贛南臍橙生長發(fā)育期果實和葉片礦質(zhì)營養(yǎng)與重金屬元素的動態(tài)變化及相關(guān)性分析

王小玲，劉卓榮，幸學(xué)俊，高 柱,2

(1 江西省科學(xué)院 生物資源研究所，江西 南昌 330096；2 江西農(nóng)業(yè)大學(xué) 園林與藝術(shù)學(xué)院，江西 南昌 330045)

礦質(zhì)營養(yǎng)是果樹生長發(fā)育、產(chǎn)量形成和果實品質(zhì)提高的物質(zhì)基礎(chǔ)，葉片養(yǎng)分含量反映果樹的營養(yǎng)狀況，且與果實品質(zhì)密切相關(guān)[1]。江西贛州是著名的“贛南臍橙”產(chǎn)地，享有“世界臍橙之鄉(xiāng)”的美譽。雖然贛南臍橙久負(fù)盛名，銷售市場前景樂觀，但近年來隨著柑橘黃龍病的暴發(fā)，大面積毀園轉(zhuǎn)產(chǎn)，不僅造成臍橙生產(chǎn)面積大幅度減少，而且影響市場對贛南臍橙果品質(zhì)量的評價[2]。另一方面，種植戶為了提高產(chǎn)出比，逐漸提高氮、磷、鉀化肥用量，有機肥用量減少，生產(chǎn)中營養(yǎng)施肥不均衡，葉片缺素癥引起的黃化現(xiàn)象在贛南臍橙優(yōu)勢產(chǎn)區(qū)普遍存在，嚴(yán)重制約了臍橙產(chǎn)量和品質(zhì)的提升[3]。此外，贛南享有“稀土王國”之美譽，礦區(qū)土壤中最低稀土含量是我國土壤稀土平均含量的2倍多[4]。鐘林生[5]、郭鵬然等[6]、汪振立等[7]研究認(rèn)為,贛南臍橙口感品質(zhì)上乘，這與土壤中高稀土含量關(guān)系密切，尤其是在稀土礦區(qū)內(nèi)種植的臍橙，有機營養(yǎng)物質(zhì)指標(biāo)均高于低稀土背景區(qū)。同時，劉平輝等[8]、董素欽[9]、尚媛等[10]、姚艷麗等[11]在南豐蜜桔、柑桔、蘋果梨和菠蘿等水果中的研究表明，果園較高的稀土含量，可促進(jìn)果樹生長，進(jìn)而提高果實品質(zhì)和產(chǎn)量，且輕稀土元素的影響大于重稀土元素。

因此，為了贛南臍橙產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，掌握臍橙果實營養(yǎng)的動態(tài)變化，探究影響臍橙果實營養(yǎng)含量和品質(zhì)的關(guān)鍵因素，本研究在以往單獨討論某一因素對臍橙品質(zhì)影響的基礎(chǔ)上，較為全面地闡述不同生長發(fā)育期臍橙果實營養(yǎng)物質(zhì)含量的變化，分析果實和葉片中大量元素(N、P、K、Ca、Mg)、微量元素(B、Fe、Mn、Cu、Zn)、重金屬元素(Pb、Cr、Cd)和輕稀土元素(La、Ce、Pr、Nd、Pm)的含量及其變化特征，探討果實和葉片中不同元素之間的相關(guān)性，為進(jìn)一步研究臍橙生理代謝和品質(zhì)形成的調(diào)控作用提供科學(xué)依據(jù)，進(jìn)而為指導(dǎo)贛南臍橙產(chǎn)業(yè)的合理施肥和提高品質(zhì)提供參考。

1 材料與方法

1.1 試材取樣及處理

試驗于2017年在江西省贛州市信豐縣龍舌村(115°00′27″E，25°23′05″N，海拔181.7 m)臍橙園進(jìn)行，選取10年生生長健康、結(jié)果穩(wěn)定的紐荷爾臍橙(Citrussinensis(L.)Osbeck ‘Newhall’)30株為試材，每小區(qū)10株，3次重復(fù)。

1.2 果園土壤養(yǎng)分情況

分別采集樣株樹冠下和根際區(qū)域0～20 cm和20～40 cm土層的土壤各1 kg，每棵樣株下均勻采集4～6個點，不同土層土壤混勻后，采用四分法棄除多余土壤，風(fēng)干研磨過2 mm篩，測定土壤中大量元素(N、P、K、Ca、Mg)、微量元素(B、Fe、Mn、Cu、Zn)、重金屬元素(Pb、Cr、Cd)及輕稀土元素(La、Ce、Pr、Nd、Pm)的含量，結(jié)果見表1。

表1 臍橙園土壤養(yǎng)分測定結(jié)果

1.3 試驗方法

自盛花期后90 d(7月)起，每隔1個月自植株樹冠外圍結(jié)果枝中上部的4個方向采取健康果(外觀顏色和果實大小相當(dāng))8～10個，自植株樹冠外圍中上部新梢中部的4個方向采取健康葉片15～20片。采后立即洗凈擦干，果實分別測定橫徑、縱徑和單果質(zhì)量，葉片去除主葉脈。然后，將果肉切碎混勻后，一部分樣品置液氮中迅速冷凍，貯藏于-80 ℃超低溫冰箱，用于總糖、蔗糖、還原糖、總酸和檸檬酸含量等營養(yǎng)指標(biāo)的測定；另一部分果肉和全部葉片烘干、粉碎后過2 mm篩，聚乙烯自封袋中保存，用于大量元素(N、P、K、Ca、Mg)、微量元素(B、Fe、Mn、Cu、Zn)、重金屬元素(Pb、Cr、Cd)及輕稀土元素(La、Ce、Pr、Nd、Pm)含量營養(yǎng)指標(biāo)的測定。

1.3.1 臍橙果實形態(tài)指標(biāo)測定 每組取臍橙新鮮樣果20個，采用電子天平(0.1 g)稱量20個單果的鮮質(zhì)量，用數(shù)碼游標(biāo)卡尺測量20個鮮果的縱徑和橫徑，分別取平均值，計算果形指數(shù)：果形指數(shù)=縱徑/橫徑。

1.3.2 臍橙果實營養(yǎng)成分測定 按照GB/T 5009.7-2008直接滴定法測定果實總糖、蔗糖、還原糖含量，按照GB/T 8210-2011酸堿滴定法測定總酸含量，按照GB/T 23877-2009高效液相色譜法測定檸檬酸含量。

1.3.3 臍橙果實和葉片礦質(zhì)元素含量測定 ①大量元素。按GB 5009.5-2010食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)中蛋白質(zhì)的檢測方法測定N含量，GB/T 5009.7-2003磷的檢測方法測定P含量，GB/T 5009.91-2003鉀的檢測方法測定K含量，GB/T 5009.92-2003鈣的檢測方法測定Ca含量，GB/T 5009.90-2003鎂的檢測方法測定Mg含量。②微量元素。按照GB/T 6041-2002質(zhì)譜分析方法通則測定B含量，GB/T 5009.90-2003檢測方法測定Fe和Mn含量，GB/T 5009.13-2003(第一法)檢測方法測定Cu含量，GB/T 5009.14-2003(第一法)檢測方法測定Zn含量。③重金屬元素。按照GB 5009.12-2010(第一法)檢測方法測定Pb含量，GB 5009.15-2014方法測定Cd含量，GB 5009.123-2014方法測定Cr含量,并計算重金屬的污染指數(shù)(重金屬含量實測值和評價標(biāo)準(zhǔn)的比值)。④輕稀土元素。采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS)測定，樣品消解參照食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)中“植物性食品中稀土元素的測定(GB 5009.94-2012)”的微波消解方法但有所修改，具體操作步驟參見王小玲等[12]的方法。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)用SPSS 16.0統(tǒng)計分析軟件和Excel法進(jìn)行統(tǒng)計整理和分析，采用Excel 2007繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 臍橙果實形態(tài)分析

表2 臍橙果實形態(tài)指標(biāo)的測定

注：同列數(shù)據(jù)后標(biāo)不同小寫字母表示不同生長期在0.05水平差異顯著，大寫字母表示在0.01水平差異顯著。下表同。

Note：Different lowercase letters indicate significant difference at 0.05 level, while different capital letters indicate significant difference at 0.01 level.The same below.

2.2 臍橙果實營養(yǎng)成分分析

糖、酸含量是決定臍橙果實品質(zhì)的關(guān)鍵指標(biāo)，糖酸比越高，品質(zhì)越好。由表3可知，臍橙果實糖酸比隨著生育期延長而逐漸增大。進(jìn)一步分析表明，從7月至11月份，臍橙果實總糖積累量隨著發(fā)育期延長逐漸增加，蔗糖和還原糖積累量則極顯著增加，蔗糖和還原糖分別占總糖的43.82%和42.77%，其中蔗糖在7-9月份積累量急劇增加，10-11月份增加緩慢，而還原糖積累量的增加幅度與蔗糖相反。果實總酸含量在7-9月份極顯著減少，10-11月份減少不顯著；果實檸檬酸含量最高可占總酸量的82.76%，檸檬酸含量變化趨勢與總酸相同，其中7-9月份檸檬酸含量降低了62.64%?？梢?，臍橙生長發(fā)育期也是果實總糖積累和總酸轉(zhuǎn)化減少的過程，果實總酸含量主要受檸檬酸含量的影響，不同時期蔗糖和還原糖對果實總糖的貢獻(xiàn)率還有待深入研究。

表3 臍橙果實營養(yǎng)成分的測定

2.3 臍橙果實和葉片礦質(zhì)元素含量分析

2.3.1 大量元素 圖1表明，在臍橙生長發(fā)育期，果實中的N、P、K、Ca、Mg積累量始終低于葉片。在臍橙果實中，大量元素含量依次表現(xiàn)為K>N>Ca>P>Mg，且其含量均隨果實生長發(fā)育期延長總體呈遞減趨勢，遞減幅度依次表現(xiàn)為Ca>P>Mg>K>N。葉片生長發(fā)育過程中，大量元素含量依次表現(xiàn)為Ca>K>N>Mg>P，其中Ca元素含量隨著生長發(fā)育期延長逐漸遞增，說明葉片吸收合成Ca元素的量大于轉(zhuǎn)移消耗的量；其他4種元素含量的變化規(guī)律與果實相同，遞減幅度依次表現(xiàn)為P>Mg>K>N。表明Ca是影響果實和葉片大量元素積累的主要因子，P和Mg次之，K和N最小。另外，果實和葉片大量元素的積累量在7-9月份的變化幅度大于10-11月份。

2.3.2 微量元素 由圖2可知，在臍橙生長發(fā)育過程中，果實中的B、Fe、Mn、Cu、Zn積累量均低于葉片，隨著生長發(fā)育期延長，果實和葉片中的5種微量元素含量變化表現(xiàn)出分異現(xiàn)象。果實生長發(fā)育過程中，微量元素含量依次表現(xiàn)為Zn>B>Mn>Cu>Fe，其中Fe、Mn和Cu含量總體上呈遞增趨勢，分別增加了33.33%，17.73%和93.90%；Zn和B含量呈遞減趨勢，分別降低了3.61%和6.64%。葉片生長發(fā)育過程中，微量元素含量依次表現(xiàn)為Mn>Fe>Zn>B>Cu，其中Fe、Mn、Cu和Zn含量變化趨勢與果實相同，且Fe、Mn和Cu含量分別增加了68.28%，95.06%和111.86%，Zn含量降低了9.62%。葉片B含量增加了25.52%，與果實變化趨勢相反?？梢?，葉片中微量元素含量不僅高于果實，而且變化幅度也大于果實，其中9月份是微量元素吸收、轉(zhuǎn)運及分配的關(guān)鍵時期，而在10-11月份，除葉片Cu元素和果實Zn元素含量外，其他元素含量的變化基本趨于穩(wěn)定。

圖1 臍橙果實和葉片中N、P、K、Ca、Mg含量的動態(tài)變化

圖2 臍橙果實和葉片中B、Fe、Mn、Cu、Zn含量的動態(tài)變化

2.3.3 重金屬元素 臍橙果實中重金屬元素含量的安全評價標(biāo)準(zhǔn)采用GB 2762-2017食品中污染物的限量(水果)值，其中Pb≤0.1 mg/kg、Cr≤0.5 mg/kg、Cd≤0.05 mg/kg。測定結(jié)果(表4)表明，在臍橙的生長發(fā)育期內(nèi)，Pb元素含量在葉片中呈現(xiàn)出逐漸增加趨勢，而在果實中未檢出。對Cr元素而言，葉片中的Cr元素含量在7-9月份呈先降低后升高趨勢，且變化幅度較大，10-11月份又逐漸降低；在果實中，7-9月份Cr元素急劇增加了76.36%，10-11月份又緩慢降低了17.46%；Cd元素在葉片和果實中的檢測值均小于0.003 mg/kg。因此，雖然臍橙葉片Pb含量表現(xiàn)出增加趨勢，但果實并未受到重金屬Pb和Cd的污染；不同時期臍橙果實Cr元素的綜合污染量為0.10～0.19 mg/kg，遠(yuǎn)小于0.5 mg/kg的限量值，因此贛南臍橙是無重金屬Pb、Cr、Cd污染的安全水果。

表4 臍橙果實和葉片中Pb、Cr、Cd含量的動態(tài)變化

注：“-”表示未檢出。

Note:“-” indicates not detected.

2.3.4 輕稀土元素 在王小玲等[12]研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析臍橙果實和葉片中5種輕稀土元素(La、Ce、Pr、Nd、Pm)的變化特征。結(jié)果(圖3)表明，葉片輕稀土元素含量極顯著高于果實。不同生長時期內(nèi)，葉片Pm含量的變化趨勢與其他4種輕稀土元素呈相反趨勢。在9月份，葉片Pm元素積累量最少，La、Ce、Pr、Nd積累量均達(dá)到最多；10-11月份，葉片Pm元素含量逐漸升高，而La、Ce、Pr、Nd元素含量均有所降低。另外，隨著生長時期的延長，果實中輕稀土元素La、Ce、Pr、Nd的積累量持續(xù)減少，而Pm元素未檢出。因此可見， 9月中旬以后葉片Pm積累量高于Pr含量，但轉(zhuǎn)移到果實中的Pm極少。Pm和Pr元素在臍橙葉片和果實中的轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化特性具有一定的差異性，其原因還有待深入研究。

圖3 臍橙果實和葉片中輕稀土元素含量的動態(tài)變化

2.4 臍橙果實和葉片各元素的相關(guān)性分析

臍橙果實各元素的相關(guān)性分析結(jié)果(表5)表明，大量元素P與N、Ca、Mg呈顯著正相關(guān)， K與Ca、Mg呈極顯著正相關(guān)，說明臍橙果實中N、P、K、Ca和Mg的吸收具有相互促進(jìn)作用。微量元素B、Fe、Mn、Cu、Zn間的相關(guān)性未達(dá)到顯著水平，而Cu與大量元素相關(guān)性顯著，其中Cu與N、K、Mg呈顯著負(fù)相關(guān)，與P、Ca呈極顯著負(fù)相關(guān)，這說明微量元素之間的吸收相互間影響不大，而大量元素N、P、K、Ca、Mg的含量均會密切影響Cu元素的吸收與分配，且與其存在拮抗關(guān)系。果實輕稀土元素之間，除Ce與Nd的相關(guān)性未達(dá)到顯著水平外，其他各元素之間均呈顯著或極顯著正相關(guān)；微量元素Cu與4種輕稀土元素La、Ce、Pr、Nd呈顯著或極顯著負(fù)相關(guān)；另外，輕稀土元素Ce含量與大量元素N、P呈顯著正相關(guān)，而La、Pr、Nd含量分別與P、K、Ca、Mg元素呈顯著或極顯著正相關(guān)。由此說明，臍橙果實微量元素Cu含量越高，對其他元素吸收與積累的影響作用越明顯，而其他元素之間存在不同程度的協(xié)同促進(jìn)關(guān)系，其中P、K、Ca的協(xié)同促進(jìn)作用尤為突出。

表5 臍橙果實中各元素的相關(guān)性分析

注：**表示在P<0.01水平上極顯著相關(guān)，*表示在P<0.05水平上顯著相關(guān)。下表同。

Note：“**” indicates highly significant correlation atP<0.01 level,“*” indicates significant correlation atP<0.05 level. The same below.

臍橙葉片中各元素的相關(guān)性分析結(jié)果(表6)表明，大量元素中除Ca與其他元素呈顯著或極顯著負(fù)相關(guān)外，其他各元素間均存在相互促進(jìn)作用，其中K與N、P、Mg呈顯著正相關(guān)，這說明K對其他元素的促進(jìn)或抑制作用較小。微量元素Mn與Cu呈顯著正相關(guān)，與Zn呈顯著負(fù)相關(guān)，其他元素間相關(guān)性不顯著；但是Mn與大量元素Ca呈顯著正相關(guān)，與其他大量元素呈顯著負(fù)相關(guān)，Zn元素則相反。輕稀土元素La、Ce、Pr、Nd間呈顯著或極顯著正相關(guān)，但Pm元素對其他4種輕稀土元素影響甚微，微量元素B對Pm元素的吸收、積累具有顯著的促進(jìn)作用；大量元素Ca可以促進(jìn)La、Nd元素的吸收，微量元素Zn則會抑制其吸收。

表6 臍橙葉片中各元素的相關(guān)性分析

3 討論與結(jié)論

柑橘類果實中的糖、酸含量是決定果實品質(zhì)的重要指標(biāo)。一般認(rèn)為，柑橘類果實的糖積累屬于蔗糖積累型[13]，蔗糖含量是影響果實風(fēng)味的主要成分[14]。果實中的可溶性糖來自葉源的光合同化，其先貯藏在液泡中，再以蔗糖的形式運輸?shù)焦麑?，紐荷爾臍橙果實中的蔗糖含量最高可達(dá)總糖的60.19%[15]。王貴元等[16]的研究表明，紅肉臍橙中的蔗糖主要在果實著色期積累，而葡萄糖和果糖主要于果實成熟期積累。本研究表明，臍橙果實中蔗糖和還原糖占總糖量的比率差異不大，但不同時期表現(xiàn)出的增量變化非常明顯。因此，臍橙果實中糖的積累量不僅受品種的影響，且不同時期起主要作用的糖種類也會存在差異。

按成熟果實中所積累的主要有機酸，可將果實分為蘋果酸型、檸檬酸型和酒石酸型3大類，柑橘屬檸檬酸型[17]，即其果實中的有機酸主要為檸檬酸，含量最高可達(dá)總酸的75.4%～96.9%，是影響風(fēng)味的決定性有機酸[18]。本研究表明，臍橙檸檬酸含量最高可達(dá)總酸含量的82.76%，與孫達(dá)等[15]對11個紐荷爾臍橙產(chǎn)地果實樣品分析的結(jié)果一致，即檸檬酸是臍橙果實的主要有機酸。臍橙果實近球形，不同時期糖酸比變化差異較大，為9.75～47.81。研究表明，不同時期臍橙果實的糖酸含量受土壤類型、氣候因素、貯藏方式、施肥種類、樹齡大小等多種因素的影響[19-21]，但主要原因還有待于采用統(tǒng)計方法針對單一因素進(jìn)行進(jìn)一步分析。

土壤礦質(zhì)營養(yǎng)是果樹生長發(fā)育、產(chǎn)量和品質(zhì)形成的物質(zhì)基礎(chǔ)，樹體所需的礦質(zhì)營養(yǎng)直接來源于土壤[22]。研究表明，土壤營養(yǎng)狀況不僅會直接影響果實產(chǎn)量和糖酸含量，提高固/酸值和糖/酸值，改善果實品質(zhì)[23-25]，而且還可以通過葉片分析反映樹體的營養(yǎng)狀況以及果實的生長發(fā)育和品質(zhì)狀況[26]。本研究發(fā)現(xiàn)，礦質(zhì)營養(yǎng)元素對臍橙生長發(fā)育至關(guān)重要，9月份是臍橙葉片和果實礦質(zhì)營養(yǎng)元素變化的關(guān)鍵時期，不同生長時期葉片礦質(zhì)元素含量都高于果實，其中微量元素Fe、Mn、Cu處于積累狀態(tài)，但Zn元素卻相反，這可能與Zn元素轉(zhuǎn)移到其他器官導(dǎo)致Zn元素含量不足，進(jìn)而影響臍橙園產(chǎn)量有關(guān)[27]。相關(guān)性分析進(jìn)一步表明，大量元素Ca、Mg和微量元素Cu、Zn是影響果實和葉片礦質(zhì)營養(yǎng)積累的關(guān)鍵因子。果實大量元素間相互促進(jìn)積累，但大量元素明顯抑制Cu的積累，這可能與Cu是重金屬元素有關(guān)，適量的Cu元素可以促進(jìn)果樹生長，提高果實品質(zhì)，但超過臨界值，果實的生長和品質(zhì)就會受到抑制，也會對人體健康造成威脅，這與關(guān)軍鋒[28]和陳麗旋等[29]的研究結(jié)果一致。因此，臍橙果實的生長發(fā)育和品質(zhì)形成直接受葉片和果實中各種礦質(zhì)營養(yǎng)元素的協(xié)同調(diào)控，其調(diào)控的關(guān)鍵因素及其對果樹生長和果實品質(zhì)的影響機制還有待深入探究。

基于國內(nèi)對楊梅[30]、棗[31]、桃[32]等果實重金屬元素的檢測研究，尤其是重金屬在蘋果[33-34]中的富集水平及對品質(zhì)影響的深入研究表明，雖然80%果實處于安全范圍之內(nèi)，但重金屬檢出率則達(dá)到了100%，可見果實中重金屬超標(biāo)的潛在可能性不容忽視。對貴州柑橘園的調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，果實中的重金屬富集量與葉片和土壤中的重金屬含量同時呈正相關(guān)[35]，但是葉片和土壤重金屬含量對果實重金屬含量的貢獻(xiàn)率還不清楚。王星梅等[36]和賀靈等[37]對贛南臍橙園的調(diào)查評價表明，部分重金屬存在潛在的環(huán)境風(fēng)險，并輕度超標(biāo)。本研究對信豐臍橙園的調(diào)查研究表明，雖然土壤和果實均未受Pb、Cr、Cd 3種重金屬的污染，果實中Pb和Cd的檢出率為0，但并不代表其他重金屬元素不會對臍橙品質(zhì)造成影響。因此，關(guān)于重金屬對贛南臍橙品質(zhì)的影響研究還需要大面積調(diào)查，查清造成潛在風(fēng)險的影響因素和重金屬元素的形態(tài)分布特征。

贛南是全國稀土儲量和產(chǎn)量最多的地區(qū)，礦區(qū)土壤中稀土最低含量為我國土壤稀土平均含量的2倍多。多數(shù)研究認(rèn)為，輕稀土元素有利于植物吸收，在植物體內(nèi)的分布豐度較大[38]，與植物品質(zhì)的相關(guān)性較強[39]，有利于提高植物果實的品質(zhì)[40]。因此，越來越多的研究者開始探尋贛南臍橙的優(yōu)質(zhì)品質(zhì)與稀土元素的相關(guān)性，汪振立等[7]的研究表明，贛南臍橙果園土壤中La、Ce、Pr、Nd 4 種輕稀土元素有利于促進(jìn)臍橙有機營養(yǎng)物質(zhì)的形成。但也有研究表明，不同臍橙品種和部位對輕稀土元素吸收積累的差異較大，臍橙對輕稀土元素的吸收能力也受到元素種類的影響[41]。本研究表明，臍橙葉片對輕稀土元素的吸收能力遠(yuǎn)高于果實，臍橙對4種輕稀土元素(La、Ce、Pr、Nd)的積累量與其在土壤中的含量及果實與葉片中的輕稀土元素含量呈正相關(guān)，但在臍橙果實中未檢測出Pm元素，推測這與葉片Pm元素積累受微量元素B的顯著影響有關(guān)。