农田防护林下3种林菜不同采收期矿质元素含量变化

2023-05-30洪曼曼董家林陈桂兰卜庆雨

防护林科技 2023年3期

洪曼曼董家林陈桂兰卜庆雨

摘要为确定农田防护林下林菜的适宜种植位置、采收期，进一步提升林菜品質，以东风菜、大叶芹、老山芹为试验材料，对其矿质元素进行动态积累研究。结果表明：东风菜、大叶芹、老山芹在4个不同采收期均含有大量的Ca、K、Mg、Zn、Fe、Mn、Cu等人体所必需的矿质元素，且Pb含量符合蔬菜制品的标准。3种林菜在不同采收期及位于不同种植位置时各元素的累积、吸收差异较大，尤其是对K、Ca、Mg、Na、Fe等元素影响较为显著。林菜矿质元素之间存在极显著相关性，但无明显规律。从矿质元素角度综合评价，东风菜在7月采收品质较好，大叶芹、老山芹在8月采收品质较好。矿质元素含量的动态积累结果将为林菜适宜采收期提供一定的科学依据。

关键词林菜；矿质元素；采收期；主成分分析

中图分类号：S759.8；S727.24文献标识码：Adoi：10.13601/j.issn.1005-5215.2023.03.001

ChangesintheContentofMineralElementsofThreeKindsofForestVegetablesinDifferentHarvestingPeriodsUnderFarmlandShelterbelt

HongManman，DongJialin，ChenGuilan，BuQingyu

（NortheastForestryUniversity，Harbin150040，China）

AbstractInordertodeterminethesuitableplantinglocationandharvestperiodofforestvegetablesunderthefarmlandshelterbelt，andfurtherimprovethequalityofforestvegetables，thedynamicaccumulationofmineralelementsinforestvegetableswasstudiedwithAsterscaber，PimpinellabrachycarpaandHeracleummoellendorffiiasexperimentalmaterials.TheresultsshowedthatAsterscaber，PimpinellabrachycarpaandHeracleummoellendorffiiallcontainedalargeamountofmineralelementsnecessaryforhumanbodysuchasCa，K，Mg，Zn，Fe，Mn，Cu，etc.infourdifferentharvestingperiods，andthecontentofPbmetthestandardofvegetableproducts.Theaccumulationandabsorptionofeachelementinthethreeforestvegetablesatdifferentharvestingperiodsandatdifferentplantingpositionsweresignificantlydifferent，especiallyforK，Ca，Mg，Na，Feandsomeotherelements.Therewasaverysignificantcorrelationamongthemineralelementsofforestvegetables，buttherewasnoobviousrule.ComprehensiveevaluationfromtheperspectiveofmineralelementsshowsthattheharvestqualityofAsterscaberisbetterinJuly，andtheharvestqualityofPimpinellabrachycarpaandHeracleummoellendorffiiisbetterinAugust.Theresultsofdynamicaccumulationofmineralelementscontentswillprovideacertainscientificbasisforthesuitableharvestperiodofforestvegetables.

Keywordsforestvegetable;mineralelement;harvestperiod;principalcomponentanalysis

东北地区农田防护林是三北防护林体系的重要组成部分[1]，其目的是调节区域农业生态环境，以减低风速、控制土壤侵蚀强度、塑造农田自然景观、创建生物栖息环境为主要手段，以保护农田生态系统为目标的特殊防护林种[2]，对维护农业生态系统的生态平衡具有重要的意义[3-5]。在不开发林地和毁坏资源的情况下，对潜在替代品的研究可以增加农业生产，显著减少对森林生态系统的压力或威胁。减少森林生态系统压力的替代方法之一是林菜模式，即根据林间光照强度及不同蔬菜对光需求的特性，科学地选择种植方式和品种。林下种植蔬菜，一般在北方比较盛行[6]。其目标是通过种植来提高作物产量，从而最大限度地提高可持续利用的林产品。考虑到林下的独特环境，对典型的农田有必要加强我们对农田防护林下林菜矿质元素的认识，使森林农业在生态和社会经济上更可行。

林菜中含有丰富的矿质元素、维生素、蛋白质等营养成分，是人体所需的各种矿质元素来源之一[7]。因小黑杨（Populus×xiaohei）抗寒、耐干旱，是农田防护林的优良树种[8]。本研究选择小黑杨作为主要树种的农防林，在农田防护林下间作东风菜（Asterscaber）、大叶芹（Pimpinellabrachycarpa）、老山芹（Heracleummoellendorffii）等。采用火焰原子吸收分光光度法，测定不同采收期、种植位置的3种林菜叶片中9种矿质元素的含量，用主成分分析法进行综合评价，确定3种林菜适宜采收期、种植位置，用以林菜适宜采收期分析及品质鉴定[9-10]，为农田防护林下林菜的生产和应用提供科学依据。

1材料与方法

1.1试验地概况

试验地位于黑龙江省齐齐哈尔市拜泉县丰产乡长安村农田防护林内，地理坐标为125°45′E，47°39′N，海拔为256m。试验区属寒温带大陆性季风气候区域，四季温差较大，年平均温度为2.1℃，年平均降水量488.2mm，年无霜期122d，日照2730h，土壤类型为黑土。农田防护林形式为林带，其树种为小黑杨，行距2m。以距离农作物2m的位置定为林缘位置，距离农作物4m定为林中位置，于5月开始采样研究林菜不同采收期、种植位置的矿质元素变化。

1.2试验材料

林菜自2010年开始种植，株距为3m，东风菜、大叶芹、老山芹于2021年5—8月进行取样，每块试验样地规格为1m×1m。将采集的样品进行充分混匀，去除根、茎等不可食用的部分，将样品的叶片用清水洗净，擦干后放入纸袋置于DHG-9070A电热恒温鼓风干燥箱（上海齐欣科学仪器有限公司）中烘干，温度设为60°烘干48h，将干燥样品用粉碎机（ERGOCHEF）进行研磨，过60目筛待测备用。

1.3试验方法

1.3.1金属元素的测定

用电子分析天平（奥豪斯，EX125DZH）分别称取3种林菜干粉0.25g，各加入3mL濃硫酸和1mL高氯酸，依次放入消煮管，消解过程在通风橱中进行：100℃消解30min，180℃消解30min，280℃消解30min，380℃消解60min，消解完成后消煮管内溶液为澄清透明溶液，冷却后定容至50mL容量瓶中，过滤摇匀备用。采用火焰原子吸收光谱仪（PerkinELmer公司AA800）进行钾（K）、钙（Ca）、钠（Na）、镁（Mg）、铜（Cu）、锌（Zn）、锰（Mn）、铁（Fe）和铅（Pb）的含量测定，各样品平行测定3组，元素标准品和其他试剂均在Sigma购买。

1.3.2对照品溶液的制备

分别精密吸取多元素标准溶液，定容至10mL，配成多元素混标（K，Ca，Cu，Fe，Mn，Mg，Pb，Zn）母液，取不同体积的上述储备液稀释后，制成系列不同质量浓度的标准溶液，进行线性关系考察。

1.3.3供试品溶液的制备

取上述样品消煮液，用去离子水稀释至相应倍数，待测即可。

1.4数据统计分析

试验数据采用OriginPro8.5和SPSS19.0进行方差分析、主成分分析。

2结果与分析

2.1各影响因素对矿质元素的影响

对不同品种、不同采收期和种植位置3种因素对矿质元素变化的影响进行了方差分析，结果见表1。

表1表明：采收期和品种的变异系数都达到极显著水平（P＜0.01），说明随着采收期的变化，不同品种的林菜对矿质元素的影响较大；种植位置对矿质元素的影响不明显；在品种和采收期的交互作用中，除Na、Fe外，其他元素的变异系数都达到极显著水平（P＜0.01），说明品种和采收期的交互作用对Na、Fe影响较小；种植位置和采收期交互作用时，Zn、Pb变异系数达到极显著水平（P＜0.01），Mg、Fe的变异系数达到显著水平（P＜0.05），说明种植位置和品种对这4种元素影响较大；在种植位置和采收期交互作用时，Zn、Mn、Pb达到极显著水平（P＜0.01）；3种因素同时对矿质元素作用时，K、Ca、Mn变异系数达到显著水平（P＜0.05），Zn、Pb变异系数达到极显著水平，说明同时作用时，对Mg、Fe、Na、Cu影响较小。

2.23种林菜矿质元素含量月份动态变化

2.2.1林中位置矿质元素含量变化趋势

由测定结果（图1）可知，种植位置不同，各林菜矿质元素变化趋势有所差异。位于林中位置的林菜在不同采收期的矿质元素含量不同，均含有丰富的K、Mg、Ca、Fe、Mn、Zn等人体所必需的矿质元素，其各种元素之间的变化趋势也有所差异。随着采收期的推进，东风菜中K含量

呈现先稳定上升后下降趋势，直到8月份达到最低值；Ca含量呈上升趋势；Mg含量先上升后逐渐下降，7月份达到最高值；Fe、Mn含量波动较大，呈“减-增-减”趋势，并在7月达到最高值；Na含量先呈稳定趋势后8月上升到最高值；Zn、Cu含量呈逐渐下降后上升趋势，5月达到最高值；Pb含量逐渐下降，8月达到最低值。大叶芹中矿质元素随着采收期的推进，K含量先上升后下降，6月达到最高值；Ca含量逐渐上升；Mg含量先缓慢上升后下降；Fe、Cu含量逐渐下降后上升，8月达到最高值；Na含量先下降后逐渐上升，但幅度不大；Mn含量先上升后下降，7月达到最高值；Zn含量先下降后上升最后又下降；Pb含量变化趋势不明显，5月达到最高值。老山芹中矿质元素随着采收期的推进，K含量逐渐下降；Mg含量先上升后逐渐下降，7月达到最高值；Fe、Ca、Mn含量逐渐上升；Na、Cu含量先下降后逐渐上升，8月达到最大值；Zn含量先上升后下降，7月达到最高值；Pb含量先下降后上升，5月达到最大值。

2.2.2林缘位置矿质元素含量变化趋势

随着采收期的推进，东风菜中K含量先下降后上升，5月达到最大值（图2）；Ca含量呈现先上升后下降趋势；Mg含量先上升后逐渐下降，6月份达到最高值；Fe含量呈现“减-增-减”趋势；Mn含量呈现先上升后下降趋势，7月份达到最高值，与林中位置变化趋势相同，但变化幅度不同；Na含量先呈稳定上升趋势后7月上升到最高值；Zn含量先上升后下降，6月达到最大值；Cu含量呈逐渐下降后上升趋势，5月达到最高值；Pb含量先上升后下降，6月达到最大值。大叶芹中矿质元素随着采收期的推进，K含量逐渐下降；Ca呈“N”字形变化趋势；Mg含量先上升后下降，6月达到最大值；Fe含量呈上升趋势，8月达到最高值；Na、Cu含量先下降后上升；Mn含量逐渐上升；Zn含量呈平稳后下降趋势；Pb含量逐渐下降。老山芹矿质元素中，K含量先趋于平稳后下降；Mg含量先上升后逐渐下降，6月达到最高值；Ca、Fe含量逐渐上升；Na、Cu、Mn含量先下降后逐渐上升，8月份达到最大值；Zn、Pb含量先下降后上升最后又下降，Zn含量5月达到最大值，Pb含量7月达到最大值。

2.3林菜9种矿质元素的相关性分析

对3种林菜中的9种矿质元素含量分别进行相关性分析，不同林菜中各矿质元素存在一定的相关性。

在东风菜中（表2），K-Pb、Mn-Fe、Ca-Mn呈极显著正相关（P<0.01）；K-Ca、Pb-Ca、Mg-Cu呈极显著负相关（P<0.01），Mn-K呈显著负相关（P<0.05）。在大叶芹中（表3），Ca-Cu、Fe-Mn、Zn-Pb、Mn-Cu、Na-Mn、Na-Cu呈极显著正相关（P<0.01），Ca-Na呈显著正相关（P<0.05），K-Ca、K-Fe、K-Mn、K-Cu、Mg-Cu、K-Na呈极显著负相关（P<0.01）；Ca-Zn呈显著负相关（P<0.05）。在老山芹中（表4），K-Mg、K-Zn、Ca-Fe、Ca-Na、Ca-Mn、Ca-Cu、Fe-Na、Fe-Mn、Fe-Cu、Na-Mn、Na-Cu、Mn-Cu呈极显著正相关（P<0.01），K-Ca、K-Fe、K-Na、K-Mn、K-Cu、Mg-Na、Mg-Mn、Mg-Cu、Zn-Cu、Ca-Zn呈极显著负相关（P<0.01），Ca-Mg、Mg-Fe、Zn-Fe、Zn-Na呈显著负相关（P<0.05），其他矿质元素间无相关性。正相关表示林菜中元素含量升高或者降低时其他元素的含量也相应地呈现升高或降低的趋势，存在较好的协同作用，反之则显示元素之间存在拮抗作用，即某些元素升高或降低时其他元素反而降低或升高。

2.4东风菜、大叶芹、老山芹主成分分析及综合评价

对农田防护林下3种林菜的不同采收期、种植位置中的9种矿质元素含量进行主成分分析，以特征值≥1为提取主成分的标准。东风菜中共提取了4个主成分（F1～F4），累计贡献值达95.131%，表明这4个主成分已经代表原始变量的大部分信息（表5）。因此选择4个主成分代替原始9个指标，从而起到降维分析的作用。

在大叶芹中提取了3个主成分（F1～F3），老山芹中提取了2个主成分（F1、F2），累计贡献率分别为91.021%、85.948%，表明这几个主成分分别已经代表原始变量的大部分信息（表6、表7）。

由表8、表9和表10可知，各个主成分的方差贡献率有差异，因而对各主成分的评价应以其贡献率为权重，由主成分得分和对应权重相乘求和构建综合评价函数，东风菜函数公式：F=0.40738×F1+0.26087×F2+0.16498×F3+0.11808×F4；大叶芹函数公式：F=0.60949×F1+0.18795×F2+0.11277×F3;老山芹公式：F=0.72638×F1+0.1331×F2。将标准化的数据代入上述函数公式中，根据函数计算不同种植位置、采收期矿质元素各主成分得分、综合得分及排名。结果表明，东风菜适宜采收期为7月份，大叶芹、老山芹的适宜采收期为8月份，并且3种林菜在林缘位置的矿质元素含量高于林中位置，从而确定适宜种植位置为林缘位置。

3讨论

本研究结果表明，品种、采收期及交互作用对矿质元素影响极显著，但种植位置对矿质元素含量的影响不显著，这可能与位置距离相差较近、土壤中养分供给有关。但处于林缘位置的矿质元素含量高于林中位置，单独从老山芹看，老山芹为耐阴植物，适宜的遮阴环境会增加细胞内叶绿素的积累，提高喜阴植物的补光能力，可以有效吸收光能，从而增加光合作用，这与于锡宏等对老山芹进行不同遮阴处理的研究结果一致[11]。有利于植物生长发育及土壤养分空间的异质性表现大小不一，并且随着时间的变化，足以影响植物之间的关系。本研究结果表明，林菜中富含的各种矿质元素对人体有重要的生理意义，随着采收期、种植位置的不同，含量不断发生变化。据研究发现，林菜矿质元素含量不仅与生长条件、土壤等因素有关[12]，还会因采收期、种植位置的不同而产生差异。本研究测定了农田防护林下种植的東风菜、大叶芹、老山芹中的9种矿质元素含量及其变化情况，3种林菜中K、Ca、Mg、Fe、Na元素含量丰富，矿质元素含量大多超过其他野生蔬菜，这与臧玉红北方常见9种野生蔬菜中6种矿质元素的测定结果一致[13]。从大叶芹矿质元素含量变化看，随着采收期的变化，K元素含量最高，这与单琳等的研究结果一致[14]，但是不同月份之间林菜矿质元素含量变异程度较大，这可能与当月气候条件及植物体内自身代谢有关。除此之外，本研究还简单关注了重金属元素污染的问题，重金属元素Pb的含量是随着采收期的变化而变化，但变化趋势不明显，说明林菜对重金属元素的富集不受采收期影响，且Pb含量均未超过《GB2762-2017食品安全国家标准食品中污染物限量》的要求。K、Mg在活性氧代谢中均起重要作用，Ca是细胞膜的重要组成部分，Ca2＋能提高作物叶片的叶绿素和蛋白质含量[15]，因此通过对林菜9种矿质元素含量测定可以看出，K、Mg、Ca含量最高，这有利于植物对营养物质的吸收。单独来看，老山芹中的K元素含量最高，可能是该品种对K有一定的富集作用，这和吴宝成等研究结果一致[16]。K、Mg、Ca等大量元素长期不足或过多时，植物的生长和生理生化功能都会受到一定影响，进而导致食用或者营养价值的降低，因此，可以根据不同需要对其有针对性的使用。

本研究结果表明，通过对矿质元素之间进行相关性分析，发现不同元素之间相关性较强。Fe-Mn、Ca-Cu等元素之间都呈极显著正相关（P<0.01），可对林菜施加铁肥，对植株叶片上铁素含量具有良好的促进作用[17]，所以，在对矿质元素调控管理过程中如何保持元素间的适宜量比及与其他矿质元素保持平衡对林菜高产优质生产极为重要。但在大叶芹中，Mg与其他元素之间均不具有相关性，在老山芹中，Pb元素与其他元素之间均不具有相关性，说明不同种林菜中矿质营养元素积累量之间存在一种动态的平衡关系，林菜对某一种矿质元素的吸收会受其他矿质元素吸收的影响，矿质元素积累之间具有协同作用，又同时共同调节林菜生长发育[18]。本文对不同采收期、不同种植位置的3种林菜进行主成分分析，明确了在东风菜中，提取出4个主成分，主要代表元素为Ca、Mn、Zn、Cu；大叶芹提取出3个主成分，代表元素为Na、Zn、Pb；老山芹中提取出2个主成分，代表元素为Na、Zn，这与王俊杰等主成分分析的结果基本一致，即在老山芹中，第1主成分代表Na的元素特征，任何一种元素的缺乏或者过量都会影响其他元素的吸收和作用的发挥[19]。适宜采收期因品种不同存在差异，可能是不同品种本身的生理条件对矿质元素的富集能力不同。同时本研究可以为农田防护林下不同种林菜适宜采收期、种植位置提供依据，为农田防护林下不同种林菜综合品质评价、品种选育、优势品种推广等提供参考，因此，可以根据实际需求对不同时期的林菜进行针对性使用。由于本研究只针对试验区农田防护林下的林菜，因此，其他农田防护林下的林菜是否符合本研究结果有待进一步研究，以及农田防护林的胁迫作用是否对林菜产量、品质有影响还需进一步研究。

4结论

本研究表明，通过多因素方差分析，发现同一农田防护林下，不同采收期、种植位置、品种对矿质元素影响各不相同，采收期、品种对矿质元素的影响极显著（P＜0.01），随着采收期的推进，不同种植位置，对不同种林菜中矿质元素含量变化趋势影响差异明显。通过对矿质元素间相关性分析，发现林菜中各矿质元素间相关性较强。分别对3种林菜进行不同种植位置、不同采收期的综合分析得出，东风菜适宜采收期为7月，大叶芹、老山芹适宜采收期为8月，种植在林缘位置各矿质元素吸收较好。

综上所述，农田防护林下种植的东风菜、大叶芹、老山芹矿质元素含量丰富，但随着采收期的推进，含量变化趋势无明显规律，在开发和利用中可以根据矿质元素含量分布特点进行种植。

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