乌龙茶种植体系中金属（类金属）的时空分布与生物富集：从土壤剖面到健康风险评估的见解

《Journal of Food Composition and Analysis》：Spatiotemporal distribution and bioaccumulation of metal(loid)s in oolong tea cultivars: Insights from soil profiling to health risk assessment

　　

持续种植导致了土壤酸化和土壤养分迁移。生态指数（EF、Igeo）证实了零人为土壤污染。叶片对有毒元素的生物富集作用极小，确保了茶叶生产的安全性。健康风险指数（THQ、HI、CR）均低于全球安全阈值。经分析，乌龙茶被明确验证为安全的膳食产品。 茶树（Camellia sinensis L.）因其广泛的健康和药用价值而被栽培和消费数千年，尤其在预防或治疗癌症（呼吸、消化和泌尿系统）及心血管疾病方面效果显著。新鲜茶叶可直接用于制作茶饮，或经过多道工序加工成干茶产品，如绿茶、红茶和乌龙茶。虽然茶叶作为必需元素和具有强抗氧化能力的生物活性植物化学物质（尤其是（多）酚类）的主要来源至关重要，但其品质可能因潜在有毒物种（如非必需金属（类金属）和农用化学品残留）的存在而严重受损。 土壤是影响茶树种植的关键因素。氮（N）、磷（P）、钾（K）被公认为茶树的主要大量营养素，因为需要大量供应以支持持续的芽叶生长并维持最佳产量。初级土壤养分通常通过几个基本参数来表征，即总有机碳（TOC）、全氮（TN）和全磷（TP）。此外，土壤元素谱不仅包括主要元素和必需的宏量/微量营养素，如钾（K）、钠（Na）、钙（Ca）、镁（Mg）、铜（Cu）和锌（Zn），还包括各种非必需金属（类金属），即镉（Cd）、铅（Pb）和汞（Hg）。这些潜在有毒元素备受关注，因为它们可以在茶叶中生物富集，在冲泡过程中容易浸出到茶汤中，最终被消费者摄入。 土壤中营养元素和金属（类金属）浓度的平衡会随着茶树生长期和栽培措施而改变。一般来说，人为干预，如使用肥料和农用化学品，以及土壤改良技术，有助于维持必需营养素的平衡并防止缺乏。然而，过剩往往导致茶树仅需痕量的必需微量元素（例如Cu和Zn）过度积累，同时引入非必需的潜在有毒元素。此外，茶树表现出特定的生物富集能力，并且这些元素的积累往往随着长期种植而增加。一个重要特征是茶树在酸性土壤中生长发育，并且在长期种植过程中土壤酸化加剧。（过量）施用含氮肥料已被报道会进一步降低茶树种植土壤的pH值。作为一种普遍趋势，酸性pH可以增加金属（类金属）的移动性，提高其在土壤基质中的生物有效性，从而促进金属（类金属）在茶树生长期间从土壤向植株的转运。最终，茶叶用于干茶生产，而金属（类金属）的过量存在，例如意外高含量的微量元素甚至痕量的潜在有毒元素，可能对茶叶消费者构成健康风险。长期过量的膳食暴露于潜在有毒元素可导致严重的生理损伤。具体而言，Cd主要靶向肾脏和骨骼系统，诱发肾毒性、骨质疏松症、钙代谢改变以及众所周知的痛痛病，同时还与免疫缺陷和不孕症有关。接触Pb与严重的神经和心血管缺陷有关，导致认知障碍、周围神经损伤和高血压。此外，Pb干扰血红蛋白合成，导致贫血，并对中枢神经系统发育产生极其有害的影响。砷（As）是一种公认的人类致癌物，与多个器官的恶性肿瘤有关，特别是皮肤、膀胱、肝脏、肺和前列腺。无机As毒性还会引起胃肠道刺激、心血管并发症和严重的DNA损伤。鉴于这些严重后果，针对痕量金属（类金属）的监测和全面人体健康风险评估已成为食品安全评估不可或缺的组成部分。这一背景有力地推动了持续监测和研究茶树种植土壤中各种金属（类金属）及其在长期种植后在茶叶中的存在和积累。 越南是茶叶产量较高的国家之一，为国家经济做出了贡献，并在全国拥有多个产茶区。在越南，关于茶叶中金属（类金属）的研究有所增加，但仍然相当分散，并且仍侧重于茶叶或成品茶的元素特征描述，而不是土壤-茶树系统的综合评估。一项来自安沛省和宣光省的茶叶研究测定了18种金属（类金属），包括潜在有毒金属（类金属），如Pb、Hg、Cd和As，并显示出明显的区域元素组成差异。最近，对来自北件省和太原省的92份绿茶样品进行的元素分析也揭示了品种和地理来源之间的显著差异，表明越南茶的元素特征受到当地生长条件的强烈影响。在太原省新强市进行的研究表明，长期茶树种植及其相关的土壤酸化改变了锰（Mn）的分馏，并增加了某些Mn组分的溶解度，再次表明种植历史可以改变茶园土壤中金属的移动性和潜在的植物可利用性。另一项来自和平省梁美茶园的研究调查了土壤到植物的转移，发现茶叶中天然放射性核素的积累高于根和茎，突出了叶子作为一个重要的积累器官。总体而言，现有的越南文献表明，尽管已在多个省份记录了茶叶和/或茶树种植土壤中金属（类金属）的出现情况，但整合土壤性质、金属（类金属）有效性、植物吸收、叶龄和潜在消费者风险的综合研究仍然有限。 在这项工作中，研究人员研究了越南中部高地林同省的一个典型的乌龙茶生产茶树种植区。目标是（i）表征乌龙茶树种植土壤的主要理化参数（即pH、TOC、TN和TP），（ii）评估土壤中几种金属（类金属）（包括Na、K、Ca、Mg、Cu、Zn、Cd、Pb和As）的时空分布及其富集和污染状况，（iii）通过计算各种指标值，评估不同树龄茶树茶叶中这些金属（类金属）的生物富集和潜在健康风险。为了实现目标，研究人员收集了不同树龄（0.5年生、3年生、6年生和10年生）茶树的土壤样品（即0–10、10–20和20–30 cm层深）和成熟茶叶。

研究背景与意义

茶叶作为一种全球广泛消费的健康饮品，其安全性备受关注。茶树在生长过程中会从土壤中吸收多种元素，包括必需的宏量/微量元素（如K、Ca、Mg、Cu、Zn）以及非必需且有潜在毒性的金属（类金属）（如Cd、Pb、As）。这些元素在茶叶中的含量直接影响最终茶产品的质量和消费者的健康风险。长期集约化种植和施肥等农业实践可能导致土壤性质改变，尤其是土壤酸化，这会增强金属（类金属）的移动性和生物有效性，进而增加其在茶叶中的积累。此前，针对越南茶叶的研究多集中于单一介质（茶叶或土壤）的元素分析，缺乏将土壤性质、元素时空分布、植物吸收与健康风险相结合的系统性评估。因此，本研究选取越南林同省一个典型的乌龙茶产区，旨在系统探究不同种植年限下，茶树种植土壤的理化性质演变、金属（类金属）的时空分布与富集特征，评估其在茶叶中的生物富集潜力，并量化通过饮茶摄入这些元素对人体健康的潜在风险，为乌龙茶的安全生产和消费提供科学依据。

研究方法概述

研究人员在越南林同省保禄市的乌龙茶种植区，采集了四种不同树龄（0.5年、3年、6年、10年）茶树种植点的土壤和成熟茶叶样品。土壤样品按0–10 cm、10–20 cm、20–30 cm三个深度分层采集，每个树龄的相同深度样品混合为一个代表性样品，共获得12个土壤样品。茶叶样品为符合乌龙茶原料标准的一芽三至四叶成熟梢，每个采样点混合为一个代表性样品，共4个样品。研究采用火焰原子吸收光谱法（F–AAS）测定Na、K、Ca、Mg，电感耦合等离子体质谱法（ICP–MS）测定Cu、Zn、As、Cd、Pb。通过地累积指数（I_geo）和富集因子（EF）评估土壤污染状况；利用生物富集系数（BCF）评价元素从土壤向茶叶的转移能力；采用目标危害商数（THQ）、危害指数（HI）和致癌风险（CR）评估人体健康风险。

研究结果

土壤理化性质

表层土壤（0–10 cm）的pH值随茶树树龄增加而显著降低，从0.5年生的约pH 4.4降至10年生的约pH 3.7，表明长期种植加剧了土壤酸化。总有机碳（TOC）、全氮（TN）和全磷（TP）的含量在不同树龄间呈现波动，可能与施肥管理和植株吸收有关。

土壤金属（类金属）的时空分布与富集

土壤中主要元素（Na、K、Ca、Mg）和微量元素（Cu、Zn）的含量在不同树龄和土层深度间存在差异。总体而言，各元素含量处于正常范围。地累积指数（I_geo）和富集因子（EF）的计算结果显示，所有检测的金属（类金属）的I_geo值均小于0，EF值均小于2，表明研究区域的土壤未受到人为活动的显著污染，属于无污染至轻微富集状态。

茶叶中金属（类金属）的生物富集

茶叶中必需元素（K、Ca、Mg）的含量较高，而潜在有毒元素（Cd、Pb、As）的含量极低。生物富集系数（BCF）显示，不同元素在茶叶中的富集能力差异显著。K和Mg的BCF值相对较高，表明茶树对这些必需营养素有较强的吸收能力。相比之下，Cd、Pb和As等有毒元素的BCF值非常低，说明它们从土壤向茶叶可食部分的转移十分有限，这保障了茶叶产品的安全性。

健康风险评估

基于茶叶中金属（类金属）浓度和成人日均饮茶量（11.4 g）计算的估计每日摄入量（EDI）远低于相应的每日允许摄入量。单个元素的靶标危害商数（THQ）和所有元素的综合危害指数（HI）均远低于1，表明通过饮用该地区乌龙茶不存在明显的非致癌健康风险。对于致癌元素As、Cd和Pb，其终生致癌风险（CR）也在可接受范围内（通常低于10^-4）。

讨论与结论

研究表明，长期连续种植乌龙茶会导致土壤明显酸化，但这并未造成土壤中金属（类金属）的人为富集，土壤环境质量良好。茶树对必需营养元素具有较强的生物富集能力，但对潜在有毒元素的富集能力极弱，从而有效阻断了有毒元素向茶叶的传递。全面的健康风险评估（包括非致癌和致癌风险）证实，在该研究条件下生产的乌龙茶，其金属（类金属）含量水平不会对消费者健康构成威胁。研究结论明确指出：“经分析的乌龙茶被明确验证为安全的膳食产品。” 该研究强调了在评估茶叶安全性时，必须综合考虑土壤特性、种植年限、元素种类及其生物有效性，为制定科学的茶园管理策略和保障茶叶质量安全提供了重要数据支撑。