多技术整合对小批量大米地理溯源效率提升及元素指纹性能的多维验证

《Food Control》：Multidimensional validation of elemental fingerprint performance for small-scale rice geographic origin traceability and efficiency enhancement by multi-technology integration

　　

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  揭示小尺度空间异质性：对辽宁省9个产区的189份水稻样品分析表明，Mn、Zn、Rb、Cu和Ba等元素存在显著空间变异，为小尺度地理溯源提供了关键元素证据。
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  验证单一品种指紋的時間穩定性：在盘锦、丹东和营口地区进行的两年度固定地点试验表明，艳丰47品种Mn、Zn、Rb和Ba元素指紋具有良好時間穩定性。Cu則需要结合年度变化数据及判别模型进行校准。
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  明确元素的品种普遍性模式：跨品种验证（辽晶香1号和辽晶327）表明Mn、Rb和Ba具有普遍性，而Sr和Zn则表现出品种特异性，为通用溯源策略提供了指导。
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  确认同位素组合的增强效应：将特征元素与稳定同位素（δ¹⁵N和δ²H）结合使用，可显著提高溯源准确性，在解释力和预测能力方面均优于单一元素模型。
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  为小尺度溯源奠定科学基础：系统阐明水稻元素指紋的时空品种特征，为小尺度区域水稻产地的精准鉴定提供了理论支撑和方法优化方案。

引言

水稻（Oryza sativa L.）是全球消费量最广泛的主食作物，养活着世界一半以上的人口（Zhao et al., 2020）。中国作为全球最大的水稻生产国，贡献了全球产量的约36.9%，并以水稻作为国内65%人口的日常主食（Yuan et al., 2018）。这一关键作用凸显了确保水稻真实性和安全性的紧迫性，尤其是在食品欺诈、污染问题日益突出以及消费者对产地透明度需求不断增加的背景下。水稻的地理产地与其品质、安全性和市场价值密切相关。因此，开发可靠的水稻地理溯源方法已成为食品真实性鉴定、质量管控和供应链管理中的关键研究领域。

目前已有多种技术被用于农产品真实性验证，包括近红外光谱技术、有机成分指紋技术、矿物元素指紋技术、稳定同位素分析、智能感官系统分析、分子生物学以及基于代谢组学的溯源方法（Katerinopoulou et al., 2020）。这些方法在茶叶（Jin et al., 2022）、蓝莓（Zhang et al., 2021）、生姜（Yu et al., 2023）和玉米（Schütz et al., 2021）等多种农产品产地溯源中取得了显著成果。近年来，多元素分析和稳定同位素分析被认为是这些溯源技术中最具前景的工具。这主要归功于多元素浓度与土壤地球化学特征密切相关，同时同位素比值能够反映气候因素（纬度、海拔、温度）和人为因素（施肥、灌溉），从而形成具有地域特征的自然标识（Nie et al., 2022; Wang et al., 2022）。

近期研究表明，区域差异（如环境条件和地理位置）会导致水稻籽粒中独特的元素组成（Wadood et al., 2026）。因此，基于元素指紋技术分析水稻中微量元素和常量元素的独特分布特征，已成为追溯水稻产区产地的潜力巨大的工具。当前水稻元素指紋研究主要聚焦于大尺度地理分异，如国家之间或主要产区之间（Quinn et al., 2022; Wadood et al., 2026）。然而，这些研究结论并不能直接适用于小尺度场景（如单一省份内），因为在这些场景中，元素分布与产地的关系受品种遗传多样性、微气候变化及当地农艺措施等因素的复杂影响。作为中国水稻主产国，区域市场对精准识别特定市、县级水稻产地存在迫切需求，这突显了深入理解精细尺度元素变异模式的必要性。

为应对上述挑战，本研究以辽宁省为重点研究对象——该地区是中国东北水稻主产区，以种植区域多样、稻米品质优良为特征。研究目标为：（1）分析辽宁省9个地市水稻元素指紋的空间异质性，筛选用于区分小尺度产区的关键元素；（2）通过单品种（艳丰47）两年度连续定点跟踪实验，评估元素指紋的時间穩定性；（3）利用两个其他广泛适栽品种（辽晶香1号和辽晶327）验证所筛选关键标记元素的跨品种通用性；（4）探究将元素数据与稳定同位素比值结合对溯源准确性的增强效应。本研究整合多元素分析、化学计量学建模（PCA和PLS-DA）以及稳定同位素联合验证，旨在为小尺度、多品种混栽场景下的水稻溯源优化提供系统框架。

章节摘要

样品采集

地表样品采集：在2023年至2024年水稻成熟期，从辽宁省9个主产区（盘锦市、丹东市、营口市、沈阳市、本溪市、大连市、铁岭市、鞍山市、辽阳市）的田间共采集了189份水稻样品（图1a）。具体而言，分别从盘锦（PJ）、丹东（DD）、营口（YK）、沈阳（SY）、本溪（BX）、大连（DL）采集了35、53、20、28、17、10份水稻样品，

不同产区混栽水稻品种的多元素分析

对2023—2024年间从辽宁省9个地市（盘锦市、丹东市、营口市、沈阳市、本溪市、大连市、铁岭市、鞍山市和辽阳市）田间成熟期采集的189份水稻样品进行了20种元素分析。箱线图（图2）及单因素方差分析（ANOVA）结果（表S4）显示，水稻样品中Zn、Mn、Cu、Rb、P、K、Mg、As和Cd的含量阈值分布范围存在较为明显的差异

结论

本研究确认水稻元素指紋具有显著的空间异质性和一定的時间穩定性。筛选出的Mn、Zn、Rb和Ba被确定为核特征元素，可作为有效区分小尺度地理产地水稻的潜在身份标记。Cu作为标记元素，需要结合年度数据及判别分析模型进行校准。跨品种适用性分析表明Mn、Rb和Ba具有

作者贡献声明

邹旬：资源，调研。彭天舒：软件，资源。王建中：审阅与编辑，监督指导。李丽娜：资源，调研，形式分析。吴宪新：审阅与编辑，初稿撰写，资源，调研，经费获取，形式分析。李广：资源，调研，数据整理。郭春景：软件，方法学，调研。林秋军：资源，调研

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

数据可用性

所使用数据属于保密内容。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

感谢上海农业科学院农产品质量标准与检测技术研究所张艳梅博士在稳定同位素分析方面提供的支持和协助。

吴宪新|李丽娜|郭春景|李广|林秋军|彭天舒|邹旬|王建中