第 5 期 唐庆华等：中国“槟榔黄化病”研究 40 年——病原、防控措施新进展 1015

化均称为“槟榔黄化病”或“槟榔黄叶病”（也有

农户将其称为“叶瘟”）。同时，学界对 YLD 的病

原或病因是否仅有植原体这个问题也有较大分

歧。在此背景下，为了回应 YLD 病原认识上的分

歧以及实际生产中多种致黄因子存在的问题，学

界暂时采用“槟榔黄化现象”（槟榔在生长过程中

所表现出的叶片变黄的表征或症状）的概括性概

念，以待后续研究进行澄清，进而查明 YLD 的本

质（病原或病因）。对 YLD 进行精准诊断和识别

正是省重大项目中需要完成的一个重要任务。

经过近年来的调查研究，生物和非生物因素

中各种因子的致黄特点现已基本明确。（1）YLD

和 ALYVD 是 2 种致黄关键病害。这是导致生产

上槟榔大面积黄化、树势衰弱、减产的 2 种致黄

关键病害，目前尚无有效的防治药剂，只能采取

综合措施进行防控。其田间症状特点比较类似（尽

管目前作了症状初步区分，但还需进一步补充完

善），表现为发病初期树冠倒数第 2、3 片羽状复

叶的部分小叶首先黄化，随后黄化症状向上层叶

片扩展，发病中后期树冠缩小呈束顶状，严重者

植株死亡。这 2 种病害有发病中心。（2）叶斑类

病害。包括炭疽病、细菌性叶斑病[44]以及新报道

的坏死梭斑病毒病[12]和坏死环斑病毒病[13]等，其

症状特点为在叶片局部产生带黄色晕圈的病斑，

严重者叶片上病斑累累。炭疽病仅在琼中等局部

区域发病较重，细菌性叶斑病多在台风季节爆发，

病害严重时虽可导致叶片枯死，但防治较容易。

坏死梭斑病毒病目前仅在保亭有发现，坏死环斑

病毒则在定安、琼海、万宁等市（县）均有发生。

YLD 和 ALYVD 2 种病毒病的传播途径、防控方

法及其对产量的影响等研究尚待开展。（3）根腐

病害。包括褐根病、红根病、黑纹根病[45]。其症

状特点为发病后植株下层老叶首先变黄、下垂，

严重者植株死亡。3 种根病地上部分的黄化表现

在下层叶片，容易与 YLD 和 ALYVD 进行区分。

此外，根腐病从表现症状到植株死亡通常仅需几

周至几个月，而 YLD 从表现症状到死亡常长达

5~7 a[7]（ALYVD 有待进一步研究）。根腐病多是

单个而非连片槟榔园发生，一旦发病常引起植株

死亡，防治存在一定难度。（4）芽腐病。该病表

现为感染后心叶首先变黄，常造成植株死亡。芽

腐病在琼中县有发生，但多为零星发生。（5）藻

斑病。常造成下层叶片衰弱，叶柄、叶片、叶鞘

上均长出带有黄色晕圈的麻点状小病斑，病斑上

常可见黄褐色毛毡状物，易与其他叶斑病区分。

该病为害较小。（6）椰心叶甲。该虫在陵水、万

宁、琼海等市（县）发生严重，可以引起整园甚

至局部区域槟榔园连片枯黄，其为害甚至超过

YLD 和 ALYVD。椰心叶甲主要危害心叶，造成

树冠缩小，心叶甚至植株死亡，对产量影响较大，

可通过喷施高效氯氰菊酯、辛硫磷等药剂或释放

天敌寄生蜂（椰甲截脉姬小峰和椰心叶甲啮小峰）

进行有效防治。（7）干旱和寒害。干旱可季节性

地引起局部或大范围槟榔园叶片因缺水而失绿变

黄，多表现在下层叶片。干旱对于新定植的 1~2 a

的幼树甚至成龄树影响较大，若不及时灌水，达

到一定极限后下部 1~2 片叶常在一周至几周内快

速干枯、死亡。干旱造成的黄叶症状可通过灌水

措施得到缓解、恢复，无灌溉条件时到雨季也可

逐渐恢复健康绿色状态。海南每年 5—8 月为高温

干旱季节，干旱通常是对全岛范围内的槟榔均有

影响，不具发病中心的特点。寒害多发生于 1 月

或 12 月，持续数天低温（通常是低于 10℃）天

气会引发寒害。2021 年 1 月海南遭遇低温（1 月

13 日琼中县黎母山镇监测到-0.3℃低温），全岛西

至澄迈、南到三亚的槟榔均有寒害发生。初期症

状表现为叶片出现褪绿、干枯病斑，此后叶片呈

淡绿至浅黄色。调查发现万宁、琼海、定安等地

大面积槟榔受寒害影响叶片变黄情况较普遍，至

4 月初才逐渐恢复。台风也有一定影响，除了对

槟榔叶片直接伤害外，还表现在引起槟榔细菌性

叶斑病的爆发以及造成椰心叶甲大面积扩散。此

外，水害沤根也会引起叶片变黄，多见于地势低

洼、排水不良的槟榔园。（8）生理性缺素及肥害。

生理性黄化多见于管理不善或失管槟榔园，表现

为全园植株树势衰弱，全株叶片因营养不良表现

为浅绿色，略带黄色。调查发现，刚定植 1~2 a

幼树有时也会出现生理性黄化的情况。肥害多发

生于集中过量施用硝酸钾、硫酸钾、氯化钾等化

学肥料或未腐熟的牛粪、羊粪、猪粪等有机肥[45]，

导致烧根从而引起下层叶尖、叶缘失绿变黄，叶

尖多变褐枯死。生理性缺素或肥害引起的黄化无

发病中心。杨旭光等[47]研究表明槟榔园水肥供施

情况和土壤中养分状况与槟榔黄化病的发生无必

然联系。（9）除草剂药害。除草剂问题是在 2013

年前后才引起注意和重视的。笔者调查发现生产

上常用草甘膦等灭生性除草剂，造成地表根系变

褐坏死，叶片褪绿变黄、枯死，最后整株枯死。

1016 热带作物学报 第 43 卷

吴童童等[46]发现在生产中除草剂使用非常普遍，

且除草剂使用历史越长、频率越高时，园中槟榔

长势越差。除草剂虽与槟榔园黄化有一定相关性，

但其引起的黄化不具备发病中心的特点。综上，

生产上引起槟榔黄化的因素尽管较多，且多个因

子常同时并存于黄化槟榔园，通过综合考虑田间

症状、病虫害发生历史、种苗来源、水肥管理及

除草剂施用等情况，通常可以区分 YLD（和/或

ALYVD）与其他因素引起的黄化。YLD 与 ALYVD

则需综合考虑田间症状并结合分子检测结果进行

区分。

迄今，已基本理清 YLD 和 ALYVD 与其他 8

类因子的“黄化”症状，笔者认为对各种因子引

起的“槟榔黄化现象”进行澄清，解析槟榔黄化

病本质的时机已日趋成熟。鉴于 YLD 和 ALYVD

分布广泛、造成的损失严重、防控难度大、社会

关注程度高，建议今后将这 2 种致黄关键病害作

为核心对象进行重点防控。

1.5 新的科学问题及今后的攻关重点

新病害 ALYVD 的发现拓宽了对老病害 YLD

的认识，也提出了新的科学问题：（1）YLD 和

ALYVD 的症状区别表现在哪些方面？（2）YLD

和 ALYVD 病害的流行规律如何？（3）YLD 和

ALYVD 病害是如何传播的？（4）YLD 和 ALYVD

病害致黄机理存在哪些异同？

针对槟榔黄化病，现阶段需要聚焦的攻关重

点有 3 个。（1）现有的检测技术各有不足。例如

改进的巢式 PCR 方法灵敏度依然偏低且费时费

力；虽然 LAMP 灵敏、快速（约 3 h 即可获得检

测结果）、结果可视化，但技术操作过程中需格外

避免污染的问题；ddPCR 灵敏度极高但检测仪器

昂贵且成本偏高（1 个样品 3 次重复平均检测费

用为 240~250 元；巢式 PCR 为 1.8~2.0 元；LAMP

为 25~100 元。美国和日本试剂价格差异较大，笔

者注），故 LAMP 和 ddPCR 这 2 种方法并未用于

高通量检测工作。因此，需继续研发其他检测方

法，对不同检测方法进行对比和评价，进而筛选

出 1~2 种灵敏、高效的检测方法是亟需攻关的重

点。（2）虽然对 YLD 和 ALYVD 的症状进行了初

步区分，但还需重点对这 2 种病害症状的扩展情

况进行细致观察，进一步明确其症状和流行规律

的异同。（3）植原体是一类通过媒介昆虫传播的

病原菌[48]，一旦确认 YLD 的媒介昆虫并研发相

应防治技术可为槟榔黄化病的防控提供有力支

撑。目前，已在柑橘棘粉蚧等 6 种刺吸式口器昆

虫体内检测到 AYLP[49]。因此，加快疑似媒介昆

虫接种验证、传毒特征研究，并开展防治技术研

究也是当前的攻关重点。

2 槟榔黄化病和槟榔黄叶病毒病的防控

迄今，槟榔黄化病和槟榔黄叶病毒病 2 种病

害流行规律、监测以及防控方面的进展更多地来

自前者（如病害监测和防控实践[50]）。然而，受

广大农户对槟榔黄化病认知、槟榔价格持续处于

高位等方面的影响，此前一些学者提出的 YLD

防控措施（如砍除病株）在实际生产中实施的并

不多，全省仅有三亚市组织实施了砍除病株的措

施[51]。同时，ALYVD 的发现也大大增加了防控难

度。因此，有必要重新梳理 YLD 和 ALYVD 2 种

致黄关键病害的基础资料并制定针对性的防控策

略和措施。

2.1 防控形势紧迫

从 1995 年金开璇等[3]最早提出植原体（即类

菌原体 MLO）与黄化型 YLD 有关开始，20 多年

以来 YLD（包括 ALYVD）并未得到有效控制，

甚至不断蔓延危害，发生范围、面积逐步扩大，

病情日趋严重。海南全省（不含三沙市）调查结

果表明，由 AYLP 和 APV1 引起的槟榔黄化面积

为 4.00~5.33 万 hm2

（尚未发表），若任由其继续

扩散蔓延，将会给海南经济、社会及生态带来难

以估量的损失。与此同时，生产上还缺乏一套公

认的、能够科学指导防控槟榔黄化病和槟榔黄叶

毒病的指南。鉴于此，笔者团队结合近年来的科

研成果编写了《槟榔“黄化病”防控明白纸》（此

处槟榔“黄化病”指黄化病和黄叶病毒病，下同。

为了便于广大槟榔种植户的理解和接受，《明白纸》

未对 YLD 和 ALYVD 进行区分）。《明白纸》充分

借鉴了柑橘黄龙病[52]、椰子致死性黄化病[48, 53]、

枣疯病[54-55]、葡萄金黄化病[46]等类似病害的防控

措施（表 2），根据植保领域专家学者、一线农技

人员提出的建议进行完善，于 2020 年 9 月在万宁

市正式向各市（县）农技人员和广大槟榔种植户

推介，得到了广泛关注。

2.2 《明白纸》解读

《明白纸》提纲挈领地介绍了槟榔“黄化病”

病原、症状、危害等级、传播途径，确

第 5 期 唐庆华等：中国“槟榔黄化病”研究 40 年——病原、防控措施新进展 1017

表 2 槟榔“黄化病”与柑橘黄龙病等类似病害的主要防控措施对比

Tab. 2 Comparison of main control measures of areca palm “yellow leaf disease” with similar

diseases including citrus Huanglongbing

病害

Disease

检疫/抗病品种或无病种苗

Quarantine/resistant cultivar

or disease-free seedlings

砍除病株

Clean

diseased

plants

防治媒介昆虫

Vector management

抗生素治疗

Injection of

antibiotics

生态调控

Habitat

management

参考文献

Reference

槟榔“黄化病” 种植无病种苗 砍除病株 柑橘棘粉蚧、双条拂粉蚧 生态调控

柑橘黄龙病 种植无病种苗 砍除病株 柑橘木虱 [52]

椰子致死性黄化病 检疫/种植抗病品种 砍除病株 麦腊婵 抗生素 间作套种 [48, 53]

枣疯病 种植抗病品种/种苗脱毒 砍除病株 凹缘菱纹叶蝉等媒介 抗生素 [54-55]

葡萄金黄化病 种植无病种苗 砍除病株 葡萄带叶蝉 [48]

注：槟榔“黄化病”指 YLD 和 ALYVD。

Note: Areca palm “yellow leaf disease” refers to YLD and ALYVD.

立了“预防为主、分类防控”的策略，并提出了

综合防控措施。《明白纸》的制订与推介实施是槟

榔黄化病和黄叶病毒病研究和防控中的一个里程

碑，以下作简要解读。

2.2.1 危害等级标准 槟榔园危害等级标准：轻

病园，全园发病率 20%以下；中病园，全园发病

率 20%~50%；重病园，全园发病率 50%~70%；

特重病园，全园发病率 70%以上。这是分类防控

策略的依据。

2.2.2 传播途径 传播途径主要是种苗和媒介昆

虫，这是种植健康种苗、防治介体昆虫的依据。

2.2.3 槟榔园黄化病 3 个关键预防措施 （1）选

用无病种苗，严禁从疫区引进种果和种苗；严禁

用感病槟榔园的种果进行育苗；严禁在感病槟榔

园及周边育苗。（2）槟榔园禁用草甘膦除草剂。

（3）不在病园内新种幼苗。

2.4.4 槟榔园黄化病分类防控措施 （1）针对新

建槟榔园，从种苗开始进行预防，种植无病种苗，

隔离种植，远离感病槟榔园，建议间隔至少 1 km

以上，避免连片种植。（2）针对健康园，以预防

为主。加强肥水管理；全面除杀刺吸式口器害虫，

预防病害传播入园；一旦确认园内有植株感染植

原体或 APV1，做到发现一株清除一株。（3）针

对轻、中和重病槟榔园，控治并举，采用“五板

斧”措施。即，“一养”：加强肥水管理，养根养

树，提高槟榔树体营养，增强树势。“二诱”：诱

抗，结合除杀刺吸式口器害虫，叶面喷施免疫诱

抗剂、叶面肥，诱导槟榔产生抗性和提高免疫力。

“三调”：生态调控，通过丰富林间生物多样性，

改善林下微生态环境，达到涵养水源、以草（或

其他作物）控草甚至增加收入的目的。“四治”：

综合治理，结合免疫诱抗处理对病原及传播媒介

采用化学、物理等防控技术，降低菌源、阻止传

播。“五除”：加强病害管理，清除病叶和病株，

减少传染源。（4）针对特重病园，全园更新。清

除全园后，种植其他短期经济作物，至少 2 a 后

再重新种植健康槟榔。

《明白纸》充分考虑了以下 4 个因素：（1）

槟榔是一种常绿棕榈植物，经济寿命可长达 30 a；

（2）现有的种植管理模式（单一、“懒人”模式）；

（3）种植 4~5 a 后才开始结果，在此期间农户通

常一直无收获回报；（4）染病 2~3 a 内，整园产

量通常不会大幅下降，水肥管理好的槟榔园产量

会保持一个较高的水平；（5）近年来鲜果价格较

高，绝大部分农户尚不愿接受砍除病株的措施，

主动砍除病株的农户仅是极少数。整体而言，对

于中、重度发病槟榔园采取的是一种带病维持生

产的策略。然而，从整个槟榔产业的长远发展来

看，病园更新的措施必不可少（参考柑橘黄龙病

园更新措施[7]），否则 2 种病害仍将持续扩展，危

害继续加重。虽然 YLD 和 ALYVD 尚无特效防控

药剂，但通过上述综合防控措施可在一定程度上

达到控制病害蔓延、延长槟榔植株经济寿命、提

高或维持产量的目的。

2.3 《明白纸》需进一步完善之处及防控中亟

待解决的问题

目前，海南全省的 YLD 和 ALYVD 防控形势

仍非常紧迫。及时发布《明白纸》为这 2 种病害

的科学防控提供了指南。然而，目前对这 2 种病

害的了解依然不够深入，《明白纸》中病害基础介

绍及防控措施的部分内容还需进一步完善。如，

媒介昆虫研究尚显不足。虽然已发现柑橘棘粉蚧、

1018 热带作物学报 第 43 卷

双条拂粉蚧可以传播 APV1[36]，YLD 带“毒”昆

虫方面也有阶段性进展[11]，然而这些昆虫的交配

产卵、种群动态等生物生态学特性、传毒特征以

及防治技术等研究尚待开展。这些研究结果将进

一步有针对性地补充和完善《明白纸》的基础知

识以及防控目标、防控技术和方法等。

槟榔黄化病和槟榔黄叶病毒病防控中还面临

很多问题，但最根本或亟需解决的问题有 3 个：

（1）转变主管部门对 YLD 及 ALYVD 的防控认

识与指导思想。只有充分认识到现有的种植模式

及技术措施无法完全根治 YLD 及 ALYVD 的事

实，才能转变“治疗”“治愈”观念，形成 YLD

及 ALYVD 可防可控不可治的统一认识[56]，从而

牢固树立“预防为主，分类防控”的战略指导原

则，依照《明白纸》中的措施系统推进防控工作。

（2）转变广大农户长期以来的槟榔“懒人种植”

模式（管理意识淡薄，重种植、轻管理，管理投

入不足或几乎不投入）以及对病害的认知。只有

彻底摒除侥幸心理，改变先前“靠天吃饭”的种

植模式，加强水、肥、草管理和病虫害防控，及

时清除病株残体，才能形成有利于槟榔健康生长、

YLD 及 ALYVD 防控的条件。（3）建立种子种苗

检疫制度和健康种苗保障体系。近年来海南槟榔

种苗市场非常活跃，万宁等疫区一些农户留老果

育苗的情况较多，多个种苗公司年育苗量达到几

万甚至几十万株。调查发现大多未做隔离或预防

措施，这些来自疫区的种苗具有较大的带“毒”

风险，笔者的采样检测结果也证实了这一点[11]。

因此，建议加快槟榔种果种苗检疫制度及健康种

苗繁育体系建设，禁止疫区农户和种苗公司育苗

售卖，非疫区的种苗也需具有检测资质的单位现

场抽样、检测，获得健康种苗报告后方可销售。

3 展望

近年来，海南省重大项目团队在 YLD 及

ALYVD 研究上取得阶段性进展。在槟榔黄化相关

病害方面，明确了 2 种致黄关键病害——YLD 和

ALYVD，并区分了这 2 种病害与其他 8 类因子的

黄化症状，对“槟榔黄化现象”说法进行了澄清。

在病原检测方面，针对 YLD 和 ALYVD 研发了可

供病害早期诊断的灵敏、高效、快速的检测新方

法，后续有望开发出可用于田间检测的方法和产

品。在传播途径和防控方面，笔者发现来自万宁

等疫区的部分种苗有 AYLP 和/或 APV1 感染（尚

未发表），为种苗检疫措施的实施提供了依据。同

时，在万宁、定安 2 个病园遗留的槟榔老果组织

DNA 样品中检测到 AYLP[32]，若证实带“毒”种

果育出的种苗同样带有 AYLP 和/或 APV1，则将

进一步研究种苗脱毒或组培脱毒，为健康种苗供

应、病害防控提供保障。此外，YLD 带“毒”昆

虫[11]及 ALYVD 媒介昆虫[36]方面的研究也有一定

进展，后续研发的防治技术将进一步提高这 2 种病

害传播媒介的防治效果。总之，预期 5~10 a 内在

YLD 及 ALYVD 病原检测、种苗脱毒、媒介昆虫

防治方面有望获得突破，《明白纸》的不断完善也

将进一步发挥对 YLD及 ALYVD防控的指导作用。

近 10 a 来，槟榔致黄关键病害 YLD 及

ALYVD 危害逐年加重，发病面积不断扩大，现已

给海南槟榔产业的健康发展和农民增收带来了严

峻考验，其科研攻关和有效防控需要从“产学研

推用”多个层面协调进行[57]，通过政府指导与专

项资金支持（科研资助、重病园更新及带毒种苗

销毁补偿等）、科研机构重点攻关、企业技术推

广、农户依据《明白纸》的措施积极加强管理和

病虫害防控，YLD 及 ALYVD 引发的槟榔黄化问

题将得到有效控制，以保障槟榔产业的可持续健

康发展。

致谢 感谢海南大学黄惜教授团队在示范基地病样

APV1 检测工作中的帮助与支持。

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收稿日期 2021-12-20；修回日期 2022-01-05

基金项目 国家自然科学基金项目（No. 31871673）；财政部和农业农村部国家现代农业产业技术体系——国家麻类产业技术

体系项目（No. CARS-16-E11）。

作者简介 全芮萍（1996—），女，硕士研究生，研究方向：苎麻抗逆分子机制。*通信作者（Corresponding author）：佘 玮

（SHE Wei），E-mail：clregina@163.com；崔国贤（CUI Guoxian），E-mail：gx-cui@163.com。

抗氧化酶和植物螯合肽对苎麻重金属 Cd 胁迫的应答

全芮萍，陈建福，张 蕾，许明志，杨瑞芳，佘 玮*

，崔国贤*

湖南农业大学农学院，湖南长沙 410128

摘 要：为了探究抗氧化酶和植物螯合肽在苎麻耐镉生理机制中的作用，本研究以苎麻耐性品种‘川苎 8 号’为实验

材料，对其进行 5、25、50 mg/L 的镉处理，7 d 后分别测定其生物量、镉含量、抗氧化酶活性、植物螯合肽含量以及

相关基因表达量。结果表明 5 mg/L 镉处理‘川苎 8 号’的株高、根长与生物量受到促进，25、50 mg/L 镉处理下‘川

苎 8 号’的株高、根长与生物量受到抑制，‘川苎 8 号’主要将镉积累在根部，不同镉处理下转运系数均小于 1，25 mg/L

镉处理时镉积累量与转运系数均显著高于其他处理；镉胁迫后‘川苎 8 号’地上部和地下部超氧化物歧化酶（SOD）

活性显著升高，丙二醛（MAD）活性显著降低，过氧化氢（H2O2）含量显著上升；5、25 mg/L 镉处理时地下部植物螯

合肽（PCs）与谷胱甘肽（GSH）含量显著低于对照，50 mg/L 镉处理时高于对照但未达到显著差异；PCs 和 GSH 在地

上部和地下部承担着不同的解毒作用；各浓度处理的地上部 BnPCS1 相对表达量均与镉含量呈极显著正相关（P<0.01），

高浓度（25、50 mg/L）处理的地上部 BnGCL1 相对表达量与镉含量呈正相关（P<0.01）；低浓度（5 mg/L）处理下 SOD

活性显著高于对照，与各部位镉含量均呈极显著正相关（P<0.01），高浓度镉处理时地下部 SOD 活性与镉含量呈极显

著负相关（P<0.01），地下部 PCs 含量与镉含量呈极显著正相关（P<0.01）。综合分析说明，‘川苎 8 号’在低浓度镉胁

迫时主要通过激活抗氧化酶活性消除细胞中自由基的毒害，高浓度镉胁迫时通过调节抗氧化酶活性和 PCs 与 GSH 合成

解除镉的毒害。

关键词：苎麻；镉；抗氧化酶；植物螯合肽

中图分类号：S563.1 文献标识码：A

Responses of Ramie to Antioxidant Enzymes and Plant Chelating

Peptides to Cd Stress

QUAN Ruiping, CHEN Jianfu, ZHANG Lei, XU Mingzhi, YANG Ruifang, SHE Wei*

, CUI Guoxian*

College of Agronomy, Hunan Agricultural University, Changsha, Hunan 410128, China

Abstract: In order to explore the role of antioxidant enzymes and plant chelating peptides in the physiological mechanism of ramie tolerance to cadmium, Cd-tolerant ramie variety ‘Chuanzhu 8’ was treated with 5, 25, 50 mg/L cadmium,

and the biomass, cadmium content, antioxidant enzyme activity, plant chelating peptide content and related gene expression were assayed seven days later. The plant height, root length and biomass treated with 5 mg/L cadmium were

promoted, and the plant height, root length and biomass treated with 25, 50 mg/L cadmium were affected. Cadmium was

mainly accumulated in the root, the transport coefficient under different cadmium treatment was less than one, and the

cadmium accumulation and transport coefficients under 25 mg/L cadmium was significantly higher than that of other

treatments. The superoxide dismutase (SOD) activity significantly increased, the, malondialdehyde (MAD) activity significantly decreased in cadmium stress. The hydrogen peroxide (H2O2) content significantly increased, the underground

plant chelating peptides (PCs) and glutathione (GSH) content was significantly lower than that of the control under

5 mg/L and 25 mg/L cadmium treatments, and was higher than that of the control under 50 mg/L cadmium, but did not

1024 热带作物学报 第 43 卷

reach a significant difference. PCs and GSH had different detoxification effects in aboveground and underground parts.

The relative expression of aboveground BnPCS1 and cadmium content under various concentration treatments were

extremely significantly positively correlated (P<0.01), and the relative expression of aboveground BnGCL1 at a high

concentration (25 mg/L and 50 mg/L) was positively correlated with cadmium content (P<0.01). SOD activity under low

concentration (5 mg/L) was significantly higher than that of the control, and had the same cadmium content in all parts.

There was a very significant positive correlation (P<0.01). The SOD activity and cadmium content in the underground

was extremely significantly negatively correlated (P<0.01) when treated with high concentration of cadmium, and the

PCs content and the cadmium content in the underground were extremely significantly positively correlated (P<0.01).

Comprehensive analysis showed that ‘Chuanzhu 8’ mainly used antioxidant enzyme activity to eliminate the toxicity of

free radicals in cells under low concentration cadmium stress. Under high concentration cadmium stress, it relieved

cadmium by regulating antioxidant enzyme activity and the synthesis of PCs and GSH.

Keywords: ramie; cadmium; antioxidant enzymes; plant chelating peptides

DOI: 10.3969/j.issn.1000-2561.2022.05.017

镉（Cd）是一种对动植物具有剧毒，且毒性

持久的非必需元素，严重影响农作物的产量和质

量[1]。镉进入植物体后，会替换其他离子吸收转

运相关的结合位点，导致新陈代谢紊乱，影响细

胞结构[2-3]，当土壤受到镉污染后，镉会在生物体

内富集，并通过食物链进入人体从而引起慢性中

毒[4]。生态环境部 2020 年 5 月 7 日公布的《2019

年全国生态环境质量简况》中指出，影响农用地

土壤环境质量的主要污染物是重金属，其中镉为

首要污染物。

植物经过长期进化演变，进化出了一套复杂

的耐镉机制，主要包括细胞壁、抗氧化系统、螯

合蛋白、转运蛋白等协同作用，消除由镉引发的

O2

–

·、H2O2 过量积累导致的膜脂过氧化反应和细

胞膜损坏[5]。当植物面对氧化胁迫时可启动由超

氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）、过

氧化氢酶（CAT）等抗氧化酶组成的自身保护系

统，提高清除活性氧自由基（ROS）的能力，其

中 SOD 作为抵抗 ROS 的第一道防线[6-7]，可快速

将 O2

–

·转化为 H2O2

[8-9]，降低过氧化伤害，提高植

物耐镉性。非巯基蛋白如植物螯合肽

（phytochelatin, PCs）等能直接螯合重金属离子参

与解毒。PCs 是由植物螯合肽合酶（phytochelatin

synthase, PCS ）催化，以还原型谷胱甘肽

（glutathione, GSH）为底物合成[10]，PCs 中半胱

氨酸的巯基（-SH）结合 Cd2+形成 Cd-PC 复合物，

并通过液泡膜上的转运蛋白-ABC 运输体将其转

运至液泡内完成对镉的解毒作用[11-13]。

苎麻（Boehmeria nivea）属荨麻科苎麻属，

生长迅速、根系庞大、生物产量高。已有研究证

明其对镉、铅、铜等多种重金属具有较好的耐性

和积累能力[14-16]，是我国南方重金属污染农田替代

种植作物。本研究通过盆栽试验，研究镉对苎麻的

生长、镉含量、抗氧化酶与植物螯合肽的影响，从

生理和分子层面研究镉胁迫下苎麻耐镉机制。

1 材料与方法

1.1 材料

供试品种为耐镉品种‘川苎 8 号’，生化试剂

OmniPlant RNA Kit（DNase I）购自康为世纪（北

京）生物科技有限公司，EasyScript One-Step gDNA

Removal and cDNA Synthesis SuperMix、TransStart

Green qPCR SuperMix 购自全式金（北京）生物技

术有限公司，超氧化物歧化酶（SOD）、丙二醛

（MDA）、过氧化氢（H2O2）试剂盒购自索莱宝（北

京）生物科技有限公司，谷胱甘肽（GSH）、非蛋

白巯基（NPT）购自南京建成生物工程研究所。

1.2 方法

1.2.1 试验设计 盆栽试验于 2021 年 3—7 月在

湖南农业大学苎麻智能温室进行。于苎麻种质资

源圃剪取嫩梢，扦插育苗，麻苗均高 25~30 cm 时，

选取高度、长势一致的健康苗定植于以膨胀珍珠

岩基质的聚乙烯塑料盆中。每周添加一次 1/2

Hoagland 全面营养液。培育 3 周后，在苎麻盆栽

中添加镉溶液 500 mL。Cd2+供体为镉标准溶液，

试验设置 0、5、25、50 mg/L 4 个 Cd2+浓度水平，

以不加镉标准液为对照，每个处理重复 3 次。

1.2.2 测定项目 （1）生物量与镉含量测定。镉

处理 1 周后小心取出整株苎麻，用去离子水洗净

尘土与珍珠岩，吸水纸擦干水分，称重记录，一

部分经 105℃杀青 30 min，然后 65℃烘干至恒重，

研磨、过筛，样品采用 HNO3-HClO4 法消化。采

第 5 期 全芮萍等：抗氧化酶和植物螯合肽对苎麻重金属 Cd 胁迫的应答 1025

用 SOLAAR M6 型原子吸收光谱仪测定重金属镉

含量。另一部分按地下部、地上部分别用液氮速

冻，于–80℃保存，备用。

（2）生理指标测定。超氧化物歧化酶（SOD）

活性、丙二醛（MDA）含量、过氧化氢（H2O2）

含量采用北京索莱宝生物科技有限公司试剂盒测

定，谷胱甘肽（GSH）、非蛋白巯基（NPT）含量

采用南京建成生物工程研究所相应的试剂盒测

定。植物螯合肽（PCs）含量=非蛋白巯基（NPT）

含量-谷胱甘肽（GSH）含量。

（3）BnPCS1 与 BnGCL1 表达分析。苎麻植

物螯合肽合成酶基因（BnPCS1）和半胱氨酸连接

酶基因（BnGCL1）的引物序列根据苎麻基因组

（PHNS00000000.1）中的 PCS1 和 GCL1 基因序

列设计。引物由擎科生物有限责任公司合成，引

物序列见表 1。

各处理分别取 1 g 苎麻组织，提取总 RNA，

反转录成 cDNA 作为模板，进行实时荧光定量

PCR 扩增检测基因的表达量。反应体系为：

2×SYBR Green PCR Mix 10 µL、QF（10 μmol/L）

0.5 μL、QR（10 μmol/L）0.5 μL、cDNA 2 µL 和

ddH2O 7 µL。反应条件为：94℃（30 s）；94℃（5 s）、

61℃（35 s）45 个循环。每个样本重复 3 次。以

苎麻肌动蛋白（β-actin）作为内参。采用 2-∆∆CT

法计算基因的相对表达量。

表 1 引物序列

Tab. 1 Primer sequence

引物名称

Primer name

引物序列（5'–3'）

Primer sequence (5'–3')

引物用途

Primer purpose

Actin-F1 GCTCCGTTGAACCCTAAG

Actin-R1 GCTCCGATTGTGATGATTT

内参引物

BnPCS1-F TGAGGGCCAACGGTGATAAG

BnPCS1-R CACCGCAAGAAGAGCAAGTC

BnPCS1 引物

BnGCL1-F CGGCCAGTTTGAGCTTAGTG

BnGCL1-R TTCCTCGGCAACAGCTTTGA

BnGCL1 引物

1.3 数据处理

采用 SPSS 24.0 和 Origin 2019 软件对试验数

据进行统计分析与作图。采用 LSD 法分析差异显

著性。F 检验 P≤0.05 时为显著差异。

植株地上部重金属累积量=植株地上部重金

属含量×植株地上部生物量；植株地下部重金属累

积量=植株地下部重金属含量×植株地下部生物

量。转运系数=植株地上部镉含量（mg/kg）/植株

地下部镉含量（mg/kg）。

2 结果与分析

2.1 镉胁迫对苎麻生长的影响

镉处理显著影响苎麻的生长发育（图 1A），

5 mg/L 处理促进苎麻根的生长，较对照显著上升

44.88%，而 25 mg/L 和 50 mg/L 处理较对照显著

下降了 18.81%和 35.43%（图 1B）。5 mg/L 处理

促进苎麻生长发育，地上部比对照上升 3.02%，

而 25 mg/L 和 50 mg/L 处理较对照显著下降

45.97%和 72.71%；地下部在 5 mg/L 处理下较对

照上升 26.43%，25 mg/L 和 50 mg/L 处理较对照

显著下降 25.19%和 70.36%，在 5 mg/L 处理下苎

麻地下部鲜质量的增长幅度大于地上部（图 1C）。

不同小写字母表示处理间差异显著（P<0.05）。

Different lowercase letters indicate significant difference among

treatments (P<0.05).

图 1 不同浓度镉处理对苎麻生长的影响

Fig. 1 Effect of different Cd concentrations on

growth of ramie

1026 热带作物学报 第 43 卷

2.2 镉胁迫对苎麻镉含量、镉积累量和转运系

数的影响

随着镉处理浓度的上升，苎麻地上部与地下

部镉含量显著上升，50 mg/L 镉处理的地上部与

地下部镉含量达到最高，分别为 38.79 mg/kg 和

69.04 mg/kg，且各处理下地下部含量均高于地上

部。25 mg/L 和 50 mg/L 镉处理的地上部镉含量较

5 mg/L 处理显著上升 126.82%和 204.24%，地下

部镉含量与 5 mg/L 处理相比显著上升了 99.55%

和 213.96%（图 2A）。在 25 mg/L 处理下‘川苎 8

号’植株内镉积累量达到最高，且显著高于其他

处理，5、25、50 mg/L 镉处理的每株地上部镉积

累量分别为 48.69、57.93、39.24 μg，每株地下部

积累量分别为 68.71、81.13、50.57 μg（图 2B）。

各个处理的转运系数均小于 1（图 2C）。

2.3 镉胁迫对苎麻氧化胁迫和抗氧化酶活性的

影响

丙二醛（MDA）作为植物细胞脂质过氧化的

最终产物，可作为植物氧化胁迫程度的指标[17]。

5、25、50 mg/L 镉胁迫下‘川苎 8 号’地上部的

MDA 含量分别较对照显著下降了 14.23%、

10.31%和 57.31%，5 mg/L 镉处理时地下部 MDA

含量达到最高，较对照显著上升 13.99%，后随处

理浓度的上升较对照分别降低 5.20%和 36.69%；

50 mg/L镉处理的地上部与地下部 MDA含量均为

最小值（图 3A）。50 mg/L 镉处理的地上部 H2O2

含量达到最高且显著高于其他水平，较对照显著

上升 30.47%；而 25 mg/L 镉处理的地下部 H2O2

含量显著高于其他处理，较对照显著上升

34.56%，50 mg/L 处理的含量最低，较对照显著

下降 24.13%，各个处理的地下部 H2O2 含量显著

高于地上部（图 3B）。镉胁迫后地上部与地下部

超氧化物歧化酶（SOD）活性显著增加，5、25、

50 mg/L 镉处理下地上部 SOD 活性较对照分别增

加了 89.34%、14.75%和 113.08%，地下部 SOD

活性较对照分别增加了 320.82%、90.30%和

不同小写字母表示处理间差异显著（P<0.05）。

Different lowercase letters indicate significant difference among treatments (P<0.05).

图 2 不同镉浓度处理后苎麻镉含量、积累量、转运系数

Fig. 2 Cd content, accumulation and transport coefficient in ramie treated with different Cd concentrations

不同小写字母表示处理间差异显著（P<0.05）。

Different lowercase letters indicate significant difference among treatments (P<0.05).

图 3 不同镉浓度对苎麻生理指标的影响

Fig. 3 Effects of different Cd concentrations on physiological indexes of ramie

第 5 期 全芮萍等：抗氧化酶和植物螯合肽对苎麻重金属 Cd 胁迫的应答 1027

64.41%；5 mg/L 和 25 mg/L 镉处理的地下部 SOD

活性高于地上部，50 mg/L 镉处理的地上部 SOD

活性显著高于地下部（图 3C）。

2.4 镉胁迫对苎麻植物螯合肽（PCs）和谷胱

甘肽（GSH）含量的影响

5 mg/L 镉处理时‘川苎 8 号’地上部 PCs 含

量较对照下降 10.05%，25 mg/L 和 50 mg/L 镉处

理较对照分别增加了 5.08%和 2.06%；5、25、

50 mg/L 镉处理下地下部 PCs 含量分别较对照下

降了 22.25%、13.12%和 0.57%（图 4A）。5 mg/L

镉处理时地上部 GSH 含量较对照显著增加

16.08%，25 mg/L 和 50 mg/L 镉处理时分别较对

照下降 12.69%和 42.71%；在 5 mg/L 和 25 mg/L

处理时地下部 GSH 含量分别较对照显著下降

12.39 %和 27.75%（图 4B）。‘川苎 8 号’地上部

PCs 和 GSH 含量均显著高于地下部，植株 PCs 含

量显著高于 GSH 含量。

不同小写字母表示处理间差异显著（P<0.05）。

Different lowercase letters indicate significant difference

among treatments (P<0.05).

图 4 不同镉浓度对苎麻 PCs、GSH 含量的影响

Fig. 4 Effects of different Cd concentrations on the PCs

and GSH content in ramie

2.5 镉胁迫对 BnPCS1 和 BnGCL1 的相对表

达量的影响

植物螯合肽合酶（PCS）是控制植物螯合肽

（PCs）合成的关键酶。5 mg/L 镉处理时‘川苎 8

号’地上部的 BnPCS1 相对表达量达到最高，较

对照显著增加了 30.47%，25 mg/L 镉处理时最低，

较对照显著降低了 37.59%；地下部的 BnPCS1 相

对表达量随镉浓度的增加显著下降，5、25、50

mg/L 各处理的表达量分别较对照下降了 35.05%、

60.95%和 71.19%（图 5A），各处理的地下部

BnPCS1 相对表达量均高于地上部。γ-谷氨酸半胱

氨酸连接酶（GCL）是谷胱甘肽（GSH）合成途

径的限速酶，GCL 通常决定细胞 GSH 水平和 GSH

的生物合成能力。，5、25、50 mg/L 镉处理下‘川

苎 8 号’地上部的 BnGCL1 相对表达量分别较对

照减少了 53.50%、20.63%和 5.79%，地下部的

BnGCL1 表达量分别较对照减少了 56.23%、

62.47%和 68.14%（图 5B）。

不同小写字母表示处理间差异显著（P<0.05）。

Different lowercase letters indicate significant difference among

treatments (P<0.05).

图 5 不同镉浓度处理苎麻 BnPCS1、BnGCL1 相对表达量

Fig. 5 Relative expression of BnPCS1 and BnGCL1 in

ramie treated with different Cd concentrations

1028 热带作物学报 第 43 卷

2.6 镉胁迫下镉含量与生理指标及相关基因

表达量的相关性分析

低浓度（5 mg/L）处理的地上部、地下部 SOD

活性均与镉含量呈极显著正相关（P<0.01）；高浓

度（25 mg/L 和 50 mg/L）下，地上部 SOD 活性

与镉含量呈极显著正相关（P<0.01），地下部 SOD

活性与镉含量呈极显著负相关（P<0.01）。H2O2

与镉含量的相关性和 SOD 活性一致。各个浓度处

理下地上部 BnPCS1 的相对表达量均与镉含量呈

极显著正相关（P<0.01），地下部的 BnPCS1 相对

表达量与镉含量呈显著负相关（P<0.01）；在高浓

度下地上部的 BnGCL1 相对表达量与镉含量呈正

相关（P<0.01）（图 6）。

3 讨论

镉作为植物非必需金属元素，当植物组织镉

含量超过 5~10 μg/g 时，对植物造成毒害作用，影

响植株的生长[18]，其具体表现为植株矮小、生物

量减少等[19-20]。本研究中，5 mg/L 镉处理提高了

苎麻的株高、根长与生物量，25 mg/L 和 50 mg/L

镉处理下苎麻株高、根长与生物量显著降低，但

叶片始终保持绿色。‘川苎 8 号’地下部与地上部

镉含量随镉浓度的上升逐渐增加，且地下部镉含

量始终高于地上部镉含量，各浓度处理下转运系

数均小于 1，这与猕猴桃[21]、葡萄[22]、山定子[23]

的分布规律一致，表明‘川苎 8 号’主要通过根

部积累镉，根对镉有较强的滞留作用，可限制镉

从根系向地上部迁移，减少对地上部光合系统的

损伤。

植物在正常条件下能够有效地清除体内的活

性氧自由基（ROS）使细胞免受伤害，但在重金

属镉毒害胁迫下，植物体内的 ROS 产生速度超过

植物清除ROS的速度，造成ROS在细胞中积累[24]，

产生丙二醛（MDA）等产物并造成 DNA 和蛋白

质损伤以及细胞脂质过氧化[25]。在本研究中，除

地下部 MDA 活性在 5 mg/L 处理时出现小幅上升

外，其余均低于对照，说明‘川苎 8 号’在镉胁

迫下受到的氧化伤害较小，细胞膜的稳定性和功

能的完整性没有受到较大损害。本研究中，镉处

理下‘川苎 8 号’体内超氧化物歧化酶（SOD）

活性均高于对照，低浓度（5 mg/L）处理下 SOD

活性与镉含量在地上部、地下部位均呈极显著正

相关（P<0.01），高浓度下（25 mg/L 和 50 mg/L），

地上部 SOD 活性与镉含量呈极显著正相关

（P<0.01），地下部 SOD 活性与镉含量呈极显著

负相关（P<0.01）。低浓度镉处理时‘川苎 8 号’

A：5 mg/L，地上部；B：5 mg/L，地下部；C：25 mg/L 和 50 mg/L，地上部；D：25 mg/L 和 50 mg/L，地下部。

A: 5 mg/L, aboveground; B: 5 mg/L, underground; C: 25 mg/L and 50 mg/L, aboveground; D: 25 mg/L and 50 mg/L, underground.

图 6 镉含量与生理指标及相关基因表达量的相关性分析

Fig. 6 Correlation analysis of Cd content with physiological indexes and related gene expression

第 5 期 全芮萍等：抗氧化酶和植物螯合肽对苎麻重金属 Cd 胁迫的应答 1029

通过提高体内 SOD 活性将有害的 O2

–

·转化为 H2O2

和 O2，能有效清除过量的活性氧，以保持细胞内

抗氧化酶系统的平衡，减轻脂质过氧化程度与过

氧化胁迫，这也从侧面解释了‘川苎 8 号’体内

H2O2 含量上升的原因。高浓度镉处理时地下部

SOD 活性降低，但是植物氧化胁迫程度的指标

MDA 含量并没有增加，说明除了抗氧化酶，‘川

苎 8 号’存在其他的解毒途径防止植株遭受氧化

伤害。

除抗氧化酶外，植物应对重金属胁迫的另一

个策略是在细胞内合成巯基化合物（GSH 和 PCs

等多肽物质）螯合重金属，减轻游离重金属离子

对细胞的毒害。PCs 是一类结构特殊的金属巯蛋

白，是以 GSH 为底物的生物合成的酶促产物。

GSH 作为 PCs 的前体，由 γ-谷氨酸半胱氨酸连接

酶（GCL）和谷胱甘肽合成酶（GS）通过 ATP 催

化合成，合成过程中由多种因素调节，主要以 GCL

的调节为主[26]。孙琴等[27]研究发现小麦根系 GSH

含量随 Cd 浓度的增加而上升。ZHAO 等[28]发现

Pb 胁迫下矿区生态型华中盖蹄蕨根和叶中的

GSH 含量均显著升高。同时有研究认为，GSH 和

PCs 在植物不同部位承担着重金属解毒功能，PCs

主要在根部，而 GSH 则在叶片的解毒上有更显著

的作用[29]。另外，近年来研究发现植物根系通过

减少植株 PCs 的合成来减少镉向地上部的运输，

从而降低镉对叶片等器官的毒害，增强作物耐镉

性能[30]。本研究中，5 mg/L 镉处理的地上部和地

下部 PCs 含量下降，50 mg/L 镉处理时升高，与

李雪玲[31]的研究结果相似，说明高浓度下进入细

胞的大量 Cd 激活了 PCs 合成酶，进而促进了 PCs

的合成，也导致底物 GSH 含量持续减少。

镉处理下刚毛柽柳[32]叶片 ThPCS1 基因与苜

蓿[33]根和茎尖 MsPCS1 基因表达下调，推测可能

与 PCS 在植株不同部位发挥耐镉作用有关。本研

究中，5 mg/L 镉处理的地上部 BnPCS1 基因上调

表达，其余处理的相对表达量均下调，在各个浓

度处理的地上部 BnPCS1 基因相对表达量均与镉

含量呈极显著正相关（P<0.01），地下部 BnPCS1

相对表达量与镉含量呈极显著负相关（P<0.01），

进一步说明 PCs 在地上部和地下部承担着不同的

解毒作用；高浓度镉处理的地上部 BnGCL1 相对

表达量与镉含量呈极显著正相关（P<0.01），地下

部 BnGCL1 相对表达量与镉含量呈极显著负相关

（P<0.01），说明 GSH 在地上部和地下部的解毒

作用也不相同。综合分析得出，‘川苎 8 号’在低

浓度镉胁迫时主要通过激活抗氧化酶活性消除细

胞中自由基的毒害，高浓度镉胁迫时通过调节抗

氧化酶活性和 PCs 与 GSH 合成解除镉的毒害。

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热带作物学报 2022, 43(5): 10321044

Chinese Journal of Tropical Crops

收稿日期 2021-09-09；修回日期 2022-01-04

基金项目 国家自然科学基金项目（No. 31672239）；国家重点基础研究发展计划（973 计划）（No. 2015CB150503）；攀枝花芒

果有机肥应用与提质增效项目（No. RH2000003385）。

作者简介 周维杰（1994—），男，硕士，研究方向：热带经济作物施肥管理。*通信作者（Corresponding author）：李婷玉（LI Tingyu）

E-mail：lity@hainanu.edu.cn。

协同作物提质增效和土壤地力提升的最佳氮素有机替代比例

探索——以攀枝花芒果为例

周维杰1

，李钟淏1

，李婷玉1*，巫和义2

，刘 斌3

，高 伟1

，阮云泽1

1. 海南大学热带作物学院，海南海口 570228；2. 攀枝花市农业农村局，四川攀枝花 617000；3. 攀枝花市农林科学研究

院，四川攀枝花 617000

摘 要：晚熟芒果是攀枝花市重要的支柱产业，但近年由于生产中重化肥轻有机肥，导致果园质量退化，酸化现象严

重、芒果品质下降。在前期研究和调研的基础上，根据攀枝花晚熟芒果及果园土壤的特点，选择了低、中、高 3 个肥

力等级的芒果园，通过两年田间试验探索了晚熟芒果在不同氮素有机替代比例及优化施肥技术的作物产量、品质及土

壤地力提升效果。结果表明：1）总体来说，当氮素有机替代比例为 40%时，所有果园芒果产量和果实品质最佳，产量

和氮肥偏生产力显著高于传统、氮磷钾优化及 100%全量替代处理，Vc 含量显著高于其他处理。而替代比例为 100%时，

低肥力和高肥力果园产量显著下降，氮肥偏生产力显著低于其他替代比例处理，同时会导致土壤磷养分的过量累积。2）

随着替代比例的升高，土壤有机质含量增加，土壤 pH 增加。通过主成分分析得出，各处理的土壤地力水平，随着有机

替代的比例增加而逐渐增加，替代比例为 100%时，综合得分最高，其次是部分替代处理，传统施肥和优化施肥处理低

于有机替代处理。3）综合作物产量、品质及土壤地力，不同土壤肥力下最佳的有机替代比例不同，低肥力和高肥力土

壤短期内有机替代比例不宜较高，否则产量显著下降。通过芒果的产量、品质、土壤地力水平等因素综合分析，攀枝

花晚熟‘凯特’芒果最优氮素有机替代比例为 40%，替代比例过低无法有效提高土壤地力并改善作物品质，而替代比

例过高容易导致养分供给不足，作物减产，特别是在土壤养分含量及有机质较低的低肥力果园，由于土壤保肥能力低，

须在增施有机肥的同时保证充足的无机养分供应，着重碳氮协同优化。

关键词：芒果；有机氮素；无机氮素；果实产量；果实品质；土壤地力

中图分类号：S667.7 文献标识码：A

Optimal Nitrogen Organic Replacement Ratio for Synergistic Crop

Quality and Efficiency Enhancement and Soil Fertility EnhancementTaking Panzhihua Mango as an Example

ZHOU Weijie1

, LI Zhonghao1

, LI Tingyu1*, WU Heyi2

, LIU Bin3

, GAO Wei1

, RUAN Yunze1

1. College of Tropical Crops, Hainan University, Haikou, Hainan 570228, China; 2. Bureau of Agriculture and Rural Affairs, Panzhihua, Sichuan 617000, China; 3. Institute of Agriculture and Forestry Science, Panzhihua, Sichuan 617000, China

Abstract: Late-ripening mango is an important pillar industry in Panzhihua. In recent years, due to heavy chemical fertilizer application and light organic fertilizer application, the orchard quality degrades, acidification phenomenon is

serious and mango quality declines. In this paper, on the basis of research and investigation, according to the characteristics of the mature mango orchard soil in Panzhihua, low, medium and high fertility level of mango orchards were

treated with different nitrogen organic replacement ratio for two years to optimize the fertilization technology for crop

yield, quality and soil fertility promotion effect. In general, the fruit yield and fruit quality were the best in all orchards

第 5 期 周维杰等：协同作物提质增效和土壤地力提升的最佳氮素有机替代比例探索——以攀枝花芒果为例 1033

when the nitrogen organic replacement ratio was 40%, significantly higher than those of traditional, NPK optimization

and 100% total replacement treatments, and the Vc content was significantly higher than those in other treatments.

When the replacement ratio was 100%, the yield of low-fertility orchards and high-fertility orchards decreased significantly, and nitrogen partial productivity was significantly lower than that of other replacement ratios, which also resulted in excessive accumulation of soil phosphorus. Soil organic matter content and soil pH increased with the increase

of substitution ratio. Through principal component analysis, the soil fertility level of each treatment increased gradually

with the increase of the proportion of organic replacement. When the proportion of organic replacement was 100%, the

comprehensive score was the highest, followed by the partial replacement, and the traditional and optimized fertilization

treatments were lower than than those of the organic replacement treatments. Considering crop yield, quality and soil

fertility, the optimal ratio of organic replacement was different under different soil fertility. Low and high fertility soil

should not have a high ratio of organic replacement in the short term, otherwise the yield would decrease significantly.

By yield, quality, comprehensive analysis of the factors such as soil fertility levels, the organic replacement ratio of

Panzhihua late ‘Keitt’ mango is 40%, too low organic replacement ratio can’t effectively improve the soil fertility and

improve fruit quality, and high replacement ratio can easily lead to crop failures in nutrient supply, especially in orchards of low content of soil nutrients and organic matter. Due to the low capacity of soil fertilizer conservation, it is

necessary to ensure sufficient inorganic nutrient supply while increasing organic fertilizer application, and emphasizing

the coordinated optimization of carbon and nitrogen.

Keywords: mango; organic nitrogen; inorganic nitrogen; fruit yield; fruit quality; soil fertility

DOI: 10.3969/j.issn.1000-2561.2022.05.018

四川省攀枝花市地处南亚干热河谷气候带，

该地区种植的芒果具有纤维少、味甜芳香，质地

腻滑、营养丰富等优良品质，占据国内 100%的晚

熟芒果市场，被国家列为重点扶持发展的优质农

产品生产基地[1-2]。截至 2016 年底，全市芒果种

植面积约 3.2 万 hm2

，产量 12.5 万 t

[3]，2020 年种

植面积超过 4.0 万 hm2

，其中超过 70%的果园种

植品种为‘凯特’（Keitt）[4]，该品种原产于美国

佛罗里达州，1995 年通过以色列专家引入攀西地

区试种，该品种果实大、产量高、生长快、坐果

率高，是最重要的栽培品种。

通过在前期实地调研的结果数据显示：目前

攀西芒果生产过程中高强度施用化肥现象严重，

如 56%的农户每年氮肥投入量超过 309 kg/hm2

，

56%的农户每年氮素盈余超过 161 kg/hm2

。商品

有机肥使用率低于 55%，18%的农户不施用有机

肥，或在施用有机肥后不会减少化肥的使用量，

缺乏养分总量调控的意识。重施化肥、轻施甚至

不施有机肥导致芒果园土壤肥力下降，产量不稳

定，作物品质下滑，严重制约了攀枝花芒果产业

的发展。目前超过 80%的果园土壤有机质含量低

于 2.0%，高肥力果园占比不足 20%。而全国农产

品品质突出的果园基地，其土壤有机质多在 2.0%

以上[4-6]，且施用有机肥替代比例也超过年均施肥

总量的 20%。因此，亟需针对本地土壤和作物养

分需求规律，建立有机肥替代化肥的施肥技术体

系，指导果农合理施肥，促进攀西晚熟‘凯特’

芒果产业可持续发展。

施用有机肥能显著改善土壤结构、增加有机

质含量并补充有机氮素营养和植物所需的活性物

质，促进植物对养分和水分的吸收，从而改善土

壤地力和作物品质[7-13]。但有机肥替代比例对作

物产量有较大影响，研究表明，在有机肥全量替

代情况下，作物产量会减少 5%~34%，同时产量

稳定性较差[14]，而有机无机互作即部分替代无机

可以达到比单独施有机或者无机更好的效果，且

在一定的替代比例时作物氮素利用效率最高[15]。

此外，土壤条件如土壤养分和有机质含量等都会影

响有机肥替代的施用效果，需因地制宜地设计有机

肥施用方案，才能达到作物提质增效的目标[16-19]。

目前，有机肥的精准化施用养分管理的难点

也是未来重要的突破方向。本研究以攀枝花晚熟

‘凯特’芒果为研究对象，在攀枝花市的盐边县、

米易县、仁和区开展了不同氮素有机替代比例对

芒果产量、品质和土壤地力的综合影响，以期为

芒果实际生产上的提质增效、有机肥精准管理以

及化肥减施提供可靠的科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

实验连续开展两年（2018 年 9 月至 2020 年

12 月），以四川省攀枝花市芒果主产区 3 个代表

1034 热带作物学报 第 43 卷

不同土壤地力的果园为试验点，包括二十六度果

园（26°28'54"N，101°46'32"E，海拔 1308 m）、沃

尔森庄园（26°42'37"N，101°48'30"E，海拔 1262 m）

和苏国虎基地（26°49'90"N，102°08'13"E，海拔

1518 m），见图 1。年平均日照时数 2762.7 h，年

平均气温 21.2℃，最热月平均气温 26.4℃（5 月），

最冷月平均气温 13.1℃（12 月），年平均降水量

714.8 mm，6—10 月降水占全年的 90.1%，年平

均相对湿度 54%[20]。

3 个试验点供试土壤属性见表 1，在四川省攀

枝花市芒果种植区域内，挑选 3 个种植基地，挑

选标准为 3 个基地土壤肥力存在明显的梯度差

异，其中仁和区二十六度果园为低肥力果园，土

壤有机质含量 11 g/kg，全氮含量为 0.59 g/kg；攀

枝花市盐边县沃尔森庄园为中等肥力果园，土壤

有机质含量 14 g/kg，全氮含量为 0.71 g/kg；攀枝

花市米易县苏国虎基地为高肥力果园，土壤有机

质含量 23 g/kg，全氮含量为 1.15 g/kg。

图 1 田间试验田的点位分布情况

Fig. 1 Distribution of point locations in experiment

field sites

表 1 田间试验田实验前土壤理化性质

Tab. 1 Physical and chemical properties of soil before field experiment

试验田

Experimental field pH 有机质 OM

/(g·kg‒1

)

全氮 N

/(g·kg‒1

)

碱解氮 AN

/(mg·kg‒1

)

速效磷 AP

/(mg·kg‒1

)

速效钾 AK

/(mg·kg‒1

)

有效硼 AB

/(mg·kg‒1

)

交换性钙

ECa

/(mg·kg‒1

)

交换性镁

EMg

/(mg·kg‒1

)

肥力

Fertility

二十六度果园 6.81 11.80 0.59 37.80 39.90 98.27 0.37 5302.50 339.58 低

沃尔森农庄 7.00 14.28 0.71 94.96 27.64 151.97 0.15 2078.24 639.97 中

苏国虎基地 5.20 23.05 1.15 83.15 19.28 172.79 0.57 988.90 126.90 高

1.2 材料

1.2.1 供试芒果树 芒果品种为‘凯特’，属

于攀西晚熟品种，树龄在 10~15 年，种植密度

825 株/hm2

。

1.2.2 供试肥料 本试验施用的肥料种类：供试

的化肥，氮肥为尿素（N 46%）、磷肥为过磷酸钙

（P2O5 12%）、钾肥为硫酸钾（K2O 60%），由四

川龙蟒大地农业有限公司生产提供。供试有机肥

为鸡粪商品有机肥（N 3.0%，P2O5 1.8%，K2O 1%，

有机质 45%，pH 7.58），由攀枝花立新养殖开发

有限公司生产提供。

1.3 实验设计

试验共设置 6 个处理，各处理及肥料用量见

表 2。Conv.为农民常规施肥处理：株施 15∶15∶

15 的氮磷钾复合肥 2.5 kg，总氮和磷钾等大量元

素投入量均为 374.6 g/株（309 kg/hm2

）；NPKopt.

为试验优化配方肥处理：株施 20∶5∶25 的氮磷

钾配方肥 1.6 kg ，总氮用量为 320 g/ 株

（264 kg/hm2

），磷（P2O5）、钾（K2O）用量分别

为 80.0 g/ 株 （ 66 kg/hm2 ） 和 400.0 g/ 株

（330 kg/hm2

）；20%M、40%M 和 100%M 三个处

理是在 NPKopt.处理基础上进行不同程度的等氮

有机替代处理，其中，20%M 和 40%M 的磷钾用

量与试验优化配方肥处理相同，100%M 的磷钾用

量分别为 138.1 g/株（113.9 kg/hm2

）和 400 g/株

（330 kg/hm2

），CK 为肥料空白处理。

试验基地种植密度为 3 m×4 m，每 666.7 m2

种植 55 株，小区总面积 648 m2

，每个小区选 18

株，每个处理共 3 次重复，试验符合随机分布，

试验区外设置保护行。有机肥全部作为基肥，在

芒果摘果期（摘果后、修枝前，一般是指摘果后

的 2 个月以内）一次性施入，施肥方式为树冠滴

水线，挖 20~30 cm 深环状沟施肥。无机肥料在芒

果摘果期的基肥、抽梢期的花肥和挂果期的果肥

按照 5∶3∶2 比例分 3 次施入。2018 年和 2019

年两年均为同样处理施肥。

第 5 期 周维杰等：协同作物提质增效和土壤地力提升的最佳氮素有机替代比例探索——以攀枝花芒果为例 1035

表 2 各处理肥料施用量

Tab. 2 Amount of fertilizer applied to each treatment kg/hm2

有机养分

Organic nutrients

无机养分

Inorganic nutrients

基肥

Base fertilizer

花肥

Flower fertilizer

果肥

Fruit fertilizer

总氮 处理 Total nitrogen Treatment

N P2O5 K2O N P2O5 K2O N1 N2 N3 N total

CK 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Conv. 0 0 0 309 309 309 154.5 92.7 61.8 309

NPKopt. 0 0 0 264 66 330 132 79.2 52.8 264

20%M 52.8 22.8 16.5 211.2 43.2 313.5 132 79.2 52.8 264

40%M 105.6 45.6 33.0 158.4 20.4 297.0 132 79.2 52.8 264

100%M 264.0 113.9 82.5 0 0 247.5 132 79.2 52.8 264

1.4 评价指标及方法

本研究针对作物产量和品质、养分利用效率

及土壤地力对不同优化处理施用效果及差异开展

综合性评价。其中作物产量指作物成熟期收获的

鲜果实际产量（剔除不可食用的劣果），作物品质

包括糖度、有机酸、可食率、维生素 C 含量、含

水率等；养分利用效率采用氮肥偏生产力指标来

评估，土壤地力评价指标包括有机质（OM）、全

氮（N）、碱解氮（AN）、速效磷（AP）、速效钾

（AK）、交换性钙（ECa）、交换性镁（EMg）、有

效硼（AB）、细菌（B）、真菌（F）、细菌真菌比

值（B/F）。

1.4.1 作物产量和品质的测定 作物产量：2019

—2020 年芒果成熟期时，分别对 3 个果园的所有

处理和小区进行整株摘果测产，测每株芒果果实

数量和质量，以及最大和最小单果重，记录商品率。

作物品质：每株选取东、南、西、北及树冠

中部 5 个方位 9 个无明显病变、大小和成熟度一

致的果实进行芒果品质的测定。可溶性固形物测

定，将芒果果肉粉碎搅匀后使用糖度计（LB32T）

测量。可食率测定，将芒果果实的果皮、果核、

果肉分开并测量这三部分的质量。含水率测定，

测出芒果鲜果质量以及烘干后的质量而得到。总

酸和 Vc 的测定参照《土壤农化分析》[21]。

1.4.2 土壤质量指标及测定方法 土壤样品采

集：在芒果成熟期采集土样。每个处理选取 3 株

芒果树，用土钻于树冠滴水线附近随机选取 3 点

钻取距地表 0~40 cm 耕作层土壤，3 个土混成一

个样，每个处理分 3 个重复，剔除石砾、树枝、

枯草等杂物后过 2 mm 筛，部分样品置于 4℃下保

存备用供于土壤微生物测定，部分样品风干后用

于土壤化学特性的测定。土壤可培养细菌及真菌

的数量均通过稀释涂布法测定[22]。土壤理化性质

测定方法参照《土壤农化分析》[21]。测定指标包

括土壤 pH、有机质含量、碱解氮、速效磷、速效

钾、交换性钙镁。

1.4.3 微生物培养基配方 LB 培养基（1L）：酵

母粉 10 g、蛋白胨 20 g、琼脂 20 g、NaCl 20 g，

并用NaOH将pH调至7.0，121℃高压灭菌20 min。

马丁氏培养基（1L）：蛋白胨 5 g、葡萄糖 10 g、

琼脂 20 g、KH2PO4 1.0 g、MgSO4 0.5 g、孟加拉

红 0.033 g、氯霉素 0.1 g，121℃高压灭菌 20 min。

1.4.4 养分利用效率 肥料偏生产力（PFP），指

施用某一特定肥料下作物产量与施肥量的比值，

它是反映当地土壤基础养分水平和化肥施用效应

的重要指标。

氮肥偏生产力[23-24]=施氮产量/施氮量。

试验数据使用 IBM Statistics SPSS 25.0 软件

进行分析。其中显著性分析采用单因素方差分析，

多重比较采用 LSD（P<0.05）[25]；聚类分析采用

系统聚类分析；主成分分析（PCA），先对数据进

行标准化，然后使用因子分析，经过计算得到相

关坐标和主成分得分。试验数据处理和图表使用

Excel 2016 软件、Origin 2018 软件和 Arc Map 10.5

软件。

2 结果与分析

2.1 不同土壤肥力下不同施肥处理对芒果产

量及养分利用效率的影响

不同土壤肥力下各处理对芒果产量的影响如

图 2 所示，施肥能显著增加不同肥力果园的产量，

且土壤肥力越高，有机无机配合施用后的产量增

幅越大。低、中、高肥力果园年平均产量分别为

28.4、32.5、37.7 kg/株。3 个果园均在有机替代比

例 40%时，芒果产量增幅最大，此时低、中、高

肥力果园年平均产量较农户常规施肥分别增加

1036 热带作物学报 第 43 卷

不同小写字母表示处理间差异显著（P<0.05）。

Different lowercase letters indicate significant difference among treatments (P<0.05).

图 2 不同土壤肥力下各处理的芒果产量

Fig. 2 Mango yield under different soil fertility treatment

76.6%、89.3%、65.1%。当替代比例为 100%时，

芒果产量最低，其中低肥力果园年平均产量较农

户常规施肥仅增加 1.5%，高肥力果园不增反减，

其年平均产量较农户常规施肥降低 19.4%，这主

要由于以缓效形态为主的有机氮素养分有效性

低，在一定程度上限制了当季作物对养分的充分

利用，导致在 100%有机替代时作物减产，尤其在

供氮能力较低的低肥力果园和产量较高、需肥较

高的高肥力果园上表现尤为明显。

不同土壤肥力下各处理对氮肥偏生产力的影

响如图 3 所示，相同的施肥处理在不同土壤肥力

下，土壤肥力越高的氮肥偏生产力越高，且土壤

肥力越高，有机无机配合施用后的氮肥偏生产力

增幅越大。低、中、高肥力果园年平均氮肥偏生

产力分别为 89.9、105.3、124.5。3 个果园均在有

机替代比例 40%时氮肥偏生产力增幅最大，此时

低、中、高肥力果园年平均氮肥偏生产力较农户

常规施肥分别增加 106.7%、121.6%、93.2%，中

肥力果园年平均氮肥偏生产力增幅最大。当替代

比例为 100%时年平均氮肥偏生产力最低，此时低

肥力果园和高肥力果园降幅最大，中肥力果园降

幅最小。

不同小写字母表示处理间差异显著（P<0.05）。

Different lowercase letters indicate significant difference among treatments (P<0.05).

图 3 不同土壤肥力下各处理的氮肥偏生产力

Fig. 3 Partial yield of nitrogen under different soil fertility treatment

通过对连续两年的数据分析发现，低肥力果

园，第 1 年不同施肥处理间芒果产量和氮肥偏生

产力无显著差异，第 2 年不同施肥处理间开始出

现显著差异，在有机替代比例 40%时芒果产量和

氮肥偏生产力显著高于其他处理；中肥力果园表

现稳定，芒果产量和氮肥偏生产力在不同施肥处

理下，连续 2 年差异性表现一致，在有机替代比

例 40%时芒果产量和氮肥偏生产力最高；高肥力

果园各处理间差异较大，且第 2 年比第 1 年的差

异更大，在有机替代比例 40%时，芒果产量和氮

第 5 期 周维杰等：协同作物提质增效和土壤地力提升的最佳氮素有机替代比例探索——以攀枝花芒果为例 1037

肥偏生产力最高。在不同土壤肥力下，40%的有

机替代比例均可显著增加芒果产量和养分利用效

率（氮肥偏生产力）。

2.2 不同氮素有机替代比例对芒果产量及养

分利用效率的影响

有机无机配合施用的情况下施氮量减少

45 kg/hm2

，芒果产量反而显著增加，但不同有机

替代比例下芒果的产量水平不同，其中 40%有机

替代比例下作物产量、果实数量最高。如表 3 所

示，综合所有果园两年试验结果，20%和 40%的

有机肥替代处理均能提高芒果的产量和个数，而替

代比例为 100%时，芒果产量和数量显著下降。芒

果产量显著性差异从高到低依次为 40%M、20%M>

NPKopt.、100%M>Conv.。芒果数量显著性差异

从高到底依次为 40%M >20%M、Conv.、NPKopt.、

100%M。40%的有机替代处理较农户习惯和氮磷

钾优化处理果实产量分别增加 75.3%、45.0%，较

20%和 100%有机替代处理增加产量 23.3%和

55.1%。果实数量中 40%有机替代处理较传统处

理和氮磷钾优化处理果实数量分别增加 76.8%、

和 46.8%，较 20%和 100%有机替代处理果实数量

增加 34.1%和 55.2%。氮肥偏生产力是反映当地

土壤基础养分水平和氮肥利用情况的有效评价指

标，两年中不同有机替代比例氮肥偏生产力不同，

显著性差异从高到低依次为 40%M>20%M、

NPKopt.、100%M > Conv.。可见，合理的有机加

无机替代施肥模式有利于提高芒果产量及氮肥偏

生产力，而 40%的替代比例最理想。

表 3 不同氮素有机替代比例下的芒果产量及养分利用效率

Tab. 3 Yield and nutrient use efficiency of mango under different nitrogen organic replacement ratio

年份

Year

处理

Treatment

每株产量

Yield per plant/kg

每株果实数量

Number of fruit per plant

氮肥偏生产力

Partial yield of nitrogen

Conv. 26.1±6.4c

34.4±9.6bc 69.7c

NPKopt. 31.7±9.6bc 41.3±12.3bc 99.1bc

20%M 37.7±16.8ab 48.2±26.9ab 117.8ab

40%M 46.0±13.2a

60.1±16.8a

143.9a

100%M 29.1±8.6bc 36.6±14.5bc 91.0bc

2019

CK 22.7±5.8c

27.3±10.3c

Conv. 27.4±6.5cd 35.7±9.8bc 73.3c

NPKopt. 33.0±6.0bc 43.1±8.1b

103.2b

20%M 38.5±11.0b

44.6±13.6b

120.2b

40%M 47.8±11.5a

63.9±14.1a

149.4a

100%M 31.5±7.3bc 43.8±7.4b

98.3bc

2020

CK 22.9±3.4d

31.2±4.8c

注：不同小写字母表示处理间差异显著（P<0.05）。

Note: Different lowercase letters indicate significant difference among treatments (P<0.05).

2.3 不同氮素有机替代比例对芒果品质的影响

不同处理间果实品质如表 4 所示。其中果实

商品率各处理间没有显著性差异，但是可以看到

随着氮素有机替代比例的升高，芒果商品率也有

所提升。Vc 含量中 40%有机替代处理显著高于其

他处理，较传统和氮磷钾优化处理 Vc 含量分别

增加了 34.6%和 33.3%，较 20%和 100%有机替代

处理分别增加 27.3%和 22.6%。糖酸比中有机替

代与传统及氮磷钾优化处理间无显著差异。有机

替代 20%~40%能显著提高芒果可食率、降低含水

量，有机替代 40%能显著提高芒果 Vc 含量，同

时有机替代的 3 个处理均会增加芒果总酸的含

量，降低芒果糖酸比，增加食用风味。

2.4 不同氮素有机替代比例对土壤地力的影响

2.4.1 不同氮素有机肥替代比例对土壤养分和微

生物的影响 土壤是一个由生物和非生物组成的

复杂综合体。土壤地力水平是土壤的本质和属性，

是土壤生产力的主要表征。有机无机氮素配合施

用有利于提高土壤有机质含量，改善土壤微生物

环境及群落结构，进而提升土壤地力水平，但是

单一的评价指标并不能全面体现土壤地力的改

变。本研究综合土壤养分、pH、有机质及生物活

性如微生物数量和结构等指标来反映土壤地力条

件，并采用主成分分析和聚类分析综合评价了不

1038 热带作物学报 第 43 卷

表 4 不同氮素有机替代比例下的芒果品质

Tab. 4 Mango quality under different nitrogen organic replacement ratio

年份 Year 处理 Treatment 商品率 Commodity rate/% 还原性 Vc Reducing Vc/(mg·kg‒1

) 糖酸比 Sugar-acid ratio

2019 Conv. 91.7±6.6a

150.0±9.7c

151.1±6.2ab

NPKopt. 91.3±5.6a

150.8±5.6c

157.4±14.3ab

20%M 91.0±6.6a

158.4±7.5bc 158.9±8.8ab

40%M 92.6±5.2a

200.9±14.1a

143.3±9.8ab

100%M 95.4±4.4a

164.1±14.7b

139.4±42.3b

CK 89.5±6.1a

140.4±2.4d

160.8±5.0a

2020 Conv. 92.2±6.3a

149.9±9.9c

151.2±6.3a

NPKopt. 91.9±5.5a

152.1±6.6c

158.8±13.0a

20%M 91.4±6.6a

158.6±8.2bc 161.3±7.3a

40%M 92.6±5.2a

202.6±14.2a

147.0±9.8a

100%M 95.8±3.9a

165.3±14.7b

143.7±4.5a

CK 91.0±5.2a

139.9±3.1d

161.7±4.8a

注：不同小写字母表示处理间差异显著（P<0.05）。

Note: Different lowercase letters indicate significant difference among treatments (P<0.05).

同处理对以上指标的影响。

不同氮素有机替代比例对土壤养分和微生物

数量的影响如表 5、6 所示。40%和 100%有机替

代处理的土壤有机质含量整体显著高于无机肥料

处理和不施肥处理，但 20%有机替代无法显著提

高土壤有机质含量。土壤 pH 值随着有机替代比

例增加而升高，说明有机肥可有效减缓土壤酸化。

有机替代处理土壤中的可培养细菌和真菌的数量

显著高于无机处理和不施肥处理，且随着替代比

例的增加而升高，同时有机替代也能提高土壤细

菌与真菌的比值。土壤氮磷钾总养分各处理间无

显著差异。

2.4.2 综合评价 通过对 8 个土壤化学性质指标

和 3 种土壤可培养微生物指标组成的土壤生物肥

力指标进行主成分分析，利用主成分评分来表示

不同处理的土壤地力水平综合得分排序。如表 7

所示，主成分 P1 在 pH 值、有机质、速效磷、速

效钾、真菌 6 个指标上有较高的载荷，说明因子

1 主要反映了这 6 个指标的信息，与 pH 值呈负相

关关系；主成分 P2 在碱解氮、交换性镁 2 个指标

上有较高的载荷，说明因子 2 主要反映了这 2 个

指标的信息。根据主成分分析的变换矩阵：

Ai=Pi/λi（A：主成分载荷矩阵，P：因子载荷矩

阵，λ：特征值）。得到特征向量 A 后，将得到的

表 5 不同有机替代比例下的土壤养分情况

Tab. 5 Soil nutrients under different organic replacement ratios mg/kg

年份 Year 处理 Treatment pH 有机质 OM 碱解氮 AN 速效磷 AP 速效钾 AK

2019 Conv. 6.02±0.76a

14.1±4.3c

62.1±24.1a

79.0±56.9a

122.7±32.9a

NPKopt. 6.04±0.76a

14.0±4.6c

61.2±23.6a

73.6±63.3a

125.6 ±33.4a

20%M 6.28±0.81a

16.8±4.9bc 67.5±25.3a

77.4±65.5a

130.3±35.0a

40%M 6.34±0.80a

19.5±5.3ab 75.0±25.5a

79.1±66.6a

133.3±34.4a

100%M 6.41±0.77a

21.9±5.3a

78.2±26.5a

83.0±70.3a

138.9±38.2a

CK 6.06±0.70a

13.8±4.6c

58.1±23.5a

66.6±56.1a

113.2±29.0a

2020 Conv. 6.07±0.76a

14.0±4.5c

62.3±24.2a

79.1±55.5a

122.9±32.9a

NPKopt. 6.11±0.75a

13.8±4.7c

61.4±23.3a

73.4±62.4a

126.0±33.2a

20%M 6.37±0.81a

16.9±4.5bc 67.9±25.3a

77.9±65.1a

130.3±35.0a

40%M 6.41±0.77a

19.8±5.3ab 75.5±25.3a

79.4±66.6a

133.9±34.5a

100%M 6.47±0.75a

22.1±5.9a

79.1±26.0a

83.2±70.2a

139.4±38.3a

CK 6.02±0.69a

13.6±4.5c

57.2±23.3a

66.1±56.0a

112.9±28.9a

注：不同小写字母表示处理间差异显著（P<0.05）。

Note: Different lowercase letters indicate significant difference among treatments (P<0.05).

第 5 期 周维杰等：协同作物提质增效和土壤地力提升的最佳氮素有机替代比例探索——以攀枝花芒果为例 1039

表 6 不同有机替代比例下的土壤微生物数量

Tab. 6 Soil microbial population under different organic replacement ratios

年份

Year

处理

Treatment

细菌数量

Bacterial quantity/(104

CFU·g‒1

)

真菌数量

Fungi quantity/(102 CFU·g‒1

)

细菌真菌比值 B/F

Bacterial fungal ratio

2019 Conv. 331.1±19.3d

226.1±40.4cd 149.4±19.4b

NPKopt. 323.3±17.7d

227.8±35.5cd 144.0±14.9b

20%M 435.6±29.9c

267.2±53.6bc 167.4±28.6ab

40%M 510.6±17.4b

284.4±58.6ab 185.4±37.2a

100%M 563.3±18.5a

326.1±73.1a

179.3±33.8a

CK 287.8±28.2e

197.8±32.2d

147.4±17.8b

2020 Conv. 334.4±18.1d

230.6±39.3cd 147.6±17.7b

NPKopt. 323.9±19.0d

232.8±32.6cd 140.7±13.3b

20%M 438.9±31.7c

270.6±52.7bc 166.2±26.0ab

40%M 514.4±17.2b

287.8±54.5ab 184.2±33.7a

100%M 566.1±16.5a

336.1±73.2a

174.6±32.4a

CK 286.7±30.0e

208.9±46.3d

141.1±23.3b

注：不同小写字母表示处理间差异显著（P<0.05）。

Note: Different lowercase letters indicate significant difference among treatments (P<0.05).

表 7 因子载荷矩阵、累计贡献及特征向量

Tab. 7 Factor load matrix, cumulative contribution

and eigenvector

项目 主成分 P 特征向量 A

Item P1 P2 A1 A2

pH ‒0.848 0.499 ‒0.337 0.316

OM 0.915 0.233 0.363 0.148

AN 0.569 0.738 0.226 0.468

AP 0.951 ‒0.287 0.378 ‒0.182

AK 0.850 0.432 0.338 0.274

ECa ‒0.764 ‒0.304 ‒0.303 ‒0.193

EMg ‒0.608 0.751 ‒0.241 0.476

AB 0.816 ‒0.377 0.324 ‒0.239

B 0.338 0.577 0.134 0.366

F 0.856 0.308 0.340 0.195

B/F ‒0.607 0.382 ‒0.241 0.242

特征值 6.342 2.490

方差贡献率 w 57.654 22.641

累积方差贡献率 57.654 80.295

特征向量与标准化后的数据相乘，得出主成分 F

得分表达式：

F1=‒0.337 zpH+0.363 zOM+0.226 zAN+

0.378 zAP+0.338 zAK‒0.303 zECa‒0.241 zEMg+

0.324 zAB+0.134 zB+0.340 zF‒0.241 zB/F

F2=0.316 zpH+0.148 zOM+0.468 zAN‒0.182

zAP+0.274 zAK‒0.193 zEMg+0.476 zEMg‒0.239

zAB+0.366 zB+0.195 zF+0.242zB/F

式中：zpH~zB/F 为标准化的 pH、有机质、

碱解氮、速效钾、速效磷、交换性钙、交换性镁、

细菌数量、真菌数量、细菌真菌比值。

将各土壤生物肥力指标标准化的数据分别代

入相应的主成分函数表达式中，得到 6 种不同施

肥处理在各自 2 个主成分上的得分情况（图 4）。

结果显示，各施肥处理在以 PC1（PC1 反映的指

标）和 PC2（反映的指标）所代表的土壤地力指

标上，均随着有机替代比例的增加而升高，各施

肥处理土壤地力水平大小依次为 100%M>

40%M>20%M>Conv.≥NPKopt.>CK。在本研究中

具体模型为：F 总= 0.57654 F1+0.22641 F2。结果

显示（图 5），有机肥 100 替代处理土壤的综合得

分（F 总）最大，20%和 40%有机替代处理依次

递减，传统和氮磷钾优化处理相差不大，不施肥

处理最小。

通过计算得出各处理的 F 综合得分，以欧氏

距离为衡量土壤养分差异大小的依据，采用组间

联接法将土壤养分水平的亲疏相似程度进行系统

聚类，通过聚类分析得出的树状图（图 6）可以

看出，不同有机替代比例的处理聚合为一簇，不

施肥或者单施化肥的处理聚合为一簇。在有机替

代的处理中全量替代处理单独为一簇，部分有机

替代处理聚合在一起；在不施肥或者单施化肥的

处理中不施肥的 CK 处理单独为一簇，施用化肥

处理聚合在一起。这与试验不同处理土壤的主成

分分析结果一致。

通过主成分综合得分（图 5）结果和聚类分

析（图 6），按照等距 d = (F 综 max|+|F 综 min|)/4 计算

1040 热带作物学报 第 43 卷

图 4 不同施肥处理土壤在 PC1 和 PC2 的得分分布图

Fig. 4 Distribution of soil scores in PC1 and PC2 under

different fertilization treatments

图 5 不同施肥处理土壤地力水平的主成分综合得分

Fig. 5 Comprehensive scores of principal components of

soil under different fertilization treatments

图 6 不同施肥处理土壤地力水平的聚类分析

Fig. 6 Cluster analysis of soil quality levels under

different fertilization treatments

将土壤地力水平划分为 4 个质量等级。通过计算

得等距 d = 0.395，土壤地力系统划分为如下 4 个

质量等级：一等{100%有机替代处理}，综合得分

范围为（0.505，0.900）；二等{20%和 40%有机替

代处理}，综合得分范围为（0.110，0.505）；三等

{传统和氮磷钾优化处理}，综合得分范围为

（‒0.285，0.110）)；四等{不施肥处理}，综合得

分范围为（‒0.680，‒0.285）。

3 讨论

由于长期过量施用化肥，导致土壤质量退化

和生产能力降低、作物产量和品质下降[26-33]，因

此利用有机无机肥配合施用并优化施肥量和施肥

方式，是指导我国农业生产合理施肥、维持土壤

可持续利用以及农业可持续发展的必然趋势

[17-19]。早在 18 世纪土壤化学研究者就已经发现作

物可以有效利用土壤中有机形态氮素，特别是在

矿化速率很低的自然生态系统中，研究发现氨基

酸态有机氮对植物的氮营养贡献高达 50%以上

（FINZI[34]；NASHOLM[35]；NORDIN[36]）。但

是有机肥分解缓慢长效，单纯施用有机肥并不能

满足作物生长前期的养分需求，且全量替代情况

下会增加作物减产的风险[37]，结合巨晓棠等[38]

合理施氮原则，需要在不同土壤肥力下，探索其

合适的有机替代比例来指导生产。

3.1 氮素有机替代对作物产量和品质的影响

本研究通过田间实地研究发现 40%的氮素有

机替代比例作物增产提质效果最好，与传统处理

和其他有机替代处理相比可以有效增加芒果的产

量 22%~103%，增加果实数量 25%~120%，2019

年平均株产量为 46.1 kg 和 2020 年平均株产量为

47.8 kg，均高于秦达逵等[39]对凯特芒果的平均测

产结果 35.7 kg/株，而替代比例为 100%时，2019

年平均株产量为 29.1 kg 和 2020 年平均株产量为

22.9 kg，均低于平均测产结果，产量显著下降。

尤其是对于低肥力果园，当替代比例为 100%时，

不但没有增产反而造成减产，而高肥力果园替代

比例 100%时相较替代比例 40%时的产量也显著

下降。这一结果与 ZHANG[16]2020 年的研究一致，

该研究发现有机肥替代比例≤40%时作物氮素利

用率最高，增产潜力最大。本试验中，当有机替

代比例为 40%时，氮肥偏生产力显著高于其他处

理，而当有机替代比例为 100%时，氮肥偏生产力

显著低于替代比例 20%和 40%，说明过高的有机

替代比例会降低氮肥的利用效率。

目前很多有机替代无机的研究都是在同一肥

第 5 期 周维杰等：协同作物提质增效和土壤地力提升的最佳氮素有机替代比例探索——以攀枝花芒果为例 1041

力水平下展开的，而在不同肥力水平下，其适宜

的替代比例是否存在差异，即低、中、高肥力的

土壤是否应该采取不同的替代比例，这一类的研

究较少。本研究根据作物需求优化了氮磷钾的施

用量，化肥用量减少 36%，优化后的施肥方案施

氮量为 264 kg/hm2

。研究结果表明，低肥力果园

由于土壤养分和有机质本底值较低，如果直接将

全部的速效无机养分替换成缓释的有机养分，会

导致当季作物养分供应不足，产量下降，固应该

施以适量的化肥保证当季作物的速效养分供给，

然后再增施有机肥，来提升土壤肥力，以保证和

提高芒果产量。对于产量较高的高肥力果园，全

量有机替代同样会大幅度降低芒果产量，可以选

择 20%~40%有机替代无机，来减少化肥的投入

量，同时保证高产并显著提高作物品质如可食率

和还原性 Vc 的含量。但本研究目前仅为两年的

结果，有机肥料长期持续还田的增产、增效和提

质效果有待进一步探究，也有研究指出在高量有

机肥持续还田情况下，作物产量水平并不低于传

统处理[40-45]。这可能由于有机氮素矿化形成的无

机氮素随着施用年限的增加得到累积，显著地提

高了土壤中养分的有效性。

3.2 氮素有机替代对土壤地力的影响

不同地力对优化施肥的响应程度不同，肥力

越高的果园在有机无机配合施用后产量增幅越

高，这与杜盼等[46]研究结果一致。因此对于果园

来说，提升土壤地力水平是非常重要的。施用有

机肥可以有效提高土壤有机质含量，但本研究发

现有机替代比例超过 20%才能显著增加有机质含

量，这与王一鸣等[21]和 GUO 等[47]研究相一致。

此外，有机肥的施用可以缓解土壤酸化，且土壤

pH 随着替代比例的增加而增大，有效缓解土壤酸

化导致的重金属毒害、作物根系发育不良、土壤

微生物多样性下降以及线虫等病害[40-41]。目前不

同类型和替代比例的有机肥施用对改善土壤 pH

的研究缺乏系统性，但已有的研究多次证明了这

一效果，如汪吉东等[48]在水稻土上的研究表明增

施鸡粪可使土壤 pH 及酸碱缓冲容量上升[49]，主要

与土壤盐基累积量及有机质含量的提高有关。

当下的养分管理中，有机肥全量替代化肥并

非最佳方案，一方面会造成作物减产，同时有机

肥全量替代会造成磷素的大量累积和污染[43-45]。

如本研究中有机肥的全量替代，选取的有机肥为

鸡粪，含磷量为 1.8%，当有机肥全量替代时，磷

素养分的投入量高达 113.9 kg/hm2

，是优化施肥磷

投入量的 2 倍，带来磷素的过量盈余，因此有机

肥最适宜的投入比例须根据作物对氮磷养分的需

求规律综合判断。

4 结论

本研究在有机氮肥替代 20%、40%和 100%的

无机氮肥情况下，探索了芒果产量、品质和土壤

地力的改变。主要发现点如下：

1）当替代比例为 40%时芒果产量和果实品质

产量显著高于传统、氮磷钾优化及 100%全量替代

处理，Vc 含量最高。

2）在低、中、高肥力果园上，都是替代比例

为 40%时作物产量最高，同时氮肥偏生产力最高，

当替代比例为 100%时，低肥力和高肥力果园产量

显著下降，氮肥偏生产力显著低于其他替代比例

处理。

3）随着有机替代比例的升高，土壤有机质含

量增加且土壤 pH 升高。但只有替代比例超过 20%

时土壤有机质才得以显著提升。从主成分综合得

分分析，各处理的土壤地力水平随着有机替代的

比例增加而增加，替代比例为 100%时综合得分

最高。

通过对芒果产量、品质、土壤地力水平等因

素综合分析，攀西晚熟凯特芒果最优氮素有机替

代比例为 40%，综合效果显著优于无机肥优化处

理及其他有机替代比例处理，不建议采用全量有

机替代，一方面会导致作物减产，同时作物品质

也不优于部分替代，且容易造成磷素累积和污染。

对于不同肥力果园，低肥力果园由于土壤保肥能

力低，须在增施有机肥的同时保证充足的无机养

分供应，才能保证当季的芒果产量不下降，但随

着土壤地力的提升，或有充足碳源供应时可以适

当增加替代比例。

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Chinese Journal of Tropical Crops

收稿日期 2021-08-09；修回日期 2021-12-06

基金项目 海南省自然科学基金青年基金项目（No. 321QN282）；财政部和农业农村部国家现代农业产业技术体系项目（No.

CARS-31）；中国农业科学院科技创新工程重大科研项目。

作者简介 戎 瑜（1994—），女，硕士，研究实习员，研究方向：农产品营养品质。*通信作者（Corresponding author）：王

明月（WANG Mingyue），E-mail：hkwmy0815@163.com。

基于主成分分析法评价不同产地香牙蕉的营养品质

戎 瑜，王明月*

，吕岱竹，宋 佳，马 晨

中国热带农业科学院分析测试中心/海南省热带果蔬产品质量安全重点实验室，海南海口 571101

摘 要：通过主成分分析和聚类分析 2 种方法对采自 5 个产地的香牙蕉（广西、云南、福建、海南和广东）功能性营

养成分与品质指标进行比较和分析，首先对 5 个产地香牙蕉样品的各营养和感官指标进行相关系数矩阵分析，得到 5

个产地香牙蕉样品分别在 F1 风味和矿物质元素指标（甜度、可溶性固形物、总酸、水分、钾、磷、镁、铜）、F2 维生

素类指标（维生素 B6、烟酸、β-胡萝卜素和多糖）、F3 外观指标（长度和围径）、F4 感官指标（香味、可食率）、F5 功

能性指标（槲皮素、总抗性淀粉）五大主成分上的累计方差贡献率达 78.89%，因此这 5 个因子能够用作分析香牙蕉品

质的主要指标。通过三维散点图和计算综合得分，云南、广东、海南省 3 地香牙蕉样品总体得分居高，结果表明香牙

蕉营养品质较高，而福建省香牙蕉营养品质较低。进一步结合聚类分析的层次聚类和 K-均值聚类 2 种分析方法，与主

成分分析的结果一致，云南省香牙蕉品质最高，其余产地品质分属一类与二类。这可能与各指标差异性分析中的云南

省香牙蕉样品在 β-胡萝卜素、香蕉多糖和矿物质元素等指标上显著高于其他 4 个产区（P<0.05）相关。通过以上不同

方法综合分析，可以得出来自五大产区的香牙蕉样品综合营养品质水平，研究结果为我国香牙蕉的品种培育、产地选

择提供理论依据及参考。

关键词：香牙蕉；营养品质；主成分分析；聚类分析

中图分类号：S668.1 文献标识码：A

Evaluation of Nutrition and Quality of Banana from Different Producing Areas Based on Principal Component Analysis

RONG Yu, WANG Mingyue*

, LYU Daizhu, SONG Jia, MA Chen

Analysis and Testing Center, Chinese Academy of Tropical Agriculture Sciences / Hainan Provincial Key Laboratory of Quality and

Safety for Tropical Fruits and Vegetables, Haikou, Hainan 571101, China

Abstract: In this study, principal component and cluster analysis methods were used to compare and analyze the functional nutritional components and quality indexes of banana samples collected from Guangxi, Yunnan, Fujian, Hainan

and Guangdong in China. Firstly, five principal components were obtained according to the correlation coefficient matrix analysis conducted on nutritional and sensory indexes of banana samples. The five main component factors were

detailed as follows: F1 as the index of flavor and mineral elements (sweetness, soluble solids, total acid, water, potassium, phosphorus, magnesium, copper), F2 as the vitamin index (vitamin B6, niacin, β-carotene, polysaccharides), F3 as

the appearance index (length and diameter), F4 as the sensory index (flavor, edible rate), and F5 as the functional index

(quercetin and total resistant starch), the cumulative variance contribution of the above five principal component factors

reached 78.89%. Therefore, they could be used as the main indexes to analyze banana quality. Through the

three-dimensional scatter plot and the calculation of the comprehensive score, the overall scores of Yunnan, Guangdong

and Hainan were higher than that of Guangxi and Fujian, indicating that the nutrition quality of bananas in the three

places was of superior grade, while the nutrition quality of bananas in Fujian was lower. The results of hierarchical

clustering and K-means clustering were consistent with the results of principal component analysis. The quality of ba-

1046 热带作物学报 第 43 卷

nana in Yunnan was the highest, and the quality of other producing areas belonged to class I and class II. This might be

related to the fact that the contents of β-carotene, banana polysaccharide and mineral elements in banana samples of

Yunnan were significantly higher than those in other four producing areas (P<0.05). Through the comprehensive analysis of the above different methods, the nutrition quality level of banana samples from the five major producing areas

could be obtained, which would provide a theoretical basis and reference significance for the species cultivation and the

selection of the production area of the banana in China.

Keywords: banana; nutrition quality; principal component analysis; clustering analysis

DOI: 10.3969/j.issn.1000-2561.2022.05.019

香牙蕉（Musa AAA Group Cavendish），又名

华蕉，是一类由中国矮脚蕉变种而来的品种，香

牙蕉种植面积约占 86%，为我国栽培面积最大的

香蕉主栽品种[1]。香蕉是世界上的重要水果，主

要栽种于热带、亚热带地区。我国是世界香蕉生

产和消费大国，香蕉产业是我国热带、亚热带地

区的农业支柱产业之一，据统计数据显示，2020

年五大产区（广东、广西、云南、海南、福建）

的香蕉总产量可达 1100 万 t，位居世界第二，产

值超过 300 亿元[2]。其中广东产量占 38.53%，位

居第一；其次是广西和云南，分别占 26.54%和

19.17%；海南、福建分别位居第四、第五，产量

分别占 12.33%和 3.46%。我国生产的香蕉主要以

鲜食蕉为主[3]。

香蕉果肉含丰富的营养能量物质，其中碳水

化合物 20%，蛋白质 1.2%，脂肪 0.6%，还含有

钙、铁、磷等矿物质、微量元素及维生素[4]。基

于不同产地的香蕉样本，研究其内在营养品质与

感官等方面的差异十分必要。本文针对五大产区

采集的香牙蕉样品，对各样品营养功能物质（可

溶性固形物、总酸、钾、磷、镁、铜、烟酸、维

生素 B6、β-胡萝卜素、原花青素、香蕉多糖等）

进行测定，并结合单果长、单果围径、果肉质地、

香味等品质指标的感官分析结果，进一步通过主

成分分析和聚类分析方法[5]对不同产区香牙蕉

营养品质差异进行分析和评价。目前已有采用不

同分析方法研究香蕉品质的相关报道，及采用主

成分分析方法对其他果品的营养品质进行解析的

相关研究，然而目前尚无采用主成分分析方法对

香蕉果品进行分析比较的研究。如赵明等[6]采用

顶空固相微萃取结合气相色谱 - 质谱联用

（GC-MS）对 7 个不同品种香蕉果实的香气品质

特征进行了分析，筛选出 48 种挥发性香气物质，

研究结果显示香牙蕉品种的香气物质种类和含量

均高于粉蕉。徐胜涛等[7]研究了不同海拔高度对

香蕉营养品质的影响，发现随海拔高度的增加香

蕉果实中总糖、总酸、可溶性固形物、蛋白质及

维生素 C 的含量均显著提升，而海拔高度对香蕉

感官品质的影响尚无相关研究。张江周等[8]研究

夏季不同采收时间对香蕉果实品质的影响，分别

对断蕾 50、60、70、80 d 后果实可溶性固形物等

品质指标进行了测定，发现采收时间的延迟能够

提高果实重量和可食率，但会降低果实的可溶性

固形物含量、多酚含量和褐变速率等品质指标，

为香蕉的采收及品质提升提供了理论依据。邓英

毅等[9]通过比较 6 个不同香蕉品种采收后的果实

性状和产量等，发现种植于广西的 6 种香蕉品种

中果实综合性状较好的是‘中蕉 4 号’‘桂蕉 6

号’‘中蕉 3 号’和‘中蕉 6 号’，而‘南天黄’

和‘巴西’蕉较差。阴芳冉等[10]基于主成分分析

法对产自河北 3个不同地区的红树莓的营养品质

指标进行了分析，由各营养成分的变异系数及成

分载荷散点图可知，不同产地的营养成分具有显

著差异，根据各产地综合评价得分可以得到 3 个

地区的红树莓样品营养品质排序，为红树莓的品

质分析及不同产地栽培控制提供参考数据。目

前，采用主成分分析法对不同产地香牙蕉营养品

质及感官品质的评价分析研究鲜见报道。本研究

拟通过结合主成分分析和聚类分析方法评价五

大产区香牙蕉营养品质及外在感官品质的差异

性，以期为不同产地香牙蕉品种选育与栽培提供

参考。

1 材料与方法

1.1 材料

分别从广东湛江、云南景洪、云南勐海、云

南红河、云南金平、云南勐腊、广西南宁、广西

扶绥、海南昌江、海南乐东、海南儋州、海南澄

迈、福建漳州不同产地共采集香牙蕉样品 32 份，

所采集香牙蕉样品均为产地基地的种植样本，采

收香牙蕉果实后使用乙烯利催熟后再对各项指标

进行检测[11]。香牙蕉样品来源见表 1。

第 5 期 戎 瑜等：基于主成分分析法评价不同产地香牙蕉的营养品质 1047

表 1 香牙蕉不同产地信息

Tab. 1 Information on different producing areas of banana

序号 No. 来源 Source 数量 Number

1 广东湛江 4

2 云南景洪 1

3 云南勐海 3

4 云南红河 2

5 云南金平 2

6 云南勐腊 1

7 云南红河 1

8 广西南宁 4

9 广西扶绥 2

10 海南昌江 1

11 海南乐东 1

12 海南儋州 3

13 海南澄迈 2

14 福建漳州 2

15 福建福州 3

维生素 C（抗坏血酸）、维生素 B6、β-胡萝

卜素及槲皮素等标准样品均购于 Sigma-Aldrich

公司。

1.2 方法

1.2.1 单果重、长度、围径、果肉质地、香味和

甜度等感官指标测定 设置参加感官评价的人员

共 26 人，分为 2 组，各组人数 13 人，依次通过

视觉、嗅觉、味觉感觉器官[12]评定不同产地的香

牙蕉样品品质。对围径大小进行测定，以及对果

实形状、果肉颜色、果肉风味和质地等进行感官

分析评价。

1.2.2 可溶性固形物、水分、总酸含量测定 香

蕉样品用搅拌机研磨成匀浆状，取少量匀浆液经

过滤后利用手持式折光仪测定并记录 Brix 值，参

照行业标准 NY/T 2637—2014《水果和蔬菜可溶

性固形物含量的测定 折射仪法》测定；水分测

定参照 GB 5009.3—2016《食品安全国家标准食品

中水分的测定》方法测定；总酸测定参照 GB/T

12456—2008《食品中总酸的测定》方法测定。

1.2.3 维生素和矿物质元素含量测定 维生素

B6 的测定参照 GB 5009.154—2016《食品安全国

家标准食品中维生素 B6 的测定》中的 HPLC 法进

行测定；烟酸含量测定参照 GB 5009.89—2016《食

品中烟酸和烟酰胺的测定》方法测定；叶酸含量

测定参照 GB 5009.211—014《食品中叶酸的测定》

方法测定，β-胡萝卜素含量参照 GB 5009.83—

2016《食品中胡萝卜素的测定》方法测定，矿物

质元素铜参照 GB 5009.13—2017 进行测定；钾元

素参照 GB 5009.91—2017 进行测定；磷元素参照

GB 5009.87—2016 进行测定；镁元素参照 GB

5009.241—2017 进行测定；锰元素参照 GB/T

5009.12—2003 进行测定。

1.2.4 香蕉多糖、总膳食纤维、槲皮素、总抗性

淀粉含量测定 香蕉多糖含量测定参照王琼瑶

等[13]的方法，总膳食纤维含量测定参照 AOAC 认

定的磷酸缓冲液酶-重量法测定总膳食纤维的含

量，槲皮素的测定参照孙悦等[14]的方法，香蕉中

总抗性淀粉含量的测定参照程燕锋等[15]的 Goni

方法进行测定。

1.3 数据处理

采用 Excel 2010 软件建立不同产地香牙蕉样

品的各类营养成分含量的原始数据文档，用 SPSS

19.0 软件中的最小显著差异法（least-significant

difference, LSD）多重比较对数据进行分析、作图，

并进行显著性分析（P=0.05）。采用 SPSS 19.0 软件

进行主成分分析，并采用 SPSS 19.0 软件中的 K-均

值聚类和复式集群条形图对数据进行聚类分析。

公式（1）：

1p 11 12

2p 21 22

......

m1 m2 mp

a +a + +a

a +a + +a

a +a + +a

1 12 p

2 12 p

m 12 p

FXX X

F XX X

F XX X



























其中，在以上的线性组合中选取的 F1、F2……Fm

依次按 X1、X2……XP 的所有线性组合中方差顺序

由大到小排列的，因此依次设为第 1、2……m 主

成分。Fm 表示各因子得分系数矩阵，Xp 表示指标

变量 p，amp 表示与变量 Xp 在同一行的因子载荷。

公式（2）：主成分载荷矩阵 i / U A i i  

其中 Ai 表示因子载荷矩阵，λi 表示特征值。

公式（3）：

12 p

12 p

......

12 p

+ Z+ + Z

+ Z+ + Z

+ Z+ + Z

1 1p 11 12

2 2p 21 22

m m1 m2 mp

Y UZ U U

Y UZ U U

Y UZU U



























其中，Ym 表示各主成分值，Zp 表示各变量的标准

值，Ump 表示主成分载荷矩阵。

公式（4）：综合主成分值 1

1 2 ... m

Y  

   

2 m

1 2

1 2 ... m 1 2 ... m

YY Ym   

   





    

以上，以 m 个主成分所对应的特征值占所提取主

1048 热带作物学报 第 43 卷

成分总的特征值之和的比例作为权重，计算主成

分综合模型；根据主成分综合模型即可算得综合

主成分值，进行评价。

2 结果与分析

2.1 不同产地香牙蕉感官品质分析

由不同产地香牙蕉的感官品质分析结果可知

（表 2），五大产区香牙蕉样品在长度、围径、甜

度和可溶性固形物均无显著差异，香味和可食率差

异显著（P<0.05）。其中，广东省和海南省的香味

与其他产区相比，具有显著性差异（P<0.05）；将

香味指标按有无香味设定评分，广东省香牙蕉平均

香味水平最高，为 1.50±0.58，高于平均值 29.31%±

5.74%；海南省香牙蕉平均香味水平最低，比平均

值低 13.79%±1.46%。表明海南省香牙蕉风味品质

比其他产区弱，而广东省香牙蕉风味品质最优。广

东省香牙蕉可食率高于其他产区，为 66.30%±

0.54%，高于平均值 4.46%±0.54%（P<0.05），而云

南省香牙蕉可食率最低，为 61.68%±3.43%，低于

平均值 2.82%±3.43%（P<0.05）。结果显示，广东

省香牙蕉的可食率与香味水平在五大产区中最高，

表明其风味水平可能与可食率存在相关性。

表 2 不同产地香牙蕉的感官品质

Tab. 2 Sensory quality of banana from different producing areas

产地

Producing area

长度

Length/cm

围径

Equatorial circumference/cm

甜度

Sweet

香味

Flavour

可食率

Edible rate/%

可溶性固形物

Soluble solids/Brix

广东 21.38±2.49a

14.10±0.48a

2.50±0.58a 1.50±0.58a

66.30±0.54a

19.85±1.61a

云南 20.65±8.29a

11.44±4.15a

2.80±0.42a 1.10±0.32ab 61.68±3.43b

21.43±1.52a

广西 17.80±1.94a

12.40±0.99a

2.33±0.52a 1.17±0.41ab 63.68±2.03ab 20.45±2.03a

海南 21.71±2.09a

13.39±1.70a

2.43±0.53a 1.00±0.00b

64.19±1.79ab 19.93±2.96a

福建 19.22±0.44a

13.92±0.29a

2.40±0.89a 1.20±0.45ab 63.52±1.48ab 20.16±3.36a

注：同列不同小写字母表示差异显著（P<0.05）。香味设为无香味 1 分，有香味 2 分；甜度设为涩味 1 分，淡甜味 2 分，甜味 3 分。

Note: Different lowercase letters in the same column indicate significant difference (P<0.05). Set the fragrance as 1 point for no fragrance and 2 points for fragrance; The sweetness is set as 1 point for astringency, 2 points for light sweetness and 3 points for sweetness.

2.2 不同产地香牙蕉的营养品质分析

5 个产地香牙蕉的镁、铜、锰等矿物质元素，

β-胡萝卜素、槲皮素、维生素和总膳食纤维、香

蕉多糖等功能性成分的含量具有显著性差异

（P<0.05），结果见表 3。云南省香牙蕉中矿物质

元素钾、镁、铜、锰的含量在 5 个产地中均属最

高，其中，钾元素高于平均值 22.22%±3.92%，镁

元素高于平均值 44.92%±36.78%，铜元素高于平

均 值 47.30%±37.37% ，锰元素高于平均值

59.55%±7.59%。除维生素 C 外，云南省香牙蕉的

其他维生素类物质和 β-胡萝卜素含量在 5 个产地

中也最高，其中维生素 B6 高于平均值

10.82%±0.49%；烟酸含量高于平均值 40.19%±

0.37%；叶酸含量高于平均值 30.61%±1.92%，β胡萝卜素高于平均值 28.00%±0.25%。除以上营养

元素外，云南省香牙蕉中多糖含量高于平均值

34.38%±9.72%，含量远高于其他 4 个产地。而在

其余 4 个产地样品中，福建省香牙蕉的槲皮素和

总抗性淀粉含量最高，海南省香牙蕉的总膳食纤

维含量最高，广东省香牙蕉的原花青素含量最高。

结果显示，五大产区中云南省的香牙蕉营养品质

评价的各项指标处于领先地位的占比较大，因而

基于以上营养成分分析，可以综合评价得出云南

省香牙蕉果实营养价值较优于其他四大产区。

2.3 香牙蕉营养品质与感官品质指标相关性

分析

香牙蕉营养品质与感官品质指标相关系数矩

阵（表 4）所示，矿物质元素钾、磷、镁、铜与

外在感官指标水分、甜度和可溶性固形物之间呈

显著或极显著正相关。其中，钾元素与水分、甜

度、可溶性固形物之间的相关系数分别为 0.610**、

0.621**和 0.738**，磷元素与水分、甜度、可溶性

固形物之间的相关系数分别为 0.561*

、0.647**和

0.825**，镁元素与水分、甜度、可溶性固形物之

间的相关系数分别为 0.583*

、0.646**和 0.747**，

铜元素与水分、甜度、可溶性固形物之间的相关

系数分别为 0.502*

、0.655**和 0.606**，表明香牙

蕉中矿物质元素含量与外在感官品质之间存在显

著相关性。功能性成分中维生素类物质的含量与

矿物质元素含量之间呈显著正相关，维生素 B6

与钾、磷、镁元素之间的相关系数分别为 0.685**、

0.531*

和 0.648**，叶酸与钾、磷、镁、铜元素之

第 5 期 戎 瑜等：基于主成分分析法评价不同产地香牙蕉的营养品质 1049

1050 热带作物学报 第 43 卷

间的相关系数分别为 0.631**、0.679**、0.657**和

0.581*

，结果表明维生素类物质的含量与矿物质类

元素含量之间呈显著正相关。总膳食纤维含量与

维生素类物质、β-胡萝卜素含量呈极显著正相关；

香蕉多糖含量与矿物质元素钾、镁、维生素 B6、

β-胡萝卜素、总膳食纤维含量呈极显著正相关，

相关系数分别为 0.605**、0.624**、0.717**、0.753**

和 0.804**，表明香牙蕉中香蕉多糖含量与矿物质

元素、维生素和膳食纤维含量显著相关。

2.4 不同产区香牙蕉品质的主成分分析

采用主成分分析法对采自不同产区香牙蕉的

营养品质与感官品质指标进行分析，得到香牙蕉

品质主成分相关矩阵的特征值、方差贡献率及累

计贡献率（表 5），其中前 5 个主成分的特征值较

大，其累计方差贡献率达 78.89%，能综合香牙蕉

品质的大部分信息，因此选取这 5 个主成分作为

香牙蕉品质的主成分进行分析。由表 6 可知，第

1 主成分 F1 贡献率达 39.053%，表现为其在风味

（甜度、可溶性固形物、总酸、水分）和矿物质

元素（钾、磷、镁、铜）等指标上有较高的正载

荷，表明对第 1 主成分影响最大的特征向量为风

味和矿物质元素，说明 F1 主成分是由风味和矿物

质元素指标组成的综合指标。第 2 主成分 F2 的贡

献率为 15.54%，表现在维生素 B6、烟酸、β-胡萝

卜素及香蕉多糖有较高的正载荷，说明此主成分

主要由维生素成分决定的。第 3 主成分 F3 的贡献

率为 12.14%，表现为在长度和围径 2 个外观品质

指标上有较高的正载荷。第 4 主成分 F4 的贡献率

为 6.76%，表现为在香味和可食率 2 个指标上有

较高的正载荷，表明感官指标是决定 F4 的主要因

子。第 5 主成分 F5 的贡献率为 5.40%，表现为槲

皮素和总抗性淀粉具有较高的正载荷，说明功能

性指标是决定 F5 的主要因子。由于总方差 78.89%

的贡献率来自于前 5 个主成分，因此综合以上 5

个主成分的特点，可以认为不同产区香牙蕉营养

和感官品质的主要差异为感官指标（甜度、可溶

性固形物、总酸、水分、长度和围径）和营养品

质指标（钾、磷、镁、铜、维生素 B6、烟酸、β胡萝卜素、香蕉多糖、槲皮素和总抗性淀粉）。图

1 为由主成分因子 1、2、3 旋转得到的旋转元件

图，其中，X 轴表示第 1 主成分 F1，Y 轴表示第

3 主成分 F3，Z 轴表示第 2 主成分 F2。由图 1 可

知福建省香牙蕉样品与其他 4 个产区样品的分布

距离较远，表明其按主成分旋转得到的综合品质

得分远低于其他 4 个产区；云南省的香牙蕉的综

合品质得分分布较集中，而广东、海南和广西的

牙蕉样品品质较分散。

表 5 香牙蕉品质主成分相关矩阵的特征值、

方差贡献率和累计贡献率

Tab. 5 Characteristic value, variance contribution rate and

cumulative contribution rate of the principal component

correlation matrix of the quality of banana

初始特征值 Initial eigenvalue 主要成分

Main ingredients

合计

Total

方差贡献率

Variance contribution rate/%

累积方差贡献率

Cumulative variance

contribution rate/%

1 9.373 39.053 39.053

2 3.729 15.540 54.593

3 2.913 12.136 66.729

4 1.622 6.756 73.485

5 1.297 5.403 78.888

6 1.119 4.661 83.549

7 0.814 3.392 86.941

8 0.672 2.800 89.741

9 0.565 2.353 92.094

10 0.436 1.817 93.911

11 0.315 1.310 95.221

12 0.239 0.997 96.218

13 0.205 0.855 97.073

14 0.181 0.756 97.829

15 0.153 0.639 98.469

16 0.099 0.411 98.880

17 0.084 0.350 99.230

18 0.055 0.228 99.458

19 0.051 0.212 99.669

20 0.036 0.149 99.819

21 0.026 0.108 99.926

22 0.013 0.054 99.980

23 0.003 0.012 99.992

24 0.002 0.008 100.000

图 1 不同产地香牙蕉品质分布旋转元件图

Fig. 1 Rotating element diagram of quality distribution of

banana from different producing areas

第 5 期 戎 瑜等：基于主成分分析法评价不同产地香牙蕉的营养品质 1051

表 6 旋转元件矩阵

Tab. 6 Rotary element matrix

指标 主成分因子 Principal component factor

Index F1 F2 F3 F4 F5

长度 –0.112 0.162 –0.849 –0.299 –0.041

围径 –0.221 –0.107 –0.904 –0.039 0.125

果肉质地 –0.315 –0.065 0.164 –0.089 –0.085

香味 –0.067 –0.250 0.270 0.675 –0.266

甜度 0.769 0.006 0.098 0.150 0.184

可溶性固形

物 0.793 0.055 0.382 0.019 0.238

可食率 –0.039 –0.078 0.186 0.621 0.248

总酸 0.884 0.216 0.139 0.114 0.090

水分 0.919 0.258 0.085 –0.083 0.070

钾 0.874 0.347 0.093 0.015 0.012

磷 0.884 0.078 0.258 –0.220 0.170

镁 0.880 0.350 0.156 –0.117 –0.109

铜 0.856 0.080 0.015 –0.083 0.009

锰 0.350 0.325 0.568 –0.082 –0.289

维生素 C 0.195 0.240 –0.151 0.804 –0.242

维生素 B6 0.507 0.721 0.058 0.124 0.350

烟酸 0.390 0.713 0.225 –0.110 –0.274

Β-胡萝卜素 0.177 0.891 –0.022 –0.213 –0.146

叶酸 0.530 0.492 0.039 –0.513 0.250

槲皮素 0.382 –0.310 0.072 –0.115 0.757

总膳食纤维 0.032 0.970 –0.038 0.021 –0.034

总抗性淀粉 0.232 –0.055 –0.300 –0.104 0.738

香蕉多糖 0.381 0.811 0.036 0.070 –0.233

原花青素 –0.567 0.555 –0.146 –0.053 0.391

2.5 不同产地香牙蕉品质的聚类分析

2.5.1 层次聚类 选取具有显著差异的各个品质

指标对 5 个产区香牙蕉品质进行聚类分析，得到

香牙蕉品质的聚类分析图（图 2）。由聚类分析结

果可知，在类间距离为 25 时，5 个产区香牙蕉品

质可分为 2 个类群。第一大类包括广西、福建、

海南和广东 4 个产地的香牙蕉样品，均为营养品

质及感官品质较低的香牙蕉样品，其中广西、海

南、福建分别各 2 个样品，编号分别是 19、20、

26~29；广东 1 个样品，编号为 4，此类样品营养

品质较低。第二大类包括 5 个产区的香牙蕉样品，

均为营养品质及感官品质较高的香牙蕉样品，其

中，福建样品 3个（30~32），广西样品 4个（15~17），

广东样品 3 个（1~3），海南样品 5 个（21~25），

云南样品 10 个（5~14）。可看出层次聚类分析结

果与主成分旋转元件图所得结果一致。

图 2 不同产地香牙蕉品质聚类分析树状图

Fig. 2 Tree diagram of quality cluster analysis of banana

from different producing areas

2.5.2 K-均值聚类 在分层聚类分析的基础上，

进一步对 5 个产区香牙蕉样品的品质进行了 K-均

值分析，由表 7 变异数分析结果可知，得出的类

别在各个变量上均呈显著差异（P<0.05），因而该

聚类分析结果可以保留。将数据集经过聚类得到

2 个分组，并作聚类分析复式条形图，由图 3 可

知各产区中营养品质较高属于类别一的香牙蕉样

品共计 25 个，营养品质较低属于类别二的样品有

7 个，可以看出五大产区香牙蕉样品的品质大多数

属于类别一，营养品质较高，少量样品属于类别二，

品质较差，这与分层聚类图 2 结果一致。其中，云

图 3 五大产区香牙蕉品质聚类分析复式条形图

Fig. 3 Compound bar chart of cluster analysis of quality of

banana in five producing areas

1052 热带作物学报 第 43 卷

表 7 香牙蕉各项品质指标变异数分析

Tab. 7 Anova analysis of various quality indexes of banana

指标 聚类 Clustering 误差 Error

Index 平均值平方 Mean square 自由度 df 平均值平方 Mean square 自由度 df

F 显著性

Significant

甜度 12.662 1 0.611 30 20.713 0

可溶性固形物 18.499 1 0.417 30 44.395 0

总酸 27.280 1 0.124 30 220.006 0

水分 30.895 1 0.004 30 8797.374 0

钾 28.992 1 0.067 30 433.189 0

磷 25.671 1 0.178 30 144.515 0

镁 26.629 1 0.146 30 182.766 0

铜 18.876 1 0.404 30 46.704 0

锰 6.105 1 0.830 30 7.356 0.011

维生素 B6 12.956 1 0.601 30 21.542 0

烟酸 8.915 1 0.736 30 12.109 0.002

β-胡萝卜素 5.097 1 0.863 30 5.903 0.021

叶酸 14.719 1 0.543 30 27.122 0

槲皮素 3.928 1 0.902 30 4.353 0.046

香蕉多糖 8.290 1 0.757 30 10.950 0.002

南省的香牙蕉品质最高，采集的 10 个样品均属于

分类一，与层次聚类和主成分分析结果一致。

3 讨论

在农业供给侧结构性改革和顺应高品质消费

趋势的新形势下，消费者在选择购买相同类型商

品时会优先选择营养价值更高的品种，因而生产

者与研究人员需要将关注度放到如何提升农产品

内在营养品质上，这对于提升商品购买力与市场

消费者喜爱度是十分重要的。香蕉营养品质评价

分为感观品质、风味品质和营养功能品质，香蕉

作为我国重要的热带特色农产品，清甜爽口，风

味怡人，深受消费者的欢迎。香牙蕉作为其中数

量最多，种植最广的品种，研究香牙蕉的内在和

外在品质性状，发掘影响香牙蕉营养和风味品质

的主成分因子不可或缺。

本研究中，β-胡萝卜素在 5 个不同产区香牙

蕉样品中具有显著性差异，5 个产区中，云南省

香牙蕉中的 β-胡萝卜素含量，磷、钾、镁、铜和

锰元素含量均最高，这可能是云南省特殊的喀斯

特地貌，同时其高原和山地地势占全省面积 94%，

赋予了特殊的气候环境，如昼夜温差大，水气凝

集导致空气相对湿度大，这些独特的地理环境或

许是赋予云南省香牙蕉风味与营养品质显著高于

其他产区的主要因素之一。香蕉中 β-胡萝卜素含

量较高，β-胡萝卜素作为体内维生素 A 合成的前

体（provitamin A carotenoids, pVACs），具有抗衰

老、增强免疫、预防心血管疾病和抗癌等功能，

维生素 A 缺乏可造成“夜盲症”[16-17]，因而云南

省香牙蕉中 β-胡萝卜含量高利于体内维生素 A 的

生成。香蕉果肉颜色与 β-胡萝卜素含量具有相关

性，因而 β-胡萝卜含量不仅与香牙蕉营养品质相

关，同时也与果实颜色、外观品质具有相关性。

香蕉中富含磷元素，磷是人体必需的元素之一，

也是骨骼和牙齿的重要组成部分，能够保持体内

ATP 代谢的平衡，调节能量代谢，参与体内酸碱

平衡的调节及参与体内脂肪的代谢[18]。云南省香

牙蕉中磷元素含量最高，同时其他矿物质元素、

维生素 B6、叶酸含量均高于其他地区，维生素

B6、叶酸与矿物质元素含量具有显著相关性。这

些高含量的营养成分共同赋予了云南省香牙蕉突

出的营养品质。营养与风味历来是人们用来评价

和挑选农产品的主要标杆之一，本研究针对不同

产地香牙蕉样品的营养与感官风味指标，通过主

成分分析和聚类分析方法挖掘影响香牙蕉品质的

主要指标，通过将指标得分标准化，分析得到不

同产地香牙蕉的品质分级水平。经过分析和比较，

云南香牙蕉钾、磷、镁等矿物质元素、维生素 B6

和叶酸等含量均显著高于其他产地，是口感风味、

营养俱佳的优质品种。

第 5 期 戎 瑜等：基于主成分分析法评价不同产地香牙蕉的营养品质 1053

香蕉多糖在香蕉果肉中含量约占 5%，多糖作

为存在于天然植物体内的大分子量物质之一，具

有多种功能活性，例如抗肿瘤活性[19]、自由基清

除活性[20]、促进肠道益生菌增殖[21]及调节免疫

活性[22]等，香蕉多糖还可以有效缓解多种慢性疾

病[23]。本研究中不同产地香牙蕉样品中均含有一

定的香蕉多糖成分，其中云南省香牙蕉样品中香

蕉多糖含量最高，为(0.43±0.10)g/100g（以鲜重

计），其抗性淀粉含量较低，为(1.43±0.83)g/100g，

相反，福建省香牙蕉样品中香蕉多糖含量最低，

为 (0.19±0.15)g/100g，而抗性淀粉含量最高为

(3.25±3.44)g/100g，表明香牙蕉中多糖含量与抗性

淀粉含量可能存在负相关性。

本研究着重比较不同产地香牙蕉的外在感官

与内在营养品质，利用主成分分析法及聚类分析

法对采自 5 个产地的香牙蕉样品进行归类，主成

分分析结果表明，5 个产地的香牙蕉样品大部分

感官及营养品质差异性可由选定的营养、活性、

感官、功能、品质 5 个主成分反映。5 个主成分

分别是风味因子（可溶性固形物、甜度、总酸、

水分、钾、磷、镁和铜）、营养因子（维生素 B6、

烟酸、β-胡萝卜素和香蕉多糖）、外观因子（长度、

围径）、感官因子（可食率香味和）和功能因子（槲

皮素、总抗性淀粉）。通过三维散点图和综合得分

计算，得出在不同产地的香牙蕉品质差异中，福

建省香牙蕉总体营养品质较低，云南、广东、海

南省香牙蕉营养品质较高。根据聚类分析可以得

出，云南省香牙蕉在外在感官品质与内在营养品

质 2 个方面的品质得分显著高于其他产区，体现

在 β-胡萝卜素、香蕉多糖和矿物质元素等指标显

著高于其他产区，因而云南省香牙蕉具有能在消

费市场进行推广的优良品质特性。本研究主成分

分析法及聚类分析法分类结果基本一致，为今后

香蕉新品种选育和香蕉深加工利用的进一步研究

提供理论支持。

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热带作物学报 2022, 43(5): 10551063

Chinese Journal of Tropical Crops

收稿日期 2021-11-23；修回日期 2022-01-07

基金项目 香料饮料种质圃安全保存基金项目；财政部和农业农村部国家现代农业产业技术体系资助项目（No. CARS-11）；

海南省院士创新平台科研专项（No. YSPTZX202154）。

作者简介 王 珏（1994—），女，硕士研究生，研究方向：胡椒属植物功能物质提取分离与结构鉴定。*通信作者（Corresponding

author）：范 睿（FAN Rui），E-mail：tlfr83@163.com。

3 种不同萃取方法对黑胡椒香气物质的气质联用分析

王 珏1,2,3，钟壹鸣2,3，孙也乔1,2,3，胡丽松2,3，伍宝朵2,3，郝朝运2,4，范 睿2,5*

1. 海南大学热带作物学院，海南海口 570228；2. 中国热带农业科学院香料饮料研究所，海南万宁 571533；3. 海南省遗

传育种与种质资源重点实验室，海南万宁 571533；4. 海南省热带香辛饮料作物遗传改良与品质调控重点实验室，海南万

宁 571533；5. 海南省 Sim Soonliang 院士工作站，海南万宁 571533

摘 要：为探究不同提取方法对黑胡椒挥发性成分的影响，本研究以黑胡椒为材料，利用顶空固相微萃取法

（HS-SPME）、戊烷∶乙醚（1∶1）溶剂萃取法和甲基叔丁基醚（MTBE）溶剂萃取法对黑胡椒中的香气成分进行

提取，结合气相色谱质谱联用法（gas chromatography-mass spectrometry）和主成分分析法（PCA）对提取的香气物

质进行分析。3 种提取方法共得到 6 类（烯类、醇类、酚类、烃类、崁类、烯类氧化物）33 种物质。戊烷∶乙醚（1∶

1）溶剂萃取法、MTBE 溶剂萃取法及顶空固相微萃取法分别检测到 25、23、27 种挥发性化合物，其中，相对含量

较高的化合物均为 3-蒈烯、柠檬烯、β-石竹烯、β-蒎烯。2 种溶剂萃取法中，戊烷∶乙醚（1∶1）溶剂萃取法检测

到的特有化合物有 α-松油烯、α-松油醇、β-金合欢烯；与 2 种溶剂萃取法相比，顶空固相微萃取法（HS-SPME）检

测到的特有化合物有樟脑、4-萜烯醇、2-(4-甲基苯基)丙-2-醇、橙花醇、香树烯、β-甜没药烯和愈创兰油烃。结合

主成分分析得出，β-蒎烯、3-蒈烯、柠檬烯、β-石竹烯对黑胡椒香气风味贡献率较大，其中顶空固相微萃取法

（HS-SPME）与 2 种溶剂萃取法所得成分差异明显。在溶剂萃取法中，戊烷∶乙醚（1∶1）溶剂萃取法优于 MTBE

溶剂萃取法。溶剂萃取法与顶空固相微萃取法所得物质在种类与数量上均存在差异。在胡椒香气物质检测时，将 2

种方法相结合可以更大程度保证所得化合物种类的丰富性和全面性。

关键词：黑胡椒；溶剂萃取；顶空固相微萃取；气质联用

中图分类号：S573.9 文献标识码：A

Analysis of Aroma Substances in Black Pepper by Three Different

Extraction Methods by GC-MS

WANG Jue1,2,3, ZHONG Yiming2,3, SUN Yeqiao1,2,3, HU Lisong2,3, WU Baoduo2,3, HAO Chaoyun2,4,

FAN Rui2,5*

1. College of Tropical Crops, Hainan University, Haikou, Hainan 570228, China; 2. Institute of Spices and Beverage Research, Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences, Wanning, Hainan 571533, China; 3. Hainan Key Laboratory of Genetics, Breeding

and Germplasm Resources, Wanning, Hainan 571533, China; 4. Hainan Provincial Key Laboratory of Genetic Improvement and

Quality Regulation for Tropical Spice and Beverage Crops, Wanning, Hainan, 571533, China; 5. Hainan Provincial Academician

Sim Soonliang Workstation, Wanning, Hainan 571533, China

Abstract: The study was aimed to explore the effects of different extraction methods on the volatile components of

black pepper. Using black pepper as the material, headspace solid phase microextraction (HS-SPME), pentane∶diethyl

ether (1∶1) solvent extraction and MTBE solvent extraction were used to extract the aroma components in black pepper,

and gas chromatography-mass spectrometry combined with principal component analysis (PCA) was used to analyze the

extracted aroma substances. A total of 33 substances in 6 categories (alkenes, alcohols, phenols, hydrocarbons, olefins,

1056 热带作物学报 第 43 卷

and olefin oxides) were obtained under the three extraction methods. 25, 23, 27 volatile compounds were respectively

detected in the pentane∶diethyl ether (1∶1) solvent extraction method, MTBE solvent extraction method and headspace solid phase microextraction method. The compounds with relatively high content of volatile compounds obtained

by the three extraction methods were 3-carene, limonene, β-caryophyllene, and β-pinene. α-terpinene, α-terpineol,

β-farnesene were only detected in the pentane∶diethyl ether (1∶1) solvent extraction method. Camphor, 4-terpene

alcohol, 2-(4-methylphenyl) propan-2-ol, and nerol, alloaromadendrene, β-Bisabolene and guaiazulene were only found

in HS-SPME. Combined with principal component analysis (PCA), β-pinene, 3-carene, limonene, and β-caryophyllene

contributed significantly to the aroma and flavor of black pepper. Among them, the composition of HS-SPME and the

two solvent extraction methods were significantly different. In the solvent extraction methods, the pentane∶diethyl

ether (1∶1) solvent extraction method was better than the MTBE solvent extraction method, and there were differences

in the types and quantities of substances obtained by the solvent extraction method and the headspace solid phase microextraction method. In the detection of pepper aroma substances, the combination of the two methods could ensure the

richness and comprehensiveness of the obtained compounds to a greater extent.

Keywords: black pepper; solvent extraction; headspace solid phase microextraction; gas chromatography-mass spectrometry

DOI: 10.3969/j.issn.1000-2561.2022.05.020

胡椒（Piper nigrum L.）为胡椒科（Piperaceae）

胡椒属（Piper）多年生常绿藤本植物，原产于印

度[1]，是世界上重要的香辛料作物，素有“香料

之王”和“黑色黄金”的美誉[2]。目前，市面上

按照胡椒不同的加工方式可将其分为黑胡椒、白

胡椒和青胡椒 3 种类型。其中，黑胡椒由胡椒果

不脱皮直接干燥而成[3]。黑胡椒经常作为香料和

调味料应用于食品工业中，因其精油具有良好的

防腐[4]和抗氧化作用[5]，黑胡椒也可作为腌制食品

的天然防腐剂和抗氧化剂[6]。前人研究发现，胡

椒属资源可检测到较多种类的化合物，但是对于

胡椒属资源化合物的提取鉴定方法研究相对较

少，还需进行深入探索研究。

香气成分提取技术主要有液-液萃取（LLE）[7]、

超临界流体萃取法（SFE）[8]、顶空-固相微萃取

（HS-SPME）[9]和水蒸气蒸馏法（DDE）[10]等。

柳中等[11]采用固相微萃取法（SPME）、水蒸气蒸

馏法（DDE）和同时蒸馏萃取法（SDE）3 种方

法对海南省黑、白胡椒化学成分进行提取分析，

共得 96 种物质，主要是烯烃类物质；侯冬岩等[12]

采用蒸馏萃取法对黑胡椒进行萃取后得到 28 种

化合物，主要成分为萜类化合物。前人对胡椒物

质的鉴定方法多为固相萃取、水蒸气蒸馏和超临

界流体萃取等方法，提取物质主要为萜烯类化合

物，目前胡椒香气成分提取技术正趋于完善和成

熟，但其提取过程中受温度、压力、时间等因素

的影响。现有的提取方法在生产中都具有可行性，

但是仍存在一些不足。而胡椒属植物资源需要通

过野外收集，此途径导致很难获得大量原材料，

其中鉴定评价是胡椒属植物资源创新利用的根

本，因此亟需建立一种快速用于鉴定胡椒游离态

物质的新技术。

本研究采用顶空固相微萃取（HS-SPME）、戊

烷∶乙醚（1∶1）溶剂萃取和 MTBE 溶剂萃取 3

种方法对胡椒样品挥发性成分进行萃取，利用气

质联用检测分析其主要物质组成及含量的一致性

与差异性。研究结果将对胡椒物质的提取方法进

行优化补充，也为胡椒溶剂萃取提供更为多样的

解决方案。

1 材料与方法

1.1 材料

供试黑胡椒由中国热带农业科学院香料饮料

研究所提供，采摘胡椒种质圃的红色成熟胡椒果进

行热烫法处理，条件为温度 70℃，时间 30 s。热

烫法处理结束后及时进行冷却，将其放置于旋转鼓

风干燥箱中进行干燥，条件为温度40℃，时间10 h。

Trace 1300-ISQ 气相色谱-离子阱质谱联用仪

（美国赛默飞世尔公司）；HPG-9240A 精密鼓风

干燥箱（上海一恒科技有限公司）。

1.2 方法

1.2.1 戊烷∶乙醚（1∶1）溶剂萃取 精确称取

2.0 g 黑胡椒样品置于液氮中，研磨成粉后置于

50 mL 离心管中加入 10 mL 戊烷∶乙醚（V∶

V=1∶1）。置于 16℃的摇床中进行轻微振荡

30 min，重复 2 次。将 2 次过滤后的上清液混匀

并加入无水硫酸钠进行干燥。经有机相针式滤器

（13 mm, 0.22 μm）过滤提取液后抽取 0.5~1.0 mL

第 5 期 王 珏等：3 种不同萃取方法对黑胡椒香气物质的气质联用分析 1057

置于 1.5 mL 棕色萃取瓶中，用于 GC-MS 检测挥

发性成分。设置 3 次生物学重复。

1.2.2 MTBE 溶剂萃取 精确称取 2.0 g 黑胡椒

样品置于液氮中，研磨成粉后置于 50 mL 离心管，

加入 15 mL 甲基叔丁基醚（MTBE）混匀后超声

萃取，时间为 1 h，温度 55℃；萃取后通过尼龙

膜分离滤渣与滤液，向滤液中加入一定量的无水

硫酸钠进行干燥；利用有机相针式滤器（13 mm,

0.22 μm）过滤提取液后抽取 0.5~1.0 mL 置于

1.5 mL 棕色萃取瓶中，用于 GC-MS 检测挥发性

成分。设置 3 次生物学重复。

1.2.3 顶空固相微萃取 将黑胡椒样品置于研钵

中，研磨后过 40 目筛，精确称取 2.0 g 黑胡椒粉置

于 20 mL 的顶空瓶中备用。设置 3 次生物学重复。

1.2.4 GC-MS 分析条件 色谱条件：色谱柱为

DB-5MS（30 m×0.25 mm×0.25 μm）弹性石英毛

细管柱；载气为高纯氦气（99.999%），载气流量

0.8 mL/min，分流模式进样，分流比为 10∶1，进

样口温度 230℃，起始柱温度设置为 40℃，维持

3 min 后以 5℃/min 的升温速率直到 220℃，维持

2 min。

质谱条件：离子源为 EI 源，电子能量 70 eV，

离子源温度 150℃，传输线温度 250℃，扫描范围

为 40~450 amu。

将样品检测结束后，利用 GC-MS 系统谱库

（NIST11）检索导出结果，通过人工检索和查阅

文献确定物质种类并计算其百分含量。

1.3 数据处理

利用 Excel 2019 和 Origin 2018 软件对试验数

据进行统计及主成分分析，对黑胡椒在 3 种方法

下所得化合物进行分析。

2 结果与分析

2.1 3 种萃取方法黑胡椒挥发性成分的 GC-MS

分析总离子流色谱图

根据上述 3 种萃取方法，分别将戊烷∶乙醚

（1∶1）溶剂萃取、MTBE 溶剂萃取、顶空固相

微萃取（HS-SPME）结合 GC-MS 进行分析，通

过自带谱库检索分别得到离子流色谱图（图 1）。

结果显示：戊烷∶乙醚（1∶1）与 MTBE 溶剂萃

取的离子流色谱图差异不显著，2 种溶剂萃取与

顶空固相微萃取离子流色谱图差异显著，因此，

后续对 3 种萃取方法提取的物质进行分析讨论。

2.2 3 种萃取方法的黑胡椒挥发性成分分析

通过黑胡椒挥发性成分的分析结果显示（表

1），经 3 种方法萃取后共检测到 33 种化合物，主

要为萜烯类化合物。萜烯类化合物是一类广泛存

在于植物、动物体内的碳氢化合物[13]。3 种萃取

方法中，顶空固相微萃取和戊烷∶乙醚（1∶1）

溶剂萃取所测得的物质种类较多，分别为 27 种和

25 种，MTBE 溶剂萃取测得 23 种化合物。顶空

固相微萃取测得挥发性成分主要有 β-石竹烯

（15.82%±0.00%）、3-蒈烯（10.12%±0.01%）、柠

檬烯（7.95%±0.01%）、α-可巴烯（5.91%±0.00%），

其特有成分为樟脑（0.05%±0.01%）、4-萜烯醇

（ 0.10%±0.01% ）、 2-(4- 甲基苯基 ) 丙 -2- 醇

（0.04%±0.01%）、橙花醇（0.04%±0.00%）、香树

烯（0.09%±0.00%）、β-甜没药烯（0.79%±0.01%）、

愈创兰油烃（0.05%±0.01%）；戊烷∶乙醚（1∶1）

溶剂萃取的主要成分有 3-蒈烯（21.02%±0.00%）、

柠檬烯（14.97%±0.01%）、β-石竹烯（14.95%±

0.00%）、β-蒎烯（10.35%±0.01%）、α-水芹烯

（7.47%±0.00%）、蒎烯（6.87%±0.00%）；MTBE

溶剂萃取的主要成分有 3-蒈烯（21.52%±0.00%）、

柠檬烯（15.14%±0.01%）、β-石竹烯（15.51%±

0.01% ）、 β- 蒎烯（ 9.98%±0.01% ）、 α- 水芹烯

（6.71%±0.01%）、蒎烯（6.33%±0.00%）。对比

MTBE 溶剂萃取与戊烷∶乙醚（1∶1）溶剂萃取

发现，后者检测到的挥发性成分数量及种类均高

于前者，共有的 3 种化合物为 α-松油烯、α-松油

醇和 β-金合欢烯。

对比分析后发现，β-石竹烯、3-蒈烯、柠檬烯

3 种萜类化合物在 3 种萃取方法下的相对含量均

最高。柠檬烯（limonene）又名苎烯，是一种单

萜烯类化合物，主要存在于柠檬、柑橘、佛手精

油中，具有抗氧化、抗炎、抗肿瘤活性、抑菌、

利胆溶石、去痰止咳、镇静神经中枢等多种生理

功效，大量文献报道，柠檬烯对结肠癌、乳腺癌、

胃癌、皮肤癌等癌细胞具有抑制作用[14]。3-蒈烯

是一种双环单萜，是松树精油的主要成分之一，

除已知杀菌特性外，还具有抗炎、抗菌和抗焦虑

的作用 [15] 。 与 α- 可巴烯类似， 3- 蒈烯作为

GABAA-BZD 受体的正调节器，具有促进睡眠的

作用[16]。β-石竹烯是一种天然双环倍半萜，具有

抗炎、镇痛、神经保护、抗肿瘤、防治肝损伤等

广泛的生物活性，并能通过兴奋 CB2 受体及激活

1058 热带作物学报 第 43 卷

A：戊烷∶乙醚（1∶1）溶剂萃取；B：MTBE 溶剂萃取；C：顶空固相微萃取。

A: Pentane∶diethyl ether (1∶1) solvent extraction; B: MTBE solvent extraction; C: HS-SPME.

图 1 GC-MS 总离子流色谱图

Fig. 1 Total ion flow chromatographic by GC-MS

表 1 3 种萃取方法的黑胡椒挥发性成分

Tab. 1 Volatile components of black pepper by three extraction methods

相对含量 Relative content/%

序号

No.

CAS 号

CAS

中文名称

Chinese name

英文名称

English name

结构式

Structural

translation

顶空固相

微萃取

HS-SPME

戊烷∶乙醚

（1∶1）

Pentane∶

Diethyl ether

(1∶1)

甲基叔丁基醚

MTBE

1 7785-70-8 蒎烯 pinene C10H16 3.19±0.00 6.87±0.00 6.33±0.00

2 79-92-5 莰烯 camphene C10H16 – 0.08±0.00 0.07±0.00

3 127-91-3 β-蒎烯 β-pinene C10H16 4.32±0.01 10.35±0.01 9.98±0.01

4 99-83-2 α-水芹烯 α-phellandrene C10H16 – 7.47±0.00 6.71±0.01

5 13466-78-9 3-蒈烯 3-carene C10H16 10.12±0.01 21.02±0.00 21.52±0.00

6 99-86-5 α-松油烯 α-terpinene C10H16 – 0.03±0.01 –

7 527-84-4 邻伞花烃 cymene C10H14 – 0.27±0.00 0.22±0.01

第 5 期 王 珏等：3 种不同萃取方法对黑胡椒香气物质的气质联用分析 1059

续表 1 3 种萃取方法的黑胡椒挥发性成分

Tab. 1 Volatile components of black pepper by three extraction methods (continued)

相对含量 Relative content/%

序号

No.

CAS 号

CAS

中文名称

Chinese name

英文名称

English name

结构式

Structural

translation

顶空固相

微萃取

HS-SPME

戊烷∶乙醚

（1∶1）

Pentane∶

Diethyl ether

(1∶1)

甲基叔丁基醚

MTBE

8 5989-27-5 柠檬烯 limonene C10H16 7.95±0.01 14.97±0.01 15.14±0.01

9 99-85-4 γ-松油烯 γ-terpinene C10H16 0.32±0.01 0.13±0.00 0.11±0.01

10 586-62-9 萜品油烯 terpinolene C10H16 1.56±0.01 0.20±0.01 0.19±0.00

11 78-70-6 芳樟醇 linalool C10H18O 1.02±0.01 0.68±0.01 0.51±0.00

12 98-55-5 α-松油醇 α-terpineol C10H18O 0.21±0.00 0.04±0.00 –

13 20307-84-0 δ-榄香烯 δ-elemene C15H24 0.74±0.01 4.70±0.01 4.00±0.00

14 17699-14-8 α-荜澄茄油烯 α-cubebene C15H24 1.47±0.01 0.05±0.01 0.04±0.00

15 3856-25-5 α-可巴烯 α-copaene C15H24 5.91±0.00 1.70±0.00 1.68±0.01

16 515-13-9 β-榄香烯 β-elemene C15H24 – 0.32±0.01 0.29±0.00

17 87-44-5 β-石竹烯 β-caryophyllene C15H24 15.82±0.00 14.95±0.00 15.51±0.01

18 28973-97-9 β-金合欢烯 β-farnesene C15H24 0.44±0.01 0.02±0.01 –

19 6753-98-6 α-律草烯 α-humulene C15H24 4.10±0.01 0.68±0.00 0.61±0.00

20 23986-74-5 大根香叶烯 D germacrene D C15H24 0.54±0.01 0.06±0.01 0.07±0.00

21 17066-67-0 β-芹子烯 β-selinene C15H24 1.73±0.01 0.12±0.01 0.15±0.00

22 22567-17-5 γ-古芸烯 γ-gurjunene C15H24 0.11±0.01 0.08±0.01 0.09±0.00

23 128-37-0 2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚 2,6-di-tert-butyl-4-methylphenol C15H24O – 0.03±0.01 0.11±0.01

24 483-76-1 δ-杜松烯 δ-cadinene C15H24 2.25±0.01 0.38±0.00 0.37±0.01

25 1139-30-6 氧化石竹烯 caryophyllene oxide C15H24O 0.09±0.00 0.13±0.00 0.14±0.00

26 464-48-2 樟脑 camphor C10H16O 0.05±0.01 – –

27 562-74-3 4-萜烯醇 terpinen-4-ol C10H18O 0.10±0.01 – –

28 1197-01-9 2-(4-甲基苯基)丙-2-醇 2-(4-methylphenyl) propan-2-ol C10H14O 0.04±0.01 – –

29 106-25-2 橙花醇 nerol C10H18O 0.04±0.00 – –

30 25246-27-9 香树烯 alloaromadendrene C15H24 0.09±0.00 – –

31 495-61-4 β-甜没药烯 β-bisabolene C15H24 0.79±0.01 – –

32 489-84-9 愈创兰油烃 guaiazulene C15H18 0.05±0.01 – –

33 24347-58-8 (R,R)-(-)-2,3-丁二醇 (R,R)-butane-2,3-diol C4H10O2 0.07±0.01 – 0.04±0.00

注：–表示未检出。

Note: – indicates no detected.

内源性阿片镇痛系统发挥镇痛作用，激动脊髓等

中枢系统的 CB 受体；以及对神经变性疾病具有

神经保护作用[17]。

2.3 3 种萃取方法的黑胡椒挥发性化合物分类

通过 GC-MS 分析检测可知，3 种不同萃取方

法共检测出 6 类化合物，分别为：烯类、醇类、

酚类、烃类、崁类以及烯类氧化物。HS-SPME 方

法下检测到 5 类化合物共 27 种，这种方法检测的

化合物总数最多，占总数 36%。戊烷∶乙醚（1∶

1）和 MTBE 溶剂萃取方法分别检测到 5 类 25 种

和 23 种挥发性化合物，其中，戊烷∶乙醚（1∶1）

萃取方法检测到烯类化合物数最多，为 20 种，占

比达 35.71%。HS-SPME 萃取方法检测到的醇类

化合物数高于其他 2 种，有 6 种（图 2）。

图 2 3 种萃取方法的黑胡椒挥发性化合物分类

Fig. 2 Classification of volatile compounds in black pepper by three extraction methods

1060 热带作物学报 第 43 卷

2.4 3 种萃取方法的黑胡椒挥发性成分的主成

分分析

主成分分析（principal component analysis,

PCA）是一种把多个复杂指标简化为几个综合指

标的统计方法。本研究中 3 种萃取方法从黑胡椒

样品中共检测到 33 种挥发性成分，以 33 种挥发

性成分构成 3×33 矩阵进行主成分分析。结果如表

2、表 3 所示，第 1 主成分方差贡献率为 92.811%，

对其作出主要贡献的物质有 β-蒎烯、3-蒈烯、柠

檬烯、γ-松油烯、α-松油醇、β-石竹烯、β-金合欢

烯、大根香叶烯 D、γ-古芸烯、氧化石竹烯，其

对应的特征向量均大于 1；第 2 主成分的方差贡

献率为 7.168%，对其作出主要贡献的物质有 δ榄香烯、α-可巴烯、α-律草烯，其对应的特征向

量均大于 0.5。由表 2 可知，第 1 和第 2 主成分的

累计贡献率达 99.979%，由此可见第 1、第 2 主成

分充分展现了原始变量的主要信息，也达到了此

次进行主成分分析的目的。

表 2 主成分分析特征值及方差贡献率

Tab. 2 Principal component analysis eigenvalue and variance contribution rate

主成分 初始特征值 Initial eigenvalues 提取平方和载入 Extraction sums of squared loadings

Principal

component

特征值

Eigenvalues

方差

Variance/%

累积

Cumulative%

特征值

Eigenvalues

方差

Variance/%

累积

Cumulative%

1 2.784 92.811 92.811 2.784 92.811 92.811

2 0.215 7.168 99.979 0.215 7.168 99.979

3 0.001 0.022 100.000 0.001 0.022 100.000

从表 3 可知 β-蒎烯、3-蒈烯、柠檬烯、β-石

竹烯与第 1 主成分呈高度正相关，对黑胡椒的挥

发性香气影响较大；α-可巴烯、β-石竹烯对第 2

主成分的香气影响起到了决定性作用；δ-榄香烯

成分在第 3 主成分中起到一定的作用。由黑胡椒

表 3 主成分载荷矩阵

Tab. 3 Principal component loading matrix

挥发性成分 主成分 Principal component

Volatile compounds PC1 PC2 PC3

蒎烯 0.456 –0.324 0.050

β-蒎烯 1.240 –0.517 0.042

3-蒈烯 4.016 –0.678 –0.042

柠檬烯 2.610 –0.374 –0.010

γ-松油烯 –1.091 –0.125 –0.014

萜品油烯 –0.913 0.115 –0.007

芳樟醇 –1.000 0.016 –0.012

α-松油醇 –1.124 –0.136 –0.013

δ-榄香烯 –0.275 –0.548 0.054

α-荜澄茄油烯 –0.952 0.115 –0.008

α-可巴烯 –0.064 0.810 0.021

β-石竹烯 3.690 1.187 0.001

β-金合欢烯 –1.095 –0.088 –0.013

α-律草烯 –0.493 0.571 0.016

大根香叶烯 D –1.072 –0.075 –0.016

β-芹子烯 –0.901 0.156 –0.010

γ-古芸烯 –1.126 –0.163 –0.019

δ-杜松烯 –0.788 0.232 –0.003

氧化石竹烯 –1.119 –0.173 –0.019

挥发性成分在主成分分析下的得分图（图 3）可

知，在 PC1 方向上 3 种萃取方法检测到的挥发性

成分差异显著，大致可以分为 3 类：β-石竹烯为

一类；β 蒎烯、3-蒈烯、柠檬烯、萜品油烯及 δ榄香烯为一类；剩余的化合物归为一类；而在 PC2

方向上各物质差异不显著。

A：HS-SPME；B：戊烷∶乙醚（1∶1）溶剂萃取法；

C：MTBE 溶剂萃取法。

A: HS-SPME; B: Pentane∶Diethyl ether (1∶1) solvent extraction;

C: MTBE solvent extraction.

图 3 黑胡椒挥发性成分 PCA 得分图

Fig. 3 PCA score of volatile components in black pepper

3 讨论

前人的研究多以水蒸气蒸馏法和超临界 CO2

第 5 期 王 珏等：3 种不同萃取方法对黑胡椒香气物质的气质联用分析 1061

萃取法对胡椒中的香气成分进行提取[18]，与本研

究的 3 种萃取方法所得结果进行对比分析，探讨

溶剂萃取法与传统方法间的异同之处。

3.1 顶空固相微萃取（HS-SPME）与 2 种溶

剂萃取的对比

本研究中顶空固相微萃取（HS-SPME）结合

GC-MS 检测到黑胡椒中主要的挥发性成分有 β石竹烯（ 15.82%±0.00% ）、 3- 蒈烯（ 10.12%±

0.01% ）、柠檬烯（ 7.95%±0.01% ）、 α- 可巴烯

（5.91%±0.00%），与侯冬岩等[19]的研究结果相

似，该研究利用水蒸气蒸馏法对黑胡椒样品进行

萃取，最终结合 GC-MS 检测到主要成分有石竹

烯、蒎烯、蒈烯、柠檬烯；李祖光等[20]利用固相

微萃取结合 GC-MS 对黑胡椒粉末进行检测后得

到海南产黑胡椒特殊成分主要为 β- 石竹烯

（47.30%）、3-蒈烯（11.48%）、β-水芹烯（8.22%）、

榄香烯（5.25%）、β-蒎烯（2.43%），其中主要成

分为 β-石竹烯，与本研究结果一致。本研究中，

与顶空固相微萃取相比，戊烷∶乙醚（1∶1）溶

剂萃取检测到含量最高的化合物为 3-蒈烯，该化

合物作为中草药植物中的活性成分可直接通过植

物进行利用，也能以天然精油的形式作为中间体

或者配方原料用于医药、农药、化妆品等行业[21]。

3 种萃取方法检测到的挥发性成分中，含量较高

的化合物为 β-石竹烯，是一种双环倍半萜型化合

物，具有丁香花香味，具有平喘、祛痰和抗炎作

用[22]。通过比较后发现，顶空固相微萃取检测到

的特有成分包括樟脑、4-萜烯醇、2-(4-甲基苯基)

丙-2-醇、橙花醇、香树烯、β-甜没药烯和愈创兰

油烃。其中樟脑因具有特征渗透性和轻微薄荷香

气被用于工业产品中的加香环节[15]；橙花醇则常

被用于制造香水及柑橘类香精。2 种溶剂萃取的

特有成分有 α-松油烯、α-水芹烯、莰烯、邻伞花

烃及 β-榄香烯。本研究表明，今后在胡椒游离态

物质的鉴定过程中应将顶空固相微萃取法与溶

剂萃取法相结合，使胡椒挥发性成分的检测更为

全面。

3.2 戊烷∶乙醚（1∶1）萃取与 MTBE 萃取的

对比

前人常利用戊烷∶乙醚（1∶1）有机溶剂萃

取法对香草兰[23]、葡萄酒[24]等挥发性成分进行检

测；利用 MTBE 溶剂萃取对再造烟叶碎片原料中

的香味物质[25]进行研究。本研究中，戊烷∶乙醚

（1∶1）与 MTBE 溶剂萃取法最终检测到的化合

物分别为 25 种和 23 种，前者检测效率更高，而

且前者比后者多检测出 α-松油烯、α-松油醇、β金合欢烯 3 种物质，其中 α-松油醇具有典型的丁

香味，是最常用的日化香料物质之一，常用于肥

皂和化妆品中。2 种溶剂萃取的共有物质中有 5

种含量较高，分别为：β-蒎烯、α-水芹烯、3-蒈烯、

柠檬烯和 β-石竹烯，其中 β-蒎烯作为日用香料常

用于居家用品加香，同时也用于月桂烯的生产；α水芹烯具有胡椒气味，3-蒈烯具有一定的辛辣味，

对黑胡椒的辛辣风味有一定贡献，这些成分都可

作为合成香料的主要原料[11]。综上所述，在黑胡

椒的 2 种溶剂萃取方法中，戊烷∶乙醚（1∶1）

萃取优于 MTBE 溶剂萃取。

3.3 3 种萃取方法与传统方法——水蒸气蒸馏

法的对比

柳中等[11]在对海南黑、白胡椒香气成分的分

析中，分别使用了固相微萃取、水蒸气蒸馏法及

同时蒸馏萃取法，其中采用水蒸气蒸馏法共鉴定

出 37 种化合物，其主要成分为 3-蒈烯、α-水芹烯、

β-月桂烯、柠檬烯、石竹烯等烯烃类物质。黄菲

菲等[26]利用水蒸气蒸馏法对 4 种方式处理的黑胡

椒香气成分进行分析，分别鉴定出 19、17、23、

22 种化合物，总检出量在 95%以上；在检出物质

中 α-蒎烯、β-蒎烯、3-蒈烯、柠檬烯、蛇麻烯、β石竹烯、β-甜没药烯等在 4 种处理方式检测产品

中的含量较高，最高的为 β-石竹烯。侯冬岩等[19]

对水蒸气蒸馏法提取黑胡椒的挥发性成分及其萜

类化学成分进行分析，鉴定出黑胡椒挥发油中存

在 37 个化合物，主要有 β-蒎烯、3-蒈烯、α-水芹

烯、柠檬烯、石竹烯、α-松油醇等。区敏港等[27]

采用水蒸气蒸馏法提取黑胡椒精油，结合 GC-MS

分析检测到化合物主成分有 10 种，其中含量较高

的为 α-蒎烯、石竹烯、β-蒎烯、蛇麻烯等。在本

研究中，采用 3 种萃取方法对黑胡椒香气成分进

行提取，结合 GC-MS 分析检测到共有且含量较多

的成分有 β-蒎烯、3-蒈烯、柠檬烯、β-石竹烯，与

前人研究结果相似。

4 结论

本研究以黑胡椒为研究材料，以 3 种不同萃

取方法对黑胡椒香气成分进行提取，经 GC-MS

分析共检测到 33 种物质，顶空固相微萃取法检测

1062 热带作物学报 第 43 卷

到的 27 种物质中其特有成分为樟脑、4-萜烯醇、

2-(4-甲基苯基)丙-2-醇、橙花醇、香树烯、β-甜没

药烯和愈创兰油烃；戊烷∶乙醚（1∶1）溶剂萃

取法和 MTBE 溶剂萃取法分别获得 25 种和 23 种

物质，其特有成分共包括 α-松油烯、α-水芹烯、

莰烯、邻伞花烃及 β-榄香烯。溶剂萃取法与顶空

固相微萃取法相比，所得物质在种类与数量上均

存在一定差异。2 种方法相互补充可以在胡椒属

植物香气物质鉴定中得到更加全面的检测结果。

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Chinese Journal of Tropical Crops

收稿日期 2021-02-19；修回日期 2021-12-29

基金项目 中央级公益性科研院所基本科研业务费专项（No. 1630032021021）；海南省自然科学基金项目（No. 820QN344，

No. 320QN342）。

作者简介 王茂媛（1981—），女，副研究员，研究方向：药用植物资源利用。*通信作者（Corresponding author）：王祝年（WANG

Zhunian），E-mail：13807596560@163.com。

基于 UPLC-Q-TOF-MS 技术的益智种子和果皮成分分析

王茂媛1,3,4，王祝年1,3,4*，王清隆1,2，羊 青1,3,4，张 旻5

，晏小霞1,3,4

1. 中国热带农业科学院热带作物品种资源研究所，海南海口 571101；2. 国家热带植物种质资源库，海南海口 571101；

3. 农业农村部热带农业野生植物基因资源鉴定评价中心，海南儋州 571737；4. 海南省热带药用植物工程研究中心，海南

儋州 571737；5. 深圳市中国科学院仙湖植物园/深圳市南亚热带植物多样性重点实验室，广东深圳 518004

摘 要：基于 UPLC-Q-TOF-MS 技术对益智种子和果皮乙醇提取物的非挥发性成分进行分析。采用回流提取法制备供

试样品，采用超高效液相色谱仪分离益智种子和果皮乙醇提取物化学成分，以 Waters ACQUITY UPLC HSS T3（100 mm×

2.1 mm，1.8 μm）色谱柱为分析柱，0.1%甲酸水溶液–0.01%甲酸乙腈溶液为流动相进行梯度洗脱，流速 0.3 mL/min，

质谱采用电喷雾离子源（ESI），四极杆-飞行时间质谱采集其一级和二级高分辨质谱数据，并用 Masslynx 软件对原始

质谱数据进行分子特征提取，结合文献报道信息，综合分子相应结构特征、精确相对分子质量和质谱裂解规律，对化

合物结构进行识别鉴定。从益智种子和果皮乙醇提取物中分别鉴定 32 个和 50 个非挥发性成分，包括黄酮类、酚酸类、

糖类、脂肪酸类和萜类化合物等 5 类成分，其中有 58 个化合物为首次从益智中分离得到；益智种子的主要成分为酚酸

类（11 个）化合物，也是益智种子的代表性成分，占总鉴定结构化合物总数的三分之一，而益智果皮中的酚酸类成分

较少，仅鉴定得到 6 个酚酸类化合物；益智果皮主要成分为黄酮类（19 个）化合物，占总鉴定结构的化合物总数近三

分之一，且种类丰富，而种子中仅鉴定得到 1 个黄酮类化合物；二者中共有成分仅 4 个，分别是单糖类化合物 D-gluconic

acid、D-glucopyranuronic acid，二糖类化合物 sucrose 和黄酮类化合物 chysin。结果表明，益智种子非挥发性化学物质

较少，而益智果皮中含有的化学物质种类较多；益智种子和果皮的化学成分差异较大：益智种子主要成分为酚酸类活

性物质，益智果皮则以黄酮和萜类成分为主，在综合利用和质量控制上应区别对待使用。

关键词：UPLC-Q-TOF-MS；益智种子和果皮；成分分析

中图分类号：S567.239 文献标识码：A

UPLC-Q-TOF-MS Based Analysis of Chemical Constituents of Seeds

and Peels of Alpinia oxyphylla

WANG Maoyuan1,3,4, WANG Zhunian1,3,4*, WANG Qinglong1,2, YANG Qing1,3,4, ZHANG Min5

,

YAN Xiaoxia1,3,4

1. Tropical Crops Genetic Resources Institute, Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences, Haikou, Hainan 571101, China;

2. National Tropical Plants Germplasm Resource Center, Haikou, Hainan 571101, China; 3. Tropical Wild Plant Gene Resource,

Ministry of Agriculture & Rural Affairs, Danzhou, Hainan 571737, China; 4. Hainan Provincial Engineering Research Center for

Tropical Medicinal Plant, Danzhou, Hainan 571737, China; 5. Key Laboratoory of Southem Subtropical Plant Diversity, Shenzhen

Fairy Lake Botanical Garden, Shenzhen & Chinese Academy of Sciences, Shenzhen, Guangdong 518004

Abstract: The purpose of this paper was to analyze and identify the nonvolatile components of the ethanol extract in the

seeds and peels of Alpinia oxyphylla. The extracts were prepared by the refluxing methods, high-resolution mass spectrometric data of the extract were collected by the ultra performance liquid chromatography coupled with quadrupole-time of flight-tandem mass spectrometry (UPLC-Q-TOF-MS). The main components in the extracts were separated