不同品種油茶葉片礦質(zhì)元素含量特征及差異分析

曹永慶，任華東，王開良，徐文才，周 慶，姚小華*

(1. 中國林業(yè)科學(xué)研究院亞熱帶林業(yè)研究所，杭州 311400；2. 浙江省江山市林業(yè)局，江山 324100)

油茶（Camellia oleiferaAbel.）是我國南方重要的木本油料樹種，具有綜合利用價(jià)值高、生態(tài)效益好的優(yōu)點(diǎn)[1-2]，目前全國種植面積已達(dá)400 多萬hm2，在脫貧攻堅(jiān)、鄉(xiāng)村振興等國家戰(zhàn)略中發(fā)揮著重要作用。根據(jù)國家林草局2020 年《油茶產(chǎn)業(yè)發(fā)展指南》，至2025 年，全國油茶發(fā)展面積將達(dá)600 萬hm2，發(fā)展?jié)摿Υ?，前景廣闊。

環(huán)境和基因影響植物對養(yǎng)分的吸收和利用，植物體的養(yǎng)分生理狀態(tài)則反映了其對環(huán)境的適應(yīng)性[3]。油茶遺傳多樣性豐富[4]，栽培品種繁多[5]，而且不同品種的適應(yīng)性差異較大[6]，葉片礦質(zhì)元素的含量受品種、立地條件、林分年齡、管理措施等多個(gè)因素的影響，研究樹體礦質(zhì)營養(yǎng)特征，是開展科學(xué)營養(yǎng)管理和新品種培育等工作的基礎(chǔ)。目前，關(guān)于油茶礦質(zhì)營養(yǎng)特征等方面的研究，多集中在單個(gè)或幾個(gè)品種的N、P、K、Ca、Mg、Mn、Al 等大中量元素上，如主要礦質(zhì)元素的吸收利用規(guī)律[7-10]、鋁和錳元素的超積累和利用特征[11-13]、磷的高效吸收[14]等，而對Fe、Ba、Na、Sr、B、Zn、Cu 等微量元素的分析研究相對較少，對油茶葉片礦質(zhì)元素的含量特征認(rèn)識仍然較為局限。基于此，本研究以廣泛栽培的‘長林40 號’、‘長林23 號’和‘長林53 號’3個(gè)‘長林’系列油茶良種為研究對象，對不同土壤條件下正常生長林分葉片中17 種礦質(zhì)元素的含量進(jìn)行測定和分析，解析油茶葉片的礦質(zhì)元素含量特征及其在品種間的差異性，以期為進(jìn)一步開展油茶樹體礦質(zhì)營養(yǎng)吸收利用機(jī)制研究和科學(xué)營養(yǎng)管理提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于浙江省江山市清湖鎮(zhèn)（試驗(yàn)點(diǎn)1）和青田縣船寮鎮(zhèn)（試驗(yàn)點(diǎn)2）油茶采穗圃，屬低山丘陵區(qū)，具有典型亞熱帶季風(fēng)季候，土壤以紅黃壤為主，江山市清湖鎮(zhèn)基地海拔100 m，年平均氣溫17 ℃，年降水量1 850 mm，土壤有機(jī)質(zhì)含量25.3 g·kg-1；青田縣船寮鎮(zhèn)基地海拔300 m，年平均氣溫17 ℃，年降水量1 700 mm，土壤有機(jī)質(zhì)含量11.9 g·kg-1。兩個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的土壤礦質(zhì)元素含量特征見表1。

表1 兩個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的土壤礦質(zhì)元素含量Table 1 The contents of mineral elements in soil of the two tested sites

基地主要油茶良種為‘長林40 號’、‘長林53 號’、‘長林18 號’、‘長林23 號’、‘長林4 號’等“長林”系列國家審定油茶良種，2010 年種植，株行距2 m ×3 m，正常管理。

1.2 試驗(yàn)方法

2020 年7 月，分別在兩個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)隨機(jī)選取正常生長的‘長林40 號’（CL40）、‘長林53 號’（CL53）和‘長林23 號’（CL 23）植株各10 株，分單株進(jìn)行取樣和測定。在樹冠中部東、西、南、北4 個(gè)方向，采取正常的當(dāng)年生春梢中部葉片（頂葉往下第3、第4 片葉）30～50 片，進(jìn)行礦質(zhì)元素含量分析。

1.3 測定方法

葉片樣品用電阻率為18 MΩ·cm 超純水清洗3遍，105 ℃殺青30 min，70～80 ℃下烘干至恒質(zhì)量并粉碎，用HNO3-HClO4濕灰化，凱氏定氮法測定氮元素含量，鉬銻抗比色法測定磷元素含量，硫酸鋇比濁法測定硫元素的含量，電感耦合等離子體質(zhì)譜（ICP-MS）法測定K、Ca、Mg、Zn、Cu、Fe、Mn、Al、Ba、Na、Sr、B、Ni 和Ti 元素的含量。所有測定工作在國家林業(yè)和草原局經(jīng)濟(jì)林產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)檢測中心（杭州）完成。

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)采用SPSS18.0 和Microsoft Excel 2003 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析并作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同品種油茶品種葉片礦質(zhì)元素含量特征分析

由表2 可知，油茶葉片各大中量礦質(zhì)元素中，N元素的含量最高，平均含量為14.45 g·kg-1，其次為Ca、K 和Al 元素，平均含量為3.12 ～ 6.79 g·kg-1，P、S、Mg 和Mn 元素平均含量較低，為0.79 ～ 1.68 g·kg-1；微量元素部分，F(xiàn)e、Ba 和Na 元素的含量較高，平均含量為45.54 ～ 71.94 mg·kg-1，其次為Sr 和B 元素，平均含量分別為21.10 和14.73 mg·kg-1，Zn、Cu、 Ni 和Ti 元素含量最低，平均在1.43 ～ 9.52 mg·kg-1之間；油茶葉片礦質(zhì)元素含量高低順序?yàn)镹＞Ca、K、Al＞P、S、Mg、Mn＞Fe、Ba、Na＞Sr、B＞Zn、Cu、Ni、Ti。

表2 不同品種油茶葉片礦質(zhì)元素含量多重比較Table 2 Multiple comparison of mineral element contents in leaves from different varieties of C. oleifera

各礦質(zhì)元素含量在供試3 個(gè)品種間差異顯著，并且在不同立地條件下表現(xiàn)不同。 如江山試驗(yàn)點(diǎn)‘長林40 號’、‘長林53 號’和‘長林23 號’葉片K 元素含量分別為4.45、5.25 和7.71 g·kg-1，差異顯著，而青田試驗(yàn)點(diǎn)3 個(gè)品種葉片的K 元素含量分別為5.59、6.26 和5.94 g·kg-1，無顯著差異?？傮w來看，供試品種葉片K、Cu、Al、Na 和Ni 元素含量僅在一個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)呈現(xiàn)出顯著性差異，而N、Ca、P、S、Mn、B、Fe、Zn、Ba、Sr 和Ti 元素含量在兩個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)均呈現(xiàn)出顯著性差異，Mg 元素含量則在兩個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)均無顯著性差異。這可能與各品種對礦質(zhì)元素的吸收利用特性差異有關(guān)。

2.2 各礦質(zhì)元素的變異系數(shù)分析

分別對品種間以及品種內(nèi)單株間各礦質(zhì)元素含量的變異系數(shù)進(jìn)行了分析，結(jié)果（圖1）表明，各礦質(zhì)元素在單株間的變異系數(shù)在8.01% ～ 48.26%之間，品種間的變異系數(shù)在6.32% ～ 58.85%之間；N、Ca、K、P、S、Mg、Cu、Al、Na 和Ti 元素含量在品種間和品種內(nèi)單株間的變異系數(shù)較低，均在20%以下；Mn 和Ba 元素含量的變異系數(shù)較高，Ni、Sr和B 元素含量的變異系數(shù)居中。相關(guān)性分析表明，各礦質(zhì)元素含量的品種間和品種內(nèi)變異系數(shù)呈顯著正相關(guān)關(guān)系（R2= 0.805 2，P＜0.05）。本研究兩個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)范圍內(nèi)，N、P 和S 3 種元素在品種間的變異系數(shù)均顯著高于品種內(nèi)單株間的變異系數(shù)。聚類分析表明，根據(jù)變異系數(shù)的大小，可將17 種礦質(zhì)元素分為3 組：N、P、S、Al、K、Cu、Fe、Na、Ti 和Mg 元素為一組，變異系數(shù)相對較??；Ca、Zn、Sr、B 和Ni 元素為一組，變異系數(shù)居中；Mn 和Ba 元素的變異系數(shù)最高。

圖1 油茶葉片各礦質(zhì)元素含量的變異系數(shù)Figure 1 Coefficient of variation of mineral element contents in leaves of C. oleifera

2.3 油茶葉片各礦質(zhì)元素含量間的相關(guān)性

如表3 所示，油茶葉片各礦質(zhì)元素間存在復(fù)雜的相互關(guān)系，N、P 和S，F(xiàn)e、Mn 和Al，B 和Fe，Zn 和Na，Cu 和Ni，Ti 和Ca，Ti 和Fe 7 組元素間存在顯著強(qiáng)正相關(guān)關(guān)系，其中N 和P、S 元素間的相關(guān)系數(shù)分別為0.916 和0.907，Mn 和Fe、Al 元素間的相關(guān)系數(shù)分別為0.810 和0.759，B 和Fe，Zn和Na，F(xiàn)e 和Ti，Cu 和Ni 以及Ca 和Ti 元素含量間的相關(guān)關(guān)系分別為0.741、0.783、0.734、0.794和0.776；K 元素含量則與其他各元素含量間均呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系；從中度相關(guān)或強(qiáng)相關(guān)元素的數(shù)量來看（圖2），K、Mn、Fe、Al 均與11 種及以上礦質(zhì)元素存在顯著相關(guān)關(guān)系，而與Mg、Zn、Na 和Sr 顯著相關(guān)的元素?cái)?shù)量最少。

圖2 礦質(zhì)元素間的相關(guān)性Figure 2 The correlations among different mineral elements

表3 礦質(zhì)元素間雙變量相關(guān)性分析(n = 60)Table 3 Mineral correlation analysis (n = 60)

2.4 油茶葉片特征礦質(zhì)元素分析

鑒于各礦質(zhì)元素間存在顯著相關(guān)性，對3 個(gè)品種間具有顯著差異的16 種礦質(zhì)元素（Mg 元素除外）進(jìn)行主成分分析。結(jié)果顯示前4 個(gè)主成分的累積貢獻(xiàn)率為78.685%，其中第1 主成分特征值為4.153，貢獻(xiàn)率25.956%，Ca、Ba 和Ti 元素具有較高荷載；第2 主成分特征值為3.646，貢獻(xiàn)率22.790%，N、P 和S 元素具有較高荷載；第3 主成分特征值為2.996，貢獻(xiàn)率為18.727%，B 和Sr 元素具有較高荷載；第4 主成分特征值為1.794，貢獻(xiàn)率11.212%，Na 元素具有較高荷載（表4）。

表4 主成分分析結(jié)果Table 4 Results of principal component analysis

以各成分上荷載較高的N、P、S、Ca、Ba、Ti、B、Sr 和Na 元素為變量，對兩個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的3 個(gè)品種進(jìn)行判別分析，其中函數(shù)1 的各礦質(zhì)元素系數(shù)分別為0.204、14.146、-0.679、0.298、-0.268、347.595、45.872、6 512 和1.889，常量為-10.752；函數(shù)2 的各礦質(zhì)元素系數(shù)則分別為0.646、-4.491、13.926、-0.159、19.742、-565.708、-6.347、9.359 和3.705，常量為-0.613。 判別正確率達(dá)96.70%（圖3 和表5），‘長林40 號’、‘長林53 號’和‘長林23 號’3 個(gè)品種的組質(zhì)心分別為（0.395，1.410）、（1.631，-0.934）和（-2.026，-0.477），區(qū)分效果較為理想。

表5 品種判別分析分類結(jié)果Table 5 The result of discriminant analysis on varieties

圖3 品種判別函數(shù)Figure 3 Variety discrimination function

3 討論與結(jié)論

作為我國南方亞熱帶地區(qū)生長的多年生灌木或灌喬木樹種，油茶與一年生的蔬菜作物相比，葉片F(xiàn)e、P、K 元素含量較低，Al、Mn、Cu 元素含量較高[15]；與柑橘類常綠果樹相比，葉片中的N、P、K、Ca、Mg、S 等大中量元素含量較低，F(xiàn)e、Zn、Cu等微量元素含量類似[16]，Al、Mn 元素含量較高；與同一科屬的茶葉相比， 油茶葉片Al 元素的含量更高，約為茶葉5～10 倍[17]。可見，油茶樹是典型的鋁錳富集植物，其對Al 元素的富集能力更強(qiáng)[12,18]；此外，不同品種油茶葉片礦質(zhì)元素的含量高低相對一致。本研究中‘長林40 號’、‘長林23 號’、‘長林53 號’與前期在‘長林4 號’[7-8]以及其他品種或類型[10,19-20]上的研究結(jié)果相一致。可見，油茶葉片礦質(zhì)元素含量高低順序（N＞Ca、K、Al＞P、S、Mg、Mn＞Fe、Ba、Na＞Sr、B＞Zn、Cu、Ni、Ti）具有普遍意義。

不同油茶品種間葉片礦質(zhì)元素含量存在差異，如前期研究也發(fā)現(xiàn)‘長林53 號’葉片N、P、K 礦質(zhì)元素的平均含量顯著高于‘長林4 號’[7]，這可能跟基因型的差異有關(guān)。此外，油茶葉片礦質(zhì)元素的含量并非穩(wěn)定不變的，在同一地點(diǎn)，相同品種單株間不同礦質(zhì)元素含量的變異系數(shù)在 8.01% ～48.26%之間，品種間的變異系數(shù)在6.32% ～ 58.85%之間（圖1），差異較大。礦質(zhì)元素含量的變異系數(shù)一方面體現(xiàn)了樹體對特定環(huán)境條件的適應(yīng)性，另一方面也體現(xiàn)了基因型在營養(yǎng)利用特征方面的差異。本研究明確了各礦質(zhì)元素含量的變異系數(shù)，為進(jìn)一步開展油茶葉片礦質(zhì)元素的分析和開展?fàn)I養(yǎng)高效利用品種的篩選研究提供了參考。

植物礦質(zhì)離子間存在復(fù)雜的相互作用關(guān)系[21]，而且在不同植物或樹種間表現(xiàn)不同[22-24]。本研究分析了典型的鋁錳富集油茶葉片的礦質(zhì)離子間的相互關(guān)系，其中，N、P 和S 3 種元素間表現(xiàn)出顯著強(qiáng)正相關(guān)關(guān)系，這與其他植物的研究結(jié)果相一致[25]；K元素含量則與其他各元素含量間均呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，這可能與K+與N、Ca、P 等礦質(zhì)元素間易形成拮抗作用有關(guān)；Fe、Mn 和Al 3 種元素間呈顯著強(qiáng)正相關(guān)，表明三者存在較強(qiáng)的協(xié)同吸收關(guān)系，Al 元素的平衡供給一定程度上有利于油茶對Fe 和Mn 元素的吸收，從而促進(jìn)植物的正常生長[26]，這為解析油茶鋁利用機(jī)制提供了參考；此外，K、Mn、Fe、Al 均與11 種及以上礦質(zhì)元素存在顯著中度相關(guān)或強(qiáng)相關(guān)關(guān)系（圖2），可見在油茶的營養(yǎng)利用和管理中，除N、P、K、Ca、Mg 和S 元素外，還需注意Fe、Mn 和Al 營養(yǎng)協(xié)同吸收關(guān)系和平衡。

植物礦質(zhì)元素指紋特征不僅用于產(chǎn)地追溯研究[27]，而且也用來進(jìn)行品種判別和評價(jià)分析[28-30]，但在油茶相關(guān)研究中，基于品種特性的礦質(zhì)元素含量特征和判別分析還鮮見相關(guān)報(bào)道。本研究中，以各主成分上荷載較高的N、P、S、Ca、Ba、Ti、B、Sr 和Na元素為變量對江山和青田兩個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的‘長林40 號’、‘長林23 號’和‘長林53 號’3 個(gè)品種進(jìn)行判別分析，判別正確率分別達(dá)到了95%、95%和100%，總體正確率達(dá)96.70%（表5）?？梢?，‘長林40 號’、‘長林23 號’和‘長林53 號’3 個(gè)品種礦質(zhì)元素含量特征差異較大，是3 個(gè)不同的礦質(zhì)營養(yǎng)利用類型，N、P、S、Ca、Ba、Ti、B、Sr 和Na元素可作為該3 個(gè)品種的特征元素用于品種的判別分析，這為進(jìn)一步利用礦質(zhì)元素指紋開展不同品種營養(yǎng)利用特征分析提供了思路。