乌龙茶种质资源矿质元素含量特征分析与评价

郑淑琳 石玉涛 王飞权 张渤 王涵 林立 石元值 叶乃兴

摘要：[目的]探明不同乌龙茶种质资源中矿质元素含量特征，明确乌龙茶种质资源的特征矿质元素，筛选出矿质营养高效的种质，为乌龙茶品种创新提供科学依据。[方法]以34份乌龙茶种质资源为试材，测定18种主要矿质元素含量，运用因子分析和聚类分析对矿质元素含量特征进行分析和评价。[结果]18种矿质元素平均含量由高到低次序为K>P>S>Mg>Ca>Mn>AI>Fe>Na>Zn>Ba>Cu>B>Ti>Ni>Cr>Co>Se，变异系数在15.75%～69.43%，遗传多样性指数为1.27～2.21.Shapiro-Wilk检验表明B、K、Mg、Mn、Na、Nl、P、S、sc、Zn等10种元素含量呈正态分布，Al、Ba、Ca、Co、Cr、Cu、Fc、Ti等8种元素含量呈偏态分布。相关性分析表明各元素之间存在复杂的关联性。通过主成分分析，将18种矿质元素综合为5个主成分，代表了18种矿质元素77.40%的信息。聚类分析将34份乌龙茶种质资源分为3类。[结论]34份乌龙茶种质资源中18种矿质元素的组成存在差异，乌龙茶种质资源的特征元素是Mn、Ca、Mg、A1、K、P、S，可分为高P、Zn，低Al、Ca、Mn、Mg类型，高A1、Ca、Mn、Mg、K、S类型和低K、P、s、Zn类型3类。矿质元素富集能力强、矿质营养高效的5份乌龙茶种质是芝兰香、本山、瑞香、铁观音、黄旦，可作为推广栽培、新品种选育和产品开发的优良亲本材料。

关键词：乌龙茶;种质资源;矿质元素;聚类分析;主成分分析

中图分类号：S 571.1文献标志码：A 文章编号：1008-0384（2020）02-0150-11

0 引言

（研究意义）乌龙茶是我国六大茶类之一，以其独特的品质和良好的降血糖、抗氧化、抗突变等保健功效而受到消费者的青睐，在国内外市场享有很高声誉。矿质元素不仅是茶树生长发育和品质形成的物质基础，而且是茶叶营养价值的重要表现。矿质元素在人体中具有重要的生理功能，对维护人体健康具有重要作用。研究表明，乌龙茶中含有丰富的矿质元素，经常饮用乌龙茶可补充人体所需的矿物质和微量元素等。茶树种质资源是茶树品种选育创新、产品开发的重要物质基础，优异种质资源的筛选利用一直是茶树种质资源研究领域的重点。开展乌龙茶种质资源矿质元素含量的分析和评价，筛选矿质元素富集能力强的乌龙茶种质，对乌龙茶新品种的选育、产品开发和产业持续发展具有重要意义。

（前人研究進展）目前，关于乌龙茶种质资源的农艺性状、主要生化成分、多糖提取工艺及活性、遗传多样性等方面已有较多研究，但在不同乌龙茶种质资源矿质元素富集特征、营养保健价值评价和筛选方面的系统研究还尚未见报道。研究显示，茶树新梢中的矿质元素除了与土壤养分和灌溉、施肥、降水量等立地条件相关外，还受茶树自身对矿质元素的选择性吸收、运转和分配等因素的影响，即与茶树的品种遗传特性有关。如时鹏涛等研究了湘波绿等7个茶树品种中Ca、Mg、Mn等9种矿质元素的含量及富集特性，结果表明不同品种的茶树对矿质元素的富集能力存在较大差异;金孝芳等研究结果显示湖北主栽茶树品种中矿质元素含量存在差异;李春华等研究发现9种元素在茶树品种间差异显著。因子分析是多指标综合评价中一种常用的多元统计方法，通过降维过程，将多个指标转化为少数几个相互独立的新指标，再根据各样品的因子得分进行综合评价，使得评价结果更加合理。近年来，因子分析已被广泛运用于不同品种苹果、锥栗、杧果等植物种质资源的矿质营养评价工作中。（本研究切入点）乌龙茶种质资源丰富，武夷学院茶树种质资源圃已保存乌龙茶种质100余份，矿质元素分析评价工作亟待开展。本研究以34份乌龙茶种质资源为试材，以18种主要矿质元素为检测指标，采用因子分析和聚类分析方法对乌龙茶种质资源矿质元素含量和富集特征进行分析和综合评价。（拟解决的关键问题）旨在揭示乌龙茶种质资源中矿质元素的含量特征，明确乌龙茶种质资源的特征矿质元素，筛选出矿质元素富集能力强、矿质营养高效的材料，为乌龙茶育种目标性状的选择、乌龙茶种质资源的开发利用提供参考。

1材料与方法

1.1 试验材料

供试的34份乌龙茶种质资源材料采集自武夷学院茶树种质资源圃（27°44'20”N，117°59'51”E），每份种质资源种植小区长×宽为20m×1.8m，株数为150株，树龄为5年生，基本情况见表1.武夷学院茶树种质资源圃位于福建省武夷山市，属中亚热带季风湿润气候区，光照充足，雨量丰沛，温湿度适宜，适合茶树生长。年平均气温18.3℃，1月平均气温7.8℃，7月平均气温27.8℃，10℃以上的活动积温在5000℃以上，年平均日照时数1629.5h，年平均降雨量1926.9mm，相对湿度在80%左右。圃内种质资源材料均由其来源地取无病虫害的枝梢进行扦插繁育，之后按照茶树种质资源圃的建设标准移植、编号、保存于武夷学院茶树种质资源圃，以相同条件进行管理。试验地立地条件和肥水管理一致。

1.2 主要仪器与试剂

iCAP 6000Series等离子体发射光谱仪，美国Thermo Scientific公司;DigiBlock ED54电热消解仪，北京LabTech公司;Ca、Na等标准液，购自国家有色金属及电子材料分析测试中心;硝酸，优级纯;高氯酸，优级纯。

1.3 试验方法

1.3.1样品采集 于2018年4月采摘参试的34份乌龙茶种质资源春梢，采摘标准为一芽二叶。每份种质资源材料从种植小区中随机选择60株以上茶树，从树冠外围中部随机采摘一芽二叶新梢，重复3次。新梢采摘后微波杀青固样，烘干、粉碎后过40目筛，取筛下样，置于-20℃冰箱中保存备用。

1.3.2样品预处理 准确称取1.0000g样品于消煮管中，加人防爆玻璃珠5个，加入V（硝酸）

：V（高氯酸）：氢氟酸（2：1：1）=10mL，盖上盖子，放置12h后进行消化。消煮炉缓慢升温（100℃30min以上，

130℃ 30min以上，150℃ 30min以上，190℃ 7h以上），待红棕色气体散尽继续升温到200℃～250℃，持续加热至白烟散尽，此时溶液接近五色，蒸近干，稍冷却，加约5.0mL去离子水，再加热，蒸除余酸，冷却。用去离子水冲洗三角瓶及漏斗，将消化好的样品溶液转至25mL容量瓶中，用2%硝酸定容至标线，摇匀，倒入到塑料方口瓶（50mL）保存，待测。

1.3.3仪器工作参数及标准曲线 将消解液稀释10倍后，采用ICP-OES测定Al、B、Ba、Ca、Co、Cr、Cu、Fe、K、Mg、Mn、Na、Ni、P、S、Se、Ti、Zn等18种矿质元素。ICP-OES工作参数为：射频功率1150w，辅助气流速0.5L·min^-1，雾化器流速0，7L·min^-1，采样高度6.5mm，泵稳定时间5s.

标准曲线绘制：用l%稀硝酸将Ca、Na标准贮备液逐级稀释为0、5、50ug·mL^-1的混合标准溶液，其他元素用1%稀硝酸逐级稀释为0、5、10ug·mL^-1的混合标准溶液。在ICP-OES的工作条件下采集空白溶液（1%HNO₃）和标准溶液系列，由仪器自动绘制标准曲线。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2019软件进行数据整理和表格绘制，应用IBM SPSS Statistics 20.0统计软件进行单因素方差分析、聚类分析、主成分分析和相关性分析。组间多重比较采用Duncan法，聚类分析采用离差平方和法，遗传距离为欧氏距离。主成分分析采用Factor过程的主成分分析法，因子提取特征值大于1的主成分。以每个性状极差的1/10为间距将各性状分为10个等级，采用Shannon-Wiener指数法计算各矿质元素的遗传多样性指数（H'），计算公式为：多样性指数（H'）=-∑PilnPi，其中Pi为某性状第i个代码出现的频率。

2 结果与分析

2.1 乌龙茶种质资源矿质元素含量特征

34份乌龙茶种质资源中18种主要矿质元素含量的平均值、含量范围、变异系数和遗传多样指数见表2.由表2可知，大量元素Ca、K、Mg、P、S及微量元素Mn的含量远远高于其他12种微量元素。方差分析结果表明，K、P、S、Mg、Ca、Mn之間存在显著差异，大量元素除Ca与Mg外差异显著，微量元素Mn含量显著高于Al、B、Ba等其他12种微量元素。从大量元素看，5种大量元素含量由大到小顺序为K>P>S>Mg>Ca，其中K、P、S的含量超过1000mg·kg^-1，Mg和Ca的含量低于1000mg·kg^-1。从微量元素看，13种微量元素含量由高到低顺序为Mn>Al>Fe>Na>Zn>Ba>Cu>B>Ti>Ni>CrCo>Sc，其中Mn、Al的含量超过100mg·kg^-1，Fe、Na、Zn、Ba、Cu、B、Ti、Ni、Cr、Co、Se的含量低于100mg·kg^-1，且Ba、Cu、B、Ti、Ni、Cr的含量低于10mg·kg^-1，Co、Sc的含量低于1.0mg·kg^-1。13种微量元素中，Cr是有害元素。国家农业行业标准《茶叶中铬、镉、汞、砷及氟化物限量》（NY659-2003）规定，茶叶中铬含量不超过5mg·kg^-1。从表2可看出供试的34份茶树种质资源材料中Cr元素含量均远低于国家标准。

采用IBM SPSS 20.0软件计算34份乌龙茶种质资源材料中18种矿质元素含量的频数分布，经Shapko-Wilk检验，结果表明，B、K、Mg、Mn、Na、Ni、P、S、Sc、Zn等10种元素含量呈正态分布（经Shapiro-Wilk检验，双侧检验的概率值P>0.05），说明这10种元素的含量在34份乌龙茶种质资源的大部分材料中处于平均水平，低于或高于平均含量的材料较少;Al、Ba、Ca、Co、Cr、Cu、Fe、Ti等8种元素含量呈偏态分布（经Shapko-Wilk检验，双侧检验的概率值P≤0.05），且均为正偏态函数，说明这8种元素的含量在34份乌龙茶种质资源的大部分材料中处于较低水平，低于平均含量。

18种矿质元素含量的变异系数在15.75%～69.43%之间，Ti的变异系数最大，达69.43%，表明不同乌龙茶种质资源材料间Ti含量差异较大。Ti含量最高的材料为大叶乌龙，含量最低的为佛手，最大值是最小值的13倍;P的变异系数最小，为15.75%，表明不同乌龙茶种质资源材料间P含量差异较小。变异系数较大的元素为Fc、Co、Al、Ba，变异系数分别为57.34%、46.22%、43.13%、41.75%，其中，大叶乌龙（OTG07）中Fc、Al元素含量最高，铁观音（OTG03）中Co元素含量最高，棕榈香（OTG29）中Ba元素含量最高。由变异性分析得出，乌龙茶种质资源中矿质元素含量变异较为丰富，各种质资源材料间矿质元素含量具有差异性，有必要进行矿质元素含量分析与综合评价。

18种矿质元素的遗传多样性指数为1.27～2.21，平均遗传多样性指数为1.91，表明34份乌龙茶种质资源中矿质元素含量的遗传多样性比较丰富。遗传多样性指数最大的是Zn，为2.21，最小的是Ti，为1.27.综合来看，18种矿质元素在乌龙茶种质资源材料中存在较大的变异幅度和较为丰富的遗传多样性，可以从34份材料中筛选出较为理想的材料，并通过遗传改良培育市场消费需求的茶树品种材料。

2.2 乌龙茶种质资源矿质元素相关性分析

根据茶树种质资源材料中矿质元素含量，对34份材料矿质元素进行了相关性分析，结果如表3所示。Ca与Mg、Al、Ba、Cu、Mn、Sc呈极显著正相关，相关系数分别为0.738、0.498、0.736、0.438、0.692、0.439;K与P、S呈极显著正相关，相关系数分别为0.480、0.582;Mg与S、Al、Ba、Cu、Mn呈极显著正相关，相关系数分别为0.478、0.484、0.471、0.562、0.582;P与S、B、Zn呈极显著正相关，相关系数分别为0.493、0.474、0.508;S与B呈极显著正相关，相关系数为0.481;Al与Cr、Fe、Mn、Ti呈极显著正相关，相关系数分别为0.542、0.829、0.671、0.769;B与Ca、Mn、Se呈极显著正相关，相关系数分别为0.621、0.479、0.556;Ba与Mn呈极显著正相关，相关系数为0.479;Co与Zn呈显著负相关，相关系数为-0.418;Cr与Fe、Ti呈极显著正相关，相关系数分别为0.590、0.622;Cu与Mn、Se呈极显著正相关，相关系数分别为0.454、0.504;Fe与Ti呈极显著正相关，相关系数为0.948.相关性分析结果表明，34份乌龙茶种质资源中各矿质元素含量之间存在着复杂的相互作用关系，具有进行主成分分析的基础。

2.3 乌龙茶种质资源矿质元素的主成分分析

34份乌龙茶种质资源中18种矿质元素含量经标准化后进行因子分析，结果见表4.公因子提取采用主成分分析法，以特征值>1为标准提取主成分。前5个主成分累积方差贡献率达77.399%，包含了34份乌龙茶种质资源18种矿质元素含量的主要信息。第l主成分方差贡献率最大，为30.293%，主要受Mn、Ca、Mg、Al等4种元素的影响，其中Mn的影响最大，其次是Ca;第2主成分贡献率为20.262%，主要受K、P、S等3种元素的影响，其中P的影响最大，其次是K;第3主成分贡献率分别为11.247%，主要反映的是Co、Fe、Ti等3种元素的信息，其中Co的貢献最大，其次是Ti，Co的影响为负;第4主成分贡献率为8.107%，主要受Ba、Co 2种元素的影响，其中Co的贡献最大，Co的影响为正，Ba的影响为负;第5主成分贡献率为1.489%，主要反映的是Na、Ni2种元素的信息，其中Na的贡献最大，其次是Ni，Ni的影响为负。PC₁和PC₂的累积方差贡献率（50.555%）大于50%，因此认为Mn、Ca、Mg、Al、K、P、S是乌龙茶种质资源的特征元素。

以主成分载荷系数与其特征值算术平方根的比值得出对应的特征向量e_i，进而建立各主成分与矿质元素含量之间对应的函数关系。以5个主成分的方差贡献率与累积方差贡献率的比值为权重构建乌龙茶种质资源矿质元素含量评价模型Fn，建立Fn与各主成分y_i（i=1～5）之间的线性组合，即Fn=0.391Y₁+0.262Y₂+0.145Y₃+0.105Y₄+0.097Y₅。运用Fn对34份乌龙茶种质资源的矿质营养元素含量进行评价，如表5所示。综合得分为-1.612～2.781，排名前五位的乌龙茶种质依次为芝兰香（OTG28）、本山（OTG06）、瑞香（OTG12）、铁观音（OTG03）、黄旦（OTG04）。

2.4 基于矿质元素含量的乌龙茶种质资源聚类分析

34份乌龙茶种质资源聚类分析结果（图1）显示，在欧氏距离15处，将34份乌龙茶种质资源分为3类。第一类群包括21份材料，OTG30、OTG32、OTGl5、OTG01、OTG31、OTG04、OTGl2、OTGll、OTGl4、OTG20、OTGl3、OTG05、OTG34等13份材料为一个亚群，另一个亚群包括OTG08、OTGl7、OTG23、OTGl0、OTG09、OTG21、OTGl8、OTGl6等8份材料;第二类群包括OTG02、OTG24、OTG06、OTG28、OTG03等5份材料;第三类群包括8份材料，也可以分为两个亚群：07G22、OTG33、OTGl9、OTG26、OTG27、OTG29、OTG25等7份材料为一个亚群，OTG07为另一个亚群。根据类群间矿质元素含量方差分析结果可知（表6），3个类群之间除了Na元素含量无显著差异之外，其余17种元素含量均存在显著差异。其中，第一类群P、Zn含量最高，并显著高于第三类群，与第二类群之间的差异不显著;第二类群Al、Ca、Mn、Mg含量最高，并显著高于第一类群，与第三类群之间无显著差异;第二类群K、S含量最高，并显著高于第三类群，与第一类群之间无显著差异。综合来看，第一类群P、Zn含量高，Al、Ca、Mn、Mg含量低，K、S含量中等，此类第二亚群包含的8份材料在主成分综合得分中排名24～34位，矿质元素富集能力弱、矿质营养价值低。第二类群Al、Ca、Mn、Mg、K、S含量高，P、Zn含量中等，此类中包含的5份材料在主成分综合得分的前7位，矿质元素富集能力强、矿质营养元素综合品质高;第三类群K、P、S、Zn含量低，Al、Ca、Mn、Mg含量中等。

3 讨论与结论

不同矿质元素在乌龙茶种质资源中的含量存在差异。大量元素除Ca与Mg外含量差异显著，微量元素中除Mn以外含量差异不显著。大量元素Ca、K、Mg、P、S及微量元素Mn的含量远远大于其他12种微量元素。不同乌龙茶种质资源材料中矿质元素变异系数范围为15.75%～69.43%，矿质元素含量变异丰富，不同种质资源间矿质元素含量具有差异性，这与时鹏涛、金孝芳、李春华等的研究结果一致。由于本研究所采集的乌龙茶种质资源样品均来自于同一资源圃，其土壤质地、立地条件、管理水平等均一致，因此，不同乌龙茶种质资源中矿质元素含量的差异与其遗传特性相关。遗传多样性指数是衡量物种种类的多少和物种之间分布是否均匀的一个综合指标，多样性指数越高，表明该物种的遗传多样性水平越高。本研究结果显示，18种矿质元素的遗传多样性指数均达到1.27以上，表明乌龙茶种质资源中矿质元素含量存在较为显著的遗传变异，具有较大的遗传改良潜力。

因子分析的基本思想是根据相关性的大小把变量进行分组，使同一组内的变量具有较高的相关性。故变量之间是否存在相关性是进行因子分析的前提。本研究中，Ca与Mg、Al、Ba、Cu、Mn、Sc之间，K与P、S之间，P与S、B、Zn之间，S与B之间，Al与Cr、Fc、Mn、Ti之间，Ba与Mn之间，Cr与Fe、Ti之间，Cu与Mn、Se之间，Fe与Ti之间分别呈极显著正相关关系，Co与Zn呈显著负相关，表明乌龙茶种质资源中矿质元素之间存在复杂的关联性。

聚类分析是应用多元统计分析原理研究分类问题的一种数学方法，可同时对大量性状进行综合考察，已广泛应用于多样品、多指标的植物种质资源综合评价。本研究采用系统聚类法对34份乌龙茶种质资源进行分类，结果显示，不同类群间存在显著差异，表明对34份乌龙茶种质资源的分类结果科学有效。

综上所述，乌龙茶种质资源中18种矿质元素平均含量顺序为K>P>S>Mg>Ca>Mn>AI>Fe>Na>Zn>Ba>Cu>B>Ti>Ni>Cr>Co>Se，Mn、Ca、Mg、Al、K、P、S是乌龙茶种质资源的特征元素，矿质元素综合评价得分前五位的种质依次为芝兰香、本山、瑞香、铁观音、黄旦，乌龙茶种质资源中18种矿质元素组成存在差异，可分为3类。研究结果可为进一步开展乌龙茶育种亲本选择和乌龙茶产品开发提供参考依据。