皖南茶園土壤重金屬化學(xué)形態(tài)及其生物有效性

林躍勝，方鳳滿，，魏曉飛

（1.安徽師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，安徽 蕪湖241003；2.安徽師范大學(xué) 國土資源與旅游學(xué)院，安徽 蕪湖241003）

近年來，重金屬污染呈現(xiàn)加重的趨勢(shì)，受到各界越來越多的關(guān)注［1－3］。重金屬可通過食物、水等媒介對(duì)人體健康造成直接或間接的危害。茶是世界三大無酒精飲料之一，而近幾年關(guān)于茶葉重金屬超標(biāo)的報(bào)道引起了越來越多人對(duì)茶葉重金屬污染關(guān)注。茶葉中重金屬的主要來源為土壤，而土壤中能被茶樹吸收利用的是土壤中具有活性部分的重金屬。已有研究［4］表明，土壤中重金屬元素的遷移轉(zhuǎn)化及對(duì)植物的影響程度，與其在土壤中的化學(xué)形態(tài)有很大的關(guān)系。近年來對(duì)于茶園土壤重金屬的化學(xué)形態(tài)及生物有效性的研究取得了一定的成果［5－12］。李張偉等［6］報(bào)道粵東鳳凰山茶園土壤中Zn，Mn的形態(tài)分布規(guī)律為：殘?jiān)鼞B(tài)＞鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)＞有機(jī)結(jié)合態(tài)＞可交換態(tài)＞碳酸鹽結(jié)合態(tài)，土壤有機(jī)質(zhì)含量及pH值對(duì)重金屬形態(tài)分布有著重要影響。章明奎等［8］研究表明土壤酸化會(huì)促進(jìn)土壤中其他形態(tài)Pb向可交換態(tài)Pb轉(zhuǎn)化，增加土壤中Pb的水溶性和生物有效性。謝忠雷等［11］報(bào)道茶園土壤中Ni的形態(tài)分布規(guī)律為：殘?jiān)鼞B(tài)＞可交換態(tài)＞鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)＞有機(jī)結(jié)合態(tài)＞碳酸鹽結(jié)合態(tài)，其分布主要受土壤有機(jī)質(zhì)含量、pH值、陽離子交換量以及土壤黏粒含量等的影響。本研究選取了Pb，Zn，Ni，Cu這4種元素對(duì)茶園土壤重金屬污染進(jìn)行研究，研究區(qū)域則選擇皖南茶區(qū)，該地區(qū)是我國十大名茶的毛峰及猴魁產(chǎn)地，但目前對(duì)于該地區(qū)的土壤重金屬含量、化學(xué)形態(tài)、生物有效性以及茶葉中重金屬含量報(bào)道較少。通過Tessier連續(xù)提取分級(jí)法對(duì)皖南茶園土壤重金屬形態(tài)進(jìn)行提取，分析其分布特征，并利用活性態(tài)重金屬占全量之比來評(píng)價(jià)其生物有效性，以期為皖南地區(qū)茶園重金屬污染評(píng)價(jià)及其治理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣品采集及處理

根據(jù)實(shí)地調(diào)查及資料收集選擇采集地，選擇的茶園主要分布于黃山區(qū)太平湖鎮(zhèn)、新明鄉(xiāng)、桃源鄉(xiāng)、龍門鄉(xiāng)、焦村鎮(zhèn)。采用梅花布點(diǎn)法采集土壤樣品44個(gè)。土壤樣品采集后進(jìn)行前處理、風(fēng)干，用瑪瑙研缽研磨全部樣品過10目尼龍網(wǎng)篩，由于測(cè)定有效磷，然后用四分法將樣品分成3份，一部分過20目篩用于測(cè)定pH值，一部分用過60目尼龍網(wǎng)篩用于堿解氮的測(cè)定，同樣取一部分樣品用瑪瑙研缽研磨過100目尼龍網(wǎng)篩用于有機(jī)質(zhì)、重金屬全量及其形態(tài)測(cè)定。

1.2 樣品測(cè)定

土壤基本理化性質(zhì)根據(jù)魯如坤主編的《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》來測(cè)定，土壤有機(jī)質(zhì)采用高溫外熱重鉻酸鉀氧化—容量法測(cè)定［13］；pH值測(cè)定：水土比為2.5∶1，利用pH 電極法測(cè)定［13］；堿解氮采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定；有效磷采用鹽酸—氟化銨法測(cè)定。重金屬全量采用HF—HNO3—HClO4三酸消解定容［13］。

重金屬形態(tài)的測(cè)定根據(jù)Tessier［14］提出的方法，并在此基礎(chǔ)改進(jìn)后的形態(tài)提取法［4］，其連續(xù)提取具體的操作步驟為：（1）可交換態(tài)的測(cè)定。稱取土壤樣品1.000 0g于離心管中，加人1mol／L MgCl2溶液8ml（pH＝7.0），在20℃恒溫振蕩器中振蕩1h，然后進(jìn)行離心沉淀分離，提取上清液，將分離出的溶液定容，過濾保存待測(cè)重金屬，沉淀物留在離心管中；（2）碳酸鹽結(jié)合態(tài)的測(cè)定。在原離心管中加入1.0mol／L NaAc溶液8ml（用 HAc調(diào)pH＝5），在20℃恒溫振蕩器中振蕩6h，用與上述相同的方法離心分離，清液待測(cè)，沉淀留在原離心管中；（3）鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)的測(cè)定。在原離心管中加人0.04mol／L NH2OH·HCl的 HAc（4.5mol／L）溶液20ml，在96℃的水浴恒溫器中保持6h，用前述的方法離心分離 清液待測(cè)，沉淀留在離心管中；（4）有機(jī)物結(jié)合態(tài)的測(cè)定。在原離心管中加入0.02mol／L HNO3溶液3ml，再加入30%的H2O2溶液5ml（HNO3調(diào)pH＝2），在83℃的水浴恒溫器中保持2h；然后再加入30%的H2O2溶液3ml，繼續(xù)在83℃的水浴恒溫器中保持2h；取出冷卻到室溫后加入3.2mol／L NH4Ac溶液3ml，放入20℃水浴恒溫振蕩器中震蕩30min。用前述的方法離心分離，清液待測(cè)；（5）殘?jiān)鼞B(tài)的測(cè)定。將離心管中的殘?jiān)D(zhuǎn)移至聚四氟乙烯坩堝中，利用 HF—HNO3—HClO4三酸消解，定容并過濾轉(zhuǎn)入塑料瓶中待測(cè)。

茶葉重金屬采用 HNO3—HClO4雙酸消解定容［13］，稱取樣品1.000g于100ml三角瓶中，加15ml混合酸（HNO3∶HClO4＝4∶1）在電熱板上消解，待樣品消解后用2%的HNO3定容待測(cè)。

所有樣品重金屬含量均采用ICP—AES測(cè)定。

1.3 分析質(zhì)量控制

所用試劑均為優(yōu)級(jí)純。洗滌和溶液配制所用水均為二次蒸餾水。玻璃等器皿在10%硝酸溶液中浸泡過夜洗凈后備用。每批實(shí)驗(yàn)均做相應(yīng)的試劑空白，平行樣的測(cè)定達(dá)到20%，且相對(duì)偏差均小于20%，為保證分析結(jié)果可靠性，土壤重金屬含量分析過程中插入國家標(biāo)準(zhǔn)土壤樣品GBW07403進(jìn)行質(zhì)量控制，結(jié)果顯示標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的回收率在90%～110%之間。所有樣品重金屬各形態(tài)之和與全量比值范圍為81%～117%。

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤重金屬全量分布特征

皖南茶園土壤基本理化性質(zhì)詳見表1。由表1可知，該區(qū)土壤屬酸性土壤，且空間差異性較小，土壤有機(jī)質(zhì)含量偏低，同時(shí)有機(jī)質(zhì)、有效磷、堿解氮含量的空間差異較大，這可能與皖南山區(qū)地形有關(guān)，部分采樣地坡度較大，這可能導(dǎo)致了土壤中有機(jī)質(zhì)等養(yǎng)分隨地表徑流等流失。土壤中Zn，Cu，Pb，Ni的平均含量分別為86.55，39.09，35.38，21.31mg／kg（表2）。根據(jù)國家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB15618—1995）中的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（pH＜6.5），茶園土壤中重金屬平均含量均未超標(biāo)。對(duì)照皖南山區(qū)區(qū)域背景值［15］，除Zn外，Cu，Ni，Pb平均含量均存在不同程度的超標(biāo)，其中以Cu的含量變化最大，超過了區(qū)域背景值的3倍，其次為Ni超背景值近2倍；44個(gè)樣品中，Zn，Cu，Pb，Ni的 超 標(biāo) 率 分 別 為 38.64%，100%，47.73% 和90.91%，Cu及Ni超標(biāo)最嚴(yán)重，表明皖南茶園土壤重金屬存在較明顯的富集現(xiàn)象。皖南茶園土壤重金屬含量的空間變異系數(shù)大小順序?yàn)椋篜b（45%）＞Zn（44%）＝Ni（44%）＞Cu（38%），根據(jù)變異系數(shù)的分級(jí)規(guī)律［16－17］，變異系數(shù)小于10%為弱變異性；變異系數(shù)在10%～100%屬于中等變異性；變異系數(shù)大于100%為強(qiáng)變異性，4種重金屬含量的空間變異均屬于中等變異，表明其空間分布相對(duì)較均勻，同時(shí)反映了皖南茶園土壤重金屬含量受到一定程度的人類活動(dòng)干擾。茶農(nóng)對(duì)茶園施肥、噴灑農(nóng)藥等活動(dòng)不同程度上影響了土壤重金屬含量，使得其含量較背景值有了不同程度的增加，茶園管理方式以及地形環(huán)境等因素的差異也導(dǎo)致了皖南茶園土壤重金屬含量空間上存在較大差異。與國內(nèi)同類研究相比［6－7］，皖南茶園土壤重金屬含量明顯低于粵東鳳凰山茶區(qū)土壤中Pb及Zn含量，這可能由區(qū)域背景值以及茶園管理模式不同造成的。

表1 供試土壤的主要理化性狀

表2 皖南茶園土壤重金屬含量

2.2 土壤重金屬化學(xué)形態(tài)分析

2.2.1 土壤重金屬化學(xué)形態(tài)分布規(guī)律 由表3可以看出，Zn的各形態(tài)含量總體分布規(guī)律為：殘?jiān)鼞B(tài)＞鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)＞有機(jī)結(jié)合態(tài)＞可交換態(tài)＞碳酸鹽結(jié)合態(tài)，且各形態(tài)Zn含量差異較大。土壤中Zn主要以殘?jiān)鼞B(tài)存在，這與謝忠雷等［10］及Lena等［17］研究結(jié)果一致。非殘?jiān)鼞B(tài)的平均含量占總量的近30%，在非殘?jiān)鼞B(tài)中鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)明顯高于其他形態(tài)，土壤中Zn易與土壤中鐵錳氧化物結(jié)合，因此鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)Zn含量僅次于殘?jiān)鼞B(tài)含量。Cu的各形態(tài)含量總體分布規(guī)律為：殘?jiān)鼞B(tài)＞鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)＞有機(jī)結(jié)合態(tài)＞可交換態(tài)＞碳酸鹽結(jié)合態(tài)。其中可交換態(tài)與碳酸鹽結(jié)合態(tài)含量較接近，而鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)與有機(jī)結(jié)合態(tài)含量較接近，殘?jiān)鼞B(tài)平均含量占總量90%。土壤中可交換態(tài)和碳酸鹽結(jié)合態(tài)Cu含量較低，這可能是由于土壤膠體對(duì)Cu離子的有著較強(qiáng)的專性吸附，導(dǎo)致土壤中可交換態(tài)Cu含量降低。Pb的各形態(tài)含量總體分布規(guī)律為：鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)＞有機(jī)結(jié)合態(tài)＞殘?jiān)鼞B(tài)＞可交換態(tài)＞碳酸鹽結(jié)合態(tài)，土壤中Pb以鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)為主，而李張偉［7］對(duì)鳳凰山茶園的研究結(jié)果顯示，土壤中以殘?jiān)鼞B(tài)為主，其次為鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)，而含量最少的形態(tài)與本研究結(jié)果一致，均為碳酸鹽結(jié)合態(tài)。本研究與李張偉等［7］及杜兵兵等［5］的研究結(jié)果差異主要可能與地理環(huán)境以及土壤質(zhì)地的差異性有關(guān)。Ni的各形態(tài)含量總體分布規(guī)律為：殘?jiān)鼞B(tài)＞鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)＞有機(jī)結(jié)合態(tài)＞可交換態(tài)＞碳酸鹽結(jié)合態(tài)，土壤中其余4種形態(tài)Ni含量與殘?jiān)鼞B(tài)含量差異較顯著?？山粨Q態(tài)以及碳酸鹽結(jié)合態(tài)Ni含量較其他3種重金屬含量明顯偏低，這可能與土壤中Ni背景值較低，土壤中Ni主要來源為自然源有關(guān)。皖南茶園土壤中Ni形態(tài)分布規(guī)律除可交換態(tài)Ni外，其他形態(tài)分布規(guī)律與謝忠雷［11］所研究的結(jié)果基本一致，其差異可能與土壤的生態(tài)環(huán)境及采樣時(shí)間有關(guān)，皖南山區(qū)土壤Ni背景值明顯低于謝忠雷所研究的區(qū)域。

2.2.2 土壤中重金屬不同形態(tài)分布規(guī)律的原因分析由表4可知，土壤有機(jī)質(zhì)含量與土壤中Zn，Cu，Pb，Ni的碳酸鹽結(jié)合態(tài)之間均呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系；而與有機(jī)結(jié)合態(tài)之間則呈現(xiàn)出顯著正相關(guān)關(guān)系，這主要是土壤有機(jī)質(zhì)含量增加會(huì)導(dǎo)致可以增加土壤膠體表面負(fù)電荷的數(shù)量，使有機(jī)質(zhì)吸附住土壤中可交換態(tài)重金屬，從而導(dǎo)致土壤中有機(jī)結(jié)合態(tài)重金屬含量隨有機(jī)質(zhì)含量的增加而呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)；土壤中有機(jī)質(zhì)含量對(duì)其他形態(tài)重金屬含量影響較弱，之間相關(guān)性不顯著。pH值是影響土壤中重金屬形態(tài)之間的轉(zhuǎn)化的重要元素，通過相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)（表4），土壤pH值與可交換態(tài)Pb，Zn，Cu，Ni之間呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，表明隨著土壤pH的降低，土壤中可交換態(tài)重金屬含量會(huì)增加，尤其是元素Pb，這主要是因?yàn)橥寥浪峄瘯?huì)促進(jìn)土壤中其他形態(tài)Pb向可交換態(tài)Pb轉(zhuǎn)化［7］，pH值與土壤中碳酸鹽結(jié)合態(tài)Zn，Pb，Ni之間的相關(guān)性也表明了這一點(diǎn)；從表4可知，土壤pH值的變化對(duì)土壤中鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、有機(jī)結(jié)合態(tài)以及殘?jiān)鼞B(tài)重金屬含量的分布特征影響不大。

表3 茶園土壤5種形態(tài)重金屬含量 mg／kg

表4 重金屬各形態(tài)與全量及理化性質(zhì)的相關(guān)系數(shù)

2.3 重金屬生物有效性分析

重金屬的生物有效性指重金屬能被生物吸收或?qū)ι锂a(chǎn)生毒性的性狀，可由間接的毒性數(shù)據(jù)或生物體濃度數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)［18］。重金屬各形態(tài)的環(huán)境行為和生態(tài)效應(yīng)影響著其生物有效性，土壤中重金屬的可交換態(tài)及碳酸鹽結(jié)合態(tài)一般可被植物直接或間接吸收利用，鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)及有機(jī)結(jié)合態(tài)一般不易被直接吸收，但其可在一定的氧化還原條件下向可交換態(tài)及碳酸鹽結(jié)合態(tài)轉(zhuǎn)化，而土壤中殘?jiān)鼞B(tài)重金屬則相對(duì)較穩(wěn)定，一般不具有生物有效性。在國外研究中，通常將可交換態(tài)與碳酸鹽結(jié)合態(tài)之和作為“非穩(wěn)定形態(tài)（labile fraction）”［19］，以此來評(píng)價(jià)重金屬活性。

通過計(jì)算可交換態(tài)和碳酸鹽結(jié)合態(tài)之和占全量比例分析皖南茶園土壤中重金屬的生物活性（表5）。由表5可知，元素Zn，Cu的活性態(tài)占全量之比最高超過了10%，但從整體來看，大部分樣點(diǎn)的重金屬非穩(wěn)定形態(tài)占全量比例均低于10%。就每個(gè)元素的非穩(wěn)定態(tài)含量而言，其中Zn的活性最大，表明土壤中Zn能被植物吸收利用的部分較多，而其他3種元素活性則明顯偏低。茶園土壤中重金屬的活性變化可能受到土壤理化性質(zhì)的影響，茶園酸性土壤會(huì)使可交換態(tài)重金屬含量增加［7］，導(dǎo)致土壤中活性態(tài)重金屬含量增多。

表5 土壤中重金屬活性態(tài)占全量比例

2.4 茶葉中重金屬與土壤中重金屬含量之間關(guān)系

通過對(duì)皖南茶園茶葉（鮮葉）中重金屬的測(cè)定，發(fā)現(xiàn)茶葉中Zn，Cu，Pb，Ni含量范圍分別為：83.80～150.80mg／kg，10.80～36.00mg／kg，0.05～1.60 mg／kg，3.65～19.15mg／kg，其平均含量分別為109.76，15.51，0.59和9.50mg／kg，根據(jù)國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)（GB9679—1988，NY659—2003），皖南茶園茶葉中Pb，Cu均未超過國家Pb（2mg／kg），Cu（60mg／kg）的限量值，處在一個(gè)安全范圍內(nèi)。對(duì)茶葉重金屬與土壤重金屬形態(tài)及土壤化學(xué)性質(zhì)相關(guān)性分析（表6），發(fā)現(xiàn)茶葉中重金屬與其對(duì)應(yīng)土壤中重金屬可交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)均呈正相關(guān)關(guān)系，表明茶葉中重金屬含量直接受到土壤中活性態(tài)（可交換態(tài)＋碳酸鹽結(jié)合態(tài)）重金屬含量的影響；茶葉中Cu，Ni與土壤中Cu，Ni的鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、有機(jī)結(jié)合態(tài)呈負(fù)相關(guān)，而Zn，Pb則呈正相關(guān)；土壤中鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)Zn與茶葉中Zn含量之間呈現(xiàn)極顯著相關(guān)，這可能與土壤中鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)Zn含量較高有關(guān)，同時(shí)該形態(tài)Zn與土壤有機(jī)質(zhì)有著顯著正相關(guān)，這也可能導(dǎo)致了茶葉中Zn與其呈現(xiàn)正相關(guān)。由表6可知，茶葉中重金屬含量受土壤中可交換態(tài)重金屬影響最為明顯，而其他4種化學(xué)形態(tài)的重金屬對(duì)茶葉中重金屬含量影響較低，尤其是殘?jiān)鼞B(tài)和有機(jī)結(jié)合態(tài)。

表6 茶葉中重金屬與土壤中重金屬化學(xué)形態(tài)相關(guān)系數(shù)

3 結(jié)論

（1）皖南茶園土壤中Zn，Cu，Pb，Ni含量除 Ni有一個(gè)樣點(diǎn)超過標(biāo)準(zhǔn)（GB15618—1995）外，其他均未超標(biāo)。Cu，Pb，Ni平均含量均高出區(qū)域土壤背景值，存在明顯富集現(xiàn)象，尤其是Cu含量超過了背景值的3倍以上。

（2）皖南茶園土壤重金屬形態(tài)分布規(guī)律存在差異，Zn，Cu，Ni以殘?jiān)鼞B(tài)為主，分別占總量的72.55%，90.00%和81.79%，而Pb以鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)為主，占總量的70.09%。重金屬Zn，Cu，Pb，Ni的化學(xué)形態(tài)分布特征受到了土壤有機(jī)質(zhì)及pH值的影響。

（3）皖南茶園土壤中4種重金屬活性態(tài)部分占全 量 的 比 例 分 別 為 5.04%，1.51%，0.97% 和0.23%，總體上皖南茶園土壤重金屬的活性態(tài)含量較低，土壤重金屬活性態(tài)部分與茶葉中重金屬含量之間呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。

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