灰枣矿质元素与主要果实品质的关联性分析

张虎国 万胜 于婷 王利娜 赵文 刘晓宁 李建贵

摘 要：【目的】为灰枣的品质改良和果树的科学施肥等提供参考。【方法】对新疆9 个灰枣主要产区内的20 个枣园的果实进行了矿质元素含量和果实品质指标测定，应用偏最小二乘回归分析方法中的变量投影重要性，筛选对果实品质指标有影响的矿质元素，并构建回归方程，对优质灰枣果实中的矿质元素进行定量分析。【结果】枣果中氮和钾元素的含量对果实品质的影响最大，其次是磷、硼、铁、硫元素含量；果实可溶糖含量受到氮、磷、钾、钙元素含量的影响，且与氮元素含量呈现显著的正效应关系，与钾元素含量呈现负的效应关系；可滴定酸含量主要受钙、硼、氮、铁元素含量影响，与氮含量、鈣含量、铁含量有正效应系数，与硼含量有负效应系数；蛋白质含量主要受硫、氮、磷元素含量影响，且均为正效应系数；维生素C 含量主要受氮、铜、硫、锌元素含量影响，与氮含量、硫含量、铜含量有正效应系数，与锌含量有负效应系数；糖酸比主要受硼、钙、铁、氮元素含量影响，与硼含量有正效应系数，与氮含量有最大的负效应系数。【结论】当氮含量为4.8 ～ 7.1 g/kg、磷含量为1 018 mg/kg、钾含量为4 118.25 mg/kg、钙含量为359.05 mg/kg、镁含量为306.25 mg/kg、硫含量为201.9 mg/kg、硼含量为14.39 mg/kg、铁含量为10.41 mg/kg、锰含量为3.49 mg/kg、锌含量为3.35 mg/kg 和铜含量为2.5 mg/kg 时，果实各品质指标最优，即果实中的可溶性糖含量为91.38%，可滴定酸含量为0.22%，蛋白质含量为20.06 mg/g，维生素C 含量为1.58 mg/g，糖酸比为404.77。

关键词：果实品质；果实矿质元素；灰枣；偏最小二乘回归；优化方案

中图分类号：S665.1 文献标志码：A 文章编号：1003—8981（2023）03—0106—09

枣Ziziphus jujuba 是5 000 多年前起源于我国的鼠李科Rhamnaceae 枣属Ziziphus 植物[1]。新疆是我国主要的枣产地，枣种植面积有47.3 万hm2，灰枣为目前主栽制干品种之一。矿质元素对果实的生长发育和品质形成有着非常重要的影响，其类型和含量与果实的营养价值均有较为紧密的联系[2-4]，果实中适当的矿质元素含量和比例对果实品质有明显的改善作用[5-6]。因此，探讨果实中矿质元素与果实品质之间的量化关系，确定灰枣果实中适宜的矿质元素含量，对于合理施用肥料、促进果树生长、提高灰枣的产量和品质以及改善果园的生态环境等有重要意义。目前，大量相关研究报道集中在枣果矿质元素含量的变化[7-10]、肥料类型对枣果矿质元素含量的影响[11-13]、土壤养分对枣果品质的影响[14-17]、肥料对枣果品质的影响[18]、枣果矿质元素含量与其品质的相关性[19]、不同枣品种果实矿质元素含量的特性及差异[20]、枣缩果病发生与其矿质元素含量的关系[21] 等方面。

不同的果实品质指标受到不同矿质元素不同程度的影响，同一果实品质指标受到各果实矿质元素影响的程度也有差异，采用单一的相关性分析无法反映各指标之间的交互作用。果实品质与果实矿质元素含量的关系属于多自变量、多目标的关系，果实矿质元素含量间有较强的线性相关性，因此在进行回归分析、构建方程时，容易产生多重共线性。采用多元统计法可对枣果矿质营养元素与果实品质之间的多重共线性关系进行分析。偏最小二乘回归属于一种新型的多元分析方法，利用数据的结构信息，计算预测变量之间的关系系数，将原数据进行建模，从而使得回归模型更具准确性和有效性[22]。陈小燕等[23] 利用偏最小二乘回归方法对桃香和挥发性物质进行了相关性分析；张欢等[24] 以河南省淅川县5 个石榴果园为对象，应用偏最小二乘回归方法对其果实品质与土壤营养因子的多元关系进行了研究；万胜等[17] 研究了枣园土壤养分与枣果营养品质间的复杂关系，制订了土壤养分因子的优化方案。张东等[25] 对黄土高原典型富士苹果园叶片养分和果实品质进行了调查研究，采用线性规划求解出富士苹果优质叶片的养分含量优化方案，认为矿质元素适宜的范围分别为氮元素含量21.5 ～ 26.6 g/kg、钾元素含量5.5 ～ 11.6 g/kg、磷元素含量1.18 ～1.86 g/kg、钙元素含量13.6 ～ 26.1 g/kg、锌元素含量15.0 ～ 75.0 mg/kg、镁元素含量4.8 g/kg、铁元素含量100.0 ～ 180.0 mg/kg；王小龙等[26] 通过研究葡萄植株矿质元素含量与果实品质的关联性，筛选出影响果实品质特性的主要矿质元素，建立了植株矿质元素含量优化方案，认为矿质元素适宜的范围分别为氮元素含量10.15 ～ 18.46 mg/g、钾元素含量8.65 ～ 22.90 mg/g、磷元素含量6.03 ～9.24 mg/g、钙元素含量16.21 ～ 22.02 mg/g、镁元素含量8.38 ～ 46.91 mg/g、铁元素含量88.30 ～281.58 mg/kg、锰元素含量15.00 ～ 343.25 mg/kg。

目前，应用偏最小二乘回归分析方法，来筛选影响枣果实品质特性的主要矿质元素，以及优化灰枣果实矿质元素含量等方面的研究报道较为鲜见。本研究中采用偏最小二乘法，对新疆不同地区灰枣园的果实品质与果实中矿质元素的含量进行关联性分析，筛选对果实品质有较大影响的矿质元素，定量化求解优质灰枣果实品质指标水平下的矿质元素优化方案，旨在为合理施用肥料、促进果树生长、提高灰枣的产量和品质以及改善果园的生态环境等方面提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 样品采集

在新疆灰枣主产区选择9 个县市的灰枣园作为采样地，具体信息见表1。主要栽培品种为灰枣，砧木为酸枣，树龄5 ～ 10 a，株行距为（1.0 ～1.5） m×（3.0 ～ 3.5） m，土壤pH 值为7.8 ～ 8.4。

在2021 年10—11 月，采取中心五点法，在各灰枣园选取5 棵枣树，从5 个方向（东、西、南、北、中），随机选取10 个大小相等且无黑斑病、无破损的制干枣果（含水率不大于20%），每枣园共采摘50 个，将其装入无菌的自封袋，带回实验室保存在4 ℃冰箱中，待测。

1.2 指标测定

1.2.1 果实品质指标

果实中可溶性糖的含量采用蒽酮比色法进行测定；采用NaOH 滴定法进行果实中可滴定酸含量的测定；采用考马斯亮蓝比色法测定果实中蛋白质的含量；采用2，4- 二硝基苯肼比色法测定果实中维生素C 的含量。糖酸比是果实中可溶性糖含量与可滴定酸含量的比值。

1.2.2 果实矿质元素指标

采用H2SO4-H2O2 消煮法和凯氏蒸馏法测定果实中的全氮含量；采用钒钼黄吸光光度法测定果实中的全磷含量；采用火焰光度法测定果实中的全钾含量；采用原子吸收分光光度法测定果实中钙、镁、铁、锰、锌、铜、硼的含量；采用HNO3-HCIO4 消煮比色法测定果实中硫含量。

1.3 数据处理与分析

数据整理采用SIMCA 14.1、SPSS 26.0 和Microsoft Excle 2019 软件，采用Origin 2021 软件进行制图，采用LINGO 12.0 软件进行线性规划。

2 结果与分析

2.1 枣果实品质

从表2 中灰枣果实的各品质指标可知，可溶性糖含量为71.51% ～ 89.94%，可滴定酸含量为0.16% ～ 0.47%，蛋白質含量为12.23 ～ 19.6 mg/g，维生素C含量为0.12 ～ 2.16 mg/g，糖酸比为158.92 ～537.31。维生素C 含量的差异最大，最大值是最小值的18.00 倍，糖酸比的最大值是最小值的3.38倍，可滴定酸含量的最大值是最小值的2.94 倍。枣果中可溶性糖平均含量为84.39%，可滴定酸平均含量为0.29%，蛋白质平均含量为15.72 mg/g，维生素C 平均含量为0.71 mg/g，糖酸比的平均值为326.95。

2.2 枣果矿质养分含量

由表3 可知，不同果园灰枣果实中矿质元素含量的差异较大，其中果实硼含量的最大值是最小值的8.05 倍，铁含量的最大值是最小值的4.09倍，锌含量的最大值是最小值的3.09 倍，铜含量的最大值是最小值的3.34 倍，果实中氮、磷、钾和锰含量的最大值均是最小值的2 倍以上，说明灰枣果实中的矿质元素含量与其所处果园的土壤、气候、种植方式等因素有关。灰枣果实所含大量元素中，以氮元素的平均含量最高，其次为钾、磷。灰枣果实所含微量元素中：以钙元素的平均含量最高，达359.05 mg/kg；其次为镁，平均含量为233.54 mg/kg。枣果中氮的平均含量为4.8 g/kg，磷、钾、硫、硼、铁、锰、锌、铜的含量均值分别为706.87、4 118.25、151.19、7.91、10.41、2.16、3.35、1.81 mg/g。

2.3 枣果矿质元素含量与果实品质的相关性

由灰枣果实品质指标与果实矿质元素含量的相关系数（图1）可看出：可溶性糖含量与果实磷含量呈现极显著正相关，与果实硫含量呈现显著正相关；可滴定酸含量与果实钙元素含量呈现极显著正相关，与果实硼元素含量呈现显著负相关；蛋白质含量与果实氮元素含量、硫元素含量均呈现极显著正相关；维生素C 含量与果实氮元素含量呈现显著正相关；糖酸比与果实钙元素含量呈现显著负相关，与果实硼元素含量呈现显著正相关。

2.4 影响枣果品质指标的矿质元素

为了明确果实中不同矿质元素对果实品质影响的重要程度，运用偏最小二乘回归分析方法，计算果实中氮、磷、钾、钙、镁、硫、硼、铁、锰、锌、铜的含量对果实可溶性糖含量、可滴定酸含量、蛋白质含量、维生素C 含量和糖酸比影响的变量投影重要性数值（VIP 值），结果见表4。

以VIP 值不低于1.0 为限，选取对果实品质有一定影响的主要矿质元素。由表4 可知，果实中氮、磷、钾、钙元素含量对果实可溶性糖含量的影响较大，钙、硼、氮、铁元素含量对可滴定酸含量的影响较大，蛋白质含量受果实中硫、氮、磷元素含量的影响较大，维生素C 含量的变化主要与氮、铜、硫、锌元素含量有关，糖酸比主要受硼、钙、铁、氮元素含量的影响。

2.5 枣果矿质元素与果实品质的回归分析

为了更深层次地揭示果实中不同矿质元素对果实品质影响的重要程度以及正负效应，以对果实品质影响较大的矿质元素指标作为自变量，以果实品质指标作为因变量，构建果实中不同矿质元素对果实品质影响的回归方程（表5）。由表5可知，所构建回归方程均达到极显著水平，氮元素含量与可溶性糖含量有最大的正效应系数，钾含量与果实可溶性糖含量有负的效应系数，果实糖酸比与氮含量有最大的负效应系数，与硼元素含量有正效应系数。

2.6 枣果实矿质元素含量优化方案的制订

为探究灰枣果实品质最优时所需要的最优矿质元素含量，在果实品质（Y）与矿质元素含量（X）这2 个正态总体中，将枣果某一果实品质指标的最大值（Ymax）设为目标函数，以枣果其他果实品质指标和矿质元素因子为约束条件，建立求解最优果实品质指标的线性规划方程，并在求解某果实品质指标处于最大值时，保证其他果实品质指标均处于优质状态，并对果实中矿质元素含量加以约束。将可溶性糖含量、蛋白质含量、维生素C含量、糖酸比约束下限值设定为所测定的枣果各品质指标的均值，可滴定酸含量上限值设定为所测定枣果的可滴定酸含量均值，矿质元素含量的约束值均以采样枣园的最大值为上限，以采样枣园的均值为下限。

以果实中可溶性糖含量的最大值（Y1 max）为例，果实品质指标与果实矿质元素含量的线性规划方程为

Y1 max=71.212 1+10.279 8X1+0.006 936X2-0.000 98X3+0.048 742X6。

该线性规划方程为目标函数，其约束条件如下-0.041 88+0.289 419X1+0.000 617X4-0.009 82X7+0.004 438X8 ≤ 0.29；

4.978 94+8.433 53X1+0.002 297X2+0.033 457X6 ≥15.72；

-1.169 66+1.693 75X1+0.005 262X6-0.081 1X10+0.302 199X11 ≥ 0.71；

634.089-248.921X1-0.609 98X4+11.606 3X7-5.555 72X8 ≥ 326.95。

在满足各约束条件的情况下，即可溶性糖含量、蛋白质含量、维生素C 含量、糖酸比均大于其平均值，可滴定酸含量小于其平均值时，求解出目标函数的最大值。Y1 max 的最大值即可溶性糖含量的最大值，其约束条件为0.048 g/kg ≤X1 ≤ 0.079 g/kg、706.87 mg/kg ≤X2 ≤ 1 018 mg/kg、4 118.25 mg/kg ≤X3 ≤ 5 551.5 mg/kg、359.05 mg/kg ≤X4 ≤ 507.1 mg/kg、233.54 mg/kg ≤X5 ≤ 306.25 mg/kg、151.19 mg/kg ≤X6 ≤ 201.90 mg/kg、7.91 mg/kg ≤X7 ≤ 14.39 mg/kg、10.41 mg/kg ≤X8 ≤ 21.47 mg/kg、2.16 mg/kg ≤X9 ≤ 3.49 mg/kg、3.35 mg/kg ≤X10 ≤ 5.29 mg/kg、1.79 mg/kg ≤X11 ≤ 2.50 mg/kg。

采用相同的方法，構建并求解果实品质指标中可滴定酸含量最小值（Y2 min）、蛋白质含量最大值（Y3 max）、维生素C 含量最大值（Y4 max）、糖酸比含量最大值（Y5 max）的线性规划方程。根据所构建的枣果各营养品质指标最大值的线性规划方程求得的结果见表6。由表6 可知，当矿质元素含量（X）处于最适值时，即氮含量4.8 ～ 7.1 g/kg、磷含量1 018 mg/kg、钾含量4 118.25 mg/kg、钙含量359.05 mg/kg、镁含量306.25 mg/kg、硫含量201.9 mg/kg、硼含量14.39 mg/kg、铁含量10.41 mg/kg、锰含量3.49 mg/kg、锌含量3.35 mg/kg、铜含量2.5 mg/kg，果实各品质指标值则均处于最大值，即果实中的可溶性糖含量为91.38%，可滴定酸含量为0.22%，蛋白质含量为20.06 mg/g，维生素C含量为1.58 mg/g，糖酸比为404.77。

3 结论与讨论

矿质元素在果实品质形成中起着重要作用，果实品质综合性状主要受氮、钙元素含量影响，其次是果实中的磷、硼、铁、硫含量。本研究中采用偏最小二乘回归，建立品质与矿质元素之间关系的回归方程，根据线性规划方程，求解出高品质灰枣果实中矿质元素的最佳含量或含量适宜范围，即氮含量4.8 ～ 7.1 g/kg、磷含量1 018 mg/kg、钾含量4 118.25 mg/kg、钙含量359.05 mg/kg、镁含量306.25 mg/kg、硫含量201.9 mg/kg、硼含量14.39 mg/kg、铁含量10.41 mg/kg、锰含量3.49 mg/kg、锌含量3.35 mg/kg 和铜含量2.5 mg/kg，在此条件下果实各品质指标最优，即果实中的可溶性糖含量为91.38%，可滴定酸含量为0.22%，蛋白质含量为20.06 mg/g，维生素C 含量为1.58 mg/g，糖酸比为404.77。灰枣果实中不同矿质元素的含量对果实品质特性的影响各异，提高磷、镁、硫、硼、锰含量，降低钾、钙、铁、锌含量是提高灰枣果实品质的重要技术途径。

灰枣作为新疆枣树主栽品种，在当地经济发展中起着重要作用。近年来，随着灰枣产业的不断发展，果园精准化施肥技术也日益受到关注。果实中的矿质营养元素含量主要是由根系和叶片对大量元素和微量元素的吸收、运输和分配能力决定的，果实中的矿质营养元素含量与果实品质、生理病害和食用价值有密切关系[27-32]。彭程等[33]分析了广东韶关黄金柰李果实品质与土壤矿质元素、叶片矿质元素之间的关系，筛选影响果实品质的关键因子，发现在柰李果园土壤磷元素含量丰富或过量、钙元素含量处于低量或缺乏状态的前提下，适当降低叶片磷元素含量，提升叶片中钙元素、硼元素含量，可能有助于提升果实总体品质。文婷等[34] 通过研究金柑果实品质与果实矿质元素间的相关关系，发现根据果实矿质元素的分析结果可准确预测果实品质。闫帅等[35] 研究了南果梨叶片、果实中矿质元素与果实品质的关系，发现磷、钾、钙是影响南果梨可溶性糖含量的关键因素，可滴定酸含量主要受钾、镁元素影响，影响维生素C 含量的主要元素为氮、磷、钾。周丹蓉等[36] 研究了10 个产地的‘芙蓉李果实品质与矿质元素含量的相关性，发现固酸比受锰的直接影响最大，可滴定酸含量受铁的直接影响最大。Fallahi 等[29] 经研究认为，不同的矿质元素对果实品质有不同的影响，其中，氮、磷、钙、硼等矿质元素对果实品质有不同程度的影响，钾元素使苹果果实变大，酸度提高，颜色变深，但硬度下降。本研究结果表明：果实品质受氮、钙含量的影响较大，其次是磷、硼、铁、硫含量；果实可溶性糖含量受氮、磷、钾、钙元素含量影响，并与氮元素含量有较大的正效应系数，与钾元素含量有负的效应系数；可滴定酸含量主要受钙、硼、氮、铁元素含量影响，与氮、钙、铁含量有正效应系数，与硼含量有负效应系数；蛋白质含量主要受硫、氮、磷元素含量影响且均是正效应系数；维生素C 含量主要受氮、铜、硫、锌元素含量影响，与氮、硫、铜含量有正效应系数，与锌含量有负效应系数；糖酸比主要受硼、钙、铁、氮元素含量影响，与硼含量有正效应系数，与氮含量有最大的负效应系数。本研究结果与其他研究结果存在差异，这可能与气候、树种、树龄等因素均有关。

本研究中僅测定分析了果实的主要营养品质指标，引入指标不够全面，且该优化方案中枣果各矿质元素的含量均属理论值，应根据品种、地域、气候条件等实际情况进行调整。目前，尚不明确枣果矿质元素对枣果品质影响的分子机制，因此这将成为下一步研究的方向，可为枣果品质精细化调控研究提供参考。

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[ 本文编校：闻 丽]