甘肃省嘉峪关市酿酒葡萄园土壤重金属空间分布特征及风险评价

杨博，张波*，闫培洁，王莹捷，吴娟弟，张瑜，韩舜愈

（1.甘肃农业大学食品科学与工程学院/甘肃省葡萄与葡萄酒工程学重点实验室/甘肃省葡萄与葡萄酒产业技术研发中心，兰州 730070；2.甘肃农业大学资源与环境学院，兰州 730070）

近年来，随着工业化进程的发展和城市化建设的加快，环境污染问题日益凸显，其中土壤污染物具有危害周期长、隐蔽性强、毒性大和不被微生物降解，以及易于累积、循环和迁移等特点，对区域生态产生严重影响，特别是重金属的富集还会对动植物及人类健康产生巨大危害，因而已成为各国政府和科研机构广泛关注的焦点[1]。

为解决土壤重金属污染这一全球性难题，世界各国都基于本国国情制定或出台了相应的污染防治措施[2-4]，建立了较为完备的土壤污染监管体系，并开展了大量的环境监测工作，力求从其检测方法[5]、含量特征[6]、分布规律[7]、来源解析[1]和迁移状况[8]等方面进行广泛而深入的研究。我国的环境监测虽起步较晚，但是经过了30 多年的发展，也已建立起较健全的土壤重金属污染监测管理体系，并相继发布多项法律来规范和治理土壤污染问题[9]。同时，随着研究的深入，近年来，国内外对土壤重金属污染研究的重心逐渐从主要工业城市向城市周边区域扩展，其中耕地、林地等农业用地更是研究的热点，通过借助遥感、卫星监测等技术手段，使得土壤重金属污染防控更加广泛和精确[10]。此外，伴随着监测方式的发展，借助统计学方法及构建数学分析模型来评价污染风险也逐步普及，包括单因子指数法[11]、内梅罗综合污染指数法[12]、地累积指数法[13]和潜在生态危害指数法[7]等，通过对研究区域重金属污染特征、生态环境效应、土壤污染动态模拟与预测的分析，对准确评估土壤重金属污染状况、风险累积和治理防治具有重要意义[14-15]。

甘肃省嘉峪关市具有充足的日照和便利的灌溉条件，为当地葡萄种植提供了得天独厚的发展资源，已成为我国河西走廊酿酒葡萄产区的重要组成部分[16]。但嘉峪关市也是我国西部的一个新兴工业化城市，其发展模式相对粗放，工业排放物易通过粉尘、溶胶、地表水径流和地下水渗流等进入土壤，使当地的环境问题也日益显现[17]。通过文献检索发现，目前，大多数报道主要集中在研究工矿区的土壤环境质量情况，而对城郊农用土壤重金属污染问题的研究却少见报道，尤其是对甘肃省嘉峪关市主要酿酒葡萄园土壤重金属分布及污染情况的文献还未见报道。因此，本试验以甘肃省嘉峪关市酿酒葡萄种植园地为研究区，通过对园地内土壤中铜（Cu）、锌（Zn）、铬（Cr）、镍（Ni）、铅（Pb）、砷（As）、镉（Cd）和汞（Hg）等8种重金属元素含量进行测定，并分析其重金属的空间分布、污染特征以及来源情况，评价其重金属元素的污染水平及潜在生态风险程度，以期为当地酿酒葡萄园土壤重金属污染防治、葡萄科学种植和葡萄酒安全生产提供一定的数据参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本试验以甘肃省嘉峪关市酿酒葡萄种植基地（39°50′—39°55′N，98°21′—98°25′E）为研究区，总面积约为1 900 hm2，位于嘉峪关市东北部，为典型的温带大陆性荒漠气候区，夏季炎热少雨，冬季寒冷干燥；年均气温在6.70～7.70 ℃之间，昼夜温差大；年均日照时数3 000 h，光照充足；年均降水量85.30 mm，年均蒸发量2 149 mm。研究区内酿酒葡萄种植园地以戈壁砂砾土壤为主，主栽葡萄品种有美乐、黑比诺和北冰红等，不仅可满足当地葡萄酒加工企业的生产需要，部分还可供应周边酒厂进行生产酿造。

1.2 样品采集与处理

采样时间为2019 年9 月17 日。采集土壤样品时，结合当地实际酿酒葡萄种植面积，对连片化程度较大的区域进行较高密度采样，同时也考虑到当地有部分种植区域经人为调整后未进行酿酒葡萄种植的实际情况，如图1 所示，按照《土壤环境监测技术规范》（HJ/T 166—2004）对研究区采用系统-随机布点法进行监测点位布设和样品采集[18]，并运用手持式定位系统准确定位并标注每个采样点的经纬度坐标，平均每4/3 hm2设置一个采样点，在设点的葡萄架下采用“S”形分别布设10 个土壤样品（每个子样品质量约0.10 kg），然后将子样品充分混合为1.00 kg 左右。共采集到32 个表层（0～20 cm）土壤样品，除去各种杂物后，放入聚乙烯密封袋保存。后期的样品处理方法参照《土壤检测第1部分：土壤样品的采集、处理和贮存》（NY/T 1121.1—2006）[19]执行。

图1 嘉峪关市酿酒葡萄园采样点分布图Fig.1 Distribution map of sampling points in wine-making vineyards of Jiayuguan City

1.3 试剂、仪器与设备

试剂：盐酸、浓硝酸、氢氟酸、高氯酸（均为优级纯）；镉标准溶液（参考王天顺等[20]的配置方法）。

仪器与设备：PHS-3C 型pH 计，上海雷磁仪器有限公司；ZSX PRIMUS 2 型波长色散X 荧光光谱仪，日本Rigaku公司；MA-3000型全自动测汞仪，日本NIC 公司；PinAAcle 900 型石墨炉原子吸收光谱仪，美国PE公司。

1.4 土壤样品测定

土壤pH和有机质含量分别采用NY/T 1377—2007[21]和NY/T 1121.6—2006[22]中的方法进行测定。

土壤As、Cu、Pb、Cr、Zn、Ni 元素含量参照邓述培等[23]的方法，使用波长色散X 荧光光谱仪进行测定；Hg 元素含量参照王天顺等[24]的方法，使用全自动测汞仪进行测定；Cd 元素含量参照王天顺等[20]的方法，使用石墨炉原子吸收光谱仪进行测定。在上述元素测定过程中以土壤标准物质GSS-23、GSS-25、GSS-33为质量控制样品进行同步测试，且每批次插入不少于10%的质量控制样品，以确保分析过程的准确度和精密度。结果显示，质量控制样品的回收率介于74%～123%之间，平行样测定的相对标准偏差为0～12%。

1.5 土壤重金属污染评价

地质累积指数（Igeo）计算公式如下：

式中：Ci是重金属元素i的实测质量分数，mg/kg；Bi是相应重金属元素i的地球化学背景值（本文所用背景值为甘肃省土壤元素背景值）[25]；k是为考虑各地岩石差异可能会引起背景值的变动而取的系数（一般k取值为1.5）[26]。

Igeo污染水平的分级标准如下：Igeo≤0为无污染，0＜Igeo≤1为轻度污染，1＜Igeo≤2为中度污染，2＜Igeo≤3为中强度污染，3＜Igeo≤4为强污染，4＜Igeo≤5为高强污染，Igeo＞5为极强污染。

土壤中多种重金属潜在生态风险指数（RI）计算公式如下：

式中：为单个重金属潜在生态风险系数为不同重金属生物毒性响应系数[7,26]（Cd 为30，Cu、Ni 和Pb 均为5，Zn 为1，Cr 为2，As 为10，Hg 为40）；为重金属i的单项污染系数；Ci为重金属i的实测质量分数，mg/kg为重金属i的土壤背景值，mg/kg。

和RI 的风险等级标准如下：＜40 或RI＜150 为轻度风险，40≤＜80 或150≤RI＜300 为中等风险，80≤＜160 或300≤RI＜600 为较强风险，160≤＜320 或600≤RI＜1 200 为很强风险，≥320或RI≥1 200为极强风险。

1.6 数据统计与分析

采用Excel 2010、Origin 2018 和ArcGIS 10.6 软件对试验所得数据进行基本处理和作图，使用SPSS 20.0 软件对样品数据进行描述性统计和多因素方差分析（邓肯法，P＜0.05），并对测定的土壤中重金属含量数据进行相关性分析、主成分分析和聚类分析。

2 结果与分析

2.1 葡萄园土壤基本化学指标统计描述

通过测定该研究区土壤pH 及有机质含量（表1）可知，酿酒葡萄园区的土壤pH 为7.33～7.81，属弱碱性土壤；含有机质均值为9.38 g/kg，参照全国第2 次土壤普查养分等级划分标准[27]，其质量分数在6.00～20.00 g/kg之间，属有机质较缺乏的土壤。通过计算各基本化学指标的变异系数可以看到，研究区酿酒葡萄园地土壤受人为活动影响的程度较小（变异系数＜10%），主要受自然因素影响。

表1 酿酒葡萄园土壤基本化学指标统计结果Table 1 Statistical results of basic chemical indexes in the wine-making vineyard soil

2.2 葡萄园土壤重金属含量特征

研究区酿酒葡萄园土壤重金属元素含量如表2所示，各元素质量分数的变幅分别为16.82～29.25 mg/kg（Cu）、43.26～65.59 mg/kg（Zn）、75.58～123.20 mg/kg（Cr）、0.06～0.10 mg/kg（Cd）、23.95～37.32 mg/kg（Ni）、14.00～19.24 mg/kg（Pb）、6.05～10.81 mg/kg（As）与0.005～0.010 mg/kg（Hg）。与甘肃省土壤元素背景值比较发现，上述重金属元素的均值除Cr 外，其他均未超过参考地的土壤背景值，表明研究区酿酒葡萄园中的Cu、Zn、Cd、Ni、Pb、As和Hg在当地的富集程度较低。而Cr 的平均含量是当地土壤背景值的1.41倍，表明该元素在本区域内已有积累的迹象。但与《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB 15618—2018）中的风险筛选值（pH＞7.5）相比，研究区土壤中的Cr 元素含量还未超过相应的土壤污染风险筛选值。另外，由各重金属的变异系数可以看出，研究区土壤中Cu、Zn、Cr、Cd、Ni、As和Hg的变异系数在11.72%～18.21%之间，属于中等变异程度，表明上述元素在空间上有明显的差异性，受人为活动的影响较大。

表2 酿酒葡萄园土壤重金属含量统计结果Table 2 Statistical results of heavy metal contents of the wine-making vineyard soil

2.3 葡萄园地土壤重金属空间分布特征

为充分了解嘉峪关市酿酒葡萄园地土壤重金属含量的空间分布规律，利用ArcGIS 10.6软件进行普通克里格插值分析。结果（图2）表明，不同区域的8 种重金属元素含量的空间分布差异较为明显。除Cd 外，各元素含量均呈现一定的空间分布规律，且含量较高的区域主要分布于试验园地的西南部，其中Cr 元素含量的空间分布范围最大（75.58～123.20 mg/kg）。结合当地的实际情况可知，本试验高值区主要位于靠近嘉峪关工业区、酒泉钢铁集团的东北部，以及西南部的下庄、横沟和任家村附近，低值区主要位于园区东北（Cu、Zn、Ni、Hg 和As）和西北部（Cr 和Pb）。说明工业生产及居民生活等人为活动对酿酒葡萄园土壤重金属空间分布有较大的影响。然而，Cd与其他7种重金属元素的分布都不相同，其含量空间分布较为均匀（0.062～0.102 mg/kg），高值区零星出现在研究区北部和南部的个别采样点。

图2 酿酒葡萄园土壤重金属含量空间分布Fig.2 Spatial distribution of heavy metal contents of the wine-making vineyard soil

2.4 葡萄园土壤重金属来源分析

2.4.1 葡萄园土壤重金属及化学指标的相关性分析

采用皮尔逊相关分析对研究区8种重金属进行源解析，结果如表3所示。区域内的Cu、As、Pb、Hg、Zn、Cr和Ni之间相关系数较高（P＜0.01），说明这些重金属在特定土壤环境中存在相互联系，显示出很强的同源性。Hg和Cr之间、Ni和Cd之间呈中度相关（P＜0.05），表明同源的概率较大。而Cd 和Pb、As、Cu、Cr 和Hg 的相关性较低（P＞0.05），说明Cd和其他元素来源可能不同。此外，结合研究区土壤pH和有机质含量，发现pH与Ni、Cu、Hg、As及有机质的相关系数在0.01水平下呈极显著负相关，与Zn和Pb呈显著负相关（P＜0.05），说明土壤pH对以上6种重金属活性有很大影响。研究表明，土壤pH降低可增加土壤中重金属的溶解度，从而加快重金属元素各形态在土壤中的相互转化[28]，如土壤中Zn主要以Zn2＋的形式存在，且随pH的升高，其浓度逐渐降低[29]，推测这可能是嘉峪关市酿酒葡萄园地土壤中Zn含量较低的原因之一。而对于有机质，表3数据显示，其与Hg呈显著正相关（P＜0.05），而与其他7 种重金属之间均无显著相关性（P＞0.05），说明有机质对Hg和其他7种重金属的影响不同，这可能与土壤有机质和不同重金属相互作用的复杂性有关，其具体原因还有待进一步研究。

表3 酿酒葡萄园土壤重金属及化学指标的相关性分析Table 3 Correlation analysis of heavy metals and chemical indexes in the wine-making vineyard soil

2.4.2 葡萄园土壤重金属的主成分分析和聚类分析

采用主成分分析和聚类分析方法对土壤重金属元素之间的来源和联系进行判别。由表4和图3A可以看出，8种元素被判识为3种主成分，其中Cu、As、Hg、Zn、Ni 和Pb 为主成分1（principal component 1,PC1）；Cr和Cd分别为PC2和PC3，且累计解释了总方差的91.56%，可基本反映原始数据的变异信息。聚类分析（图3B）亦将8种重金属分为3类，分别对应上述各主成分，进一步验证了主成分分析的结果。

图3 土壤重金属元素因子载荷图（A）和聚类分析图（B）Fig.3 Factor loading diagram(A)and cluster analysis diagram(B)of different soil heavy metal elements

由表4 还可以看出，PC1 与Cu、As、Hg、Zn、Ni和Pb 显著相关（载荷系数分别为0.94、0.91、0.86、0.86、0.83 和0.81）。根据研究区上述重金属的含量分布特征，我们认为此类成分可能主要来源于土壤母质影响下的自然环境。PC2 中Cr 平均含量由于高出甘肃省土壤背景值0.41 倍（载荷系数0.96），因此，可初步认为该成分可能来源于人类活动。而PC3中尽管其与Cd存在显著相关（载荷系数0.98），但本研究区土壤中Cd 平均含量低于相应的土壤元素背景值，且与PC1 有不同的分类，所以关于该类成分的来源还需进一步研究。

表4 酿酒葡萄园土壤重金属主成分分析结果Table 4 Results of principal component analysis of heavy metals in the wine-making vineyard soil

2.5 葡萄园土壤重金属污染评价

嘉峪关市酿酒葡萄园土壤重金属的地累积指数（Igeo）和潜在生态风险单项系数（Eir）的分布情况如图4所示。研究区内有部分采样点中Cr的Igeo在0～1之间，根据Igeo污染分级标准，表明该区域可能已受到Cr 轻度污染，且Cr 达到轻度污染水平的样点占总数的18.75%。而结合Eir和RI风险等级标准进一步分析发现，研究区域内土壤中8 种重金属元素均已表现出轻微生态风险，且Cd和Hg对RI的贡献率之和高达60.81%，说明二者是嘉峪关市酿酒葡萄园中主要的生态风险因子。总体来看，嘉峪关市酿酒葡萄园土壤重金属污染水平和潜在生态风险程度还处于较低水平。

图4 土壤重金属地累积指数（A）和潜在生态风险系数（B）Fig.4 Geo-accumulation index(A)and potential ecological risk coefficient(B)of soil heavy metals

3 讨论

为保证嘉峪关市土壤环境安全，确保酿酒葡萄和葡萄酒品质，通过对土壤重金属元素含量的区域划分，可为酿酒葡萄小产区的科学种植提供数据参考。本试验对甘肃省嘉峪关市酿酒葡萄园土壤重金属元素含量进行了分析，结果表明，本研究区土壤中Cr 的来源受人为活动影响较大，同时，运用地累积指数评价研究区土壤重金属的污染程度发现，仅Cr 表现为轻度污染。近年来，也有研究发现，嘉峪关市工业区、钢铁厂周边采样点的重金属元素Cr、Cd、Cu、Pb、Ni、Zn 平均质量分数分别为507.60、0.42、61.14、64.94、139.90、241.80 mg/kg，其含量均高于甘肃省土壤元素背景值（尤其是Cr）[30]。Cr 及其化合物是工厂生产过程中常用的工业原料，主要用于金属加工、冶金和电镀等行业[31]，如Cr6＋是电镀行业产生的典型重金属污染物[32]。调查发现，嘉峪关市有以炼钢为主的冶金工厂，以生产Cr化合物为主的化工部门和生产钢材、石料为主的重工业部门等。而本研究Cr 受轻度污染的采样点分布于研究区西南部，其原因可能与位于葡萄园区东北部的嘉峪关工业区、酒泉钢铁集团以及西南部的下庄、横沟和任家村等较为密集的居民村庄有关。一方面，这些工业区和钢铁厂会排放大量含Cr 等重金属的污染物，其中粉尘等易通过外力作用扩散到周边土壤中；另一方面，附近的居民在冬季取暖时使用煤炭产生的废渣，以及家畜养殖过程中排放的养殖废水等人为活动的影响，使周边重金属含量增加。因此，推断Cr的来源主要是以钢铁工业为主的工业源和农业活动源复合影响的结果。

农用地土壤中Ni 通常被认为是天然来源的标志元素，主要来源于土壤母岩[29,33]。结合本研究发现，该区土壤中Ni、Cu、As、Hg、Zn 和Pb 等6 种元素的含量均接近（或低于）相应的土壤背景值，推测其主要来源于土壤母质。另外，评价研究区土壤生态风险时发现，土壤中Cd 是主要的生态风险因子，这与潘佳颖等[7]的研究结果相吻合。同时，研究发现，葡萄植株对土壤中Cd的吸收能力较强[34]，农业土壤中Cd含量的增加主要由农业活动造成，如使用含重金属污染的灌溉水和肥料等[35]，另外，汽车轮胎磨损及尾气排放也会产生Cd[30]。这可能与该区土壤中Cd是主要的生态风险因子有关，但其具体原因还需进一步探究。

针对目前嘉峪关市工业园区土壤重金属污染的现状，相关部门应加大嘉峪关市酿酒葡萄园以及其他农田土壤中Cr 和Cd 等重金属的污染监管力度，加强工厂污染物排放和生活垃圾堆放地管理，并对炼制后的残渣尽快采取固化等处理措施。此外，有研究表明，土壤中重金属和有机质具有较强的络合能力[36]，结合嘉峪关市酿酒葡萄园土壤有机质缺乏的实际情况，在后期管理中可通过增加土壤有机质来缓解土壤重金属污染。也有文献显示，钢铁生产过程中释放的重金属颗粒易通过大气扩散和沉降积累在土壤表面[37]，因此，在工业城市中可以通过提高戈壁地区的植被覆盖率以阻隔重金属颗粒物的运移[30]，以及对工厂的废水经处理达标后再排放等措施，有效控制重金属富集，进而保障嘉峪关市酿酒葡萄园良好的土壤环境质量。

4 结论

本试验对甘肃省嘉峪关市酿酒葡萄园土壤重金属空间分布特征及其风险评价进行了研究，结果表明：

1）研究区酿酒葡萄园土壤呈弱碱性，有机质较为缺乏。对Cu、Zn、Cr、Cd、Ni、Pb、As 和Hg 等8 种重金属元素含量分析发现，上述元素在空间分布上有明显差异，且Cr 元素在研究区内已有积累的迹象。

2）进一步对重金属空间分布特征分析发现，除Cd 外，各元素含量呈现一定的空间分布规律，其高值区主要位于嘉峪关工业区、酒泉钢铁集团的东北部，以及西南部的下庄、横沟和任家村附近。

3）相关性分析、主成分分析和聚类分析结果表明，Cu、As、Ni、Pb、Zn和Hg等元素来源可能受土壤母质因素的影响，Cr元素主要与以钢铁工业为主的工业源和农业活动源的复合影响有关。

4）地累积指数评价结果表明，Cr在研究区已呈现轻度污染。依据Eir和RI 风险等级标准进一步分析发现，研究区域内土壤中8 种重金属元素均呈现轻微生态风险，且Cd 和Hg 是当地酿酒葡萄园的主要生态风险因子。因此，建议在今后的酿酒葡萄栽培过程中，应追根溯源，加强超标重金属的污染防控和治理，并合理耕作，以提高当地土壤环境质量，为酿酒葡萄的科学种植和葡萄酒安全生产提供保障。