灰棗礦質元素與主要果實品質的關聯性分析

張虎國 萬勝 于婷 王利娜 趙文 劉曉寧 李建貴

摘 要：【目的】為灰棗的品質改良和果樹的科學施肥等提供參考?！痉椒ā繉π陆? 個灰棗主要產區內的20 個棗園的果實進行了礦質元素含量和果實品質指標測定，應用偏最小二乘回歸分析方法中的變量投影重要性，篩選對果實品質指標有影響的礦質元素，并構建回歸方程，對優質灰棗果實中的礦質元素進行定量分析?！窘Y果】棗果中氮和鉀元素的含量對果實品質的影響最大，其次是磷、硼、鐵、硫元素含量；果實可溶糖含量受到氮、磷、鉀、鈣元素含量的影響，且與氮元素含量呈現顯著的正效應關系，與鉀元素含量呈現負的效應關系；可滴定酸含量主要受鈣、硼、氮、鐵元素含量影響，與氮含量、鈣含量、鐵含量有正效應系數，與硼含量有負效應系數；蛋白質含量主要受硫、氮、磷元素含量影響，且均為正效應系數；維生素C 含量主要受氮、銅、硫、鋅元素含量影響，與氮含量、硫含量、銅含量有正效應系數，與鋅含量有負效應系數；糖酸比主要受硼、鈣、鐵、氮元素含量影響，與硼含量有正效應系數，與氮含量有最大的負效應系數?！窘Y論】當氮含量為4.8 ～ 7.1 g/kg、磷含量為1 018 mg/kg、鉀含量為4 118.25 mg/kg、鈣含量為359.05 mg/kg、鎂含量為306.25 mg/kg、硫含量為201.9 mg/kg、硼含量為14.39 mg/kg、鐵含量為10.41 mg/kg、錳含量為3.49 mg/kg、鋅含量為3.35 mg/kg 和銅含量為2.5 mg/kg 時，果實各品質指標最優，即果實中的可溶性糖含量為91.38%，可滴定酸含量為0.22%，蛋白質含量為20.06 mg/g，維生素C 含量為1.58 mg/g，糖酸比為404.77。

關鍵詞：果實品質；果實礦質元素；灰棗；偏最小二乘回歸；優化方案

中圖分類號：S665.1 文獻標志碼：A 文章編號：1003—8981（2023）03—0106—09

棗Ziziphus jujuba 是5 000 多年前起源于我國的鼠李科Rhamnaceae 棗屬Ziziphus 植物[1]。新疆是我國主要的棗產地，棗種植面積有47.3 萬hm2，灰棗為目前主栽制干品種之一。礦質元素對果實的生長發育和品質形成有著非常重要的影響，其類型和含量與果實的營養價值均有較為緊密的聯系[2-4]，果實中適當的礦質元素含量和比例對果實品質有明顯的改善作用[5-6]。因此，探討果實中礦質元素與果實品質之間的量化關系，確定灰棗果實中適宜的礦質元素含量，對于合理施用肥料、促進果樹生長、提高灰棗的產量和品質以及改善果園的生態環境等有重要意義。目前，大量相關研究報道集中在棗果礦質元素含量的變化[7-10]、肥料類型對棗果礦質元素含量的影響[11-13]、土壤養分對棗果品質的影響[14-17]、肥料對棗果品質的影響[18]、棗果礦質元素含量與其品質的相關性[19]、不同棗品種果實礦質元素含量的特性及差異[20]、棗縮果病發生與其礦質元素含量的關系[21] 等方面。

不同的果實品質指標受到不同礦質元素不同程度的影響，同一果實品質指標受到各果實礦質元素影響的程度也有差異，采用單一的相關性分析無法反映各指標之間的交互作用。果實品質與果實礦質元素含量的關系屬于多自變量、多目標的關系，果實礦質元素含量間有較強的線性相關性，因此在進行回歸分析、構建方程時，容易產生多重共線性。采用多元統計法可對棗果礦質營養元素與果實品質之間的多重共線性關系進行分析。偏最小二乘回歸屬于一種新型的多元分析方法，利用數據的結構信息，計算預測變量之間的關系系數，將原數據進行建模，從而使得回歸模型更具準確性和有效性[22]。陳小燕等[23] 利用偏最小二乘回歸方法對桃香和揮發性物質進行了相關性分析；張歡等[24] 以河南省淅川縣5 個石榴果園為對象，應用偏最小二乘回歸方法對其果實品質與土壤營養因子的多元關系進行了研究；萬勝等[17] 研究了棗園土壤養分與棗果營養品質間的復雜關系，制訂了土壤養分因子的優化方案。張東等[25] 對黃土高原典型富士蘋果園葉片養分和果實品質進行了調查研究，采用線性規劃求解出富士蘋果優質葉片的養分含量優化方案，認為礦質元素適宜的范圍分別為氮元素含量21.5 ～ 26.6 g/kg、鉀元素含量5.5 ～ 11.6 g/kg、磷元素含量1.18 ～1.86 g/kg、鈣元素含量13.6 ～ 26.1 g/kg、鋅元素含量15.0 ～ 75.0 mg/kg、鎂元素含量4.8 g/kg、鐵元素含量100.0 ～ 180.0 mg/kg；王小龍等[26] 通過研究葡萄植株礦質元素含量與果實品質的關聯性，篩選出影響果實品質特性的主要礦質元素，建立了植株礦質元素含量優化方案，認為礦質元素適宜的范圍分別為氮元素含量10.15 ～ 18.46 mg/g、鉀元素含量8.65 ～ 22.90 mg/g、磷元素含量6.03 ～9.24 mg/g、鈣元素含量16.21 ～ 22.02 mg/g、鎂元素含量8.38 ～ 46.91 mg/g、鐵元素含量88.30 ～281.58 mg/kg、錳元素含量15.00 ～ 343.25 mg/kg。

目前，應用偏最小二乘回歸分析方法，來篩選影響棗果實品質特性的主要礦質元素，以及優化灰棗果實礦質元素含量等方面的研究報道較為鮮見。本研究中采用偏最小二乘法，對新疆不同地區灰棗園的果實品質與果實中礦質元素的含量進行關聯性分析，篩選對果實品質有較大影響的礦質元素，定量化求解優質灰棗果實品質指標水平下的礦質元素優化方案，旨在為合理施用肥料、促進果樹生長、提高灰棗的產量和品質以及改善果園的生態環境等方面提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

在新疆灰棗主產區選擇9 個縣市的灰棗園作為采樣地，具體信息見表1。主要栽培品種為灰棗，砧木為酸棗，樹齡5 ～ 10 a，株行距為（1.0 ～1.5） m×（3.0 ～ 3.5） m，土壤pH 值為7.8 ～ 8.4。

在2021 年10—11 月，采取中心五點法，在各灰棗園選取5 棵棗樹，從5 個方向（東、西、南、北、中），隨機選取10 個大小相等且無黑斑病、無破損的制干棗果（含水率不大于20%），每棗園共采摘50 個，將其裝入無菌的自封袋，帶回實驗室保存在4 ℃冰箱中，待測。

1.2 指標測定

1.2.1 果實品質指標

果實中可溶性糖的含量采用蒽酮比色法進行測定；采用NaOH 滴定法進行果實中可滴定酸含量的測定；采用考馬斯亮藍比色法測定果實中蛋白質的含量；采用2，4- 二硝基苯肼比色法測定果實中維生素C 的含量。糖酸比是果實中可溶性糖含量與可滴定酸含量的比值。

1.2.2 果實礦質元素指標

采用H2SO4-H2O2 消煮法和凱氏蒸餾法測定果實中的全氮含量；采用釩鉬黃吸光光度法測定果實中的全磷含量；采用火焰光度法測定果實中的全鉀含量；采用原子吸收分光光度法測定果實中鈣、鎂、鐵、錳、鋅、銅、硼的含量；采用HNO3-HCIO4 消煮比色法測定果實中硫含量。

1.3 數據處理與分析

數據整理采用SIMCA 14.1、SPSS 26.0 和Microsoft Excle 2019 軟件，采用Origin 2021 軟件進行制圖，采用LINGO 12.0 軟件進行線性規劃。

2 結果與分析

2.1 棗果實品質

從表2 中灰棗果實的各品質指標可知，可溶性糖含量為71.51% ～ 89.94%，可滴定酸含量為0.16% ～ 0.47%，蛋白質含量為12.23 ～ 19.6 mg/g，維生素C含量為0.12 ～ 2.16 mg/g，糖酸比為158.92 ～537.31。維生素C 含量的差異最大，最大值是最小值的18.00 倍，糖酸比的最大值是最小值的3.38倍，可滴定酸含量的最大值是最小值的2.94 倍。棗果中可溶性糖平均含量為84.39%，可滴定酸平均含量為0.29%，蛋白質平均含量為15.72 mg/g，維生素C 平均含量為0.71 mg/g，糖酸比的平均值為326.95。

2.2 棗果礦質養分含量

由表3 可知，不同果園灰棗果實中礦質元素含量的差異較大，其中果實硼含量的最大值是最小值的8.05 倍，鐵含量的最大值是最小值的4.09倍，鋅含量的最大值是最小值的3.09 倍，銅含量的最大值是最小值的3.34 倍，果實中氮、磷、鉀和錳含量的最大值均是最小值的2 倍以上，說明灰棗果實中的礦質元素含量與其所處果園的土壤、氣候、種植方式等因素有關?；覘椆麑嵥罅吭刂?，以氮元素的平均含量最高，其次為鉀、磷?；覘椆麑嵥⒘吭刂校阂遭}元素的平均含量最高，達359.05 mg/kg；其次為鎂，平均含量為233.54 mg/kg。棗果中氮的平均含量為4.8 g/kg，磷、鉀、硫、硼、鐵、錳、鋅、銅的含量均值分別為706.87、4 118.25、151.19、7.91、10.41、2.16、3.35、1.81 mg/g。

2.3 棗果礦質元素含量與果實品質的相關性

由灰棗果實品質指標與果實礦質元素含量的相關系數（圖1）可看出：可溶性糖含量與果實磷含量呈現極顯著正相關，與果實硫含量呈現顯著正相關；可滴定酸含量與果實鈣元素含量呈現極顯著正相關，與果實硼元素含量呈現顯著負相關；蛋白質含量與果實氮元素含量、硫元素含量均呈現極顯著正相關；維生素C 含量與果實氮元素含量呈現顯著正相關；糖酸比與果實鈣元素含量呈現顯著負相關，與果實硼元素含量呈現顯著正相關。

2.4 影響棗果品質指標的礦質元素

為了明確果實中不同礦質元素對果實品質影響的重要程度，運用偏最小二乘回歸分析方法，計算果實中氮、磷、鉀、鈣、鎂、硫、硼、鐵、錳、鋅、銅的含量對果實可溶性糖含量、可滴定酸含量、蛋白質含量、維生素C 含量和糖酸比影響的變量投影重要性數值（VIP 值），結果見表4。

以VIP 值不低于1.0 為限，選取對果實品質有一定影響的主要礦質元素。由表4 可知，果實中氮、磷、鉀、鈣元素含量對果實可溶性糖含量的影響較大，鈣、硼、氮、鐵元素含量對可滴定酸含量的影響較大，蛋白質含量受果實中硫、氮、磷元素含量的影響較大，維生素C 含量的變化主要與氮、銅、硫、鋅元素含量有關，糖酸比主要受硼、鈣、鐵、氮元素含量的影響。

2.5 棗果礦質元素與果實品質的回歸分析

為了更深層次地揭示果實中不同礦質元素對果實品質影響的重要程度以及正負效應，以對果實品質影響較大的礦質元素指標作為自變量，以果實品質指標作為因變量，構建果實中不同礦質元素對果實品質影響的回歸方程（表5）。由表5可知，所構建回歸方程均達到極顯著水平，氮元素含量與可溶性糖含量有最大的正效應系數，鉀含量與果實可溶性糖含量有負的效應系數，果實糖酸比與氮含量有最大的負效應系數，與硼元素含量有正效應系數。

2.6 棗果實礦質元素含量優化方案的制訂

為探究灰棗果實品質最優時所需要的最優礦質元素含量，在果實品質（Y）與礦質元素含量（X）這2 個正態總體中，將棗果某一果實品質指標的最大值（Ymax）設為目標函數，以棗果其他果實品質指標和礦質元素因子為約束條件，建立求解最優果實品質指標的線性規劃方程，并在求解某果實品質指標處于最大值時，保證其他果實品質指標均處于優質狀態，并對果實中礦質元素含量加以約束。將可溶性糖含量、蛋白質含量、維生素C含量、糖酸比約束下限值設定為所測定的棗果各品質指標的均值，可滴定酸含量上限值設定為所測定棗果的可滴定酸含量均值，礦質元素含量的約束值均以采樣棗園的最大值為上限，以采樣棗園的均值為下限。

以果實中可溶性糖含量的最大值（Y1 max）為例，果實品質指標與果實礦質元素含量的線性規劃方程為

Y1 max=71.212 1+10.279 8X1+0.006 936X2-0.000 98X3+0.048 742X6。

該線性規劃方程為目標函數，其約束條件如下-0.041 88+0.289 419X1+0.000 617X4-0.009 82X7+0.004 438X8 ≤ 0.29；

4.978 94+8.433 53X1+0.002 297X2+0.033 457X6 ≥15.72；

-1.169 66+1.693 75X1+0.005 262X6-0.081 1X10+0.302 199X11 ≥ 0.71；

634.089-248.921X1-0.609 98X4+11.606 3X7-5.555 72X8 ≥ 326.95。

在滿足各約束條件的情況下，即可溶性糖含量、蛋白質含量、維生素C 含量、糖酸比均大于其平均值，可滴定酸含量小于其平均值時，求解出目標函數的最大值。Y1 max 的最大值即可溶性糖含量的最大值，其約束條件為0.048 g/kg ≤X1 ≤ 0.079 g/kg、706.87 mg/kg ≤X2 ≤ 1 018 mg/kg、4 118.25 mg/kg ≤X3 ≤ 5 551.5 mg/kg、359.05 mg/kg ≤X4 ≤ 507.1 mg/kg、233.54 mg/kg ≤X5 ≤ 306.25 mg/kg、151.19 mg/kg ≤X6 ≤ 201.90 mg/kg、7.91 mg/kg ≤X7 ≤ 14.39 mg/kg、10.41 mg/kg ≤X8 ≤ 21.47 mg/kg、2.16 mg/kg ≤X9 ≤ 3.49 mg/kg、3.35 mg/kg ≤X10 ≤ 5.29 mg/kg、1.79 mg/kg ≤X11 ≤ 2.50 mg/kg。

采用相同的方法，構建并求解果實品質指標中可滴定酸含量最小值（Y2 min）、蛋白質含量最大值（Y3 max）、維生素C 含量最大值（Y4 max）、糖酸比含量最大值（Y5 max）的線性規劃方程。根據所構建的棗果各營養品質指標最大值的線性規劃方程求得的結果見表6。由表6 可知，當礦質元素含量（X）處于最適值時，即氮含量4.8 ～ 7.1 g/kg、磷含量1 018 mg/kg、鉀含量4 118.25 mg/kg、鈣含量359.05 mg/kg、鎂含量306.25 mg/kg、硫含量201.9 mg/kg、硼含量14.39 mg/kg、鐵含量10.41 mg/kg、錳含量3.49 mg/kg、鋅含量3.35 mg/kg、銅含量2.5 mg/kg，果實各品質指標值則均處于最大值，即果實中的可溶性糖含量為91.38%，可滴定酸含量為0.22%，蛋白質含量為20.06 mg/g，維生素C含量為1.58 mg/g，糖酸比為404.77。

3 結論與討論

礦質元素在果實品質形成中起著重要作用，果實品質綜合性狀主要受氮、鈣元素含量影響，其次是果實中的磷、硼、鐵、硫含量。本研究中采用偏最小二乘回歸，建立品質與礦質元素之間關系的回歸方程，根據線性規劃方程，求解出高品質灰棗果實中礦質元素的最佳含量或含量適宜范圍，即氮含量4.8 ～ 7.1 g/kg、磷含量1 018 mg/kg、鉀含量4 118.25 mg/kg、鈣含量359.05 mg/kg、鎂含量306.25 mg/kg、硫含量201.9 mg/kg、硼含量14.39 mg/kg、鐵含量10.41 mg/kg、錳含量3.49 mg/kg、鋅含量3.35 mg/kg 和銅含量2.5 mg/kg，在此條件下果實各品質指標最優，即果實中的可溶性糖含量為91.38%，可滴定酸含量為0.22%，蛋白質含量為20.06 mg/g，維生素C 含量為1.58 mg/g，糖酸比為404.77?；覘椆麑嵵胁煌V質元素的含量對果實品質特性的影響各異，提高磷、鎂、硫、硼、錳含量，降低鉀、鈣、鐵、鋅含量是提高灰棗果實品質的重要技術途徑。

灰棗作為新疆棗樹主栽品種，在當地經濟發展中起著重要作用。近年來，隨著灰棗產業的不斷發展，果園精準化施肥技術也日益受到關注。果實中的礦質營養元素含量主要是由根系和葉片對大量元素和微量元素的吸收、運輸和分配能力決定的，果實中的礦質營養元素含量與果實品質、生理病害和食用價值有密切關系[27-32]。彭程等[33]分析了廣東韶關黃金柰李果實品質與土壤礦質元素、葉片礦質元素之間的關系，篩選影響果實品質的關鍵因子，發現在柰李果園土壤磷元素含量豐富或過量、鈣元素含量處于低量或缺乏狀態的前提下，適當降低葉片磷元素含量，提升葉片中鈣元素、硼元素含量，可能有助于提升果實總體品質。文婷等[34] 通過研究金柑果實品質與果實礦質元素間的相關關系，發現根據果實礦質元素的分析結果可準確預測果實品質。閆帥等[35] 研究了南果梨葉片、果實中礦質元素與果實品質的關系，發現磷、鉀、鈣是影響南果梨可溶性糖含量的關鍵因素，可滴定酸含量主要受鉀、鎂元素影響，影響維生素C 含量的主要元素為氮、磷、鉀。周丹蓉等[36] 研究了10 個產地的‘芙蓉李果實品質與礦質元素含量的相關性，發現固酸比受錳的直接影響最大，可滴定酸含量受鐵的直接影響最大。Fallahi 等[29] 經研究認為，不同的礦質元素對果實品質有不同的影響，其中，氮、磷、鈣、硼等礦質元素對果實品質有不同程度的影響，鉀元素使蘋果果實變大，酸度提高，顏色變深，但硬度下降。本研究結果表明：果實品質受氮、鈣含量的影響較大，其次是磷、硼、鐵、硫含量；果實可溶性糖含量受氮、磷、鉀、鈣元素含量影響，并與氮元素含量有較大的正效應系數，與鉀元素含量有負的效應系數；可滴定酸含量主要受鈣、硼、氮、鐵元素含量影響，與氮、鈣、鐵含量有正效應系數，與硼含量有負效應系數；蛋白質含量主要受硫、氮、磷元素含量影響且均是正效應系數；維生素C 含量主要受氮、銅、硫、鋅元素含量影響，與氮、硫、銅含量有正效應系數，與鋅含量有負效應系數；糖酸比主要受硼、鈣、鐵、氮元素含量影響，與硼含量有正效應系數，與氮含量有最大的負效應系數。本研究結果與其他研究結果存在差異，這可能與氣候、樹種、樹齡等因素均有關。

本研究中僅測定分析了果實的主要營養品質指標，引入指標不夠全面，且該優化方案中棗果各礦質元素的含量均屬理論值，應根據品種、地域、氣候條件等實際情況進行調整。目前，尚不明確棗果礦質元素對棗果品質影響的分子機制，因此這將成為下一步研究的方向，可為棗果品質精細化調控研究提供參考。

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[ 本文編校：聞 麗]