茶園重金屬污染途徑及其修復(fù)技術(shù)研究進(jìn)展

郭胡津　胡波　蔡烈偉

摘要 概述了目前我國茶園土壤重金屬污染途徑及其修復(fù)技術(shù)的研究進(jìn)展和現(xiàn)狀，系統(tǒng)歸納了茶園重金屬污染的成因，提出重金屬污染修復(fù)技術(shù)在茶園中的應(yīng)用，并對茶園重金屬污染研究的發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞 茶園；重金屬污染；現(xiàn)狀；途徑；修復(fù)技術(shù)

中圖分類號 X131.3；X53 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1007-5739（2016）07-0214-03

Abstract The research progress and status of the soil in tea garden of China were outlined，and the reasons of heavy metal pollution were introduced，application of remediation technology of heavy metal pollution in tea garden was proposed，and the trend of research on heavy metal pollution in tea garden were prospected.

Key words tea garden；heavy metal pollution；status；means；remediation technology

茶葉是我國重要的經(jīng)濟(jì)作物。2014年，我國茶園面積274.13萬hm2，茶葉產(chǎn)量209.2萬t，干毛茶總產(chǎn)值達(dá)1 349億元[1]。這些茶葉中，很大部分屬于中低檔茶，經(jīng)濟(jì)效益不明顯，特別是近年來，茶葉中重金屬超標(biāo)時(shí)有發(fā)生，使其失去深加工利用價(jià)值，嚴(yán)重制約著我國茶產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

土壤重金屬元素含量狀況是影響茶樹生長和茶葉安全生產(chǎn)的重要因子，關(guān)乎人類的健康。加強(qiáng)對茶園土壤重金屬調(diào)查和研究是控制茶葉產(chǎn)品質(zhì)量安全的重要手段，也是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵和進(jìn)行農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境保護(hù)的重要方向[2]。近年隨著茶產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，我國茶園重金屬污染研究取得較大的進(jìn)步與發(fā)展。筆者通過查閱大量資料，系統(tǒng)地總結(jié)和分析了近年來茶園重金屬污染研究的研究動態(tài)與發(fā)展趨勢，以期為推動和促進(jìn)我國茶園重金屬污染研究提供科學(xué)依據(jù)。

1 我國茶園重金屬污染現(xiàn)狀

自進(jìn)入工業(yè)社會后，我國重金屬污染面積不斷擴(kuò)大，茶園在一定程度上也受到了重金屬的污染，茶葉重金屬超標(biāo)問題時(shí)有發(fā)生。李 云等[3]對西南地區(qū)主要茶園土壤和茶葉中的重金屬含量進(jìn)行檢測分析，從總體上看，茶葉和茶園土壤環(huán)境質(zhì)量總體良好，其未受重金屬元素的污染，但樂山和川茶群體土壤中的Cd綜合污染指數(shù)達(dá)到0.69，接近安全等級的上限0.70。縉云山茶和銀芽中Cd和Hg是高富集元素，川茶群體中Hg是高富集元素。王紅娟等[4]通過對湖北省61個(gè)典型茶園的土壤重金屬Cu、Pb、As、Hg、Cd和Cr的含量測定，也表明茶園土壤環(huán)境整體狀況良好，90%以上的茶園土壤未受重金屬污染，有部分茶園土壤受重金屬Cu、Cd、Cr的輕度污染，個(gè)別茶園出現(xiàn)Cd的嚴(yán)重污染。雖然我國有些茶區(qū)土壤重金屬含量合格率很高，但重金屬污染依然存在，不容忽視。李張偉[5]、蘇祝成等[6]的研究也證實(shí)了這一點(diǎn)。在我國不同地區(qū)的重金屬污染類型也有所不同，郭雅玲等[7]通過對福建省鐵觀音茶園土壤進(jìn)行調(diào)查分析，表明3%的土壤鉻、砷、汞含量均高于茶葉產(chǎn)地環(huán)境技術(shù)條件（NY/T853—2004）中相應(yīng)的限量；8%的土壤鎘、鉻、砷、汞含量和30%的土壤鉛含量高于有機(jī)茶產(chǎn)地環(huán)境條件（NY/5199—2002）中相應(yīng)的限量。

2 茶園重金屬污染途徑

2.1 灌溉用水污染

茶樹是喜濕性多年生植物，對水分的要求極高。我國大部分茶區(qū)月降雨量分布不均勻，如江南茶區(qū)降雨量主要集中在春季，江北茶區(qū)年降雨主要集中在夏季。有些茶區(qū)即使年降雨量達(dá)到要求，也會因?yàn)樵陆涤炅坎蛔愣绊懖枞~生產(chǎn)。因此，茶園灌溉對于茶葉生產(chǎn)有著重要的意義。廖金成[8]在安溪縣主要產(chǎn)區(qū)進(jìn)行選點(diǎn)監(jiān)測，對監(jiān)測點(diǎn)灌溉水的重金屬污染進(jìn)行分析檢測，表明監(jiān)測點(diǎn)灌溉水環(huán)境均未受到重金屬污染。在我國很多茶區(qū)總體茶園灌溉用水都能符合無公害茶葉生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)要求。由于我國水資源的匱乏，特別是北方地區(qū)缺水較為嚴(yán)重，這使污水成為灌溉用水的重要組成部分。而我國污水處理率低，灌溉水質(zhì)重金屬污染問題依然存在[9-10]。污水中的重金屬通過細(xì)菌吸收、礦物顆粒表面吸附及無機(jī)鹽（磷酸鹽、硫酸鹽）共沉淀等途徑濃縮到土壤中，導(dǎo)致土壤中Cu、Zn、Cd、Ni、Cr、Pb、Hg和As等重金屬含量超標(biāo)[11]。劉磊[12]對華東地區(qū)某有機(jī)農(nóng)作物地灌溉水環(huán)境中重金屬含量進(jìn)行檢測分析，表明該農(nóng)場灌溉水體受Cu的污染風(fēng)險(xiǎn)最小，而As、Cr污染風(fēng)險(xiǎn)可能較大。由于重金屬富集程度與污水灌溉時(shí)間密切相關(guān)[13]，因此農(nóng)場應(yīng)做好水質(zhì)的長期監(jiān)測和防控工作，為茶葉安全生產(chǎn)提供良好保障。

2.2 大氣粉塵沉降

茶園大氣重金屬污染主要體現(xiàn)在空氣中的粉塵沉降污染，特別是工業(yè)廢氣和汽車尾氣的排放沉降的污染。岳 勇等[14]對煤燃燒排放的粉塵顆粒進(jìn)行采樣分析，表明重金屬元素隨粒徑減小以成倍速度富集，最末級As的相對富集因子分別為30和23，Pb為16和13，Ni、Co、Cu、Cr也有4～8倍的富集。有研究表明，茶園土壤中重金屬Pb、Cd和Hg的積累與大氣沉降有關(guān)[15]。Pb、Cd、Cu、Zn等是典型的交通源重金屬元素。王學(xué)鋒等[16]通過對107國道兩側(cè)土壤進(jìn)行分析，表明公路兩側(cè)農(nóng)田土壤重金屬含量隨著與公路距離的增大而有降低趨勢，各重金屬含量的峰值均出現(xiàn)在距離公路10～30 m處；公路兩側(cè)300 m范圍內(nèi)土壤受到不同程度的Pb、Cd、Cu、Zn、Cr、Ni污染和潛在生態(tài)危害。韓文炎[17]研究表明，公路邊茶園的鉛含量較高，距公路水平500 m以內(nèi)的大氣會受較強(qiáng)影響，大氣中垂直距離50 cm以下鉛含量較高。合理控制茶園與主干公路距離，能大大降低重金屬對茶園土壤的污染。

2.3 肥料污染

在化肥的生產(chǎn)過程中，有些原料或者加工過程都能導(dǎo)致化肥中含有一定量的重金屬。王起超等[18]通過研究表明大部分化肥樣品中Cu、Zn、Pb、Cd、Hg含量低于土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB15618—1995）二級標(biāo)準(zhǔn)中土壤的濃度限值。但按該標(biāo)準(zhǔn)中土壤pH值<6.5衡量，超標(biāo)率分別為Cu 2.9%、Zn 2.9%、Cd 14.7%、Hg 17.6%。茶樹是喜酸性植物，適宜生長在pH值為4.5～6.0的土壤上，因此肥料重金屬超標(biāo)問題在茶園使用中不容忽視。同時(shí)，不同種類肥料中重金屬情況也有差異。有研究表明，過磷酸鈣的重金屬如鋅（Zn）、銅（Cu）、鎘（Cd）、鉛（Pb）含量高于鈣鎂磷肥、氮肥、鉀肥和三元復(fù)合肥，有機(jī)-無機(jī)復(fù)混肥料中的Pb含量要高于氮肥、鉀肥和三元復(fù)合肥[19-20]。

有機(jī)肥是茶園重要的肥料來源，有機(jī)肥中重金屬狀況直接影響著茶葉的安全化生產(chǎn)。在生產(chǎn)過程中，有些以畜禽糞便加工成的商品有機(jī)肥在生產(chǎn)過程中并未按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)來生產(chǎn)，普遍存在重金屬超標(biāo)的現(xiàn)象。王 飛等[21]對華北地區(qū)畜禽糞便有機(jī)肥進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，按照中國有機(jī)肥行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，Pb的超標(biāo)率高達(dá)80.56%。按照德國腐熟堆肥標(biāo)準(zhǔn)，Cr、Cu、Pb、Zn、Ni、Hg的超標(biāo)率分別為8.33%、13.89%、16.67%、19.44%、2.78%、11.11%。有機(jī)肥在生產(chǎn)過程根據(jù)其原料的不同，重金屬的含量也有較大的差異。參照德國腐熟堆肥中部分重金屬限量標(biāo)準(zhǔn)，我國雞糞的超標(biāo)率為21.3%～66.0%，以Cd、Ni超標(biāo)為主；豬糞超標(biāo)率為10.3%～69.0%，以Zn、Cd、Ni超標(biāo)為主；牛糞超標(biāo)率為2.4%～38.1%，以Cd超標(biāo)為主；羊糞中Zn、Cd、Ni和Hg的超標(biāo)率為6.7%-20.0%，以Cd、Ni超標(biāo)為主[22]。

隨著在現(xiàn)代茶園的發(fā)展，有部分茶園會以沼液作為茶園的肥料，其實(shí)沼液中也存在不可忽視的重金屬污染。沼肥中的重金屬主要來自重金屬超標(biāo)的植物殘骸、秸稈、畜禽糞便等。統(tǒng)計(jì)分析表明，沼液灌溉存在一定風(fēng)險(xiǎn)，其風(fēng)險(xiǎn)取決于沼液中重金屬的含量[23]。

2.4 農(nóng)藥污染

農(nóng)藥是土壤重金屬的一個(gè)重要來源。石寧寧等[24]以蘇南某農(nóng)藥工業(yè)園區(qū)周邊30 km2區(qū)域?yàn)檠芯繀^(qū)分析了土壤的重金屬情況，結(jié)果表明，研究區(qū)表層土壤Hg、Cu、Cd和Pb平均含量超過自然背景值，其中Hg和Cu含量最高。在農(nóng)藥中，銅類農(nóng)藥中的銅元素本身就是重金屬元素。卜元卿等[25]研究了波爾多液中銅離子在土壤中的殘留動態(tài)，表明徐州和石家莊土壤中銅原始沉積量分別為36.9 mg/kg和28.0 mg/kg，最終殘留量最大值分別為128.4 mg/kg和39.8 mg/kg，其中徐州果園的銅含量已接近國家土壤銅環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)限值。而且表土中全銅含量隨噴施波爾多液年限增加而顯著增加。

2.5 自然來源

土壤是由巖石風(fēng)化而來，巖石中所含的重金屬元素的情況直接決定了茶園土壤中重金屬的最初含量和自然背景。郭雅玲等[7]通過對福建鐵觀音茶園土壤調(diào)查分析，發(fā)現(xiàn)變質(zhì)巖和砂巖類發(fā)育的土壤鎘含量較高，流紋質(zhì)凝灰?guī)r類發(fā)育的土壤鉛含量較高，流紋巖類發(fā)育的土壤砷含量較高，閃長巖類發(fā)育的土壤汞和銅含量較高，赤紅壤發(fā)育的土壤中鉛含量較高，黃壤發(fā)育的土壤中鉻和砷含量較高，紅壤發(fā)育的土壤中銅含量較高。李 藝等[26]通過對猛礦復(fù)墾區(qū)種植茶進(jìn)行研究分析，表明土壤中Cd含量超過土壤三級標(biāo)準(zhǔn)值的30余倍，Cd、Pb、Cr及Mn等是復(fù)墾區(qū)土壤和植物的主要毒害元素，在茶葉中的Cd、Cr、Pb的含量均嚴(yán)重超過食品中污染物限量標(biāo)準(zhǔn)。

3 茶園重金屬污染修復(fù)技術(shù)

重金屬污染土壤的修復(fù)主要有2種方法：一是去除化，將重金屬從土壤中去除；二是固定化，將重金屬固定在土壤中限制其釋放[27]。由于茶樹是多年生經(jīng)濟(jì)作物，茶園土壤環(huán)境與其他用地土壤環(huán)境有著極大的不同。

3.1 客土、深耕翻土法

客土和換土方法適合于小面積茶園的重金屬污染。引入客土是在污染茶園表層加入客土，或與茶園土壤混勻；換土法是將茶園污染土壤部分或全部換去，引入未污染土壤。深耕翻土是翻動土壤上下土層，正常情況是茶園表土重金屬濃度要大于深層土壤重金屬濃度。深耕翻土將深層污染少的土壤與表土混合，使重金屬濃度降低到可承受的范圍，但該方法未能從根本上清除重金屬，因此不是一種理想的治理土壤重金屬污染的方法。

3.2 固化法

固化法是指向茶園重金屬污染土壤中加入某一類或幾類重金屬固化藥劑，通過物理化用防止或降低土壤有毒重金屬釋放的技術(shù)。一類是在土壤中添加化學(xué)藥劑，使重金屬被吸附、沉淀或者形成絡(luò)合物來降低重金屬在土壤中的遷移性和生物有效性；另一類是通過添加藥劑將茶園土壤中的有毒重金屬包被起來，形成相對穩(wěn)定性的形態(tài)，限制土壤重金屬的釋放。

3.3 離子拮抗技術(shù)

土壤中某些重金屬離子間存在拮抗作用，利用茶樹對不同重金屬的富集程度的差異，當(dāng)土壤中某種茶樹容易富集的重金屬濃度過高時(shí)，可向土壤中加入少許對作物危害較輕的拮抗性重金屬元素，進(jìn)而減少該重金屬對作物的毒害作用，達(dá)到降低重金屬生物毒性的目的[28]。周啟星等[29]研究發(fā)現(xiàn)，Zn和Cd具有相似的化學(xué)性質(zhì)和地球化學(xué)行為，Zn具有拮抗植物吸收Cd的作用。馮雪[30]對陜西茶園土壤進(jìn)行研究，分析pH值與茶園土壤中銅、鎘、鉛的關(guān)系。結(jié)果表明：Cu、Cd、Pb這3種重金屬元素與土壤pH值有顯著相關(guān)性。pH值的大小影響土壤對重金屬的吸附量和土壤中重金屬的存在形態(tài)。通過合理調(diào)節(jié)土壤pH值能有效地降低土壤中某些重金屬對茶樹的影響。此外，還發(fā)現(xiàn)土壤重金屬Pb與Cd、Cu之間呈明顯的負(fù)相關(guān)，說明這幾種重金屬間可能存在著拮抗作用。

3.4 植物提取技術(shù)

利用不同植物對重金屬富集特點(diǎn)的差異，根據(jù)茶園土壤的重金屬污染元素，間作對此類元素超積累植物，將污染土壤中的重金屬吸收并在地上部積累，通過割除植物的地上部分從而達(dá)到去除污染物的目的。韋朝陽等[31]研究發(fā)現(xiàn)，鳳尾蕨屬的大葉井口邊草和粉葉蕨是砷的超富集植物。Zhang等[32]研究發(fā)現(xiàn)，雜交狼尾草可以修復(fù)Cd和Zn污染的土壤，熱研11號黑籽雀稗和串葉松香草可應(yīng)用于Cd污染土壤的修復(fù)。

3.5 微生物修復(fù)技術(shù)

通過人工接種或者茶園土壤原有的微生物種類中，某些微生物如細(xì)菌、真菌和藻類對重金屬具有吸附、沉淀、氧化還原等作用，從而降低污染土壤中重金屬的毒性[33]。張曉虎等[34]在諾德理論的基礎(chǔ)上，通過理論建模與參數(shù)優(yōu)化得到針對Zn2+和Hg2+在不同濃度條件下的吸收動力學(xué)模型。發(fā)現(xiàn)茶園叢枝菌根的真菌孢子在適中濃度下對重金屬的吸收作用最強(qiáng)，表明該模型能夠有效地用于叢枝菌根土壤修復(fù)作用。有研究表明，接種叢枝真菌極大地提高了鬼針草和龍珠果對污染土壤中Cu、Pb和Zn的吸收積累[35]。叢枝菌根在土壤重金屬污染修復(fù)方面往往體現(xiàn)出比單純的植物修復(fù)具有更強(qiáng)的土壤修復(fù)能力。

3.6 農(nóng)業(yè)生態(tài)修復(fù)

在重金屬污染茶園，因地制宜地調(diào)整一些茶園管理制度以及在污染土壤中種植不進(jìn)入食物鏈的植物等，以達(dá)到減輕重金屬的危害。農(nóng)業(yè)措施主要有合理施用農(nóng)藥和肥料、調(diào)整作物種類、改變耕作制度、控制土壤水分等。在重金屬污染嚴(yán)重的茶園間作種植超富集植物；在重金屬污染較輕的茶園間作重金屬耐性植物。在化肥和農(nóng)藥的生產(chǎn)過程中，最大程度地降低化肥和農(nóng)藥產(chǎn)品本身的重金屬含量。由于不同肥料對土壤重金屬濃度的影響的不同，合理施肥以控制重金屬對茶葉生產(chǎn)的影響。

4 茶園管理和重金屬污染防治研究的發(fā)展趨勢

4.1 注重理論研究

理論研究是科學(xué)的動力和源泉。重視茶園土壤重金屬理論的研究，加速茶葉生產(chǎn)安全化、科學(xué)化進(jìn)程。雖然我國在茶園重金屬方面有一定程度的研究，但是絕大多數(shù)是對茶園重金屬的種類、分布及含量的分析，而對于重金屬污染嚴(yán)重的茶園的修復(fù)技術(shù)研究存在一定的滯后性。

4.2 加大技術(shù)型茶園管理人員培養(yǎng)

隨著無公害茶園、綠色茶園、有機(jī)茶園的快速發(fā)展，對茶園管理人員的要求越來越高，不再僅僅是提高茶園茶葉產(chǎn)量問題，而應(yīng)該以茶葉生產(chǎn)安全化、可持續(xù)化為基礎(chǔ)，并合理地應(yīng)用茶園管理技術(shù)，解決茶園重金屬污染防控問題。技術(shù)型茶園管理人員短缺問題亟待解決。

4.3 加速信息化技術(shù)應(yīng)用

2000年以來，GIS在茶園土壤重金屬污染數(shù)據(jù)監(jiān)測、重金屬污染評價(jià)等方面得到應(yīng)用[36]。使得茶園土壤重金屬管理信息化有了很大提高。但由于我國信息化技術(shù)管理起步晚，發(fā)展較慢，積極推動茶園信息化有著重要的意義。

4.4 建立安全化茶園管理體系

重金屬污染是茶葉食品安全問題的關(guān)鍵影響因素之一，日益受到人們關(guān)注。因此，應(yīng)當(dāng)不斷加強(qiáng)有機(jī)茶生產(chǎn)基地建設(shè)；強(qiáng)化茶葉重金屬檢測監(jiān)控；建立科學(xué)的安全化茶園管理體系。

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