基于多元統計的不同黃瓜品種葉片礦質元素含量分析

摘" " 要：為探明不同黃瓜品種（含品系）葉片礦質元素含量的差異，以不同黃瓜品種葉片作為試驗材料，利用原子吸收分光光度計測定8種礦質元素含量，并對結果進行多元統計分析與比較。結果表明，不同黃瓜品種葉片中均具有較豐富的礦質元素，其含量分布為K＞Ca＞Mg＞Na＞Fe＞Zn＞Mn＞Cu；K和Na元素含量最高的品種為18-津綠60，Ca和Mg元素含量最高的品種為津早圓潤，Fe和Mn元素含量最高的品種為S312，Zn元素含量最高的品種為20-津綠80，Cu元素含量最高的品種為WGP91。不同黃瓜品種葉片的礦質元素比例也存在差異，其中K∶Na和Fe∶Ｍn差異較大，而Ca∶Mg和Zn∶Cu差異較小。20個黃瓜品種可聚類成四類：第一類K、Na、Mn、Cu、Zn、Fe含量較高，但Ca、Mg含量較低；第二類Ca、Mg含量較高，但K含量較低；第三類K含量較高，但Ca含量較低；第四類K、Ca、Mg含量較高，但品種S29的 Mg含量偏低。相關分析表明，Mg和Ca、Na和K、Mn與Fe之間存在顯著的正相關。主成分分析表明，品種S312、津早圓潤和20-津綠60礦質元素含量綜合得分排前3位，而S26、18-津綠60和19-津綠80排后3位。研究結果可為黃瓜品種選育及科學合理施肥提供理論依據和技術支撐。

關鍵詞：黃瓜葉片；礦質元素；聚類熱圖；主成分分析；相關分析

中圖分類號：S642.2 文獻標志碼：A 文章編號：1673-2871（2024）02-038-08

Analysis of mineral elements content in different cucumber varieties based on multivariate statistics

WANG Hongxiang， ZHANG Fan， LIU Haixue， WU Huihui

（College of Horticulture and Landscape， Tianjin Agricultural University， Tianjin 300392， China）

Abstract： In order to investigate the differences in the mineral element content of different cucumber varieties （including strains）， a multivariate statistical approach was used to examine and compare the eight mineral element content of the leaves of various cucumber varieties， as assessed by an atomic absorption spectrophotometer. The results shown that many cucumber varieties have high mineral element content， with a pattern of K＞Ca＞Mg＞Na＞Fe＞Zn＞Mn＞Cu. The variety with the highest content of K and Na， Ca and Mg， Fe and Mn， Zn， and Cu is 18-Tsumegreen-60， Tsubasa Morning Round， S312， 20-Tsumegreen 80， and WGP91， respectively. There are also differences in the proportion of mineral elements in the leaves of different cucumber varieties， with significant differences in K： Na and Fe： Mn， while small differences in Ca： Mg and Zn： Cu. Four groups of 20 cucumber types may be identified： the first group has lower Ca and Mg concentration but greater K， Na， Mn， Cu， Zn， and Fe content. The K content is lower in the second category， while the Ca and Mg content is higher. The third group has higher K content and lower Mg content. The fourth group has higher K， Ca， and Mg content but lower Mg content of S29. According to correlation analysis， a significant positive correlation existed between Mg and Ca， Na and K， and Mn and Fe. Principal component analysis revealed that the top three combinations of mineral element content scores were S312， Jin Early Round， and 20-Zin Green 60， while the bottom three combinations were S26， 18-Zin Green 60， and 19-Zin Green 80. The research results may provide a theoretical foundation and practical support for scientific and acceptable fertilization as well as cucumber variety breeding.

Key words： Cucumber leaves; Mineral elements; Cluster heat map; Principal component analysis; Correlation analysis

黃瓜（Cucumis sativus L.）也稱胡瓜、青瓜，是葫蘆科一年生蔓生或攀援草本植物，在國民經濟中占據重要地位[1]。黃瓜含水量高，亦菜亦果，是重要的菜肴和補水食物，還含有豐富的維生素和礦質元素[2]。礦質元素是植物生長的必需元素，在植物生長過程中扮演著重要的角色，對維持機體正常的能量轉換和新陳代謝等發揮著極其重要的作用[3]，缺少礦質元素會影響植物正常的生長發育，例如缺Ca元素會出現植株矮化、節間短的現象；缺Mg元素會影響葉綠素的形成；缺Fe元素會引起植株葉片黃化等[4]。近年來，隨著科學研究的深入，關于黃瓜礦質元素種類及含量的研究越來越受到人們重視[5]。郭剛軍[6]研究了黃瓜幼果從開花前2 d到開花后5 d的礦質營養元素含量變化，其中B、K、Fe元素在開花授粉后幼果發育期間含量變化相對穩定，Ca、Cu、Mg、Mn、Zn元素含量則隨著果實的發育呈下降趨勢。刁春霞等[7]通過對大黃瓜和荷蘭小黃瓜礦質元素含量的測定，表明人體所必需的常量元素K、Ca、Mg在兩種黃瓜中均大量存在，荷蘭小黃瓜中K、Ca、Cu、Mn元素的含量高于大黃瓜，而Fe、Mg、Se元素的含量低于大黃瓜，Zn元素在兩種黃瓜樣品中含量相當。孫涌棟等[8]通過對黃瓜果實膨大生長過程中的礦質元素含量的測定，表明在整個果實膨大過程中，Ca、K、Mg元素含量最高，Cu、Mn元素含量最低。綜上可知，盡管國內已有關于黃瓜礦質元素的研究，但主要關注點在于果實，而未見基于多元統計以多品種黃瓜為材料對葉片礦質元素含量進行分析的報道。葉片作為黃瓜生長的基礎，光合作用產生的能量和有機物是果實生長所需的基本物質。另外，葉片中含有的礦質元素也會隨著光合作用產生的有機物向果實轉運，為果實的生長和發育提供營養。因此，在黃瓜果實形成過程中，葉片供應的礦質元素對果實的發育和產量具有至關重要的作用。筆者利用原子吸收分光光度計測定不同黃瓜品種初花期葉片中K、Ca、Mg、Na、Fe、Zn、Mn、Cu等8種礦質元素含量，并經多元統計分析建立20個黃瓜品種葉片礦質元素綜合評價模型，旨在明確其礦質元素含量差異，以期為黃瓜初花期培肥管理和礦質營養診斷提供科學可行的理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗于2022年3－6月在天津市綠豐園藝新技術開發有限公司和天津農學院實驗室進行。試驗材料為天津市綠豐園藝新技術開發有限公司種植的20個不同黃瓜品種（品系），分別為S26、S27、S28、S29、S30、S34、S109、S111、S213、S279、S312、WGP91、WGP53、津早圓潤、津綠25、津綠30、18-津綠60、19-津綠80、20-津綠60、20-津綠80。播種前將整齊度一致的種子消毒后在28～30 ℃培養箱內催芽處理6～8 h，淘洗干凈后播種在育苗盤上，棚室溫度控制在25～30 ℃，每天噴水1次，當黃瓜苗長到3葉1心時即可定植。在定植前2周左右，應對大棚內的土壤進行深耕施底肥，以充分保證黃瓜生長發育所需要的營養物質。定植后管理措施參照史曉燕等[9]的方法進行。當黃瓜植株長至初花期時（定植60 d左右），選取從黃瓜植株根部數第5片葉作為試驗材料，每個品種隨機選取6株，3次重復。樣品采集后立即放入冷藏保溫箱，并及時帶回實驗室備用。

1.2 主要儀器和設備

石墨爐原子吸收分光光度儀（TAS-990 super，北京普析通用儀器有限責任公司），火焰光度計（上海儀電分析儀器有限公司），高通量微波消解儀（MARS 6，美國CEM公司），消煮爐（EHD-24，北京東航科儀儀器有限公司），電熱鼓風干燥箱（XCA-80001，天津市華北實驗儀器有限公司）。

1.3 樣品前處理及礦質元素測定

將采摘好的初花期黃瓜葉片放入電熱鼓風干燥箱中110 ℃下殺青后，在70 ℃下烘干至恒質量。將干燥后的樣品磨碎，稱取0.5 g樣品加入75% HNO3 10 mL，用高通量微波消解儀進行消解，消解后在電熱爐上進行趕酸，趕酸至剩余1 mL后用超純水定容至50 mL[10]。利用原子吸收火焰分光光度計測定Ca、Mg、Fe、Zn、Mn、Cu元素含量，用火焰光度計測定K和Na元素含量[11]，3次重復。

1.4 數據處理

采用Excel 2016對數據進行統計，用OmicShare tool制作聚類熱圖[12]，用IBM SPSS Statistics 26進行相關性及主成分分析[13]，采用李躍紅等[14]、李燕等[15]的方法構建礦質元素綜合評價得分模型。

2 結果與分析

2.1 不同黃瓜品種礦質元素含量分析

通過對20個黃瓜品種葉片樣品礦質元素含量測定分析，結果表明不同黃瓜品種葉片K、Ca、Mg、Na、Fe、Zn、Mn、Cu等8種礦質元素含量均不相同（表1）。20個黃瓜品種葉片中K元素含量較高的有18-津綠60、20-津綠80和19-津綠80，含量（w，后同）分別為81 708.33、68 537.00、59 041.33 mg·kg-1；S213中K元素含量最低，為23 209.33 mg·kg-1。Na元素含量較高的品種有18-津綠60、19-津綠80和20-津綠60，含量分別為2 850.00、2 670.33、2 626.33 mg·kg-1；S109中Na元素含量最低，為1 220.00 mg·kg-1。Ca元素含量較高的有津早圓潤、S34和S29，含量分別為45 321.53、44 114.47、40 240.40 mg·kg-1；S26中Ca元素含量最低，為21 637.80 mg·kg-1。Mg元素含量較高的品種有津早圓潤、20-津綠60和S34，含量分別為40 943.33、38 433.33、37 875.00 mg·kg-1；S29中Mg元素含量最低，為22 233.33 mg·kg-1。Fe元素含量較高的有S312、20-津綠60和津綠25，含量分別為243.53、169.33、148.43 mg·kg-1；津綠30中Fe元素含量最低，為15.43 mg·kg-1。Mn元素含量較高的有S312、S28和S26，含量分別為39.20、34.45、28.71 mg·kg-1；WGP53中Mn元素含量最低，為11.85 mg·kg-1。Zn元素含量較高的有20-津綠80、津早圓潤和S30，含量分別為42.77、42.47、39.34 mg·kg-1；S26中Zn含量最低，為26.80 mg·kg-1。Cu元素含量較高的有WGP91、S30、S312和S27，含量分別為18.03、15.73、15.28、15.28 mg·kg-1；18-津綠60中Cu元素含量最低，為10.43 mg·kg-1。

由表1還可以看出，20個黃瓜品種葉片中礦質元素的平均含量依次為：K＞Ca＞Mg＞Na＞Fe＞Zn＞Mn＞Cu，其中K、Ca、Mg含量較高，Fe、Zn、Mn、Cu含量較少。從變異系數來看，Fe、Mn變異系數較大，分別為58.00%和40.00%；Mg、Zn和Cu變異系數較小，分別為15.00%、14.00%和12.00%。由此可以看出，雖然本試驗材料生長的立地條件、水肥管理等情況均相同，但不同黃瓜品種葉片體內礦質元素含量卻不相同，這就說明不同黃瓜品種葉片在礦質元素吸收和利用方面存在一定差距。

2.2 不同黃瓜品種葉片礦質元素比例分析

由表2可知，不同黃瓜品種葉片的礦質元素比例K∶Na和Fe∶Mn差異較大，其中，K∶Na以S109最大，為29.61∶1，20-津綠60的K∶Na最小，為10.35∶1。Fe∶Mn以20-津綠80最大，為8.74∶1，津綠30最小，為1.25∶1。但不同黃瓜品種的Ca∶Mg和Zn∶Cu差異較小，分別在0.82∶1～1.81∶1和1.79∶1～3.03∶1。

2.3 不同黃瓜品種葉片礦質元素熱圖與聚類分析

將不同黃瓜品種葉片的8種礦質元素含量進行分析后，按照各元素含量高低，20個黃瓜品種劃分為四類（圖1）：20-津綠80、19-津綠80、18-津綠60為第一類，這3個黃瓜品種K、Na、Mn、Cu、Zn、Fe含量都比較高，且礦質元素種類比較豐富，但Ca、Mg含量偏低；S34、S213、20-津綠60為第二類，這類黃瓜品種Ca、Mg含量比較高，但K含量偏低；WGP53、S111、S26、S109、S279、WGP91、S27、S312為第三類，這8個黃瓜品種K含量較高，Ca含量偏低；S29、津綠25、S28、津綠30、S30、津早圓潤為第四類，這6個黃瓜品種K 、Ca、Mg含量較高，但品種S29 Mg含量偏低。由此看出，不同礦質元素在不同黃瓜品種葉片中含量均存在差異。

2.4 不同黃瓜品種葉片礦質元素相關性分析

20個黃瓜品種不同礦質元素之間相關性比較見表3。由表3可知，Mg元素與Ca元素、Na元素與K元素之間存在極顯著正相關，相關系數r2分別為0.650和0.678；Mn元素與Fe元素存在顯著正相關，相關系數r2為0.487。說明在Mg元素含量高的黃瓜品種中，Ca元素含量也高；在Na元素含量高的黃瓜品種中，K元素含量也高；在Mn元素含量較高的黃瓜中，Fe元素含量亦較高。

2.5 不同黃瓜品種葉片礦質元素主成分分析

2.5.1 主成分因子的選擇 由表4可知，前3個主成分的初始特征值都大于1，且累積貢獻率達到87.729%，說明前3項主成分信息可以反映原始數據包含的信息。因此，選取前3個主成分作為20個黃瓜品種葉片綜合評價指標。由表5可知，在主成分1中，Cu、Fe、Mn、Zn都有較大的正系數值，即主成分1變大時，Cu、Fe、Mn、Zn含量也變大；在主成分2中，Ca、Mg有較大的正系數值，即主成分2變大時，Ca、Mg含量升高；在主成分3中，K、Na、Zn有較大的正系數值，即主成分3變大時，K、Na、Zn含量升高。

2.5.2 20個黃瓜品種綜合評價 由主成分因子得分系數矩陣（表6）得到成分因子得分模型為：

F1=-0.417 K-0.259 Na+0.335 Zn+0.479 Fe+0.497 Mn+0.411 Ca-0.022 Mg-0.038 Cu；

F2=-0.237 K-0.261 Na+0.068 Zn-0.182 Fe-0.077 Mn-0.061 Ca-0.641 Mg-0.646 Cu；

F3=0.487 K+0.599 Na+0.457 Zn+0.036 Fe+0.210 Mn+0.234 Ca+0.242 Mg+0.189 Cu。

以各成分對應方差貢獻率為權重，根據主成分得分和對應的權重線性加權求和得到主成分的綜合得分模型為：

Dn=0.419 F1+0.314 F2+0.269 F3。

通過主成分分析模型對20個黃瓜品種進行評價和排序，結果見表7。根據綜合得分可將黃瓜品種分為四大類，綜合得分Dn＞1的主要有津早圓潤、20-津綠60、S312；0＜Dn＜1的品種主要有S34、S30、津綠25、S28；-1＜Dn＜0主要有S29、WGP91、S111、S109、S279、S213、S27、20-津綠80、津綠30、WGP53；Dn＜-1的品種主要有S26、18-津綠60、19-津綠80。其中，津早圓潤排名最高，19-津綠80排名最低。

3 討論與結論

礦質元素在植物的生長發育過程中扮演著極其重要的角色，不同的礦質元素對植物生長發育及新陳代謝有著不同的影響。筆者試驗中所檢測的8種元素均為黃瓜生長發育必需元素，其中K元素在黃瓜生長發育過程中不僅參與多種酶的活化，而且還能促進糖的合成以及同化產物的運輸和碳水化合物的代謝過程。Ca元素參與黃瓜的細胞伸長[16]，是細胞壁的重要組成部分，Ca元素還能提高植物的抗旱性。Mg元素是構成葉綠素的核心元素，它通過提高植物對N、P、K元素的吸收來提高黃瓜的抗寒性[17]。近年來，聚類熱圖作為一種對復雜樣本進行分類的多元統計分析方法，越來越受到人們的重視，它通常能以不同顏色的色塊，簡單、直觀地展現數據疏密和頻率高低程度[18]。在本研究中通過對20個黃瓜品種葉片礦質元素的聚類熱圖分析，可知第一類20-津綠80、19-津綠80、18-津綠60和第三類S279、WGP91、S27、S312的K元素含量都比較高，因此，這兩類品種能夠較好地維持黃瓜的新陳代謝和生理機能，但由于第一類品種Mg、Ca元素含量較低，因此，該類品種在抗寒、抗旱性方面表現可能較差。第二類S34、S213、20-津綠60黃瓜品種中Mg、Ca元素含量較高，所以在細胞生長、抗旱方面具有一定優勢，此外該類黃瓜品種在葉綠素合成、抗寒性方面能力表現可能也較強。第四類S29黃瓜品種Mg元素含量低，所以該品種在葉綠素的合成及抗旱性方面可能表現較差。

王穎等[19]通過對26份馬鈴薯資源的7種礦質元素進行相關性分析，發現將Zn元素含量作為育種的目標性狀是提升馬鈴薯營養品質的有效途徑。顏鴻遠等[20]通過對天麻中不同礦質元素相關性分析，發現天麻中不同礦質元素存在協同吸收或拮抗抑制作用。筆者在試驗中通過分析不同品種黃瓜葉片礦質元素的相關性，發現元素Mg和Ca、元素Na和K、元素Mn和Fe之間存在顯著的正相關關系，說明以上元素之間存在協同吸收作用。根據以上分析可知，當黃瓜缺Ca時，可以同時施加Mg和Ca肥，既可預防Mg元素缺失，也可促進Ca的吸收。這可以為研究黃瓜缺素癥狀和科學施肥提供參考。

主成分分析是一種多元統計分析方法，通過降維可將多指標轉化為少數幾個綜合指標，其中每個主成分均能反映原始變量的大部分信息，它常被用于綜合性狀評價和優良品種選擇[21]。筆者利用生物統計學通過對不同品種黃瓜葉片礦質元素主成分分析，建立了綜合得分模型，結果顯示，品種津早圓潤、20-津綠60、S312得分排名較高?；诘V質元素角度分析，黃瓜品種綜合評價得分越高，黃瓜的生長發育可能就越好，所以在黃瓜品種選育方面可優先考慮津早圓潤、20-津綠60、S312等綜合評價得分較高的品種。

筆者在本研究中采用原子吸收分光光度計測定分析了不同黃瓜品種葉片的8種礦質元素的含量、礦質元素的比例等指標，結果表明，20個黃瓜品種葉片中的礦質元素平均含量大小排序依次為K＞Ca＞Mg＞Na＞Fe＞Zn＞Mn＞Cu；且元素Mg和Ca、元素Na和K、元素Mn和Fe兩兩之間存在顯著的正相關關系。除此之外，不同黃瓜品種葉片的礦質元素比例也存在差異，其中K∶Na和Fe∶Mn差異較大，而Ca∶Mg和Zn∶Cu差異較小。依據不同黃瓜品種葉片礦質元素含量的差異，通過聚類分析將20個黃瓜品種分為四大類：20-津綠80、19-津綠80、18-津綠60為第一類，S34、S213、20-津綠60為第二類，WGP53、S111、S26、S109、S279、WGP91、S27、S312為第三類，S29、津綠25、S28、津綠30、S30、津早圓潤為第四類。建立了綜合評價模型，Dn=0.419 F1+0.314 F2+0.269 F3，經綜合評價，品種S312、津早圓潤、20-津綠60得分較高，其葉片礦質元素含量也較高；而S26、18-津綠60、19-津綠80得分較低，其葉片礦質元素含量也較低。此研究結果不僅為黃瓜優良品種的選育提供了理論基礎和數據支撐，而且也為黃瓜營養施肥等方面的研究提供了科學依據。

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