苹果产地土壤环境与地质背景研究

安永龙，黄 勇，刘清俊，孙 朝，邓凯文，李 迪，黄 丹

（北京市地质勘察技术院，北京 102218）

苹果产地土壤环境与地质背景研究

安永龙，黄 勇，刘清俊，孙 朝，邓凯文，李 迪，黄 丹

（北京市地质勘察技术院，北京 102218）

通过对苹果产地的地貌、地质以及土壤地球化学特征等方面的研究，分析了可能影响苹果品质和产量的因素——土壤背景值、元素有效态、环境安全性、苹果矿质元素等方面特征。认为苹果产地位于利于苹果生长的特定温度、湿度以及富含较多矿质元素的洪积扇上，优良的地质环境为其提供了丰富的矿质资源。将所测表层土壤指标与平原区背景值进行对比，明确了相关指标的贫化与富集程度，同时了解到部分有效态元素与其全量、pH、有机质的相关关系，并掌握到产地具有低有效钼的特点。此外，对比了两个产区苹果果实矿质的含量特征，为进一步提高苹果质量和品牌附加值提供了科学依据。

土壤；苹果；地质背景；有效态；适宜性

“万物土中生，食从土中来”。土壤中含有植物生长所必需的营养元素、水分等适宜条件，同时随着近些年农药和化肥的大量使用、污水灌溉（Liu Weihua et al.，2005；Khan S et al.，2007）、化石燃料燃烧所排放气体（Miller J R et al.，2003）、工业废渣与垃圾填埋的渗漏等污染加重，土壤中重金属元素以及有机污染物也随之不断增多，直接或间接导致土壤的组成、结构和功能发生变化，并通过土壤-作物系统迁移积累（张勇，2001；常青，2003；杨肖娥等，2003；藤葳等，2010），进而影响农产品安全以及危害人体健康。因此，农产品的质量安全及产量情况与土壤环境安全紧密相联。本次研究选取北方某苹果特色产地，主要对苹果产地的地质背景以及苹果果实、土壤环境、灌溉水等方面的安全性进行评价。

1 研究区概况

1.1 自然地理概况

苹果产区主要分布在平原区至西北部山前，走向北东—西南的“山前暖带”上，这条“山前暖带”西北高东南低，形成一个天然坡度，这个坡度使得山前暖带背风向阳，光照充足，不但有利于果皮着色，更催化了果实内淀粉转化为糖份等化学过程，非常适合果树生长。另外，苹果产区土质以pH值在7～7.5左右的中性偏碱沙壤土为主，较疏松，透气性好、保水保肥与排水良好，砂土地上苹果根系易生长，根重量为粘土的2倍以上（马玉芳，1993；毛志泉，1999），能在短时间内获取更多营养。处于太行山脉与燕山山脉邻接处以东，西北山区向平原区的过渡地带。山地海拔800～1000m，平原高度海拔30～100m。主要河流属温榆河水系。全区处在温带季风区，属暖温带大陆性季风气候。年平均日照时数2684小时，年平均气温11.8℃，年平均降水量550.3mm。独特的自然地理及气候特点造就了苹果果肉黄白色，肉质致密，细脆、果汁多，酸甜适口，芳香味浓的特点，研究区范围见图1。

1.2 地质背景

苹果产区地层复杂，西部与南部均为山区，西部的地层主要为元古界长城系，其次为元古界蓟县系以及新生界，山区深处分布有中生界侏罗—白垩系；北部为长城系、蓟县系、青白口系以及古生界寒武—奥陶系，南部主要以中生界侏罗系为主，其次为蓟县系，山区深处可见古生界。另外，产区西部出露有太古界变质岩，西部、北部与南部山区均有燕山期侵入岩出露，并以中酸性岩浆岩占主导地位（图2）。受山区丰富的沉积岩、岩浆岩与构造断裂的控制影响，基岩经风化、剥蚀后形成的残坡积物主要以机械搬运形式堆积至山前地带，从而使苹果产地土壤中的微量元素分布受到成土母岩的影响。

图1 研究区范围及样品采集分布Fig.1 Location of the study area and distribution of sampling sites

图2 研究区地质简图Fig.2 Simplified geological map of the study area

2 材料及方法

为了研究苹果产区的土壤地球化学特征，现采集表层土壤分析组合样品（3～5件）共计737件，采样密度为4点/ km2、30件土壤根系土样、30件苹果样品以及8件灌溉水样品（图1）。

2.1 样品测试方法

本次研究采用《生态地球化学评价样品分析方法和技术要求》《区域生态地球化学评价样品分析技术要求补充规定》等相关标准进行相关样品指标的测定，具体方法见表1。

2.2 数据处理方法

土壤元素通过计算发现有些数据并不服从正态分布，存在异常值，利用SPSS13.0反复剔除落在“算术平均值±2倍标准离差”之外的异常值，直到所有数据无法剔除，然后用剩余样品的均值来表示的方法，得出准确的背景值（张秀芝，2006）；文中点位图和地质图采用Mapgis6.7绘制；其余图件采用excel生成。

3 土壤地球化学特征

3.1 土壤元素分布地球化学特征

土壤元素地球化学背景值是指经过一定历史时期，由自然营力和人类活动共同作用的区域表层土壤元素的组成及含量特征（陈怀满，2005）。对元素背景值的研究不仅有助于查明元素在土壤中的丰缺、迁移转化等规律，而且在对土壤环境质量及污染程度评价时也起着至关重要的作用（汪庆华等，2007；陈兴仁等，2012；成杭新等，2014）。本次研究采集表层土壤分析组合样品，每件样品均分析24项指标。

图3 土壤背景值比值图Fig.3 Ratio of the background values

将研究区背景值与平原区背景值进行比较，当比值介于0.9～1.1时认为土壤元素含量与全市背景值相当。由图3可知，研究区土壤中比值介于0.9～1.1主要为B、Cr、Cu、N、Se等元素，而Hg和P元素比值均低于0.9，较为贫化，24项指标中有16项的平均含量高于全市平原区背景值，其中以As、Cd、F、Mn、Mo、Pb、Zn、MgO、Fe2O3呈明显偏高状态。因此研究区微量金属元素含量较高，土壤养分（有机质、N）含量居中。pH的比值为1.03，虽然介于0.9～1.1范围内，但土壤的pH为8.5，属于碱性，略微高于全市平原区的背景值8.26。研究区土壤主要受西部北部山区长城系与蓟县系、中酸性岩体的残坡积物以及铅锌等多金属矿化影响，尤其是河流汇流处，地势地洼，从而使当地土壤中富含有机成分与微量元素。

表1 样品指标测定方法Tab.1 Analytical method of the sample indicators

3.2 土壤有效态特征

（1）土壤元素有效态与部分参数相关性

通过统计，研究区土壤元素全量与有效量之间的相关系数变化较大，相互之间的关系较复杂。由图4至图7可以看出，苹果产地土壤有效态Cu与全量Cu呈显著性相关，有效态Mn与全量Mn、有效态Mo与全量Mo呈低度线性相关，而有效态Zn与全量Zn的相关性不显著。表明如果指示环境污染对苹果产地土壤冲击时，有效态元素Cu、Mn和Mo可以作为重要的客观数据（王凌等，2011）。

土壤中有效态的变化会受土壤本身的pH以及土壤中有机质含量的影响（陈丽荣等，2000；于君宝等，2002；董国政等，2004）。较其他元素而言，苹果产地的有效态Mo和有效态Fe受土壤中有机质含量变化最为明显，两者的相关程度分别达23.6%和22.54%，如图8、图9，是苹果产地有效Mo和有效Fe输入的一个途径。经过分析可知，苹果产地的有效态与pH均为负相关关系，其中相关程度较高的是有效态Zn和有效态Fe，如图10和图11。

图4 有效态Cu与全量Cu相关性Fig.4 Correlation of available Cu and total Cu

图5 有效态Mn与全量Mn相关性Fig.5 Correlation of available Mn and total Mn

图6 有效态Mo与全量Mo相关性Fig.6 Correlation of available Mo and total Mo

图7 有效态Zn与全量Zn相关性Fig.7 Correlation of available Zn and total Zn

图8 有效态Mo与有机质相关性Fig.8 Correlation of available Mo and organic matter

图9 有效态Fe与有机质相关性Fig.9 Correlation of available Fe and organic matter

图10 有效态Zn与土壤pH相关性Fig.10 Correlation of available Mo and soil pH values

图11 有效态Fe与土壤pH相关性Fig.11 Correlation of available Fe and soil pH values

（2）土壤有效态评价

相关研究显示，土壤中有效态元素具有易迁移易转化的特点，所以很容易被植物吸收利用（朱静等，2007）。在苹果产区采用相关标准分析了30件土壤元素的有效态含量，并对其进行评价。采用土壤肥力评价分级标准对有效磷和速效钾进行评价，采用全国第二次农业普查指定的土壤微量元素有效态的分级标准对有效Zn、有效Cu、有效Fe、有效Mn、有效Mo、有效B进行评价，见表2。

苹果产区根系土壤有效磷平均含量为63.66μg/ g，除3件样品为缺乏级别外，其余样品均在适度及以上级别。速效钾平均含量为294.78μg/g，与土壤速效钾的临界值75μg/g相比，明显偏高，大部分为富足或很富足级别。

分析数据表明，微量营养元素有效态中，有效锌的平均含量为10.61μg/g，有效铁31.77μg/g，全部样品都为富足或很富足级别，且大部分样品为很富足级别，反映了研究区两者含量较高。有效铜的平均含量为8.59μg/g，不存在缺乏样品点，大部分为很富足级别。有效锰平均含量为126.72μg/g，其中最小含量为57.04μg/g，全部样品点都分布在很富足级别，反映出研究区内有效锰含量很高，因此以上6项养分级别整体处于富足状态。而有效硼平均含量为0.68μg/g，呈现为以适度为中心的正态分布，表明其研究区内含量较为均匀。

有效钼平均含量为0.08μg/g，大部分样品点以很缺乏状态分布，因此判断研究区内有效钼含量较低。相关研究表明，如果植物缺乏钼元素，会导致植株矮小，生长受阻，叶片失绿，严重时叶片枯萎发生扭曲，最终死亡（刘鹏，2002）。鉴于以上情况，建议在果树田间管理过程中加强对含钼微肥的施用，必要时可采取钼、硼同施的方法（刘鹏等，1999；刘鹏等，2000）。

表2 土壤元素有效量分级统计表Tab.2 The classification statistics of the available soil element

4 环境安全性评价

为了判断研究区土壤与灌溉水质量是否达到无公害食品产地的要求，进而确保苹果的食用安全性，分别在研究区内采集30件土壤根系土样品和8件灌溉水样品进行分析。

4.1 土壤环境安全性评价

按照《苹果无公害生产综合技术》（DB11/T 081—2005）对研究区土壤中Cd、Hg、As、Pb、Cr元素进行评价，按照《土壤环境质量标准（修订）》（GB 15618—2008）对研究区土壤中Cu、Zn、Ni、F元素进行评价。分析结果显示，土壤根系土样品中Zn、F、Cu元素仅存在1～2件超标样点，且含量略高于标准值，故可认为土壤Zn、F、Cu元素环境基本安全。与此相反，土壤根系土中Cd元素存在8件超标样点，且其含量是标准值的1.2～4.7倍，判断土壤中Cd元素的环境质量较差。虽然在旱地的碱性土壤中主要为难溶状态的非水溶性镉，其活性低，不易迁移，对农作物的危害程度相对较低，但通过对苹果果实中Cd元素含量的研究结果，土壤的高镉仍会使作物中的Cd元素不断累积。苹果产地土壤Cd元素超标样点主要呈零星状分布在居住地及道路附近，受人为活动影响较为严重。

4.2 灌溉水环境安全性评价

利用《无公害苹果产地农田灌溉水质量要求》（DB11/T 081-2005）和《农田灌溉水质标准》（GB 5084-2005）进行评价。分析结果显示，水中的总汞、总镉、总砷、总铅、总铜、氟化物等指标全部符合无公害苹果产地农田灌溉水质量要求，处于标准限值之内，因此研究区灌溉水水质安全。

5 苹果矿质元素特征

5.1 苹果矿质元素评价

将采集的22件苹果样品中各指标平均值与另一地区所采集的8件苹果样品各指标平均值做比值，（表3）。As、Cd、Cr、Hg、I、Mo、Se、Zn元素的比值高于1.1，说明该区苹果中这些元素含量的总体水平高于另一地区，推测该区土壤的高汞高镉特征对当地苹果果实存在影响（阮起和等，2007）。B、F、Ni元素的比值低于0.9，表明该区苹果中这些元素元素含量的总体水平低于另一地区。从品质指标来看，可溶性总糖、可溶性固形物、可滴定酸的含量差异不大，仅该区苹果的还原型Vc指标明显低于另一地区。

表3 苹果果实中元素及品质指标含量特征Tab.3 The elements in apples and characteristics of the content in quality index

对30件苹果果实样品进行了矿质元素的含量区间统计，见表4，从表中可以看出苹果果实中B和 Fe微量元素含量相对较高，As、Cd、Hg、I、Pb、Se元素含量极低，侧面反映出果树在生长时对不同微量元素的需求量不同。

表4 苹果果实中矿质元素的含量区间Tab.4 The range of content of mineral elements in apples

表5 无公害苹果卫生指标要求及样品合格率统计Tab.5 Pollution-free apple health index requirements and qualified rate statistical sample

5.2 苹果果实卫生指标特征

采用地方标准（DB11/T 081—2005）苹果无公害生产综合技术和农业行业标准绿色食品苹果（NY/T 268-1995）标准对苹果果实质量进行评价，从表5看出，研究区苹果内有害元素含量远远低于无公害食品要求的限量值，即所测样品全部合格。

6 结论

研究区苹果产地气温、降水、土质等条件以及地势上向东南方向倾斜，西北侧岩体风化产物迁移堆积使土壤中富含各种养分与微量元素，非常适合苹果的生长。产地相对于平原区背景值Hg和P元素较为贫化，As、Cd、F、Mn、Mo的元素较为富集；有效态Cu与全量Cu呈显著性相关，其余元素相关性不明显，有效Mo、有效Fe与有机质存在较好的正相关关系，有效态Zn、有效态Fe与pH存在较好的负相关关系；绝大部分有效态元素含量较高，为苹果较好地生长发育提供了保障。

按照相关标准对土壤根系土样品和灌溉水样品进行评价，可得研究区环境质量总体表现优良。对比两个地区所采苹果样品矿质元素特征，发现前者微量元素总体含量高于后者。

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A Study on Soil Environment and Geological Background

AN Yonglong， HUANG Yong， LIU Qingjun， SUN Zhao， DENG Kaiwen， LI Di， HUANG Dan
（Beijing Institute of Geo-exploration Technology， Beijing 102218）

Comprehensive study has been carried out in terms of landform， geology， and soil geochemistry in the apple production areas. Factors that may infuence the quality and productivity of apple have been analyzed，which include soil background value， elements effective state， environmental safety， and mineral elements in apple. We conclude that Changping district is located on an alluvial fan， which has advantageous temperature， humidity and rich mineral elements facilitating the growth of apple. Rich resources of mineral elements are available in this area due to excellent local geological conditions. By comparing the indexes of measured surface soil with the background values of the plain， we investigated the degrees of enrichment and depletion in relevant indexes， and revealed the relationship between several effective state elements and their total content， pH， and organic matter. It suggests that this area is characterized by low effective Mo. In addition， we compared the concentrations of mineral elements in the two apple areas to provide scientifc basis for further improving the quality of apple and add brand values.

Soil； Apple； Geological background； Available state； Suitability

S153；S662.1

A

1007-1903（2016）03-0036-08

10.3969/j.issn.1007-1903.2016.03.007

北京市土壤地质环境监测网运行项目（PXM2015-158307-000010）

安永龙（1988- ），男，硕士，从事地质学、地球化学方面的研究。E-mail：aylzfj@163.com