茶树叶片铅含量与茶树叶片光谱反射率相关性研究

摘要  ［目的］了解茶区茶树叶片光谱信息与重金属铅含量的相关性。［方法］以市区绿化带、市区公园茶园和郊区茶园茶树为研究对象，应用便携式地物光谱仪获取茶树叶片（1芽1叶、2叶、3叶、4叶、5叶和6叶）的光谱特性，利用ICP-MS测定茶树叶片的重金属Pb含量，探讨茶树叶片光谱特性与铅含量的相关关系，筛选出检测茶树叶片铅含量的光谱最佳因子，建立光谱特性与铅含量的估算模型。［结果］市区绿化带、市区公园茶园和郊区茶园茶树叶片重金属Pb含量随着叶位数的增加有增加的趋势，其决定系数（R2）分别为0.02、0.36和0.79；且800 nm波长处光谱反射率也随着叶位数的增加有增加的趋势，其决定系数（R2）分别为0.79、0.96和0.78；市区绿化带、市区公园茶园和郊区茶园茶树叶片重金属Pb含量与800 nm波长处光谱反射率呈线性相关。［结论］茶树的光谱信息与茶树叶片的生理生化特性有关，且茶树的高光谱特征间接反映茶树叶片重金属的含量。

关键词  茶树；叶片；重金属；光谱特性；相关性

中图分类号  TS 272.7文献标识码  A

文章编号  0517-6611（2022）22-0187-04

doi： 10.3969/j.issn.0517-6611.2022.22.046

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Study on the Correlation between the Lead Content in Tea Leaves and the Spectral Reflectance of Tea Leaves

LI Fen，JIN Na，LI Yan et al

（College of Tea （Pu’er），West Yunnan University of Applied Sciences，Pu’er，Yunnan  665000）

Abstract  ［Objective］To comprehend the correlation between the spectral information of tea leaves and the content of heavy metal Pb in tea areas.［Method］The tea trees in urban green belts，tea gardens in urban parks and suburban tea gardens were taken as the research objects，the spectral characteristics of tea leaves （one bud and one leaf，two leaves，three leaves，four leaves，five leaves and six leaves） were obtained by portable ground object spectrometer.The content of heavy metal Pb in tea leaves was determined by ICP-MS，the correlation between spectral characteristics of tea leaves and lead content were discussed，so that the best spectral factor of lead content in tea leaves was screened and detected，which was used to establish the estimation model of spectral characteristics and lead content.［Result］The content of heavy metal Pb in tea leaves of urban green belt，urban park tea garden and suburban tea garden increased with the increase of leaf number，and the determination coefficients were 0.0 0.36 and 0.79，respectively.The same rule was also shown by the spectral reflectivity at 800 nm wavelength，and the  determination coefficients were 0.79，0.96 and 0.78，respectively.The heavy metal Pb element content of tea leaves in urban green belts，urban park tea gardens and suburban tea gardens was linearly related to the spectral reflectance at 800 nm wavelength.［Conclusion］The spectral information of tea is related to the physiological and biochemical characteristics of tea leaves，and the content of heavy metals in tea leaves is indirectly reflected by the hyperspectral characteristics of tea.

Key words  Teabush;Leaves;Heavy metal;Spectral characteristic;Correlation

我国是茶叶出口大国，茶叶是我国传统出口的优势农产品。茶叶富含茶多酚、氨基酸、维生素、生物碱和多种微量元素，是世界公认的天然健康饮料，受到世界各国人民的喜爱［1-2］。近年来，随着人们对食品质量安全问题的关注，茶叶中的重金属污染成为茶叶卫生安全的重要问题之一［3］。目前我国茶叶重金属含量的检测方法主要应用石墨炉原子吸收（GF-AAS）、电感耦合等离子体原子发射光谱（ICP-AES）、电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）等［4］。经历了从石墨炉原子吸收光谱仪进行单一元素检测到电感耦合等离子质谱仪多种元素同时检测的发展历程，但是，这些检测方法需采集茶叶，将茶叶烘干、研磨、过筛、湿法或微波消解，再进行单一或者多种元素检测，检测精度高，但检测步骤烦琐、检测成本高、耗时长，难以适应市场产品的现场抽查、生产企业自查及产品进出口快速通关的要求。因此，在茶叶重金属检测方面，市场迫切需要一种能够应用小型便携仪器进行简单实时快速监测的方法。

地物光谱仪是利用波段宽度<10 mm的电磁波从研究对象上获取系列数据，它融合了成像技术和光谱技术［5-6］，即在保存数据的同时产生一条完整而连续的光谱曲线。植物间化学和形态的不同导致不同植物对光谱的反射也不同，通过地物光谱仪获取的植物信息可以反映植物的发育及健康状况。因此在实际研究中可根据目标，选择合适的光谱波段，获取详细、精确的植物光谱信息。环境中的污染物能够导致植物的叶面结构、叶绿素含量及植株结构发生相应的改变，从而引起植物光谱特征的改变。换言之，在重金属污染胁迫下，其光谱反射特性会发生变化，污染越重，变化越大。因而从理论上，只要选择适当的波段，就可取得研究对象在重金属污染胁迫下的详细而精确的光谱信息，能用于原位无损、快速检测重金属含量。

目前国内外基于地物光谱仪研究多集中在叶绿素、氮含量、磷含量、含水量、叶面积指数、纤维素、淀粉和植被的分类识别以及估测反演等方面，有良好的精度［7-9］，如王纪华等［10］研究小麦含水量和光谱特征的关系，反演出水分估算模型。但利用茶树光谱特征定量测定茶树重金属元素含量，分析其相关性研究至今鲜见报道。因此，该研究选择市区绿化带、市区公园茶园和郊区茶园3个区域的茶园茶树为研究对象，应用便携式地物光谱仪获取茶叶光谱信息，同时用ICP-MS测定茶叶中铅含量，探讨铅含量与光谱特征信息的相关关系，反演出检测茶叶铅含量的估算模型，实现应用地物光谱仪检测茶叶中重金属铅元素含量的目的，为茶叶的优质高效生产提供理论和技术支持。

1 材料与方法

1.1 研究区概况及其样品采集

研究区域位于云南省某市，于2020年6—8月采摘公路绿化带、市区公园茶园和郊区茶园3个地区的云南大叶种茶树群体种中的勐海种茶叶的1芽1叶、2叶、3叶、4叶、5叶和6叶，共18个样品。采集到的样品用蒸馏水洗涤洗去叶片表面的大气灰尘颗粒物，并在冷冻干燥机中冷冻干燥至恒重，用研钵研磨过孔径为0.074 mm的筛子待测。

1.2 室内样品Pb含量的测定 称取0.1 g的普洱茶叶粉末放进特氟龙材质 的瓶子，加5 mL工艺超纯硝酸（国药集团化学试剂有限公司，纯度为65%～68%），并将瓶子放进不锈钢高压密闭罐中，拧紧并置于电热恒温干燥箱中120 ℃加热12 h。取出冷却后，特氟龙瓶子放置在带孔电热板上加热挥发干硝酸，然后加3 mL的超纯H 2O  并再次放进电热恒温干燥箱中于80 ℃加热6 h。消解液采用电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS，型号Agilent HPLC 1290-7700x，USA）进行测定。

1.3 野外高光谱数据获取

采用美国Analytical Spectral Device Inc （ASD）公司的ASD FieldSpec 4光谱仪获取野外高光谱数据。该仪器能够捕获可见、近红外和短波红外光谱。测量时选择晴天太阳光照稳定时段，风力小于3级，以减少阴影和强烈反射体的影响，平均气温26 ℃。光谱测量和茶树叶片采集时间为2020年7月15日10：30—12：30。测量光谱叶片光谱数据时，仪器探头垂直向下，每次数据采集前都进行标准白板校正。光谱曲线见图 市区绿化带、市区公园茶园和郊区茶园分别记为 SQLHD、SQGYCY和JQCY，1芽1叶、2叶、3叶、4叶、5叶和6叶分别标为1.asd.ref、2.asd.ref、3.asd.ref、4.asd.ref、5.asd.ref和6.asd.ref，不同区域叶片的反射光谱曲线的波形基本相似。

1.4 数据统计分析

试验数据采用Excel 2016、SPSS 19.0和Origin 8.5进行统计分析。光谱图片采用仪器自带软件View SpecPro进行分析绘制。茶树叶片重金属Pb元素含量与800 nm 波长处的反射率线性相关性采用Origin 8.5的Analysis-Fitting-linear Fit线性拟合分析，P<0.05表示显著线性相关。

2 结果与分析

2.1 最佳光谱因子的确定 从市区绿化带、市区公园茶园和郊区茶园茶树叶片不同叶位800 nm左右波长处光谱反射率（图2～4）可以看出，叶位数与茶树光谱的反射率呈现统一的变化趋势，随着叶位数增加，茶树光谱的反射率增加。因此，选择800 nm波长为茶树最佳光谱因子波长。

2.2 茶树叶片Pb含量、800 nm波长处反射率与叶位数相关性分析

市区绿化带、市区公园茶园和郊区茶园叶片重金属Pb含量、800 nm波长处光谱反射率与叶位数曲线拟合分析显示（表1、图5），Pb元素随着叶位数的增加有增加的趋势，其决定系数（R2）分别为0.02（P=0.35）、0.36（P=0.12）和0.79（P=0.01）。800 nm波长处光谱反射率随着叶位数的增加有增加的趋势，其决定系数（R2）分别为0.79（P=0.01）、0.96（P<0.01）和0.78（P=0.01）。