柳河大米產地環境及其礦物元素分布特征的典范對應分析

王朝輝，鄭 暉，趙 倩，王艷輝，崔 浩，王靖會，張大力,*

（1.吉林農業大學食品科學與工程學院，吉林 長春 130118；2.長春市凈月高新技術產業開發區福祉街道辦事處，吉林 長春 130122；3.吉林農業大學信息技術學院，吉林 長春 130118）

隨著食品貿易的全球化發展，食品摻假和錯誤標簽問題成為食品工業領域面臨的最嚴重的問題，影響著食品企業的信譽以及消費者的權利，人們越來越關注農特產品的安全性及其地理產地的真實性[1-2]。按照中國農業行業標準，精米在包裝中需注明碾米品質、地理位置等信息，然而，現有的圖像識別技術無法判定大米品質和地理產地，在生產和供應鏈的各個環節中均可能出現假產地、劣質米和勾兌米等欺詐現象。吉林省著名的地理標志產品——柳河火山巖大米，因其生長環境好、品質優越等特點，深受國內外消費者青睞。但近年來，受經濟利益驅動，柳河火山巖大米的地理標志被肆意濫用，柳河火山巖大米的假冒米和勾兌米等假冒偽劣產品廣泛存在于市場中。因此，柳河火山巖大米的產地確證研究對防止生產企業或消費者遭受經濟損失至關重要[3]。

現有研究表明，食品產地真實性的分析技術主要分為同位素指紋技術[4]、近紅外光譜技術[5]、礦物元素指紋技術[6]、代謝組學指紋技術[7]。由于水稻中礦物元素含量反映了稻田溫度[8]、土壤類型[9]和氣候條件[10-13]等產地環境因素，礦物元素比大米中其他化合物更具有產地的代表性，多元素指紋技術被廣泛應用于大米地理產地確證和摻假研究。Maione等[14]通過21 種礦物元素對巴西大米進行分類精度研究，結果表明3 種分類模型對巴西中西部、南部地區大米的產地預測精度分別達到93.66%、93.83%和90%。為尋找穩定有效的產地元素指紋信息，Alexander等[15]研究了韓國、中國、菲律賓大米中25 種礦物元素的分布情況和年際間變化規律，結果表明礦物元素含量因產地不同存在差異性分布，其中10 種元素年際間變化幅度較大。為保護具有“保護原產地名稱”標志的西班牙瓦倫西亞大米，Gonzálvez等[16]對西班牙的瓦倫西亞、塔拉戈納等4 個水稻產區以及日本、巴西、印度的大米進行產地分類研究，其結果表明，判別模型在不同國家間可有效區分西班牙瓦倫西亞大米；不同產區間的產地距離越近，線性判別模型預測準確率越低。趙海燕等[17]通過逐步判別分析篩選出11 種可用于小麥產地判別的礦物元素指標，結果表明，判別模型的準確率達到89.2%。由于大米礦物元素指標反映出其生長的稻田土壤組成，礦物元素指紋分析技術為大米產地確證提供了有效的方法依據，是用于大米產地判別的一種有效方法。

近年來，農產品產地確證研究工作主要集中于產地模型的因子篩選和魯棒性評價[18-19]。對于大米而言，產地模型的因子篩選和魯棒性評價既取決于地理產地和品種類型，又取決于種植日期和氣候條件的變化。現有研究主要關注地理產地和品種類型對產地模型分類效果的影響[20]，鮮見有關大米礦物元素含量和氣候環境變量之間的關系，故而礦物元素指紋分析技術雖為表征大米產地信息提供產地確證因子，但產地確證因子的篩選和模型的魯棒性評價存在疑義。

隨著對食品安全性和真實性的關注日益增加，為確保食品的真實性和質量，歐盟國家現已經對農產品進行標識，并制定“保護原產地名稱”和“保護地理標志”的官方分類，然而目前鮮見具有中國地理標志認證的“柳河大米”的分類研究。如何提高模型的魯棒性、篩選有效的產地確證因子，成為“柳河大米”產地確證研究難點之一[21-22]。為研究產地環境因素與柳河大米礦物元素的空間格局分布的影響關系，表征柳河地域特性的地球化學特征元素組合，本實驗通過礦物元素指紋分析技術，利用相關分析、典范對應分析（canonical correspondence analysis，CCA）[23-24]，分析柳河大米樣本與環境因子在區域尺度上的相關關系，研究大米礦物元素含量變化與環境因子地理梯度上的分類和排序，篩選可靠穩定的確證指標元素，為建立柳河大米確證模型提供有效的理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

柳河大米為田間采集，品種為吉粳88。

硝酸、高氯酸（均為分析純） 國藥集團化學試劑有限公司；氫氟酸（分析純） 國家標準物質研究中心；重鉻酸鉀、硫酸亞鐵（均為分析純） 天津市風船化學試劑科技有限公司。

1.2 儀器與設備

AA-6300C型原子吸收分光光度計 日本島津公司；JLGJ4.5型檢驗礱谷機、JNMJ3型檢驗碾米機 臺州市糧儀廠；JXFM110型錘式旋風磨 上海嘉定糧油儀器有限公司；EHD-36型智能電熱消解儀 上海民儀電子有限公司；PHS-3C型酸度計 上海儀電科學儀器股份有限公司。

1.3 方法

1.3.1 研究區域

選擇吉林省通化市柳河縣（東經125°17′～126°34′，北緯41°53′～42°35′）作為研究區域。該研究區域東西距離為107 km，南北距離為76 km，地處長白山區向松遼平原過渡地帶，屬北溫帶大陸性季風氣候，年平均氣溫在-7.3～2.8 ℃之間變化，年平均降水量約為680～1 340 mm。該地區水稻種植面積占耕地面積的35.9%，西部和東南部水稻產區（時家店鄉、姜家店鄉、五道溝鎮和安口鎮）屬河谷沖積平原和熔巖臺地地貌，土壤主要為火山灰土壤和臺地白漿土，稻田施肥模式為氮肥180 kg/hm2，磷肥（P2O5）90 kg/hm2，鉀肥（K2O）90 kg/hm2，采用高產栽培管理模式，是研究區域的4 個優質粳稻種植區域。

1.3.2 樣本采集

在姜家店火山口處開始布點，沿河流走勢，根據種植面積布置采樣點，其中姜家店鄉17 個采樣點，時家店鄉7 個采樣點，五道溝鎮4 個采樣點，安口鎮7 個采樣點，共35 個采樣點。根據空間距離，每一個采樣點設置5 個采樣地塊，每個地塊按5 點法采集大米樣本和對應土壤子樣（土層深度20 cm），使用eTrex HD手持式全球定位系統獲取經緯度及海拔信息，采樣區和采樣點如圖1所示。

圖1 采樣點示意圖Fig. 1 Sampling locations of Liuhe rice

1.3.3 樣品的處理與測試

將采集的水稻籽粒進行晾曬、除雜、烘干、礱谷、研磨，過40 目尼龍篩，封存備用。稱取約2 g大米樣本，置于特氟隆消化管中，加入濃硝酸-高氯酸（5∶1，V/V）的消化液15 mL，放入消化器消化8～12 h，直至管內液體呈透明狀。消化后轉移到25 mL容量瓶，蒸餾水定容備用。將晾干的土壤樣品粉碎、除雜，過20 目尼龍篩，保存備用。Cd、Pb、Ni含量采用石墨法測定，Cu、Fe、Zn、K、Mn、Na、Mg、Ca、Se含量采用火焰法測定，土壤有機質的測定采用重鉻酸鉀-油浴加熱法，土壤pH值采用酸度計法測定，所有樣本測試均進行3 次重復。

1.4 數據處理

運用SPSS 22.0及Canoco 4.5[25-26]（Microcomputer Power，Ithaca，NY）等軟件對數據進行統計分析，顯著性分析采用單因素方差分析進行，相關分析采用Pearson相關系數進行，采用Canoco 4.5進行CCA。

2 結果與分析

2.1 各產區大米礦物元素含量的差異分析

表1 各產區大米中礦物元素含量及環境變量Table 1 Mineral element contents and environmental variables of Liuhe rice

如表1所示，安口鎮產區大米Cu含量最高，且與時家店鄉和姜家店鄉水稻產區相比差異顯著。南屯村大米K含量最高，且與時家店鄉產區相比，具有顯著差異，但與五道溝產區大米之間無顯著差異。柳河各產區大米Mg含量差異顯著。時家店鄉產區大米Ca含量與五道溝鎮、安口鎮、姜家店鄉（南屯村）水稻產區差異顯著。姜家店鄉南屯村產區大米Zn含量較高，與五道溝鎮和安口鎮水稻產區具有顯著差異。

各產區大米Mn、Mg、Zn、Ni、Se元素含量與經度、緯度存在相關關系。大米中Mn、Mg、Zn、Ni含量隨經緯度的增加而遞增，姜家店鄉南屯村產區大米中Mn、Mg、Zn、Ni含量最為豐富。大米中Se含量隨經度的增加略有增加。各產區大米K含量隨海拔上升而增加，在海拔較高處的南屯村火山口與安口鎮產區大米K含量較高。各產區大米Cu、Fe元素含量呈由西北向東南遞減的趨勢。說明各產區大米中礦物元素含量與海拔及經緯度存在一定的相關性。

由以上分析可以看出，各產區大米中Cu、Fe、Zn、K、Mn、Na、Mg、Ca、Se含量存在差異性，而大米中Pb、Cd、Ni含量無顯著差異。

2.2 大米采樣點分布與環境因子的關系

為明確各產區大米礦物元素含量差異性與環境因子的關系，采用Canoco 4.5進行去趨勢對應分析，如圖2所示。其中土壤pH值、土壤有機質、年均溫度、年平均降水量、緯度、經度、海拔高度為環境變量，4 個產區的采樣點為響應變量。環境變量由帶箭頭的矢量表示，箭頭的長度與環境變量的重要程度成正比，采樣點的位置代表樣本的環境偏好，采樣點垂直投影到環境變量延長線的距離與環境變量的影響程度密切相關，距離越短，表明采樣點受該環境變量的影響越大。

圖2 柳河大米采樣點與環境因子的對應關系圖Fig. 2 CCA bi-plot showing the relationship between environmental variables and sampling points

由圖2可知，采樣點之間的距離不同說明其環境因子存在差異，CCA排序結果表明4 個水稻產區的采樣點分布格局受緯度、經度、年均溫度等環境變量影響而變化，影響采樣點分布的環境變量重要性順序依次為緯度＞年均溫度＞經度＞海拔高度＞年平均降水量＞土壤有機質＞＞土壤pH值。受環境變量影響，35 個采樣點分為4 個區域，區域I為時家店鄉大米產區（S-1～S-7）、區域II為姜家店鄉產區（J-1～J-17）、區域III為五道溝鎮大米產區（W-1～W-4）、區域IV為安口鎮大米產區（A-1～A-7），其中姜家店鄉產區內J-15～J-17三點并未與姜家店其他產區大米歸為一類，說明其礦物元素含量與姜家店鄉內其他地區不同。由采樣點的投影點到各環境變量箭頭的距離可知，絕大多數采樣點表現出較強的環境變量偏好性。緯度與多數采樣點相關，與J-7、J-6、S-4、A-5等采樣點呈密切正相關，與W-2、A-2等采樣點呈密切負相關，與少數采樣點呈弱相關（J-11和J-17），表明多數采樣點受緯度的影響較大，其中J-6受緯度影響最大而J-17受緯度影響最小；年均溫度與緯度的箭頭方向相反，說明兩者對采樣點的影響作用相反，年均溫度與采樣點W-2、W-3、W-4呈密切正相關，與采樣點A-4和A-5呈密切負相關，表明多數采樣點受年均溫度的影響較大；采樣點S-4、J-3、J-4與經度呈密切正相關，采樣點A-2、A-6與經度呈密切負相關；采樣點A-2、A-6與海拔呈密切正相關，采樣點S-4、J-3、J-4與海拔呈密切負相關；采樣點A-7與土壤有機質呈密切正相關，采樣點S-4、J-3、J-4則與土壤有機質呈密切負相關。就產區而言，時家店鄉產區位于三統河流域上端，屬丘陵地帶，年平均積溫較高，由圖2分析可知，時家店鄉產區與年平均降水量和海拔關系緊密，表現出明顯的規律性和環境偏好，說明年平均降水量和海拔高度對時家店鄉產區的影響作用明顯；安口鎮產區位于龍崗山脈，土壤有機質含量豐富，海拔較高，圖2中安口鎮產區呈現對土壤有機質和海拔高度的正向偏好，且少數采樣點表現出對緯度的正向偏好；五道溝鎮產區位于河谷盆地，地勢平坦開闊，圖2中五道溝鎮產區對年均溫度和土壤有機質均具有較強的正向偏好，說明年均溫度和土壤有機質對五道溝鎮產區影響明顯；姜家店鄉產區呈現對經度、緯度較強的正向偏好，說明經度和緯度對姜家店鄉產區影響明顯，姜家店鄉南屯村產區位于火山口[27]，海拔較高、年平均氣溫較低、年平均降水量略高，南屯村采樣點（J-15、J-16、J-17）呈現對年平均降水量和海拔高度具有較強的正向偏好，說明年平均降水量和海拔高度對南屯村產區影響明顯。

綜上，由于環境因子的影響，大部分產區呈現一致的環境偏好和空間規律性，但采樣點之間的距離長短不一，說明在區域尺度內各采樣點對環境因子的響應存在明顯差異。

2.3 大米礦物元素分布與環境因子的關系

表2 大米中礦物元素與環境因子間的相關性Table 2 Correlation analysis between environmental factors and mineral elements in Liuhe rice

為進一步分析柳河大米產地確證元素指標的空間規律，在區域尺度內篩選穩定可靠的產地確證指標元素，本研究對環境系統與柳河大米樣本中礦物元素含量進行Pearson相關分析和第2次CCA。由表2可知，年平均降水量與大米中K含量呈極顯著正相關，與大米中Se含量呈顯著負相關；年均溫度與Cu、Fe含量呈極顯著正相關，與Mg、Zn含量呈極顯著負相關，與Se含量呈顯著負相關；土壤pH值與Cu、Mn含量呈較弱的正相關，與Se含量呈較弱的負相關；土壤有機質與Cu、K、Ca、Fe含量呈極顯著正相關，與Mg、Zn含量呈極顯著負相關；經度與Cu、K、Ca、Fe含量呈極顯著負相關，與Mg、Se含量呈極顯著正相關，與Zn、Mn含量呈顯著正相關；緯度與Mg、Zn、Se含量呈極顯著正相關，與Cu、K、Ca、Fe含量呈極顯著負相關；海拔高度與K、Ca含量呈極顯著正相關，與Cu、Fe含量呈較弱的正相關，與Mg、Cd、Se含量呈較弱的負相關。

表3 CCA與蒙特卡羅置換檢驗的主要結果Table 3 Analysis of mineral elements-environment variables relationship using CCAand Monte Carlo permutation test

如表3所示，23.4%的礦物元素含量累計方差可由環境因子的前2 個CCA軸解釋，環境因子與礦物元素含量變異之間存在79.4%的相關性。應用蒙特卡羅的正向檢驗，前4 個梯度軸具有統計學顯著性意義（F=1.623，P＜0.05），第1梯度軸顯著性P值為0.016（F=5.585）。

圖3 柳河大米中礦物元素與環境因子的對應關系圖Fig. 3 CCA bi-plot showing the relationship between environmental parameters and mineral elements in Liuhe rice

如圖3所示，前2 個CCA軸分別解釋了大米礦物元素含量總方差的17.3%和23.4%。柳河大米中Cu含量呈隨年均溫度、土壤pH值和土壤有機質的增加而增加，隨經度、緯度的增加而減少的趨勢，由Pearson相關分析可知年均溫度對其含量的促進作用明顯大于經度或緯度的抑制作用，方差分析也表明大米中Cu元素含量在緯度空間上呈現規律性遞減。但由第1次CCA結果可知，年均溫度是影響采樣點的重要環境變量，且Cu元素含量受年均溫度影響較大，因此，Cu元素缺乏產地確證指標的穩定性，不可作為產地確證指標。

大米中K含量呈現海拔、年平均降水量和土壤有機質的增加而增加，隨經度、緯度的增加而減少的趨勢，由相關分析可知海拔高度、年平均降水量對其含量的促進作用明顯大于經度或緯度的抑制作用，方差分析也表明大米中K元素含量在緯度空間上呈現規律性遞減。由第1次CCA結果可知，海拔高度、年平均降水量對采樣點的影響作用明顯小于緯度、年均溫度和經度，但K元素含量和年平均降水量呈極顯著正相關，因此，作為產地確證指標，K元素仍缺乏足夠的穩定性。

大米中Mg含量呈隨經度、緯度的增加而增加，隨年均溫度、土壤pH值和土壤有機質的增加而減少的趨勢，由相關分析可知年均溫度、土壤有機質對其含量的抑制作用大于經度和緯度的促進作用，方差分析也表明大米中Mg元素含量在4 個產區呈現明顯的組間異質性。由第1次CCA結果可知，緯度和年均溫度對采樣點的作用明顯大于經度和年平均降水量，由Mg元素到4 個環境變量箭頭的距離可知，上述4 個環境變量對Mg元素的影響效用均較小，因此，Mg元素具有一定的穩定性，可作為產地確證指標元素。

大米中Ca含量呈現隨年均溫度、海拔高度和土壤有機質的增加而增加，隨經度、緯度的增加而減少的趨勢，由相關分析可知經度、緯度對其含量的抑制作用大于海拔高度、土壤有機質和年均溫度的促進作用，方差分析表明大米中Ca元素含量在4 個產區并未呈現明顯的組間異質性。由第1次CCA結果可知，經度、緯度和海拔高度對采樣點的影響明顯大于土壤有機質和年均溫度，Ca含量與土壤有機質、海拔高度呈極顯著正相關，與經度和緯度呈極顯著負相關，因此，Ca元素具有一定的穩定性，可作為產地確證指標元素。

大米中Na含量呈現隨海拔高度、土壤有機質和年平均降水量的增加而增加，隨經度、緯度的增加而減少的趨勢，由相關分析可知經度、緯度對其含量的抑制作用小于海拔高度、土壤有機質和年平均降水量的促進作用，方差分析表明大米中Na元素含量無明顯的組間異質性。由第1次CCA結果可知，經度對采樣點的影響效用明顯大于海拔高度和年平均降水量，由Na元素到3 個環境變量箭頭的距離可知，經度變量對Na元素的影響也明顯大于年平均降水量，因此，Na元素具有一定的穩定性，可作為產地確證指標元素。

大米中Fe含量隨年均溫度、土壤有機質的增加而增加，隨緯度、經度的增加而減少，由相關分析可知年均溫度對其含量的促進作用明顯大于緯度的抑制作用，方差分析表明大米中Fe元素含量在4 個產區之間呈相對明顯的組間異質性。但由第1次CCA結果可知，年均溫度對采樣點的影響明顯大于土壤有機質、海拔高度和年平均降水量，由Fe元素到4 個環境變量箭頭的距離可知，年均溫度變量對Fe元素的影響效用明顯大于其他3 個環境變量，因此，作為產地確證指標，Fe元素仍缺乏足夠的穩定性。

方差分析表明大米中Mn含量在4 個產區之間并未呈現出相對明顯的組間差異性，由相關分析可知，除經度與Mn含量呈顯著正相關以外，其他環境變量與Mn含量多為弱相關，且經度、緯度對其含量的促進作用大于年均溫度和年平均降水量的抑制作用。由第1次CCA結果可知，緯度、經度對采樣點的影響效用明顯大于年均溫度和年平均降水量，由第2次CCA結果可知，Mn元素到經度變量箭頭的距離明顯大于其他變量，且其他環境變量對Mn元素的影響效用均較小，Mn元素具有較強的穩定性，可作為產地確證指標元素。

大米中Zn含量隨緯度、經度的增加而增加，隨海拔高度、土壤有機質的增加而減少，由相關分析可知經度、緯度與其含量的相關性明顯大于海拔高度、土壤有機質和年平均降水量，方差分析表明大米中Zn含量無明顯的組間差異性。由第1次CCA結果可知，緯度、經度對采樣點的影響效用明顯大于海拔高度、土壤有機質，由第2次CCA結果可知，Zn元素到緯度和經度變量箭頭的距離明顯大于其他變量，其他環境變量對Zn元素的影響效用均較小，Zn元素具有較強的穩定性，可作為產地確證指標元素。

大米中Se含量隨經度和緯度的增加而增加，隨年均溫度、年平均降水量、土壤有機質、海拔高度的增加而減少，由相關分析可知經度、緯度對其含量的促進作用明顯大于年均溫度、年平均降水量的抑制作用，且方差分析表明大米中Se元素含量在區域尺度內由西南向東北遞增，Se含量在緯度空間上呈規律性遞增，但由第2次CCA可知，Se元素到緯度和經度變量箭頭的距離明顯略大于年均溫度和年平均降水量變量，環境變量對Se元素的影響效用較為復雜，Se元素缺少足夠的穩定性，暫不作為產地確證指標元素。同理，Pb、Cd、Ni均不適宜作為產地確證的指標元素。

3 結論與討論

本研究通過2 次CCA研究影響吉林省柳河大米采樣點分布的環境因子，分析大米產地確證元素在區域尺度內的影響關系及其穩定性。第1次CCA結果表明，大部分產區呈現一致的環境偏好和空間規律性，區域尺度內各采樣點對環境因子的響應存在明顯差異性，對采樣點分布影響最大的前4 個環境變量為緯度、年均溫度、經度和海拔高度。第2次CCA結果和相關分析表明，柳河大米礦物元素含量和環境變量之間存在較強的空間相關性，受產地環境變量影響最大的為大米中Se元素，大米中Ca、Zn、Mg含量受其影響最小，大米中Mg、Ca、Na、Mn、Zn具有較好的穩定性和空間代表性，可初步作為柳河大米產地確證的指標元素。由于大米中礦物元素含量穩定性的影響因素較多，大氣環境和稻土母質也是其重要影響因素，本研究中部分稻田距離公路較近，大氣環境中的金屬元素通過降雨、降塵等方式進入土壤-稻田系統，水稻對礦物元素的吸收和土壤環境的關系復雜，環境因素對大米礦物元素含量的影響也不盡相同，是多方面因素共同作用的結果，為更好地掌握環境系統對產地確證元素的影響關系和篩選穩定的產地確證指標，該指標的穩定性有待于進一步探討。