基于GIS和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)評價江西主要茶區(qū)土壤和茶鮮葉重金屬狀況及其預測.pdf

1、在野外采樣和室內(nèi)檢測分析的基礎(chǔ)上，基于GIS(地理信息系統(tǒng))技術(shù)，利用不同數(shù)據(jù)挖掘途徑，如經(jīng)典統(tǒng)計學方法、模糊數(shù)學方法等，結(jié)合地統(tǒng)計學Kriging插值預測，分析了江西省主要茶區(qū)土壤和茶鮮葉(新葉和老葉)中的銅(Cu)、鉛(Pb)、鎘(Cd)、砷(As)、汞(Hg)、鉻(Cr)六種重金屬的整體污染現(xiàn)狀、污染來源影響因素、空間變異特征、空間分布預測和污染發(fā)展時間預測，并在此過程中首次提出了茶鮮葉限量值應不同于現(xiàn)行商品茶限量標準，并分析了擬

2、定值建議。茶鮮葉是制茶的直接原料，其重金屬現(xiàn)狀的評價和預測更有利于反映江西茶產(chǎn)業(yè)面臨的重金屬基礎(chǔ)風險狀況，為保證安全飲茶和吃茶提供第一手基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。從茶葉安全監(jiān)管的角度，防范風險比事后監(jiān)測具有更重要的意義。首次在全省主要茶區(qū)進行茶鮮葉及土壤的野外采樣，以及重金屬含量調(diào)查和評估，并據(jù)此進行預測預警，有利于事前防范重金屬污染的發(fā)展，及時提出相應的控制對策和解決方案，減少污染治理成本，并有助于更好規(guī)劃和分級利用宜茶園區(qū)，可以為江西茶葉發(fā)展、政策

3、研究提供一定實際參考?，F(xiàn)將本論文主要研究結(jié)果歸納如下：
　　 (1)采用描述性統(tǒng)計分析、Nemerow綜合污染指數(shù)(NIPI)法、多變量分析(聚類分析、判別分析、對應分析)，分別從原始含量、污染指數(shù)、重金屬多變量集合特征等方面進行江西省主要茶區(qū)土壤和茶鮮葉的重金屬污染評價。綜合結(jié)論表明，江西茶園土壤和茶鮮葉重金屬含量，在基于人為劃定的5個茶區(qū)間有一定差異但自然地域界線不明顯，且各區(qū)均有污染水平差異顯著的各類茶園。顯示了茶園管理水

4、平的差異及管理的重要性。從平均值和中值來看，重金屬全量、有效態(tài)含量、肥力均為上層(0～20cm)土壤大于下層(20～40cm)，但有顯著差異的只有全氮、有效磷、有效Pb和有效Cd，空間變異也以中等強度為主，說明江西茶園土壤受一定人為活動影響，但目前的污染增加尚并不十分顯著和嚴重。經(jīng)上層土壤NIPI分析，采樣茶區(qū)重金屬綜合污染水平是：分別有47.7％、77.3％和100％的茶園滿足有機茶、綠色茶和無公害茶生產(chǎn)環(huán)境土壤重金屬要求。下層土壤情

5、況更好。各茶區(qū)土壤總體污染程度接近，但主要污染元素不同，As污染指數(shù)最高，其次為Cr。贛北茶園土壤Cr的高污染可能與肥料等因素有關(guān)。贛南以鎢礦、稀土、金礦等儲存豐富，因此As的高污染更與成土母質(zhì)關(guān)系密切，由于處于中等空間變異，也與人為因素有一定關(guān)系。
　　 (2)探討并擬定了比商品茶葉更嚴格的限量值進行鮮葉重金屬評價以提高可信度，江西茶新葉綜合污染指數(shù)NIPI為0.99，總體未污染，但警戒水平高；種植環(huán)境比較平均良好，路邊組與高

6、山組無顯著差異；老葉有輕度污染，在進一步以粗老茶加工茶葉食品、加工全茶粉時應引起重視。老葉與新葉的Cu、Pb、Hg、Cr含量均存在極顯著差異，隨生長期的累積明顯；分別有11.4％和6.8％的茶園新葉Cu和Cr輕度污染(2≥NIPI>1)；全省Cu、Cr輕度污染，Pb為警戒水平(0.6　　 (3)運用模糊數(shù)學方法評價了江西省主要茶區(qū)土壤綜合肥力狀況。結(jié)果表明，采樣

7、區(qū)上層土壤肥力IFI均值和中值分別為0.64和0.63，屬于中上肥力等級。各主要茶區(qū)中，只有A區(qū)肥力中下等，而C區(qū)肥力高，其余均在中上肥力。其中，贛東北B區(qū)肥力差別最大，反映該區(qū)域施肥及管理水平差異大。從中值和均值來看，采樣茶園的土壤pH值適中偏酸，有機質(zhì)、全鉀、堿解氮含量很高，全氮含量較高，有效鉀、全磷含量偏低，有效磷含量很低；據(jù)此，建議江西茶園①氮肥充足，不需要增施有機肥；②應整體加強磷肥、鉀肥施用量及監(jiān)測管理；③注意監(jiān)測并著手改良

8、土壤過酸性發(fā)展，投入不足和管理粗放的老茶園，尤其要通過適量施用石灰或灰殼等，以中和土壤酸性，使之適宜茶樹的生長。根據(jù)模糊數(shù)學綜合評價指標IFI對江西茶園土壤上層肥力的空間分布進行了普通Kriging插值預測，結(jié)果顯示，中東部整體肥力高于西部，婺源縣為高值中心之一，全省西北部茶區(qū)應注意加強施肥管理，提高肥力整體水平。
　　 (4)結(jié)合采樣調(diào)查和記錄，以Pearson相關(guān)分析和因子分析為基礎(chǔ)，對江西主要茶區(qū)土壤和茶鮮葉六種重金屬污染

9、的主要來源進行了初步解析，結(jié)果表明區(qū)內(nèi)土壤主要污染重金屬為Cr、As，來自成土母質(zhì)以及人為活動的共同作用，如贛北的工業(yè)企業(yè)排污污灌、廢水廢氣飄塵、農(nóng)業(yè)活動過程中頻繁施用的農(nóng)藥、化肥，贛南豐富的礦藏影響等。茶鮮葉以老葉重金屬為主要污染物，老葉與土壤重金屬有一定顯著相關(guān)性，新葉雖與土壤重金屬相關(guān)性微弱，但新葉與老葉同一重金屬間均顯著正相關(guān)，說明茶鮮葉重金屬具有隨時間積累特性，生長年限越長，積累越多，并且有可能伴隨生長代謝從老葉向新葉轉(zhuǎn)移。因

10、此對土壤重金屬帶來污染的污染源如成土母質(zhì)、研究區(qū)排污、農(nóng)業(yè)活動過程中施用的農(nóng)藥、化肥、以及汽車尾氣、煤煙飄塵也間接成為茶新葉重金屬的來源。
　　 (5)相關(guān)分析顯示土壤pH值可以影響茶樹植物的代謝對鮮葉重金屬積累產(chǎn)生影響。改善茶園土壤pH，減緩土壤酸化趨勢，不僅有助于改善江西茶園有效磷的低含量現(xiàn)狀，也對新葉、老葉Pb、Cd、Hg等重金屬含量有顯著抑制或控制作用。同一種的重金屬全量、有效態(tài)和肥力指標，土壤上下層數(shù)據(jù)間均顯著正相關(guān)，

11、顯示上下層土壤之間元素及肥力存在滲透轉(zhuǎn)移可能；因子分析結(jié)果進一步表明土壤上下層同種重金屬列于同一公因子中，說明土壤上下層污染同源；主動吸收為主的新老葉Cu與Cr等另外五種重金屬不同源。
　　 (6)基于GIS的地統(tǒng)計空間分析，采用普通Kriging方法插值預測了江西茶園土壤和茶新葉重金屬的空間變異變異狀況，預測誤差上ME、MSDE均較小，大多接近0，RMSDE接近1，比較理想。不過RMSE和ASDE雖然接近，但數(shù)值偏高，顯示該預

12、測精度指標尚不夠理想，分析原因，可能與贛北與贛中區(qū)域之間采樣點距離過大有一定關(guān)系。補充贛中泰和縣、新余等地采樣可以進一步提高預測精度。采用NIPI閾值2(即超過綠色茶環(huán)境限量要求)構(gòu)建土壤上層和下層綜合污染水平預測，指示Kriging插值顯示，贛西南部分地區(qū)，土壤上層綜合污染水平有65.6％的概率大于2，達到中度污染，不能滿足綠色茶生產(chǎn)環(huán)境要求。其余地區(qū)均符合綠色茶生產(chǎn)要求。土壤下層綜合污染水平明顯好于上層，說明江西目前人為活動造成的污

13、染尚停留在表層土壤，及時關(guān)注重金屬控制為時未晚。采用NIPI閾值0.6(安全水平，即新擬茶新葉限量的60％)構(gòu)建新葉和老葉綜合污染水平預測，指示Kriging插值顯示，茶新葉和老葉污染超出安全限的概率較高的地區(qū)均在南昌周邊呈發(fā)散性分布，反映了工業(yè)化水平、人為活動對茶鮮葉重金屬也產(chǎn)生影響。
　　 (7)基于時相的污染物含量預測研究。利用情景分析法分別按樂觀情景和無突變情景預測了研究區(qū)2025年土壤和茶新葉重金屬污染情況及全省空間變

14、異分布，同時繪制了相關(guān)的Kriging插值預測圖。結(jié)果表明即使在樂觀情景下即所有污染物停止輸入，逐步自然凈化，到2025年區(qū)內(nèi)上層土壤重金屬中值和均值下降也不非常明顯，降低率在2.4％～14.5％之間：但茶新葉中值基本無變化。而在無突變情景下即保持現(xiàn)狀不變，到2025年區(qū)內(nèi)土壤重金屬污染程度更加嚴重，上層土壤Cr、Hg、As、Cd及茶新葉Cu、Cd、As、Cr超過無公害茶園環(huán)境或茶葉最高限量的比例分別增加至2.3％、6.8％、22.7％

15、、2.3％和45.5％、2.3％、4.6％、68.2％。江西茶園急需注意控制重金屬發(fā)展，重點是As、Cr，不產(chǎn)生惡化，2025年茶新葉才可以保持以綠色茶、有機茶產(chǎn)品為主。
　　 (8)運用Plackett-Burman設(shè)計和響應面法，探討并首次建立了超聲波輔助消解-原子光譜法快速測定茶葉Hg和Pb的方法。茶葉Hg最優(yōu)提取條件為：浸泡時間6 min、超聲時間8.1 min，超聲溫度70.5℃，HNO3：H2O2(1:1，V/V)4

16、.4 mL，稱樣量300 mg，超聲頻率40kHz。茶葉Pb最優(yōu)提取條件為：200mg樣品中加入HNO3：H2O2(1:1，V/V)5mL浸泡6min、78℃超聲8.4min，超聲頻率40kHz。經(jīng)鮮葉及商品茶測定檢驗，超聲輔助消解法與國標法測定結(jié)果無顯著差異，但大大縮短消解時間，減少試劑消耗和污染。
　　 經(jīng)過幾年的摸索研究工作，在下列三個方面有所創(chuàng)新：
　　 (1)本研究是首次針對江西全省主要茶區(qū)野外自然生長的茶鮮葉

17、進行采樣調(diào)查。不同于盆栽試驗，能更直接反映江西商品茶生產(chǎn)的直接原料目前的重金屬含量狀況。為評價本省茶葉原料質(zhì)量，反映茶產(chǎn)業(yè)管理水平、尋找重金屬污染發(fā)展控制因素及措施，提供第一手資料和參考。
　　 (2)通過GIS技術(shù)，首次插值計算描繪了江西茶新葉、茶園土壤Cu、Pb、Cd、As、Hg、Cr含量的空間分布特征圖，以及基于六種重金屬綜合污染指數(shù)(NIPI)的污染概率圖。利用空間預測圖和污染概率圖聯(lián)合界定了研究區(qū)各污染物的污染范圍或程

18、度，為污染修復和補充采樣提供了決策信息，在研究手段上具有集成創(chuàng)新。同時，將經(jīng)典統(tǒng)計分析、多變量分析(如聚類、對應分析、判別分析)和模糊數(shù)學等數(shù)據(jù)挖掘方法應用于茶園重金屬和肥力的評價，更有利于從集合角度獲取宏觀評價結(jié)果，在研究思路上有一定集成創(chuàng)新。
　　 (3)首次提出了茶鮮葉重金屬限量評價標準的問題并擬定了新的三級評價指標。提出應在現(xiàn)有有機茶、綠色茶、無公害茶限標的基礎(chǔ)上考慮扣除后期加工污染的影響程度，采用更嚴格的限量值。有利于