蘋果產地土壤環境與地質背景研究

安永龍，黃 勇，劉清俊，孫 朝，鄧凱文，李 迪，黃 丹

（北京市地質勘察技術院，北京 102218）

蘋果產地土壤環境與地質背景研究

安永龍，黃 勇，劉清俊，孫 朝，鄧凱文，李 迪，黃 丹

（北京市地質勘察技術院，北京 102218）

通過對蘋果產地的地貌、地質以及土壤地球化學特征等方面的研究，分析了可能影響蘋果品質和產量的因素——土壤背景值、元素有效態、環境安全性、蘋果礦質元素等方面特征。認為蘋果產地位于利于蘋果生長的特定溫度、濕度以及富含較多礦質元素的洪積扇上，優良的地質環境為其提供了豐富的礦質資源。將所測表層土壤指標與平原區背景值進行對比，明確了相關指標的貧化與富集程度，同時了解到部分有效態元素與其全量、pH、有機質的相關關系，并掌握到產地具有低有效鉬的特點。此外，對比了兩個產區蘋果果實礦質的含量特征，為進一步提高蘋果質量和品牌附加值提供了科學依據。

土壤；蘋果；地質背景；有效態；適宜性

“萬物土中生，食從土中來”。土壤中含有植物生長所必需的營養元素、水分等適宜條件，同時隨著近些年農藥和化肥的大量使用、污水灌溉（Liu Weihua et al.，2005；Khan S et al.，2007）、化石燃料燃燒所排放氣體（Miller J R et al.，2003）、工業廢渣與垃圾填埋的滲漏等污染加重，土壤中重金屬元素以及有機污染物也隨之不斷增多，直接或間接導致土壤的組成、結構和功能發生變化，并通過土壤-作物系統遷移積累（張勇，2001；常青，2003；楊肖娥等，2003；藤葳等，2010），進而影響農產品安全以及危害人體健康。因此，農產品的質量安全及產量情況與土壤環境安全緊密相聯。本次研究選取北方某蘋果特色產地，主要對蘋果產地的地質背景以及蘋果果實、土壤環境、灌溉水等方面的安全性進行評價。

1 研究區概況

1.1 自然地理概況

蘋果產區主要分布在平原區至西北部山前，走向北東—西南的“山前暖帶”上，這條“山前暖帶”西北高東南低，形成一個天然坡度，這個坡度使得山前暖帶背風向陽，光照充足，不但有利于果皮著色，更催化了果實內淀粉轉化為糖份等化學過程，非常適合果樹生長。另外，蘋果產區土質以pH值在7～7.5左右的中性偏堿沙壤土為主，較疏松，透氣性好、保水保肥與排水良好，砂土地上蘋果根系易生長，根重量為粘土的2倍以上（馬玉芳，1993；毛志泉，1999），能在短時間內獲取更多營養。處于太行山脈與燕山山脈鄰接處以東，西北山區向平原區的過渡地帶。山地海拔800～1000m，平原高度海拔30～100m。主要河流屬溫榆河水系。全區處在溫帶季風區，屬暖溫帶大陸性季風氣候。年平均日照時數2684小時，年平均氣溫11.8℃，年平均降水量550.3mm。獨特的自然地理及氣候特點造就了蘋果果肉黃白色，肉質致密，細脆、果汁多，酸甜適口，芳香味濃的特點，研究區范圍見圖1。

1.2 地質背景

蘋果產區地層復雜，西部與南部均為山區，西部的地層主要為元古界長城系，其次為元古界薊縣系以及新生界，山區深處分布有中生界侏羅—白堊系；北部為長城系、薊縣系、青白口系以及古生界寒武—奧陶系，南部主要以中生界侏羅系為主，其次為薊縣系，山區深處可見古生界。另外，產區西部出露有太古界變質巖，西部、北部與南部山區均有燕山期侵入巖出露，并以中酸性巖漿巖占主導地位（圖2）。受山區豐富的沉積巖、巖漿巖與構造斷裂的控制影響，基巖經風化、剝蝕后形成的殘坡積物主要以機械搬運形式堆積至山前地帶，從而使蘋果產地土壤中的微量元素分布受到成土母巖的影響。

圖1 研究區范圍及樣品采集分布Fig.1 Location of the study area and distribution of sampling sites

圖2 研究區地質簡圖Fig.2 Simplified geological map of the study area

2 材料及方法

為了研究蘋果產區的土壤地球化學特征，現采集表層土壤分析組合樣品（3～5件）共計737件，采樣密度為4點/ km2、30件土壤根系土樣、30件蘋果樣品以及8件灌溉水樣品（圖1）。

2.1 樣品測試方法

本次研究采用《生態地球化學評價樣品分析方法和技術要求》《區域生態地球化學評價樣品分析技術要求補充規定》等相關標準進行相關樣品指標的測定，具體方法見表1。

2.2 數據處理方法

土壤元素通過計算發現有些數據并不服從正態分布，存在異常值，利用SPSS13.0反復剔除落在“算術平均值±2倍標準離差”之外的異常值，直到所有數據無法剔除，然后用剩余樣品的均值來表示的方法，得出準確的背景值（張秀芝，2006）；文中點位圖和地質圖采用Mapgis6.7繪制；其余圖件采用excel生成。

3 土壤地球化學特征

3.1 土壤元素分布地球化學特征

土壤元素地球化學背景值是指經過一定歷史時期，由自然營力和人類活動共同作用的區域表層土壤元素的組成及含量特征（陳懷滿，2005）。對元素背景值的研究不僅有助于查明元素在土壤中的豐缺、遷移轉化等規律，而且在對土壤環境質量及污染程度評價時也起著至關重要的作用（汪慶華等，2007；陳興仁等，2012；成杭新等，2014）。本次研究采集表層土壤分析組合樣品，每件樣品均分析24項指標。

圖3 土壤背景值比值圖Fig.3 Ratio of the background values

將研究區背景值與平原區背景值進行比較，當比值介于0.9～1.1時認為土壤元素含量與全市背景值相當。由圖3可知，研究區土壤中比值介于0.9～1.1主要為B、Cr、Cu、N、Se等元素，而Hg和P元素比值均低于0.9，較為貧化，24項指標中有16項的平均含量高于全市平原區背景值，其中以As、Cd、F、Mn、Mo、Pb、Zn、MgO、Fe2O3呈明顯偏高狀態。因此研究區微量金屬元素含量較高，土壤養分（有機質、N）含量居中。pH的比值為1.03，雖然介于0.9～1.1范圍內，但土壤的pH為8.5，屬于堿性，略微高于全市平原區的背景值8.26。研究區土壤主要受西部北部山區長城系與薊縣系、中酸性巖體的殘坡積物以及鉛鋅等多金屬礦化影響，尤其是河流匯流處，地勢地洼，從而使當地土壤中富含有機成分與微量元素。

表1 樣品指標測定方法Tab.1 Analytical method of the sample indicators

3.2 土壤有效態特征

（1）土壤元素有效態與部分參數相關性

通過統計，研究區土壤元素全量與有效量之間的相關系數變化較大，相互之間的關系較復雜。由圖4至圖7可以看出，蘋果產地土壤有效態Cu與全量Cu呈顯著性相關，有效態Mn與全量Mn、有效態Mo與全量Mo呈低度線性相關，而有效態Zn與全量Zn的相關性不顯著。表明如果指示環境污染對蘋果產地土壤沖擊時，有效態元素Cu、Mn和Mo可以作為重要的客觀數據（王凌等，2011）。

土壤中有效態的變化會受土壤本身的pH以及土壤中有機質含量的影響（陳麗榮等，2000；于君寶等，2002；董國政等，2004）。較其他元素而言，蘋果產地的有效態Mo和有效態Fe受土壤中有機質含量變化最為明顯，兩者的相關程度分別達23.6%和22.54%，如圖8、圖9，是蘋果產地有效Mo和有效Fe輸入的一個途徑。經過分析可知，蘋果產地的有效態與pH均為負相關關系，其中相關程度較高的是有效態Zn和有效態Fe，如圖10和圖11。

圖4 有效態Cu與全量Cu相關性Fig.4 Correlation of available Cu and total Cu

圖5 有效態Mn與全量Mn相關性Fig.5 Correlation of available Mn and total Mn

圖6 有效態Mo與全量Mo相關性Fig.6 Correlation of available Mo and total Mo

圖7 有效態Zn與全量Zn相關性Fig.7 Correlation of available Zn and total Zn

圖8 有效態Mo與有機質相關性Fig.8 Correlation of available Mo and organic matter

圖9 有效態Fe與有機質相關性Fig.9 Correlation of available Fe and organic matter

圖10 有效態Zn與土壤pH相關性Fig.10 Correlation of available Mo and soil pH values

圖11 有效態Fe與土壤pH相關性Fig.11 Correlation of available Fe and soil pH values

（2）土壤有效態評價

相關研究顯示，土壤中有效態元素具有易遷移易轉化的特點，所以很容易被植物吸收利用（朱靜等，2007）。在蘋果產區采用相關標準分析了30件土壤元素的有效態含量，并對其進行評價。采用土壤肥力評價分級標準對有效磷和速效鉀進行評價，采用全國第二次農業普查指定的土壤微量元素有效態的分級標準對有效Zn、有效Cu、有效Fe、有效Mn、有效Mo、有效B進行評價，見表2。

蘋果產區根系土壤有效磷平均含量為63.66μg/ g，除3件樣品為缺乏級別外，其余樣品均在適度及以上級別。速效鉀平均含量為294.78μg/g，與土壤速效鉀的臨界值75μg/g相比，明顯偏高，大部分為富足或很富足級別。

分析數據表明，微量營養元素有效態中，有效鋅的平均含量為10.61μg/g，有效鐵31.77μg/g，全部樣品都為富足或很富足級別，且大部分樣品為很富足級別，反映了研究區兩者含量較高。有效銅的平均含量為8.59μg/g，不存在缺乏樣品點，大部分為很富足級別。有效錳平均含量為126.72μg/g，其中最小含量為57.04μg/g，全部樣品點都分布在很富足級別，反映出研究區內有效錳含量很高，因此以上6項養分級別整體處于富足狀態。而有效硼平均含量為0.68μg/g，呈現為以適度為中心的正態分布，表明其研究區內含量較為均勻。

有效鉬平均含量為0.08μg/g，大部分樣品點以很缺乏狀態分布，因此判斷研究區內有效鉬含量較低。相關研究表明，如果植物缺乏鉬元素，會導致植株矮小，生長受阻，葉片失綠，嚴重時葉片枯萎發生扭曲，最終死亡（劉鵬，2002）。鑒于以上情況，建議在果樹田間管理過程中加強對含鉬微肥的施用，必要時可采取鉬、硼同施的方法（劉鵬等，1999；劉鵬等，2000）。

表2 土壤元素有效量分級統計表Tab.2 The classification statistics of the available soil element

4 環境安全性評價

為了判斷研究區土壤與灌溉水質量是否達到無公害食品產地的要求，進而確保蘋果的食用安全性，分別在研究區內采集30件土壤根系土樣品和8件灌溉水樣品進行分析。

4.1 土壤環境安全性評價

按照《蘋果無公害生產綜合技術》（DB11/T 081—2005）對研究區土壤中Cd、Hg、As、Pb、Cr元素進行評價，按照《土壤環境質量標準（修訂）》（GB 15618—2008）對研究區土壤中Cu、Zn、Ni、F元素進行評價。分析結果顯示，土壤根系土樣品中Zn、F、Cu元素僅存在1～2件超標樣點，且含量略高于標準值，故可認為土壤Zn、F、Cu元素環境基本安全。與此相反，土壤根系土中Cd元素存在8件超標樣點，且其含量是標準值的1.2～4.7倍，判斷土壤中Cd元素的環境質量較差。雖然在旱地的堿性土壤中主要為難溶狀態的非水溶性鎘，其活性低，不易遷移，對農作物的危害程度相對較低，但通過對蘋果果實中Cd元素含量的研究結果，土壤的高鎘仍會使作物中的Cd元素不斷累積。蘋果產地土壤Cd元素超標樣點主要呈零星狀分布在居住地及道路附近，受人為活動影響較為嚴重。

4.2 灌溉水環境安全性評價

利用《無公害蘋果產地農田灌溉水質量要求》（DB11/T 081-2005）和《農田灌溉水質標準》（GB 5084-2005）進行評價。分析結果顯示，水中的總汞、總鎘、總砷、總鉛、總銅、氟化物等指標全部符合無公害蘋果產地農田灌溉水質量要求，處于標準限值之內，因此研究區灌溉水水質安全。

5 蘋果礦質元素特征

5.1 蘋果礦質元素評價

將采集的22件蘋果樣品中各指標平均值與另一地區所采集的8件蘋果樣品各指標平均值做比值，（表3）。As、Cd、Cr、Hg、I、Mo、Se、Zn元素的比值高于1.1，說明該區蘋果中這些元素含量的總體水平高于另一地區，推測該區土壤的高汞高鎘特征對當地蘋果果實存在影響（阮起和等，2007）。B、F、Ni元素的比值低于0.9，表明該區蘋果中這些元素元素含量的總體水平低于另一地區。從品質指標來看，可溶性總糖、可溶性固形物、可滴定酸的含量差異不大，僅該區蘋果的還原型Vc指標明顯低于另一地區。

表3 蘋果果實中元素及品質指標含量特征Tab.3 The elements in apples and characteristics of the content in quality index

對30件蘋果果實樣品進行了礦質元素的含量區間統計，見表4，從表中可以看出蘋果果實中B和 Fe微量元素含量相對較高，As、Cd、Hg、I、Pb、Se元素含量極低，側面反映出果樹在生長時對不同微量元素的需求量不同。

表4 蘋果果實中礦質元素的含量區間Tab.4 The range of content of mineral elements in apples

表5 無公害蘋果衛生指標要求及樣品合格率統計Tab.5 Pollution-free apple health index requirements and qualified rate statistical sample

5.2 蘋果果實衛生指標特征

采用地方標準（DB11/T 081—2005）蘋果無公害生產綜合技術和農業行業標準綠色食品蘋果（NY/T 268-1995）標準對蘋果果實質量進行評價，從表5看出，研究區蘋果內有害元素含量遠遠低于無公害食品要求的限量值，即所測樣品全部合格。

6 結論

研究區蘋果產地氣溫、降水、土質等條件以及地勢上向東南方向傾斜，西北側巖體風化產物遷移堆積使土壤中富含各種養分與微量元素，非常適合蘋果的生長。產地相對于平原區背景值Hg和P元素較為貧化，As、Cd、F、Mn、Mo的元素較為富集；有效態Cu與全量Cu呈顯著性相關，其余元素相關性不明顯，有效Mo、有效Fe與有機質存在較好的正相關關系，有效態Zn、有效態Fe與pH存在較好的負相關關系；絕大部分有效態元素含量較高，為蘋果較好地生長發育提供了保障。

按照相關標準對土壤根系土樣品和灌溉水樣品進行評價，可得研究區環境質量總體表現優良。對比兩個地區所采蘋果樣品礦質元素特征，發現前者微量元素總體含量高于后者。

［1］Liu Weihua， Zhao Jingzhu， Ouyang Zhiyun， et al. Impact of sewage irrigation on heavy metal distribution and contamination in Beijing， China［J］. Environment Internationan，2005，31：805～812.

［2］Khan S， Cao Q， Zheng Yuanming， et al. Health risks of heavy metals in contaminated soils and food crops irrigated with wastewater in Beijing， China［J］. Environmental Pollution，2007，152（3）：686～692.

［3］Miller J R， Lechler P J， Bridge G. Mercury contamination of alluvial sediments within the Essequibo and Mazaruni river basins， Guyana［J］. Water， Air and Soil Pollution，2003，148：139～166.

［41］張勇. 沈陽郊區土壤及農產品重金屬污染的現狀評價［J］. 土壤通報，2001，32（4）：182～186.

［5］常青. 環境污染對人體健康的影響［J］. 甘肅環境研究與監測，2003，16（4）：475～477.

［6］楊肖娥，李廷強. 我國農業環境質量和農產品污染剖析［J］. 中國食物與營養，2003，9（10）：2～24.

［7］藤葳，柳琪，李倩，等. 重金屬污染對農產品的危害與風險評估［M］. 北京：化學工業出版社，2010：1～2.

［8］馬玉芳，王洪起，宋紅梅，等. 紅富士蘋果幼樹根系分布及年生長特性研究［J］. 中國果樹，1993，35（3）：1～4. ［4］陳懷滿. 環境土壤學（第二版）［M］. 北京：科學出版社，2005：216～217.

［9］毛志泉. 不同土壤介質對蘋果根系發生影響的研究［D］. 山東：山東農業大學，1999：7～14.

［10］張秀芝，楊志宏，馬忠社，等. 地球化學背景與地球化學基準［J］. 地質通報，2006，25（5）：626～629.

［11］汪慶華，董巖翔，鄭文，等. 浙江土壤地球化學基準值與環境背景值［J］. 地質通報，2007，26（5）：590～597.

［12］陳興仁，陳富榮，賈十軍，等. 化學基準值與背景值研究［J］. 中國地質，2012，39（2）：302～310.

［13］成杭新，李括，李敏，等. 中國城市土壤化學元素的背景值與基準值［J］，地學前緣，2014，21（3）：265～306.

［14］北京市地質勘察技術院. 北京市平原區土壤環境地球化學調查成果報告［R］. 2007.

［15］王凌，張國印，張小龍，等. 蔬菜土壤重金屬生物有效性及有效態與全量相關性研究［J］. 華北農學報，2011，26（增刊）：85～88.

［16］陳麗榮，姜巖. 玉米秸稈以及根茬不同分解時間對土壤有效微量元素的影響［J］. 吉林農業科學，2000，25（6）：23～25.

［17］于君寶，王金達，劉景雙，等. 典型黑土pH值變化對微量元素有效態含量的影響研究［J］. 水土保持學報，2002，16（2）：93～95.

［18］董國政，劉德輝，姜月華，等. 湖州市土壤微量元素含量與有效性評價［J］. 土壤通報，2004，35（4）：474～478.

［19］朱靜，黃標，孫維俠，等. 農田土壤有效態微量元素的時空變化及其影響因素研究［J］. 南京大學學報（自然科學），2007，43（1）：1～12.

［20］劉鵬. 鉬脅迫對植物的影響及鉬與其它元素相互作用的研究進展［J］. 農業環境保護，2002，21（3）：276～278.

［21］劉鵬，楊玉愛. 鉬、硼對大豆氮代謝的影響［J］. 植物營養與肥料學報，1999，5（4）：347～351.

［22］劉鵬，楊玉愛. 鉬、硼對大豆葉片膜脂過氧化和體內保護系統的影響［J］. 植物學報，2000，42（5）：461～466.

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

北京市土壤地質環境監測網運行項目（PXM2015-158307-000010）

安永龍（1988- ），男，碩士，從事地質學、地球化學方面的研究。E-mail：aylzfj@163.com