金寧，肖雪梅，郁繼華，金莉，武玥，呂劍，唐中褀，閆曉花

(甘肅農業(yè)大學園藝學院，甘肅 蘭州 730070)

番茄(SolanumlycopersicumL.)原產于南美洲西部的秘魯、智利、玻利維亞及厄瓜多爾等國家的高原或谷地[1]，是茄科(Solanceae)番茄屬中以成熟多汁漿果為食用器官的草本植物[2].隨著人們生活水平的提高，大眾的飲食文化也逐步高級化，人們對于蔬菜產品的要求發(fā)生了顯著的變化，不僅要求數量充足和周年供應，而且更注重品種外觀、風味和營養(yǎng)等內在品質，果實品質的優(yōu)劣已成為其市場競爭力的核心因素[3].

近年來，番茄果實的品質已成為消費群體和科研人員共同關注的問題，描述番茄果實品質的指標有很多，但多數研究都局限于番茄果實可溶性糖、有機酸、糖酸比、維生素C等指標的研究，而對番茄果實中礦質元素的報道較少，對不同品種的番茄果實礦質元素積累也缺乏研究，番茄中各種礦質元素含量之間的相互關系也尚未有明確的結論.關于果樹果實礦物質的相關研究表明，礦質元素種類、含量與植物生長發(fā)育密切相關，它既可以直接參與到新陳代謝過程中，也可以改變植株的形態(tài)和生物化學特性，進而對產量及果實品質產生較大影響[4]，各種礦質營養(yǎng)的絕對含量以及它們之間的相互作用，決定著果實可溶性固形物、維生素C、有機酸含量以及果實大小、果肉硬度、果形指數、著色程度、果實耐貯性等品質[5-7].目前，在番茄品種的綜合評價中應用較多的方法主要有水平分析、主成分分析法、相關性分析、聚類分析、隸屬函數法、DTOPSIS 法等[8].韓澤群等[9]利用主成分分析法將加工番茄品種的17個農藝性狀指標轉化為5個主要指標，從不同的角度給予了全面、客觀的評價；梁梅等[10]研究番茄的13個農藝性狀與果實中可溶性糖、維生素C和番茄紅素的相關性，以篩選出影響番茄果實營養(yǎng)品質的主要農藝性狀，從而為番茄果實品質性狀的早期評價提供依據.張余洋等[11]通過PEG模擬干旱脅迫對新疆14個主要加工番茄品種進行萌芽期和幼苗期耐旱性鑒定，采用聚類分析法對加工番茄發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數、胚根長度、幼苗鮮質量、幼苗干質量等指標進行比較分析，并依據相似性對加工番茄萌芽期和幼苗期的耐旱性進行快速鑒定.但以上3種分析方法大多用于番茄農藝性狀指標的分析，而鮮見其用于番茄果實礦質元素含量的評價.

本研究以9個番茄品種為試材，以K、P、Mg、Ca、Cu、Fe、Mn和Zn 8種礦質元素為檢測指標，運用相關性分析、主成分分析和聚類分析對番茄品種和礦質元素含量之間的關系進行分析與科學分類，旨在為正確評價番茄營養(yǎng)功能和番茄果實礦質營養(yǎng)的品種差異提供科學依據.

1 材料與方法

1.1 材料

供試9個高糖番茄品種(表1)均采自靖遠縣現代農業(yè)示范區(qū)，苗齡41 d定植，定植時間為2018年10月4日，定植基質為綠能瑞奇，基質pH 7.8，EC2.2 ms/cm，全N 1 593 mg/kg，堿解N 491.8 mg/kg，速效P 125.6 mg/kg，速效鉀 341.5 mg/kg.壟上雙行定植，定植株距40 cm，行距25 cm.試驗采用水肥一體化膜下滴灌的方式進行灌水施肥，試驗地立地條件和肥水管理一致，試驗用番茄均采收于盛果期.

表1 9個品種番茄信息

1.2 方法

番茄果實采摘后105 ℃殺青，80 ℃烘干，用植物組織粉碎機研磨.K和P元素前處理為H2SO4-H2O2消煮法；Mg、Ca、Cu、Fe、Mn和Zn元素前處理為干灰化法[12].P元素的測定采用鉬銻抗比色法[13]；K、Mg、Ca、Cu、Fe、Mn和Zn元素測定采用原子吸收光譜法[14].

1.3 數據分析

運用Excel 2010對數據進行處理及作圖，并用SPSS 19.0進行K-S檢驗、方差分析、相關性分析、主成分分析及聚類分析.

2 結果與分析

2.1 番茄果實礦質元素含量的水平分析

2.1.1 9個品種番茄果實礦質元素含量的K-S檢驗 Kolmogorov-Smirnov(K-S)檢驗法常被用來檢驗樣本是否符合正態(tài)性分布.它是用樣本本身的信息檢驗樣本來自同一個總體正態(tài)分布假設的一種統(tǒng)計檢驗方法.運用SPSS 19.0數據處理系統(tǒng)的正態(tài)性檢驗功能對9個不同品種番茄果實8種礦質元素含量進行K-S檢驗.結果顯示，K、P、Mg、Ca、Cu、Fe、Mn、Zn漸近顯著性(雙側)值P值分別為0.988、0.675、0.881、0.937、0.661、0.946、0.289和0.638，均大于顯著水平(α=0.05)，表明9個不同品種番茄果實礦質元素含量數據均服從正態(tài)分布.

2.1.2 9個品種番茄果實礦質元素含量分析 由表2可知，各品種間K、Mg、Ca及Mn元素含量以品種‘東風299’最高，其中，K、Mg及Mn元素含量均顯著高于其他8個品種，Ca含量顯著高于除‘181’外的其他7個品種；P和Zn含量以品種‘184’最高，其中，P含量顯著高于其他8個品種，Zn含量顯著高于除‘東風299’外的其他7個品種；Fe和Cu含量以品種‘181’最高，其中，Fe含量顯著高于除‘東風299’外的其他7個品種；Cu含量顯著高于其他8個品種.這說明不同品種間的同一種礦質元素存在著明顯的差異.

表2 9個品種番茄果實礦質元素含量

2.1.3 番茄果實8種礦質元素含量分析 本試驗統(tǒng)計了9個番茄品種中8種礦質元素含量范圍、平均值、標準差和變異系數(表3).結果表明：在所測定的8種礦質元素中，K含量最高，Cu含量最低，大量元素( K、P、Mg和Ca)含量顯著高于微量元素(Cu 、Fe、Mn和 Zn)，其中，大量元素K、P、Mg和Ca之間均存在顯著性差異，微量元素Mn和Cu含量無顯著性差異.通常認為變異系數(CV)≤ 10%為弱變異，10%

表3 番茄果實8種礦質元素含量

2.2 番茄果實礦質元素的相關性分析

對番茄果實中8種礦質元素進行Person相關性分析，結果如表4所示.K與P、Mg、Fe、Mn、Zn均呈正相關，其中，K與P、Mg、Fe、Zn呈極顯著正相關(α=0.01)，與Mn呈顯著性正相關(α=0.05)；P與Mg、Fe、Zn均存在極顯著正相關(α=0.01)；Mg與Fe、Mn、Zn均達到極顯著正相關(α=0.01)；Fe與Mn、Zn呈正相關，其中，Fe與Mn達到顯著正相關(α=0.05)，與Zn達到極顯著正相關(α=0.01).Ca與Zn、Cu與Mn均呈負相關，但沒有達到顯著水平.說明番茄果實中元素含量間存在復雜的相關關系.

2.3 番茄果實礦質元素含量的主成分分析

主成分分析是實現降維的一種統(tǒng)計方法，在損失較少信息前提下，用少數變量盡可能多地反映原來變量的信息.以8種礦質元素含量為分析指標，對9個番茄品種的8種礦質元素含量進行主成分分析得到主成分特征值、貢獻率和累積貢獻率(表5).如圖1所示，研究中按照累積貢獻率大于85%及特征值大于1的原則，選擇了3個主成分.結果如表5所示，第一主成分特征值為5.09，代表9個品種8種礦質元素含量 63.626%的信息；第二主成分特征值為1.26，代表9個品種8種礦質元素含量15.756%的信息，第三主成分特征值為1.225，代表9個品種8種礦質元素含量15.311%的信息，前3個主成分累計方差貢獻率為94.693%，說明這 3個主成分反映了原始變量95%的信息.因此提取前3個主成分代替原8個指標評價番茄礦質元素含量.對番茄礦質元素含量評價的指標由最初的8個方面降為3個彼此不相關的主成分，達到了降維的目的.

表4 番茄果實中礦質元素的相關性分析

圖1 主成分分析碎石圖Figure 1 Scree plot of principal component analysis

表5 番茄果實中礦質元素主成分分析的特征值及方差貢獻率

2.4 番茄果實礦質元素含量的綜合評價

主成分的載荷矩陣旋轉之后載荷系數更接近1或者更接近0，這樣得到的主成分能夠更好地解釋變量.由表6結果可知，主成分1(F1)主要綜合了K(因子負荷為0.933)、P(因子負荷為0.963)、Mg(因子負荷為0.937)、Fe(因子負荷為0.928)及Zn(因子負荷為0.939)這5種礦質元素的信息，主成分2(F2)和主成分3(F3)分別與Ca(因子負荷為 0.980)和Cu(因子負荷為0.986)有關，由于因子負荷均為正值，位于正向分布，所以因子得分越高，所對應的礦質元素含量越高.因為總方差 50%以上的貢獻來自第1主因子[15]，因此認為 K、P、Mg、Fe、Zn是番茄的特征無機元素.

如表6所示，用各礦質元素的主成分載荷除以相對應主成分特征值的開平方根，得到3個主成分中每個礦質元素所對應的系數即特征向量，以特征向量為權重構建3個主成分的表達函數式：

Y1=0.414X1+0.427X2+0.415X3+0.006X4+0.042X5+0.411X6+0.308X7+0.416X8

Y2=0.091X1+0.003X2+0.221X3+0.873X4+0.097X5+0.114X6+0.519X7-0.061X8

Y3=-0.07X1+0.084X2-0.170X3+0.147X4+0.891X5+0.170X6-0.337X7+0.176X8

在以上3個表達式中，X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7及X8分別為標準化的 K、P、Mg、Ca、Cu、Fe、Mn及Zn含量.以各個主成分對應的方差貢獻率作為權重，由主成分得分和對應的權重線性加權求和得到綜合評價函數如下：

綜合得分=0.636Y1+0.158Y2+0.153Y3

根據主成分綜合得分模型， 可計算出9個番茄品種8種礦質元素的綜合得分和排序(表7).綜合得分由高到低依次為‘東風299’‘181’‘184’‘180’‘粉太郎’‘冠群三號’‘金明’‘P1802’‘P1801’.

表6 番茄果實8種礦質元素的主成分載荷矩陣及特征向量

表7 9個品種番茄果實礦質元素的綜合得分

2.5 番茄果實礦質元素含量的聚類分析

采用系統(tǒng)分析法將番茄9個品種8種礦物質含量劃分為3類，將樣本劃為不同類群以便于進行相似性評價，結果如圖2所示，9個品種被劃分為3類，第Ⅰ類包括品種‘粉太郎’‘冠群三號’‘180’‘金明’和‘P1801’，這類品種的8種礦質元素的平均含量均排名中等，礦質元素的綜合品質較好；第Ⅱ類包括品種‘東風299’‘181’和‘184’，具有較高的K、P、Mg、Fe和Zn元素的平均含量，礦質元素綜合品質最好，排名前3名；第Ⅲ類為品種‘P1802’，此品種的K、Mg、Mn及Zn元素的平均含量均排名最低，礦質元素的綜合品質最差.

圖2 不同品種番茄果實礦質元素含量聚類分析Figure 2 Cluster analysis of mineral elements content in different varieties of tomato fruit

3 討論

礦質元素是指除去碳、氫、氧外植株根系從土壤或栽培基質中吸收的植物生長發(fā)育所必須的元素，主要包含大量元素、中量元素和微量元素三大類.P、K是植物所需的兩種大量元素，P是植物體內結構如細胞核的重要組分，在生長初期對植物根系伸長有顯著的促進作用，K是植株中含量最多的金屬元素，參與植株體內各種代謝活動，同時還能夠增強植株的抗逆性.有研究表明，番茄葉片中K累積量與光合能力呈正相關關系，莖葉中P含量影響植株凈光合速率[16-17].Ca與Mg作為中量元素，對植物也有重要作用.Ca作為植物細胞伸長所必須的營養(yǎng)元素[18]，除參與植物體的很多生理生化反應外，還有維持生物膜的穩(wěn)定性、促進果膠合成、增強植物抗病力及提高植物體內多種酶的活性等作用[4,19-20].研究表明，黃瓜、甜椒等蔬菜葉片的斑點病、番茄果實的臍腐病等均與鈣素供應不足有關[21].Mg作為植物葉片葉綠素的重要構成成分之一，土壤的酸堿性、提供陽離子的種類及植物種類都會影響植株對鎂的吸收，鎂肥對果類蔬菜及露地栽培的蔬菜更為重要.Cu、Fe、Mn、Zn是植物所需的微量元素，當微量元素供應不足時，植株常表現出缺素癥，進而影響生長、產量及品質；當供應過量時同樣會產生副作用，嚴重時還會導致植物中毒，乃至給人和動物的健康帶來較大影響[22].Cu、Fe、Mn等與葉綠素密切相關，其中Cu元素與呼吸作用有密切關系，參與植物體蛋白質和糖代謝等重要生理生化反應，Fe還參與植物的光合作用過程和固氮過程，適量的Mn能促進種子的萌發(fā)、幼苗生長及花的正常發(fā)育等.鋅與RNA和DNA聚合酶有重要關系，同時它也是植物體內59種復合酶的構成成分之一，且有報道稱，施用鋅肥可以提高番茄果實中維生素C含量，降低總酸含量[18，23].

果實中礦質元素含量與土壤養(yǎng)分具有直接關系，但同時受自身營養(yǎng)吸收、運轉和分配等因素影響.同一種礦質元素在不同種類、不同品種果品中的含量差異很大.匡立學等[24]研究發(fā)現蘋果中 7 種礦質元素指標的平均含量排序為K>P>Mg>Ca>Zn>Cu>Mn；馬小衛(wèi)等[25]研究芒果礦質元素，得出各營養(yǎng)元素含量為 K>P>Mg>Ca>Na>Mn>Fe>Zn>Cu>B；而在本研究中番茄8種礦質元素含量的排序為K>P>Mg>Ca>Fe>Zn>Mn>Cu.果實中營養(yǎng)元素含量之間也存在著相互作用，多種礦質之間的綜合效應共同影響著果實的產量和品質.分析果實中養(yǎng)分之間的相關性，有助于了解元素間可能存在的關系，在番茄養(yǎng)分管理中可根據這些關系采用科學的施肥措施調控養(yǎng)分的平衡，有時可以通過減少一種養(yǎng)分的過量施用達到糾正另一種養(yǎng)分缺乏的目的.例如，梨[26]果實中Cu和Fe之間、葡萄[27]果實中Fe與B之間均存在顯著正相關.李珊珊[28]對谷子的研究中發(fā)現，K與Cu、Mn、Zn、Mg 都具有較好的相關性，Cu、 Mg、 Mn、 Zn 相互之間都呈極顯著正相關.在本研究中，K與P、Mg、Fe、Zn呈極顯著正相關，與Mn呈顯著性正相關；P與Mg、Fe、Zn均存在極顯著正相關；Mg與Fe、Mn、Zn均達到了極顯著正相關；Fe與Mn達到了顯著正相關，與Zn達到了極顯著正相關；Ca與Zn、Cu與Zn均呈負相關，但相關性不顯著.本研究結果明確了番茄果實礦質營養(yǎng)元素之間的相關性，可為番茄的配方施肥提供一定的理論依據.

目前，果實品質性狀的評價更趨向于客觀化、定量化，評價方法也趨向多元化和綜合化，國內外已有很多關于評價方法的研究和應用.主成分分析是一種常見的多指標評價方法[29-30]，其基本思想都是通過降維，將多個具有一定相關性的觀測指標轉化為少數幾個新的指標，再依據各樣品的因子得分進行綜合評價，使評價結果更加客觀、合理，廣泛運用在農作物的數量性狀分析和綜合評價中[31-32].由于番茄果實中礦質元素之間存在一定的相關性，本研究通過主成分分析將所研究的 8個礦質元素指標進行簡化，篩選出 K、 P、Mg、Fe、Zn 是評價番茄果實營養(yǎng)品質的特征礦質元素.進一步通過計算不同品種果實礦質元素的綜合分值，得出9個不同番茄品種排名依次為‘東風299’‘181’‘184’‘180’‘粉太郎’‘冠群三號’‘金明’‘P1801’‘P1802’.聚類分析是應用多元統(tǒng)計分析原理研究分類問題的一種數學方法，主觀因素少，分類結果客觀、科學，并可同時對大量性狀進行綜合考察[33].聚類分析方法是根據不同性狀間所具有的相關性或者是樣品間的相似性或差異性指標，定量地確定樣本間的親疏關系.現已廣泛用于李、桃、杏、梅、柿、葡萄、蘋果仁、柑桔仁、枇杷和甜瓜等果樹果實品質的綜合評價[34].本試驗采用系統(tǒng)聚類法按歐式距離進行系統(tǒng)聚類分析，9個不同品種共被分為3類，第Ⅰ類包括品種‘粉太郎’‘冠群三號’‘180’‘金明’和‘P1801’，礦質元素的綜合品質較好；第Ⅱ類包括品種‘東風299’‘181’和‘184’，礦質元素綜合品質最好，排名前3名；第Ⅲ類為品種‘P1802’，礦質元素的綜合品質最差.

4 結論

綜上所述，9個品種番茄中8 種礦質元素的平均含量由高到低依次為K>P>Mg>Ca>Fe>Zn>Mn>Cu.K與P、Mg、Fe、Zn呈極顯著正相關，與Mn呈顯著性正相關，相關系數均在0.5以上.K、P、Mg、Fe、Zn是番茄的特征礦質元素.不同品種番茄間8種礦質元素的組成存在差異，可分為3類，第一類為中等礦質元素品種，包括品種‘粉太郎’‘冠群三號’‘180’‘金明’和‘P1801’五個品種；第二類為高礦質元素品種，包括品種‘東風299’‘181’和‘184’3個品種；第三類為低礦質元素品種，包括‘P1802’一個品種.按照主成分分析綜合得分由高到低9個不同番茄品種排名依次為‘東風299’‘181’‘184’‘180’‘粉太郎’‘冠群三號’‘金明’‘P1801’‘P1802’.研究結果對番茄生產育種和消費中的品種選擇有一定的參考價值.