赣南脐橙生长发育期果实和叶片矿质营养与重金属元素的动态变化及相关性分析

王小玲，刘卓荣，幸学俊，高 柱,2

(1 江西省科学院 生物资源研究所，江西 南昌 330096；2 江西农业大学 园林与艺术学院，江西 南昌 330045)

矿质营养是果树生长发育、产量形成和果实品质提高的物质基础，叶片养分含量反映果树的营养状况，且与果实品质密切相关[1]。江西赣州是著名的“赣南脐橙”产地，享有“世界脐橙之乡”的美誉。虽然赣南脐橙久负盛名，销售市场前景乐观，但近年来随着柑橘黄龙病的暴发，大面积毁园转产，不仅造成脐橙生产面积大幅度减少，而且影响市场对赣南脐橙果品质量的评价[2]。另一方面，种植户为了提高产出比，逐渐提高氮、磷、钾化肥用量，有机肥用量减少，生产中营养施肥不均衡，叶片缺素症引起的黄化现象在赣南脐橙优势产区普遍存在，严重制约了脐橙产量和品质的提升[3]。此外，赣南享有“稀土王国”之美誉，矿区土壤中最低稀土含量是我国土壤稀土平均含量的2倍多[4]。钟林生[5]、郭鹏然等[6]、汪振立等[7]研究认为,赣南脐橙口感品质上乘，这与土壤中高稀土含量关系密切，尤其是在稀土矿区内种植的脐橙，有机营养物质指标均高于低稀土背景区。同时，刘平辉等[8]、董素钦[9]、尚媛等[10]、姚艳丽等[11]在南丰蜜桔、柑桔、苹果梨和菠萝等水果中的研究表明，果园较高的稀土含量，可促进果树生长，进而提高果实品质和产量，且轻稀土元素的影响大于重稀土元素。

因此，为了赣南脐橙产业的可持续发展，掌握脐橙果实营养的动态变化，探究影响脐橙果实营养含量和品质的关键因素，本研究在以往单独讨论某一因素对脐橙品质影响的基础上，较为全面地阐述不同生长发育期脐橙果实营养物质含量的变化，分析果实和叶片中大量元素(N、P、K、Ca、Mg)、微量元素(B、Fe、Mn、Cu、Zn)、重金属元素(Pb、Cr、Cd)和轻稀土元素(La、Ce、Pr、Nd、Pm)的含量及其变化特征，探讨果实和叶片中不同元素之间的相关性，为进一步研究脐橙生理代谢和品质形成的调控作用提供科学依据，进而为指导赣南脐橙产业的合理施肥和提高品质提供参考。

1 材料与方法

1.1 试材取样及处理

试验于2017年在江西省赣州市信丰县龙舌村(115°00′27″E，25°23′05″N，海拔181.7 m)脐橙园进行，选取10年生生长健康、结果稳定的纽荷尔脐橙(Citrussinensis(L.)Osbeck ‘Newhall’)30株为试材，每小区10株，3次重复。

1.2 果园土壤养分情况

分别采集样株树冠下和根际区域0～20 cm和20～40 cm土层的土壤各1 kg，每棵样株下均匀采集4～6个点，不同土层土壤混匀后，采用四分法弃除多余土壤，风干研磨过2 mm筛，测定土壤中大量元素(N、P、K、Ca、Mg)、微量元素(B、Fe、Mn、Cu、Zn)、重金属元素(Pb、Cr、Cd)及轻稀土元素(La、Ce、Pr、Nd、Pm)的含量，结果见表1。

表1 脐橙园土壤养分测定结果

1.3 试验方法

自盛花期后90 d(7月)起，每隔1个月自植株树冠外围结果枝中上部的4个方向采取健康果(外观颜色和果实大小相当)8～10个，自植株树冠外围中上部新梢中部的4个方向采取健康叶片15～20片。采后立即洗净擦干，果实分别测定横径、纵径和单果质量，叶片去除主叶脉。然后，将果肉切碎混匀后，一部分样品置液氮中迅速冷冻，贮藏于-80 ℃超低温冰箱，用于总糖、蔗糖、还原糖、总酸和柠檬酸含量等营养指标的测定；另一部分果肉和全部叶片烘干、粉碎后过2 mm筛，聚乙烯自封袋中保存，用于大量元素(N、P、K、Ca、Mg)、微量元素(B、Fe、Mn、Cu、Zn)、重金属元素(Pb、Cr、Cd)及轻稀土元素(La、Ce、Pr、Nd、Pm)含量营养指标的测定。

1.3.1 脐橙果实形态指标测定 每组取脐橙新鲜样果20个，采用电子天平(0.1 g)称量20个单果的鲜质量，用数码游标卡尺测量20个鲜果的纵径和横径，分别取平均值，计算果形指数：果形指数=纵径/横径。

1.3.2 脐橙果实营养成分测定 按照GB/T 5009.7-2008直接滴定法测定果实总糖、蔗糖、还原糖含量，按照GB/T 8210-2011酸碱滴定法测定总酸含量，按照GB/T 23877-2009高效液相色谱法测定柠檬酸含量。

1.3.3 脐橙果实和叶片矿质元素含量测定 ①大量元素。按GB 5009.5-2010食品安全国家标准中蛋白质的检测方法测定N含量，GB/T 5009.7-2003磷的检测方法测定P含量，GB/T 5009.91-2003钾的检测方法测定K含量，GB/T 5009.92-2003钙的检测方法测定Ca含量，GB/T 5009.90-2003镁的检测方法测定Mg含量。②微量元素。按照GB/T 6041-2002质谱分析方法通则测定B含量，GB/T 5009.90-2003检测方法测定Fe和Mn含量，GB/T 5009.13-2003(第一法)检测方法测定Cu含量，GB/T 5009.14-2003(第一法)检测方法测定Zn含量。③重金属元素。按照GB 5009.12-2010(第一法)检测方法测定Pb含量，GB 5009.15-2014方法测定Cd含量，GB 5009.123-2014方法测定Cr含量,并计算重金属的污染指数(重金属含量实测值和评价标准的比值)。④轻稀土元素。采用电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)测定，样品消解参照食品安全国家标准中“植物性食品中稀土元素的测定(GB 5009.94-2012)”的微波消解方法但有所修改，具体操作步骤参见王小玲等[12]的方法。

1.4 数据处理

试验数据用SPSS 16.0统计分析软件和Excel法进行统计整理和分析，采用Excel 2007绘图。

2 结果与分析

2.1 脐橙果实形态分析

表2 脐橙果实形态指标的测定

注：同列数据后标不同小写字母表示不同生长期在0.05水平差异显著，大写字母表示在0.01水平差异显著。下表同。

Note：Different lowercase letters indicate significant difference at 0.05 level, while different capital letters indicate significant difference at 0.01 level.The same below.

2.2 脐橙果实营养成分分析

糖、酸含量是决定脐橙果实品质的关键指标，糖酸比越高，品质越好。由表3可知，脐橙果实糖酸比随着生育期延长而逐渐增大。进一步分析表明，从7月至11月份，脐橙果实总糖积累量随着发育期延长逐渐增加，蔗糖和还原糖积累量则极显著增加，蔗糖和还原糖分别占总糖的43.82%和42.77%，其中蔗糖在7-9月份积累量急剧增加，10-11月份增加缓慢，而还原糖积累量的增加幅度与蔗糖相反。果实总酸含量在7-9月份极显著减少，10-11月份减少不显著；果实柠檬酸含量最高可占总酸量的82.76%，柠檬酸含量变化趋势与总酸相同，其中7-9月份柠檬酸含量降低了62.64%。可见，脐橙生长发育期也是果实总糖积累和总酸转化减少的过程，果实总酸含量主要受柠檬酸含量的影响，不同时期蔗糖和还原糖对果实总糖的贡献率还有待深入研究。

表3 脐橙果实营养成分的测定

2.3 脐橙果实和叶片矿质元素含量分析

2.3.1 大量元素 图1表明，在脐橙生长发育期，果实中的N、P、K、Ca、Mg积累量始终低于叶片。在脐橙果实中，大量元素含量依次表现为K>N>Ca>P>Mg，且其含量均随果实生长发育期延长总体呈递减趋势，递减幅度依次表现为Ca>P>Mg>K>N。叶片生长发育过程中，大量元素含量依次表现为Ca>K>N>Mg>P，其中Ca元素含量随着生长发育期延长逐渐递增，说明叶片吸收合成Ca元素的量大于转移消耗的量；其他4种元素含量的变化规律与果实相同，递减幅度依次表现为P>Mg>K>N。表明Ca是影响果实和叶片大量元素积累的主要因子，P和Mg次之，K和N最小。另外，果实和叶片大量元素的积累量在7-9月份的变化幅度大于10-11月份。

2.3.2 微量元素 由图2可知，在脐橙生长发育过程中，果实中的B、Fe、Mn、Cu、Zn积累量均低于叶片，随着生长发育期延长，果实和叶片中的5种微量元素含量变化表现出分异现象。果实生长发育过程中，微量元素含量依次表现为Zn>B>Mn>Cu>Fe，其中Fe、Mn和Cu含量总体上呈递增趋势，分别增加了33.33%，17.73%和93.90%；Zn和B含量呈递减趋势，分别降低了3.61%和6.64%。叶片生长发育过程中，微量元素含量依次表现为Mn>Fe>Zn>B>Cu，其中Fe、Mn、Cu和Zn含量变化趋势与果实相同，且Fe、Mn和Cu含量分别增加了68.28%，95.06%和111.86%，Zn含量降低了9.62%。叶片B含量增加了25.52%，与果实变化趋势相反。可见，叶片中微量元素含量不仅高于果实，而且变化幅度也大于果实，其中9月份是微量元素吸收、转运及分配的关键时期，而在10-11月份，除叶片Cu元素和果实Zn元素含量外，其他元素含量的变化基本趋于稳定。

图1 脐橙果实和叶片中N、P、K、Ca、Mg含量的动态变化

图2 脐橙果实和叶片中B、Fe、Mn、Cu、Zn含量的动态变化

2.3.3 重金属元素 脐橙果实中重金属元素含量的安全评价标准采用GB 2762-2017食品中污染物的限量(水果)值，其中Pb≤0.1 mg/kg、Cr≤0.5 mg/kg、Cd≤0.05 mg/kg。测定结果(表4)表明，在脐橙的生长发育期内，Pb元素含量在叶片中呈现出逐渐增加趋势，而在果实中未检出。对Cr元素而言，叶片中的Cr元素含量在7-9月份呈先降低后升高趋势，且变化幅度较大，10-11月份又逐渐降低；在果实中，7-9月份Cr元素急剧增加了76.36%，10-11月份又缓慢降低了17.46%；Cd元素在叶片和果实中的检测值均小于0.003 mg/kg。因此，虽然脐橙叶片Pb含量表现出增加趋势，但果实并未受到重金属Pb和Cd的污染；不同时期脐橙果实Cr元素的综合污染量为0.10～0.19 mg/kg，远小于0.5 mg/kg的限量值，因此赣南脐橙是无重金属Pb、Cr、Cd污染的安全水果。

表4 脐橙果实和叶片中Pb、Cr、Cd含量的动态变化

注：“-”表示未检出。

Note:“-” indicates not detected.

2.3.4 轻稀土元素 在王小玲等[12]研究的基础上，进一步分析脐橙果实和叶片中5种轻稀土元素(La、Ce、Pr、Nd、Pm)的变化特征。结果(图3)表明，叶片轻稀土元素含量极显著高于果实。不同生长时期内，叶片Pm含量的变化趋势与其他4种轻稀土元素呈相反趋势。在9月份，叶片Pm元素积累量最少，La、Ce、Pr、Nd积累量均达到最多；10-11月份，叶片Pm元素含量逐渐升高，而La、Ce、Pr、Nd元素含量均有所降低。另外，随着生长时期的延长，果实中轻稀土元素La、Ce、Pr、Nd的积累量持续减少，而Pm元素未检出。因此可见， 9月中旬以后叶片Pm积累量高于Pr含量，但转移到果实中的Pm极少。Pm和Pr元素在脐橙叶片和果实中的转移转化特性具有一定的差异性，其原因还有待深入研究。

图3 脐橙果实和叶片中轻稀土元素含量的动态变化

2.4 脐橙果实和叶片各元素的相关性分析

脐橙果实各元素的相关性分析结果(表5)表明，大量元素P与N、Ca、Mg呈显著正相关， K与Ca、Mg呈极显著正相关，说明脐橙果实中N、P、K、Ca和Mg的吸收具有相互促进作用。微量元素B、Fe、Mn、Cu、Zn间的相关性未达到显著水平，而Cu与大量元素相关性显著，其中Cu与N、K、Mg呈显著负相关，与P、Ca呈极显著负相关，这说明微量元素之间的吸收相互间影响不大，而大量元素N、P、K、Ca、Mg的含量均会密切影响Cu元素的吸收与分配，且与其存在拮抗关系。果实轻稀土元素之间，除Ce与Nd的相关性未达到显著水平外，其他各元素之间均呈显著或极显著正相关；微量元素Cu与4种轻稀土元素La、Ce、Pr、Nd呈显著或极显著负相关；另外，轻稀土元素Ce含量与大量元素N、P呈显著正相关，而La、Pr、Nd含量分别与P、K、Ca、Mg元素呈显著或极显著正相关。由此说明，脐橙果实微量元素Cu含量越高，对其他元素吸收与积累的影响作用越明显，而其他元素之间存在不同程度的协同促进关系，其中P、K、Ca的协同促进作用尤为突出。

表5 脐橙果实中各元素的相关性分析

注：**表示在P<0.01水平上极显著相关，*表示在P<0.05水平上显著相关。下表同。

Note：“**” indicates highly significant correlation atP<0.01 level,“*” indicates significant correlation atP<0.05 level. The same below.

脐橙叶片中各元素的相关性分析结果(表6)表明，大量元素中除Ca与其他元素呈显著或极显著负相关外，其他各元素间均存在相互促进作用，其中K与N、P、Mg呈显著正相关，这说明K对其他元素的促进或抑制作用较小。微量元素Mn与Cu呈显著正相关，与Zn呈显著负相关，其他元素间相关性不显著；但是Mn与大量元素Ca呈显著正相关，与其他大量元素呈显著负相关，Zn元素则相反。轻稀土元素La、Ce、Pr、Nd间呈显著或极显著正相关，但Pm元素对其他4种轻稀土元素影响甚微，微量元素B对Pm元素的吸收、积累具有显著的促进作用；大量元素Ca可以促进La、Nd元素的吸收，微量元素Zn则会抑制其吸收。

表6 脐橙叶片中各元素的相关性分析

3 讨论与结论

柑橘类果实中的糖、酸含量是决定果实品质的重要指标。一般认为，柑橘类果实的糖积累属于蔗糖积累型[13]，蔗糖含量是影响果实风味的主要成分[14]。果实中的可溶性糖来自叶源的光合同化，其先贮藏在液泡中，再以蔗糖的形式运输到果实，纽荷尔脐橙果实中的蔗糖含量最高可达总糖的60.19%[15]。王贵元等[16]的研究表明，红肉脐橙中的蔗糖主要在果实着色期积累，而葡萄糖和果糖主要于果实成熟期积累。本研究表明，脐橙果实中蔗糖和还原糖占总糖量的比率差异不大，但不同时期表现出的增量变化非常明显。因此，脐橙果实中糖的积累量不仅受品种的影响，且不同时期起主要作用的糖种类也会存在差异。

按成熟果实中所积累的主要有机酸，可将果实分为苹果酸型、柠檬酸型和酒石酸型3大类，柑橘属柠檬酸型[17]，即其果实中的有机酸主要为柠檬酸，含量最高可达总酸的75.4%～96.9%，是影响风味的决定性有机酸[18]。本研究表明，脐橙柠檬酸含量最高可达总酸含量的82.76%，与孙达等[15]对11个纽荷尔脐橙产地果实样品分析的结果一致，即柠檬酸是脐橙果实的主要有机酸。脐橙果实近球形，不同时期糖酸比变化差异较大，为9.75～47.81。研究表明，不同时期脐橙果实的糖酸含量受土壤类型、气候因素、贮藏方式、施肥种类、树龄大小等多种因素的影响[19-21]，但主要原因还有待于采用统计方法针对单一因素进行进一步分析。

土壤矿质营养是果树生长发育、产量和品质形成的物质基础，树体所需的矿质营养直接来源于土壤[22]。研究表明，土壤营养状况不仅会直接影响果实产量和糖酸含量，提高固/酸值和糖/酸值，改善果实品质[23-25]，而且还可以通过叶片分析反映树体的营养状况以及果实的生长发育和品质状况[26]。本研究发现，矿质营养元素对脐橙生长发育至关重要，9月份是脐橙叶片和果实矿质营养元素变化的关键时期，不同生长时期叶片矿质元素含量都高于果实，其中微量元素Fe、Mn、Cu处于积累状态，但Zn元素却相反，这可能与Zn元素转移到其他器官导致Zn元素含量不足，进而影响脐橙园产量有关[27]。相关性分析进一步表明，大量元素Ca、Mg和微量元素Cu、Zn是影响果实和叶片矿质营养积累的关键因子。果实大量元素间相互促进积累，但大量元素明显抑制Cu的积累，这可能与Cu是重金属元素有关，适量的Cu元素可以促进果树生长，提高果实品质，但超过临界值，果实的生长和品质就会受到抑制，也会对人体健康造成威胁，这与关军锋[28]和陈丽旋等[29]的研究结果一致。因此，脐橙果实的生长发育和品质形成直接受叶片和果实中各种矿质营养元素的协同调控，其调控的关键因素及其对果树生长和果实品质的影响机制还有待深入探究。

基于国内对杨梅[30]、枣[31]、桃[32]等果实重金属元素的检测研究，尤其是重金属在苹果[33-34]中的富集水平及对品质影响的深入研究表明，虽然80%果实处于安全范围之内，但重金属检出率则达到了100%，可见果实中重金属超标的潜在可能性不容忽视。对贵州柑橘园的调查研究发现，果实中的重金属富集量与叶片和土壤中的重金属含量同时呈正相关[35]，但是叶片和土壤重金属含量对果实重金属含量的贡献率还不清楚。王星梅等[36]和贺灵等[37]对赣南脐橙园的调查评价表明，部分重金属存在潜在的环境风险，并轻度超标。本研究对信丰脐橙园的调查研究表明，虽然土壤和果实均未受Pb、Cr、Cd 3种重金属的污染，果实中Pb和Cd的检出率为0，但并不代表其他重金属元素不会对脐橙品质造成影响。因此，关于重金属对赣南脐橙品质的影响研究还需要大面积调查，查清造成潜在风险的影响因素和重金属元素的形态分布特征。

赣南是全国稀土储量和产量最多的地区，矿区土壤中稀土最低含量为我国土壤稀土平均含量的2倍多。多数研究认为，轻稀土元素有利于植物吸收，在植物体内的分布丰度较大[38]，与植物品质的相关性较强[39]，有利于提高植物果实的品质[40]。因此，越来越多的研究者开始探寻赣南脐橙的优质品质与稀土元素的相关性，汪振立等[7]的研究表明，赣南脐橙果园土壤中La、Ce、Pr、Nd 4 种轻稀土元素有利于促进脐橙有机营养物质的形成。但也有研究表明，不同脐橙品种和部位对轻稀土元素吸收积累的差异较大，脐橙对轻稀土元素的吸收能力也受到元素种类的影响[41]。本研究表明，脐橙叶片对轻稀土元素的吸收能力远高于果实，脐橙对4种轻稀土元素(La、Ce、Pr、Nd)的积累量与其在土壤中的含量及果实与叶片中的轻稀土元素含量呈正相关，但在脐橙果实中未检测出Pm元素，推测这与叶片Pm元素积累受微量元素B的显著影响有关。