延安新造耕地下不同品种马铃薯微量元素含量分析与评价*

王祥龙 苏翠翠 马吉福 陈学林**

（1 西北师范大学生命科学学院 甘肃兰州 730070 2 中国科学院地球环境研究所 陕西西安 710061）

黄土高原地区生态环境脆弱，土质疏松，沟壑纵横，其长度大于500 m 的沟道约有27 万多条，总面积大约64 万km2，严重影响了区域经济社会可持续发展。 新中国成立以来，党和国家十分重视黄土高原生态建设，先后经历坡面治理、沟坡联合治理、小流域综合治理和退耕还林草工程［1］，取得了良好效果。 尤其是退耕还林草工程效果尤为显著。自1999年实施退耕还林草工程以来，黄土高原的生态环境有了很大改善，植被覆盖率由1999年的31.6%提高到2013年的59.6%［2］，有效遏制了黄土高原的水土流失。但黄土高原人-地-粮之间的矛盾日益凸显。 研究指出坡度大于15 度适宜退耕还林草，黄土高原应还林草面积为236 万hm2，截止2008年实际退耕面积为483 万hm2，远远超过预期退耕还林面积。 这一情况无疑加剧了当地人口的粮食需求量与实际粮食供应量之间的矛盾。 为了解决这一矛盾，中国政府在黄土高原部分地区实施了治沟造地工程项目，该工程总投资50 亿，造地48 万hm2［1］。 这一工程不仅有效解决粮食短缺问题、减缓当地水土侵蚀，而且有利于丘陵沟壑地区生态、经济、社会的可持续稳定发展。然而，新造耕地土壤贫瘠，不利于农业生产［1］。

马铃薯（solanum tuberosumL.）是茄科茄属草本块茎植物，栽培种起源于南美洲的哥伦比亚、秘鲁、玻利维亚的安第斯山山区及乌拉圭等地。 其栽培种历史悠久，可追溯到距今4 800—4 000年前，欧洲发现新大陆后，马铃薯经欧洲逐次传到世界各地。 目前，马铃薯已成为世界上仅次于小麦、水稻、玉米之后的第四大粮食作物，中国已成为世界第一大马铃薯生产国，面积和总产均居世界第1 位［3～8］。

科学研究表明，人体中必需的微量元素与生命过程极为密切，并在新陈代谢中起着很重要的作用，它是酶和维生素不可缺少的活性因子，直接影响着人体的健康［9～11］。 前期研究发现，不同农作物在新造耕地上生长发育状态差异较大，马铃薯在新造耕地生长良好。但是，延安新造耕地下种植的马铃薯中微量元素含量如何并不清楚，为此本研究通过对延安新造耕地种植的12 个马铃薯品种微量元素含量的测定、分析与评价，以期筛选出微量元素含量相对较高的马铃薯品种，为后期马铃薯品种的进一步筛选提供数据支持。

1 材料与方法

1.1 材料 2017年4 月中旬于延安新造耕地种植12 个不同品种马铃薯，同年9 月中旬收获。 待收获后选取具有代表性且形状、 大小均一的马铃薯作为实验材料。

1.2 仪器与试剂

主要仪器：原子吸收光谱仪，德国耶拿分析仪器股份公司； 鼓风干燥箱； 分析天平； 植物粉碎机。 主要试剂：浓硝酸（AR）和浓盐酸（AR）；Fe、Mn、Zn、Cu、Mo、Co、Cr、Ni 的1 000 μg/mL 标准溶液；超纯水。

1.3 实验方法

1）样品处理。将马铃薯用去超纯水充分洗净，切碎，将其放入恒温干燥箱中烘至质量恒重，最后用植物粉碎机磨成粉备用。

2）样品消解。 称取通过2 mm 筛孔的烘干马铃薯样1.000 g 于消解管中，加浓硝酸15 mL，62%高氯酸3 mL，轻轻摇动，与样品混匀，冷置过夜；第2 天置于电热板上低温加热至有机物大部分被分解，待溶液沸腾不甚剧烈时，稍稍提高温度（不大于250℃，保持微沸）；待消化至溶液白色呈透明状（切勿蒸干），取下冷却，用超纯水洗入50 mL 容量瓶并定容，摇匀待测，同时制备空白对照［12］。

3）测定方法。 Fe、Mn、Zn、Cu 的测定采用火焰原子吸收法；Mo、Co、Cr、Ni 的测定采用石墨炉法。

1.4 数据统计分析方法 本研究所列结果为3次重复测定值的平均值，用Excel 2010 软件进行数据整理，用SPSS 20.0 统计软件进行相关性分析和主成分因子分析，Origin8.5 进行制图。

2 结果与分析

2.1 不同品种马铃薯微量元素含量比较 对12个不同品种马铃薯Fe、Mn、Zn、Cu、Mo、Co、Cr、Ni 微量元素含量进行测定，结果见表1。比较结果如表1。

表1 不同品种马铃薯微量元素含量（单位：mg/kg）

Fe的含量在24.99～107.06 mg/kg 之间，‘夏波蒂’、‘新大坪’、‘青薯168’、‘陇薯3 号’、‘陇薯6号’、‘陇薯7 号’、‘陇薯10 号’、‘费乌瑞它’、‘克新18 号’、‘克新1 号’的Fe 含量均极显著高于‘本地品种’（P＜0.01），其中‘夏波蒂’和‘陇薯7 号’的含量最高，分别为75.05 mg/kg 和107.06 mg/kg；‘青薯9 号’ 含量最低，为24.99 mg/kg 且极显著低于‘本地品种’。

Mn 的含量在1.38～8.47 mg/kg 之间，‘夏波蒂’、‘陇薯7 号’、‘陇薯10 号’、‘克新18 号’、‘克新1 号’的Mn 含量均极显著高于‘本地品种’（P＜0.01），其中‘夏波蒂’和‘陇薯7 号’的含量最高，分别为8.47 mg/kg 和6.87 mg/kg；‘新大坪’，‘青薯168’、‘青薯9 号’、‘陇薯3 号’的Mn 含量均极显著低于于‘本地品种’（P＜0.01），其中‘青薯9号’和‘陇薯3 号’的含量最低，分别为1.38 mg/kg和1.43 mg/kg，‘陇薯6 号’、‘费乌瑞它’与‘本地品种’无显著性差异。

Zn的含量在1.71～26.46 mg/kg 之间，‘夏波蒂’和‘克新1 号’的含量最高，分别为20.55 mg/kg 和26.46 mg/kg，且极显著高于‘本地品种’（P＜0.01）；‘新大坪’、‘青薯168’、‘陇薯3 号’、‘陇薯6 号’、‘陇薯7 号’、‘陇薯10 号’、‘费乌瑞它’ 的Zn 含量均极显著低于本地品种（P＜0.01），其中‘陇薯3号’和‘陇薯6 号’的含量最低，分别为2.47 mg/kg和1.71 mg/kg，‘克新18 号’与‘本地品种’无显著性差异。

Cu 的含量在2.32～19.96 mg/kg 之间，‘夏波蒂’、‘新大坪’、‘青薯168’、‘陇薯3 号’的Cu 含量均极显著高于‘本地品种’（P＜0.01），其中‘新大坪’和‘陇薯3 号’的含量最高，分别为19.75 mg/kg 和19.96 mg/kg；‘费乌瑞它’、‘克新18 号’、‘克新1号’的Cu 含量均极显著低于‘本地品种’（P＜0.01），其中‘克新18 号’和‘克新1 号’的含量最低，分别为3.07 mg/kg 和2.32 mg/kg，‘陇薯6 号’、‘陇薯7号’、‘陇薯10 号’与‘本地品种’无显著性差异。

Mo 的含量在0.078～0.536 mg/kg 之间，‘新大坪’、‘陇薯10 号’、‘费乌瑞它’ 的Mo 含量均极显著高于‘本地品种’（P＜0.01），‘陇薯6 号’、‘陇薯7号’、‘克新18 号’显著高于‘本地品种’（P＜0.05），其中‘新大坪’和‘费乌瑞它’的含量最高，分别为0.536 mg/kg 和0.449 mg/kg；‘青薯9 号’、‘陇薯3号’的含量低于‘本地品种’且无显著性差异，含量分别为0.160 mg/kg 和0.147 mg/kg。

Co 的含量在0.021～0.075 mg/kg 之间，‘夏波蒂’、‘新大坪’、‘青薯168’、‘青薯9 号’、‘陇薯3号’、‘陇薯10 号’、‘费乌瑞它’、‘克新18 号’、‘克新1 号’的Co 含量均极显著高于‘本地品种’（P＜0.01），其中‘陇薯3 号’和‘克新18 号’的含量最高，分别为0.075 mg/kg 和0.069 mg/kg；‘陇薯6号’和‘本地品种’的含量最低，分别为0.029 mg/kg和0.021 mg/kg。

Cr 的含量在0.039～0.118 mg/kg 之间，‘青薯9 号’、‘陇薯10 号’、‘费乌瑞它’、‘克新18 号’、‘克新1 号’ 的Cr 含量均极显著高于 ‘本地品种’（P＜0.01），‘陇薯6 号’、‘陇薯7 号’显著高于‘本地品种’（P＜0.05），其中，‘费乌瑞它’和‘克新18 号’的含量最高，分别为0.110 mg/kg 和0.118 mg/kg；‘青薯168’极显著低于‘本地品种’（P＜0.01），‘夏波蒂’显著低于‘本地品种’（P＜0.05），且它们含量最低，分别为0.039 mg/kg 和0.046 mg/kg。

Ni 的含量在0.302～0.912 mg/kg 之间,‘新大坪’、‘青薯9 号’、‘陇薯3 号’、‘费乌瑞它’、‘克新18号’ 的Ni 含量均极显著高于 ‘本地品种’(P＜0.01),‘陇薯7 号’、‘陇薯10 号’显著高于‘本地品种’（P＜0.05），其中，‘新大坪’和‘费乌瑞它’的含量最高，分别为0.912 mg/kg 和0.791 mg/kg；‘青薯168’、‘陇薯6 号’、‘克新1 号’的含量低于‘本地品种’且无显著性差异，其中，‘青薯168’和‘克新1 号’的含量最低，分别为0.315 mg/kg 和0.302 mg/kg。

2.2 不同品种马铃薯微量元素含量相关性分析对不同品种马铃薯微量元素含量进行相关性分析，结果见表2。微量元素之间存在一定的相关性，说明植物中微量元素的积累并不是孤立的，而是具有相互作用，正相关为促进作用，负相关为拮抗作用［13～14］。 从表2 可以看出，微量元素间即存在一定的正相关，又存在一定的负相关，正相关占多数，约为75%；负相关占少数，约为25%。既微量元素间的吸收与积累存在着显著的相互促进作用。

表2 不同品种马铃薯微量元素间的相关系数

2.2 不同品种马铃薯微量元素含量主成分分析采用主成分分析方法对不同品种马铃薯微量元素含量进行综合评价［15～16］，由主成分因子特征值、贡献率（表3）、载荷矩阵（表4）及特征向量值（表5）分析结果可知，主成分因子1、2、3 可作为综合评价因子，其特征值分别为2.542、2.012、1.635。

表3 主因子特征值及贡献率

表4 旋转后因子载荷矩阵

表5 特征向量值

将得到的特征向量值与标准化后的数据相乘，得到主成分分值F1、F2、F3，由综合得分进行排序，结果见表6。 综合得分=特征值1/（特征值1+特征值2+特征值3）*F1+特征值2/（特征值1+特征值2+特征值3）*F2+特征值3/（特征值1+特征值2+特征值3）*F3［15］。 由表6 中综合得分的排序可知‘费乌瑞它’微量元素含量综合评价最佳，其次是‘克新1 号’，‘青薯168’最差。 如果以微量元素作为评价因子，‘费乌瑞它’为最优品种。

表6 主因子和综合主因子分值

3 讨论

马铃薯是一种低脂肪高营养的食品，它在人类营养方面起着重要作用，亦是世界第四大粮食作物。 其微量元素也是生命的重要组成部分，虽然在人体内的含量不多，但与人的生存和健康息息相关［16］，它们的摄入过量或不足都会不同程度地引起人体生理的异常或发生疾病［17］。 通过对12 个不同品种马铃薯中Fe、Mn、Zn、Cu、Mo、Co、Cr、Ni 微量元素含量进行测定，不同品种间微量元素含量均值顺序为Fe＞Cu＞Zn＞Mn＞Ni＞Mo＞Cr＞Co，其中Fe 的含量在24.99～107.06 mg/kg 之间；Mn 的含量在1.38～8.47 mg/kg 之间；Zn 的含量在1.71～26.46 mg/kg之间；Cu 的含量在2.32～19.96 mg/kg 之间；Mo 的含量在0.078～0.536 mg/kg 之间；Co 的含量在0.021～0.075 mg/kg 之间；Cr 的含量在0.039～0.118 mg/kg之间；Ni 的含量在0.302～0.912 mg/kg 之间。 表明新造耕地下马铃薯中Fe、Cu 元素含量较丰富，Co 元素含量最少。 根据廖虹等的研究，马铃薯中Fe 的含量在25.43～276.63 mg/kg 之间，Mn 的含量在3.14～9.19 mg/kg 之间；Zn 的含量在12.63～34.53 mg/kg 之间；Cu 的含量在6.10～24.73mg/kg 之间［18］。 如图1所示，与本研究的结果相比较，其含量均高于本研究的最小值与最大值，究其原因可能是栽培环境条件不同造成的结果，根据前期对延安新造耕地中土壤微量元素的测量发现新造耕地中土壤微量元素的含量较匮乏，马铃薯生长发育所需的微量元素不足。

图1 不同研究下微量元素含量比较

彭玉华等对红锥叶营养元素分析结果显示微量元素之间存在正相关关系［13］。 通过分析发现马铃薯中微量元素间的吸收与积累存在着显著的正相关关系，说明马铃薯间的微量元素不是孤立的，存在相互协同促进作用，这与前人的分析结论相一致。通过主成分分析及综合得分排序得出‘费乌瑞它’微量元素含量综合评价最佳，其次是‘克新1 号’，‘青薯168’ 最差。 综合评价结果对后期马铃薯品种的进一步筛选具有一定的参考价值和重要意义。

陈怡平等研究指出，黄土高原退耕还林还草工程实施后，植被面积增加，耕地减少［1］，这也从侧面进一步体现出新造耕地的迫切性。 同时微量元素在生物生命活动中起着至关重要的生理学功能，参与蛋白质结构，并与蛋白质和其他有机基团结合参与维生素、激素、酶等生物大分子合成。它的代谢失衡会导致一系列病理改变并最终导致疾病。因此通过对延安新造耕地下不同品种马铃薯微量元素含量的比较与分析，可以进一步筛选出高经济附加值并适宜在当地种植的优良品种，为当地生态农业发展、当地群众脱贫致富提供新途径。