葡萄种植区生态地球化学特征研究

孙 朝，黄 勇，冯 辉，黄 丹，李 迪，邓凯文

（北京市地质勘察技术院，北京 102218）

葡萄是一种落叶藤本植物，降低人体血清胆固醇水平，降低血小板凝聚力，对预防心脑血管病有一定作用。同时葡萄籽富含多酚，可以护肤美容，延缓衰老，具有极高的经济价值和营养价值。农业生态环境条件优劣是影响农作物质量的主要因素之一，土壤是生态环境的重要组成部分，土壤环境质量与农产品质量的关系最为密切，只有对土壤环境进行及时有效评价，才能为生产安全无污染的果品提供有力保障。同时，充分了解土壤中肥力指标含量，及时调整施肥措施，为农作物提供良好的生长环境也是提高农作物产量质量的必要因素。通过开展本次研究，从肥力和环境两个方面系统评价了葡萄种植区土壤状况以及对农作物的影响，为当地农业发展规划提供了参考。

1 研究区概况

葡萄种植区地处盆地山前暖带，呈北东-南西向带状分布。该区地理位置优越，处于西北高东南低的山前洪积扇上，背风向阳，日照充足，雨水充裕，有利于果实中淀粉转化为糖类。土壤类型以潮土、褐土为主，土地利用类型多为耕地园地等农用地，土壤多为7.5以上的碱性土壤。区内主要河流属永定河水系。该区地层主要由新生界第四系的全新世组合马兰组组成。同时，在北部山前地带分布有太古界花岗片麻岩和长城系串岭沟组石英砂岩、高于庄组碳酸盐岩等。同时区内分布有一条正断层走向为NW320°，倾向E，倾角60°，长13km，断层破碎带宽约10km。该区域地处山前地带，土壤来源多为基岩经风化、剥蚀后形成的残坡积物，经机械搬运作用堆积在此，使得该地区土壤中微量元素的分布主要受控于成土母质。该区独特的地理位置和地质背景为葡萄生长提供了得天独厚的条件，早就了其果实饱满、多汁、酸甜适中、肉质细腻的特点。

2 材料及方法

参照《多目标区域地球化学调查规范1:25万（DD2005-01）》中的样品采集方法在研究区采集葡萄籽实样品28件、灌溉水样品14件。考虑到葡萄根系发达，是深根系树种，一般情况下，根系在土壤中分布深度为15至80cm，故分别在葡萄籽实同点位配套采集0～20cm、20～40cm、40～60cm三个层位根系土样品共计84件（图1）。

图1 样点分布图Fig.1 Sampling location in study area

土壤样品的分析测试由安徽省地质实验研究所承担，灌溉水样品的分析测试由国家地质实验测试中心承担。分析测试过程严格参照《多目标区域地球化学调查规范(1:250000)》（DD2005-01）、《生态地球化学评价样品分析方法和技术要求》（DD2005-03）、《区域生态地球化学评价样品分析技术要求补充规定》等相关技术标准执行。土壤样品分析测试项目包括镉、汞、砷、铅、铬、镍、铜、锌8项重金属元素及氟元素，土壤肥力指标有机质、全氮、有效磷、速效钾、有效硼、有效钼、有效铜、有效锌、有效铁、有效锰等。灌溉水样品的分析测试项目包括化学需氧量、氟化物、氯化物、氨氮、总磷及8项重金属等指标。通过标准参考物、实验室内部检查、密码抽查、外部检查等手段，对土壤样品分析质量进行严格监控。分析数据结果准确可靠，满足成图要求。

数据统计采用Excel2010软件完成，文中图件绘制采用MapGIS6.7软件完成。

3 环境安全性评价

3.1 土壤环境安全性评价

为了全面细致的掌握研究区土壤环境安全性，本文分别以《土壤环境质量标准（修订）》（GB15618-2008）中的pH＞7.5的相应标准、无公害食品 鲜食葡萄产地环境条件（NY5087-2002）和无公害食品 大田作物产地环境条件（NY5332-2006）3种标准分别对工区土壤重金属含量进行评价。同时考虑到葡萄属于深根作物，故葡萄产地根系土元素按照不同层位分别进行统计，并与相关标准进行对比，结果见表1。

评价结果显示，研究区采集的84件不同层位的根系土样品中重金属及氟元素的含量全部符合相关标准，不存在超标样品，表明研究区土壤环境质量状况清洁安全，可以为葡萄籽实生长提供良好的环境。

表1 葡萄作物根系土环境元素平均值统计Tab.1 Average value statistics of soil environmental elements in root system of grape crops

3.2 灌溉水安全性评价

在研究区采集了14件灌溉水样品，检测了化学需氧量（COD）、氟化物（F-）、氯化物（Cl-）、氨氮（NH3-N）、总磷（P）及八项重金属等指标。分别利用农田灌溉水质标准（GB5084-2005）、饮用水卫生标准（GB5749-2006）、地下水环境质量标准（GB/T14848-93）Ⅲ类水质标准对这些水样品进行比较与评价。结果显示，除氟化物以外，工区内各水样指标全部符合相关标准卫生要求。

氟化物超过灌溉水一般区域标准2mg/L的样点有3个，超过生活饮用水卫生标准和地下水环境质量标准三类水质限值1mg/L的样点有7个。评价结果表明在葡萄种植区内存在氟化物超标现象，超标样点空间位置见图2。

图2 灌溉水氟化物超标样点分布图Fig.2 Distribution of fluoride super standard sample point distribution in irrigation water

氟元素具有双阈性，既是人体必需元素又是导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与地氟病的分布有着密切的关系，对人体健康有一定影响，应引起高度重视（何锦等，2010；李静等，2005；周青龄，2008）。

葡萄种植区周边地下水氟超标的原因，可能与其西北部高氟区有关。调查区西北部高氟异常区的深部高氟热水通过断裂带上升补给地下水，由于调查区地势北高南低，使得高氟区内地下水氟流入葡萄种植区带高地下水氟含量（冯辉，2015）。

4 土壤肥力水平评价

进行土壤肥力评价时将能为农作物提供养分的土壤元素指标分为土壤大量养分（有机质、氮、有效磷等）、土壤微量养分（有效硼、有效钼、有效锰等）两部分，考虑到它们的重要程度不同，分别采取不同的方法进行评价。然后利用专家打分赋权重的方式进行土壤肥力综合评价。

4.1 土壤大量元素评价

土壤大量养分采用北京市土肥站对北京地区土壤大量养分肥力的分级标准和评价方法，即打分—赋权重—加权求和的方法。权重值的确定以各元素对土壤的重要性和贡献程度而定（表2），各采样点的土壤大量养分含量按照“很富足、富足、适度、缺乏、很缺乏”的5个区间分别赋给：“100、80、60、40、20”分值，进行打分。再利用公式（1）计算每个采样点的土壤综合肥力得分（C大）。最后参照表3定级标准分为高、中、低3种不同肥力等级（周国华，2003）。计算公式为：

表2 土壤肥力评价评分标准及权重值Tab.2 Evaluation criteria and weight value of soil fertility evaluation

式中：Ci表示单项指标的分值，Ii表示各单项指标的权重。

4.2 土壤微量元素评价

微量养分参评指标权重的赋值，采用中国农业大学王军艳、张凤荣等（王军艳等，2001）提出的指数和法。首先将各采样点的土壤微量养分含量按照“很富足、富足、适度、缺乏、很缺乏”的5个区间分别赋给“100、80、60、40、20”分值，然后用每个采样点各项微量养分指标的分值与其所赋予的权重计算土壤微量肥力综合分，据此得分值划分出高、中、低3种不同的肥力等级。其中，权重的计算方法是先计算单项指标之间的相关系数（表4），然后求某项指标与其他指标间相关系数的平均值，并根据该平均值与所有指标相关系数平均值绝对值总和的比值，作为该项指标在土壤微量养分肥力的权重，表5为微量养分综合分的肥力水平划分标准。

表3 大量养分定等标准Tab.3 Large quantity of nutrient criteria

表4 微量养分相关关系表Tab.4 Micronutrient correlation table

表5 微量养分定等标准Tab.5 Micronutrient standard

4.3 土壤综合肥力评价

土壤肥力的高低主要取决于大量养分，微量养分对土壤肥力的影响相对要弱些（董国政等，2004）。因此，在对调查区土壤进行综合肥力评估时，二者的权重应有所区别。我们将微量养分的权重定为0.2，大量养分定为0.8，按公式（2）计算出土壤综合肥力得分（C综合），综合肥力的分等标准见表6。

图3 葡萄种植区不同层位土壤大量养分肥力水平图Fig.3 Soil nutrient levels of different horizons in grape growing areas

图4 葡萄种植区土壤微量养分肥力水平图Fig.4 Map of soil micronutrient fertility in grape planting area

图5 葡萄种植区土壤综合肥力水平图Fig.5 Map of soil comprehensive fertility in grape planting area

表6 综合肥力定等标准Tab.6 Comprehensive fertility standard

4.4 评价结果与分析

按照上述方法计算获得的土壤大量养分、微量养分和综合肥力评价的结果见图3至图5。

评价结果显示，葡萄种植区不同层位土壤大量养分肥力水平差异较大。其中，0～20cm耕土层中土壤大量养分水平较高，以中—高肥力水平占绝对主导地位；20～40cm亚耕层中土壤大量养分水平开始逐渐降低，以中等肥力水平居多；到40～60cm心土层土壤大量养分水平进一步降低，以低等占主导地位。土壤微量养分肥力水平相差不大，都属于中—高肥力水平等级。

受不同层位土壤大量养分水平差异的影响，葡萄种植区土壤综合肥力水平差异性较大，具有从表层到深层肥力水平逐渐下降的趋势。通过调查走访了解到，该地区农民施肥深度普遍在0～20cm层位，因此使得表层土壤中肥力水平相对较高。而葡萄作为一种深根植物，其根系深度普遍在20～60cm处，而这一区域的土壤肥力却呈现出逐渐下降的趋势，因此，为进一步提高土壤肥力水平，建议施肥时适当加大深度。

5 葡萄籽实品质评价

5.1 葡萄籽实安全性评价

对采集的葡萄籽实样品采用《无公害果品 红地球葡萄》（DB13T/861-2007）标准进行安全性评价，评价结果见表7。28件葡萄籽实样品的四项卫生指标的含量全部符合标准，合格率达100%，且含量远远低于限量值，属于安全食品。

表7 葡萄籽实安全性统计表Tab.7 Safety Statistics of grape

5.2 葡萄矿质元素评价

本次调查还分析测试了葡萄籽实中微量元素的含量，利用获得的数据与山东大泽山葡萄中矿质营养元素含量进行对比（刘昌岭等，2006），发现研究区葡萄果实中富含硼（B）、铁（Fe）、钼（Mo）等营养矿质元素，同时氟（F）元素的含量也高于大泽山葡萄。推测研究区灌溉水中的高氟可能一定程度进入了葡萄中，使得葡萄籽实中的氟元素含量高出大泽山葡萄一倍以上（图6）。

图6 不同地区葡萄营养元素含量对比图Fig.6 Comparison of nutrient contents of grape in different regions

6 结论

（1）葡萄种植区土壤环境质量较为清洁，F、As、Cd、Hg、Pb、Cu、Zn、Cr、Ni等有害元素含量低于相关标准。

（2）葡萄种植区部分灌溉水样品存在氟元素超标现象，其原因可能是由于西北部高氟异常区的深部高氟热水通过断裂带上升补给地下水造成的。

（3）葡萄种植区土壤肥力水平具有随深度的增加而逐渐降低的特点，建议在今后的施肥过程中，改变施肥方式，加大施肥深度，有效施肥。

（4）葡萄种植区葡萄籽实富含硼（B）、铁（Fe）、钼（Mo）等营养矿质元素，同时氟（F）元素的含量也高于其他产地的葡萄。