鄭淑琳 石玉濤 王飛權 張渤 王涵 林立 石元值 葉乃興

摘要：[目的]探明不同烏龍茶種質資源中礦質元素含量特征，明確烏龍茶種質資源的特征礦質元素，篩選出礦質營養(yǎng)高效的種質，為烏龍茶品種創(chuàng)新提供科學依據。[方法]以34份烏龍茶種質資源為試材，測定18種主要礦質元素含量，運用因子分析和聚類分析對礦質元素含量特征進行分析和評價。[結果]18種礦質元素平均含量由高到低次序為K>P>S>Mg>Ca>Mn>AI>Fe>Na>Zn>Ba>Cu>B>Ti>Ni>Cr>Co>Se，變異系數在15.75%～69.43%，遺傳多樣性指數為1.27～2.21.Shapiro-Wilk檢驗表明B、K、Mg、Mn、Na、Nl、P、S、sc、Zn等10種元素含量呈正態(tài)分布，Al、Ba、Ca、Co、Cr、Cu、Fc、Ti等8種元素含量呈偏態(tài)分布。相關性分析表明各元素之間存在復雜的關聯性。通過主成分分析，將18種礦質元素綜合為5個主成分，代表了18種礦質元素77.40%的信息。聚類分析將34份烏龍茶種質資源分為3類。[結論]34份烏龍茶種質資源中18種礦質元素的組成存在差異，烏龍茶種質資源的特征元素是Mn、Ca、Mg、A1、K、P、S，可分為高P、Zn，低Al、Ca、Mn、Mg類型，高A1、Ca、Mn、Mg、K、S類型和低K、P、s、Zn類型3類。礦質元素富集能力強、礦質營養(yǎng)高效的5份烏龍茶種質是芝蘭香、本山、瑞香、鐵觀音、黃旦，可作為推廣栽培、新品種選育和產品開發(fā)的優(yōu)良親本材料。

關鍵詞：烏龍茶;種質資源;礦質元素;聚類分析;主成分分析

中圖分類號：S 571.1文獻標志碼：A 文章編號：1008-0384（2020）02-0150-11

0 引言

（研究意義）烏龍茶是我國六大茶類之一，以其獨特的品質和良好的降血糖、抗氧化、抗突變等保健功效而受到消費者的青睞，在國內外市場享有很高聲譽。礦質元素不僅是茶樹生長發(fā)育和品質形成的物質基礎，而且是茶葉營養(yǎng)價值的重要表現。礦質元素在人體中具有重要的生理功能，對維護人體健康具有重要作用。研究表明，烏龍茶中含有豐富的礦質元素，經常飲用烏龍茶可補充人體所需的礦物質和微量元素等。茶樹種質資源是茶樹品種選育創(chuàng)新、產品開發(fā)的重要物質基礎，優(yōu)異種質資源的篩選利用一直是茶樹種質資源研究領域的重點。開展烏龍茶種質資源礦質元素含量的分析和評價，篩選礦質元素富集能力強的烏龍茶種質，對烏龍茶新品種的選育、產品開發(fā)和產業(yè)持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

（前人研究進展）目前，關于烏龍茶種質資源的農藝性狀、主要生化成分、多糖提取工藝及活性、遺傳多樣性等方面已有較多研究，但在不同烏龍茶種質資源礦質元素富集特征、營養(yǎng)保健價值評價和篩選方面的系統(tǒng)研究還尚未見報道。研究顯示，茶樹新梢中的礦質元素除了與土壤養(yǎng)分和灌溉、施肥、降水量等立地條件相關外，還受茶樹自身對礦質元素的選擇性吸收、運轉和分配等因素的影響，即與茶樹的品種遺傳特性有關。如時鵬濤等研究了湘波綠等7個茶樹品種中Ca、Mg、Mn等9種礦質元素的含量及富集特性，結果表明不同品種的茶樹對礦質元素的富集能力存在較大差異;金孝芳等研究結果顯示湖北主栽茶樹品種中礦質元素含量存在差異;李春華等研究發(fā)現9種元素在茶樹品種間差異顯著。因子分析是多指標綜合評價中一種常用的多元統(tǒng)計方法，通過降維過程，將多個指標轉化為少數幾個相互獨立的新指標，再根據各樣品的因子得分進行綜合評價，使得評價結果更加合理。近年來，因子分析已被廣泛運用于不同品種蘋果、錐栗、杧果等植物種質資源的礦質營養(yǎng)評價工作中。（本研究切入點）烏龍茶種質資源豐富，武夷學院茶樹種質資源圃已保存烏龍茶種質100余份，礦質元素分析評價工作亟待開展。本研究以34份烏龍茶種質資源為試材，以18種主要礦質元素為檢測指標，采用因子分析和聚類分析方法對烏龍茶種質資源礦質元素含量和富集特征進行分析和綜合評價。（擬解決的關鍵問題）旨在揭示烏龍茶種質資源中礦質元素的含量特征，明確烏龍茶種質資源的特征礦質元素，篩選出礦質元素富集能力強、礦質營養(yǎng)高效的材料，為烏龍茶育種目標性狀的選擇、烏龍茶種質資源的開發(fā)利用提供參考。

1材料與方法

1.1 試驗材料

供試的34份烏龍茶種質資源材料采集自武夷學院茶樹種質資源圃（27°44'20”N，117°59'51”E），每份種質資源種植小區(qū)長×寬為20m×1.8m，株數為150株，樹齡為5年生，基本情況見表1.武夷學院茶樹種質資源圃位于福建省武夷山市，屬中亞熱帶季風濕潤氣候區(qū)，光照充足，雨量豐沛，溫濕度適宜，適合茶樹生長。年平均氣溫18.3℃，1月平均氣溫7.8℃，7月平均氣溫27.8℃，10℃以上的活動積溫在5000℃以上，年平均日照時數1629.5h，年平均降雨量1926.9mm，相對濕度在80%左右。圃內種質資源材料均由其來源地取無病蟲害的枝梢進行扦插繁育，之后按照茶樹種質資源圃的建設標準移植、編號、保存于武夷學院茶樹種質資源圃，以相同條件進行管理。試驗地立地條件和肥水管理一致。

1.2 主要儀器與試劑

iCAP 6000Series等離子體發(fā)射光譜儀，美國Thermo Scientific公司;DigiBlock ED54電熱消解儀，北京LabTech公司;Ca、Na等標準液，購自國家有色金屬及電子材料分析測試中心;硝酸，優(yōu)級純;高氯酸，優(yōu)級純。

1.3 試驗方法

1.3.1樣品采集 于2018年4月采摘參試的34份烏龍茶種質資源春梢，采摘標準為一芽二葉。每份種質資源材料從種植小區(qū)中隨機選擇60株以上茶樹，從樹冠外圍中部隨機采摘一芽二葉新梢，重復3次。新梢采摘后微波殺青固樣，烘干、粉碎后過40目篩，取篩下樣，置于-20℃冰箱中保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3.2樣品預處理 準確稱取1.0000g樣品于消煮管中，加人防爆玻璃珠5個，加入V（硝酸）

：V（高氯酸）：氫氟酸（2：1：1）=10mL，蓋上蓋子，放置12h后進行消化。消煮爐緩慢升溫（100℃30min以上，

130℃ 30min以上，150℃ 30min以上，190℃ 7h以上），待紅棕色氣體散盡繼續(xù)升溫到200℃～250℃，持續(xù)加熱至白煙散盡，此時溶液接近五色，蒸近干，稍冷卻，加約5.0mL去離子水，再加熱，蒸除余酸，冷卻。用去離子水沖洗三角瓶及漏斗，將消化好的樣品溶液轉至25mL容量瓶中，用2%硝酸定容至標線，搖勻，倒入到塑料方口瓶（50mL）保存，待測。

1.3.3儀器工作參數及標準曲線 將消解液稀釋10倍后，采用ICP-OES測定Al、B、Ba、Ca、Co、Cr、Cu、Fe、K、Mg、Mn、Na、Ni、P、S、Se、Ti、Zn等18種礦質元素。ICP-OES工作參數為：射頻功率1150w，輔助氣流速0.5L·min^-1，霧化器流速0，7L·min^-1，采樣高度6.5mm，泵穩(wěn)定時間5s.

標準曲線繪制：用l%稀硝酸將Ca、Na標準貯備液逐級稀釋為0、5、50ug·mL^-1的混合標準溶液，其他元素用1%稀硝酸逐級稀釋為0、5、10ug·mL^-1的混合標準溶液。在ICP-OES的工作條件下采集空白溶液（1%HNO₃）和標準溶液系列，由儀器自動繪制標準曲線。

1.4 數據處理

采用Microsoft Excel 2019軟件進行數據整理和表格繪制，應用IBM SPSS Statistics 20.0統(tǒng)計軟件進行單因素方差分析、聚類分析、主成分分析和相關性分析。組間多重比較采用Duncan法，聚類分析采用離差平方和法，遺傳距離為歐氏距離。主成分分析采用Factor過程的主成分分析法，因子提取特征值大于1的主成分。以每個性狀極差的1/10為間距將各性狀分為10個等級，采用Shannon-Wiener指數法計算各礦質元素的遺傳多樣性指數（H'），計算公式為：多樣性指數（H'）=-∑PilnPi，其中Pi為某性狀第i個代碼出現的頻率。

2 結果與分析

2.1 烏龍茶種質資源礦質元素含量特征

34份烏龍茶種質資源中18種主要礦質元素含量的平均值、含量范圍、變異系數和遺傳多樣指數見表2.由表2可知，大量元素Ca、K、Mg、P、S及微量元素Mn的含量遠遠高于其他12種微量元素。方差分析結果表明，K、P、S、Mg、Ca、Mn之間存在顯著差異，大量元素除Ca與Mg外差異顯著，微量元素Mn含量顯著高于Al、B、Ba等其他12種微量元素。從大量元素看，5種大量元素含量由大到小順序為K>P>S>Mg>Ca，其中K、P、S的含量超過1000mg·kg^-1，Mg和Ca的含量低于1000mg·kg^-1。從微量元素看，13種微量元素含量由高到低順序為Mn>Al>Fe>Na>Zn>Ba>Cu>B>Ti>Ni>CrCo>Sc，其中Mn、Al的含量超過100mg·kg^-1，Fe、Na、Zn、Ba、Cu、B、Ti、Ni、Cr、Co、Se的含量低于100mg·kg^-1，且Ba、Cu、B、Ti、Ni、Cr的含量低于10mg·kg^-1，Co、Sc的含量低于1.0mg·kg^-1。13種微量元素中，Cr是有害元素。國家農業(yè)行業(yè)標準《茶葉中鉻、鎘、汞、砷及氟化物限量》（NY659-2003）規(guī)定，茶葉中鉻含量不超過5mg·kg^-1。從表2可看出供試的34份茶樹種質資源材料中Cr元素含量均遠低于國家標準。

采用IBM SPSS 20.0軟件計算34份烏龍茶種質資源材料中18種礦質元素含量的頻數分布，經Shapko-Wilk檢驗，結果表明，B、K、Mg、Mn、Na、Ni、P、S、Sc、Zn等10種元素含量呈正態(tài)分布（經Shapiro-Wilk檢驗，雙側檢驗的概率值P>0.05），說明這10種元素的含量在34份烏龍茶種質資源的大部分材料中處于平均水平，低于或高于平均含量的材料較少;Al、Ba、Ca、Co、Cr、Cu、Fe、Ti等8種元素含量呈偏態(tài)分布（經Shapko-Wilk檢驗，雙側檢驗的概率值P≤0.05），且均為正偏態(tài)函數，說明這8種元素的含量在34份烏龍茶種質資源的大部分材料中處于較低水平，低于平均含量。

18種礦質元素含量的變異系數在15.75%～69.43%之間，Ti的變異系數最大，達69.43%，表明不同烏龍茶種質資源材料間Ti含量差異較大。Ti含量最高的材料為大葉烏龍，含量最低的為佛手，最大值是最小值的13倍;P的變異系數最小，為15.75%，表明不同烏龍茶種質資源材料間P含量差異較小。變異系數較大的元素為Fc、Co、Al、Ba，變異系數分別為57.34%、46.22%、43.13%、41.75%，其中，大葉烏龍（OTG07）中Fc、Al元素含量最高，鐵觀音（OTG03）中Co元素含量最高，棕櫚香（OTG29）中Ba元素含量最高。由變異性分析得出，烏龍茶種質資源中礦質元素含量變異較為豐富，各種質資源材料間礦質元素含量具有差異性，有必要進行礦質元素含量分析與綜合評價。

18種礦質元素的遺傳多樣性指數為1.27～2.21，平均遺傳多樣性指數為1.91，表明34份烏龍茶種質資源中礦質元素含量的遺傳多樣性比較豐富。遺傳多樣性指數最大的是Zn，為2.21，最小的是Ti，為1.27.綜合來看，18種礦質元素在烏龍茶種質資源材料中存在較大的變異幅度和較為豐富的遺傳多樣性，可以從34份材料中篩選出較為理想的材料，并通過遺傳改良培育市場消費需求的茶樹品種材料。

2.2 烏龍茶種質資源礦質元素相關性分析

根據茶樹種質資源材料中礦質元素含量，對34份材料礦質元素進行了相關性分析，結果如表3所示。Ca與Mg、Al、Ba、Cu、Mn、Sc呈極顯著正相關，相關系數分別為0.738、0.498、0.736、0.438、0.692、0.439;K與P、S呈極顯著正相關，相關系數分別為0.480、0.582;Mg與S、Al、Ba、Cu、Mn呈極顯著正相關，相關系數分別為0.478、0.484、0.471、0.562、0.582;P與S、B、Zn呈極顯著正相關，相關系數分別為0.493、0.474、0.508;S與B呈極顯著正相關，相關系數為0.481;Al與Cr、Fe、Mn、Ti呈極顯著正相關，相關系數分別為0.542、0.829、0.671、0.769;B與Ca、Mn、Se呈極顯著正相關，相關系數分別為0.621、0.479、0.556;Ba與Mn呈極顯著正相關，相關系數為0.479;Co與Zn呈顯著負相關，相關系數為-0.418;Cr與Fe、Ti呈極顯著正相關，相關系數分別為0.590、0.622;Cu與Mn、Se呈極顯著正相關，相關系數分別為0.454、0.504;Fe與Ti呈極顯著正相關，相關系數為0.948.相關性分析結果表明，34份烏龍茶種質資源中各礦質元素含量之間存在著復雜的相互作用關系，具有進行主成分分析的基礎。

2.3 烏龍茶種質資源礦質元素的主成分分析

34份烏龍茶種質資源中18種礦質元素含量經標準化后進行因子分析，結果見表4.公因子提取采用主成分分析法，以特征值>1為標準提取主成分。前5個主成分累積方差貢獻率達77.399%，包含了34份烏龍茶種質資源18種礦質元素含量的主要信息。第l主成分方差貢獻率最大，為30.293%，主要受Mn、Ca、Mg、Al等4種元素的影響，其中Mn的影響最大，其次是Ca;第2主成分貢獻率為20.262%，主要受K、P、S等3種元素的影響，其中P的影響最大，其次是K;第3主成分貢獻率分別為11.247%，主要反映的是Co、Fe、Ti等3種元素的信息，其中Co的貢獻最大，其次是Ti，Co的影響為負;第4主成分貢獻率為8.107%，主要受Ba、Co 2種元素的影響，其中Co的貢獻最大，Co的影響為正，Ba的影響為負;第5主成分貢獻率為1.489%，主要反映的是Na、Ni2種元素的信息，其中Na的貢獻最大，其次是Ni，Ni的影響為負。PC₁和PC₂的累積方差貢獻率（50.555%）大于50%，因此認為Mn、Ca、Mg、Al、K、P、S是烏龍茶種質資源的特征元素。

以主成分載荷系數與其特征值算術平方根的比值得出對應的特征向量e_i，進而建立各主成分與礦質元素含量之間對應的函數關系。以5個主成分的方差貢獻率與累積方差貢獻率的比值為權重構建烏龍茶種質資源礦質元素含量評價模型Fn，建立Fn與各主成分y_i（i=1～5）之間的線性組合，即Fn=0.391Y₁+0.262Y₂+0.145Y₃+0.105Y₄+0.097Y₅。運用Fn對34份烏龍茶種質資源的礦質營養(yǎng)元素含量進行評價，如表5所示。綜合得分為-1.612～2.781，排名前五位的烏龍茶種質依次為芝蘭香（OTG28）、本山（OTG06）、瑞香（OTG12）、鐵觀音（OTG03）、黃旦（OTG04）。

2.4 基于礦質元素含量的烏龍茶種質資源聚類分析

34份烏龍茶種質資源聚類分析結果（圖1）顯示，在歐氏距離15處，將34份烏龍茶種質資源分為3類。第一類群包括21份材料，OTG30、OTG32、OTGl5、OTG01、OTG31、OTG04、OTGl2、OTGll、OTGl4、OTG20、OTGl3、OTG05、OTG34等13份材料為一個亞群，另一個亞群包括OTG08、OTGl7、OTG23、OTGl0、OTG09、OTG21、OTGl8、OTGl6等8份材料;第二類群包括OTG02、OTG24、OTG06、OTG28、OTG03等5份材料;第三類群包括8份材料，也可以分為兩個亞群：07G22、OTG33、OTGl9、OTG26、OTG27、OTG29、OTG25等7份材料為一個亞群，OTG07為另一個亞群。根據類群間礦質元素含量方差分析結果可知（表6），3個類群之間除了Na元素含量無顯著差異之外，其余17種元素含量均存在顯著差異。其中，第一類群P、Zn含量最高，并顯著高于第三類群，與第二類群之間的差異不顯著;第二類群Al、Ca、Mn、Mg含量最高，并顯著高于第一類群，與第三類群之間無顯著差異;第二類群K、S含量最高，并顯著高于第三類群，與第一類群之間無顯著差異。綜合來看，第一類群P、Zn含量高，Al、Ca、Mn、Mg含量低，K、S含量中等，此類第二亞群包含的8份材料在主成分綜合得分中排名24～34位，礦質元素富集能力弱、礦質營養(yǎng)價值低。第二類群Al、Ca、Mn、Mg、K、S含量高，P、Zn含量中等，此類中包含的5份材料在主成分綜合得分的前7位，礦質元素富集能力強、礦質營養(yǎng)元素綜合品質高;第三類群K、P、S、Zn含量低，Al、Ca、Mn、Mg含量中等。

3 討論與結論

不同礦質元素在烏龍茶種質資源中的含量存在差異。大量元素除Ca與Mg外含量差異顯著，微量元素中除Mn以外含量差異不顯著。大量元素Ca、K、Mg、P、S及微量元素Mn的含量遠遠大于其他12種微量元素。不同烏龍茶種質資源材料中礦質元素變異系數范圍為15.75%～69.43%，礦質元素含量變異豐富，不同種質資源間礦質元素含量具有差異性，這與時鵬濤、金孝芳、李春華等的研究結果一致。由于本研究所采集的烏龍茶種質資源樣品均來自于同一資源圃，其土壤質地、立地條件、管理水平等均一致，因此，不同烏龍茶種質資源中礦質元素含量的差異與其遺傳特性相關。遺傳多樣性指數是衡量物種種類的多少和物種之間分布是否均勻的一個綜合指標，多樣性指數越高，表明該物種的遺傳多樣性水平越高。本研究結果顯示，18種礦質元素的遺傳多樣性指數均達到1.27以上，表明烏龍茶種質資源中礦質元素含量存在較為顯著的遺傳變異，具有較大的遺傳改良潛力。

因子分析的基本思想是根據相關性的大小把變量進行分組，使同一組內的變量具有較高的相關性。故變量之間是否存在相關性是進行因子分析的前提。本研究中，Ca與Mg、Al、Ba、Cu、Mn、Sc之間，K與P、S之間，P與S、B、Zn之間，S與B之間，Al與Cr、Fc、Mn、Ti之間，Ba與Mn之間，Cr與Fe、Ti之間，Cu與Mn、Se之間，Fe與Ti之間分別呈極顯著正相關關系，Co與Zn呈顯著負相關，表明烏龍茶種質資源中礦質元素之間存在復雜的關聯性。

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，可同時對大量性狀進行綜合考察，已廣泛應用于多樣品、多指標的植物種質資源綜合評價。本研究采用系統(tǒng)聚類法對34份烏龍茶種質資源進行分類，結果顯示，不同類群間存在顯著差異，表明對34份烏龍茶種質資源的分類結果科學有效。

綜上所述，烏龍茶種質資源中18種礦質元素平均含量順序為K>P>S>Mg>Ca>Mn>AI>Fe>Na>Zn>Ba>Cu>B>Ti>Ni>Cr>Co>Se，Mn、Ca、Mg、Al、K、P、S是烏龍茶種質資源的特征元素，礦質元素綜合評價得分前五位的種質依次為芝蘭香、本山、瑞香、鐵觀音、黃旦，烏龍茶種質資源中18種礦質元素組成存在差異，可分為3類。研究結果可為進一步開展烏龍茶育種親本選擇和烏龍茶產品開發(fā)提供參考依據。