顶坛花椒果实品质及随海拔的变异规律研究

王俊贤 喻阳华 蓝家程 宋燕平 李一彤

（贵州师范大学喀斯特研究院/国家喀斯特石漠化防治工程技术研究中心，贵州 贵阳 550001）

顶坛花椒（Zanthoxyhum planispiunumvar.dingtanensis）是竹叶椒（Zanthoxyhum planispiunum）的一个新变种，为芸香科花椒属落叶灌木或小乔木［1］，是贵州喀斯特山区花江峡谷特有的经济植物，以“香味浓、麻味纯、品质优”而著称［2］。花椒果皮富含可溶性多糖类及蛋白质类营养物质，种子中核苷类营养物质含量较为丰富［3］，同时兼备食用、药用、保健等功效，综合价值较高。但是，近年顶坛花椒出现种植规模减少、产量下降、品质波动等现象［4-5］，影响了花椒的长期经营与发展。生境是果实品质形成和发育的基本条件，同时亦是作物区划和适地适树的基本依据［6］。因此，探究生态环境对花椒品质性状的影响对顶坛花椒的栽培管理和示范推广具有重要意义。

海拔是影响果实品质的重要因素之一［7］。作为农业生态系统中极其重要的综合环境因子，海拔高度直接决定了作物的生长环境，关系到作物光合、呼吸，物质的运输与传递和细胞分裂等生理生化过程，以及作物的养分吸收和积累，产量与品质形成等［8-9］。海拔不同，成土母岩和土壤类型亦会随之发生变化，光、温、水、热等会存在较大差异，对花椒的生长发育和产量品质均有较大影响［10-11］。近年来，诸多学者探讨了果实品质随海拔的变异规律，如Parra-Coronado 等［12-13］探究了菠萝番石榴果实外在品质对海拔变异的响应；Rieger［14］和Crespo 等［15］揭示了不同海拔果实内在品质性状的差异；罗文文［16］和曹永华等［17］发现，随着海拔升高，果实内外品质明显改善；Turner等［18］证实了海拔变异会显著影响大蕉果实的风味和品质。上述结果均表明海拔高度通过改变生态因子而间接影响果实的物理化学品质［10］。花江喀斯特峡谷区地形坡度大，自然生态环境复杂，不同海拔的环境异质性会导致果实发育、品质形成等生理生化特征差异。因此，探明顶坛花椒果实品质随海拔的变异规律可为顶坛花椒适地适树和品质区划提供科学依据。

基于此，本研究以喀斯特石漠化地区典型退化生态系统恢复模式顶坛花椒的果实为对象，通过比较5个不同海拔的果实品质变化特征，拟对下述3个问题进行研究：（1）探究不同海拔顶坛花椒的果实品质性状特征；（2）厘清顶坛花椒果实品质指标之间的内在关联，揭示不同指标间的互作效应；（3）剖析顶坛花椒果实综合品质及其随海拔的变化规律。旨在了解该区不同海拔顶坛花椒人工林的生态适宜性，为花椒产业的合理发展布局及优质、高效生产提供科学参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于贵州省黔西南州贞丰县北盘江镇顶坛片区，属西南典型喀斯特高原峡谷地貌。海拔530～1 473 m，河谷深切，地下水深埋，河谷气候特征典型。850 m 以上为中亚热带河谷气候，850 m 以下为南亚热带干热河谷气候［19］。光热资源丰富，年均温18.4 ℃，年日照时数2 500 h 以上，总积温达6 542.9 ℃；雨水季节分配不均，冬春旱及伏旱严重，从谷底、谷坡再到谷肩，年均降雨量依次为1 100、1 259、1 438 mm，全年无霜期在337 d以上，地处干热河谷，河谷低地终年无霜。区内土壤母质以石灰岩和泥灰岩为主，土壤类型主要为钙质石灰土，土层浅薄、土被不连续且易流失，基岩裸露率为50%～80%，是贵州石漠化发育较为严重的地区。区内种植的主要经济植物有顶坛花椒、火龙果（Hylocereus undulatus）、金银花（Lonicera japonica）、核桃（Juglans regia）及玉米（Zea mays）等。该区域大规模推广顶坛花椒种植已30 余年，在长期的生产经营中，花椒人工林出现结构单一、生产力低、管理模式粗放等问题，导致种植规模缩减、产量和品质下降，进而降低了椒农的生产积极性，限制了石漠化区顶坛花椒特色产业的发展，制约了石漠化治理成果的巩固。

1.2 样地设置

经过前期文献研究及实地踏查，花江喀斯特峡谷区地形地貌复杂，海拔分异明显，小生境类型多样。从谷底到谷肩，顶坛花椒均有分布，连片生长于南亚热带干热河谷气候和中亚热带河谷气候两个不同气候区，作物生育进程有所差异，果实品质性状各异。因此，根据该区气候、河谷位置（谷底、谷坡、谷肩）及花椒种植现状，划分成531、640、780、871 和1 097 m 5 个海拔梯度，依次为南亚热带干热河谷气候—谷底、南亚热带干热河谷气候—缓冲区、南亚热带干热河谷气候—谷坡、气候过渡区—谷坡、中亚热带河谷气候—谷肩，分别标记为YD1～YD5。选择林龄约10 年的顶坛花椒人工林种植园，依据花椒林立地和生长条件近似的原则，在每个样地分别随机布设3个10 m×10 m的标准样方，共计15 个样方，样方之间留足缓冲距离。对各样地的海拔、经纬度、土壤厚度、种植密度、平均株高和平均冠幅等信息进行测定并记录（表1）。

表1 各样地基本信息Table 1 Basic information of plots

1.3 样品采集与预处理

由于顶坛花椒的主要用途之一是鲜椒，因而选择在2021年6月顶坛花椒壮果成熟期采摘。在预先布设的15 个标准样方内，分别随机选取3～5 株生长良好、大小一致、生境相同且具代表性的个体植株，在每株树冠的中部和外围分别摘取大小均匀且无病虫害的果实数粒，组成混合样品约500 g，置于尼龙网袋中，自然晾晒1～2 d，使其充分干燥，待果皮炸口后，分离果皮和果粒，磨碎果皮，制得待测样品。由于花椒果皮营养价值最高，是常用的食用品，所以取果皮为研究材料。

1.4 测定指标与方法

参照《GB/T 6438-2007 饲料中粗灰分的测定》［20］，采用高温灼烧称重法测定果皮灰分含量；参照《GB/T 6433-2006 饲料中粗脂肪的测定》［21］，采用索氏抽提法测定粗脂肪含量；参照《GB/T 6432-2018 饲料中粗蛋白的测定》［22］，采用凯氏定氮法测定粗蛋白含量；采用高效液相色谱法测定氨基酸含量；采用比色法测定维生素C含量，采用检测试剂盒（江苏科特生物科技有限公司）测定维生素E 含量；参照《GB 5009.83-2016 食品安全国家标准 食品中胡萝卜素的测定》［23］，采用分光光度法测定β-胡萝卜素含量；铁（Fe）、锌（Zn）、硒（Se）含量均采用iCAPQ 电感耦合等离子体质谱仪（美国Thermo 公司）参照《LY/T 1270-1999 森林植物与森林枯枝落叶层全硅、铁、铝、钙、镁、钾、钠、磷、硫、锰、铜、锌》［24］进行测定，碘（I）含量采用分光光度法测定。

1.5 数据处理

根据能否直接在人体内合成，将游离氨基酸分为必需氨基酸和非必需氨基酸。其中，必需氨基酸（essential amino acid，EAA）为缬氨酸、苏氨酸、赖氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸、亮氨酸和异亮氨酸7 种之和；非必需氨基酸（nonessential amino acids，NEAA）为谷氨酸、胱氨酸、酪氨酸、丙氨酸、脯氨酸、甘氨酸、精氨酸、组氨酸、丝氨酸和天冬氨酸10 种之和；总氨基酸（total amino acids，TAA）为必需氨基酸和非必需氨基酸之和。根据氨基酸的味觉强度亦可分为鲜味、苦味、甜味和芳香族氨基酸4 种，其中鲜味氨基酸（fresh amino acids，DAA）为谷氨酸、赖氨酸和天冬氨酸3种之和；苦味氨基酸（bitter amino acids，BAA）为精氨酸、缬氨酸、蛋氨酸、亮氨酸和异亮氨酸5 种之和；甜味氨基酸（sweet amino acids，SAA）为丝氨酸、组氨酸、苏氨酸、丙氨酸、甘氨酸和脯氨酸6种之和；芳香族氨基酸（aromatic amino acids，AAA）为苯丙氨酸、胱氨酸和酪氨酸3种之和。药效氨基酸（pharmacodynamic amino acids，PAA）为酪氨酸、蛋氨酸、精氨酸、谷氨酸、甘氨酸、亮氨酸、天冬氨酸、苯丙氨酸和赖氨酸9种之和［25］。

试验数据经Microsoft Excel 2010 初步整理后，利用SPSS 21.0 软件首先对百分比数据进行反正弦转换，再采用单因素方差分析（one-way ANOVA）中的Duncan 法检验不同海拔果实品质性状之间的差异，以平方Euclidean 距离为度量标准、组间连接为聚类方法，聚类分析5 个海拔的综合品质；使用Pearson 相关系数法分析品质指标间的内在关联；采用主成分分析（principal component analysis，PCA）依据加权法计算不同海拔顶坛花椒品质综合指数；使用Origin 8.6软件制图。图表数据均表示为平均值±标准差。

2 结果与分析

2.1 顶坛花椒果实品质随海拔的变化规律

2.1.1 顶坛花椒果皮灰分含量 YD1～YD5 5 个不同海拔顶坛花椒果皮灰分含量依次为6.35%、6.36%、5.76%、3.11% 和5.98%，以YD4最小，显著低于YD1～YD3 和YD5，且除YD4 外，其他4 个样地灰分含量均无显著差异（图1）。

图1 不同海拔顶坛花椒果皮灰分含量Fig.1 Ash content of fruit peel of Z. planispiunum var.dingtanensis at different altitudes

2.1.2 顶坛花椒果皮氨基酸含量 由表2 可知，检测到的17种游离氨基酸中，天冬氨酸、谷氨酸含量较高，达807.60～1 079.10、842.95～1 071.65 mg·kg-1；胱氨酸、蛋氨酸和苯丙氨酸含量相对较低，仅为44.15～57.20、39.60～52.90、22.10～40.50 mg·kg-1；YD2 酪氨酸含量显著高于YD1（P＜0.05），与YD3～YD5 无显著差异，其余氨基酸含量在不同海拔间均无显著差异。除苯丙氨酸、蛋氨酸、天冬氨酸、脯氨酸和赖氨酸外，其余氨基酸含量均表现为YD2 或YD4 最高、YD1 或YD5最低，表明中等海拔有利于氨基酸的合成，海拔过高或过低都不利于氨基酸的积累。

表2 不同海拔顶坛花椒果皮氨基酸含量Table 2 Contents of amino acids in fruit peel of Z. planispiunum var. dingtanensis at different altitudes /（mg·kg-1）

由表3 可知，不同海拔花椒果皮的味觉氨基酸含量整体表现为鲜味氨基酸＞甜味氨基酸＞苦味氨基酸＞芳香族氨基酸，说明甜味氨基酸和鲜味氨基酸对花椒的香麻味贡献较大。但各味觉氨基酸含量在不同海拔上均未表现出显著差异，表明海拔未显著影响氨基酸积累量。

表3 不同海拔顶坛花椒果皮味觉氨基酸含量及比例Table 3 Content and proportion of taste amino acids in fruit peel of Z. planispiunum var. dingtanensisat different altitudes/（mg·kg-1）

2.1.3 顶坛花椒果皮维生素含量 由图2 可知，随着海拔升高，顶坛花椒果皮3 种维生素含量均表现为先增加后降低的变化趋势。其中，维生素C和维生素E含量均以YD3 最高，分别达8.94 mg·g-1、517.21 μg·g-1，YD5 最低，为6.21 mg·g-1、364.23 μg·g-1；β-胡萝卜素含量为0.06～0.09 mg·g-1，以YD4 最高，YD1 最低，但不同海拔间均无显著差异。

图2 不同海拔顶坛花椒果皮维生素含量Fig.2 Vitamin content in fruit peel of Z. planispiunum var. dingtanensis at different altitudes

2.1.4 顶坛花椒果皮矿质元素含量 由图3 可知，顶坛花椒果皮Fe 含量为56.40～230.78 mg·kg-1，YD3 显著高于YD1～YD2、YD4～YD5；Zn 含量也以YD3 最高（37.43 mg·kg-1），但不同海拔间均无显著差异，两者均随海拔升高呈先增加后降低的变化趋势。Se 和I 含量分别为0.40～0.82、0.03～0.05 mg·kg-1，在不同海拔间均无显著差异，且随海拔变化未表现出明显规律。

图3 不同海拔顶坛花椒果皮矿质元素含量Fig.3 Contents of mineral elements in fruit peel of Z. planispiunum var. dingtanensis at different altitudes

2.1.5 顶坛花椒果皮粗蛋白与粗脂肪含量 由图4可知，顶坛花椒果皮粗蛋白含量随海拔升高呈先降低后升高再降低的变化趋势，以YD1 最高（12.47%），显著高于YD5，与YD2～YD4 之间无显著差异；粗脂肪含量总体随海拔升高呈先增加后减少的变化趋势，以YD2最高（5.08%），显著高于YD1和YD5，与YD3～YD4之间无显著差异。

图4 不同海拔顶坛花椒果皮粗蛋白、粗脂肪含量Fig.4 Contents of crude protein and crude fat in fruit peel of Z. planispiunum var. dingtanensis at different altitudes

2.2 顶坛花椒果实内在品质指标间的相关性分析

由图5可知，顶坛花椒果皮中Fe与Zn含量之间呈显著正相关关系（P＜0.05，下同），表明Fe 和Zn 相互促进，Fe 与CP、CF 及氨基酸的积累多表现为抑制效应，但未达显著水平；Vc与VE之间呈显著增强效应，相关系数达0.71，表明Vc和VE间存在一定的协调性，Vc与氨基酸的积累也多表现为正效应，但均未达显著水平；CF 与PAA 和NEAA 之间均表现为显著正相关，相关系数均为0.64；EAA、NEAA、DAA 等各种氨基酸积累量之间均呈极显著正相关关系（P＜0.01，下同），相关系数高达0.86～1.00，表明各种氨基酸积累之间的关系较为密切；除此之外，其余果实品质指标间无显著相关性。

图5 顶坛花椒果实品质指标之间的相关性分析Fig.5 Correlation analysis between fruit quality indexes of Z. planispiunum var. dingtanensis

2.3 不同海拔顶坛花椒果实品质性状的综合评价

由表4 可知，将不同海拔顶坛花椒果实的灰分、维生素、矿质元素及氨基酸等27 个品质指标进行主成分分析，按照特征值＞1 的标准，共提取到5 个主成分，特征值分别为13.486、4.621、2.776、2.227 和1.786，累积贡献率达92.207%，说明这5 个主成分可以反映出原始变量的绝大部分信息。第1 主成分的贡献率为46.709%，主要受苏氨酸、丙氨酸和亮氨酸等各种游离氨基酸影响，载荷系数较大，且均表现为正效应；第2主成分的贡献率为14.825%，主要由维生素和Fe 含量决定，载荷系数均大于0.8，表现为协同促进作用；第3主成分的贡献率为12.476%，粗蛋白和苯丙氨酸权重较大，两者的作用效果相反，表现为拮抗作用；第4 主成分的贡献率为10.483%，主要受β-胡萝卜素、I 和灰分控制，其中β-胡萝卜素和I表现为正效应，灰分表现为负效应；第5 主成分的贡献率为7.715%，主要受Se和粗脂肪支配，Se 表现为促进作用，粗脂肪表现为抑制作用。

表4 旋转因子载荷矩阵及主成分的贡献率Table 4 Rotation factor load matrix and contribution rate of principal components

由各因子方差贡献率和因子得分加权计算得到不同海拔顶坛花椒果实品质的综合指数，为YD4（1.501）＞YD2（1.112）＞YD3（0.578）＞YD5（-0.995）＞YD1（-2.196）（表5）。说明顶坛花椒果实品质在YD4、YD2较优，YD3为中等水平，YD5 和YD1 则较差，表明中等海拔高度有利于顶坛花椒果实品质指标的积累，而海拔过高或过低均不利于果实品质形成。

表5 不同海拔顶坛花椒果实品质的主成分因子得分及综合指数Table 5 Principal component factor scores and comprehensive indexes of fruit quality of Z. planispiunum var. dingtanensis at different altitudes

2.4 不同海拔顶坛花椒果实品质性状的聚类分析

由图6可知，5个不同海拔顶坛花椒果实品质聚集为3 类，分别对应顶坛花椒的3 个品质等级，第Ⅰ类聚集了YD2 和YD4，主要特征是氨基酸含量普遍较高，顶坛花椒果实品质中等偏上；第Ⅱ类聚集了YD3，主要特点是矿质元素及维生素含量较高，氨基酸含量中等，顶坛花椒果实综合品质也处于中等水平；第Ⅲ类聚集了YD1 和YD5，主要特点是维生素和氨基酸含量均较其他样地偏低，顶坛花椒果实品质亦相对较差。综上，聚类分析和主成分综合评价指数结果较为一致，表明聚类分析和主成分分析均可用于分析顶坛花椒果实品质指标，综合评价不同海拔顶坛花椒果实的品质差异。

图6 不同海拔顶坛花椒果实品质聚类分析树状图Fig.6 Cluster analysis dendrogram of fruit quality of Z. planispiunum var. dingtanensis at different altitudes

3 讨论

3.1 海拔对顶坛花椒果实品质的影响分析

海拔是农业生态系统中重要的综合环境因子，主要通过影响作物生长环境来调控作物产量和品质形成［26］。花江喀斯特峡谷区地势起伏大，自然生态环境复杂，不同海拔的环境因子差异使顶坛花椒表现出不同的生物学和生长发育特征［27］。本研究发现，果实氨基酸含量整体以YD2 或YD4 为最高，YD1 或YD5 最低（表2），表明中等海拔更有利于氨基酸的合成，海拔过高或过低都不利于氨基酸的积累。原因可能是在中等海拔地带，气候温凉，光照充足，适宜的温度能够促进果实氨基酸的积累；而海拔过高或偏低时，气候则会变得冷凉或酷热，温度过高或过低均不利于果实氨基酸的合成［28］，表明温度是影响果实氨基酸积累的主要限制因子之一。主成分和聚类分析结果表明，5 个海拔的果实品质可划分为3 个等级（图6），YD4 和YD2 最优，YD3次之，YD5和YD1较差。这与Paunovic等［29］和聂佩显等［30］的研究结果不完全一致，原因可能是在花江峡谷顶坛片区，土壤由高海拔的黑色石灰土向中海拔的黄色石灰土再向低海拔的红色石灰土演替，有机质和养分肥力水平逐渐降低。此外，从低海拔往高海拔，光照强度增加，紫外线辐射增强，温度逐渐降低［31］。在最低海拔的河谷处，温度最高，土壤水分蒸发量大，气态水含量相对欠缺。因此，综合来看，中海拔兼具土壤和气候条件优势，更有利于花椒品质形成。

3.2 顶坛花椒果实品质指标间的内在关联

矿质元素作为果树生长发育的重要物质基础，参与调控果树的生长发育、产量形成及品质构建等关键生理过程［32-33］。本研究结果表明，顶坛花椒果皮中Fe与Zn含量之间呈显著正相关关系，两者的协同增加提升了顶坛花椒叶片的光合效率，良好的C 同化能为N代谢提供充足的碳源和能量，促进硝酸盐同化进程，进而提升果实品质［34］。此外，Fe 对各种氨基酸含量积累多表现为抑制效应。这与苗妍秀等［34］的研究结果不一致，原因可能是Fe为无机物质，能够活化酶活性［35］；而氨基酸为有机物质，其代谢途径受到其他诸如维生素等有机物的影响［36］；Fe 可能通过化学反应与氨基酸中的官能团结合，破坏氨基酸的分子结构，并影响水解反应等化学过程，进而阻碍了氨基酸积累。维生素C和维生素E 都属于小分子物质，共同参与调控机体的代谢、生长和发育等过程［37］。本研究同样发现，维生素C 与维生素E 之间互为正向效应，两者协同调控顶坛花椒果实品质形成。本研究还发现，不同氨基酸的积累之间多表现为极显著增强效应。究其原因，一是N 以游离氨基酸的形式积累，是有效贮存多余N 的途径［38］，氨基酸含量可表征N 素变化对植物生理生态的影响，且不同种类氨基酸的含量受环境养分状况制约，因而彼此之间表现为正向协变关系；二是不同种类氨基酸具有相似的物质组成，其比值决定了果实品质性状，因此呈现出正向关联效应，以调控合适的计量关系，促成顶坛花椒果实品质的形成。

3.3 基于品质提升的顶坛花椒人工林栽培策略

本研究结果显示，5个海拔的顶坛花椒果实品质综合指数表现为YD4（1.501）＞YD2（1.112）＞YD3（0.578）＞YD5（-0.995）＞YD1（-2.196）（表5），表明中等海拔有利于顶坛花椒果实品质的积累，而海拔过高或过低均不利于果实品质的形成。综合不同海拔的土壤、气候等条件差异，建议在高海拔地区采取封育措施，种植高大落叶阔叶树种，增加凋落物数量和有机质水平，通过水土迁移向低海拔区提供丰富的有机质；低海拔地区要增施农家肥等有机肥，促进土壤腐殖化和矿质化过程，提高土壤养分利用效率，改善土壤肥力质量；中海拔地区则要充分利用好地区优势，科学推广、种植花椒，实现花椒产量及品质提升。同时，中海拔地区还适宜良种选育、定向培植研究，进而为其他区域提供环境参考和技术指导。综上，海拔是影响植物物种分布和果实品质形成的关键因子［39］。但本研究仅探讨了海拔间接因子对顶坛花椒果实品质的影响，今后还需加强海拔差异引起的直接因子，如土壤结构、肥力状况、水分条件等对花椒品质性状影响的研究［40-42］，以找到影响顶坛花椒品质形成的关键因子，为品质调控奠定基础。

4 结论

随着海拔升高，顶坛花椒果皮氨基酸、维生素、矿质元素及粗蛋白和粗脂肪含量整体呈先增加后减少的变化趋势。不同品质性状之间的作用方向各异，Fe 对Zn 含量表现为显著正向效应，但对氨基酸积累则呈抑制作用；维生素C 和E 含量以及不同种类的氨基酸积累量之间多表现为显著增强效应（P＜0.05）。5 个海拔的果实品质可划分为3 个等级，YD4 和YD2 最佳，YD3次之，YD1 和YD5 较低，说明中等海拔更有利于顶坛花椒果实品质形成。