葡萄種植區生態地球化學特征研究

孫 朝，黃 勇，馮 輝，黃 丹，李 迪，鄧凱文

（北京市地質勘察技術院，北京 102218）

葡萄是一種落葉藤本植物，降低人體血清膽固醇水平，降低血小板凝聚力，對預防心腦血管病有一定作用。同時葡萄籽富含多酚，可以護膚美容，延緩衰老，具有極高的經濟價值和營養價值。農業生態環境條件優劣是影響農作物質量的主要因素之一，土壤是生態環境的重要組成部分，土壤環境質量與農產品質量的關系最為密切，只有對土壤環境進行及時有效評價，才能為生產安全無污染的果品提供有力保障。同時，充分了解土壤中肥力指標含量，及時調整施肥措施，為農作物提供良好的生長環境也是提高農作物產量質量的必要因素。通過開展本次研究，從肥力和環境兩個方面系統評價了葡萄種植區土壤狀況以及對農作物的影響，為當地農業發展規劃提供了參考。

1 研究區概況

葡萄種植區地處盆地山前暖帶，呈北東-南西向帶狀分布。該區地理位置優越，處于西北高東南低的山前洪積扇上，背風向陽，日照充足，雨水充裕，有利于果實中淀粉轉化為糖類。土壤類型以潮土、褐土為主，土地利用類型多為耕地園地等農用地，土壤多為7.5以上的堿性土壤。區內主要河流屬永定河水系。該區地層主要由新生界第四系的全新世組合馬蘭組組成。同時，在北部山前地帶分布有太古界花崗片麻巖和長城系串嶺溝組石英砂巖、高于莊組碳酸鹽巖等。同時區內分布有一條正斷層走向為NW320°，傾向E，傾角60°，長13km，斷層破碎帶寬約10km。該區域地處山前地帶，土壤來源多為基巖經風化、剝蝕后形成的殘坡積物，經機械搬運作用堆積在此，使得該地區土壤中微量元素的分布主要受控于成土母質。該區獨特的地理位置和地質背景為葡萄生長提供了得天獨厚的條件，早就了其果實飽滿、多汁、酸甜適中、肉質細膩的特點。

2 材料及方法

參照《多目標區域地球化學調查規范1:25萬（DD2005-01）》中的樣品采集方法在研究區采集葡萄籽實樣品28件、灌溉水樣品14件。考慮到葡萄根系發達，是深根系樹種，一般情況下，根系在土壤中分布深度為15至80cm，故分別在葡萄籽實同點位配套采集0～20cm、20～40cm、40～60cm三個層位根系土樣品共計84件（圖1）。

圖1 樣點分布圖Fig.1 Sampling location in study area

土壤樣品的分析測試由安徽省地質實驗研究所承擔，灌溉水樣品的分析測試由國家地質實驗測試中心承擔。分析測試過程嚴格參照《多目標區域地球化學調查規范(1:250000)》（DD2005-01）、《生態地球化學評價樣品分析方法和技術要求》（DD2005-03）、《區域生態地球化學評價樣品分析技術要求補充規定》等相關技術標準執行。土壤樣品分析測試項目包括鎘、汞、砷、鉛、鉻、鎳、銅、鋅8項重金屬元素及氟元素，土壤肥力指標有機質、全氮、有效磷、速效鉀、有效硼、有效鉬、有效銅、有效鋅、有效鐵、有效錳等。灌溉水樣品的分析測試項目包括化學需氧量、氟化物、氯化物、氨氮、總磷及8項重金屬等指標。通過標準參考物、實驗室內部檢查、密碼抽查、外部檢查等手段，對土壤樣品分析質量進行嚴格監控。分析數據結果準確可靠，滿足成圖要求。

數據統計采用Excel2010軟件完成，文中圖件繪制采用MapGIS6.7軟件完成。

3 環境安全性評價

3.1 土壤環境安全性評價

為了全面細致的掌握研究區土壤環境安全性，本文分別以《土壤環境質量標準（修訂）》（GB15618-2008）中的pH＞7.5的相應標準、無公害食品 鮮食葡萄產地環境條件（NY5087-2002）和無公害食品 大田作物產地環境條件（NY5332-2006）3種標準分別對工區土壤重金屬含量進行評價。同時考慮到葡萄屬于深根作物，故葡萄產地根系土元素按照不同層位分別進行統計，并與相關標準進行對比，結果見表1。

評價結果顯示，研究區采集的84件不同層位的根系土樣品中重金屬及氟元素的含量全部符合相關標準，不存在超標樣品，表明研究區土壤環境質量狀況清潔安全，可以為葡萄籽實生長提供良好的環境。

表1 葡萄作物根系土環境元素平均值統計Tab.1 Average value statistics of soil environmental elements in root system of grape crops

3.2 灌溉水安全性評價

在研究區采集了14件灌溉水樣品，檢測了化學需氧量（COD）、氟化物（F-）、氯化物（Cl-）、氨氮（NH3-N）、總磷（P）及八項重金屬等指標。分別利用農田灌溉水質標準（GB5084-2005）、飲用水衛生標準（GB5749-2006）、地下水環境質量標準（GB/T14848-93）Ⅲ類水質標準對這些水樣品進行比較與評價。結果顯示，除氟化物以外，工區內各水樣指標全部符合相關標準衛生要求。

氟化物超過灌溉水一般區域標準2mg/L的樣點有3個，超過生活飲用水衛生標準和地下水環境質量標準三類水質限值1mg/L的樣點有7個。評價結果表明在葡萄種植區內存在氟化物超標現象，超標樣點空間位置見圖2。

圖2 灌溉水氟化物超標樣點分布圖Fig.2 Distribution of fluoride super standard sample point distribution in irrigation water

氟元素具有雙閾性，既是人體必需元素又是導致地方性氟中毒病流行的有害元素。尤其是土壤水溶性氟和地下水氟含量與地氟病的分布有著密切的關系，對人體健康有一定影響，應引起高度重視（何錦等，2010；李靜等，2005；周青齡，2008）。

葡萄種植區周邊地下水氟超標的原因，可能與其西北部高氟區有關。調查區西北部高氟異常區的深部高氟熱水通過斷裂帶上升補給地下水，由于調查區地勢北高南低，使得高氟區內地下水氟流入葡萄種植區帶高地下水氟含量（馮輝，2015）。

4 土壤肥力水平評價

進行土壤肥力評價時將能為農作物提供養分的土壤元素指標分為土壤大量養分（有機質、氮、有效磷等）、土壤微量養分（有效硼、有效鉬、有效錳等）兩部分，考慮到它們的重要程度不同，分別采取不同的方法進行評價。然后利用專家打分賦權重的方式進行土壤肥力綜合評價。

4.1 土壤大量元素評價

土壤大量養分采用北京市土肥站對北京地區土壤大量養分肥力的分級標準和評價方法，即打分—賦權重—加權求和的方法。權重值的確定以各元素對土壤的重要性和貢獻程度而定（表2），各采樣點的土壤大量養分含量按照“很富足、富足、適度、缺乏、很缺乏”的5個區間分別賦給：“100、80、60、40、20”分值，進行打分。再利用公式（1）計算每個采樣點的土壤綜合肥力得分（C大）。最后參照表3定級標準分為高、中、低3種不同肥力等級（周國華，2003）。計算公式為：

表2 土壤肥力評價評分標準及權重值Tab.2 Evaluation criteria and weight value of soil fertility evaluation

式中：Ci表示單項指標的分值，Ii表示各單項指標的權重。

4.2 土壤微量元素評價

微量養分參評指標權重的賦值，采用中國農業大學王軍艷、張鳳榮等（王軍艷等，2001）提出的指數和法。首先將各采樣點的土壤微量養分含量按照“很富足、富足、適度、缺乏、很缺乏”的5個區間分別賦給“100、80、60、40、20”分值，然后用每個采樣點各項微量養分指標的分值與其所賦予的權重計算土壤微量肥力綜合分，據此得分值劃分出高、中、低3種不同的肥力等級。其中，權重的計算方法是先計算單項指標之間的相關系數（表4），然后求某項指標與其他指標間相關系數的平均值，并根據該平均值與所有指標相關系數平均值絕對值總和的比值，作為該項指標在土壤微量養分肥力的權重，表5為微量養分綜合分的肥力水平劃分標準。

表3 大量養分定等標準Tab.3 Large quantity of nutrient criteria

表4 微量養分相關關系表Tab.4 Micronutrient correlation table

表5 微量養分定等標準Tab.5 Micronutrient standard

4.3 土壤綜合肥力評價

土壤肥力的高低主要取決于大量養分，微量養分對土壤肥力的影響相對要弱些（董國政等，2004）。因此，在對調查區土壤進行綜合肥力評估時，二者的權重應有所區別。我們將微量養分的權重定為0.2，大量養分定為0.8，按公式（2）計算出土壤綜合肥力得分（C綜合），綜合肥力的分等標準見表6。

圖3 葡萄種植區不同層位土壤大量養分肥力水平圖Fig.3 Soil nutrient levels of different horizons in grape growing areas

圖4 葡萄種植區土壤微量養分肥力水平圖Fig.4 Map of soil micronutrient fertility in grape planting area

圖5 葡萄種植區土壤綜合肥力水平圖Fig.5 Map of soil comprehensive fertility in grape planting area

表6 綜合肥力定等標準Tab.6 Comprehensive fertility standard

4.4 評價結果與分析

按照上述方法計算獲得的土壤大量養分、微量養分和綜合肥力評價的結果見圖3至圖5。

評價結果顯示，葡萄種植區不同層位土壤大量養分肥力水平差異較大。其中，0～20cm耕土層中土壤大量養分水平較高，以中—高肥力水平占絕對主導地位；20～40cm亞耕層中土壤大量養分水平開始逐漸降低，以中等肥力水平居多；到40～60cm心土層土壤大量養分水平進一步降低，以低等占主導地位。土壤微量養分肥力水平相差不大，都屬于中—高肥力水平等級。

受不同層位土壤大量養分水平差異的影響，葡萄種植區土壤綜合肥力水平差異性較大，具有從表層到深層肥力水平逐漸下降的趨勢。通過調查走訪了解到，該地區農民施肥深度普遍在0～20cm層位，因此使得表層土壤中肥力水平相對較高。而葡萄作為一種深根植物，其根系深度普遍在20～60cm處，而這一區域的土壤肥力卻呈現出逐漸下降的趨勢，因此，為進一步提高土壤肥力水平，建議施肥時適當加大深度。

5 葡萄籽實品質評價

5.1 葡萄籽實安全性評價

對采集的葡萄籽實樣品采用《無公害果品 紅地球葡萄》（DB13T/861-2007）標準進行安全性評價，評價結果見表7。28件葡萄籽實樣品的四項衛生指標的含量全部符合標準，合格率達100%，且含量遠遠低于限量值，屬于安全食品。

表7 葡萄籽實安全性統計表Tab.7 Safety Statistics of grape

5.2 葡萄礦質元素評價

本次調查還分析測試了葡萄籽實中微量元素的含量，利用獲得的數據與山東大澤山葡萄中礦質營養元素含量進行對比（劉昌嶺等，2006），發現研究區葡萄果實中富含硼（B）、鐵（Fe）、鉬（Mo）等營養礦質元素，同時氟（F）元素的含量也高于大澤山葡萄。推測研究區灌溉水中的高氟可能一定程度進入了葡萄中，使得葡萄籽實中的氟元素含量高出大澤山葡萄一倍以上（圖6）。

圖6 不同地區葡萄營養元素含量對比圖Fig.6 Comparison of nutrient contents of grape in different regions

6 結論

（1）葡萄種植區土壤環境質量較為清潔，F、As、Cd、Hg、Pb、Cu、Zn、Cr、Ni等有害元素含量低于相關標準。

（2）葡萄種植區部分灌溉水樣品存在氟元素超標現象，其原因可能是由于西北部高氟異常區的深部高氟熱水通過斷裂帶上升補給地下水造成的。

（3）葡萄種植區土壤肥力水平具有隨深度的增加而逐漸降低的特點，建議在今后的施肥過程中，改變施肥方式，加大施肥深度，有效施肥。

（4）葡萄種植區葡萄籽實富含硼（B）、鐵（Fe）、鉬（Mo）等營養礦質元素，同時氟（F）元素的含量也高于其他產地的葡萄。