楊婉秋，肖 涵，繆德仁

(昆明學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院，云南 昆明 650214)

鍺是典型的稀散元素，由于其既非動物、植物生長的必需元素，也非環(huán)境中的劇毒元素，因此鮮有研究對其重點關(guān)注.近年來，隨著鍺“戰(zhàn)略資源性”的凸顯和有機鍺“潛在生物活性”的發(fā)現(xiàn)[1]，對鍺資源進行勘查、開發(fā)和綜合利用等研究引起了國內(nèi)外學(xué)者的高度關(guān)注[2-3].而作為云南高原特色農(nóng)產(chǎn)品之一的大葉種普洱茶，其營養(yǎng)和安全性已成為關(guān)注的重點[4-5].近年來，有關(guān)茶葉營養(yǎng)與飲用安全性已有許多研究[6-8]，但鮮見有關(guān)于茶葉中鍺含量方面的研究報道.

實際上，土壤中鍺含量的高低不僅影響農(nóng)作物的生長，而且還關(guān)系到農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量.適當含量的鍺可促進農(nóng)作物的生長，例如：土壤添加鍺盆栽試驗研究結(jié)果顯示，當w(Ge)<4 mg/kg 時，鍺對地上生物量、水稻根、葉綠素a含量均有促進作用，且可整體提高作物抗氧化酶能力[9]；而中等含量到高含量的鍺則對農(nóng)作物的生長起到毒害作用[10].此外，水培試驗研究表明，大于 20 μmol/L 的鍺可導(dǎo)致大麥植物的壞死和過氧化物酶活性增加[11]，甚至當營養(yǎng)液中鍺質(zhì)量濃度約為 1 mg/L 時，也會引起水稻的中毒[12].目前，土壤中鍺對農(nóng)作物生長的影響總體表現(xiàn)為“低促高抑”，而農(nóng)產(chǎn)品中適量的鍺對人體健康有益等理念已得到了廣泛的認同[13].然而，土壤中鍺的植物有效性較差(可被植物利用的鍺不到鍺總含量的1/100)，其植物有效性受土壤的組成和環(huán)境條件等諸多因素的影響[14-15]，換言之，植體中鍺的含量并非取決于土壤中鍺的總量，而是取決于鍺在土壤中的形態(tài)分布[16].

遺憾的是，關(guān)于土壤、陸地資源和水生以及生物實體中鍺的閾值水平、形態(tài)分布和鍺隨時間的累積特征等信息至今仍嚴重匱乏，甚至鍺在目標植物組織中的含量分布特征也尚不十分清楚.而查明鍺在植物不同組織中的含量分布特征，是厘清鍺在植物生長過程中作用機制的基礎(chǔ).基于此，本文以云南大葉種茶園為研究對象，采用化學(xué)形態(tài)連續(xù)提取法對茶樹根圍土壤中鍺的賦存形態(tài)進行連續(xù)提取，并運用微波消解-ICP-MS分析法對鍺、銅和鋅(植物必需元素)和鉛(有毒有害元素)[4]在大葉種茶樹不同組織(根、莖、皮、花、果、嫩葉和老葉)中的含量進行分析，探討鍺、銅、鋅和鉛在大葉種茶樹不同組織中的含量分布特征及轉(zhuǎn)移系數(shù)(TFs)，旨在為研究鍺在“土壤-茶樹”體系內(nèi)的遷移機制提供數(shù)據(jù)支撐.

1 方法與材料

1.1 樣品的采集與制備

以云南省臨滄市勐托鄉(xiāng)大田河戶有村的大葉種茶園(99°59′31″E，23°49′49″N)為研究對象.對該茶園中具有代表性茶樹的根圍土壤(采集深度為20～50 cm)，以及茶樹根、莖、皮、花、果、老葉(十葉以下)和嫩葉(一芽二至三葉)樣品進行采集.將所采集的土壤樣品進行風(fēng)干、研磨并全部通過100目尼龍孔篩，然后存放于密封袋中，并置于干燥器中，備用.茶樹各組織樣品則在現(xiàn)場采用純凈水清洗、晾曬并轉(zhuǎn)移至室內(nèi)烘箱殺青(100 ℃)、研磨至全部過60目尼龍孔篩后封裝、貼標、備用.土壤的pH值和土壤有機質(zhì)(SOM)采用標準方法進行測定[17].

1.2 土壤中元素的形態(tài)提取方法

本研究將土壤中鍺、銅、鉛和鋅的形態(tài)劃分為：可交換態(tài)(F1)；酸可提取態(tài)(F2)；有機結(jié)合態(tài)(F3)；非晶型鐵錳鋁氧化物結(jié)合態(tài)(F4)；晶型鐵錳鋁氧化物結(jié)合態(tài)(F5)；殘渣態(tài)(F6)，采用化學(xué)形態(tài)連續(xù)提取法對土壤中各重金屬元素的賦存形態(tài)進行連續(xù)提取，提取操作與Kurtz等[16]所采用的提取步驟一致.

1.3 測定方法

土壤樣品和茶樹各組織樣品采用微波消解-ICP-MS法測定，微波消解參數(shù)和步驟與繆德仁等[7]所報道的一致.每一樣品均進行3次平行和空白試驗，若無特別說明，本研究所使用的水為超純水，試劑均為優(yōu)級純.

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤理化性質(zhì)及目標元素形態(tài)分布特征

土壤基本理化性質(zhì)以及鍺、銅、鉛和鋅的含量列于表1 之中.

表1 供試土壤基本理化性質(zhì)及金屬元素的含量

分析結(jié)果表明，戶有茶園土壤類型為黃壤，透氣性較好，pH值為5.66，屬弱酸性土壤，適宜茶樹種植.土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)僅為3.81%，偏低.土壤全鐵質(zhì)量分數(shù)為3.54%，鮮見土壤中夾雜鐵/錳礦物，肉眼可識別硅藻土為主要粘土礦物類型.土壤中鍺含量為 2.3 mg/kg，屬富鍺土壤；銅、鉛和鋅含量分別為23.4，41.8，48.6 mg/kg，均未超過我國《土壤環(huán)境質(zhì)量-農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標準》[18]中所規(guī)定的農(nóng)用土壤污染風(fēng)險篩選值的閾值.采用化學(xué)形態(tài)連續(xù)提取法對土壤中的鍺、銅、鉛和鋅的賦存形態(tài)進行提取，其可交換態(tài)(F1)、酸可提取態(tài)(F2)、有機結(jié)合態(tài)(F3)、非晶型鐵錳鋁氧化物結(jié)合態(tài)(F4)、晶型鐵錳鋁氧化物結(jié)合態(tài)(F5)和殘渣態(tài)(F6)的分布比例如圖1所示.

圖1 土壤中鍺、銅、鉛和鋅的形態(tài)分布比例

形態(tài)分析結(jié)果表明，鍺在土壤中主要以殘渣態(tài)存在，占比為89.61%；可交換態(tài)含量極低，僅占0.13%.研究[1]表明，土壤中絕大部分鍺不能供植物吸收，能被植物吸收的主要是能被弱酸、氧化劑和弱還原劑所提取的部分，而這部分鍺也僅僅占土壤總量的1%～4%.在本研究中，潛在植物可利用鍺(F1+F2+F3)的占比約為3.23%，但有機結(jié)合態(tài)鍺占比達2.60%，說明土壤中具有植物潛在可利用性的鍺主要與土壤有機質(zhì)相結(jié)合，這與Wiche等[15]的研究結(jié)論基本一致.鋅是植物必需元素，在本研究中，盡管其可交換態(tài)占比為0.58%，但潛在植物可利用(F1+F2+F3)鋅的占比則遠高于鍺，達13.49%.盡管銅和鋅均是植物必需的微量元素，但與鋅相反，在本研究中，土壤中可交換態(tài)銅的比例僅為0.36%，且潛在植物可利用(F1+F2+F3)銅的占比也僅為4.10%，略高于鍺，顯然該茶園茶樹的生長有可能面臨缺銅的風(fēng)險[4].鉛是有毒有害元素，在本研究中，雖然土壤中鉛的含量未超過農(nóng)用土壤污染風(fēng)險篩選值的閾值，但潛在植物可利用(F1+F2+F3)鉛的占比則高達6.76%，說明該茶園茶產(chǎn)品存在鉛超標的可能.總體而言，本研究茶園土壤中鍺的潛在植物可利用度較低，各形態(tài)由高到低的順序為：F6>F5>F3>F4>F2>F1.

2.2 茶樹各組織中目標元素的含量分布特征

使用微波消解-ICP-MS法對茶樹的根、莖、皮、花、果、嫩葉和老葉中的鍺、銅、鉛和鋅含量進行分析，結(jié)果匯總于表2之中.

表2 茶樹不同組織中鍺、銅、鉛和鋅的含量

分析結(jié)果表明，將茶樹不同組織中的含量由高到低的排序，則鍺為：w(老葉)>w(嫩葉)>w(根)>w(莖)>w(皮)>w(花)=w(果)，銅為：w(嫩葉)>w(老葉)>w(莖)>w(根)>w(皮)>w(花)>w(果)，鉛為：w(皮)>w(根)>w(莖)>w(老葉)>w(嫩葉)>w(果)>w(花)，鋅為：w(嫩葉)>w(老葉)>w(莖)>w(皮)>w(根)>w(花)>w(果).有研究[19]表明，有益元素銅和鋅在小葉種茶樹不同組織中的含量順序為w(嫩葉)>w(老葉)>w(莖)>w(皮)>w(根)，有毒有害元素鉛在小葉種茶樹不同組織中的含量順序為：w(皮)>w(根)>w(莖)>w(老葉)>w(嫩葉).由此可見，本研究中的鉛、銅和鋅在大葉種茶樹各組織中的含量分布與小葉種茶樹無明顯的差異.目前，雖尚無鍺在茶樹不同組織中含量分布特征的研究報道，但有研究[1]表明，在雙子葉植體中，鍺在嫩枝中的含量通常與硅的含量呈顯著正相關(guān)，且鍺在植物莖中的含量通常較低，這與本研究的結(jié)論基本一致.從老葉和嫩葉中的含量差異來說，鍺與有毒有害元素(鉛)一致，均為老葉含量高于嫩葉；但從茶樹各組織的含量分布特征來說，鍺似乎又和有益元素(銅和鋅)基本一致，即上部組織含量高于下部.至于造成鍺與銅、鉛和鋅在茶樹不同組織中含量分布差異的原因有待進一步深入研究.

2.3 目標元素在茶樹各組織中的轉(zhuǎn)移系數(shù)

采用轉(zhuǎn)移系數(shù)(TFs)可以定量描述元素在“土壤-茶樹”系統(tǒng)中的遷移能力，元素的TFs計算采用如下公式：

(1)

對鍺、銅、鉛和鋅在茶樹根、莖、皮、花、果、嫩葉和老葉中的TFs進行計算，結(jié)果見表3.

表3 鍺、銅、鉛和鋅在茶樹各組織中的轉(zhuǎn)移系數(shù)

計算結(jié)果表明，在嫩葉中銅和鋅的轉(zhuǎn)移系數(shù)均超過1，而在其余組織中的遷移系數(shù)遠小于1；鍺、銅、鉛和鋅在茶樹花和果中的遷移系數(shù)均接近于0，說明鍺、銅、鉛和鋅基本不累積于花和果之中.由于不同研究所得TFs之間的可比性不僅取決于土壤的物理化學(xué)性質(zhì)和植物種類，而且很大程度上取決于用于獲取土壤和植體中元素含量的分析方法.由于目前尚無茶樹不同組織中鍺含量分布特征的研究報道，致使本研究所得結(jié)論尚無文獻可有效提供與之相比較的數(shù)據(jù)支持.有研究表明，在均質(zhì)土壤基質(zhì)種植的木本植物中，鍺的TFs介于0.001～0.03之間[1]，而草本植物中的TFs在0.11～0.23之間[14].在本研究中，鍺在茶葉老葉中的TFs為 0.096 1，雖低于草本植物，但高于木本植物.至于鍺在茶樹老葉中富集但并未大量轉(zhuǎn)移至嫩葉中的更深層次機理有待進一步深入研究.

3 結(jié)論

通過以上研究，可以得出如下結(jié)論：

1)茶園土壤中鍺的植物有效性極低，賦存形態(tài)主要以殘渣態(tài)為主，可交換態(tài)含量僅占0.13%，能被弱酸、氧化劑和弱還原劑所提取的部分(F1+F2+F3)占比為3.23%，有機結(jié)合態(tài)鍺的占比為2.60%，說明土壤中具有植物潛在可利用性的鍺主要與土壤有機質(zhì)相結(jié)合；

2)在茶樹不同組織中，鍺含量由高到低的順序為：w(老葉)>w(嫩葉)>w(根)>w(莖)>w(皮)>w(花)=w(果)，從老葉和嫩葉中的含量差異來說，鍺與有毒有害元素(鉛)一致，均為老葉含量高于嫩葉；但從茶樹各組織的含量分布特征來說，鍺似乎又和有益元素(銅和鋅)基本一致，即上部組織含量高于下部；

3)鍺在茶樹的根、莖和皮中的遷移系數(shù)均較低，在花和果中幾乎不富集，但在老葉和嫩葉中的遷移系數(shù)則分別為 0.096 1 和 0.025 9，介于草本和木本植物之間，說明在富鍺土壤中種植茶樹可有效獲取天然富鍺茶產(chǎn)品.