山西省核桃油脂含量對生態(tài)因子的空間響應(yīng)

杜意鴻，常月梅，高俊仙

(1.北京林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，北京 100083; 2.山西省林業(yè)科學(xué)研究院，太原 030012)

核桃(Juglansregia)作為我國重要的木本油料樹種，其果實營養(yǎng)豐富，食用價值高，是一種集脂肪、蛋白質(zhì)、糖類、膳食纖維、維生素五大營養(yǎng)要素于一體的優(yōu)質(zhì)堅果[1-2]，其中脂肪含量最為豐富，占核仁的65%左右，有“樹上油庫”的美譽(yù)。在核桃栽培中，核桃油脂含量高低是評價核桃品質(zhì)的重要指標(biāo)之一，在發(fā)展木本植物油脂生產(chǎn)中具有重要意義。

生態(tài)因子對植物油料含油量具有一定影響。張友貴等[3]研究油菜得出，六月份平均最高溫度與油菜籽含油量呈顯著負(fù)相關(guān)。降水量對油菜籽含油量累積有影響，適當(dāng)?shù)慕邓坑欣诤土康睦鄯e[4-6]。Piper等[7]研究了溫度和栽培措施對大豆含油量的影響，在14.6～28.7℃的范圍內(nèi)，大豆含油量隨著溫度的升高而上升。廖玉芳等[8]研究認(rèn)為影響油茶鮮果含油率的關(guān)鍵氣候指標(biāo)分別是年極端最高氣溫、果實膨大高峰期間日最高氣溫不小于37℃的天數(shù)、年日最高氣溫不小于37℃的天數(shù),這3個氣候指標(biāo)與鮮果含油率均呈負(fù)相關(guān)。Chang等[9]分析認(rèn)為，年均溫度低的區(qū)域核桃油脂含量較年均溫度高的區(qū)域油脂含量高。朱振寶等[10]測定了云南、新疆、陜西、甘肅、山西、河北不同產(chǎn)地核桃仁中核桃油的脂肪酸組成及含量，并進(jìn)行了差異分析和變異分析。上述研究涉及到對影響植物油料油脂含量的生態(tài)因子分析但限于常規(guī)數(shù)理統(tǒng)計方法上的局限，只能簡單地反映研究區(qū)的總體情況，忽略了地理位置以及基于位置的變化情況對油脂含量的影響，因此難以作出準(zhǔn)確分析。

空間回歸分析被廣泛應(yīng)用于地理學(xué)、社會經(jīng)濟(jì)學(xué)、氣象學(xué)等多種領(lǐng)域。張鳳英等[11]利用地理加權(quán)回歸(GWR)模型得出海拔、潛在蒸散量和最暖季降雨量是影響川渝殼斗科植物物種豐富度的主要因子，且影響程度表現(xiàn)出明顯的空間差異性。高藝寧等[12]研究了草地生態(tài)質(zhì)量的空間差異及其影響因素，得出GWR模型的擬合度高于傳統(tǒng)OLS方法?？臻g相關(guān)分析的方法已經(jīng)在經(jīng)濟(jì)學(xué)、生態(tài)研究等方面取得了成功[13-14]，但在油料植物研究上還較少，尤其有關(guān)生態(tài)因子在核桃的研究上較少，核桃中油脂含量受到哪些生態(tài)因子的影響，不同地區(qū)的核桃中油脂含量對空間特性如何響應(yīng)等亟待研究。

本文運用空間回歸分析方法，構(gòu)建相關(guān)空間模型，探討山西省生態(tài)因子與核桃油脂含量之間的關(guān)系，從而掌握核桃油脂在空間上的作用效應(yīng)和空間聚集規(guī)律，發(fā)揮山西省不同地區(qū)自然生態(tài)因子的優(yōu)勢，為高油核桃合理布局提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

核桃果，根據(jù)山西省核桃分布情況，收集10個地市共174份核桃果實樣品。

1.2 試驗方法

1.2.1 核核仁油脂含量測定

核桃果去殼，取仁，然后按照GB 5009.6—2016測定油脂含量。

1.2.2 核桃油脂肪酸組成測定

將1.2.1得到的核桃油按GB/T 17376—1998制備脂肪酸甲酯，再按GB/T 17377—1998采用氣相色譜法分析脂肪酸組成。

1.2.3 生態(tài)因子的采集

生態(tài)因子數(shù)據(jù)來自于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn)，樣本期為20年(1995—2015年)，包含年平均氣溫、年均降水量、無霜期、六月平均氣溫、七月平均氣溫、八月平均氣溫、年極端最高氣溫、年極端最低氣溫、年日照時數(shù)。海拔高度、經(jīng)度和緯度在采集樣品時由手持GPS儀讀出。

1.2.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用 Excel 2010 進(jìn)行數(shù)據(jù)的描述統(tǒng)計分析；利用GeoDa 1.14.0統(tǒng)計軟件完成空間相關(guān)分析[15]，構(gòu)建核桃油脂含量與生態(tài)因子間的空間計量模型；使用Arc GIS 10.2 地理信息系統(tǒng)軟件進(jìn)行GWR模型分析，完成空間分析及圖表制作。

2 結(jié)果與討論

2.1 山西省核桃產(chǎn)地的生態(tài)因子

山西省地形狹長，南北地理跨度大，緯度相差6.3°。山西省南北氣候差異顯著，各地氣溫總體分布趨勢為由北向南升高，由盆地向高山降低；降水量分布不均，由東南到西北遞減。核桃主要分布在山西省中部和南部地區(qū)，北部僅在大同市的靈丘縣有少量分布。由于地理緯度和海拔的差異，造成不同產(chǎn)區(qū)核桃品質(zhì)受地形和氣候的影響較大。山西省核桃產(chǎn)地生態(tài)因子變化情況見表1。

表1 山西省核桃產(chǎn)地生態(tài)因子變化情況

由表1可見：年平均氣溫介于7.3～13.5℃之間，變異系數(shù)為16.12%；六月平均氣溫介于20.5～25.6℃之間，變異系數(shù)為7.45%；七月平均氣溫介于20.0～26.8℃，變異系數(shù)為6.76%；八月平均氣溫介于18.2～24.9℃之間，變異系數(shù)為7.45%；無霜期介于160～230 d之間，變異系數(shù)為16.16%；年均降水量介于377.2～673.6 mm之間，變異系數(shù)為10.08%；年日照時數(shù)介于257.4～2 906.5 h之間，變異系數(shù)為12.79%；極端高溫介于30.0～41.9℃，變異系數(shù)為7.33%；極端低溫介于-19.1～-33.0℃，變異系數(shù)為21.60%。

2.2 核桃油脂含量的空間分布特征

山西省10個地市的174份核桃資源核桃油脂含量(以仁中計，下同)的平均值為69.02%，較高于李國和[16]研究的四川核桃種仁油脂含量66%的結(jié)果，說明山西省的核桃屬于高油脂類核桃。山西省不同地理來源的資源核桃油脂含量變化較大，變異范圍61.74%～74.47%。山西省不同區(qū)域的核桃油脂含量空間分布見圖1。由圖1可見，山西省中南部地區(qū)和北部部分縣市核桃油脂含量較高，主要集中在臨汾市、長治市、忻州市各縣區(qū)。

注：山西省西北部的大同市、朔州市由于受海拔和溫度的影響，不適宜核桃樹的生長，在實際取樣中僅有靈丘縣樣本，其余縣市數(shù)據(jù)為空。圖1 山西省各縣(區(qū))核桃油脂含量空間分布

2.3 核桃油脂含量與生態(tài)因子的空間相關(guān)性分析

2.3.1 核桃油脂含量空間自相關(guān)分析

采用Moran’s I指數(shù)檢驗山西省不同區(qū)域核桃油脂含量是否表現(xiàn)出空間上的相關(guān)性。空間計量方法的關(guān)鍵是空間矩陣的確定，采用是否相鄰作為確定空間矩陣值的標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)Rook鄰近法則，定義僅有共同邊界的兩塊區(qū)域為鄰居。兩區(qū)域相鄰時，空間權(quán)重為1，兩區(qū)域不相鄰時，空間權(quán)重為0。山西省各區(qū)域核桃油脂含量Moran’s I的散點多集中于第一、第三象限(見圖2)，經(jīng)相關(guān)檢驗，Moran’s I值為0.342 1，Z得分2.189 5，在5%的統(tǒng)計水平上顯著，說明山西省各縣(區(qū))核桃油脂含量在空間上并非隨機(jī)分布，而是存在相互影響的情況，表現(xiàn)出空間上的相關(guān)性。即高油脂含量的核桃在空間位置的分布上相互鄰近，其分布位置鄰近的縣區(qū)核桃油脂含量相對較高；同樣，低油脂含量的核桃在空間位置的分布上也相互鄰近，其分布位置鄰近的縣區(qū)核桃油脂含量相對較低，因而分析核桃油脂含量和生態(tài)因子關(guān)系時不能忽視空間因素產(chǎn)生的影響，需要在經(jīng)典回歸模型中引入地理空間變量的影響，利用空間計量模型進(jìn)行深入分析。

圖2 山西省各區(qū)域核桃油脂含量Moran’s I的結(jié)果

2.3.2 生態(tài)因子和核桃油脂含量的相關(guān)性

基于空間計量方法，構(gòu)建出空間滯后模型(SLM)和空間誤差模型(SEM)兩種空間計量模型，其相關(guān)參數(shù)見表2。由表2可見，SLM和SEM的R2分別為0.475 3和0.408 7，0.475 3>0.408 7，因此SLM相較于SEM擬合度較好。核桃油脂含量的自相關(guān)系數(shù)為-0.020 7，在5%水平上顯著，說明利用SLM可去除不同區(qū)域間核桃油脂含量的自相關(guān)影響。SLM中，年平均氣溫與核桃油脂含量間相關(guān)系數(shù)為-2.288 4，呈極顯著負(fù)相關(guān)；七月平均氣溫和無霜期與核桃油脂含量的相關(guān)系數(shù)(r)分別為-3.990 5和-0.037 1，呈顯著負(fù)相關(guān)；八月平均氣溫與核桃油脂含量的相關(guān)系數(shù)為6.912 3，呈極顯著正相關(guān)。即年平均氣溫降低1%，油脂含量增加2.29%；七月平均氣溫降低1%，油脂含量增加3.99%；無霜期天數(shù)減少1%，油脂含量增加0.04%；八月平均氣溫升高1%，油脂含量增加6.91%。而年均降水量、六月平均氣溫、極端高溫、極端低溫和年日照時數(shù)對核桃油脂含量沒有顯著影響。其中七月平均氣溫較高不利于油脂積累與張友貴等[3]對于油菜籽含油量關(guān)于脂肪形成期的研究結(jié)果一致。因此，栽植核桃時，應(yīng)選擇年均氣溫低和七月平均氣溫較低、無霜期較短、八月平均氣溫較高的區(qū)域，這樣有利于產(chǎn)出高油脂核桃。

表2 生態(tài)因子對核桃油脂含量影響的空間計量結(jié)果

2.4 生態(tài)因子對核桃油脂含量影響的空間差異性

為了進(jìn)一步研究山西省不同區(qū)域的核桃油脂含量與生態(tài)因子之間的關(guān)系，將同一因素的不同影響力在地圖上可視化表達(dá)，進(jìn)行了GWR模型分析。地理加權(quán)選擇空間鄰接矩陣作為空間權(quán)函數(shù)，回歸利用最小二乘法得到回歸參數(shù)。由于GWR分析時，需要限制變量之間的共線性，即VIF值必須小于30，所以被解釋變量選用核桃油脂含量，解釋變量選用SLM中有顯著影響的年平均氣溫、七月平均氣溫、八月平均氣溫和無霜期。通過使用Fix核類型創(chuàng)建核表面，利用AIC方法以最小信息準(zhǔn)則決定最佳帶寬的地理加權(quán)分析，得到分析結(jié)果，見圖3～圖6。

圖3 地理加權(quán)回歸的年平均氣溫系數(shù)

圖4 地理加權(quán)回歸的七月平均氣溫系數(shù)

圖5 地理加權(quán)回歸的八月平均氣溫系數(shù)

圖6 地理加權(quán)回歸的無霜期系數(shù)

由圖3～圖6可見，各回歸系數(shù)的分布呈現(xiàn)出地帶性規(guī)律。年平均氣溫與七月平均氣溫的空間相關(guān)系數(shù)均為負(fù)，影響力度都呈現(xiàn)出由北向南依次遞增的趨勢(見圖3、圖4)，說明年平均氣溫和七月平均氣溫對核桃油脂積累的抑制作用也由北向南逐漸遞增。年平均氣溫和七月平均氣溫對核桃油脂含量的影響程度與氣溫在山西省的空間分布規(guī)律一致，氣溫越高的地區(qū)，年平均氣溫和七月平均氣溫對核桃油脂含量的影響越大。因此，山西中部和南部地區(qū)在七月適當(dāng)采取園地灌水或樹體噴水等措施降低核桃生長溫度會對核桃油脂含量的提高有顯著效果。

圖5反映了八月平均氣溫對核桃油脂含量的正向影響，影響力度由北向南逐漸遞減。說明八月平均氣溫對核桃油脂含量的影響由北向南逐漸減小。八月平均氣溫對核桃油脂含量的影響程度與八月平均氣溫在山西省的空間分布規(guī)律相反，氣溫越低的地區(qū)，八月平均氣溫對核桃油脂含量的影響越大。因此，在山西中北部栽培核桃時，注意選擇八月平均氣溫較高的縣區(qū)栽植。

圖6反映了無霜期對核桃油脂含量的正向影響，影響力度由東向西逐漸遞減。高值區(qū)為山西省東部地區(qū)，如平順縣、左權(quán)縣、和順縣等，該區(qū)域增長無霜期將會顯著提高核桃油脂含量，低值區(qū)為山西省西南部區(qū)域，如永濟(jì)縣、萬榮縣、芮城縣、臨猗縣等，該區(qū)域增長無霜期對核桃油脂含量的影響不大。因此，在高值區(qū)域即山西東部區(qū)域栽培核桃，對無霜期的依賴程度大，應(yīng)注意選擇低海拔區(qū)域，減少霜凍對核桃生長的影響，增加核桃油脂含量。

2.5 八月平均氣溫對核桃油脂肪酸的影響

選取與核桃油脂含量相關(guān)性最強(qiáng)的八月平均氣溫生態(tài)因子低、中、高3組水平的核桃進(jìn)行核桃油脂肪酸組成和含量分析，比較核桃油品質(zhì)，結(jié)果見表3。

表3 八月平均氣溫水平對核桃油脂肪酸組成和含量的影響

從表3可以看出，無論八月平均氣溫是哪種水平，核桃油脂肪酸組成中均以亞油酸含量最高，其次為油酸、亞麻酸、棕櫚酸、硬脂酸等，八月平均氣溫的低、中、高水平不能改變這種特點，這與核桃自身的遺傳特性有關(guān)。

亞油酸在人體內(nèi)通過代謝轉(zhuǎn)變?yōu)榛ㄉ南┧?，對于合成磷脂和前列腺素具有重要作用，同時亞油酸可防止血清中膽固醇的增加和沉積, 軟化血管, 防止高血壓和心血管疾病。因此，核桃油中亞油酸含量的高低，是評價油脂品質(zhì)的重要指標(biāo)之一。顯然，八月平均氣溫生態(tài)因子對核桃油的主要脂肪酸亞油酸的影響不大。

八月平均氣溫對核桃油中亞麻酸和油酸含量有一定影響。八月平均氣溫較低的地區(qū)，核桃油具有最高的亞麻酸含量水平(13.77%)，而中溫地區(qū)具有最高的油酸含量水平(21.42%)，這與Chang等[9]的研究結(jié)果不一致，可能是脂肪酸組成和含量受產(chǎn)地、年份影響所致。亞麻酸由于具有3個不飽和鍵,屬于多不飽和脂肪酸，具有很強(qiáng)的生理活性，但易于氧化，油脂品質(zhì)下降。從生產(chǎn)高耐貯性核桃油來看，亞麻酸含量低的核桃更加有優(yōu)勢。從表3還可以看出，亞麻酸的含量與油酸含量具有一定的此消彼長關(guān)系，通常核桃油中油酸含量越高，就越穩(wěn)定?？紤]到核桃油的貯藏性和貨架壽命,八月平均氣溫為中等溫度的地區(qū)可能是生產(chǎn)耐貯高油核桃的較好地區(qū)。因此，后續(xù)還要在生態(tài)因子的空間響應(yīng)方面加強(qiáng)對核桃油脂肪酸的探索研究，從而滿足對核桃油的商品性消費需求。

3 結(jié) 論

(1)采用空間計量方法建立了山西省核桃油脂含量和生態(tài)因子的空間滯后模型。結(jié)果說明較低的年平均氣溫、較低的七月平均氣溫、較高的八月平均氣溫和較短的無霜期可顯著提高核桃油脂含量。

(2)采用地理加權(quán)回歸模型從空間異質(zhì)性方面解釋了山西省核桃油脂含量對生態(tài)因子的響應(yīng)程度。年平均氣溫和七月平均氣溫對核桃油脂含量存在負(fù)影響，影響程度由北向南逐漸遞增；八月平均氣溫對油脂含量的正向貢獻(xiàn)由北向南逐漸降低；核桃油脂含量對無霜期的依賴程度由東向西逐漸遞減。

(3)山西中部和南部地區(qū)在七月適當(dāng)采取園地灌水或樹體噴水等措施降低核桃生長溫度會對核桃油脂含量的提高有顯著效果。選擇年平均溫較低、八月平均氣溫較高的地區(qū)進(jìn)行核桃栽培有利于產(chǎn)出高油脂核桃。八月平均氣溫高低對核桃油中亞油酸含量影響不大，但可以影響油酸和亞麻酸的含量。在山西東部地區(qū)栽培核桃，對無霜期的依賴程度大，應(yīng)注意選擇低海拔區(qū)域，減少霜凍對核桃生長的影響，增加核桃油脂含量。