特色農(nóng)產(chǎn)品蘭州百合產(chǎn)地溯源及確證

李善家 ，崔莉娟，蘇培璽，王 輝，王福祥，王子濠

（1.蘭州理工大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院，甘肅蘭州 730050；2.中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院，甘肅蘭州 730000）

農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地溯源主要是檢測(cè)其化學(xué)成分和生物組成，如紅外光譜溯源技術(shù)和高效液相色譜溯源技術(shù)，然而用于產(chǎn)地溯源的化學(xué)成分受產(chǎn)品成熟度、加工方式、儲(chǔ)藏條件影響造成損失，導(dǎo)致有效信息丟失，影響產(chǎn)地判別的準(zhǔn)確性[1]；拉曼光譜溯源技術(shù)引用新物質(zhì)對(duì)被測(cè)體造成某種程度的污染而導(dǎo)致一定的誤差；DNA 指紋圖譜和SSRs 標(biāo)記技術(shù)因操作難度大、耗費(fèi)成本高而限制其普及，且DNA 是物種的特有屬性，不會(huì)因環(huán)境的變化而改變，在地理溯源中有限制[2]?；谕凰刈匀环逐s效應(yīng)的穩(wěn)定同位素溯源技術(shù)，因機(jī)體內(nèi)碳、氮、氧等同位素組成受氣候、環(huán)境、代謝類型等因素影響，其豐度呈現(xiàn)顯著的地域特征，是追溯農(nóng)產(chǎn)品地理來源和確證的有力工具[3-4]。礦質(zhì)元素技術(shù)因農(nóng)產(chǎn)品礦質(zhì)元素含量受土壤類型、水、氣候、人類活動(dòng)等影響存在差異性和獨(dú)特性，其特征性礦質(zhì)元素可以作為農(nóng)產(chǎn)品重要的產(chǎn)地溯源指標(biāo)[5]。

蘭州百合（LiLum davidivarunicdor）是百合科（Liliaceae）百合屬（Lilium）多年生草本植物，屬于“川百合”變種，以其食用性聞名，是國家地理標(biāo)志農(nóng)產(chǎn)品。栽培種植區(qū)域主要集中在蘭州市七里河區(qū)、西固區(qū)、榆中縣及周邊臨洮縣等地。蘭州百合色澤潔白如玉、肉質(zhì)肥厚細(xì)膩、纖維少、味微甜；食療具有止咳平喘、改善睡眠、預(yù)防老年癡呆等功效[6]；藥用具有清熱解毒、滋陰潤肺、清心安神之功效，其鱗莖含有多糖、黃酮類、多酚類等生物活性物質(zhì)，具有抗氧化、抗腫瘤、增強(qiáng)免疫等功能[7-8]。市場(chǎng)上蘭州百合具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，有不法商家產(chǎn)地造假、以次充好，致使質(zhì)量安全問題頻發(fā)，對(duì)消費(fèi)者權(quán)益造成一定的威脅。穩(wěn)定同位素和礦質(zhì)元素指紋技術(shù)聯(lián)合已被應(yīng)用于豆類[9]、水稻[10]、茶葉[11]等的產(chǎn)地溯源，對(duì)準(zhǔn)確判別其原產(chǎn)地提供了技術(shù)支撐，但有關(guān)蘭州市百合產(chǎn)地溯源的相關(guān)研究尚未見報(bào)道。利用穩(wěn)定同位素和礦質(zhì)元素指紋技術(shù)聯(lián)合研究蘭州百合的地域和來源差異，借助生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)與數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法篩選產(chǎn)地溯源典型有效指標(biāo)，建立和評(píng)價(jià)判別模型和數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)百合溯源與確證，對(duì)地理標(biāo)志產(chǎn)品蘭州百合的品牌保護(hù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要意義和應(yīng)用價(jià)值。

本研究針對(duì)蘭州百合核心主產(chǎn)區(qū)的18 個(gè)供試樣本，利用穩(wěn)定同位素和礦質(zhì)元素指紋技術(shù)聯(lián)合開展蘭州百合的溯源研究，同位素比率質(zhì)譜（Isotope Ratio Mass Spectrometry，IRMS）測(cè)定δ13C、δ15N、δ18O 等3 種穩(wěn)定同位素比率，電感耦合等離子體質(zhì)譜（Inductively coupled plasma mass spectrometry，ICP-MS）測(cè)定K、Mg、Ca、Na、B、Fe、Zn、Al、Mn、Cu、Mo、Cr、Cd、Se、As、Pb 等16 種礦質(zhì)元素含量；結(jié)合主成分分析（Principal component analysis，PCA）、正交偏最小二乘法分析（Orthogonal partial least squares discrimination analysis，OPLS-DA）和線性判別分析（Linear discriminant analysis，LDA），對(duì)不同產(chǎn)區(qū)蘭州百合構(gòu)建分類模型，驗(yàn)證判別溯源確證；以期為主產(chǎn)區(qū)蘭州百合質(zhì)量控制、產(chǎn)地溯源、食品安全等方面提供科學(xué)理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

蘭州百合（LiLum davidi var unicdor）于2018年10 月收獲季節(jié)采集于核心主產(chǎn)區(qū)蘭州市七里河區(qū)黃峪鎮(zhèn)、西果園鎮(zhèn)、中鋪鎮(zhèn)和阿甘鎮(zhèn)等，共收集18 個(gè)不同地理來源的樣本，并使用手持全球定位系統(tǒng)記錄每個(gè)采樣點(diǎn)的經(jīng)度、緯度和海拔，國家環(huán)境信息中心獲取并計(jì)算得到年均氣溫、年降水量和相對(duì)濕度見表1。

表1 蘭州百合主產(chǎn)區(qū)采樣點(diǎn)環(huán)境信息Table 1 Environmental information of sampling sites in the main producing area of Lanzhou lily

253 Plus 型氣體穩(wěn)定同位素質(zhì)譜儀、Delta Plus XP 型穩(wěn)定同位素質(zhì)譜計(jì)、Flash EA 型元素分析儀、Element XR 型電感耦合等離子體質(zhì)譜儀 美國賽默飛世爾公司；微波消解儀器 美國CEM 公司；Millipore 超純水系統(tǒng) 美國密理博公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 樣品前處理 百合樣品置于恒溫烘干箱70 ℃烘干至恒重，植物粉碎機(jī)粉碎樣品，經(jīng)充分研磨后過100 目篩，收集備用。

1.2.2 穩(wěn)定同位素δ13C 和δ15N 測(cè)定 稱取5 mg 百合粉末裝入錫囊。使用同位素比率質(zhì)譜儀和元素分析儀（Flash EA）進(jìn)行δ13C 和δ15N 的分析。樣品經(jīng)自動(dòng)進(jìn)樣器進(jìn)入元素分析儀（Flash EA），高溫燃燒產(chǎn)生CO2和N2，在工作載氣氦氣的載帶下流經(jīng)吸附柱分離純化后進(jìn)入同位素比率質(zhì)譜儀測(cè)定δ13C 和δ15N。分析條件：吹掃氣流180 mL/min，氧化爐溫度1020 ℃，還原爐溫度680 ℃，載氣流速90～100 mL/min。IAEA-600：δ13CV-PDB=-27.77‰±0.2‰，USGS24：δ13CV-PDB=-16.09 ‰±0.2 ‰ ；IAEA-N-2：δ15NAir=20.30‰±0.2‰，IAEA-NO-3：δ15NAir=4.70‰±0.2‰為標(biāo)樣對(duì)儀器進(jìn)行校正。樣品一式三份進(jìn)行分析，并取其平均值。

1.2.3 穩(wěn)定同位素δ18O 測(cè)定 稱取1 mg 樣品裝入銀囊，用同位素比率質(zhì)譜儀和元素分析儀（Flash EA）對(duì)δ18O 進(jìn)行分析。樣品中氧元素在高溫裂解爐中裂解釋放后與玻璃碳瞬間反應(yīng)生成CO，被高純氦氣攜載經(jīng)過色譜柱進(jìn)入同位素比率質(zhì)譜儀測(cè)定δ18O。分析條件：爐溫1380 ℃，載氣流速150 mL/min，吹掃氣流200 mL/min，色譜柱溫50 ℃。IAEA-601：δ18OV-SMOW=23.14‰±0.2‰和IAEA-CH-6：δ18OV-SMOW=36.40‰±0.2‰為標(biāo)樣對(duì)儀器進(jìn)行校正。樣品一式三份進(jìn)行分析，并取其平均值。

1.2.4 礦質(zhì)元素含量測(cè)定 稱量0.10 g 百合樣品放入聚四氟乙烯消解容器中，依次加入5 mL 60%硝酸和1 mL 30%過氧化氫進(jìn)行消解。消化后的溶液在電熱儀180 ℃條件下去除多余酸溶液至1 mL，超純水定容至10 mL，即為待測(cè)元素供試溶液。由電感耦合等離子體質(zhì)譜儀測(cè)定16 種礦質(zhì)元素（K、Mg、Ca、Na、B、Fe、Zn、Al、Mn、Cu、Mo、Cr、As、Se、Cd、Pb）含量。分析條件：射頻功率1550 W，霧化室溫度2 ℃，采樣深度10 mm，等離子體流量15 L/min，載氣流量1.0 L/min，輔助器流量0.45 L/min，采集點(diǎn)數(shù)3 次，重復(fù)次數(shù)3 次。

1.3 數(shù)據(jù)處理

農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地溯源主要分析表征不同地域來源農(nóng)產(chǎn)品的特異性指標(biāo)。PCA、OPLS-DA 和LDA 等多元數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析技術(shù)可以有效實(shí)現(xiàn)多個(gè)地域特征指標(biāo)的綜合分析，建立起能夠區(qū)分農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地來源的特征指紋圖譜。PCA 是對(duì)原有數(shù)據(jù)降維，揭示數(shù)據(jù)群的主要影響因子，并對(duì)具有代表性的主成分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行可視化的多元統(tǒng)計(jì)分析方法[12-13]。OPLS-DA 是一種適用于樣本量小和自變量較少的有監(jiān)督的判別方法，可以解決多變量共線性問題，排除干擾數(shù)據(jù)，提高模型的解釋性和預(yù)測(cè)的可靠性[14]。R2和Q2用來評(píng)價(jià)OPLS-DA 模型的擬合程度和預(yù)測(cè)能力，R2和Q2均＞0.5 時(shí)，模型有較好的預(yù)測(cè)性[15]。變量投影重要度（Variable importance for the projection，VIP）是OPLS-DA 模型中評(píng)價(jià)變量重要性常用參數(shù)，VIP 值可以量化每個(gè)變量對(duì)分類的貢獻(xiàn)，VIP 越大（VIP＞1），對(duì)地域判別的差異性越顯著[16]。LDA 也是一種有監(jiān)督的線性降維分析方法，其通過低維向量空間中最大化類間距離和最小化類內(nèi)距離，保證不同類中的變量盡可能分離[17]。采用SPSS 20.0 統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行單因素方差分析（One-Way ANOVA）和LDA 分析，SIMCA-P 14.1 軟件進(jìn)行PCA 和OPLS-DA 分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 蘭州百合穩(wěn)定同位素和礦質(zhì)元素含量的變異特征和地區(qū)差異

黃峪鎮(zhèn)、西果園鎮(zhèn)、中鋪鎮(zhèn)和阿甘鎮(zhèn)4 個(gè)產(chǎn)區(qū)蘭州百合的δ13C、δ15N、δ18O 等3 種穩(wěn)定同位素和K、Mg、Ca、Na、B、Fe、Zn、Al、Mn、Cu、Mo、Cr、As、Se、Cd、Pb 等16 種礦質(zhì)元素?cái)?shù)據(jù)的平均值、極大值、極小值、標(biāo)準(zhǔn)誤、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)等基本統(tǒng)計(jì)見表2，δ13C 值變幅為-25.22‰～-24.13‰，δ15N 值變幅為-3.06‰～6.48‰，δ18O 值變幅為26.00‰～30.47‰。礦質(zhì)元素含量變幅為0.36 μg/kg（Pb）～13.55 g/kg（K），其中K 元素含量介于4.78～13.55 g/kg 之間，Pb 元素含量介于0.36～24.74 μg/kg 之間。通常認(rèn)為變異系數(shù)≤0.1 為弱變異，0.1～1 之間為中等變異，變異系數(shù)≥1 為強(qiáng)變異，穩(wěn)定同位素δ15N 變異系數(shù)為3.07，屬于強(qiáng)變異；所測(cè)的16 種礦質(zhì)元素變異系數(shù)介于0.12～0.88 之間，屬于中等變異強(qiáng)度，其中Mo 元素的變異系數(shù)最大，為0.88。4 個(gè)產(chǎn)區(qū)元素含量的平均值和標(biāo)準(zhǔn)誤差及多重比較如表3 所示，單因素方差分析結(jié)果顯示δ13C、δ15N、K、Mg、Na、B、Fe、Mn、Cu、Mo、Cr、Cd 差異顯著（P＜0.05），Duncan 多重比較表明，黃峪鎮(zhèn)和阿甘鎮(zhèn)的樣本δ13C 差異不顯著（P＞0.05），但均顯著（P＜0.05）高于西果園鎮(zhèn)，δ15N 在黃峪鎮(zhèn)、西果園鎮(zhèn)和阿甘鎮(zhèn)3 個(gè)產(chǎn)地間差異不顯著（P＞0.05），但顯著（P＜0.05）高于中鋪鎮(zhèn)；B 在西果園鎮(zhèn)、阿甘鎮(zhèn)、中鋪鎮(zhèn)3 個(gè)產(chǎn)地間均差異顯著（P＜0.05），且西果園鎮(zhèn)＞阿甘鎮(zhèn)＞中鋪鎮(zhèn)，黃峪鎮(zhèn)Cu、Cd 顯著（P＜0.05）高于西果園鎮(zhèn)，西果園鎮(zhèn)K、Mg、Fe、Mn 顯著（P＜0.05）高于中鋪鎮(zhèn)，中鋪鎮(zhèn)Cu、Mo、Cd 顯著（P＜0.05）高于西果園鎮(zhèn)，阿甘鎮(zhèn)Na、Mn、Cr 顯著（P＜0.05）高于中鋪鎮(zhèn)。

表2 蘭州百合穩(wěn)定同位素和礦質(zhì)元素含量的變異特征Table 2 Variation characteristics of stable isotope and mineral element contents of Lanzhou lily

表3 主產(chǎn)區(qū)穩(wěn)定同位素和礦質(zhì)元素含量特征Table 3 Characteristics of stable isotope and mineral element contents in main producing areas

2.2 蘭州百合主產(chǎn)區(qū)產(chǎn)地溯源的PCA 分析

對(duì)蘭州百合δ13C、δ15N、K、Mg、Na、B、Fe、Mn、Cu、Mo、Cr、Cd 進(jìn)行PCA 分析。如表4 所示，基于特征值＞1 原則的前5 個(gè)主成分方差貢獻(xiàn)率分別為36.88%、16.51%、11.06%、10.38%、9.54%，總方差貢獻(xiàn)率84.36%，即前5 個(gè)主成分因子模型解釋了84.36%的原數(shù)據(jù)，代表原始變量84.36%的信息。利用PCA 前兩個(gè)主成分因子得分作X 軸、Y 軸繪制得分圖，圖1a 所示，蘭州百合分為4 類，其中黃峪鎮(zhèn)和中鋪鎮(zhèn)集中在第一主成分的正象限，西果園鎮(zhèn)集中在第一主成分的負(fù)象限，阿甘鎮(zhèn)數(shù)據(jù)間距離較大，聚類效果低于其它3 個(gè)產(chǎn)區(qū)。選擇前兩個(gè)主成分因子載荷值繪制載荷圖，圖1b 所示，第一軸K、Mg、B、Fe、Mn、Cu、Mo、Cd 載荷值較高，第二軸δ13C、δ15N、Cd、K、Mg、Cu 載荷值較高。δ13C、Cu、Mo與第一主成分顯著（P＜0.05）正相關(guān)，δ15N、K、Mg、Na、B、Fe、Mn、Cr、Cd 與第一主成分顯著（P＜0.05）負(fù)相關(guān)；結(jié)果表明，蘭州百合穩(wěn)定同位素和礦質(zhì)元素作為其產(chǎn)地識(shí)別指標(biāo)可行，δ13C、δ15N、K、Mg、Na、B、Fe、Mn、Cu、Mo、Cr、Cd 等變量可作為PCA 分析重要因子。

圖1 PCA 前兩個(gè)主成分因子得分圖（a）和載荷圖（b）Fig.1 Score plot (a) and load plot (b) of PCA along the two principal components axes

表4 蘭州百合穩(wěn)定同位素和礦質(zhì)元素含量的主成分分析Table 4 Principal component analysis of stable isotope and mineral element contents of Lanzhou lily

2.3 主產(chǎn)區(qū)蘭州百合產(chǎn)地溯源的OPLS-DA 判別分析

為排除干擾信息，進(jìn)一步尋找蘭州百合產(chǎn)區(qū)產(chǎn)生差異的主要標(biāo)志物，進(jìn)行OPLS-DA 判別分析，以δ13C、δ15N、K、Mg、Na、B、Fe、Mn、Cu、Mo、Cr、Cd 為變量，構(gòu)建的模型穩(wěn)定可靠，其中R2X=0.63，R2Y=0.80，Q2=0.59，＞0.5。OPLS-DA 前兩個(gè)主成分因子得分圖見圖2a，蘭州百合樣本各自聚為一類，明顯區(qū)分為4 類，各部分間相互分離，表明4 個(gè)主產(chǎn)區(qū)蘭州百合在OPLS-DA 模型中分類效果較好。VIP值見圖2b，以VIP＞1 為標(biāo)準(zhǔn)，得到5 個(gè)差異標(biāo)志物，即Na、δ15N、Cr、Cd、δ13C。說明Na、δ15N、Cr、Cd、δ13C 對(duì)區(qū)分不同產(chǎn)區(qū)百合的貢獻(xiàn)較大，對(duì)構(gòu)建模型的解釋性和蘭州百合的產(chǎn)地判別具有重要意義。對(duì)蘭州百合樣本進(jìn)行內(nèi)部驗(yàn)證，采用七折交叉驗(yàn)證和留一法交叉驗(yàn)證對(duì)其驗(yàn)證見表5，兩種驗(yàn)證方法下4 個(gè)主產(chǎn)區(qū)判別正確率均為100%，說明OPLS-DA 模型適用蘭州百合產(chǎn)地判別。

圖2 OPLS-DA 前兩個(gè)主成分因子得分圖（a）和VIP 圖（b）Fig.2 Score plot (a) and VIP plot (b) of OPLS-DA along the two principal components axes

表5 OPLS-DA 對(duì)蘭州百合4 個(gè)主產(chǎn)區(qū)產(chǎn)地溯源的驗(yàn)證判別Table 5 Verification and discriminant of OPLS-DA for geographical origin traceability of the four main producing areas of Lanzhou lily

2.4 蘭州百合主產(chǎn)區(qū)產(chǎn)地溯源LDA 判別分析

LDA 分析篩選確定δ13C、δ15N、Na、B、Cu、Cd、Cr 作為重要變量構(gòu)建模型，根據(jù)Wilks 'lambda 值共擬合3 個(gè)判別函數(shù)，F(xiàn)1、F2、F3分別解釋了總方差的60.8%、30.0%、9.2%。典型相關(guān)系數(shù)分別為：1.36、1.99、0.19，基于δ13C、δ15N、Na、B、Cu、Cd、Cr 建立的蘭州百合判別函數(shù)如下：

通過繪制F1和F2檢查判別空間中百合樣品地理來源之間的距離，對(duì)其進(jìn)行分類，如圖3 所示，4 個(gè)產(chǎn)區(qū)蘭州百合樣品可以區(qū)分，但黃峪鎮(zhèn)和中鋪鎮(zhèn)距離較近。將δ13C、δ15N、Na、B、Cu、Cd、Cr 作為判別指標(biāo)，采用留一法交叉驗(yàn)證法對(duì)LDA 模型進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果見表6，對(duì)已知18 份樣本的原始判別正確率為100%，留一法交叉驗(yàn)證正確率為88.89%，因此，δ13C、δ15N、Na、B、Cu、Cd、Cr 作為4 個(gè)產(chǎn)區(qū)的判別指標(biāo)對(duì)其進(jìn)行產(chǎn)地確證可行。4 個(gè)產(chǎn)區(qū)的Fisher 線性判別式函數(shù)如下：

圖3 基于LDA 前兩個(gè)主成分構(gòu)建的蘭州百合樣品散點(diǎn)圖Fig.3 Scatter plot of Lanzhou lily samples based on the first two principal components of LDA

表6 LDA 對(duì)蘭州百合4 個(gè)主產(chǎn)區(qū)產(chǎn)地溯源的驗(yàn)證判別Table 6 Verification and discriminant of LDA for geographical origin traceability of the four main producing areas of Lanzhou lily

3 討論

近年來，特色農(nóng)產(chǎn)品、地理標(biāo)志農(nóng)產(chǎn)品備受關(guān)注，農(nóng)產(chǎn)品品牌已經(jīng)成為進(jìn)入國內(nèi)外市場(chǎng)的“流通名片”，在農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型收益、農(nóng)民增收等方面發(fā)揮重要作用。蘭州百合極具蘭州地方特色，是公認(rèn)的品質(zhì)優(yōu)良的蔬菜和藥材，于2004 年被列為地理標(biāo)志產(chǎn)品。產(chǎn)地是蘭州百合形成的一個(gè)重要原因。盲目引種、擴(kuò)繁栽培可能導(dǎo)致其質(zhì)量下降，生產(chǎn)銷售等環(huán)節(jié)存在的以次充好、品質(zhì)優(yōu)劣層次不齊，增加了蘭州百合安全事故發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)，不僅影響了蘭州百合在國內(nèi)外的市場(chǎng)需求和出口，而且威脅到消費(fèi)者對(duì)于蘭州百合安全食用的安全性。因此，加強(qiáng)從“農(nóng)田到餐桌”的跟蹤系統(tǒng)或從“餐桌到農(nóng)田”的源頭可追溯系統(tǒng)成為其質(zhì)量保證的關(guān)鍵，且迫切需要建立蘭州百合一種有效的可追溯方法。穩(wěn)定同位素和礦質(zhì)元素作為植物的天然“指紋”而成為其產(chǎn)地溯源確證的重要技術(shù)。植物生長代謝直接與環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)、能量交換，體內(nèi)的碳、氮、氧穩(wěn)定同位素在物理、化學(xué)和生物化學(xué)過程中受土壤、氣候、地形等因素影響發(fā)生自然分餾，導(dǎo)致同位素比值變化，使不同來源植物的同位素存在自然差異，進(jìn)而反映所處環(huán)境[18-19]。植物的δ13C 值與光合作用途徑密切相關(guān)，根據(jù)碳光合作用途徑將其分為C3植物、C4植物和CAM 植物；C3植物δ13C 值介于-35‰～-20‰，C4植物δ13C 值介于-17‰～-9‰，CAM 植物δ13C 值介于-22‰～-10‰[20-21]。植物δ13C值還受溫度、土壤水分、濕度、光照、CO2濃度等因素的影響[22]，具有地理特征。因此根據(jù)δ13C 值的差異，可進(jìn)行農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)地溯源。蘭州百合δ13C 值在-25.82‰～-24.05‰之間，屬于C3植物，其δ13C 屬于弱變異，原因是植物代謝活動(dòng)對(duì)δ13C 的影響大于環(huán)境因子。植物δ18O 因水循環(huán)過程中擴(kuò)散、蒸發(fā)、蒸騰等發(fā)生變化[23]，而農(nóng)產(chǎn)品氧同位素主要來自灌溉水和產(chǎn)地降水[24-25]。蘭州百合δ18O 無差異，可能其產(chǎn)地間灌溉水和降水量相差不大。植物中δ15N 值因氣候、品種、肥料、土壤、降水量、溫度等因素共同作用造成其δ15N 值差異較大[26]；另外，氮同位素分餾效應(yīng)還受到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響，農(nóng)產(chǎn)品中15N/14N 的比值與其地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有關(guān)，其中農(nóng)業(yè)施肥影響最大[27-28]。不同產(chǎn)地蘭州百合δ15N 差異較大，黃峪鎮(zhèn)δ15N 最高，可能在栽培過程中施用了綠色有機(jī)肥；而西果園鎮(zhèn)和阿甘鎮(zhèn)的δ15N 也顯著高于中鋪鎮(zhèn)，可能與產(chǎn)地間施肥活動(dòng)有關(guān)。

植物體內(nèi)的礦質(zhì)元素特征主要與其生長地域土壤中的礦質(zhì)元素組成、土壤基質(zhì)狀況、施肥密切相關(guān)[29-30]；還與生長環(huán)境中的灌溉水、大氣、氣候，植物種類等因素有關(guān)[31]。農(nóng)產(chǎn)品礦質(zhì)元素是從土壤中吸收的無機(jī)元素離子，環(huán)境中礦質(zhì)元素在其體內(nèi)不斷積累，造成不同地域來源農(nóng)產(chǎn)品體內(nèi)礦質(zhì)元素含量有較大差異[32]。因此可以通過分析農(nóng)產(chǎn)品礦質(zhì)元素的組成差異，為其產(chǎn)地溯源提供獨(dú)特的標(biāo)識(shí)。本研究中，供試樣本產(chǎn)地多以黃綿土、栗鈣土和灰鈣土為主，土壤質(zhì)地以中壤土和輕壤土為主，由于土壤類型不同，土壤中所含的礦質(zhì)元素不同，造成蘭州百合生長過程中富集礦質(zhì)元素存在差異，其次，產(chǎn)地間受人類施肥活動(dòng)的影響，其吸收利用的礦質(zhì)元素含量存在差異。在所測(cè)礦質(zhì)元素含量中，K、Mg、Na、B、Fe、Mn、Cu、Mo、Cr、Cd 差異顯著（P＜0.05）。雖然礦質(zhì)元素含量在蘭州百合產(chǎn)地判別方面存在顯著差異，但需要結(jié)合多元統(tǒng)計(jì)學(xué)分析方法、綜合分析多種因素才能更加準(zhǔn)確的進(jìn)行產(chǎn)地溯源，得到更理想的結(jié)果[33-34]。

鹿保鑫等[35]基于30 種礦質(zhì)元素含量對(duì)黑龍江北安市及黑河市嫩江縣42 份大豆產(chǎn)地溯源，并用模型確定Na、K、Mn、Rb、Ba 和Au 是區(qū)分兩大產(chǎn)區(qū)的特征指標(biāo)，判別正確率為100%。王潔等[36]追溯山東、四川、浙江、貴州扁茶，測(cè)定其同位素比率，并借助化學(xué)計(jì)量學(xué)工具探索穩(wěn)定同位素溯源茶葉潛力，其模型預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度達(dá)到92%。張欣昕等[37]分析了基于穩(wěn)定同位素和礦質(zhì)元素含量對(duì)內(nèi)蒙古、黑龍江、新疆、四川和廣東的馬鈴薯進(jìn)行產(chǎn)地判別，結(jié)果表明，δ13C 和δ15N 建立的產(chǎn)地判別模型判別正確率為82.0%，篩選出8 種礦質(zhì)元素建立的產(chǎn)地判別模型正確判別率為89.3%；在穩(wěn)定同位素和礦質(zhì)元素的綜合指標(biāo)下，不同產(chǎn)地的整體判別正確率94.7%，交叉驗(yàn)證判別正確率93.2%，均比穩(wěn)定同位素和礦質(zhì)元素獨(dú)立判別正確率高，說明穩(wěn)定同位素和礦物元素指標(biāo)組合是馬鈴薯產(chǎn)地溯源的有效方法。本研究測(cè)定了測(cè)定蘭州百合4 個(gè)主產(chǎn)區(qū)（阿甘鎮(zhèn)、黃峪鎮(zhèn)、西果園鎮(zhèn)、中鋪鎮(zhèn)）3 種穩(wěn)定同位素和16 種礦質(zhì)元素含量并分析產(chǎn)地間特征及差異，結(jié)合PCA、OPLS-DA 和LDA分析，追溯蘭州百合地理來源，確定δ13C、δ15N、Na、Cr、Cd 是區(qū)分蘭州百合地理來源的重要變量，有監(jiān)督的分類模型OPLS-DA 判別效果優(yōu)于LDA,正確率為100%。結(jié)果證明穩(wěn)定同位素比率和礦物元素指紋聯(lián)合是追溯蘭州百合產(chǎn)地的有效指紋技術(shù)。

4 結(jié)論

本研究利用IRMS 和ICP-MS 測(cè)定蘭州百合3 種穩(wěn)定同位素δ13C、δ15N、δ18O 和16 種礦質(zhì)元素（K、Mg、Ca、Na、B、Fe、Zn、Al、Mn、Cu、Mo、Cr、Cd、Se、As、Pb）含量并分析產(chǎn)地間特征及差異，并結(jié)合PCA、OPLS-DA、LDA 模型進(jìn)行溯源驗(yàn)證。結(jié)果表明：δ13C、δ15N、K、Mg、Na、B、Fe、Mn、Cu、Mo、Cr、Cd 在產(chǎn)地間存在顯著差異（P＜0.05）；基于差異顯著（P＜0.05）的穩(wěn)定同位素和礦質(zhì)元素含量的PCA分析和OPLS-DA 判別分析表明δ13C、δ15N、Na、Cd、Cr 在蘭州百合產(chǎn)地溯源確證中發(fā)揮重要作用。OPLSDA 和LDA 模型判別正確率均為100%，但LDA的LOO-CV 判別正確率為88.89%，OPLS-DA 優(yōu)于LDA，為100%，產(chǎn)地溯源判別驗(yàn)證效果最佳。由此可見，穩(wěn)定同位素和礦質(zhì)元素含量結(jié)合多元統(tǒng)計(jì)分析可有效實(shí)現(xiàn)蘭州百合產(chǎn)地區(qū)域的正確區(qū)分。其中，LDA 和OPLS-DA 模型均能夠?qū)S峪鎮(zhèn)、西果園鎮(zhèn)、阿甘鎮(zhèn)和中鋪鎮(zhèn)樣品100%準(zhǔn)確識(shí)別。因此，可進(jìn)一步擴(kuò)展研究區(qū)域，結(jié)合分類模型篩選貢獻(xiàn)率較大的指標(biāo)構(gòu)建新的模型，實(shí)現(xiàn)蘭州百合精細(xì)判別，為蘭州百合產(chǎn)地溯源、質(zhì)量安全可追溯體系的建立完善和開發(fā)應(yīng)用提供一定的理論依據(jù)。