葡萄種植區(qū)生態(tài)地球化學(xué)特征研究

孫 朝，黃 勇，馮 輝，黃 丹，李 迪，鄧凱文

（北京市地質(zhì)勘察技術(shù)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(duì)預(yù)防心腦血管病有一定作用。同時(shí)葡萄籽富含多酚，可以護(hù)膚美容，延緩衰老，具有極高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和營養(yǎng)價(jià)值。農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境條件優(yōu)劣是影響農(nóng)作物質(zhì)量的主要因素之一，土壤是生態(tài)環(huán)境的重要組成部分，土壤環(huán)境質(zhì)量與農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)系最為密切，只有對(duì)土壤環(huán)境進(jìn)行及時(shí)有效評(píng)價(jià)，才能為生產(chǎn)安全無污染的果品提供有力保障。同時(shí)，充分了解土壤中肥力指標(biāo)含量，及時(shí)調(diào)整施肥措施，為農(nóng)作物提供良好的生長環(huán)境也是提高農(nóng)作物產(chǎn)量質(zhì)量的必要因素。通過開展本次研究，從肥力和環(huán)境兩個(gè)方面系統(tǒng)評(píng)價(jià)了葡萄種植區(qū)土壤狀況以及對(duì)農(nóng)作物的影響，為當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)發(fā)展規(guī)劃提供了參考。

1 研究區(qū)概況

葡萄種植區(qū)地處盆地山前暖帶，呈北東-南西向帶狀分布。該區(qū)地理位置優(yōu)越，處于西北高東南低的山前洪積扇上，背風(fēng)向陽，日照充足，雨水充裕，有利于果實(shí)中淀粉轉(zhuǎn)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(nóng)用地，土壤多為7.5以上的堿性土壤。區(qū)內(nèi)主要河流屬永定河水系。該區(qū)地層主要由新生界第四系的全新世組合馬蘭組組成。同時(shí)，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(shí)區(qū)內(nèi)分布有一條正斷層走向?yàn)镹W320°，傾向E，傾角60°，長13km，斷層破碎帶寬約10km。該區(qū)域地處山前地帶，土壤來源多為基巖經(jīng)風(fēng)化、剝蝕后形成的殘坡積物，經(jīng)機(jī)械搬運(yùn)作用堆積在此，使得該地區(qū)土壤中微量元素的分布主要受控于成土母質(zhì)。該區(qū)獨(dú)特的地理位置和地質(zhì)背景為葡萄生長提供了得天獨(dú)厚的條件，早就了其果實(shí)飽滿、多汁、酸甜適中、肉質(zhì)細(xì)膩的特點(diǎn)。

2 材料及方法

參照《多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查規(guī)范1:25萬（DD2005-01）》中的樣品采集方法在研究區(qū)采集葡萄籽實(shí)樣品28件、灌溉水樣品14件?？紤]到葡萄根系發(fā)達(dá)，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(shí)同點(diǎn)位配套采集0～20cm、20～40cm、40～60cm三個(gè)層位根系土樣品共計(jì)84件（圖1）。

圖1 樣點(diǎn)分布圖Fig.1 Sampling location in study area

土壤樣品的分析測(cè)試由安徽省地質(zhì)實(shí)驗(yàn)研究所承擔(dān)，灌溉水樣品的分析測(cè)試由國家地質(zhì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試中心承擔(dān)。分析測(cè)試過程嚴(yán)格參照《多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查規(guī)范(1:250000)》（DD2005-01）、《生態(tài)地球化學(xué)評(píng)價(jià)樣品分析方法和技術(shù)要求》（DD2005-03）、《區(qū)域生態(tài)地球化學(xué)評(píng)價(jià)樣品分析技術(shù)要求補(bǔ)充規(guī)定》等相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。土壤樣品分析測(cè)試項(xiàng)目包括鎘、汞、砷、鉛、鉻、鎳、銅、鋅8項(xiàng)重金屬元素及氟元素，土壤肥力指標(biāo)有機(jī)質(zhì)、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(cè)試項(xiàng)目包括化學(xué)需氧量、氟化物、氯化物、氨氮、總磷及8項(xiàng)重金屬等指標(biāo)。通過標(biāo)準(zhǔn)參考物、實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部檢查、密碼抽查、外部檢查等手段，對(duì)土壤樣品分析質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格監(jiān)控。分析數(shù)據(jù)結(jié)果準(zhǔn)確可靠，滿足成圖要求。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)采用Excel2010軟件完成，文中圖件繪制采用MapGIS6.7軟件完成。

3 環(huán)境安全性評(píng)價(jià)

3.1 土壤環(huán)境安全性評(píng)價(jià)

為了全面細(xì)致的掌握研究區(qū)土壤環(huán)境安全性，本文分別以《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（修訂）》（GB15618-2008）中的pH＞7.5的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)、無公害食品 鮮食葡萄產(chǎn)地環(huán)境條件（NY5087-2002）和無公害食品 大田作物產(chǎn)地環(huán)境條件（NY5332-2006）3種標(biāo)準(zhǔn)分別對(duì)工區(qū)土壤重金屬含量進(jìn)行評(píng)價(jià)。同時(shí)考慮到葡萄屬于深根作物，故葡萄產(chǎn)地根系土元素按照不同層位分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見表1。

評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，研究區(qū)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(guān)標(biāo)準(zhǔn)，不存在超標(biāo)樣品，表明研究區(qū)土壤環(huán)境質(zhì)量狀況清潔安全，可以為葡萄籽實(shí)生長提供良好的環(huán)境。

表1 葡萄作物根系土環(huán)境元素平均值統(tǒng)計(jì)Tab.1 Average value statistics of soil environmental elements in root system of grape crops

3.2 灌溉水安全性評(píng)價(jià)

在研究區(qū)采集了14件灌溉水樣品，檢測(cè)了化學(xué)需氧量（COD）、氟化物（F-）、氯化物（Cl-）、氨氮（NH3-N）、總磷（P）及八項(xiàng)重金屬等指標(biāo)。分別利用農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（GB5084-2005）、飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)（GB5749-2006）、地下水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB/T14848-93）Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)這些水樣品進(jìn)行比較與評(píng)價(jià)。結(jié)果顯示，除氟化物以外，工區(qū)內(nèi)各水樣指標(biāo)全部符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)衛(wèi)生要求。

氟化物超過灌溉水一般區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)2mg/L的樣點(diǎn)有3個(gè)，超過生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)和地下水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)三類水質(zhì)限值1mg/L的樣點(diǎn)有7個(gè)。評(píng)價(jià)結(jié)果表明在葡萄種植區(qū)內(nèi)存在氟化物超標(biāo)現(xiàn)象，超標(biāo)樣點(diǎn)空間位置見圖2。

圖2 灌溉水氟化物超標(biāo)樣點(diǎn)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(dǎo)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(guān)系，對(duì)人體健康有一定影響，應(yīng)引起高度重視（何錦等，2010；李靜等，2005；周青齡，2008）。

葡萄種植區(qū)周邊地下水氟超標(biāo)的原因，可能與其西北部高氟區(qū)有關(guān)。調(diào)查區(qū)西北部高氟異常區(qū)的深部高氟熱水通過斷裂帶上升補(bǔ)給地下水，由于調(diào)查區(qū)地勢(shì)北高南低，使得高氟區(qū)內(nèi)地下水氟流入葡萄種植區(qū)帶高地下水氟含量（馮輝，2015）。

4 土壤肥力水平評(píng)價(jià)

進(jìn)行土壤肥力評(píng)價(jià)時(shí)將能為農(nóng)作物提供養(yǎng)分的土壤元素指標(biāo)分為土壤大量養(yǎng)分（有機(jī)質(zhì)、氮、有效磷等）、土壤微量養(yǎng)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(jìn)行評(píng)價(jià)。然后利用專家打分賦權(quán)重的方式進(jìn)行土壤肥力綜合評(píng)價(jià)。

4.1 土壤大量元素評(píng)價(jià)

土壤大量養(yǎng)分采用北京市土肥站對(duì)北京地區(qū)土壤大量養(yǎng)分肥力的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)價(jià)方法，即打分—賦權(quán)重—加權(quán)求和的方法。權(quán)重值的確定以各元素對(duì)土壤的重要性和貢獻(xiàn)程度而定（表2），各采樣點(diǎn)的土壤大量養(yǎng)分含量按照“很富足、富足、適度、缺乏、很缺乏”的5個(gè)區(qū)間分別賦給：“100、80、60、40、20”分值，進(jìn)行打分。再利用公式（1）計(jì)算每個(gè)采樣點(diǎn)的土壤綜合肥力得分（C大）。最后參照表3定級(jí)標(biāo)準(zhǔn)分為高、中、低3種不同肥力等級(jí)（周國華，2003）。計(jì)算公式為：

表2 土壤肥力評(píng)價(jià)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)及權(quán)重值Tab.2 Evaluation criteria and weight value of soil fertility evaluation

式中：Ci表示單項(xiàng)指標(biāo)的分值，Ii表示各單項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重。

4.2 土壤微量元素評(píng)價(jià)

微量養(yǎng)分參評(píng)指標(biāo)權(quán)重的賦值，采用中國農(nóng)業(yè)大學(xué)王軍艷、張鳳榮等（王軍艷等，2001）提出的指數(shù)和法。首先將各采樣點(diǎn)的土壤微量養(yǎng)分含量按照“很富足、富足、適度、缺乏、很缺乏”的5個(gè)區(qū)間分別賦給“100、80、60、40、20”分值，然后用每個(gè)采樣點(diǎn)各項(xiàng)微量養(yǎng)分指標(biāo)的分值與其所賦予的權(quán)重計(jì)算土壤微量肥力綜合分，據(jù)此得分值劃分出高、中、低3種不同的肥力等級(jí)。其中，權(quán)重的計(jì)算方法是先計(jì)算單項(xiàng)指標(biāo)之間的相關(guān)系數(shù)（表4），然后求某項(xiàng)指標(biāo)與其他指標(biāo)間相關(guān)系數(shù)的平均值，并根據(jù)該平均值與所有指標(biāo)相關(guān)系數(shù)平均值絕對(duì)值總和的比值，作為該項(xiàng)指標(biāo)在土壤微量養(yǎng)分肥力的權(quán)重，表5為微量養(yǎng)分綜合分的肥力水平劃分標(biāo)準(zhǔn)。

表3 大量養(yǎng)分定等標(biāo)準(zhǔn)Tab.3 Large quantity of nutrient criteria

表4 微量養(yǎng)分相關(guān)關(guān)系表Tab.4 Micronutrient correlation table

表5 微量養(yǎng)分定等標(biāo)準(zhǔn)Tab.5 Micronutrient standard

4.3 土壤綜合肥力評(píng)價(jià)

土壤肥力的高低主要取決于大量養(yǎng)分，微量養(yǎng)分對(duì)土壤肥力的影響相對(duì)要弱些（董國政等，2004）。因此，在對(duì)調(diào)查區(qū)土壤進(jìn)行綜合肥力評(píng)估時(shí)，二者的權(quán)重應(yīng)有所區(qū)別。我們將微量養(yǎng)分的權(quán)重定為0.2，大量養(yǎng)分定為0.8，按公式（2）計(jì)算出土壤綜合肥力得分（C綜合），綜合肥力的分等標(biāo)準(zhǔn)見表6。

圖3 葡萄種植區(qū)不同層位土壤大量養(yǎng)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(qū)土壤微量養(yǎng)分肥力水平圖Fig.4 Map of soil micronutrient fertility in grape planting area

圖5 葡萄種植區(qū)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(biāo)準(zhǔn)Tab.6 Comprehensive fertility standard

4.4 評(píng)價(jià)結(jié)果與分析

按照上述方法計(jì)算獲得的土壤大量養(yǎng)分、微量養(yǎng)分和綜合肥力評(píng)價(jià)的結(jié)果見圖3至圖5。

評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，葡萄種植區(qū)不同層位土壤大量養(yǎng)分肥力水平差異較大。其中，0～20cm耕土層中土壤大量養(yǎng)分水平較高，以中—高肥力水平占絕對(duì)主導(dǎo)地位；20～40cm亞耕層中土壤大量養(yǎng)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(yǎng)分水平進(jìn)一步降低，以低等占主導(dǎo)地位。土壤微量養(yǎng)分肥力水平相差不大，都屬于中—高肥力水平等級(jí)。

受不同層位土壤大量養(yǎng)分水平差異的影響，葡萄種植區(qū)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(shì)。通過調(diào)查走訪了解到，該地區(qū)農(nóng)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(duì)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(qū)域的土壤肥力卻呈現(xiàn)出逐漸下降的趨勢(shì)，因此，為進(jìn)一步提高土壤肥力水平，建議施肥時(shí)適當(dāng)加大深度。

5 葡萄籽實(shí)品質(zhì)評(píng)價(jià)

5.1 葡萄籽實(shí)安全性評(píng)價(jià)

對(duì)采集的葡萄籽實(shí)樣品采用《無公害果品 紅地球葡萄》（DB13T/861-2007）標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行安全性評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果見表7。28件葡萄籽實(shí)樣品的四項(xiàng)衛(wèi)生指標(biāo)的含量全部符合標(biāo)準(zhǔn)，合格率達(dá)100%，且含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于限量值，屬于安全食品。

表7 葡萄籽實(shí)安全性統(tǒng)計(jì)表Tab.7 Safety Statistics of grape

5.2 葡萄礦質(zhì)元素評(píng)價(jià)

本次調(diào)查還分析測(cè)試了葡萄籽實(shí)中微量元素的含量，利用獲得的數(shù)據(jù)與山東大澤山葡萄中礦質(zhì)營養(yǎng)元素含量進(jìn)行對(duì)比（劉昌嶺等，2006），發(fā)現(xiàn)研究區(qū)葡萄果實(shí)中富含硼（B）、鐵（Fe）、鉬（Mo）等營養(yǎng)礦質(zhì)元素，同時(shí)氟（F）元素的含量也高于大澤山葡萄。推測(cè)研究區(qū)灌溉水中的高氟可能一定程度進(jìn)入了葡萄中，使得葡萄籽實(shí)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(qū)葡萄營養(yǎng)元素含量對(duì)比圖Fig.6 Comparison of nutrient contents of grape in different regions

6 結(jié)論

（1）葡萄種植區(qū)土壤環(huán)境質(zhì)量較為清潔，F(xiàn)、As、Cd、Hg、Pb、Cu、Zn、Cr、Ni等有害元素含量低于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

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

（3）葡萄種植區(qū)土壤肥力水平具有隨深度的增加而逐漸降低的特點(diǎn)，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(qū)葡萄籽實(shí)富含硼（B）、鐵（Fe）、鉬（Mo）等營養(yǎng)礦質(zhì)元素，同時(shí)氟（F）元素的含量也高于其他產(chǎn)地的葡萄。