閩南烏龍茶及其產(chǎn)地稀土信息二階聚類研究

孔俊豪 楊秀芳 張士康 趙玉香

（中華全國供銷合作總社杭州茶葉研究院，浙江杭州 310016）

閩南烏龍茶及其產(chǎn)地稀土信息二階聚類研究

孔俊豪 楊秀芳*張士康 趙玉香

（中華全國供銷合作總社杭州茶葉研究院，浙江杭州 310016）

本研究基于閩南烏龍茶某主產(chǎn)區(qū)收集的毛茶、鮮葉及對應(yīng)土壤中的稀土含量進行樣本系統(tǒng)檢測，通過二階聚類分析。從閾值特征上可將干毛茶采集區(qū)歸入四個特征組：低稀土含量區(qū)（產(chǎn)地代碼2、3，下同），次低稀土含量區(qū)（1、8）、次高稀土含量區(qū)（4、9）和高稀土含量區(qū)（5、6、7）；鮮葉采集區(qū)分三個特征組：低稀土含量區(qū)（2、4），中稀土含量區(qū)（1、3、7、8、9、10），高稀土含量區(qū)（2、4、5、6、7），2、4、7 三地樣本中稀土含量有異化趨勢；土壤采集區(qū)歸為四類：低稀土含量區(qū)（3、8），次低稀土含量區(qū)（2、5、7、9），次高稀土含量區(qū)（4），高稀土含量區(qū)（1、6、10）。明確了該烏龍茶主產(chǎn)區(qū)稀土含量水平鎮(zhèn)域細分的集群特征，并據(jù)此實現(xiàn)了基于產(chǎn)地稀土信息的鎮(zhèn)域化聚類，可為閩南典型烏龍茶產(chǎn)區(qū)低稀土茶園選建及茶園稀土管控提供支撐和依據(jù)。

閩南烏龍茶 稀土 產(chǎn)地聚類

近幾年，烏龍茶、緊壓茶等幾種用成熟度較高的原料加工而形成的典型茶類，其稀土含量偏高問題逐步暴露。為摸清我國茶葉稀土現(xiàn)狀及其產(chǎn)地稀土分布特征，本研究以某一烏龍茶主產(chǎn)區(qū)（茶園面積4萬公頃）為實證，對其所轄十個主要產(chǎn)茶鄉(xiāng)鎮(zhèn)開展研究。項目采集了批量干毛茶、鮮葉、茶園土壤等樣本，對GB 2762-2005明確限定的稀土元素（氧化物總量）進行研究與分析。為研究不同產(chǎn)地間樣本基于稀土安全性指標的相似性，采用二階聚類對稀土含量觀測值進行了統(tǒng)計聚類。

二階聚類分析是數(shù)據(jù)挖掘的重要方法之一，在管理科學(xué)及種質(zhì)資源領(lǐng)域有著日漸廣泛的應(yīng)用[1-5]。通過產(chǎn)生不同聚類數(shù)的判別信息、最終的聚類頻數(shù)及描述性統(tǒng)計量，利用聚類分析對樣品稀土觀測值進行分類，能較真實地區(qū)分各產(chǎn)區(qū)茶葉稀土水平差異，聚類結(jié)果較穩(wěn)定，可為產(chǎn)地聚類提供客觀依據(jù)。本研究基于二階聚類分析明確了某一烏龍茶主產(chǎn)區(qū)范圍內(nèi)鎮(zhèn)域細分的集群特征，并據(jù)此實現(xiàn)了基于產(chǎn)地稀土信息的鎮(zhèn)域化聚類，為“十二五”期間建設(shè)低稀土烏龍茶原料基地的篩選奠定了理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

1.1.1 試劑

硝酸水溶液（v/v）：1∶1；30%過氧化氫溶液；稀土標準溶液：鑭(La)、鈰(Ce)、鐠(Pr)、釹(Nd)、釤(Sm)單元素標準溶液，濃度均為1mg/mL，由國家有色金屬及電子材料分析測試中心提供；混合標準工作液：由五種稀土單元素標準溶液配成，各元素含量 依 次 為 0.0、5.0、10.0、20.0、50.0、100.0 ng/mL。硝酸、雙氧水分別為國產(chǎn)優(yōu)級純、分析純。

1.1.2 樣品采集

毛茶樣采集：從產(chǎn)地代碼分別為1～9的9個產(chǎn)茶鄉(xiāng)鎮(zhèn)，每個鄉(xiāng)鎮(zhèn)選擇毛茶取樣點5～10個，每戶同一品種毛茶取樣≥200g，干茶樣82只。

鮮葉樣采集：從產(chǎn)地代碼分別為1～10的10個產(chǎn)茶鄉(xiāng)鎮(zhèn)（產(chǎn)地代碼依次為 1，2，3，…10），每個鄉(xiāng)鎮(zhèn)選擇茶園5～10個（單塊取樣茶園面積≥0.67公頃），同一茶園選取4～6個采樣點進行隔點采樣組成混合樣，單個茶園取樣鮮葉量≥1.0kg，有效鮮葉樣計47只。

土壤樣品采集：在鮮葉取樣點對應(yīng)的茶樹根部，取離地表20～30cm左右的表層(耕層)土壤，單次取樣0.5kg左右，混勻，有效樣品87只。

1.1.3 采集預(yù)處理

毛茶樣品處理：經(jīng)粉碎，過80目篩，保存至聚乙烯塑料瓶，備用。

鮮葉處理：將采集的鮮葉及時進行干燥，經(jīng)粉碎、過80目篩，保存至聚乙烯塑料瓶，備用。

土壤處理：100℃烘干，用有機玻璃或木棒碾碎，過100目篩，保存至聚乙烯塑料瓶，備用。

1.2 測定方法

1.2.1 茶葉中稀土總量測定

準確稱取磨碎茶樣2g（精確到0.001g），置于30mL瓷坩堝中，加熱炭化至無煙后，移入電阻爐中，525±25℃灰化4h。冷卻后加入1mL去離子水，然后加1mL硝酸溶液及2滴過氧化氫溶液，消解至無色透明，定容至25mL刻度，搖勻待測。取與消化樣品相同量的硝酸，同法做試劑空白試驗。電感耦合等離子體發(fā)射光譜法 （ICP-AES法，Genesis電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀，德國斯派克公司） 測定茶葉中 La、Ce、Pr、Nd、Sm 等五種稀土元素的含量，經(jīng)換算轉(zhuǎn)化后得到各個元素的氧化物含量，將各個元素的氧化物含量累加后就可得到五個元素的氧化物總量。同一樣品平行測定。

1.2.2 土壤中稀土總量測定

準確稱取土樣1.000g于聚四氟乙烯坩堝中，加硝酸5mL、高氯酸2mL、氫氟酸5mL，在電熱板上加熱溶解成黃白色糊狀，冷卻后，再加高氯酸2mL，以趕盡氫氟酸，冷卻，再加2mol/L鹽酸5mL，微熱溶解殘渣，移至50mL容量瓶定容，同時做空白，ICP-AES 法測定土壤樣中 La、Ce、Pr、Nd、Sm等五種稀土元素的含量，計算處理同1.2.1。

1.3 分析方法

檢測數(shù)據(jù)采用SPSS16.0軟件進行分析，以平均值表示[6-7]。

2 結(jié)果與分析

2.1 干茶樣中稀土含量檢測值統(tǒng)計與聚類分析

對某一烏龍茶主產(chǎn)區(qū)隨機抽取的82只干茶樣剔除茶梗后進行稀土元素檢測，樣本描述統(tǒng)計分別見表1和圖1。

由表1可以看出，統(tǒng)計樣本范圍內(nèi)，按GB 2762-2005《食品中污染物限量》國家標準規(guī)定判定，干茶樣稀土含量合格率為48.2%。

干毛茶樣本稀土氧化物含量均值3.03mg/kg，標準差2.56，偏度系數(shù)1.554，偏度標準誤0.269，同一產(chǎn)區(qū)茶葉樣品稀土含量水平呈較明顯的正偏態(tài)分布。

表1 干茶樣品稀土含量分布區(qū)間統(tǒng)計Table1 Distribution statistics of REOs content in tea samples

為判別和探究基于稀土含量水平高低的產(chǎn)地聚類信息，對來自同一產(chǎn)區(qū)不同鄉(xiāng)鎮(zhèn)的71只樣品，以產(chǎn)地為分類變量進行了基于產(chǎn)地類別的二階自動聚類分析，結(jié)果見表2。

圖1 干茶樣品稀土含量分布直方圖和正態(tài)曲線Fig.1 Histogram and normal curve for REOs content in tea samples

表2 產(chǎn)地自動聚類的BIC信息數(shù)據(jù)（干茶樣品）Table2 REOs content BIC information by automatic clustering for tea samples

根據(jù) TSC 聚類原則，若 dBIC（2）＞0，則最終聚類數(shù)為1，聚類完畢。否則，搜索rBIC＜0.04的聚類結(jié)果，取聚類數(shù)最少者 (假設(shè)為J)；若此時所有rBIC均大于0.04，則取自定義的最大聚類數(shù)（15），從聚類數(shù)為J-1開始，搜索J-1～2之間最大的兩個rDM值，若最大值與次大值之比大于1.15，則較大rDM值的聚類數(shù)為最終結(jié)果；否則，取兩者中聚類數(shù)較多者為最終結(jié)果[8]。由表2中BIC 值可知，dBIC(2)=(-57.450)＜0，觀察 rBIC，其中小于0.04的最小聚類數(shù)為5，聚類數(shù)4和2之間兩個最大的rDM值分別為1.693和1.510，1.693/1.510=1.12＜1.15，因此取聚類個數(shù)較多者為好。顯然，基于產(chǎn)地信息將茶葉按照稀土含量水平分為4類為較適宜的類型數(shù)。

根據(jù)圖2及表3的協(xié)同分析可知，產(chǎn)地2、3歸入第Ⅰ類產(chǎn)區(qū)（低稀土產(chǎn)區(qū)），產(chǎn)地1、8歸入第Ⅳ類產(chǎn)區(qū)（次低稀土產(chǎn)區(qū)），產(chǎn)地4、9歸入第Ⅲ類產(chǎn)區(qū)（次高稀土產(chǎn)區(qū)），產(chǎn)地5、6、7歸入第Ⅱ類產(chǎn)區(qū)（高稀土產(chǎn)區(qū)）。

2.2 同一產(chǎn)區(qū)茶樹鮮葉稀土含量水平分析

對茶樹鮮葉樣本進行兩階段聚類分析，得到47個樣本被聚為1～15類時相關(guān)統(tǒng)計指標的具體數(shù)值，如表4所示。

圖2 95%置信區(qū)間聚類內(nèi)部的干茶樣本均值范圍及聚類分布Fig.2 Simultaneous 95%confidence intervals for tea samples REOs means and percent within cluster

表3 基于茶葉樣品稀土含量水平分析的產(chǎn)地聚類結(jié)果Table3 Results of producing area clustering based on REOs content in tea samples

由表4中BIC信息可知，dBIC(2)=(-22.225)＜0，根據(jù) rBIC值，小于 0.04的聚類數(shù)為 3，按照2.1中聚類原則，自動聚類數(shù)為2，根據(jù)二階聚類的協(xié)調(diào)算法[9]及樣本稀土含量限量指標，以2.0mg/kg為聚類節(jié)點參數(shù)，控制聚類過程，由圖3的聚類均值比較數(shù)據(jù)可以看出，聚為3類較適宜的類型符合實際分布狀況。

根據(jù)圖3及表5的協(xié)同分析可知，2、4歸入第Ⅰ類產(chǎn)區(qū)（低稀土鮮葉產(chǎn)區(qū)），1、3、7、8、9、10 歸入第Ⅱ類產(chǎn)區(qū) （中稀土鮮葉產(chǎn)區(qū)），2、4、5、6、7 歸入第III類產(chǎn)區(qū)（高稀土鮮葉產(chǎn)區(qū)），2、4兩地鮮葉樣品稀土檢測值差異較為懸殊，在上述I、II類型中均有分布，而7地鮮葉樣品在II、III中亦有分布，總體水平趨于偏高。

表4 各產(chǎn)地自動聚類的BIC信息數(shù)據(jù)（鮮葉）Table4 REOs content BIC information by automatic clustering for tea fresh leaf samples

2.3 茶園土壤樣稀土含量水平的聚類分析

圖3 95%置信區(qū)間聚類內(nèi)部的鮮葉樣本均值范圍及聚類分布Fig.3 Simultaneous 95%confidence intervals for fresh leaf samples REOs means and percent within cluster

表5 基于鮮葉稀土含量水平分析的產(chǎn)地聚類結(jié)果Table5 Results of producing area clustering based on REOs content in fresh leaf samples

表6 產(chǎn)地自動聚類的BIC信息數(shù)據(jù)（茶園土壤）Table6 REOs content BIC information by automatic clustering for soil samples

對不同鄉(xiāng)鎮(zhèn)的茶園土壤樣本進行兩階段聚類分析，得到87個有效樣本被聚為1～15類時相關(guān)統(tǒng)計指標的具體數(shù)值，如表6所示。

由表6中BIC值可知，dBIC(2)=(-65.829)＜0，故繼續(xù)觀察rBIC，其中小于0.04的最小聚類數(shù)為5，聚類數(shù)4和2之間兩個最大的rDM值分別為1.737和 1.687，1.737/1.687=1.03＜1.15， 因此取聚類個數(shù)較多者為好，顯然4為較適宜的聚類數(shù)。

根據(jù)圖4及表7的組合分析可知，產(chǎn)地3、8歸入第Ⅲ類產(chǎn)區(qū)（低稀土茶園區(qū)），產(chǎn)地 2、5、7、9歸入第Ⅱ類產(chǎn)區(qū)（次低稀土茶園區(qū)），產(chǎn)地4歸入第Ⅰ類產(chǎn)區(qū)（次高稀土茶園區(qū)），產(chǎn)地1、6、10歸入第Ⅳ類產(chǎn)區(qū)（高稀土茶園區(qū)）。

3 討論與小結(jié)

本研究基于閩南烏龍茶某主產(chǎn)區(qū)收集的毛茶、鮮葉及對應(yīng)土壤中的稀土含量進行樣本系統(tǒng)檢測，通過二階聚類分析，得出如下結(jié)論：

圖4 95%置信區(qū)間聚類內(nèi)部的土壤樣本均值范圍及聚類分布Fig.4 Simultaneous 95%confidence intervals for soil samples REOs means and percent within cluster

表7 基于土壤稀土含量水平分析的產(chǎn)地聚類結(jié)果Fig.7 Results of producing area clustering based on REOs content in soil samples

（1）隨機在九個產(chǎn)茶鄉(xiāng)鎮(zhèn)抽取的烏龍茶毛茶樣品，稀土含量均值為3.45mg/kg，基于GB 2762-2005《食品中污染物限量》的產(chǎn)品合格率為48.2%，樣本總體稀土含量呈較明顯的正偏態(tài)分布。

（2）通過產(chǎn)地二階聚類，九個干茶樣品采集區(qū)歸入四個特征分布組，低稀土含量產(chǎn)區(qū) （產(chǎn)地代碼：2、3，下同）、次低稀土含量產(chǎn)區(qū)（1、8）、次高稀土產(chǎn)區(qū)（4、9）及高稀土產(chǎn)區(qū)（5、6、7）。

（3）十個鮮葉樣本采集區(qū)可歸入三個特征組，低稀土含量產(chǎn)區(qū)（產(chǎn)地代碼2、4，下同），中稀土含量產(chǎn)區(qū)（1、3、7、8、9、10），高稀土含量產(chǎn)區(qū)（2、4、5、6、7）， 其中 2、4、7三地樣本鮮葉中的稀土含量有極化、分化趨勢。

（4）十個土壤樣本采集區(qū)歸為四類，低稀土含量產(chǎn)區(qū)（產(chǎn)地代碼3、8，下同），次低稀土含量產(chǎn)區(qū)（2、5、7、9），次高稀土含量產(chǎn)區(qū)（4），高稀土含量產(chǎn)區(qū)（1、6、10）。

研究還對茶樹鮮葉及其土壤進行稀土含量的對應(yīng)分析表明，土壤中稀土含量與鮮葉中稀土含量具有一定的相關(guān)性（r=0.282），表明土壤環(huán)境中可溶態(tài)稀土元素的含量對鮮葉中稀土含量有一定的影響。此論據(jù)可為今后低稀土茶園建設(shè)和管理方面提供有益的參考。茶樹中稀土元素的吸收途徑和遷移分布仍待開展進一步的示蹤溯源研究。

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Study on South Fujian Oolong Tea’s Characteristic Based on Producing Area Rare-Earth Oxides Information by the Two-step-cluster

KONG Jun-hao,YANG Xiu-fang*,ZHANG Shi-kang,ZHAO Yu-xiang
(Hangzhou Tea Research Institute,CHINA COOP,Hangzhou 310016,China)

The rare earth oxides (REOs)of raw tea,fresh leaves and soil samples were tested and analyzed in this research,group characteristics of town subdivision were found by the two-step-cluster.The acquisition regions of raw tea samples have been divided into four characteristic groups by threshold value character of REOs,which were in sequence of low content area (code of origin 2,3),sub-low content area(1,8),sub-high content area(4,9)and high content area(5,6,7);the acquisition regions of fresh leaves have been divided into three characteristic groups,which were in sequence of low content area (2,4),medium content area (1,3,7,8,9,10)and high content area (2,4,5,6,7),however,three regions (2,4,7)exhibited an alienation trend;the acquisition regions of soil samples have been divided into four characteristic groups,which were in sequence of low content area(3,8),sub-low content area(2,5,7,9),sub-high content area(4)and high content area (1,6,10).Thus regionalization for towns has been realized by producing area REOs information accordingly,which could provide support and basis for construction of low-REOs Oolong tea garden base and REOs management and control in South Fujian producing areas.

South Fujian Oolong Tea,Rare Earth Oxides,Producing Area Clustering

2012-02-06

項目來源：“十二五”國家科技支撐計劃子課題“茶葉質(zhì)量安全控制關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”（2011BAD01B02-1）

孔俊豪（1982-），男，河南漯河人，研究實習(xí)員，主要從事茶葉活性組分的生物轉(zhuǎn)化技術(shù)及精深加工研究。

*通訊作者：teatesting@sina.com