葡萄园土壤中4种金属元素的测定及其对葡萄和葡萄酒的影响

张云峰，李 艳,2，严 斌，庞 健，牟德华,*

(1.河北科技大学生物科学与工程学院，河北 石家庄 050018；2.河北省发酵工程技术研究中心，河北 石家庄 050018；3.中粮华夏长城葡萄酒有限公司，河北 昌黎 066600)

葡萄园土壤中4种金属元素的测定及其对葡萄和葡萄酒的影响

张云峰1，李 艳1,2，严 斌3，庞 健3，牟德华1,*

(1.河北科技大学生物科学与工程学院，河北 石家庄 050018；2.河北省发酵工程技术研究中心，河北 石家庄 050018；3.中粮华夏长城葡萄酒有限公司，河北 昌黎 066600)

采用湿法消解处理样品，火焰原子吸收光谱法检测河北昌黎葡萄酒产区5个葡萄园土壤中的铜、铁、锌、锰4种金属元素。并对比研究3种葡萄、葡萄酒与葡萄园土壤中铜、铁、锌、锰4种金属元素含量的关系。对不同葡萄园和同一葡萄园种植不同品种葡萄，其土壤中金属元素含量进行差异性分析。结果显示：葡萄园地理位置和微环境及所栽培的葡萄品种、树龄和架势不同，土壤中4种金属元素含量不同，差异性显著。铁、锌、锰3种元素在土壤中的含量与葡萄中的含量有一定关系。赤霞珠、美乐和西拉3种葡萄的土壤中铜、铁、锌的含量与葡萄及其葡萄酒中相对含量规律相同，而锰不同。

葡萄园土壤；葡萄；葡萄酒；火焰原子吸收光谱法；金属元素

葡萄园的地理位置和土壤对葡萄和葡萄酒的质量和安全有一定的影响，特别是土壤中的某些金属元素影响葡萄植株的生长及果实的产量和质量，如缺少锰元素会影响果实的成熟时间及色泽，缺少锌和铁会影响葡萄果穗的紧密度和果粒的大小[1]。树龄较长的葡萄园，随着农药和除草剂等的使用，会造成铜元素在土壤中积累[2]，随着葡萄植株对土壤中铜元素的富集而带入葡萄和葡萄酒中，致使酒中铜元素含量过高而导致铜破败病[3]，进而影响葡萄酒的质量和稳定性[4]。

研究葡萄园土壤、葡萄和葡萄酒中金属元素及相关性，可以预防葡萄酒的破败病，提高食品安全的指数。火焰原子吸收光谱法作为检测金属元素的重要方法之一，已经被广泛的应用于土壤中重金属[5]、食品中铜、锌、铁和锰[6]、饮料中的铜元素[7]以及葡萄[8]中金属元素的检测。该方法具有回收率高、准确性和精密度好等特点。

昌黎葡萄酒是我国地理标志产品，检测土壤中的金属元素，用以评价酿酒葡萄基地的品质，引导进行葡萄园土壤的改良具有重要意义。本研究对中粮华夏长城葡萄酒有限公司位于昌黎产区卢龙、抚宁和昌黎3个县的5个精品葡萄基地的土壤、葡萄和所酿造的葡萄酒进行了铜、铁、锌、锰4种金属元素含量的分析检测。目的是研究葡萄园地理位置与土壤中铜、铁、锌、锰4种金属元素的关系，以及土壤中这4种金属元素对葡萄生长及葡萄酒的影响。

1 材料与方法

1.1 试剂

盐酸、浓硝酸、氢氟酸为优级纯；高氯酸为分析纯；铜、铁、锌、锰标准溶液均为1000mg/L。

系列标准溶液的配制：分别移取上述标准溶液2mL至100mL容量瓶中，配制成质量浓度为20mg/L的标准使用液。然后用标准使用液配制成不同质量浓度梯度的溶液用以制作标准曲线，配制过程中均使用质量分数1.3%硝酸溶液进行定容。

1.2 仪器与设备

TAS-990原子吸收光谱仪以及铜、铁、锌、锰空心阴极灯 北京普析通用仪器有限公司；KJ-B型无油空压机 天津利迈豪工贸有限公司。

1.3 样品采集

采样葡萄园的地形包括山坡、丘陵和平地，采样点力图包含海拔高度、土壤类型、葡萄品种、树龄、架势等多种影响因素，共设24个位点。在距葡萄植株0.8m内采集3个土壤样品，混合后用于检测。对应土壤样品位点在葡萄植株的不同位置采集果粒用于检测和酿酒。本实验选取其中具有代表性的14个采样点进行分析，样品点描述见表1。

表1 土壤样品信息Table 1 Information of soil samples

土壤样品为地表下15～20cm处的表层土壤；葡萄品种包括赤霞珠、美乐、西拉；葡萄酒为本研究室采用10L玻璃瓶酿造，避免酿造过程中金属离子污染。

1.4 样品处理

土壤样品前处理：取一定量的土壤，风干后研磨，过100目筛。

样品消解：参照文献[9]消解方法。

葡萄样品处理：参照文献[10]消解方法对葡萄样品进行处理。

酒样处理：量取25mL酒样于100mL锥形瓶中，加入15mL过氧化氢，放在电热板上加热消解，温度控制在150℃左右，待锥形瓶中溶液为20mL时，加入1mL质量分数65%硝酸，继续加热消解，等到锥形瓶中溶液为2mL时停止加热，取下锥形瓶冷却，转入25mL的容量瓶，用质量分数1.3%硝酸溶液连续清洗3次锥形瓶，清洗液转入容量瓶、摇匀并用上述硝酸溶液定容[11-12]。

1.5 火焰原子吸收光谱法检测

火焰原子吸收光谱法的检测条件和铜、铁、锌、锰元素的标准曲线与回收率分别见表2、3。

表2 火焰原子吸收的检测条件Table 2 Detection conditions of flame atomic absorption

表3 标准曲线与回收率Table 3 Standard curve and recovery rate

1.6 数据分析

实验所有数据均为3次平行的平均值。数据处理与统计分析采用SPSS13.0分析软件的ANOVA进行显著性方差分析，应用LSD法进行多重比较分析。

2 结果与分析

2.1 葡萄园地理位置的影响

2.1.1 海拔高度对葡萄园土壤中金属元素的影响

土壤中的金属元素会随着雨水和灌溉等影响有部分流失，在地势较为平坦的土壤中沉积下来，使金属元素在垂直方向上形成差异性。研究中选择3个坐落在山坡上的葡萄园，在不同海拔高度采集土壤进行对比分析，检测结果见表4。

表4 海拔高度对土壤中金属元素的影响Table 4 Effect of altitude on the contents of metal elements

由表4可以看出，随着海拔高度的降低，葡萄园土壤中铜、铁两种元素增加。例如在海拔较低的采样点W2和L2，随海拔高度每降低1m，土壤中铜元素增加2.32～2.40mg/kg，铁元素增加4.79～5.14mg/kg。但是由于葡萄园修建的方式不同，在同一个葡萄园也会出现相反的情况。例如，曹柳河的葡萄园，在C1处修有畦，有效的防止了水土流失，所以相比于C2和C3两个海拔较低的位点，铜、铁两种元素依然保持了较高的含量。而C1与C2两处相比较，由于海拔落差较小，坡度较缓，铜、铁两种元素变化并不明显。

锌和锰两种元素，随海拔高度的不同进行了相关性分析，结果见表5。

表5 锌、锰和海拔高度的相关水平表Table 5 Correlation of altitude with the contents of Zn and Mn

结果显示，锌与海拔高度的相关性较好，相关系数为0.98，为极显著相关。而锰元素与海拔高度的相关系数仅为0.641，经检验未达到显著水平。同时可以看到，锌与锰两种元素之间也有一定的联系，虽然相关系数仅为0.759，但经检验显著水平达到了显著。因此说明，土壤中的金属元素与海拔高度具有一定的相关性。但是，水土流失，化肥农药等的使用也是导致差异性的原因。

土壤中的金属元素在海拔高度不同的地方含量具有一定的差异性。因此在葡萄园的选址时，除考虑坡度、坡向等问题以外，还要考虑到土壤中的金属元素随海拔高度的分布问题，适当的调整葡萄园的修建方式(例如修建成梯田)以及栽培架式，从而获得优质的葡萄。

2.1.2 不同葡萄园土壤中金属元素的差异性

葡萄园所在的地理位置不同，其土壤中金属元素的含量会有一定的差异。因为不同葡萄园所在地的地形不同，如海拔高度、坡度等会造成差异性，另外，风向、风速和日照强度等对于土壤中岩石和砾石等的风化作用等微气候也会导致葡萄园之间的土壤中金属元素的差异性。所以实验对采样的5个葡萄园的土壤中的铜、铁、锌、锰4种金属元素进行了方差分析，结果见表6。

表6 不同葡萄园土壤中金属元素含量的方差分析表Table 6 Variance analysis for the contents of metal elements in soil samples from different vineyards mg/kg

由表6可以看出，李柳河葡萄园土壤中铜含量最高，华夏公司母本园最低。李柳河葡萄园土壤中铜含量与其他4个葡萄园相比，具有显著性差异。而吴官营、鲍子沟和曹柳河3个葡萄园之间的差异并不显著。铁和锰元素，除了鲍子沟葡萄园土壤中铁元素含量与其他葡萄园相比具有显著差异外，其他葡萄园土壤中这两种元素的差异性不大；对于土壤中锌元素的比较，吴官营与曹柳河，鲍子沟与华夏母本园，两两之间的差异性不显著，与其他3个葡萄园的差异性显著。而李柳河葡萄园土壤中锌元素含量最高，与其他4个葡萄园相比差异性显著。

由以上分析可以看出，土壤中铜、铁、锌3种元素因为葡萄园的地理位置不同而具有一定的差异性。但是锰元素并没有因为地理位置等的变化而有太大的差异性，这与张铁铮等[13]对于张家口地区葡萄园中锰元素研究结果一致，锰具有低变异性。

2.2 土壤中金属元素与所栽培葡萄的相互关系

2.2.1 葡萄树龄对土壤中金属元素的影响

实验采集的河北省卢龙县鲍子沟葡萄园中，所栽培的赤霞珠葡萄树龄有三年生B1和十年生B2，分别采集土壤样品分析检测金属含量，结果见图1。

图1表明，B2土壤中铜和锰的含量明显要比B1土壤中含量高，分别是B1土壤中铜、锰含量的2.25倍和1.5倍。随葡萄树龄的增长，对于葡萄病虫害的防治以及使用除草剂进行田间除草，农药中铜、锰元素在土壤中的积累，尤其以铜元素最为显著，这与Brun等[2]对土壤中总铜含量的研究结果相符。铜、锰元素对葡萄的坐果都有一定的影响，同时锰对葡萄的光合作用具有重要的意义。但是，铜元素在葡萄酒存储过程中会产生红棕色的沉淀而影响酒的品质与感官，同时Mn2+会氧化Fe2+而导致葡萄发生缺绿症状[14]。

图1 树龄不同对土壤的金属元素的影响Fig.1 Effect of tree age on the contents of metal elements in soil

对比两种树龄的葡萄园土壤可以看出，随着葡萄树龄的增长，铁和锌的含量有所下降，分别下降212mg/kg和6.5mg/kg。这是因为葡萄从土壤中吸收铁、锌元素进行必要的生理作用，伴随着葡萄果实的采摘而离开了葡萄园。在郭修武等[15]对于种植葡萄30年重茬3次和种植葡萄3年新建葡萄园的根区土壤养分变化研究中也发现铁元素会随着葡萄种植的年限增长而减少，这与本实验的结果相符。

2.2.2 葡萄栽培架式对土壤中金属元素的影响

葡萄的栽培架式使单位面积葡萄植株数不同，植株数增加能够有效的保持水土，防治土壤中金属元素的流失。同时，葡萄植株增加对于土壤中的金属元素也具有一定的吸收同化作用。本实验选择昌黎产区具有代表性的吴官营葡萄园进行分析。在吴官营葡萄园W1、W2海拔高度相近的地点采集了W3、W4两个土壤样品。其中，W1、W2为单篱架种植模式，W3、W4为双篱架种植模式。两者单位面积上的植株数比约为1:1.5～1:2，土壤中金属元素的检测结果见表7。

表7 不同栽培架式对土壤中金属元素的影响Table 7 Effect of posture on the contents of metal elements in soil

由表7可看出，铁、锰两种元素在两种栽培架式上的变化规律一致，即无论栽培架式如何，铁、锰两种元素都随着海拔高度的降低含量增加。但铜、锌两种元素的变化规律则相反。铜元素，在单篱架式栽培的W1、W2两点之间可以计算得出，随着海拔高度的下降，铜元素含量的变化率为海拔高度下降1m，铜含量增加2.33mg/kg。按照此变化率计算，在W4处的铜含量应该为105.36mg/kg。但实际是55mg/kg。

通过以上分析可以看到，葡萄的栽培架式对于土壤中金属元素含量的多少具有很大的改变作用，尤其对于铜元素。但是在单位面积上葡萄植株数量的增多，葡萄的产量会增加，影响葡萄的质量，因此在不同葡萄园需要根据土壤中金属元素的含量考虑葡萄架式的选择。

2.2.3 葡萄品种对土壤中金属元素的影响

在同一个葡萄园中，种植不同品种的葡萄，会导致土壤中金属元素的差异。实验选择中粮华夏长城葡萄酒有限公司周围的母本园，采集了种植赤霞珠、美乐、西拉3种葡萄的葡萄以及土壤，进行3次平行实验，并应用SPSS统计方法ANOVA分析中的LSD最小显著性差异分析方法对土壤中铜、铁、锌、锰4种金属元素进行分析，结果见表8。

表8 种植不同品种葡萄的土壤中金属元素的方差分析Table 8 Variance analysis for the contents of metal elements in soil planted different grape varieties mg/kg

由表8最小显著性差异分析可知，对于锌元素，种植赤霞珠与西拉的土壤差异性不显著，但与种植美乐葡萄的土壤差异性显著。而在铜、铁、锰3种金属元素在种植不同品种葡萄的土壤之间进行比较，差异性显著。

同时，通过不同种葡萄果实中的金属元素含量的分析可以看出，不同品种的葡萄对于铜和锰元素的吸收具有很大的差异性，其中，对于铜元素，西拉葡萄中的含量是美乐葡萄中的1.74倍；而赤霞珠葡萄中锰元素的含量是西拉葡萄的4.3倍。可以看出，由于葡萄品种对于土壤中金属元素的吸收能力不同，对土壤中金属元素含量改变的能力也就不同。

由于不同品种的葡萄发生的病虫害等不同，而使用不同的农药在土壤中进行积累，进而会导致差异性显著。同时田间的杂草对于土壤中的铜、锰、锌等金属元素具有富集的作用会导致了差异性[16]。但是葡萄作为主要的作物，是造成葡萄园土壤中金属元素含量差别的重要原因。

2.3 葡萄园土壤、葡萄、葡萄酒中金属元素的研究

葡萄酒中金属元素对于葡萄酒的品质与感官都有影响。而其来源主要是葡萄果实与酿造过程中的污染。随着现代加工工艺与加工工具的使用，在酿造过程中发生污染的状况已经大大的降低了。所以果实中的金属元素成为葡萄酒中的金属元素的重要来源。本实验对同一采样点分别采集土壤、葡萄和原酒，分别研究昌黎华夏母本园的赤霞珠、西拉和美乐3种葡萄的土壤、葡萄、原酒中铜、铁、锌、锰4种金属元素的含量。

2.3.1 葡萄园土壤与葡萄中金属元素的研究

表9 葡萄生长过程中土壤和葡萄中金属元素的含量Table 9 Effect of grape growth process on the contents of metal elements in soil and grapes

由表9可以看到，3种葡萄的土壤中，铜、铁、锌3种元素的含量增加，锰元素的含量减少。分析原因是，铁与锌元素的来源是肥料，在葡萄出土以后，葡萄园在施肥使土壤中这两种金属元素含量增加。而铜和锰两种元素的主要来源是喷洒农药，铜元素的增加是因为在葡萄病害防治时普遍喷洒波尔多液，其主要成分含有硫酸铜，因此会导致土壤中铜元素增加；而锰元素含量减少，是由于葡萄生长期间病虫害较少，没有进行含锰元素农药的喷洒，同时通过葡萄的吸收而使得土壤中锰元素含量减少。

通过对土壤中和葡萄中金属元素含量的对比分析可以看出，土壤铁与锌两种元素的变化量与葡萄中的含量多少对映的较为一致，即土壤中元素含量增加的多，葡萄中金属元素的含量高；锰元素，土壤中含量减少的量大，葡萄中金属元素的含量高，说明了土壤中锰元素的变化对葡萄中金属元素的含量具有一定的影响；铜元素，虽然土壤中的含量增加，葡萄中的含量也有所增加，但是没有明显的规律，这是因为其元素的来源以及作用方式不同，进而出现了不同的结果。

通过以上分析，土壤中金属元素的含量对葡萄中金属元素的含量具有一定的影响，土壤中铁、锌、锰通过葡萄根系而进入葡萄。而铜元素，果实中的来源一部分是通过根部吸收，另一部分是由喷洒在果表的农药，通过果表吸收而进入到了葡萄中，因此，土壤中的铜与葡萄果实中的铜元素含量虽有一定影响，但还要考虑到葡萄果表的吸收。

2.3.2 葡萄园土壤与葡萄酒中金属元素的研究

葡萄酒中的金属元素是来源于葡萄果实与酿造过程的污染，而果实当中的金属元素主要是由葡萄根系在土壤中吸收而来。在最大限度的避免葡萄酒在酿造过程中的金属污染后，研究了土壤中金属元素含量与最终的葡萄酒中金属元素含量的关系，检测结果见图2、3。

图2 铜和锌含量对比图Fig.2 Comparison on the contents of Cu and Zn in soil and grape wine

图3 铁和锰含量对比图Fig.3 Comparison on the content of Fe and Mn in soil and grape wine

由图2、3对比可以看出，土壤中4种金属元素与葡萄酒中含量高低具有一定的相关性。铜、锌和铁3种元素在土壤中与葡萄酒中含量高低变化对映的较好，锰元素在赤霞珠葡萄土壤中含量较低，而在酒中含量却较高。因为葡萄园中锰元素的来源主要是来自于农药喷洒。农药的喷洒对象主要为葡萄叶与果实，而葡萄酒在生产时葡萄是不经过清洗而直接进行破碎加工，因此葡萄果皮上附着的锰元素与铜元素会进入到酒中。

通过3种葡萄的土壤与酒中的金属元素含量的对比，4种金属元素的含量基本一致，有些略有差异。排除人为因素以外，葡萄园土壤中的金属元素会通过葡萄根系的吸收，而最终进入到酒中。因此，葡萄园土壤中金属含量的高低对于最终的葡萄酒中金属元素的含量具有一定的影响。

3 结 论

3.1 采用湿法消解，火焰原子吸收光谱法检测土壤与葡萄和葡萄酒中的铜、铁、锌、锰4种金属元素。标准曲线的R2均为0.99以上，且回收率较高为98%～101%。

3.2 在不同地区和不同海拔高度垂直分布的葡萄园土壤中金属元素都有一定的差异性，且部分元素的差异性显著。

3.3 葡萄园中所栽培葡萄的树龄、品种以及栽培架式对于土壤中的金属元素具有一定的影响。通过对比分析及差异性比较可知，土壤中铜、锰两种元素的变化较大。这两种元素主要来源于农药和除草剂，所以建议加强田间管理以减少病虫害，同时使用机械除草来减少铜、锰两种元素在土壤中的积累。

3.4 金属元素通过葡萄的根系对于土壤中水分以及养分的吸收而进入到果实当中，最终进入到酒中，因此土壤中的金属元素是葡萄酒中金属元素的重要来源。通过控制化肥和农药等的使用来改变土壤中金属元素，从而达到改变葡萄中的金属元素的含量，提高葡萄酒的品质。

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Determination of Four Metal Elements in Vineyard Soil and the Effect on Grape and Grape Wine

ZHANG Yun-feng1，LI Yan1,2，YAN Bin3，PANG Jian3，MOU De-hua1,*
(1. College of Bioscience and Bioengineering, Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang 050018, China；2. R&D Center for Fermentation Engineering of Hebei Province, Shijiazhuang 050018, China；3. COFCO Wines & Huaxia Winery Co. Ltd., Changli 066600)

In this study, the wet digestion method was used to treat soil samples from five vineyards in Hebei Changli grape-producing area. The contents of four metal elements such as copper, iron, zinc and manganese in grape, grape wine and vineyard soil samples were detected by flame atomic absorption spectrometry. Results showed that the contents of four metals were significantly different in soil samples and grape samples with different varieties, age and postures from different vineyard locations and microenvironments. The contents of iron, zinc and manganese in soil of vineyards reveal a correlation with the contents of three metal elements in grape. There was a similar trend in the contents of copper, iron, zinc except manganese between the soil and grape wine from three kinds of grapes such as Cabernet Sauvignon, Merlot and Syrah.

vineyard soil；grape；grape wine；flame atomic absorption spectrometry；metal element

Q815

A

1002-6630(2010)24-0374-06

2010-07-20

河北省2009年科技支撑计划课题(092210003D)

张云峰(1985—)，男，硕士研究生，研究方向为发酵工程。E-mail：zhang3684@sina.com

*通信作者：牟德华(1960—)，男，教授，本科，研究方向为果蔬与农产品加工。E-mail：dh_mou@163.com