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不同茶园茶树与土壤的铜含量及分布特征

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摘要:采用火焰原子分光光度法测定了不同茶园茶树及对应土壤样品中铜的含量,研究茶树各部位及土壤中铜的分布特征,以富集系数(BAF)为指标对茶树吸收累积铜的能力进行评价。结果表明,茶树新梢与树体铜含量分别为(10.65±0.68)mg/kg和13.85 mg/kg;茶园土壤全铜和有效态铜含量分别为17.09~89.33 mg/kg和2.72~12.28 mg/kg;树体各部位铜含量和分布率为侧根>叶片>主根>生产枝>骨干枝,其中根系及叶片吸收累积铜占树体的49.87%和22.28%;不同茶园茶树的各部位铜含量、铜分布率及富集系数等均差异明显;不同茶园的土壤全铜和有效态铜含量及铜利用率(PBC)均差异明显;茶树体、叶片、主根、侧根铜含量与土壤铜含量之间相关不显著。

关键词:茶树;土壤;铜;富集系数;分布特征

中图分类号:S571.1 文献标识码:A 文章编号:0439-8114(2012)07-1370-05

Cu Concentration and Distribution Characteristics of Tea Plants (Camellia sinensis) and Soil in Different Tea Gardens

ZHAO Ya-ting1,DU Xiao1,2,LI Pin-wu1,WEI Xiao-hui2,YU Zheng-lun2,GAO Rong2

(1.College of Horticulture, Sichuan Agricultural University, Yaan 625014, Sichuan, China;

2.Yaan Institute of Product Quality Supervision and Verification, Yaan 625000, Sichuan, China)

Abstract: The method of FAAS was used for the determination of Cu concentration of the soil and tea plants samples from different tea gardens. The distribution characteristics of Cu concentration in different parts of tea plants and soil were investigated and the absorption and accumulation ability of Cu by tea plants was evaluated by the enrichment coefficient. The results showed that the Cu concentration of tea shoots and tea plants were (10.65±0.68)mg/kg and 13.85 mg/kg, respectively. The ranges of the total Cu and available Cu in soil were 17.09~89.33 mg/kg and 2.72~12.28 mg/kg. Cu concentration and distribution in different parts sorted as side root > leaves > main root > production branch > backbone branch. The Cu concentration absorbed and accumulated by roots and leaves of the tea plants were 49.87% and 22.28%. The Cu concentration, distribution and enrichment coefficients in tea plants of different tea gardens were significantly different. And the tea plants showed weak enrichment ability of Cu. There was also significantly difference in total Cu, available Cu, utilization ratio of Cu in soil among different tea gardens. There was no significant correlation between the Cu concentration of major parts of tea plants and the soil.

Key words: tea plants; soil; Cu concentration; enrichment coefficient; distribution characteristics

铜元素是动植物生长发育必需的微量元素之一,同时也是污染食品、饮料的限量重金属元素,限制食物的铜含量来控制人体总摄入量十分必要。茶叶中铜的限制量ISO为60 mg/kg、欧盟为40 mg/kg、日本为100 mg/kg[1]、英国和美国为150 mg/kg;我国农业部规定茶叶中铜的限制量绿色茶叶为60 mg/kg[2]、有机茶为30 mg/kg[3]。一般茶叶铜含量为15.00~30.00 mg/kg,一些茶叶铜含量较高,达到47.58~63.26 mg/kg[4],个别茶叶铜含量超过许多标准茶叶铜限量。茶叶中铜一般来源于茶树种植环境(土壤、水体和大气)、加工机具设备(含铜机件、用具)和冲泡环节(水质和用具)等,众多学者认为茶树栽培因素、生理特性影响茶叶铜含量[5-7]。茶叶质量安全管理的“源头防范”十分重视茶树种植过程及土壤环境方面铜的研究工作。针对茶树吸收累积铜的特性和田间种植茶树进行的研究已有很多报道[8,9]。由于茶园环境条件差异较大,田间取样测定的茶树铜含量及其分布差异较大,茶树与土壤铜含量的相关分析结论也不尽一致,为此研究不同茶园的茶树及土壤中铜含量与分布特征十分必要。

本研究从成龄茶园采集茶树的新梢、叶片、生产枝、骨干枝、主根和侧根等,同时采集相应的茶园土壤样品,采用火焰原子吸收分光光度法测定茶树与土壤试样的铜含量,分析茶树体内不同部位中铜含量及分布,比较茶园表土层和心土层土壤中铜含量及其利用率,探讨茶树体与土壤铜含量的关系,以期为绿色(有机)茶园土壤环境条件的选择以及茶叶质量安全管理提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 茶树新梢叶位及茎段试样 于2010年9月中旬在四川省名山县茶树良种母穗茶园采集十年生福鼎大白茶树的当季新梢,经自来水和去离子水清洗,沥干,按第1至第13叶位依次剪取对应叶片和茎段,蒸青固样后于(80±2)℃烘干,粉碎至40目待测。

1.1.2 茶树不同部位材料 在四川省筠连县选取代表性生产茶园,于2010年9月中旬采集不同茶园十年树龄的整株茶树样品11份(编号为T1至T11),将每个样品分割为成熟叶片、生产枝、骨干枝、主根和侧根等5个部分,用自来水和去离子水清洗,蒸青固样后于(80±2)℃烘干,粉碎至40目待测。

1.1.3 不同茶园土壤样品 茶园土壤样品来源与树体样品一致且与树体样品逐一对应,采集样品22份,其中表土层(0~20 cm)和心土层(20~40 cm)各11份(编号为S1至S11),土质均为黄红壤,采回土壤自然风干剔除杂物后,研碎至100目待测。

1.2 方法

各种预处理试液的铜含量采用火焰原子吸收分光光度计(上海天美科学仪器有限公司)测定;铜标准溶液Cu的浓度为1 mg/mL,由1%HNO3(体积分数,下同)配制而成,购于中国国家标准物质中心(GBW08615);仪器检测参数为:吸收波长324.7 nm,灯电流10.0 mA,光谱带宽0.7 nm,高压207.0 V,燃气流量2.2 L/min,燃烧器高度7.0 mm。

1.2.1 茶树试样预处理 采用硝酸-高氯酸湿法消化法。称取试样1.000 0 g于聚四氟乙烯杯中,加入25 mL体积比为5∶1(HNO3∶HClO4)的混合酸,置于通风橱内,加盖浸泡16 h后用电热板加热,温度为(150±2)℃,缓慢消煮至残存2~5 mL且为无色透明液体时取下冷却,用去离子水洗涤、过滤,定容至25 mL待测,同时以试剂作空白对照。

1.2.2 土壤有效态铜的测定 称取1.000 0 g土样于锥形瓶内,加入0.1 mol/L的HCl溶液25 mL,振荡2 h,过滤,待测,同时以试剂作空白对照。土壤有效态铜主要是指以交换态和水溶态形式存在于土壤溶液中的铜[10],是可被茶树有效吸收利用的重要部分,以体积分数1%的盐酸浸出铜的量表示。

1.2.3 土壤全铜的测定 称取1.500 0 g磨细土样于聚四氟乙烯杯内,先加少许水湿润,再加入15 mL体积比为3∶1的盐酸与硝酸溶液,置于通风橱内,用电热板加热,温度为(150±2)℃,缓慢消煮,保持微沸至大量气泡消失,再加入5 mL高氯酸继续加热至冒白烟。强火加热至样品呈灰白色,然后用小火赶去高氯酸,取下冷却,用1% HNO3溶液溶解、过滤、定容至25 mL待测,同时以试剂作空白对照。

1.3 数据处理

预处理样品及试液铜含量检测均重复3次;样品铜含量均以干重计;表或图中数据均为平均值±标准差;方差分析用DPS软件进行;处理间平均数的比较用最小显著差异法(LSD);图表绘制用Origin软件。各指标计算方法如下。

1)铜含量是指单位质量的干物质试样中所含铜的质量。

2)生物富集系数(BAF)[11]是指植物体内某种重金属元素含量与土壤中该种重金属元素含量的比值,它反映了植物对某种重金属元素的富集能力。富集系数越大,其富集能力越强。

富集系数(BAF)=

3)树体铜分布率是指茶树某部位累积的铜含量占整个茶树植株中铜总量的百分比。

铜分布率=

■×100%

2 结果与分析

2.1 茶树新梢叶片、茎段的铜含量及其分布特征

茶树新梢不同叶位叶片及茎段的铜含量及其分布见图1。由图1a可知,整个新梢平均铜含量为(10.65±0.68)mg/kg。其中嫩梢1芽2、3叶的铜含量为(12.44±0.58)mg/kg,带绿梗的1芽4、5叶铜含量为(11.88±0.38)mg/kg;带红梗的1芽7、8叶铜含量为(11.37±0.56)mg/kg;较成熟8至13叶新梢的铜含量为(8.97±0.86)mg/kg。茶树新梢各叶位叶片的铜含量较相应茎段高,同时表现出新梢上端生长较旺盛,其叶片与茎段铜含量较高。

由图1b可知,随着茶树新梢叶位数增加,新梢叶片及茎段中铜的分布率也随之增加,并且铜在叶片中的分布率明显高于茎段。主要是由于叶片和茎段单位质量增加,其铜的总累积量增加。茶树新梢中叶片的铜累积占整个新梢的76.70%,而茎段中仅占23.30%;整个茶树新梢铜含量占全株的22.28%,表明茶树新梢的叶片累积铜的能力较强,而茎段主要起着转移运输铜的作用,其贮存与累积能力有限。

2.2 不同茶园的茶树铜含量及其分布特征

不同茶园的茶树树体及各部位的铜含量和分布率测定结果见表1。由表1可知,不同茶园的11份茶树树体的铜含量间差异明显,铜含量为T10>T7>T11>T1>T2>T8>T5>T3>T6>T4>T9。不同茶园的茶树树体其铜含量差异可能与其生长的环境有关,这种差异还表现于所采集的11份树体不同部位的铜含量及变幅方面,叶片为(12.06±0.63)mg/kg,生产枝为(8.75±0.45)mg/kg,骨干枝为(5.81±0.41)mg/kg,主根为(10.42±0.34)mg/kg,侧根为(17.44±0.43)mg/kg。

由表1还可知,茶树不同部位铜含量有差异,平均含量为侧根>叶片>主根>生产枝>骨干枝;这与茶树不同器官对铜的累积能力相关,其中生长与养分吸收能力强的侧根对铜的吸收累积作用较强[12],主根则有较强的贮铜能力,而骨干枝和生产枝主要起输导作用,茶树叶片有一定蓄积铜的能力。茶树树体及各部位铜的分布率差异明显,茶树各部位铜的分布率叶片为22.28%,生产枝为18.02%,骨干枝为9.84%,主根为13.65%,侧根为36.22%,全株铜平均含量为13.85 mg/kg。

2.3 不同茶园的土壤铜含量及利用率

在不同茶园采集与茶树对应土壤样本11份,其全铜含量和有效态铜的含量测定结果见表2。结果表明,不同茶园土壤有效态铜和全铜间均差异明显;有效态铜含量范围在2.72~12.28 mg/kg,全铜含量范围在17.09~89.33 mg/kg;这与茶园土壤铜含量的差异及土壤类型有关,也与土壤中铜的利用率有关。相同茶园土壤有效态铜与全铜含量之间差异明显,但两者之间相关并不明显,说明两者间的转换并无确定的比例,相同茶园表土层和心土层之间的铜含量差异均不明显,并且两者之间相关性很小,说明茶树根系分布位置与吸收铜的量之间相关性不大。

土壤中铜的利用率(PBC)愈大,其活度越高。由表2可知,表土层的PBC变化范围在8.10%~45.06%,心土层的PBC变化范围在8.16%~40.59%,说明不同茶园土壤中的铜利用率差异很大,表明除土壤全铜和有效态铜含量之外,PBC还受其他因素影响。与一般田间土壤的PBC约为1%[13]相比,茶园土壤铜的可利用率要高8~45倍,说明茶园土壤中铜的活度较高,可能与茶园土壤酸性利于土壤全铜向有效态铜转化有关[14]。茶园土壤铜PBC高是增加茶树体铜含量的重要环境条件。

2.4 茶树体富集铜的能力比较

茶树各部位对土壤中铜的累积能力强弱、高低可以用铜富集系数(BAF)来反映。来自不同茶园的茶树体部位铜的富集系数计算值见表3。结果表明,不同茶园茶树同一部位对全铜和有效态铜的富集系数差异极明显,全株全铜含量富集系数T11>T2>T1>T10>T7>T6>T9>T5>T8>T3>T4,有效态铜含量富集系数T11>T7>T6>T1>T10>T5>T3>T2>T8>T9>T4;不同部位的富集系数变幅较大,说明茶园环境条件(土壤、肥培等)不同,表现于树体中铜富集系数的差异。

进一步比较树体各部位铜的富集系数,全铜为侧根>叶片=主根>生产枝>骨干枝,有效态铜为侧根>叶片>主根>生产枝>骨干枝,说明不同茶树部位铜的分布不均衡,侧根主要吸收并累积土壤中铜,其富集系数最高;叶片主要通过大气沉降物、叶面喷施肥等吸收累积铜,其富集系数次之。

2.5 不同茶园茶树不同部位及土壤铜含量的相关性

不同茶园茶树体及不同部位与土壤之间铜含量相关分析结果见表4。由表4可知,茶树体、叶片、主根、侧根铜含量与土壤的全铜和有效态铜含量之间的相关不显著。生产枝和骨干枝与土壤全铜之间呈极显著负相关,表明茶树体内铜含量的差异并不完全来源于土壤中铜含量的高低。除土壤之外,茶树体还可以从其他来源摄入铜元素。在茶园施肥,如磷肥、有机肥中往往含有铜,又如封园农药中也含有铜元素,可以通过叶面被摄入茶树体内;此外,茶园土壤的酸性条件也影响铜的状态和吸收利用[15,16]。这些途径往往是容易被忽视的铜的来源。

3 小结与讨论

3.1 茶树新梢中铜含量与分布特征

对茶树新梢铜含量分析结果表明,新梢中的铜有向生长旺盛的嫩新梢分布的特征。新梢的叶片中铜含量及分布率均高于茎段,这说明叶片累积铜的能力明显高于茎段,而茎段可能以输导、运转铜为主要功能。相应茶园土壤的全铜和有效态铜分别为(18.51±0.87)mg/kg和(6.70±0.18)mg/kg,新梢对全铜和有效态铜的富集系数分别为0.58和1.59,表明新梢对土壤有效态铜具有较强富集作用。

3.2 茶树各部位的铜含量及分布特征

对茶树各部位铜含量分析结果表明,从铜含量、铜分布率和铜的富集系数来看,茶树各部位对铜的累积能力表现为全铜侧根>叶片=主根>生产枝>骨干枝,有效态铜为侧根>叶片>主根>生产枝>骨干枝。茶树根系吸收累积铜占树体的49.87%,转移、累积至叶片中的铜占22.28%。叶面喷施试验表明,叶片可以吸收累积铜高达38.90%[17],表明茶树根系和叶片均为铜的吸收累积部位,一般在吸收部位中铜的含量及分布率均高于其他部位。茶树叶片中铜的分布率为22.28%,与一般植物中叶片的31.50%相比,茶树叶片对铜的吸收累积属于中等水平。

来源于不同茶园的茶树及各部位的铜含量、铜分布率和铜富集系数均存在差异,说明茶树生长环境条件(如土壤、水体、大气、肥培、pH)等因素均可能造成树体吸收累积铜的差异。李云等[18]研究认为土壤pH影响茶树对铜的富集;韩文炎[6]研究表明不同种类和用量的施肥也会引起茶叶铜含量差异;章明奎等[19]研究表明大气沉降物对蔬菜中重金属积累有一定的影响。但田间调查数据得出的结论并不完全一致,有关茶树吸收累积铜的规律尚需进一步研究验证。

3.3 不同茶园茶树与土壤之间铜含量及分布特征

不同茶园之间表土层和心土层的铜含量均存在差异;相同茶园全铜、有效态铜与铜利用率(PBC)三者之间并无明显相关性,说明茶园有效态铜并不完全取决于全铜高低,可能还受茶园土壤溶解性有机质(DOM)、茶树根系分泌物[20,21]等的影响,进而引起铜活度的变化。将对应采集的11份样本的茶树全株及叶片、主根、侧根铜含量与土壤全铜和有效态铜含量之间进行两因素回归分析,结果表明它们之间的相关性并不显著。说明土壤可能并不是茶树惟一的铜来源,叶面也具有较强吸收铜的能力,并且叶面喷施一定浓度的氮肥能促进茶树体对铜的吸收[17],也有研究认为有机肥(动物粪肥)的广泛应用、兽药和饲料等含铜物质的添加等都会造成粪肥铜含量过高,进而导致植物中铜含量升高[22,23]。有关茶树从环境中吸收累积铜的效应,涉及茶树自身的营养状况、茶园农药的使用等多种因素,尚需要更多的试验研究进一步探讨和阐释。

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