李 芬，金 娜，李 燕，李 梅，馬付婕，楊德龍，黃勇樺

(滇西應(yīng)用技術(shù)大學(xué)普洱茶學(xué)院，云南普洱 665000)

我國(guó)是茶葉出口大國(guó)，茶葉是我國(guó)傳統(tǒng)出口的優(yōu)勢(shì)農(nóng)產(chǎn)品。茶葉富含茶多酚、氨基酸、維生素、生物堿和多種微量元素，是世界公認(rèn)的天然健康飲料，受到世界各國(guó)人民的喜愛(ài)[1-2]。近年來(lái)，隨著人們對(duì)食品質(zhì)量安全問(wèn)題的關(guān)注，茶葉中的重金屬污染成為茶葉衛(wèi)生安全的重要問(wèn)題之一[3]。目前我國(guó)茶葉重金屬含量的檢測(cè)方法主要應(yīng)用石墨爐原子吸收(GF-AAS)、電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜(ICP-AES)、電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS)等[4]。經(jīng)歷了從石墨爐原子吸收光譜儀進(jìn)行單一元素檢測(cè)到電感耦合等離子質(zhì)譜儀多種元素同時(shí)檢測(cè)的發(fā)展歷程，但是，這些檢測(cè)方法需采集茶葉，將茶葉烘干、研磨、過(guò)篩、濕法或微波消解，再進(jìn)行單一或者多種元素檢測(cè)，檢測(cè)精度高，但檢測(cè)步驟煩瑣、檢測(cè)成本高、耗時(shí)長(zhǎng)，難以適應(yīng)市場(chǎng)產(chǎn)品的現(xiàn)場(chǎng)抽查、生產(chǎn)企業(yè)自查及產(chǎn)品進(jìn)出口快速通關(guān)的要求。因此，在茶葉重金屬檢測(cè)方面，市場(chǎng)迫切需要一種能夠應(yīng)用小型便攜儀器進(jìn)行簡(jiǎn)單實(shí)時(shí)快速監(jiān)測(cè)的方法。

地物光譜儀是利用波段寬度<10 mm的電磁波從研究對(duì)象上獲取系列數(shù)據(jù)，它融合了成像技術(shù)和光譜技術(shù)[5-6]，即在保存數(shù)據(jù)的同時(shí)產(chǎn)生一條完整而連續(xù)的光譜曲線。植物間化學(xué)和形態(tài)的不同導(dǎo)致不同植物對(duì)光譜的反射也不同，通過(guò)地物光譜儀獲取的植物信息可以反映植物的發(fā)育及健康狀況。因此在實(shí)際研究中可根據(jù)目標(biāo)，選擇合適的光譜波段，獲取詳細(xì)、精確的植物光譜信息。環(huán)境中的污染物能夠?qū)е轮参锏娜~面結(jié)構(gòu)、葉綠素含量及植株結(jié)構(gòu)發(fā)生相應(yīng)的改變，從而引起植物光譜特征的改變。換言之，在重金屬污染脅迫下，其光譜反射特性會(huì)發(fā)生變化，污染越重，變化越大。因而從理論上，只要選擇適當(dāng)?shù)牟ǘ?，就可取得研究?duì)象在重金屬污染脅迫下的詳細(xì)而精確的光譜信息，能用于原位無(wú)損、快速檢測(cè)重金屬含量。

目前國(guó)內(nèi)外基于地物光譜儀研究多集中在葉綠素、氮含量、磷含量、含水量、葉面積指數(shù)、纖維素、淀粉和植被的分類識(shí)別以及估測(cè)反演等方面，有良好的精度[7-9]，如王紀(jì)華等[10]研究小麥含水量和光譜特征的關(guān)系，反演出水分估算模型。但利用茶樹光譜特征定量測(cè)定茶樹重金屬元素含量，分析其相關(guān)性研究至今鮮見報(bào)道。因此，該研究選擇市區(qū)綠化帶、市區(qū)公園茶園和郊區(qū)茶園3個(gè)區(qū)域的茶園茶樹為研究對(duì)象，應(yīng)用便攜式地物光譜儀獲取茶葉光譜信息，同時(shí)用ICP-MS測(cè)定茶葉中鉛含量，探討鉛含量與光譜特征信息的相關(guān)關(guān)系，反演出檢測(cè)茶葉鉛含量的估算模型，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用地物光譜儀檢測(cè)茶葉中重金屬鉛元素含量的目的，為茶葉的優(yōu)質(zhì)高效生產(chǎn)提供理論和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況及其樣品采集研究區(qū)域位于云南省某市，于2020年6—8月采摘公路綠化帶、市區(qū)公園茶園和郊區(qū)茶園3個(gè)地區(qū)的云南大葉種茶樹群體種中的勐海種茶葉的1芽1葉、2葉、3葉、4葉、5葉和6葉，共18個(gè)樣品。采集到的樣品用蒸餾水洗滌洗去葉片表面的大氣灰塵顆粒物，并在冷凍干燥機(jī)中冷凍干燥至恒重，用研缽研磨過(guò)孔徑為0.074 mm的篩子待測(cè)。

1.2 室內(nèi)樣品Pb含量的測(cè)定稱取0.1 g的普洱茶葉粉末放進(jìn)特氟龍材質(zhì)的瓶子，加5 mL工藝超純硝酸(國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司，純度為65%～68%)，并將瓶子放進(jìn)不銹鋼高壓密閉罐中，擰緊并置于電熱恒溫干燥箱中120 ℃加熱12 h。取出冷卻后，特氟龍瓶子放置在帶孔電熱板上加熱揮發(fā)干硝酸，然后加3 mL的超純H2O2，并再次放進(jìn)電熱恒溫干燥箱中于80 ℃加熱6 h。消解液采用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS，型號(hào)Agilent HPLC 1290-7700x,USA)進(jìn)行測(cè)定。

1.3 野外高光譜數(shù)據(jù)獲取采用美國(guó)Analytical Spectral Device Inc (ASD)公司的ASD FieldSpec 4光譜儀獲取野外高光譜數(shù)據(jù)。該儀器能夠捕獲可見、近紅外和短波紅外光譜。測(cè)量時(shí)選擇晴天太陽(yáng)光照穩(wěn)定時(shí)段，風(fēng)力小于3級(jí)，以減少陰影和強(qiáng)烈反射體的影響，平均氣溫26 ℃。光譜測(cè)量和茶樹葉片采集時(shí)間為2020年7月15日10：30—12：30。測(cè)量光譜葉片光譜數(shù)據(jù)時(shí)，儀器探頭垂直向下，每次數(shù)據(jù)采集前都進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)白板校正。光譜曲線見圖1，市區(qū)綠化帶、市區(qū)公園茶園和郊區(qū)茶園分別記為 SQLHD、SQGYCY和JQCY，1芽1葉、2葉、3葉、4葉、5葉和6葉分別標(biāo)為1.asd.ref、2.asd.ref、3.asd.ref、4.asd.ref、5.asd.ref和6.asd.ref，不同區(qū)域葉片的反射光譜曲線的波形基本相似。

圖1 不同區(qū)域葉位數(shù)為5的葉片在350～2 500 nm處的反射率

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2016、SPSS 19.0和Origin 8.5進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。光譜圖片采用儀器自帶軟件View SpecPro進(jìn)行分析繪制。茶樹葉片重金屬Pb元素含量與800 nm 波長(zhǎng)處的反射率線性相關(guān)性采用Origin 8.5的Analysis-Fitting-linear Fit線性擬合分析，P<0.05表示顯著線性相關(guān)。

2 結(jié)果與分析

2.1 最佳光譜因子的確定從市區(qū)綠化帶、市區(qū)公園茶園和郊區(qū)茶園茶樹葉片不同葉位800 nm左右波長(zhǎng)處光譜反射率(圖2～4)可以看出，葉位數(shù)與茶樹光譜的反射率呈現(xiàn)統(tǒng)一的變化趨勢(shì)，隨著葉位數(shù)增加，茶樹光譜的反射率增加。因此，選擇800 nm波長(zhǎng)為茶樹最佳光譜因子波長(zhǎng)。

圖2 市區(qū)綠化帶780～940 nm處不同葉位反射率

圖3 市區(qū)公園茶園775～830 nm處不同葉位反射率

圖4 郊區(qū)公園茶園792～810 nm處不同葉位反射率

2.2 茶樹葉片Pb含量、800 nm波長(zhǎng)處反射率與葉位數(shù)相關(guān)性分析市區(qū)綠化帶、市區(qū)公園茶園和郊區(qū)茶園葉片重金屬Pb含量、800 nm波長(zhǎng)處光譜反射率與葉位數(shù)曲線擬合分析顯示(表1、圖5)，Pb元素隨著葉位數(shù)的增加有增加的趨勢(shì)，其決定系數(shù)(R2)分別為0.02(P=0.35)、0.36(P=0.12)和0.79(P=0.01)。800 nm波長(zhǎng)處光譜反射率隨著葉位數(shù)的增加有增加的趨勢(shì)，其決定系數(shù)(R2)分別為0.79(P=0.01)、0.96(P<0.01)和0.78(P=0.01)。

圖5 茶樹葉片Pb含量、800 nm波長(zhǎng)處反射率隨著葉位變化特征

采樣的3個(gè)區(qū)域茶葉重金屬Pb元素在葉片中的含量為0.134～0.843 μg/g，這與Zhang等[11]采集貴州省普安縣茶園中茶葉樣品中的重金屬含量一致,且低于國(guó)家食品安全標(biāo)準(zhǔn)(GB 2762—2017)[12]和茶葉重金屬含量限量標(biāo)準(zhǔn)(NY/T 288—2018[13]、NY 659—2003[14]) 限量要求。因此認(rèn)為在公路綠化帶、市區(qū)公園和郊區(qū)茶園中的云南大葉種茶樹葉片隨著葉位數(shù)的增加重金屬Pb含量表現(xiàn)出富集的現(xiàn)象，但飲用1芽1～6葉茶葉，重金屬Pb含量仍屬安全范圍。茶樹葉片生長(zhǎng)年齡的增加不僅延長(zhǎng)了葉對(duì)各類重金屬的暴露時(shí)間，而且葉的生理特征也會(huì)發(fā)生改變。一方面，茶樹植株為了解毒將有毒重金屬結(jié)合在含 C、N、S 的大分子有機(jī)物上，其發(fā)生遷移的趨勢(shì)遠(yuǎn)不如其他營(yíng)養(yǎng)元素[15]，使得有毒重金屬固定積累在植物的某些組織中，故隨著重金屬的暴露時(shí)間越長(zhǎng)，其含量可能就越高。這可能是該研究中隨著葉位數(shù)的增加，茶葉中有毒重金屬Pb元素增加的原因。而3個(gè)采樣區(qū)域重金屬Pb含量差異性不明顯，可能與禁止使用含Pb汽油有關(guān)。國(guó)家有關(guān)部門規(guī)定，從2001年7月1日起，在全國(guó)禁止使用含鉛汽油，全面推廣使用無(wú)鉛汽油。

采樣的3個(gè)區(qū)域茶葉800 nm波長(zhǎng)處光譜反射率為0.405～0.978，且隨著葉位數(shù)的增加，光譜反射率有增加的趨勢(shì)(表1和圖5)。這可能與茶樹葉片生理生化及重金屬含量的變化有關(guān)。

2.3 茶樹800 nm波長(zhǎng)處光譜反射率與Pb含量線性相關(guān)擬合方程為了利用茶樹的光譜測(cè)量推斷其重金屬含量，將不同葉位數(shù)茶樹葉片重金屬Pb含量與800 nm波長(zhǎng)處光譜反射率進(jìn)行線性擬合。市區(qū)綠化帶、市區(qū)公園茶園和郊區(qū)茶園茶樹葉片重金屬Pb含量與800 nm波長(zhǎng)處光譜反射率曲線擬合分析顯示(圖6)，其線性擬合方程分別為y=1.65x-0.52(R2=0.37，P=0.12)、y=0.25x+0.04(R2=0.47，P=0.07)和y=1.50x-0.92(R2=0.37，P=0.12)。

圖6 茶樹葉片Pb含量與800 nm波長(zhǎng)處反射率擬合曲線

國(guó)內(nèi)外學(xué)者在利用光譜技術(shù)檢測(cè)其他方式脅迫下生理生化指標(biāo)含量方面開展了大量工作，Yu等[16]通過(guò)采集7種病害脅迫下大麥樣本的高光譜數(shù)據(jù)，建立葉綠素含量的定量模型，模型的系數(shù)分別達(dá)到0.84和0.81。許凱雯[17]檢測(cè)病害侵染大麥過(guò)程中的葉綠素a、葉綠素 b、丙二醛和抗壞血酸含量變化，發(fā)現(xiàn)4種組分與侵染時(shí)間顯著相關(guān)，并建立4種生理生化指標(biāo)的可見近紅外光譜的特征波長(zhǎng)模型，預(yù)測(cè)集的決定系數(shù)均在0.66以上。Li等[18]研究了不同鹽脅迫水平對(duì)蓖麻子幼苗葉片葉綠素、丙二醛和脯氨酸的影響，以及光譜特征參數(shù)與蓖麻子幼苗葉片生理之間的關(guān)系。而該研究的重金屬Pb含量與800 nm波長(zhǎng)處光譜反射率呈線性相關(guān)，模型的擬合系數(shù)為0.37～0.47。

3 結(jié)論

(1)市區(qū)綠化帶、市區(qū)公園茶園和郊區(qū)茶園茶茶樹葉片重金屬Pb含量隨著葉位數(shù)的增加有增加的趨勢(shì)，可能與葉片在空氣中的暴露時(shí)間及植物重金屬解毒機(jī)制有關(guān)；同時(shí)，800 nm波長(zhǎng)處光譜反射率隨著葉位數(shù)的增加有增加的趨勢(shì)，茶樹葉片的光譜反射率可能與茶樹的生理生化特征有關(guān)。

(2)市區(qū)綠化帶、市區(qū)公園茶園和郊區(qū)茶園茶茶樹葉片重金屬Pb含量與800 nm波長(zhǎng)處光譜反射率呈線性相關(guān)，其線性擬合方程分別為y=1.65x-0.52(R2=0.37，P=0.12)、y=0.25x+0.04(R2=0.47，P=0.07)和y=1.50x-0.92(R2=0.37，P=0.12)。茶樹的光譜信息與茶樹葉片的生理生化特性有關(guān)，且茶樹的高光譜特征間接反映茶樹葉片重金屬的含量。