不同品种油茶叶片矿质元素含量特征及差异分析

曹永庆，任华东，王开良，徐文才，周 庆，姚小华*

(1. 中国林业科学研究院亚热带林业研究所，杭州 311400；2. 浙江省江山市林业局，江山 324100)

油茶（Camellia oleiferaAbel.）是我国南方重要的木本油料树种，具有综合利用价值高、生态效益好的优点[1-2]，目前全国种植面积已达400 多万hm2，在脱贫攻坚、乡村振兴等国家战略中发挥着重要作用。根据国家林草局2020 年《油茶产业发展指南》，至2025 年，全国油茶发展面积将达600 万hm2，发展潜力大，前景广阔。

环境和基因影响植物对养分的吸收和利用，植物体的养分生理状态则反映了其对环境的适应性[3]。油茶遗传多样性丰富[4]，栽培品种繁多[5]，而且不同品种的适应性差异较大[6]，叶片矿质元素的含量受品种、立地条件、林分年龄、管理措施等多个因素的影响，研究树体矿质营养特征，是开展科学营养管理和新品种培育等工作的基础。目前，关于油茶矿质营养特征等方面的研究，多集中在单个或几个品种的N、P、K、Ca、Mg、Mn、Al 等大中量元素上，如主要矿质元素的吸收利用规律[7-10]、铝和锰元素的超积累和利用特征[11-13]、磷的高效吸收[14]等，而对Fe、Ba、Na、Sr、B、Zn、Cu 等微量元素的分析研究相对较少，对油茶叶片矿质元素的含量特征认识仍然较为局限。基于此，本研究以广泛栽培的‘长林40 号’、‘长林23 号’和‘长林53 号’3个‘长林’系列油茶良种为研究对象，对不同土壤条件下正常生长林分叶片中17 种矿质元素的含量进行测定和分析，解析油茶叶片的矿质元素含量特征及其在品种间的差异性，以期为进一步开展油茶树体矿质营养吸收利用机制研究和科学营养管理提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于浙江省江山市清湖镇（试验点1）和青田县船寮镇（试验点2）油茶采穗圃，属低山丘陵区，具有典型亚热带季风季候，土壤以红黄壤为主，江山市清湖镇基地海拔100 m，年平均气温17 ℃，年降水量1 850 mm，土壤有机质含量25.3 g·kg-1；青田县船寮镇基地海拔300 m，年平均气温17 ℃，年降水量1 700 mm，土壤有机质含量11.9 g·kg-1。两个试验点的土壤矿质元素含量特征见表1。

表1 两个试验点的土壤矿质元素含量Table 1 The contents of mineral elements in soil of the two tested sites

基地主要油茶良种为‘长林40 号’、‘长林53 号’、‘长林18 号’、‘长林23 号’、‘长林4 号’等“长林”系列国家审定油茶良种，2010 年种植，株行距2 m ×3 m，正常管理。

1.2 试验方法

2020 年7 月，分别在两个试验点随机选取正常生长的‘长林40 号’（CL40）、‘长林53 号’（CL53）和‘长林23 号’（CL 23）植株各10 株，分单株进行取样和测定。在树冠中部东、西、南、北4 个方向，采取正常的当年生春梢中部叶片（顶叶往下第3、第4 片叶）30～50 片，进行矿质元素含量分析。

1.3 测定方法

叶片样品用电阻率为18 MΩ·cm 超纯水清洗3遍，105 ℃杀青30 min，70～80 ℃下烘干至恒质量并粉碎，用HNO3-HClO4湿灰化，凯氏定氮法测定氮元素含量，钼锑抗比色法测定磷元素含量，硫酸钡比浊法测定硫元素的含量，电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）法测定K、Ca、Mg、Zn、Cu、Fe、Mn、Al、Ba、Na、Sr、B、Ni 和Ti 元素的含量。所有测定工作在国家林业和草原局经济林产品质量检验检测中心（杭州）完成。

1.4 数据分析

数据采用SPSS18.0 和Microsoft Excel 2003 软件进行统计分析并作图。

2 结果与分析

2.1 不同品种油茶品种叶片矿质元素含量特征分析

由表2 可知，油茶叶片各大中量矿质元素中，N元素的含量最高，平均含量为14.45 g·kg-1，其次为Ca、K 和Al 元素，平均含量为3.12 ～ 6.79 g·kg-1，P、S、Mg 和Mn 元素平均含量较低，为0.79 ～ 1.68 g·kg-1；微量元素部分，Fe、Ba 和Na 元素的含量较高，平均含量为45.54 ～ 71.94 mg·kg-1，其次为Sr 和B 元素，平均含量分别为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之间；油茶叶片矿质元素含量高低顺序为N＞Ca、K、Al＞P、S、Mg、Mn＞Fe、Ba、Na＞Sr、B＞Zn、Cu、Ni、Ti。

表2 不同品种油茶叶片矿质元素含量多重比较Table 2 Multiple comparison of mineral element contents in leaves from different varieties of C. oleifera

各矿质元素含量在供试3 个品种间差异显著，并且在不同立地条件下表现不同。 如江山试验点‘长林40 号’、‘长林53 号’和‘长林23 号’叶片K 元素含量分别为4.45、5.25 和7.71 g·kg-1，差异显著，而青田试验点3 个品种叶片的K 元素含量分别为5.59、6.26 和5.94 g·kg-1，无显著差异。总体来看，供试品种叶片K、Cu、Al、Na 和Ni 元素含量仅在一个试验点呈现出显著性差异，而N、Ca、P、S、Mn、B、Fe、Zn、Ba、Sr 和Ti 元素含量在两个试验点均呈现出显著性差异，Mg 元素含量则在两个试验点均无显著性差异。这可能与各品种对矿质元素的吸收利用特性差异有关。

2.2 各矿质元素的变异系数分析

分别对品种间以及品种内单株间各矿质元素含量的变异系数进行了分析，结果（图1）表明，各矿质元素在单株间的变异系数在8.01% ～ 48.26%之间，品种间的变异系数在6.32% ～ 58.85%之间；N、Ca、K、P、S、Mg、Cu、Al、Na 和Ti 元素含量在品种间和品种内单株间的变异系数较低，均在20%以下；Mn 和Ba 元素含量的变异系数较高，Ni、Sr和B 元素含量的变异系数居中。相关性分析表明，各矿质元素含量的品种间和品种内变异系数呈显著正相关关系（R2= 0.805 2，P＜0.05）。本研究两个试验点范围内，N、P 和S 3 种元素在品种间的变异系数均显著高于品种内单株间的变异系数。聚类分析表明，根据变异系数的大小，可将17 种矿质元素分为3 组：N、P、S、Al、K、Cu、Fe、Na、Ti 和Mg 元素为一组，变异系数相对较小；Ca、Zn、Sr、B 和Ni 元素为一组，变异系数居中；Mn 和Ba 元素的变异系数最高。

图1 油茶叶片各矿质元素含量的变异系数Figure 1 Coefficient of variation of mineral element contents in leaves of C. oleifera

2.3 油茶叶片各矿质元素含量间的相关性

如表3 所示，油茶叶片各矿质元素间存在复杂的相互关系，N、P 和S，Fe、Mn 和Al，B 和Fe，Zn 和Na，Cu 和Ni，Ti 和Ca，Ti 和Fe 7 组元素间存在显著强正相关关系，其中N 和P、S 元素间的相关系数分别为0.916 和0.907，Mn 和Fe、Al 元素间的相关系数分别为0.810 和0.759，B 和Fe，Zn和Na，Fe 和Ti，Cu 和Ni 以及Ca 和Ti 元素含量间的相关关系分别为0.741、0.783、0.734、0.794和0.776；K 元素含量则与其他各元素含量间均呈现负相关关系；从中度相关或强相关元素的数量来看（图2），K、Mn、Fe、Al 均与11 种及以上矿质元素存在显著相关关系，而与Mg、Zn、Na 和Sr 显著相关的元素数量最少。

图2 矿质元素间的相关性Figure 2 The correlations among different mineral elements

表3 矿质元素间双变量相关性分析(n = 60)Table 3 Mineral correlation analysis (n = 60)

2.4 油茶叶片特征矿质元素分析

鉴于各矿质元素间存在显著相关性，对3 个品种间具有显著差异的16 种矿质元素（Mg 元素除外）进行主成分分析。结果显示前4 个主成分的累积贡献率为78.685%，其中第1 主成分特征值为4.153，贡献率25.956%，Ca、Ba 和Ti 元素具有较高荷载；第2 主成分特征值为3.646，贡献率22.790%，N、P 和S 元素具有较高荷载；第3 主成分特征值为2.996，贡献率为18.727%，B 和Sr 元素具有较高荷载；第4 主成分特征值为1.794，贡献率11.212%，Na 元素具有较高荷载（表4）。

表4 主成分分析结果Table 4 Results of principal component analysis

以各成分上荷载较高的N、P、S、Ca、Ba、Ti、B、Sr 和Na 元素为变量，对两个试验点的3 个品种进行判别分析，其中函数1 的各矿质元素系数分别为0.204、14.146、-0.679、0.298、-0.268、347.595、45.872、6 512 和1.889，常量为-10.752；函数2 的各矿质元素系数则分别为0.646、-4.491、13.926、-0.159、19.742、-565.708、-6.347、9.359 和3.705，常量为-0.613。 判别正确率达96.70%（图3 和表5），‘长林40 号’、‘长林53 号’和‘长林23 号’3 个品种的组质心分别为（0.395，1.410）、（1.631，-0.934）和（-2.026，-0.477），区分效果较为理想。

表5 品种判别分析分类结果Table 5 The result of discriminant analysis on varieties

图3 品种判别函数Figure 3 Variety discrimination function

3 讨论与结论

作为我国南方亚热带地区生长的多年生灌木或灌乔木树种，油茶与一年生的蔬菜作物相比，叶片Fe、P、K 元素含量较低，Al、Mn、Cu 元素含量较高[15]；与柑橘类常绿果树相比，叶片中的N、P、K、Ca、Mg、S 等大中量元素含量较低，Fe、Zn、Cu等微量元素含量类似[16]，Al、Mn 元素含量较高；与同一科属的茶叶相比， 油茶叶片Al 元素的含量更高，约为茶叶5～10 倍[17]。可见，油茶树是典型的铝锰富集植物，其对Al 元素的富集能力更强[12,18]；此外，不同品种油茶叶片矿质元素的含量高低相对一致。本研究中‘长林40 号’、‘长林23 号’、‘长林53 号’与前期在‘长林4 号’[7-8]以及其他品种或类型[10,19-20]上的研究结果相一致。可见，油茶叶片矿质元素含量高低顺序（N＞Ca、K、Al＞P、S、Mg、Mn＞Fe、Ba、Na＞Sr、B＞Zn、Cu、Ni、Ti）具有普遍意义。

不同油茶品种间叶片矿质元素含量存在差异，如前期研究也发现‘长林53 号’叶片N、P、K 矿质元素的平均含量显著高于‘长林4 号’[7]，这可能跟基因型的差异有关。此外，油茶叶片矿质元素的含量并非稳定不变的，在同一地点，相同品种单株间不同矿质元素含量的变异系数在 8.01% ～48.26%之间，品种间的变异系数在6.32% ～ 58.85%之间（图1），差异较大。矿质元素含量的变异系数一方面体现了树体对特定环境条件的适应性，另一方面也体现了基因型在营养利用特征方面的差异。本研究明确了各矿质元素含量的变异系数，为进一步开展油茶叶片矿质元素的分析和开展营养高效利用品种的筛选研究提供了参考。

植物矿质离子间存在复杂的相互作用关系[21]，而且在不同植物或树种间表现不同[22-24]。本研究分析了典型的铝锰富集油茶叶片的矿质离子间的相互关系，其中，N、P 和S 3 种元素间表现出显著强正相关关系，这与其他植物的研究结果相一致[25]；K元素含量则与其他各元素含量间均呈现负相关关系，这可能与K+与N、Ca、P 等矿质元素间易形成拮抗作用有关；Fe、Mn 和Al 3 种元素间呈显著强正相关，表明三者存在较强的协同吸收关系，Al 元素的平衡供给一定程度上有利于油茶对Fe 和Mn 元素的吸收，从而促进植物的正常生长[26]，这为解析油茶铝利用机制提供了参考；此外，K、Mn、Fe、Al 均与11 种及以上矿质元素存在显著中度相关或强相关关系（图2），可见在油茶的营养利用和管理中，除N、P、K、Ca、Mg 和S 元素外，还需注意Fe、Mn 和Al 营养协同吸收关系和平衡。

植物矿质元素指纹特征不仅用于产地追溯研究[27]，而且也用来进行品种判别和评价分析[28-30]，但在油茶相关研究中，基于品种特性的矿质元素含量特征和判别分析还鲜见相关报道。本研究中，以各主成分上荷载较高的N、P、S、Ca、Ba、Ti、B、Sr 和Na元素为变量对江山和青田两个试验点的‘长林40 号’、‘长林23 号’和‘长林53 号’3 个品种进行判别分析，判别正确率分别达到了95%、95%和100%，总体正确率达96.70%（表5）。可见，‘长林40 号’、‘长林23 号’和‘长林53 号’3 个品种矿质元素含量特征差异较大，是3 个不同的矿质营养利用类型，N、P、S、Ca、Ba、Ti、B、Sr 和Na元素可作为该3 个品种的特征元素用于品种的判别分析，这为进一步利用矿质元素指纹开展不同品种营养利用特征分析提供了思路。