矮曲林和山地草甸5个植被类型^[11]。

2015年5月上旬,在武夷山保护区、生态区和景区内的19个茶园进行土壤样品采集。其中,样地1-8位于保护区内;样地9-14位于生态区内;样地15-19位于景区内。在每个样地按S形布设5个土壤取样点(混合成1个样点),取0-20 cm的耕层土壤1-2 kg。采样点分布详见图1。

	图1 武夷山市茶园土壤采样点分布 Figure 1 Distribution of tea garden soil sampling sites in Wuyishan City
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土壤样品带回室内,拣去石砾、植物根系和碎屑,在室内通风处风干,并按四分法进行缩分、碾磨,过20目筛,备用。测试分析工作由安徽省地质实验研究所实验测试中心承担,元素Cu、Zn、Pb、Cr和Cd含量采用IRIS Advantage等离子体发射光谱仪(inductively coupled plasma optical emission spectroscopy,ICP-OES)测定,Hg和As含量采用XGY1011型原子荧光光谱仪(atomic fluorescence spectroscopy,AFS)测定,各元素标准样品采用国家标准物质中心提供的土壤标准样品,加标回收率控制在90%-110%。

采用单项污染指数法和综合污染指数法对茶园土壤重金属污染现状进行评价。土壤内梅罗环境质量指数加权过程中避免了权系数中主观因素的影响,是目前仍然应用较多的一种多因子环境质量指数^[8]。

潜在生态危害指数(potential ecological risk index,RI)法结合了环境化学、生物毒理学、生态学等方面的内容。它侧重于多元素的协同作用,考虑了各重金属的毒性,并以区域背景值为基准进行比较,可以综合反映区域重金属对生态环境的影响潜力,因而在国际上被广泛应用^[12]。

参考福建省土壤背景值^[15]、有机茶产地环境技术条件(NY/T 5199-2002)^[16]和茶叶产地环境技术条件NY/T 853-2004^[17](表2,pH≤6.5)进行评价。

武夷山茶园土壤重金属含量统计结果见表3。茶园土壤中不同种类元素的含量差异显著,不同生态条件下同种元素也具有一定的空间分异特征。此外,不同元素的变异系数各异,说明重金属的含量分布有一定的随机性。3个区域中,保护区茶园土壤的Cr和As含量最低,低于福建省土壤背景值;Cd和Hg含量最高,分别是福建省土壤背景值的5.52和3.22倍,累积显著。生态区的Cu、Zn、Pb、Cr含量最高,分别是福建省土壤背景值的2.16、1.78、2.52和3.25倍。景区土壤中Cu、Zn、Pb、Cd和Hg的含量最低,As含量相对其他2个区域高。3个区域茶园土壤中As含量全都达到有机茶产地环境条件(NY/T 5199-2002)^[16]限值;Pb满足茶叶产地环境技术条件(NY/T 853-2004^[17])标准;Cr、Cd和Hg元素的含量在少数茶园超出茶叶产地环境技术条件(NY/T 853-2004^[17])标准的规定。同种元素空间分异与同区域内各元素含量差异的现象是由成土母质、施肥、灌溉、耕作方式、种植年限、地型特征、污染源分布等多种因素造成的^{[10, 18]}。以上3个研究区重金属的来源还有待进一步分析研究。

以NY/T 853-2004^[17]规定的土壤相关元素(Pb、Cr、Cd、As和Hg)限值来评价武夷山茶园土壤污染状况,结果见表4和表5。由表4可知,保护区中少数茶园土壤存在Cd的中度污染,Hg的轻度污染;生态区个别茶园土壤存在Cr的轻度污染;景区茶园土壤未检测出Pb、Cr、Cd、As和Hg。

从表5可知,茶园土壤综合污染指数存在显著的区域差异。保护区茶园土壤污染最为严重,50%属于警戒线或轻污染等级;生态区茶园土壤污染次之,50%属于警戒线污染等级;景区茶园土壤最安全,尚未检测出污染物。不同区域茶园土壤综合污染危害程度为:保护区>生态区>景区。此外,各区域污染物分担情况也不尽相同,土壤污染物分担率=(土壤某项污染指数/各项污染指数之和)×100%,保护区Cd>Hg>Pb>Cr>As;生态区Cr>Hg>Cd>Pb>As;景区Hg>Cr>Cd>Pb=As。各区域Hg的分担率都较高(超过25%)。

武夷山茶园土壤潜在生态风险评价结果如图2和3所示。由图2可知,各茶园Cu、Zn、Pb、Cr和As的风险等级"低",属于轻微生态危害;Cd在保护区的风险等级:"较重"(12.5%)、"重"(75.0%)和"严重"(12.5%);在生态区的风险等级:"低"(16.7%)、"中"(66.7%)和"较重"(16.7%);在景区的风险等级:"低"(60.0%)和"中"(40.0%)。Hg在保护区的风险等级:"较重"(12.5%)和"重"(87.5%);在生态区的风险等级:"中"(33.3%)和"较重"(66.7%);在景区的风险等级:"中"(80.0%)和"较重"(20.0%)。因此,应警惕部分茶园土壤中Cd和Hg元素的潜在生态风险。

	图2 茶园土壤单项潜在生态风险评价指数 Figure 2 Individual indices of potential ecological risk assessment in studied tea garden soil
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	图3 茶园土壤综合潜在生态风险评价指数 Figure 3 Comprehensive indices of potential ecological risk assessment in tea garden soil
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从图3可知,综合潜在生态风险评价指数的区域差异性明显。采样点编号为8的茶园土壤中Cd的单项潜在生态风险最大(图2),且综合潜在生态风险指数值高达539(图3),具有很强的生态危害。该茶园位于保护区内,但距离皮坑检查口较近,来往车辆在检查口暂停检查及重新启动引起的汽车尾气、轮胎磨损等,都可能增加附近茶园土壤重金属的含量。各区域综合风险等级(所占比例)如下,保护区中(50%)和重(50%);生态区中等(100%);景区低(80%)和中(20%)。不同区域茶园土壤综合潜在生态风险危害大小为保护区>生态区>景区。

潜在生态风险评价与土壤综合污染指数评价的结果一致。但2种评价结果在各区域污染的具体等级分布存在一定差别。主要因为评价采用的参照标准与元素评价指数的权重(元素毒性)不同。其中,综合污染指数评价以茶叶产地环境技术条件(NY/T 853-2004)^[17]为参照标准;潜在生态风险评价以福建省土壤背景值为参照,并考虑不同元素的毒性,将重金属生态环境风险与毒理学联系起来,赋予不同的毒性系数,可以更直观地展示重金属对生态环境的胁迫程度^[19]。但潜在生态风险评价法可能存在的问题是,福建省土壤背景值虽然广泛被用于武夷山土壤重金属污染评价^[10],但其是否切实反映武夷山的土壤背景情况还值得商榷;且研究区海拔跨度较大,各研究区土壤背景值可能存在较大差别,会导致评价结果存在一定差异。

对武夷山不同区域茶园土壤重金属(Cu、Zn、Pb、Cr、Cd、As和Hg)全量检测的结果表明:茶园土壤中不同种类元素的含量差异显著,不同生态条件下同种元素也具有一定的空间分异特征。在不同区域重金属含量中,保护区茶园土壤的Cr和As含量最低,但Cd和Hg含量最高;生态区的Cu、Zn、Pb、Cr含量最高;景区的As含量最高。

参照国内茶园土壤相关标准的规定,研究区茶园土壤样品中As全部达到有机茶产地环境条件(NY/T 5199-2002)^[16]限值;Pb满足茶叶产地环境技术条件(NY/T 853-2004)^[17];但Cr、Cd和Hg元素含量在少数茶园超出产地标准(NY/T 853-2004)^[17],应引起重视。因此,今后应重点调查Cr、Cd和Hg来源,并进一步分析元素的形态特征及其对茶叶组分的有效性,研究土壤超标元素对茶叶带来的毒性影响情况。

以茶叶产地环境技术条件(NY/T 853-2004)^[17]评价土壤污染状况的结果表明:保护区的少数茶园土壤Cd呈中度污染,Hg轻度污染;生态区存在Cr的轻度污染;在景区土壤中未检测出Pb、Cr、Cd、As和Hg。以福建省土壤背景值为参照,评价茶园土壤潜在生态风险的结果显示,Cu、Zn、Pb、Cr和As在各区域风险等级"低",属于轻微生态危害;Cd和Hg在各区域都存在"中"或以上程度的污染。由于缺乏武夷山土壤背景值的数据,而选用福建省土壤背景值来评价各区域潜在生态风险,会对评价结果产生一定影响。因此,建议加强武夷山土壤背景值的调查与研究工作。

上述2种评价方法的结论一致:茶园土壤重金属在各区域污染程度排序为保护区>生态区>景区。这与保护区的人类活动强度最弱,景区人类活动干扰最为强烈的现象看似矛盾。从一定程度上反映了,人为活动很可能不是该茶区土壤重金属的最主要来源。事实上,茶园表层(耕作层)土壤的重金属含量不仅受土壤背景值和人类活动强度影响,还受茶农施肥、灌溉、翻耕的频率和深度等管理影响。此外,茶园坡度、土壤质地、种植情况、降雨对土壤冲刷和淋溶力度等因素的差异也在一定程度上影响土壤重金属的含量。

总之,今后应加强对不同区域茶园土壤重金属成因的定量化分析,重金属形态分布和生物有效性研究,并探讨土壤重金属对茶叶组分的影响,以便有效防治土壤重金属污染,为保护茶园生态环境以及保证茶叶品质提供科学依据。