张 棚，杨雪妍，洪 晶，张娅俐，田晓静，张福梅，曹 竑，陈士恩，马忠仁，丁功涛，宋 礼，罗 丽

(1.西北民族大学 生命科学与工程学院，甘肃 兰州 730124；2.西北民族大学 生物医学研究中心，中国-马来西亚国家联合实验室，甘肃 兰州 730030；3.甘南牦牛乳研究院，甘肃 合作 747000)

茶[(L.)O.Kuntze]为双子叶植物，具有降血脂、降血糖、调节肠道、保肝、预防动脉粥样硬化等功能。湄潭县种茶制茶历史悠久，唐代茶圣陆羽所著《茶经》中即有关于湄潭茶“往往得之，其味极佳”的记述，至今已有400多年的历史。土壤是茶叶赖以生存的物质基础，其营养元素含量对茶树生长、品质有重要影响。茶树缺Cu会抑制根系生长，缺Zn容易导致叶片脱落，缺Fe可造成叶片失绿等症状，因此，土壤中微量元素与茶叶生长息息相关。

刘春林等研究发现，贵州雷山茶区土壤-茶叶中重金属的污染程度差异较大，其采用地累积指数法和生态风险指数法对茶区土壤进行元素污染评价，结果显示为清洁状态；刘德成等同样采用单项污染指数法、地累积指数法等多种污染风险评价方法对研究区土壤进行评价，各类分析方法绘制的区域污染指数等值线图在空间分布和污染程度定性方面结果一致，其评价方法科学、有效。Oliveira等利用富集污染因子和地质累积指数对巴西苏阿佩河口系统中金属污染进行评价，发现人为影响因素较大，确定Zn、Ga、V、Pb为中度污染，富集指标、地累计指数提示为中度污染区域。Hossain Bhuiyan等对达卡镇农用地54个土壤样品进行了重金属累积、空间富集、生态风险和来源解析研究，其富集系数、地质积累指数和污染因子指数表明，90%以上的土壤样品受到较高水平的Cr和Cd污染，约73%的土壤样品受重金属中度污染。

基于贵州不同地区茶样中的24种微量元素含量，冉登培采用聚类分析、主成分分析和对比分析等对不同地区样品进行归类与判别，不同地区相同元素的含量均有差异，可以依据元素含量的差异对茶叶进行产地溯源。聂刚等采用电感耦合等离子体质谱(inductively coupled plasma mass spectrometry，ICP-MS)结合主成分分析、聚类分析对陕南地区12个产区茶叶样品进行产地判别，发现稀土元素可以把不同地区的茶叶样品区别开，且相邻地区茶叶稀土含量具有相似性，认为微量元素可作为陕南茶叶产地判别的重要指标。林昕等基于稀土元素含量结合主成分分析、方差分析等判定了来源不同的云南普洱茶(台地茶和古树茶)产地，其镧、铈、铕和钪元素差异有统计学意义，台地茶的检验判别率和交叉检验判别率分别为100%、91.65%，古树茶的检验判别率和交叉检验判别率分别为94.40%、83.30%，说明根据稀土元素含量差异判别茶叶产地和身份是科学的、可行的。

本研究拟建立基于电感耦合等离子体发射光谱技术(ICP-OES)同时测定Ni、Fe等11种微量元素含量的方法，并应用于贵州省湄潭县12个不同茶区的茶叶及其土壤中元素含量的检测，探讨多元统计分析方法在茶园土壤-茶叶系统中微量元素的富集规律、污染情况、元素含量相关性，以及产地溯源中的效果，为湄潭翠芽优质品牌茶文化奠定理论基础，为湄潭地方茶产业发展提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 样品采集与前处理

根据贵州省湄潭县整体茶区分布情况和地形地貌特征，选具有代表性的12个镇进行湄潭茶叶样品(湄潭翠芽)采集，于夏季(2018年6月中旬)完成湄潭茶叶样品采集，并收集对应湄潭茶叶茶区上层(去除表面有机物残体，取样深度在0～20 cm)与下层土壤(20～40 cm)共计24份土壤样品。采样点名称、样品采集经纬度、样品简称等见表1。

表1 湄潭县12个乡镇的湄潭茶叶及其土壤样品采集信息

土壤样品制备：将采集的各土壤样品(不少于500 g)除去其中的石子与动植物残体等异物，混匀后用四分法缩分至100 g，置于DHG-9146A型干燥箱(上海精宏实验设备有限公司，中国)中40 ℃干燥至恒重，过60目筛，备用。采用王水(硝酸：盐酸体积比1∶3，现配现用)-高氯酸湿法消解，去离子水定容后过0.22 μm水系滤膜，待测。试验重复5次。

茶叶样品制备：采集的茶叶干燥至恒重后初步捣碎，采用干法消化，王水溶解灰分，去离子水定容后过0.22 μm水系滤膜，待测。试验重复5次。

土壤、茶叶样品均采用5110型电感耦合等离子体发射光谱仪(Agilent，美国)进行检测。

土壤pH值测定：根据NY/T 1377—2007《土壤pH的测定》中的方法，土、水按1.0∶2.5的质量体积比浸提，用PHS-3C酸度计(上海仪电科学仪器股份有限公司，中国)测定土壤pH值。

1.2 土壤重金属污染评价方法

1.2.1 单项污染指数法

单因子污染评价法是由《全国土壤污染状况评价技术规定》(环法〔2008〕39号)推荐的评价方法，其应用简单、便于对比，是其他环境分级、环境质量指数和综合评价的基础。单项污染指数计算公式为：

式中：为土壤中污染物的单项污染指数；代表某种污染物；为土壤中污染物的实测值(mg·kg)；为土壤中污染物土壤背景值(mg·kg)。

评价标准：≤1时，土壤无污染；>1时，土壤重金属超标，对作物的生长发育有一定影响。

1.2.2 地累计指数法

采用地累积指数法，以贵州A层土壤背景值为标准，对湄潭县12个镇土壤重金属(Ce、Co、Fe、La、Mn、Ni、Pr、Zn，这里指相对密度在4.5 g·cm以上的金属元素)污染程度定量评价，计算其地累计指数()。将重金属污染程度分为7个等级，其分级标准见表2，地累计指数法计算公式为：

表2 地累积指数分级标准

=log[·(1.5)]。

式中：为地累计指数；为样品(土壤)中元素的浓度；为背景浓度；1.5为修正指数，通常用来表征沉积特征、岩石地质与其他影响。

贵州A层土壤Ce、Co、Fe、La、Mn、Ni、Pr、Zn背景值分别为95.5、19.2、41 700.0、41.2、794.0、39.1、8.08、99.5 mg·kg。

1.3 茶叶重金属元素的富集系数特征

为探讨茶叶土壤中元素的吸收情况，采用生物富集系数(bioconcentration factor，BCF)即茶叶中元素含量与土壤元素含量的比值来分析元素在植物-土壤的迁移程度。BCF值越高，茶叶富集元素能力越强。

1.4 试剂

Ce、Co、Fe、La、Mg、Mn、Na、Ni、Pr、Se、Zn(1 000 μg·mL)多元素标准贮备液购于(北京)检验认证有限公司(北京，中国)；硝酸(GR)、盐酸(GR)、高氯酸(GR)购于烟台市双双化工有限公司(烟台，中国)；超纯水用甘肃省膜科学技术研究院医药纯水设备制备。

1.5 工作参数

电感耦合等离子体发射光谱仪(5110，安捷伦科技有限公司)主要工作参数：RF功率1 200 W，等离子体气流量12 L·min，辅助气流量1 L·min，观察方式为SVDV，观察高度为8。

1.6 数据处理

实验数据采用Microsoft Excel 2010、SAS 9.4和SPSS 21软件进行数据处理，用ArcGIS 10.2、Origi 8.0、TBtools 1.046绘制图片。

2 结果与分析

2.1 各元素的标准曲线、相关系数、相对标准偏差

由表3可知，各元素标准曲线相关系数值均介于0.994 44～0.999 97，标准曲线在陈述浓度范围内线性度较好；各元素相对标准偏差(relative standard deviation，RSD)在0.35%～3.68%，均小于4%，说明本研究建立的检测方法重复性较好。

表3 各元素标准曲线、相关系数、相对标准偏差

2.2 湄潭茶区土壤元素含量特征

贵州湄潭县12个乡镇茶区土壤11种元素的含量分布和方差分析见表4。上层土壤结果显示：各村镇茶园Ce、La元素含量差异显著；Fe元素除西河镇与新南镇含量差异不显著外，其他茶园之间Fe含量均有显著差异；Mg元素除鱼泉镇与高台镇含量差异不显著外，其他茶园之间Mg含量均有显著差异；Zn元素除复兴镇与永兴镇含量差异不显著外，其他茶园之间Zn含量均有显著差异。

表4 湄潭县12个镇茶区土壤上下层11种元素含量

下层土壤结果显示：各村镇茶园Ce、La、Na、Ni元素含量差异显著；Fe元素除永兴镇与黄家坝镇含量差异不显著外，其他茶园之间Fe含量均有显著差异；Mg元素除洗马镇与鱼泉镇含量差异不显著外，其他茶园之间Mg含量均有显著差异；Zn元素除抄乐镇与石莲镇含量差异不显著外，其他茶园之间Zn含量均有显著差异。

从湄潭茶区土壤质量来看，Fe、Mg、Na元素含量占比较大，与《GB15618-2018土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准(试行)》相比，研究区内上下层土壤中重金属Ni(<60 mg·kg)、Zn(<200 mg·kg)均未超标。此外，上层土壤Se元素含量达到15.75 mg·kg，下层土壤达到13.97 mg·kg，参考《DB41/T 1871—2019富硒土壤硒含量要求》，湄潭县土壤达到富硒土壤要求。以上结果说明贵州湄潭茶区土壤质量较优。

2.3 湄潭茶区土壤元素含量、pH值相关性分析

由图1可知，湄潭县各镇茶园土壤pH值为3.44～7.35，适宜茶树生长的土壤pH值为3.5～5.5，由此可见，复兴镇、马山镇、西河镇、永兴镇、高台镇土壤相较更适宜茶树生长，湄潭部分地区(pH>5.5)建议施用生理酸性肥料，如硫铵、氯化铵等生理酸性肥料，以更适宜茶树的生长。

SLT，石莲镇；FXT，复兴镇；XNT，新南镇；XMT，洗马乡；YQT，鱼泉镇；MST，马山镇；XHT，西河乡；YXT，永兴镇；GTT，高台镇；CLT，抄乐镇；MJT，湄江街道；HJT，黄家坝镇。

如图2所示，上、下层土壤的Co、Mg、Mn、Na元素含量在0.01水平(双侧)上呈极显著正相关。上层土壤中，其pH值与Co、Fe、La、Mn、Pr、Se、Zn元素含量在0.01水平(双侧)上呈极显著正相关，与Ce、Mg元素含量在0.05水平(双侧)上呈显著正相关。下层土壤中，其pH值与Co、La、Mg、Mn、Na、Ni、Pr元素含量在0.01水平(双侧)上呈极显著正相关。研究区上下层土壤pH值在0.01水平(双侧)上呈极显著正相关。

图2 土壤上层-土壤下层-pH相关性热图

2.4 湄潭茶区土壤重金属元素污染指标评价

以贵州A层土壤背景值作为参考，湄潭茶区(12个镇)上下层土壤均小于1，均小于0(图3)。根据单项污染指数法和地累积指数法的评价标准(≤1为无污染，≤0为无污染、清洁)，湄潭茶区土壤未受到Co、Pr、Ni等重金属(这里指相对密度在4.5 g·cm以上的金属元素)的污染，土壤为清洁状态。

从图3可以看出，湄潭各茶区Mn元素的值离0最远，且其值离1最远，两者评价结果具有一致性，说明湄潭茶区土壤Mn元素含量处在较优质水平，有益于该地区植物生长；相对而言，湄潭各茶区Co、Pr、Ni元素值离0较近，且对应值离1较近，说明湄潭茶区土壤Co、Pr、Ni 3种元素虽未达到污染级别，但其污染指数接近污染值界限，建议茶区减少并控制含有Co、Pr、Ni元素的有毒有害物质排放，解决未来元素污染的隐患，保持土壤清洁状态，利于茶树健康生长。

样品简称与表1一致。图6同。

2.5 湄潭茶叶元素含量特征

贵州湄潭县12个镇茶区茶叶11种元素的含量与方差分析(ANOVA，<0.05)见表5。就湄潭茶区土壤茶叶元素含量而言，各村镇Na元素含量差异显著，Fe元素除鱼泉镇与洗马镇含量差异不显著，其他茶园之间Fe含量均有显著差异，Zn元素除西河镇与黄家坝镇、抄乐镇与湄江镇含量差异不显著，其他村镇之间Zn含量均有显著差异。

表5 湄潭县12个镇茶叶11种元素含量

对照GH/T 1090—2014《富硒茶》标准，湄江镇、抄乐镇、西河镇、石莲镇、复兴镇茶园茶叶满足富硒茶叶标准(>0.2 mg·kg)，为富硒茶叶；湄潭县其余7个村镇茶叶硒元素含量为0.059～0.185 mg·kg。以上结果表明，湄潭县茶区茶叶质量整体较好。

2.6 湄潭土壤-茶叶元素含量-土壤pH值相关性

对贵州湄潭茶区茶叶与土壤上下层元素含量、土壤pH值进行相关性分析，并绘制相关性热图，结果见图4。研究区内茶叶中Mg、Na、Ni元素与土壤上层的Mg、Na、Ni元素含量在0.01水平(双侧)上呈极显著负相关，茶与上层土壤Se元素含量呈显著(0.05水平)正相关；研究区内茶叶中La、Pr、Se元素与土壤下层的La、Pr、Se元素含量在0.01水平(双侧)上呈极显著负相关，茶与下层土壤中Zn元素含量呈极显著(0.01水平)正相关，与Ni元素含量呈显著(0.05水平)正相关；土壤上层pH值与茶叶中Mg、Na元素含量在0.01水平(双侧)上呈极显著负相关，与Fe、Mn、Pr元素含量呈显著(0.05水平)负相关，与Ce元素含量呈显著(0.05)正相关；土壤下层pH值与茶叶中Pr元素含量在0.01水平(双侧)上呈极显著负相关，与La元素含量呈显著(0.05水平)负相关。

图4 茶叶-土壤-pH相关性热图

2.7 湄潭茶叶元素富集特征

茶树可通过根系吸收土壤中的元素，并在植物体内累积，采用BCF值评价11种元素在茶树中的富集能力，其BCF结果见图5。可以看出，Mn、Mg、Zn元素富集能力较其他元素富集能力较强，西河镇茶树Mn元素富集能力较强，复兴镇茶树Mg、Zn元素富集能力较强，复兴镇茶树Zn、Pr、Na、Mg、La、Co 6种元素富集能力均比其他11个镇的茶树富集能力强，植物吸收元素较快。由图4可知，茶叶中Mn与土壤上层Mg、Na、Ni、Pr元素含量呈极显著(0.01水平)负相关，与Co、Se元素含量呈显著(0.05水平)负相关，由于茶树中Mn元素的富集能力强，Mn的吸收与Mg、Na、Ni、Pr、Co、Se元素的吸收具有一定的拮抗作用。

SL，石莲镇；FX，复兴镇；XN，新南镇；XM，洗马乡；YQ，鱼泉镇；MS，马山镇；XH，西河乡；YX，永兴镇；GT，高台镇；CL，抄乐镇；MJ，湄江街道；HJ，黄家坝镇。

2.8 湄潭茶区土壤与茶叶特征规律判别分析

为研究茶区不同地域土壤元素的含量差异，以及茶叶中微量元素的特征规律，以湄潭县12个乡镇土壤、茶叶样品中11种元素含量为输入，利用SAS软件进行主成分分析(principal component analysis，PCA)、典则判别分析(canonical discriminant analysis，CDA)，并对其产地进行溯源研究，其结果见图6、图7。

2.8.1 基于多元统计分析的湄潭茶区土壤特征规律判别分析

由图6-a可知，主成分分析结果中第一主成分占48.42%，第二主成分占31.18%，累积贡献率达79.60%，能较好地解释原始数据信息。图6-a反映了湄潭茶区土壤特征规律，各样品5组数据点重复性较好，同类样品聚集性较强，基本没有样品的交叉与重叠，湄潭县12个镇的上下层土壤在主成分1、2水平上均有明显的距离差，PCA很好地实现了湄潭县12个镇土壤上下层的区分。

图6-b可知，典则判别分析结果中第一特征值占55.90%，第二特征值占24.25%，累积占比80.15%，可较好地解释原始数据信息。各样品5组数据点的重复性较好，湄潭县各茶区土壤及其上下层均得到明显的区分，与主成分分析结果具有高度一致性。

图6中，各乡镇土壤上下层点的分布特征规律明显，高台镇、石莲镇、湄江镇、鱼泉镇4个乡镇土壤上层微量元素含量分布规律具有相似性。图6-a主成分分析结果中高台镇、石莲镇、湄江街道、鱼泉镇土壤上层聚合在右下角；同样图6-b典则判别分析结果中4个乡镇土壤上层聚合在右上角，与其他乡镇土壤距离较远，元素含量分布差异较大。

图6 十二个镇土壤PCA、CDA分析

2.8.2 基于多元统计分析的湄潭茶区茶叶特征规律判别分析

由图7-a可知，主成分分析结果中第一主成分分占70.58%，第二主成分占10.35%，累积贡献率达80.93%，能较好地解释原始数据信息。对于湄潭茶区茶叶特征规律而言：各样品5组数据点重复性较好，各茶叶产区间得到明显的区分。

图7-b可知，典则判别分析结果中第一特征值占96.25%，第二特征值占2.08%，累积占比98.33%，可较好地解释原始数据信息。湄潭县复兴镇、石莲镇样品主成分靠右，其他镇样品靠左，在Can1水平上有较大的差异；其中，靠左样品部分在Can2水平上有明显的落差，图7-b样品点的重复性较好，湄潭县各茶区茶叶得到较明显的区分，与茶叶主成分分析结果高度一致。

图7中，各乡镇茶叶上下层点的分布特征规律明显，复兴镇与石莲镇茶叶微量元素含量分布规律具有相似性。图7-a主成分分析结果图中复兴镇、石莲镇分布靠右，其他乡镇靠左，图7-b典则判别分析结果图中也得到同样的规律，即复兴镇、石莲镇茶叶元素分布相似程度高，与其他乡镇茶叶元素含量分布差异较大。

样品简称与表1一致。

3 讨论

目前越来越多的研究将微量元素作为土壤-茶叶体系健康评价的指标之一。本研究采用ICP-OES技术测定贵州湄潭县12个茶区土壤-茶叶体系中的微量元素含量，对其土壤污染程度、茶叶元素富集能力、体系相关性进行评价与分类判别。马恩亮利用ICP-MS技术测定市售6种茶叶(毛尖、银针等)中的25种元素，其变异系数为0.66%～5.68%。本研究探讨了干法消解结合ICP-OES同步检测土壤-茶叶中多种微量元素方法的RSD、相关系数等，该方法重复性好、可信度高。

湄潭不同茶区土壤Ce、La元素含量差异较大，茶叶Na元素差异较大，其元素含量易受生长环境、土壤的影响。冉登培等研究表明，贵州不同茶区茶叶微量元素具有一定的差异。张清海等研究表明，黔南州茶区茶叶土壤微量元素含量具有区域差异性，茶树元素富集能力也各不相同，研究区域各项指数差异性较大。湄潭茶区土壤-茶叶体系元素含量同样具有一定的差异性，结合PCA、CDA分析可以更好地体现各茶区土壤、茶叶微量元素含量的差异性。

湄潭茶叶重金属含量均未超过相应国家标准的安全限量，且符合富硒茶标准。贵州雷山茶区茶叶-土壤质量具有一致性，贵州茶区整体环境污染程度低。谢再波等采用ICP-MS并结合单因子污染指数法、内梅罗综合污染指数法(Nemerow)，对贵州铜仁石阡苔茶3个茶区的土壤茶叶污染程度进行分析价，结果表明，茶区土壤环境为清洁状态，未受到重金属污染。仝双梅等探讨贵州六盘水茶叶基地的茶叶-土壤，以土壤中重金属Pb、As、Cd、Cr、Cu的含量为基础，结合单因子污染指数法和Nemerow对其污染程度进行评价，发现除Pb元素外，As、Cd、Cr、Cu的含量均值均低于贵州省土壤背景值，Pb的平均污染程度为轻污染，As、Cd、Cr、Cu均为无污染水平；土壤重金属的污染指数均值为0.94，高于本研究茶区(湄潭茶区)，但整体处于清洁无污染程度(<1)。

基于微量元素分析的茶叶产地溯源，刘宏程等利用ICP-MS法测定了普洱茶三大主产区(西双版纳、普洱市、临沧市)16种稀土元素含量，并结合PCA分析、逐步判别分析对其三大产区茶叶进行产地判别，线性判别分析的回判成功率和验证成功率都为100%；交叉验证的正确率分别为90.0%、87.9%、90.9%，通过稀土元素含量的线性判别分析，能够较好地区分不同产区茶样品。龚自明等采用ICP-AES法对来自湖北四大茶区35份茶样中的K、Ca等9种微量元素进行了测定，并结合PCA分析、逐步判别分析对其茶叶产地进行溯源，所建立的判别模型对样品整体检验判别率为100%。本研究基于微量元素含量建立了湄潭茶区土壤上下层、茶叶PCA、CDA判别分析模型，能较好地对各乡镇茶叶、土壤进行分类。

结合土壤、茶叶PCA、CDA的判别结果发现，土壤的类间距比茶叶大，不同地域土壤及其上、下层元素含量的特征规律分布各一，揭示了不同地域土壤中微量元素差异较大，而不同地域相同品种茶叶中微量元素组成分布差异较小。判别模型实现了湄潭12个乡镇土壤及其上下层、茶叶产地区分与溯源，为湄潭茶区产地研究提供了依据。

综上所述，本研究利用ICP-OES结合地累积指数法、单项污染指数法对湄潭茶区土壤-茶叶体系污染程度进行评价，揭示了茶树元素富集能力，及其茶区土壤上下层、茶叶体系微量元素含量相关性特征。并结合多元统计分析(PCA、CDA)实现了湄潭茶区土壤上下层的区分，以及各茶区土壤之间、茶叶之间的区分，揭示了不同茶区土壤-茶叶体系微量元素的差异性，通过相关性分析确立了体系元素含量呈显著或极显著正(负)相关关系。研究结果为揭示湄潭茶区土壤-茶叶体系微量元素特征规律提供参考依据，为湄潭茶区茶叶溯源提供新思路。