柳小蘭，魏福曉，王道平，張清海，林紹霞，潘衛(wèi)東，王若焱

（1貴州醫(yī)科大學(xué)/貴州省中國(guó)科學(xué)院天然產(chǎn)物化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴陽(yáng) 550014；2貴州醫(yī)科大學(xué)，貴陽(yáng) 550025；3遵義金喜農(nóng)業(yè)科技有限公司，貴州遵義 563000；4貴州中醫(yī)藥大學(xué)，貴陽(yáng) 550025）

0 引言

貴州作為茶葉原產(chǎn)地之一，茶葉生產(chǎn)歷史悠久，據(jù)史料記載，早在明朝洪武年間安順就開(kāi)始種植茶葉。由于海拔、氣候等多方面原因，貴州在茶葉生產(chǎn)要素方面有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，貴州安順“瀑布毛峰”便是貴州省的特色優(yōu)勢(shì)農(nóng)產(chǎn)品之一，因其茸毛顯露，條索緊細(xì)卷曲，外形銀綠隱翠，湯色嫩綠明亮，滋味鮮醇爽口，葉底勻齊幼嫩，尤其具有耐泡之特點(diǎn)，逐漸深受人們的喜愛(ài)，但人們?cè)陲嫴璧耐瑫r(shí)也越來(lái)越關(guān)注茶葉的衛(wèi)生質(zhì)量問(wèn)題，開(kāi)始關(guān)注對(duì)人體產(chǎn)生遲效性危害的重金屬含量的研究[1]，且隨著中國(guó)無(wú)公害食品茶葉產(chǎn)地環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)的頒布，相應(yīng)的土壤環(huán)境質(zhì)量問(wèn)題也越來(lái)越受到關(guān)注[2]。

土壤是茶樹(shù)生長(zhǎng)的立地之本，是茶樹(shù)優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、高效的最基本條件[3]。土壤中重金屬含量對(duì)農(nóng)產(chǎn)品重金屬積累有很大的影響[4-5]。重金屬污染有別于其他污染，其具有滯后性、累積性、隱蔽性、復(fù)雜性、不可逆轉(zhuǎn)性，進(jìn)入土壤后，不僅會(huì)導(dǎo)致土壤退化，而且土壤重金屬污染既影響茶葉產(chǎn)量和飲用品質(zhì)，還會(huì)通過(guò)食物鏈危害人類的健康。土壤調(diào)理粉劑不僅具有調(diào)節(jié)水分供應(yīng)、改良土壤酸堿度與質(zhì)地結(jié)構(gòu)、改善養(yǎng)分的供應(yīng)狀況、提高作物抗病和抗逆能力等作用，還可以通過(guò)與重金屬離子進(jìn)行反應(yīng)產(chǎn)生沉淀、帶入競(jìng)爭(zhēng)離子影響植物代謝降低或者阻斷植物對(duì)重金屬元素的吸收累積，從而控制土壤重金屬經(jīng)由作物吸收進(jìn)入食物鏈危害人體健康，此外，還在很大程度上避免了施用化肥或藥劑帶來(lái)的環(huán)境污染問(wèn)題[6-9]。土壤是一個(gè)復(fù)雜的自然綜合體，隨外界環(huán)境的變化而變化，會(huì)隨著人們對(duì)土地的改造利用，如施用土壤調(diào)理粉劑，使得部分處于激活狀態(tài)的重金屬活性降低，甚至鈍化，從而提高土壤整體質(zhì)量。因此，本研究以貴州安順瀑布毛峰茶園土壤為研究對(duì)象，通過(guò)野外采集樣品和測(cè)試分析，探討不同用量的土壤調(diào)理劑對(duì)茶園土壤的重金屬污染特征，以期為土壤環(huán)境污染防治以及茶葉質(zhì)量安全提供依據(jù)，同時(shí)也為實(shí)現(xiàn)具有低投入、高產(chǎn)出、高品質(zhì)、高安全性的“一低三高”特征的茶產(chǎn)業(yè)提質(zhì)增效。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

試驗(yàn)時(shí)間為2016年11月—2017年6月。實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)為貴州省安順市西秀區(qū)舊州鎮(zhèn)茶玲村，其位于云貴高原東部的洼地丘陵地帶，地勢(shì)西北高東南低，地處105°14′—106°43′E，25°51′—26°42′N，最高海拔為1603 m，最低海拔為1378 m，境內(nèi)氣候?qū)俦眮啛釒Ъ撅L(fēng)性風(fēng)濕氣候，受東南季風(fēng)影響，年平均氣溫14.3℃，極端氣溫最高34.3℃，最低-2℃，無(wú)霜期269.9天，年均降雨量1360 mm，氣候溫和，雨量充沛，相對(duì)濕度大，日照時(shí)間短，屬于典型的“高山云霧出好茶”的地方。良好的農(nóng)業(yè)水利設(shè)施和自然條件，使得安順有“米糧倉(cāng)”、“小江南”的美譽(yù)，其鎮(zhèn)域面積11695 hm2，其中耕地面積2292.9 hm2，是典型的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大鎮(zhèn)。

1.2 試驗(yàn)材料

土壤調(diào)理粉劑主要來(lái)源為谷糠加青蒿中藥復(fù)方。經(jīng)貴州省遵義市質(zhì)檢院檢測(cè)，有機(jī)質(zhì)含量為99%，氮磷鉀總含量7.2%。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

冬季管理時(shí)在施用粒滿豐有機(jī)肥600 kg/hm2基礎(chǔ)上分別施用不同水平土壤調(diào)理粉劑。試驗(yàn)設(shè)4個(gè)土壤調(diào)理劑用量處理，分別為0 kg/hm2(CK)、600 kg/hm2（A處理）、750 kg/hm2（B處理）和900 kg/hm2（C處理），每個(gè)處理3次重復(fù)，測(cè)量參試每行茶園行距、蓬寬以確定小區(qū)面積。該試驗(yàn)區(qū)在冬管時(shí)將基肥與粒滿豐有機(jī)肥分別同時(shí)施用50%，將剩下的50%作為追肥在次年2月施用。

1.4 土樣采集與制備

采用蛇形布點(diǎn)法，對(duì)茶樹(shù)根系土壤樣品進(jìn)行采集，每個(gè)采樣點(diǎn)設(shè)置3～5個(gè)取樣點(diǎn)后混合成一個(gè)樣品約1 kg。待土樣風(fēng)干，剔除石礫、殘根等雜物，用四分法取土樣，經(jīng)瑪瑙研缽研細(xì)過(guò)0.25 mm尼龍網(wǎng)篩，充分混合均勻待用。共采集土壤樣品12個(gè)，每個(gè)處理各3個(gè)樣品。

1.5 樣品指標(biāo)測(cè)定

土壤pH，采用水土比為2.5:1的電位法測(cè)定。土壤重金屬Cd、Cr、Cu、Zn、Pb和Ni總量測(cè)定經(jīng)HNO3-HF-H2O2微波消解，趕酸，定容，采用電感耦合等離子發(fā)射光譜儀(ICP-OES，Prodigy XP)進(jìn)行測(cè)定；土壤重金屬As和Hg總量測(cè)定經(jīng)HNO3-HF-H2O2微波消解，定容，采用雙道原子熒光分光光度計(jì)(AFS-2100)進(jìn)行測(cè)定。分析過(guò)程中每批樣品設(shè)2個(gè)空白，采用5%平行樣和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)土壤樣品(GSS-8)進(jìn)行質(zhì)量控制，每個(gè)樣品重復(fù)測(cè)定3次，所用水均為二次去離子水（美國(guó)密理博明澈TM-D24UV超純水系統(tǒng)），試劑均采用優(yōu)級(jí)純。

1.6 統(tǒng)計(jì)分析方法

采用Excel 2003、DPS(7.05)軟件對(duì)土壤重金屬元素進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，再計(jì)算各指標(biāo)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差、變異系數(shù)等，進(jìn)行相關(guān)性分析。

1.7 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)與方法

1.7.1 單項(xiàng)污染指數(shù)法和綜合污染指數(shù)法 本研究主要參照中國(guó)《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 15618—2008)[10]（表1）作為土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，并以各個(gè)重金屬含量的限制值作為比較標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)不同土壤調(diào)理粉劑處理下茶園土壤重金屬含量進(jìn)行安全性評(píng)價(jià)。采用單項(xiàng)污染指數(shù)法和綜合污染指數(shù)法相結(jié)合評(píng)價(jià)茶園土壤重金屬污染現(xiàn)狀[11]。

表1 農(nóng)田土壤重金屬環(huán)境質(zhì)量第二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值 mg/kg

（1）單因子指數(shù)法。單因子指數(shù)法計(jì)算公式如式(1)所示。

式中：Pi為環(huán)境中污染物i的單項(xiàng)污染指數(shù)；Ci為環(huán)境中污染物i的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)；Si為污染物i的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

（2）N.L.Nemerow綜合污染指數(shù)法。具體公式如式(2)所示。

綜合指數(shù)的算法較多，但由于綜合污染指數(shù)能較全面地反映出污染物對(duì)土壤污染的不同程度，同時(shí)又突出高濃度重金屬對(duì)土壤環(huán)境質(zhì)量的影響[12]，且此方法兼顧了單因子污染指數(shù)平均值和最高值，能給較嚴(yán)重的污染物以較大的權(quán)值，并能較全面地反映出土壤環(huán)境的整體質(zhì)量，從而更客觀的對(duì)土壤環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。因此，本研究采用N.L.Nemerow綜合指數(shù)法進(jìn)行評(píng)價(jià)。土壤重金屬污染評(píng)價(jià)分級(jí)具體見(jiàn)表2。

表2 土壤重金屬污染等級(jí)

1.7.2 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法 采用Hakanson潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法[13]兼顧了地理空間的差異性、環(huán)境對(duì)重金屬污染的敏感程度、生物毒性、生態(tài)敏感性、協(xié)同作用以及相對(duì)貢獻(xiàn)等因素，能夠全面反映環(huán)境中重金屬的生態(tài)危害潛力。具體公式如(3)～(5)所示。

式中，RI為研究區(qū)域中多種重金屬的綜合生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)；為元素i的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)；為重金屬元素i毒性系數(shù)；為重金屬元素i的污染系數(shù)；為重金屬元素i的實(shí)際測(cè)量值；為重金屬元素i的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

本研究采用1990年貴州省土壤平均背景值，各元素的土壤背景值及毒性系數(shù)見(jiàn)表3。污染程度及潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度等級(jí)劃分見(jiàn)表4。

表3 各種重金屬的毒性響應(yīng)系數(shù)和背景參考值

表4 Hakanson潛在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土壤調(diào)理粉劑處理下茶園土壤重金屬含量特征

如表5所示，研究區(qū)土壤pH均值在pH 4.53～5.29范圍之間，整體呈酸性，茶樹(shù)為喜酸性植物，說(shuō)明研究區(qū)域土壤酸堿度適宜茶樹(shù)生長(zhǎng)；土壤中Cr的平均含量范圍為71.87～79.60 mg/kg；As的平均含量范圍為35.17～41.07 mg/kg；Hg的平均含量范圍為0.30～0.34 mg/kg；Cd的平均含量范圍為0.26～0.48 mg/kg；Pb的含量范圍為33.99～47.65 mg/kg；Cu的平均含量范圍為104.83～135.77 mg/kg；Zn的平均含量范圍為116.33～164.55mg/kg；Ni的平均含量范圍為71.97～80.30mg/kg。

表5 不同土壤調(diào)理粉劑處理下茶園土壤重金屬元素含量 mg/kg

變異系數(shù)可以反映各元素在研究區(qū)域分布和累積程度的差異以及受人為活動(dòng)影響的程度，其值越大說(shuō)明受人類活動(dòng)干擾越強(qiáng)烈[14]。由變異程度來(lái)看，縱向比較可得，不同處理下的重金屬Cr、Hg、Pb、Cu、Zn和Ni在A處理中變異系數(shù)均最大，其中Cr和Pb達(dá)到強(qiáng)變異，其余為中等變異；As在B處理中變異系數(shù)均最大，高達(dá)51.94%，為強(qiáng)變異；Cd在C處理中變異系數(shù)均最大，為中等變異。橫向比較可知，CK處理、A處理、B處理和C處理中變異系數(shù)最大的分別是Pb、Cr、Ni和As，變異系數(shù)分別為32.26%、41.74%、20.57%和43.66%，除了Ni為中等變異外，其他元素均為強(qiáng)變異。整體而言，4個(gè)處理中Hg的變異系數(shù)均最小，其中B處理下為弱變異，其余3個(gè)處理為中等變異。說(shuō)明在不同處理下茶園土壤受不用程度人類活動(dòng)的干擾，且各個(gè)重金屬元素含量分布不均勻，這可能與土壤調(diào)理粉劑的施用量、大氣干濕沉降以及農(nóng)藥噴灑等因素有一定的關(guān)系。

從含量特征上看，不同處理下，研究區(qū)土壤8種重金屬含量各異，其中土壤pH、Hg、Cr、Cd、Pb、Zn和Ni在CK處理中均最低，而pH、Cr、Pb和Ni在C處理中均最高，As、Hg和Cd在A處理中均最高，Cu和Zn在B處理中均最高，出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因可能是由于A處理、B處理和C處理施用了土壤調(diào)理粉劑，使得土壤原有的理化環(huán)境被改變，從而促使處于低活性狀態(tài)的重金屬被激活。本研究采用1990年貴州省土壤平均背景值，從整體而言，土壤重金屬Pb平均含量在CK處理下低于貴州省土壤背景值，而在A處理、B處理和C處理下均高于貴州省土壤背景值；4種不同處理下，除了土壤重金屬Cr和Cd的平均含量均低于貴州省土壤背景值，其余重金屬元素 As、Hg、Cu、Zn和Ni的平均含量均高于貴州省土壤背景值，這與貴州碳酸鹽巖地區(qū)土壤重金屬天生的高背景屬性有關(guān)[15]，也說(shuō)明Pb、As、Hg、Cu、Zn和Ni這6種元素在茶園土壤中有一定的積累。

2.2 不同土壤調(diào)理粉劑處理下茶園土壤重金屬污染評(píng)價(jià)

以國(guó)家《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB15618—2008)Ⅱ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)作為參照標(biāo)準(zhǔn)，依據(jù)單因子污染指數(shù)(Pi)和內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法（P綜）對(duì)研究區(qū)土壤重金屬進(jìn)行評(píng)價(jià)。

從單因子污染指數(shù)（表6）來(lái)看，不同處理下土壤中Cr單因子污染指數(shù)(Pi)均低于0.7，污染等級(jí)為安全，污染水平屬清潔；土壤中Cu單因子污染指數(shù)(Pi)范圍為1.66～3.16，污染等級(jí)均在輕度污染以上，其中B處理為重度污染；其余元素污染程度各異。

表6 不同土壤調(diào)理粉劑處理下茶園土壤重金屬單項(xiàng)、綜合及分級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)果

綜合污染指數(shù)（P綜）在CK處理、A處理、B處理和C處理中分別為2.02、1.91、2.37和2.20，除了A處理為輕度污染外，其他3個(gè)處理均為中度污染，土壤質(zhì)量狀況需引起重視，應(yīng)當(dāng)采取相應(yīng)的調(diào)控措施，避免土壤污染程度加深。土壤中Cr在國(guó)家Ⅱ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(GB 15618—2008)規(guī)定范圍內(nèi)，樣點(diǎn)達(dá)標(biāo)率為100%。有研究表明，在中國(guó)西南碳酸鹽巖廣泛分布的域所發(fā)育的土壤中，重金屬具有一種“天生的”高背景屬性[15]，其中貴州省土壤Cd的背景值達(dá)到0.66 mg/kg，Ni的背景值達(dá)到24.9 mg/kg，Cu的背景值達(dá)到32.00 mg/kg，而本文研究區(qū)域在所選定的污染評(píng)價(jià)因子中，Cu的貢獻(xiàn)率極高，為土壤主要影響因子，其次是Cd和Ni，這不僅與貴州土壤天生的高背景值有很大關(guān)系，還可能與土壤調(diào)理粉劑的施用量不同所導(dǎo)致茶樹(shù)根系分泌物、土壤微生物等不同而造成對(duì)不同種重金屬的吸收、遷移、轉(zhuǎn)化、富集等特征有關(guān)，又或者與土壤腐殖質(zhì)的螯合或固定等也有一定關(guān)系。

2.3 不同土壤調(diào)理粉劑處理下茶園土壤重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

應(yīng)用Hakanson潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法，以貴州省土壤背景值作為參比值，對(duì)研究區(qū)不同土壤調(diào)理粉劑處理下具有重金屬毒性系數(shù)的8種茶園土壤重金屬（Cr、Cd、Pb、As、Hg、Cu、Zn和Ni），進(jìn)行了生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。

根據(jù)表7，從重金屬單項(xiàng)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)來(lái)看，研究區(qū)各處理下8種重金屬平均潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)大小順序分別如下：CK處理為Hg＞As＞Cu＞Ni＞Cd＞Pb＞Cr＞Zn；A 處理為 Hg＞Cd＞As＞Cu＞Ni＞Pb＞Cr＞Zn；B 處理為 Hg＞Cu＞As＞Cd＞Ni＞Pb＞Zn＞Cr；C 處理 Hg＞Cu＞Cd＞As＞Ni＞Pb＞Cr＞Zn。結(jié)合表4可知，研究區(qū)重金屬Hg的高達(dá)123.82，且研究區(qū)Hg的的最小值均大于80，屬于強(qiáng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。除Hg外，其余7種重金屬的平均值均小于40，且研究區(qū)這7種重金屬的最大值均小于40，說(shuō)明這7種重金屬都處于輕微生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，對(duì)該茶園土壤潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)貢獻(xiàn)較低，基本沒(méi)有影響。

表7 不同土壤調(diào)理粉劑處理下茶園土壤重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)

續(xù)表7

由重金屬綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)RI可得，不同處理下重金屬RI平均值大小表現(xiàn)為：A處理＞C處理＞B處理＞CK?？偟膩?lái)看，RI最小值為159.13，最大值為230.93，均在150～300范圍內(nèi)，表明該研究區(qū)域總體處于中等潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平。其中，重金屬Hg對(duì)RI的貢獻(xiàn)率最大，高達(dá)59.48%，是最主要的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)元素，說(shuō)明Hg元素是研究區(qū)土壤中最主要的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)元素，重金屬中Hg的毒性最強(qiáng)，Hg污染對(duì)土壤、農(nóng)作物、人體等都有嚴(yán)重的影響，需加強(qiáng)Hg污染的重視。

2.4 各重金屬元素含量間的相關(guān)性

來(lái)源于同一污染源的重金屬之間存在著正相關(guān)性，且其相關(guān)性與所處的環(huán)境及來(lái)源有很大的關(guān)系[16]。由表8可知，Ni與Pb之間存在極顯著的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.98，說(shuō)明兩者之間的同源性極高，且呈現(xiàn)相互伴隨的復(fù)合污染現(xiàn)象。其余元素之間相關(guān)性特征不明顯，表明它們之間相互影響較小。因此，從相關(guān)性分析結(jié)果中可知，各元素間的正相關(guān)性特征較明顯，說(shuō)明這些元素很可能具有相似的來(lái)源。由于采樣區(qū)受人類活動(dòng)的影響較大，其重金屬來(lái)源可能與成土母質(zhì)、大氣沉降、巖石的風(fēng)化淋溶、殘落的生物體以及化肥、農(nóng)藥的使用等有關(guān)。

表8 各元素間的相關(guān)性系數(shù)

3 結(jié)論

（1）不同土壤調(diào)理粉劑處理下，研究區(qū)域土壤重金屬的變異程度各異。其中重金屬Cr、Hg、Pb、Cu、Zn和Ni在A處理中變異系數(shù)均最大，As在B處理中變異系數(shù)均最大，Cd在C處理中變異系數(shù)均最大。

（2）不同土壤調(diào)理粉劑處理下，研究區(qū)域土壤8種重金屬含量各不相同，其中pH、Cr、Pb和Ni在C處理中最高，As、Hg和Cd在A處理中最高，Cu和Zn在B處理中最高。各個(gè)處理下的重金屬元素As、Hg、Cu、Zn和Ni的平均含量均高于貴州省土壤背景值。

（3）研究區(qū)CK處理、A處理、B處理和C處理的綜合污染指數(shù)（P綜）分別為2.02、1.91、2.37和2.20，除了A處理為輕度污染外，其他3個(gè)處理均為中度污染。土壤中Cr在國(guó)家Ⅱ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(GB 15618—2008)規(guī)定范圍內(nèi)，樣點(diǎn)達(dá)標(biāo)率為100%。本文研究區(qū)域在所選定的污染評(píng)價(jià)因子中，Cu的貢獻(xiàn)率極高，為土壤主要影響因子，其次是Cd和Ni。

（4）研究區(qū)不同處理下重金屬Hg的的最小值均大于80，屬于強(qiáng)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，其余7種重金屬的的最大值均小于40，處于輕微潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)；不同處理下重金屬RI均在150～300范圍內(nèi)，總體處于中等潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)水平，其中重金屬Hg對(duì)RI的貢獻(xiàn)率最大，是最主要的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)元素。

（5）研究區(qū)土壤重金屬Ni與Pb之間存在極顯著相關(guān)性，表明兩者之間的同源性極高，說(shuō)明這些元素很可能具有同相似來(lái)源，呈現(xiàn)相互伴隨的復(fù)合污染現(xiàn)象。其余元素之間相關(guān)性特征不明顯。

（6）研究區(qū)土壤的污染不僅與土壤自身的高背景屬性有關(guān)，也與人為活動(dòng)有關(guān)。本研究只對(duì)不同處理下茶園土壤中Cr、As、Hg、Pb、Cu、Zn、Cd和Ni元素的含量及污染水平進(jìn)行探討，但在貴州相對(duì)較高的土壤重金屬背景條件下，將土壤-茶葉作為一個(gè)體系，對(duì)其根際吸收-運(yùn)輸-再分配方面值得進(jìn)一步研究。