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土壤水分是连接土壤-植被-大气连续体中大气降水、地表水、土壤水和地下水相互转化的重要环节[1−2]。在降雨、植被类型、整地方式等诸多因素的影响下,土壤水分可能存在时空差异[3]。黄土高原是生态脆弱和水土流失严重的地区,为此开展了大规模的退耕还林还草工程[4−5]。2000—2020年期间,黄土高原耕地、林地、未利用土地变化幅度明显,耕地面积减少了12 918 km2,林地面积增加了3 232 km2,灌木面积增加了555 km2,未利用地面积减少了1 982 km2[6]。但黄土高原降水少、蒸发强,不合理的造林方式消耗了大量的土壤水分[7−8],林地土壤水分亏缺愈发严重[9−10],土壤干层的情况不断加深[11−12],土壤水分成为了限制人工林生长的主要因素,也是评价生态环境状况的主要指标。因此,研究土壤水分的动态变化对于综合评价植被恢复引起的生态系统结构和功能的变化至关重要。
应用工程措施是开展植被恢复的有效方式,反坡台、水平阶、水平沟、鱼鳞坑等工程措施能够有效促进水分入渗,减少地表径流,控制水土流失,起到增加土壤水分的作用[13−14]。其中,水平阶是黄土高原常见的工程措施,对于40~180 cm土层土壤含水量提升尤为明显[15]。水平阶整地与合理的生物措施配置,不仅能提高土壤水分利用率,促进灌草的生长,还能够有效拦截降水,改善土壤供水能力,起到良好的保持水土作用[16−17]。
刺槐Robinia pseudoacacia和侧柏Platycladus orientalis适应性强、耐干旱贫瘠,成为了黄土高原植被恢复过程中主要的造林树种。诸多学者围绕黄土丘陵沟壑区植被恢复过程中土壤水分变化特征、植被类型、整地措施与土壤水分的关系开展了多尺度的研究[18−20]。这些研究多集中在不同林地含水量状况的对比,而对水平阶整地与典型树种相结合下的土壤水分特征研究并不多见。基于此,本研究选择晋西黄土区典型的丘陵沟壑区,通过定位监测,分析水平阶整地和植被耦合作用下土壤水分的动态变化,为植被恢复和流域综合治理提供科学依据。
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研究区域位于山西省吉县的蔡家川流域,地理坐标为36°14′27″~36°18′23″N,110°39′45″~110°47′45″E,属于典型的黄土残塬沟壑区,土壤类型为褐土,黄土母质。该流域属暖温带大陆性气候,降雨主要集中在6—9月,年平均降雨量为579.0 mm,年潜在蒸发量为1 723.9 mm。蔡家川流域内人工林以刺槐林、油松Pinus tabuliformis林、侧柏林为主,林下植被以菊科Compositae、禾本科Gramineae、蔷薇科Rosaceae植物为主,代表性植物有黄刺玫Rosa xanthina、土庄绣线菊Spiraea pubescens、茅莓Rubus parvifolius、铁杆蒿Artemisia gmelinii、蒌蒿Artemisia selengensis、虉草Phalaris arundinacea、紫丁香Syringa oblata、薹草Carex tristachya等。
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以研究区内林分密度和林龄基本一致的典型人工植被刺槐林地和侧柏林地作为土壤水分观测样地,采用配对试验设计,分别设置自然坡面刺槐林地、自然坡面侧柏林地、水平阶刺槐林地、水平阶侧柏林地,开展土壤水分定位监测,分别于各样地内设置3个面积为20 m×20 m的样方开展每木检尺,测定各样地的立地条件和林分基本信息,包括海拔、坡度、坡向以及林下主要植被的胸径、树高、冠幅和土壤容重,各样地基本情况见表1。
表 1 样地基本特征
Table 1. General situation of the sample plots
样地类型 海拔/m 坡度/(°) 坡向/(°) 主要林下植物 胸径/cm 树高/m 冠幅/m2 容重/(g·cm−3) 自然坡面刺槐林地 1 127.5 23 230(西南) 茅莓、黄刺玫 20.53±4.38 15.32±2.01 3.34±0.87 1.46±0.08 水平阶刺槐林地 1 127.5 23 230(西南) 茅莓、黄刺玫 20.81±3.97 15.93±1.98 3.15±0.94 1.31±0.15 自然坡面侧柏林地 825.5 21 180(南) 薹草 11.44±3.79 7.02±1.99 2.78±0.89 1.26±0.14 水平阶侧柏林地 825.5 21 180(南) 薹草 11.93±3.45 7.23±1.54 2.59±0.72 1.19±0.11 说明:胸径、树高、冠幅和容重的数值为平均值±标准差。 -
于各样地内布设电容式频域反射(frequency domain refletrometry,FDR)土壤水分传感器,分不同土壤深度(0~10、10~20、20~40、40~60、60~80、80~100、100~120、120~140、140~160、160~180 cm),在生长季(2019年5月1日—9月31日)进行土壤水分定位监测,5 min测定1次。为了对FDR测定值进行数据标定,在每个样地中央挖掘土壤剖面2 m,每层10 cm,用铝盒取土,用烘干法测定土壤含水量。
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有序样本最优分割法是属于系统聚类中的方法,能够在不打乱样本原有顺序的基础上进行聚类分析。本研究在得到数据分析结果后绘制碎石图,拟合误差函数及分类数关系曲线,从而确定最优分类数,同时以标准差(S)和变异系数(Cv)为指标,对土壤水分含量进行聚类,确定土壤水分的垂直变化层次[21−22]。
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采用Excel 2019和SPSS 23.0对实测数据进行统计分析,使用Origin 2019进行数据可视化处理。采用SPSS 23.0进行单因素方差分析(one-way ANOVA),相关数据用平均值±标准差表示,同因素不同水平间差异显著性采用最小显著差异法(LSD)进行检验(P<0.05)。
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2019年研究区共发生降雨85次,总降雨量为390.1 mm。如图1所示:2019年生长季内共发生54次降雨事件,总降雨量为304.0 mm,占全年总降雨量77.9%。其中,最小降雨量为0.2 mm,最大降雨量为77.8 mm,最大降雨强度为9.6 mm·h−1,最长的降雨历时达55.58 h。在54次降雨事件中,降雨量大于20 mm的有2次,分别发生在6月4日和9月9日,占生长季总降雨量的45.90%;降雨量在5~20 mm的降雨事件有12次,占生长季总降雨量的38.90%;降雨量小于5 mm的事件有40次,占生长季降雨量的15.20%。可见研究期间降雨以小到中雨为主,集中在6—9月。
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以自然坡面刺槐林地生长季土壤水分变化为例(图2A):5月降雨量较少,所以土壤含水量无显著变化;6月随着降雨量的增加,0~60 cm土层变化剧烈;7、8月,随着降雨量的减少,土壤水分变化较小;9月随着降雨量的增加,0~60 cm土层土壤含水量波动明显。
图 2 水平阶整地前后土壤水分随时间的动态变化
Figure 2. Dynamic changes of soil moisture with time before and after level benches
由表2可见:各月份水平阶整地前后土壤水分差异显著(P<0.05)。5月,水平阶刺槐林地土壤含水量显著高于自然坡面刺槐林地,水平阶侧柏林地土壤含水量显著高于自然坡面侧柏林地(P<0.05);6月,水平阶侧柏林地土壤含水量显著高于自然坡面侧柏林地(P<0.05),但水平阶和自然坡面刺槐林地之间差异不显著;7月,水平阶刺槐林地土壤含水量与自然坡面刺槐林地差异不显著,水平阶侧柏林地土壤含水量显著高于自然坡面侧柏林地(P<0.05)。8—9月,水平阶侧柏林地土壤含水量显著高于自然坡面侧柏林地(P<0.05),但水平阶和自然坡面刺槐林地土壤含水量之间差异不显著。综合对比水平阶整地前后土壤含水量,从大到小排序为水平阶侧柏林地、自然坡面侧柏林地、水平阶刺槐林地、自然坡面刺槐林地。土壤含水量时间变化与降雨量大小关系密切,随降雨量的增加而增加。
表 2 不同样地逐月土壤体积含水量
Table 2. Monthly variation of soil volumetric water in different sample plots
月份 土壤体积含水量/% 自然坡面刺槐林地 水平阶刺槐林地 自然坡面侧柏林地 水平阶侧柏林地 5 13.60±0.12 Dd 15.84±0.17 Cd 15.98±0.19 Aa 16.25±0.10 Bc 6 16.91±1.46 Ba 17.68±1.20 Ba 17.06±2.13 Bb 21.58±2.73 Aa 7 15.48±0.49 BCb 15.20±0.53 Cb 15.73±0.72 Bc 17.74±0.61 Ab 8 14.31±0.37 Bc 14.47±0.31 Bc 14.51±0.51 Bd 16.98±0.40 Abc 9 16.82±2.05 Ba 17.30±1.84 Ba 17.69±1.87 Bab 20.86±2.64 Aa 合计 15.42±1.32 A 16.10±1.22 A 16.19±1.10 A 18.68±2.14 B 说明:不同大写字母表示同一月份不同样地之间差异显著(P<0.05),不同小写字母表示同一样地不同月份之间差异显著(P<0.05)。 -
由表3可见:同一深度水平阶整地前后土壤水分变化不同,不同深度土壤含水量差异显著(P<0.05)。在垂直方向上,水平阶整地后各土层土壤含水量明显提升,侧柏林地各土层平均土壤含水量均高于刺林槐林地。0~10 cm土层,4个样地土壤含水量无显著差异,其中水平阶侧柏林地土壤含水量最高,为16.25%;10~20和20~40 cm土层,自然坡面侧柏林地土壤含水量显著高于自然坡面刺槐林地(P<0.05),水平阶刺槐林地和侧柏林地土壤含水量差异不显著;40~60和60~80 cm土层,水平阶刺槐林地和侧柏林地土壤含水量显著高于自然坡面刺槐林地和侧柏林地(P<0.05),自然坡面侧柏林地土壤含水量显著高于自然坡面刺槐林地(P<0.05);80~100 cm土层,水平阶与自然坡面刺槐林地土壤含水量差异不显著,水平阶侧柏林地土壤含水量显著高于自然坡面侧柏林地(P<0.05);100~120、120~140、140~160 cm土层,土壤含水量变化同80~100 cm土层;160~180 cm土层,水平阶刺槐林地与自然坡面刺槐林地土壤含水量差异不显著,水平阶对侧柏林地土壤含水量提升显著(P<0.05)。
表 3 不同样地土壤体积含水量垂直分布
Table 3. Vertical variation of soil volumetric water of different sample plots
土层/cm 土壤含水量/% 自然坡面刺槐林地 水平阶刺槐林地 自然坡面侧柏林地 水平阶侧柏林地 0~10 15.36±2.99 Abc 15.96±3.40 Aa 15.89±3.25 Abcd 16.25±3.31 Abc 10~20 16.85±3.79 Aab 17.05±3.95 Aab 20.59±4.38 Aa 21.22±3.98 Ab 20~40 19.37±3.64 Aa 19.49±3.65 Ab 21.57±4.54 Aa 21.93±4.38 Abc 40~60 16.95±1.82 Aab 20.08±3.96 Ab 21.30±4.59 Aa 23.06±4.06 Abc 60~80 14.32±0.90 Cbc 15.48±1.81 Bac 19.49±3.03 Aac 21.54±2.86 ABbc 80~100 13.81±0.87 Abc 13.69±0.48 Aa 18.88±2.03 Babc 21.03±0.85 Ac 100~120 14.30±0.15 Bbc 14.70±0.19 Ba 16.11±1.03 Abcd 17.35±0.33 Abc 120~140 13.15±0.58 Dc 14.07±0.46 Ca 15.61±0.23 Bbcd 16.93±0.32 Abc 140~160 13.41±0.39 Dc 14.17±0.38 Ca 14.86±0.23 Bbd 17.18±0.28 Abc 160~180 13.57±0.79 BCc 13.23±0.26 Ca 14.12±0.43 Bd 16.68±0.39 Aa 说明:不同大写字母表示同一深度不同样地之间差异显著(P<0.05),不同小写字母表示同一样地不同深度之间差异显著(P<0.05)。 变异系数的大小反映土壤含水量变化的剧烈程度,变异系数越小,土壤含水量变化越小,反之越大。在0~180 cm土层范围内,将土壤水分的垂直变化划分为3个层次:活跃层、次活跃层以及相对稳定层。水平阶整地前后、不同植被类型样地土壤水分划分层次明显不同,自然坡面刺槐林地水分活跃层为0~10 cm土层(S=0~2.99,Cv=0~19.44%),次活跃层为10~60 cm土层(S=1.82~2.99,Cv=10.72%~19.44%),60 cm以下土层为相对稳定层(S=0.79~1.82,Cv=5.80%~10.72%);水平阶刺槐林地活跃层为0~20 cm土层(S=0~3.95,Cv=0~23.16%),次活跃层为20~80 cm土层(S=1.81~3.95,Cv=11.67%~23.16%),80 cm以下土层为相对稳定层(S=0.26~1.81,Cv=1.96%~11.67%);自然坡面侧柏林地活跃层为0~40 cm (S=0~4.54,Cv=0~21.07%),次活跃层为40~100 cm (S=2.03~4.54,Cv=10.75%~21.07%),100 cm以下土层为相对稳定层(S=0.43~2.03,Cv=3.05%~10.75%);水平阶侧柏林地活跃层为0~60 cm 土层(S=0~4.06,Cv=0~21.40%),次活跃层为60~140 cm土层(S=0.32~4.06,Cv=1.72%~21.40%),140 cm以下土层为相对稳定层(S=0.32~0.39,Cv=1.60%~1.72%)。从图3还可以看出:水平阶刺槐林的土壤水分活跃层与次活跃层深度范围为0~80 cm,其深度范围比自然坡面刺槐林地(0~60 cm)提升了33%,同样,水平阶侧柏林地土壤水分活跃层与次活跃层的深度范围为0~140 cm,比自然坡面侧柏林地(0~100 cm)提升了40%。侧柏林样地土壤水分的活跃层和次活跃层土层范围明显大于刺槐林样地。
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土壤水分动态变化受降雨、地形、植被等直接影响,其中降雨是制约黄土丘陵区植被恢复与重建的重要因素,也是土壤水分的重要来源之一。本研究发现:土壤含水量大小与降雨量密切相关,随降雨量的增加而增加,这与翟博超等[23]在黄土丘陵区的研究结果一致。研究区降雨主要发生在5—9月,此阶段为植物的生长期,土壤水分动态活跃期也同期进行。研究区人工林的土壤水分特征具有明显的时间差异性,5月,由于土壤接受的降雨补给较少,土壤含水量较低,进入6月,随着降雨量的增加,土壤含水量呈明显上升趋势,7—8月,土壤得到降雨补给,但土壤含水量并没有表现出明显的增长趋势,这可能是由于从7月初开始,气温升高、太阳辐射变强,植物生理活动活跃,加之降雨对根系区水分的补充,植物进入生长旺盛阶段,同时此阶段植物蒸腾和土壤蒸发作用逐渐变强,消耗了一部分土壤水分,林地土壤水分动态表现为7—8月整体平稳,这与强方方[24]等的研究结果一致。
已有研究在对黄土丘陵区坡面整地和植被耦合下的土壤水分特征分析中发现:除降雨季节分布格局外,植被本身的属性也是影响水分变化的重要因素,土壤水分动态变化与植被冠层截流、树干茎流、根系状况等直接相关[25]。本研究发现:自然坡面和水平阶侧柏林地土壤含水量分别显著高于自然坡面和水平阶刺槐林地,这可能由于一方面侧柏的高度较低,冠幅较小,冠层截留的效应不及刺槐显著,且可以利用的坡面径流比刺槐少;另一方面,刺槐根系发达,林分耗水量大,导致土壤含水量降低。这与李玉婷等[26]在晋西黄土区典型人工林特征及土壤水分动态研究的结果一致。
本研究发现:水平阶整地方式对土壤含水量具有显著的提升作用,且水平阶整地方式对于侧柏样地土壤含水量的提升效果要优于刺槐样地。水平阶侧柏林地、刺槐林地不同深度的土壤含水量都要高于自然坡面侧柏林地、刺槐林地,这与前人研究结果一致[27],即工程措施的开展与应用通过改变地形,拦蓄降水,从而提升土壤的含水量。王悦等[28]研究认为:相同降雨强度下,不同微地形塑造能有效增加土壤含水量,且水平阶对土壤水分的增加效果优于鱼鳞坑,这也证明水平阶整地方式对提高土壤含水量起到了积极的作用。程谅等[29]研究指出:整地措施对坡面土壤水分的空间异质性提升明显,提升了坡面的入渗能力。本研究也发现:水平阶整地后,可以拦蓄更多的地表径流,增加土壤水分入渗量,最终提高了土壤含水量。水平阶整地对提高土壤含水量的效果侧柏林地要优于刺槐林地,一方面可能由于刺槐林凋落物积蓄量较少且易于分解,侧柏林常年凋落物层较厚,水平阶整地后侧柏林地可以存留更多凋落物,抑制了土壤水分蒸发,使得土壤含水量增加[30];另一方面,侧柏根系深度较浅,对深层土壤水分消耗量较小,土壤含水量较高,这与张佳楠等[31]的研究结果一致。
土壤水分的垂直分层主要受降雨、土壤蒸发、植被作用等多种因素的影响,总体表现出上层土壤水分动态变化剧烈,下层土壤水分相对稳定的特征[32]。不同学者对土层的划分标准不同,有依据土壤含水量的变化将人工林土壤层次划分为交换层、利用层、调节层和稳定层 [33];有从蒸散耗水角度,将土壤水分变化划分为地表植物蒸散耗水层、林下灌木蒸散耗水层、刺槐蒸散耗水层[34];还有根据变异系数将土壤水分垂直划分为速变层和相对稳定层[35]。本研究根据土壤含水量、标准差以及变异系数将研究样地土壤水分垂直变化划分为土壤含水量活跃层、次活跃层与相对稳定层。活跃层土壤含水量主要与降雨、土壤蒸散发、植被蒸腾有关,含水量相对较高,水分动态变化较为剧烈;次活跃层处于活跃层与相对稳定层交接地带,植被根系主要分布于此部分,为植被生长提供必要的水分保障;随着土层深度的增加,相对稳定层几乎得不到降雨和地下水的补充,受干扰比较小,所以土壤含水量减少且趋于稳定。相关报道说明,水平阶整地能有效改善土壤状况,改变垂直方向上土壤水分活跃层、次活跃层、相对稳定层的分布,促进人工林地植被生长状况[36]。本研究结果显示:水平阶整地有效提升了侧柏林地和刺槐林地土壤活跃层与次活跃层的深度。这是因为水平阶整地通过改造下垫面土壤性质,改变了土壤水分的分布状况,一方面能够有效拦截径流和泥沙,另一方面也使得降雨得到再分配,植被能够通过拦截到的径流强化自身的水分供应[37],使生长季中水平阶整地对土壤水分的补充和调节效果明显。
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在水平阶整地和植被类型的耦合作用下,水平阶整地措施能显著提升土壤含水量,且对侧柏林地的提升效果优于刺槐林地。黄土高原地区土壤水分可划分为活跃层、次活跃层、相对稳定层3个垂直层次,水平阶整地可以显著提升土壤水分的活跃层、次活跃层深度,且水平阶侧柏林地提升效果要优于水平阶刺槐林地。
Soil moisture characteristics under level bench and vegetation in loess area of western Shanxi Province
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摘要:
目的 探究晋西黄土区典型造林树种和水平阶整地措施对0~180 cm土层土壤水分动态的影响,为植被恢复及流域综合治理提供参考依据。 方法 以晋西黄土残塬区蔡家川流域典型工程措施水平阶以及主要造林树种刺槐Robinia pseudoacacia和侧柏Platycladus orientalis为研究对象,于2019年5—9月生长季开展土壤水分定位监测,并采用配对试验,对自然坡面刺槐林地与侧柏林地土壤水分进行同步观测,分析不同植被和水平阶整地综合影响下的土壤水分特征及对降雨事件的响应,评价典型工程措施对不同植被土壤含水量的影响。 结果 生长季不同植被类型、水平阶整地前后的土壤含水量的变化与降雨量的变化密切相关,不同样地平均土壤含水量由高到低依次为水平阶侧柏林地 (18.68%)、自然坡面侧柏林地(16.19%)、水平阶刺槐林地(16.10%)、自然坡面刺槐林地(15.42%)。较之自然坡面,水平阶整地措施能够分别提高侧柏林地和刺槐林地土壤含水量15.38%、4.41%。根据土壤水分垂直变化特征,水平阶整地可以提升土壤水分的活跃层、次活跃层深度:水平阶侧柏林地活跃层、次活跃层深度范围为0~80 cm,相对于自然坡面侧柏林地提升深度33%;水平阶刺槐林地活跃层、次活跃层深度范围为0~140 cm,相对于自然坡面刺槐林地提升深度40%。 结论 土壤含水量的动态变化与降雨量、工程措施、植被作用关系密切,水平阶是开展黄土残塬小流域生态恢复的有效工程措施,且水平阶侧柏林地提升效果要优于水平阶刺槐林地。图3表3参37 Abstract:Objective This study, with an exploration of the effects of typical afforestation tree species and level bench measure on soil moisture dynamics in 0−180 cm soil layer in the loess region of western Shanxi Province, is aimed to provide a reference for vegetation restoration and comprehensive watershed management. Method Taking the level bench , which is a typical engineering measure and the main afforestation tree species (Robinia pseudoacacia and Platycladus orientalis) in Caijiachuan watershed in the loess plateau region of western Shanxi as the research objects, the soil moisture was monitored in the growing season of 2019 (May − September), with a synchronous observation made of the soil moisture of natural slopes of R. pseudoacacia and P. orientalis using the paired experimental design before an analysis was conducted of the soil moisture characteristics under the comprehensive influence of different vegetation types and level bench and the response process to rainfall events and the effects of typical engineering measures on soil moisture of different vegetation types were evaluated. Result The changes of soil moisture before and after soil preparation with different vegetation types and level bench were closely related to the changes of rainfall and the average soil moisture decreased from level bench-P. orientalis (18.68%), slope-P. orientalis (16.19%), level bench-R. pseudoacacia (16.10%) to slope-R. pseudoacacia (15.42%). Compared with natural slope, level bench could increase the soil moisture of P. orientalis and R. pseudoacacia by 15.38% and 4.41% respectively and according to the vertical variation characteristics of soil moisture, level bench could significantly increase the depth of active layer and secondary active layer of soil moisture: the depth of horizontal active layer and secondary active layer of P. orientalis ranged from 0 to 80 cm, which was 33% higher than that of P. orientalis slope while the depth of horizontal active layer and secondary active layer of R. pseudoacacia ranged from 0 to 140 cm, which was 40% higher than that of R. pseudoacacia slope. Conclusion The dynamic change of soil water content is closely related to rainfall, engineering measures and vegetation. Level bench is an effective engineering measure to carry out ecological restoration in small watershed of loess plateau, and the lifting effect of P. orientalis level bench is better than that of R. pseudoacacia level bench. [Ch, 3 fig. 3 tab. 37 ref.] -
Key words:
- level bench /
- vegetation type /
- soil water content /
- dynamic change /
- loess area in western Shanxi
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香榧Torreya grandis ‘Merrilii’是红豆杉科Taxaceae榧树属Torreya裸子植物榧树Torreya grandis经无性繁殖形成的优良栽培品种,也是中国南方特有的集果用、药用、材用、油用和观赏于一体的珍贵经济树种,具有极高的经济和生态价值[1]。香榧种实风味香酥,余味浓郁,营养丰富,具有很强的健康功效,深受消费者的喜爱,且丰产期产值在30万元·hm−2以上[2]。与其他坚果不同,香榧种实需经过一段后熟过程以积累糖分、不饱和脂肪酸和氨基酸等营养成分[3],此过程对于香榧坚果采后品质的形成与提升极为关键[4]。
氨基酸是构建蛋白质的基本组成单元,不仅是人体生命活动的重要物质基础,也是决定食物风味与营养价值的关键成分[5−6]。在坚果中,游离氨基酸的含量及组成直接影响其营养品质和感官特性,尤其是呈味氨基酸的分布对坚果的风味特征具有重要贡献,如鲜味氨基酸赋予食物鲜味[7],甜味氨基酸增强甜感[8],而芳香味氨基酸则带来复杂味觉层次[9]。ZHANG等[10]研究表明:香榧种仁中含有17种游离氨基酸,其中,鲜味氨基酸占比最高,赋予其浓郁的鲜香风味,甜味和苦味氨基酸次之,形成独特的味觉平衡。长柄扁桃仁Amygdalus pedunculatus中,游离氨基酸质量分数较高,达21.74~32.35 mg·g−1,其必需氨基酸占总氨基酸比例为24.86%~28.22%,以鲜味氨基酸为主,甜味氨基酸次之[11]。鲜核桃Juglans regia中谷氨酸和天冬氨酸占比显著高于干核桃,其必需氨基酸占比高于扁桃仁,达30%~41%,营养价值更高[12]。花生Arachis hypogaea[13]和榛子Corylus heterophylla[14]等其他坚果,虽然氨基酸占比有差异,但游离氨基酸占比均少于扁桃仁。香榧受异花授粉、自然杂交、生态环境等方面因素影响,产生了许多变异,形成了不同品种(品系)。目前已研究发现:不同香榧品种的种实在形态和营养物质方面存在显著差异,如核形指数[15]、油脂[16]和蛋白质等[17]。氨基酸作为蛋白质的分解产物,它的组成和质量分数是衡量香榧品质优劣的重要指标[18]。
本研究选取当前主要栽培品种‘细榧’T. grandis‘Xi Fei’和主要推广品种‘象牙榧’T. grandis‘Xiangya Fei’,分析2个品种种实氨基酸积累的规律和差异,为香榧的品质评估和品种推广提供科学参考,以进一步提升香榧坚果的核心竞争力以及推动香榧产业的发展。
1. 材料与方法
1.1 材料
种实采集于浙江省湖州市安吉县上墅乡刘家塘村(30°38′N,119°41′E),选取突破种鳞后525 d的‘细榧’ 和‘象牙榧’种实。样品采摘后于4 h内运回实验室,人工去除假种皮后清洗干净,放置一晚去除田间热。选取大小、颜色、形状一致的香榧种实,将其分为3个生物学重复,每个重复20 kg,置于温度25 ℃和湿度90%的室内进行后熟处理。每天进行1次翻堆,保证种实处于均匀的后熟环境。分别于后熟的第0、5、10、15和20天进行采样,人工去除香榧种壳,并将2个品种香榧种仁切碎分装于50 mL离心管,立即置于液氮中冷却速冻,放置于−80 ℃冰箱中保存,用于后续研究。
1.2 试剂与仪器
茚三酮、乙酸、乙酸钠、盐酸、氢氧化钠、乙醇等分析纯试剂购自国药集团化学试剂有限公司,柠檬酸、柠檬酸钠等优级纯试剂购自日本和光公司,氨基酸混标购自Sigma公司。L-8900全自动氨基酸分析仪购自日本日立公司,天平为波兰RADWAG-AS 220.R2专业分析天平。
1.3 方法
1.3.1 标准曲线绘制
准确吸取Type B、Type AN-Ⅱ氨基酸混标(日本和光)各0.20、0.40、0.60、0.80、1.00 mL于25 mL容量瓶中,用0.02 mol·L−1盐酸溶液定容,4 ℃冷藏保存。取配制好的17种氨基酸混标,进样20 µL,以氨基酸浓度为横坐标,峰面积为纵坐标,绘制标准曲线。
1.3.2 氨基酸测定
取5 g液氮研磨好的香榧种实粉末鲜样,溶于10 mL去离子水,混匀成匀浆。再将该匀浆移至100 mL的容量瓶中,并添加60 mL的去离子水,摇匀后沸水浴1 h,期间每15 min涡旋1次。待冷却到室温后,定容到100 mL。从中取5 mL的定容液置于15 mL的离心管中,再加入等体积质量浓度为10%的磺酸水杨酸溶液混匀后,在4 ℃、10 000 r·min−1的条件下离心15 min。离心后用注射器吸取上清液,取上清液过0.22 μm水膜,待测。采用L-
8900 全自动氨基酸分析仪测定香榧种实游离氨基酸。1.3.3 色谱条件
色谱柱为Na+型阳离子交换柱;离子交换树脂2622,检测器为紫外可见光检测器;显色剂为茚三酮;缓冲液系统为柠檬酸钠缓冲液B1 (pH 3.2),B2 (pH 3.0),B3 (pH 4.0),B4 (pH 4.9);缓冲液流速为0.40 mL·min−1,茚三酮流速为0.35 mL·min−1;柱温为57 ℃,室温为135 ℃。进样体积为20 μL。用外标法测定样品溶液中的游离氨基酸,其中脯氨酸检测波长为440 nm,其他氨基酸检测波长为570 nm。
1.4 数据处理
数据通过Excel进行计算并绘图,方差分析采用SPSS 26.0。对数据进行标准化处理,进一步计算特征值和特征向量,基于累积方差贡献率进行主成分分析(PCA);数据分析过程在Origin 2022平台完成,采用内置的PCA分析模块进行处理,并绘制相应的得分图(Score Plot),以直观展示各类氨基酸在主成分空间中的分布特征及其相互关系。
2. 结果与分析
2.1 游离氨基酸的质量分数及组成分析
以17种游离氨基酸为对照,分别检测后熟过程中‘细榧’和‘象牙榧’种实的氨基酸组分。如图1所示:在‘细榧’和‘象牙榧’种实中氨基酸种类无差异,均检测到了包含天冬氨酸、苏氨酸等14种蛋白质氨基酸以及γ-氨基丁酸,但组氨酸和精氨酸未检出(表1和表2)。
表 1 在后熟过程中‘细榧’和‘象牙榧’种实非必需氨基酸质量分数的变化Table 1 Non-essential amino acid content of ‘Xi Fei’ and ‘Xiangya Fei’ seeds during post-ripening process品种 时间/d 非必需氨基酸质量分数/(µg·g−1) 天冬氨酸 丝氨酸 谷氨酸 脯氨酸 甘氨酸 丙氨酸 酪氨酸 γ-氨基丁酸 总计 ‘细榧’ 0 40.90±1.15 c 46.37±2.56 b 72.80±5.89 de 44.01±7.91 a 9.43±0.65 b 29.90±1.43 cd 52.87±2.78 f 156.33±8.06 d 433.67±23.61 f 5 42.77±8.77 c 38.90±0.80 cd 89.63±2.79 bc 23.82±3.82 bc 30.20±6.22 a 28.87±2.21 d 114.67±4.99 d 320.00±24.91 a 665.03±36.97 cd 10 42.77±8.77 c 41.60±0.36 bcd 84.83±8.86 cde 14.03±4.24 c 32.73±5.89 a 35.13±0.69 bc 139.67±8.99 abc 331.67±21.70 a 731.30±28.72 abc 15 78.97±3.76 b 40.37±2.74 cd 72.47±5.42 de 15.23±0.97 c 32.07±5.53 a 34.93±3.46 bc 149.33±18.57 a 358.67±33.81 a 766.80±76.40 ab 20 79.27±6.31 b 36.57±1.03 d 81.20±2.97 cde 37.17±9.61 ab 33.47±4.18 a 30.80±0.59 cd 146.00±8.64 ab 353.67±14.50 a 798.13±19.70 a ‘象牙榧’ 0 106.23±8.32 a 51.53±1.67 a 71.97±5.15 e 40.77±8.34 a 12.63±1.24 b 40.53±1.10 a 72.30±5.46 ef 166.67±5.79 d 562.63±13.31 e 5 83.83±4.25 b 38.87±1.95 cd 87.70±13.71 bcd 42.77±7.89 a 26.40±0.45 a 34.60±2.32 bc 79.27±5.78 e 225.33±3.86 c 618.77±39.21 de 10 102.37±4.88 a 42.53±1.46 bc 92.63±5.24 bc 36.37±7.33 ab 29.43±1.00 a 33.27±1.09 cd 104.57±7.73 d 263.67±9.74 bc 704.83±27.31 bc 15 121.67±2.05 a 38.17±5.45 cd 100.20±2.29 b 42.47±7.98 a 26.33±4.22 a 39.03±4.71 ab 117.67±7.32 cd 270.33±16.74 b 755.86±21.37 abc 20 121.00±11.43 a 36.80±2.55 cd 119.33±6.13 a 22.40±12.01 bc 34.30±6.64 a 30.10±0.08 cd 124.67±19.62 bcd 255.67±30.71 bc 744.27±75.48 abc 说明:数值为平均值±标准差。不同小写字母表示‘细榧’和‘象牙榧’在同一物质不同后熟时间间差异显著(P<0.05)。 表 2 在后熟过程中‘细榧’和‘象牙榧’种实必需氨基酸质量分数的变化Table 2 Essential amino acid content of ‘Xi Fei’ and ‘Xiangya Fei’ seeds during post-ripening process品种 时间/d 必需氨基酸质量分数/(µg·g−1) 苏氨酸 缬氨酸 蛋氨酸 异亮氨酸 亮氨酸 苯丙氨酸 赖氨酸 总计 ‘细榧’ 0 23.37±1.34 b 28.63±2.43 c 10.07±1.11 cd 24.13±0.17 d 37.97±0.87 cd 57.80±2.38 d 38.53±3.82 b 220.50±14.06 c 5 35.63±2.47 a 44.23±4.76 ab 10.23±0.45 cd 31.70±2.49 abc 44.57±5.82 abcd 89.60±6.73 a 62.33±2.36 a 318.30±27.81 ab 10 38.83±2.25 a 48.60±2.29 a 11.97±0.88 bc 34.73±2.41 ab 48.87±5.57 ab 89.53±1.30 a 72.23±2.15 a 344.77±19.50 a 15 37.43±3.60 a 47.43±4.92 a 9.63±0.74 cd 34.60±3.60 ab 41.73±6.21 abcd 82.07±7.93 ab 67.43±7.71 a 320.33±40.59 ab 20 34.47±2.13 a 44.73±4.72 a 8.20±0.00 de 29.03±1.80 c 36.67±2.32 d 73.00±2.44 bc 63.07±5.31 a 289.17±18.78 b ‘象牙榧’ 0 33.93±0.85 a 37.13±1.90 b 16.00±0.67 a 29.97±0.54 bc 48.67±2.38 abc 87.93±5.41 a 65.50±2.09 a 319.13±8.33 ab 5 34.40±1.24 a 41.60±1.55 ab 11.37±2.38 bc 32.30±2.34 abc 45.63±2.00 abcd 77.33±10.14 abc 59.87±10.17 a 302.50±35.60 ab 10 37.17±1.23 a 47.63±1.28 a 12.70±1.39 b 36.30±2.48 a 51.63±3.41 a 80.73±3.80 ab 67.57±7.62 a 333.73±24.24 ab 15 38.30±1.44 a 48.00±1.14 a 10.30±0.49 cd 35.80±0.41 a 43.07±8.13 abcd 71.00±2.62 bc 66.60±2.87 a 313.07±16.31 ab 20 34.20±3.47 a 43.43±3.52 ab 7.03±0.40 e 32.67±3.18 abc 38.50±3.24 bcd 65.10±7.86 cd 65.17±7.85 a 286.10±33.01 b 说明:数值为平均值±标准差。不同小写字母表示‘细榧’和‘象牙榧’在同一物质不同后熟时间间差异显著(P<0.05)。 根据标准曲线计算得到每种氨基酸的质量分数,结果显示:2个品种种实在后熟过程中的总游离氨基酸质量分数均显著(P<0.05)增加,‘细榧’种实的总游离氨基酸质量分数为673.11~1 102.36 µg·g−1,‘象牙榧’种实为881.77~1 068.93 µg·g−1(图2)。后熟过程开始后,‘细榧’和‘象牙榧’种实总非必需氨基酸质量分数显均呈现上升趋势,‘细榧’在第20天积累达到最多,而‘象牙榧’种实则在第15天达时达到最大值后下降(表1)。‘细榧’种实总必需氨基酸质量分数显著高于‘象牙榧’(P<0.05,表2),然而,‘细榧’种实总必需氨基酸占比(26.59%~32.76%)却小于‘象牙榧’的占比(27.77%~36.19%)。在这2个品种中,γ-氨基丁酸质量分数最高,其次是谷氨酸和酪氨酸。γ-氨基丁酸在后熟过程中显著积累,且在第20天‘细榧’种实中γ-氨基丁酸质量分数为‘象牙榧’的1.38倍。
2.2 呈味氨基酸的差异分析
2.2.1 总呈味氨基酸分析
甜味氨基酸包括脯氨酸、赖氨酸、丙氨酸、甘氨酸、丝氨酸和苏氨酸;芳香味氨基酸包括酪氨酸和苯丙氨酸;鲜味氨基酸包括谷氨酸和天冬氨酸;苦味氨基酸包括蛋氨酸、亮氨酸、异亮氨酸和缬氨酸。在‘细榧’和‘象牙榧’种实中,总呈味氨基酸的质量分数从大到小排序为甜味氨基酸>芳香族氨基酸>鲜味氨基酸>苦味氨基酸。鲜味氨基酸在‘象牙榧’种实中的占比高于‘细榧’,而芳香族氨基酸占比则相反,即在‘细榧’种实中的占比高于‘象牙榧’(图3A)。PCA结果(图3B)显示:鲜味、甜味、苦味和芳香族氨基酸在这2个品种中显示出明显的分离,且‘细榧’种实具有较高的芳香族氨基酸,而‘象牙榧’种实具有较高的鲜味氨基酸和甜味氨基酸。
2.2.2 甜味氨基酸分析
在后熟过程中,‘细榧’种实的总甜味氨基酸质量分数无显著变化,在第20天时最高,为235.53 µg·g−1;‘象牙榧’种实的总甜味氨基酸逐渐积累,在第15天时达到最大值,为250.89 µg·g−1(图4A)。在‘象牙榧’种实中,赖氨酸的质量分数最高,在‘细榧’中,赖氨酸逐渐积累且在第15天达到最高。PCA结果(图4B)显示:2个品种种实的甜味氨基酸在第0天差异明显,其中丝氨酸在‘象牙榧’中的贡献较大。随着后熟时间的推移,2个品种的甜味氨基酸质量分数差异不明显。
2.2.3 芳香族氨基酸分析
如图5A所示:后熟第0天时,‘细榧’种实的芳香族氨基酸质量分数低于‘象牙榧’。在后熟过程中,2个品种种实的芳香族氨基酸质量分数均呈上升趋势,但‘象牙榧’到第10天后趋于稳定,不再增加,而‘细榧’仍不断增加,在第15天达到最大值,且高于‘象牙榧’。‘细榧’种实的芳香族氨基酸质量分数介于110.67~231.40 µg·g−1,‘象牙榧’则介于156.60~189.77 µg·g−1。苯丙氨酸和酪氨酸是构成香榧芳香族氨基酸的重要成分,其中酪氨酸在后熟过程中质量分数增加更为显著,这2种氨基酸都对‘细榧’种实后熟过程中芳香味的形成有较大贡献(图5B)。
2.2.4 鲜味氨基酸分析
在后熟过程中,2个品种种实总鲜味氨基酸质量分数的变化趋势与芳香族氨基酸相似,均呈上升的趋势。然而,‘象牙榧’种实的鲜味氨基酸质量分数在整个后熟期间始终高于‘细榧’,特别是在后熟的第20天时,‘象牙榧’种实的鲜味氨基酸质量分数比‘细榧’高79.86 µg·g−1(图6A)。谷氨酸和天冬氨酸是构成香榧鲜味氨基酸的关键成分,均在后熟过程中逐渐积累。相比而言,‘细榧’种实的谷氨酸变化较小,这说明天冬氨酸可能是影响‘细榧’鲜味变化的主要因素。而在‘象牙榧’种实中,天冬氨酸和谷氨酸的质量分数则相对接近。PCA结果(图6B)进一步显示:谷氨酸和天冬氨酸均对‘象牙榧’种实在后熟过程中的鲜味有着较大的贡献。
2.2.5 苦味氨基酸分析
如图7A所示:‘细榧’和‘象牙榧’的苦味氨基酸质量分数接近,在后熟过程中的变化趋势也相似,均在后熟第10天达到最高值,后逐渐降低。亮氨酸、异亮氨酸和缬氨酸占‘细榧’和‘象牙榧’苦味氨基酸的90%。2个品种在PCA分析(图7B)中呈现一定的分离,说明2个品种在后熟过程中苦味氨基酸组成的变化模式存在差异,其中亮氨酸和蛋氨酸对‘象牙榧’种实苦味贡献较大。
3. 讨论
近年来,香榧坚果因其高营养价值和独特风味,深受消费者青睐[19]。本研究发现:香榧种实中总游离氨基酸质量分数为673.11~
1102.36 µg·g−1,均值为991.06 µg·g−1,低于核桃,但高于山核桃Carya cathayensis和巴西松子Araucaria angustifolia [12]。香榧中的氨基酸组成与联合国粮食及农业组织/世界卫生组织(FAO/WHO)推荐的理想模式非常接近,易被人体吸收利用[2]。本研究检测到15种游离氨基酸,与ZHANG等[10]的研究相比,相差2种,可能是由于香榧品种及产地的不同,造成氨基酸组成成分和质量分数的差异。在后熟过程中,2个品种种实的游离氨基酸质量分数均显著提高,‘细榧’种实的整体游离氨基酸质量分数高于‘象牙榧’。其中,质量分数较高的氨基酸从高到低依次为γ-氨基丁酸、酪氨酸、天冬氨酸和谷氨酸。这些氨基酸不仅对香榧的营养价值有重要贡献,还通过参与美拉德反应等化学反应,生成多种风味化合物[20],能显著提升香榧的风味品质。已有研究表明:天冬氨酸能改善心肌收缩功能、促进能量代谢、保护线粒体功能以及降低缺血性心脏病风险[21−22]。谷氨酸作为中枢神经系统中主要的兴奋性神经递质[23],参与神经信号传递,调节学习和记忆功能[24]。酪氨酸作为芳香族氨基酸,与降低血压相关,尤其是在高血压患者中,其水平与心血管健康指标之间存在关联[25]。质量分数最高的γ-氨基丁酸能通过调节自主神经系统[26],降低血压[27]。这说明后熟过程不仅能提升香榧的氨基酸质量分数,还能优化其营养成分。
氨基酸的多样性和组成差异是香榧独特口感的重要基础[28]。呈味氨基酸在食物的风味调节中发挥重要作用,它们赋予食品甜味、鲜味和苦味等多种风味特征,显著影响食品的整体风味和决定食品的可接受性[29]。在种实后熟过程中香榧的游离氨基酸,特别是鲜味和芳香族氨基酸的积累,显著提升了香榧的风味品质。本研究发现:香榧中各类呈味氨基酸的质量分数从高到低排序为:甜味>芳香族>鲜味>苦味。‘细榧’种实中γ-氨基丁酸与酪氨酸质量分数较高,芳香风味更突出。有研究表明:在柑橘Citrus中,酪氨酸和苯丙氨酸也是重要的芳香味氨基酸,是柑橘风味多样性的重要来源[30]。酪氨酸和苯丙氨酸会通过参与挥发性化合物的合成,影响果实的香气特征[31]。‘象牙榧’种实因天冬氨酸与谷氨酸质量分数高,鲜味更足。谷氨酸具有明显的鲜味,是发酵食物和调味品中最丰富的氨基酸,也是其中最重要的风味成分物质[32],间接影响蔬菜的风味形成[33]。番茄Solanum lycopersicum中的谷氨酸和天冬氨酸为它提供了特有的鲜味,其含量随着果实成熟逐渐增加,有助于番茄果实风味的形成[34]。综上,后熟过程使香榧种实具有了不同于其他坚果的独特呈味。
4. 结论
本研究结果显示:香榧不同品种种实的氨基酸组成和质量分数存在较大差异,在香榧种实的后熟过程中,游离氨基酸质量分数逐渐增加,‘细榧’和‘象牙榧’种实氨基酸差异主要体现在芳香族氨基酸和鲜味氨基酸上。未来可进一步优化检测方法,深入研究不同香榧品种种实游离氨基酸差异的形成机制,并结合转录组分析不同香榧品种后熟过程中氨基酸合成代谢机制。
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表 1 样地基本特征
Table 1. General situation of the sample plots
样地类型 海拔/m 坡度/(°) 坡向/(°) 主要林下植物 胸径/cm 树高/m 冠幅/m2 容重/(g·cm−3) 自然坡面刺槐林地 1 127.5 23 230(西南) 茅莓、黄刺玫 20.53±4.38 15.32±2.01 3.34±0.87 1.46±0.08 水平阶刺槐林地 1 127.5 23 230(西南) 茅莓、黄刺玫 20.81±3.97 15.93±1.98 3.15±0.94 1.31±0.15 自然坡面侧柏林地 825.5 21 180(南) 薹草 11.44±3.79 7.02±1.99 2.78±0.89 1.26±0.14 水平阶侧柏林地 825.5 21 180(南) 薹草 11.93±3.45 7.23±1.54 2.59±0.72 1.19±0.11 说明:胸径、树高、冠幅和容重的数值为平均值±标准差。 表 2 不同样地逐月土壤体积含水量
Table 2. Monthly variation of soil volumetric water in different sample plots
月份 土壤体积含水量/% 自然坡面刺槐林地 水平阶刺槐林地 自然坡面侧柏林地 水平阶侧柏林地 5 13.60±0.12 Dd 15.84±0.17 Cd 15.98±0.19 Aa 16.25±0.10 Bc 6 16.91±1.46 Ba 17.68±1.20 Ba 17.06±2.13 Bb 21.58±2.73 Aa 7 15.48±0.49 BCb 15.20±0.53 Cb 15.73±0.72 Bc 17.74±0.61 Ab 8 14.31±0.37 Bc 14.47±0.31 Bc 14.51±0.51 Bd 16.98±0.40 Abc 9 16.82±2.05 Ba 17.30±1.84 Ba 17.69±1.87 Bab 20.86±2.64 Aa 合计 15.42±1.32 A 16.10±1.22 A 16.19±1.10 A 18.68±2.14 B 说明:不同大写字母表示同一月份不同样地之间差异显著(P<0.05),不同小写字母表示同一样地不同月份之间差异显著(P<0.05)。 表 3 不同样地土壤体积含水量垂直分布
Table 3. Vertical variation of soil volumetric water of different sample plots
土层/cm 土壤含水量/% 自然坡面刺槐林地 水平阶刺槐林地 自然坡面侧柏林地 水平阶侧柏林地 0~10 15.36±2.99 Abc 15.96±3.40 Aa 15.89±3.25 Abcd 16.25±3.31 Abc 10~20 16.85±3.79 Aab 17.05±3.95 Aab 20.59±4.38 Aa 21.22±3.98 Ab 20~40 19.37±3.64 Aa 19.49±3.65 Ab 21.57±4.54 Aa 21.93±4.38 Abc 40~60 16.95±1.82 Aab 20.08±3.96 Ab 21.30±4.59 Aa 23.06±4.06 Abc 60~80 14.32±0.90 Cbc 15.48±1.81 Bac 19.49±3.03 Aac 21.54±2.86 ABbc 80~100 13.81±0.87 Abc 13.69±0.48 Aa 18.88±2.03 Babc 21.03±0.85 Ac 100~120 14.30±0.15 Bbc 14.70±0.19 Ba 16.11±1.03 Abcd 17.35±0.33 Abc 120~140 13.15±0.58 Dc 14.07±0.46 Ca 15.61±0.23 Bbcd 16.93±0.32 Abc 140~160 13.41±0.39 Dc 14.17±0.38 Ca 14.86±0.23 Bbd 17.18±0.28 Abc 160~180 13.57±0.79 BCc 13.23±0.26 Ca 14.12±0.43 Bd 16.68±0.39 Aa 说明:不同大写字母表示同一深度不同样地之间差异显著(P<0.05),不同小写字母表示同一样地不同深度之间差异显著(P<0.05)。 -
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