《Horticulturae》：Effect of Potassium-Restricted Cultivation on Fruit Quality and Cation Dynamics in Potted Satsuma Mandarin
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慢性肾脏病（CKD）患者常被建议限制钾（K）摄入，因此低钾农产品的生产极具吸引力。尽管已有关于低钾蓝莓的报道，但仍需对其他果树树种开展研究。研究人员对盆栽温州蜜柑（Citrus unshiu Marc.）——一种天然富钾的主要果树作物——在根区实施钾限制处理，
慢性肾脏病（CKD）患者常被建议限制钾（K）摄入，因此低钾农产品的生产极具吸引力。尽管已有关于低钾蓝莓的报道，但仍需对其他果树树种开展研究。研究人员对盆栽温州蜜柑（Citrus unshiu Marc.）——一种天然富钾的主要果树作物——在根区实施钾限制处理，历时18个月，跨越两个季节（2023—2024年）。由于产量有限，第一年果实数据作为初步结果处理。2024年，钾限制处理成功使果实钾含量减半。尽管单果重和产量呈非显著的下降趋势，但可溶性固形物含量与可滴定酸度比显著升高，主要由酸度显著下降所驱动。果实和叶片中钠、钙和/或镁含量亦发生改变，其中钠的升高最为明显。然而，相对于钾的大幅下降，果实钠的增加在临床上微不足道。此外，由于使用氢氧化钠（NaOH）进行pH调节，且叶片阳离子水平随年份和采样时期而变化，这些变化不能仅归因于钾限制。总体而言，这些研究结果证明了降低温州蜜柑果实钾含量的技术潜力，但仍需进一步研究以评估商业生产的可行性。
慢性肾脏病（CKD）在全球影响约8.5亿人，肾功能受损会阻碍钾（K）排泄，因此通常建议患者限制膳食钾摄入并采用控制钾摄入的植物性膳食。虽然浸泡、煮沸等烹饪处理可去除生食中60–80%的钾，但同时会浸出其他有益矿物质和维生素，并使患者无法享用新鲜生食，因此低钾作物生产受到广泛关注。以往低钾作物研究多集中于水培蔬菜（如菠菜、生菜、甜瓜、草莓），而关于土壤栽培果树的研究仍很有限。水培系统虽可实现精准养分调控，但尚未在果树商业生产中广泛应用；而在土壤系统中，由于土壤养分固有的保持能力、根系形态及可塑性根系生长动态，养分限制更具挑战性。此外，钾是植物组织中含量最丰富的无机阳离子，对细胞渗透调节、细胞伸展、同化物运输和光合作用至关重要，因此钾限制可导致生长受抑、叶片褪绿和坏死以及果实大小和重量下降。轻度钾限制由于钾在成熟组织与发育组织间的再分配而不立即表现可见症状，生长下降通常首先发生，随后成熟叶片出现褪绿和坏死，其发生时间取决于作物种类。因此，在果树中实施钾限制存在损害营养生长和生殖生长的重大风险。Takahashi等（2023）报道了在施肥灌溉栽培下盆栽南高丛蓝莓的低钾果实生产，通过限制土壤体积以最小化土壤来源钾和根系生长动态，从开花到采收的三个月钾限制使果实钾含量降低53%，但延长限制约三个月后诱导了可见的叶片缺钾症状。这些发现证明了在盆栽土壤条件下低钾生产的可行性，但果树研究仍然稀缺，亟需评估其他果树树种。根据日本食品标准成分表，蓝莓果实钾含量为70 mg·100 g?1 FW，在果树作物中相对较低；相比之下，温州蜜柑（Citrus unshiu Marc.）果实钾含量为130–150 mg·100 g?1 FW，几乎是蓝莓的两倍。此外，温州蜜柑果实发育期显著更长（为蓝莓的2–3倍）且果实更大，这些特性使降低温州蜜柑果实钾含量更为困难，需要更长的钾限制 period，从而增加严重缺钾的风险。然而，温州蜜柑是日本的主要大宗水果，2025年家庭购买量排名第三，且适合在温室条件下盆栽栽培。这些独特的生长特性，加之其高市场需求和盆栽管理的可行性，使温州蜜柑成为低钾评估的理想候选对象。基于上述发现和植物生理学原理，研究人员提出以下假设：（1）由于多年生器官中储存有大量内部钾储备，需要长期限制 period 才能显著耗竭果实钾水平，这可能涉及对果实重量或产量的负面影响；（2）限制钾供应会改变根区离子平衡，诱导替代阳离子（如钠）的吸收和积累发生变化。因此，本研究旨在通过评估连续两个季节从开花到采收的钾限制对果实和叶片阳离子动态以及整体果实品质属性的影响来检验这些假设，以评估在温州蜜柑果实中实现目标30–50%钾降低（基于以往低钾果实研究）的可行性。
研究人员开展了为期18个月（2023年5月至2024年11月）的盆栽温州蜜柑钾限制试验。试验使用2023年2月购买的两年生温州蜜柑（C. unshiu cv. Miyagawa Wase）树，于2023年2月14日移植入8.5 L盆中，盆内装有含缓释肥的常绿树商业盆栽土。树木种植于日本东京农工大学农业研究所（东京都府中市，35.684° N，139.481° E）室外，后于2023年4月10日移入无加热温室，按滴灌施肥布局排列为相邻两行。处理前用大量自来水淋洗土壤，使土壤溶液钾浓度从约25 ppm降至13 ppm以下。试验设对照和钾限制（?K）两个处理（n=5）。钾限制通过改良营养液组成实现：对照为半强度Enshi标准营养液，?K处理中以硝酸替代硝酸钾以在pH调节前维持等效氮供应；两种溶液均调整至pH 5.0±0.5、EC 0.8±0.1 mS·cm?1，对照用含硝酸和磷酸的商业pH降低剂降pH，而钾限制溶液用氢氧化钠（NaOH）调节pH。实际钾浓度对照为70–140 ppm，?K处理为1–3 ppm。2023年未进行疏果，仅3株/处理结果；2024年8月30日疏除小果和伤果后每株保留10–20个果。果实于2023年11月至12月及2024年11月至12月采收。土壤溶液于5月淋洗前后及此后每两月（7月、9月、11月）采集，用便携式钾计测定钾浓度。果实测量包括果数、果重、直径、高度，并按35 g间隔分为5个重量等级（Class 1：43–77 g；Class 2：78–112 g；Class 3：113–147 g；Class 4：148–182 g；Class 5：183–218 g）；果实品质分析测定可溶性固形物含量（SSC）和可滴定酸度（TA，柠檬酸当量），阳离子含量采用稀酸提取法预处理后以原子吸收分光光度法测定钾、钠、钙、镁。叶片于2023年和2024年5月至11月每两月采集一次，每株选3个新梢，各取1片完全展开叶混合，80 °C烘干至少96 h后粉碎，按与果实相同方法测定阳离子含量。统计分析使用R软件（版本4.6.1），重复测量的土壤和叶片参数数据（n=5）采用线性混合模型（LMM）分析，以处理、年份、采样时期及其二阶和三阶交互作用为固定效应，单株ID为随机截距，采用Satterthwaite近似计算自由度和p值，事后比较采用估计边际均值（emmeans）；2024年果实数据（n=5）采用t检验；2023年果实数据因样本量有限（n=3）未进行正式统计分析，作为初步观察以Mean±SE呈现。显著性水平设为p≤0.05。
研究结果显示：在土壤测量方面，2023年处理前两处理土壤溶液钾浓度无显著差异；初始水淋洗后两处理土壤溶液钾浓度均下降，且?K处理在整个2024年季节开始前持续显著低于对照；尽管对照后续水淋洗 temporarily 将其钾浓度降至与?K处理相当的水平，但此后?K处理钾浓度仍显著低于对照；LMM分析表明三个主效应（处理、年份、采样时期）及所有二阶和三阶交互作用均显著。在果实测量方面，2024年18个月钾限制后?K处理果实钾含量显著低于对照，降低59%（从186降至76 mg·100 g?1 FW）；2023年6个月限制后的初步测量同样显示32%的降低（从209降至142 mg·100 g?1 FW）；2024年果实中钠和镁含量在?K处理中分别显著高9.8倍和1.4倍，重复了2023年初步测量的趋势，而钙含量显著低24%；2024年两处理间果数和果实形状指数无显著差异，而单果重和产量呈非显著下降趋势；在相对果实大小分布上，对照果实分布于Class 1至Class 4（各20–27%），Class 5占8%，而?K处理明显集中于Class 2（46%），其次为Class 3（37%）、Class 1（11%）和Class 4（6%），完全缺失Class 5；在果实品质方面，?K处理SSC显著高于对照，TA显著低于对照，导致SSC/TA比显著升高。在叶片测量方面，?K处理叶片钾含量自2023年7月后开始下降，并在所有后续采样时期持续显著低于对照，2024年11月最大降幅达87%；叶片钠含量在2023年9月前两处理间无显著差异，但此后在?K处理中逐渐升高并显著高于对照；叶片钾和钠的LMM分析表明三个主效应及所有二阶和三阶交互作用均显著；叶片钙和镁含量在两处理中呈现相似季节模式，但?K处理在两年中均倾向于更高；叶片钙仅年份和采样时期主效应及其二阶交互作用（年份×时期）显著，叶片镁除处理主效应外所有主效应和交互作用均显著。
讨论部分指出，与对照相比，钾限制栽培18个月后使果实和叶片钾含量分别降低59%和87%；标准温州蜜柑果实钾含量为130–150 mg·100 g?1 FW，而?K处理果实钾含量达76 mg·100 g?1 FW，约为参考值的一半，表明18个月钾限制成功实现了30–50%的目标降低，并提供了可能具有临床意义的下降。值得注意的是，对照估计每日钾输入为55–110 mg·株?1，而?K处理输入仅1–3 mg·株?1（通过自来水）；?K处理土壤溶液钾水平的持续低下确认了对钾有效性的严格限制。尽管钾输入降至对照的1–5%，果实钾含量并未降至相应极端程度。温州蜜柑果实是强钾库，叶片中储存的钾在限制条件下可转运至发育中的果实，如番茄中报道的那样；本研究中叶片钾含量显著下降，尤其在2024年，表明叶片钾储备被再动员以维持果实钾水平在正常基线的大约一半。根区钾限制降低多种作物的叶片和/或果实钾，如蓝莓在三个月限制后出现可见叶片缺钾症状；然而，由于培养基、持续时间和缺乏阈值差异，直接种间比较需谨慎。柑橘树本身积累相对较高的初始钾水平，这可能有助于本试验18个月期间未出现急性叶片缺钾症状。关于产量和果实品质参数，钾限制效应在2024年趋于更明显。尽管?K处理总产量/株和单果重呈非显著下降趋势，但果数/株无显著差异；这种相当的作物负载表明限制的钾有效性可能在限制单果生长中发挥作用，与每株总钾输出减少（从3529降至1153 mg K·株?1；243 vs. 78 mg K·果?1）相一致。相对果实大小分布显示，对照果实跨越至Class 5的所有大小类别，而?K处理导致明显向较小果实（Class 2和Class 3）偏移，完全缺失Class 5果实。尽管单果重降低因样本量小（n=5）而未达统计显著，这些观察趋势提示钾限制对果实物理生长存在潜在影响，需更大样本量评估。钾限制下SSC/TA比升高主要由TA显著降低（低49%）驱动，而非SSC变化（高20%）。虽然施钾通常促进果实糖积累，低钾研究常报道SSC降低或无变化。关于酸度，低钾供应降低脐橙中柠檬酸积累，与本研究TA结果一致；然而，以往研究中钾供应对TA的影响仍不一致。尽管如此，由于品质评价仅限于SSC和TA，需进一步分析——包括高效液相色谱（HPLC）糖和有机酸谱分析、抗坏血酸定量和感官评价——以评估整体适口性；此外，需多季节长期评估以阐明钾限制下糖酸动态。?K处理果实钾含量显著低于对照（76 vs. 186 mg·100 g?1 FW），而钠含量更高（25 vs. 2.7 mg·100 g?1 FW）。尽管用NaOH调节pH将根区钠引入作为潜在混杂因素，但?K处理导致的钠摄入仅为每果25.3 mg——占CKD患者每日限钠量（<2.3 g Na）的1.1%；相反，对照中一个果实提供每日限钾量（3 g）的8.1%，而?K处理仅提供2.6%。由于严重高钾血症具有致命性心律失常的即时风险，管理高钾摄入在临床上优先于生理上轻微的钠增加。此外，肾脏膳食中磷和蛋白质也需限制；虽然本研究聚焦阳离子动态，评估其水平仍是未来商业低钾柑橘生产的重要课题。最后，应承认若干局限性：首先，小样本量和同一批树的多年度追踪——而非独立重复——限制了研究结果的普适性；此外，使用温室中幼龄盆栽树可能不能完全代表成熟田间树，且叶片缺钾症状通过视觉而非分光光度法叶绿素测量评估。尽管如此，作为概念验证案例研究，此处生产的低钾果实单份仅含78 mg总钾，而标准柑橘含130–150 mg，这可能支持CKD患者在每日限制钾允许量内的膳食管理，证明了靶向根区钾管理在实验设置下的潜在适用性。在果实和叶片阳离子相互作用方面，钾限制果实中钾含量较低，而钠和镁含量在两年中均高于对照；相比之下，LMM分析显示处理主效应对叶片钾和钠含量均显著，而叶片钙和镁含量无显著差异。这些结果表明钾限制（伴随NaOH添加以调节pH）与营养组织中钾耗竭和钠水平 concurrent 增加相关。总体而言，钾限制对钠含量影响最强，其次为镁，对钙影响相对较小。这种组织特异性差异可能反映这些器官的不同作用，其中果实作为 dominant 钾库而叶片作为源。尽管钠和钙等其他阳离子可在维持细胞膨压和渗透调节中部分替代钾功能，且钾、钙和镁间存在离子相互作用，但这些观察到的变化应谨慎解释，因为当前数据代表观察性关联而非主动补偿性离子吸收或拮抗的直接生理证据。具体关于钠，其增加部分归因于?K溶液中用于pH调节的NaOH，导致对照估计每日钠输入为0.3–0.6 mg·株?1，而?K处理为37–74 mg·株?1。尽管钠可在缺钾条件下部分替代钾功能，但大量钠积累在柑橘生产中构成实际风险，因为钠吸收增加可诱导离子毒害和破坏细胞稳态。由于未确认营养液最终离子组成等效，观察到的变化不能仅归因于钾限制，因此潜在吸收机制仍需阐明；需使用替代钾限制方法以最小化混杂输入的进一步研究来区分降低的钾有效性与次级营养液效应。此外，LMM分析显示年份和采样时期主效应对所有四种叶片阳离子均显著，除钙外所有阳离子均存在显著二阶和三阶交互作用；这些发现表明叶片阳离子平衡不仅受钾有效性调节，还受年际变化（如作物负载和天气）和季节物候调节。因此，需在完全受控营养环境下进行多年长期研究以精确阐明钾限制下阳离子运输的复杂相互作用。结论部分指出，钾限制栽培在盆栽施肥灌溉条件下降低了温州蜜柑果实钾含量。在18个月钾限制期内，?K处理果实钾含量较对照降低59%（比标准食品成分值低42–49%）。尽管总产量和单果重降低未达统计显著，但糖酸平衡发生改变，表现为钾限制下可滴定酸度显著降低。果实和/或叶片中钠、钙和镁含量增加，其中?K处理下钠的增加最为明显；然而，相对于钾的大幅下降，果实钠的 resultant 增加在临床上微不足道，可能为CKD患者膳食管理提供有价值的选项。此外，由于叶片阳离子含量也显著受年份、采样时期及用于pH调节的氢氧化钠等次级输入影响，钾限制并非 governing 这些变化的唯一因素。总体而言，这些发现证明了通过靶向根区管理降低温州蜜柑果实钾含量的潜力。然而，由于本研究中树数有限——特别是果实评价——需进一步开展更大树群体的多年研究、完全受控环境下的养分分布分析以及果实品质属性和长期树体健康的综合评价，以确认商业生产可行性。
