陳曉麗，張 馨，楊子強(qiáng)，馬 麗，郭文忠,3**

（1.北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心，北京 100097；2.寧夏吳忠國(guó)家農(nóng)業(yè)科技園區(qū)管理委員會(huì)，吳忠 751100；3.農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100097）

紫蘇（Perilla frutescens L. Britt），是唇形科一年生草本植物，作為衛(wèi)生部第一批規(guī)定的既是藥品又是食品的60種作物之一，其在醫(yī)藥及食品領(lǐng)域有著重要的開(kāi)發(fā)價(jià)值，近年來(lái)受到國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注[1]。作為藥材，紫蘇具有抗過(guò)敏、抗氧化、抗腫瘤、降血脂等作用[2-5]；作為食品，紫蘇葉口感獨(dú)特，營(yíng)養(yǎng)豐富，含有多種蛋白質(zhì)、維生素及礦物質(zhì)等。紫蘇葉也是重要的出口蔬菜品種之一，據(jù)統(tǒng)計(jì)，紫蘇葉僅在日本的年需求量約20億片，而中國(guó)供貨量不足其需求量的10%，因此，栽培紫蘇具有較大的市場(chǎng)前景。然而，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)紫蘇的研究多集中在紫蘇的功能性成分以及其在醫(yī)藥、工業(yè)、生物領(lǐng)域的應(yīng)用上，而在紫蘇栽培環(huán)節(jié)及品質(zhì)改善方面的研究鮮見(jiàn)報(bào)道。

無(wú)機(jī)元素不僅是人體中維生素、酶、激素等活性物質(zhì)的核心成分，也是影響中藥材藥效成分活性的重要因素[6-7]。研究表明，改變?cè)耘喙赓|(zhì)條件對(duì)植物無(wú)機(jī)元素的積累有重要影響，如LED紅光顯著促進(jìn)了水培蒲公英地上部分對(duì) Ca、Na、Mn、Zn等 4種礦質(zhì)元素的累積量[8]；生菜在 LED紅藍(lán)光比例為4/1的條件下對(duì)Ca、Mg、Na、Fe、Mn、Zn、B等7種元素的累積量均大于全光譜的熒光燈[9]。除人工光源以外，聚乙烯有色膜也可以改變?cè)耘喹h(huán)境的光質(zhì)，徐凱等[10]發(fā)現(xiàn)，與自然光相比，綠膜和紅膜下草莓植株的葉柄長(zhǎng)度和葉面積顯著增加，而藍(lán)膜下明顯降低；張瑞華等[11]發(fā)現(xiàn)姜全生育期內(nèi)葉片的光合速率始終以綠膜處理較高，紅膜處理次之，藍(lán)膜處理較低，但均顯著高于自然光對(duì)照；田發(fā)明等[12]發(fā)現(xiàn)，紅色膜覆蓋甜椒株高小于藍(lán)色膜，單株產(chǎn)量則為紅色膜覆蓋下高于藍(lán)色膜，而單果重以紫色膜最高。光不僅是植物光合作用的能量來(lái)源，也是調(diào)節(jié)植物生長(zhǎng)及物質(zhì)代謝的重要環(huán)境信號(hào)[13]，通過(guò)光質(zhì)調(diào)節(jié)植物的營(yíng)養(yǎng)元素吸收、光合特性、生理代謝等從而改善植物的品質(zhì)是一項(xiàng)綠色、高效的栽培手段[14-16]，目前，關(guān)于光質(zhì)對(duì)紫蘇生長(zhǎng)及葉片礦質(zhì)元素含量的影響研究未見(jiàn)報(bào)道，由此，本研究運(yùn)用搭建有色膜棚架的方式人工栽培紫蘇，以自然光為對(duì)照，運(yùn)用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法（ICP-OES）[17-19]分析不同光譜成分下紫蘇對(duì)K、P、Ca、Mg、Na、S、Fe、Mn、Zn、Cu等10種無(wú)機(jī)元素的吸收和積累，以探究露地栽培中光譜成分對(duì)藥用蔬菜紫蘇礦質(zhì)品質(zhì)的影響，以期為優(yōu)化紫蘇的人工栽培技術(shù)，提高紫蘇的食用品質(zhì)及藥用價(jià)值提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于 2015年在寧夏吳忠國(guó)家農(nóng)業(yè)科技園區(qū)進(jìn)行，供試紫蘇種子購(gòu)自河北安國(guó)中藥材市場(chǎng)。5月28日穴播，株行距為20cm×50cm，行間鋪設(shè)滴灌帶，小區(qū)面積4m2，小區(qū)間隔50cm，每小區(qū)上方有拱棚棚架，拱棚四周通風(fēng)，6月30日，在各小區(qū)棚架上安裝聚乙烯材料的有色膜（圖1）。以無(wú)拱棚自然光為對(duì)照（CK），共設(shè)置 6個(gè)處理，膜的顏色分別為紫色（PF）、藍(lán)色（BF）、綠色（GF）、黃色（YF）、紅色（RF）以及白色（WF），隨機(jī)區(qū)組排列，重復(fù)3次。各處理栽培管理措施一致。

圖1 有色膜拱棚Fig. 1 Structure of arch shed with colored film

1.2 有色膜下光譜組成測(cè)定

通過(guò)計(jì)算各波段光質(zhì)光合有效輻射在總光合有效輻射中的占比，得到各有色膜處理下的光譜組成。利用 USB650型光譜儀（OceanOptics, model-SD650,USA）進(jìn)行光合有效輻射測(cè)量，光譜儀測(cè)量范圍350-1000nm。

1.3 植物樣品測(cè)定

7月10日起，每周日10：00在每個(gè)小區(qū)隨機(jī)選取5株紫蘇植株，重復(fù)3次，記錄葉片數(shù)并用直尺測(cè)定紫蘇株高；8月30日收獲全株（用鐵鍬和鋤頭深挖，確保全株完整取出，取樣方法同上），用千分之一的電子天平稱量紫蘇根、莖、葉等各部位的生物量鮮重，之后將植株各部位在 60℃烘箱中烘至恒重，并測(cè)量根、莖、葉等各部位的干重，最后將干樣磨碎，過(guò)40目篩備用；同時(shí)，在未挖出的植株里以相同取樣方式選取植株樣品，并摘取每株相同部位的 3片葉片測(cè)定相對(duì)葉綠素含量（SPAD-502 Chlorophyll Meter Model）。

上述過(guò)篩備用的紫蘇葉片粉末采用 HNO3-H2O2微波消解法進(jìn)行處理，測(cè)定各元素含量，測(cè)試儀器為電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀 ICAP6300（USA）。具體方法為：稱取 0.30g紫蘇葉片粉末置于微波消解罐中，加入6mL硝酸，放置過(guò)夜。次日加2mLH2O2靜置30min，然后旋緊蓋后置于微波爐內(nèi)，采取程序升溫控壓模式進(jìn)行消解。消解完畢后取出消解罐，冷卻，定容至50mL，搖勻后上機(jī)待測(cè)。HNO3和H2O2均為優(yōu)級(jí)純，購(gòu)自北京某化工廠，元素標(biāo)準(zhǔn)液源自國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中心。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用Excel、SPSS18.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 有色薄膜覆蓋對(duì)光質(zhì)的影響

由表1可知，覆蓋有色膜后，棚內(nèi)400-700nm可見(jiàn)光的光譜占比均較自然光（CK）有顯著提高（P＜0.05），其中紫色膜和藍(lán)色膜下可見(jiàn)光光譜占比提高幅度最大，但有色膜覆蓋下350-400nm紫外光以及700-900nm紅外光波段的光譜占比均較CK有所降低，且除白色膜之外，降低幅度均達(dá)到顯著水平（P＜0.05）；藍(lán)色膜下藍(lán)光波段的占比顯著高于其它任一處理，紅光波段占比、紅光/紅外光以及紅光/藍(lán)光均顯著低于其它處理；綠色膜下500-550nm綠光以及550-600nm黃光波段的占比顯著大于CK，且黃綠光波段的占比總和大于其它任一處理；黃色膜的500-550nm綠光波段占比顯著大于紅色膜，其它波段的光譜占比在這兩種膜之間，且無(wú)顯著性差異。白色膜下的光譜與CK相比，其可見(jiàn)光波段的光譜占比提高了10.6%，兩者差異顯著（P＜0.05）。

表1 不同處理下的光譜組成（平均值±均方差，%）Table 1 The components of representative irradiance spectrum under different colored plastic films（mean±SD, %）

2.2 有色薄膜對(duì)紫蘇生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)的影響

由圖2a可見(jiàn)，在整個(gè)試驗(yàn)期間，藍(lán)、紫膜下紫蘇株高增長(zhǎng)速率低于CK，但與CK無(wú)顯著差異，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，藍(lán)、紫膜以及CK處理下紫蘇株高為55.77～59.93cm，平均增長(zhǎng)速率為1.12～1.20cm·d-1；綠、白、紅、黃色膜之間紫蘇株高增長(zhǎng)速率無(wú)顯著差異，但均顯著高于CK和藍(lán)、紫色膜處理，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)綠、白、紅、黃色膜處理下紫蘇株高為72.73～79.97cm，平均增長(zhǎng)速率為 1.45～1.60cm·d-1，說(shuō)明藍(lán)、紫色膜對(duì)株高影響不顯著，但其它幾種顏色的膜覆蓋能夠顯著促進(jìn)紫蘇植株伸長(zhǎng)。由圖2b可見(jiàn),紫蘇葉片數(shù)表現(xiàn)為CK處理最多，為116片，黃色膜下次之。除黃色膜外，其它膜處理下的葉片數(shù)均較對(duì)照顯著減少（P＜0.05），減幅在26.44%～53.45%，葉片數(shù)以藍(lán)色膜下最少。說(shuō)明有色膜尤其是藍(lán)色膜覆蓋抑制紫蘇葉片的抽出。

圖2 不同處理下紫蘇株高及葉片數(shù)的變化動(dòng)態(tài)Fig. 2 The variation of plant height and leaf number of Perilla frutescens under different colored films

2.3 有色薄膜對(duì)紫蘇同化物積累的影響

由表 2可見(jiàn)，除綠色膜外，其它有色膜均顯著提高了紫蘇的葉片鮮重（P＜0.05），黃色膜下葉片鮮重最高，較對(duì)照CK增長(zhǎng)108.5%，紅色膜次之，較CK增長(zhǎng)68.14%；黃色膜、紅色膜下的紫蘇全株生物量顯著高于其它膜處理；紅色膜下，紫蘇地上部分與地下部分的比值S/R較CK有所降低，而其它膜處理S/R較CK均顯著提高，說(shuō)明紅色膜有利于同化物向根的分配，而其它膜有利于同化物向紫蘇地上部分的積累。此外，各有色膜下的相對(duì)葉綠素含量SPAD值均顯著低于CK（P＜0.05）。

表2 不同處理下紫蘇各部位生物量、S/R（地上與地下生物量比值）以及SPAD（相對(duì)葉綠素含量）（平均值±均方差）Table 2 The biomass, S/R（shoot/root）and SPAD（relative chlorophyll content）of plants under different colored films（mean±SD，n=3）

2.4 有色薄膜對(duì)紫蘇葉片礦物質(zhì)含量及積累量的影響

由表3、4可見(jiàn)，不同有色膜覆蓋下紫蘇葉片中常量、微量元素的含量存在差異。常量元素方面，K、P元素的含量均以綠色膜下最高，較自然光下（CK）分別增長(zhǎng)69.2%、53.1%；紫色膜和紅色膜降低了Ca、Mg元素含量，相反，其它各色膜均提高了Ca、Mg元素含量，且提高幅度均以藍(lán)色膜最大；各有色膜處理均提高了紫蘇葉片中K、Na、S元素的含量，其中Na以白色膜下含量最高，較CK增長(zhǎng)了110.5%，S以綠色膜下最高，較CK增長(zhǎng)了63%；自然光下，紫蘇葉片中常量礦質(zhì)元素含量比值約為K:Ca:Mg:P:S:Na=107:93:27:15:7:1。微量元素方面，各有色膜下Fe元素含量均低于CK，降幅為46.53%～74.27%；Mn、Zn、Cu元素分別在藍(lán)、紫、綠色膜下的含量最高，較CK分別提高14.7%、31%以及86.7%；自然光下，紫蘇葉片中微量礦質(zhì)元素含量比值約為Fe:Mn:Zn:Cu=524:21:7:1。

由表5可見(jiàn)，就單株紫蘇葉片中的礦物質(zhì)累積量而言，常量元素K、P、Ca、Na、S的累積量均在自然光(CK)下最低，即除 Mg元素外，有色膜提高了其它所有常量元素在紫蘇葉片中的累積量；Mg元素累積量在黃色膜下最高，較CK提高56%，在綠色膜下最低，較CK降低9.3%?微量元素中，F(xiàn)e的累積量在CK下最高，有色膜下Fe的累積量呈不同幅度的降低，其中紫色膜下Fe的累積量最低，較CK降低了67.5%；相反，Zn和Cu元素均在自然光下積累量最低，有色膜的覆蓋不同程度提高了微量元素Zn、Cu在紫蘇葉片中的積累量；Mn元素累積量在藍(lán)色膜下最高，較 CK提高26.6%，在紫色膜下最低，較CK降低13.0%。

表3 不同處理下紫蘇葉片中大量元素含量（平均值±均方差）Table 3 The content of macroelements in Perilla leaves under different colored films（mean±SD, mg·g-1, n=3）

表4 不同處理下紫蘇葉片中微量元素含量（平均值±均方差）Table 4 The content of microelements in Perilla leaves under different colored films（mean±SD, μg·g-1，n=3）

表5 不同處理下紫蘇葉片中礦質(zhì)元素的積累（平均值±均方差）Table 5 The accumulation of mineralments in Perilla leaves under different colored films（mean±SD, mg·plant-1, n=3）

3 結(jié)論與討論

3.1 討論

礦質(zhì)元素是人體、動(dòng)物的重要營(yíng)養(yǎng)功能成分，對(duì)于植物而言其含量和種類(lèi)直接影響植物的生長(zhǎng)代謝，如P作用于磷酸、磷酸化合物的生成等，F(xiàn)e是光合電氧還蛋白的組成成分，Mg、Cu元素分別是葉綠素和抗壞血酸氧化酶的重要成分等[16]。植物對(duì)礦質(zhì)元素的吸收、積累以及利用與植物基因型[19]以及生長(zhǎng)環(huán)境條件如水分、鹽分、溫度、光照等密切相關(guān)[20-22]。大量研究表明，光譜成分的改變對(duì)作物生長(zhǎng)和品質(zhì)會(huì)產(chǎn)生不同程度、不同方面的影響[23-25]。在露地栽培中，人工光源不便于安裝且成本較高，而有色薄膜成本較低，可創(chuàng)造較好的溫光環(huán)境減輕作物光合午休，因此更具實(shí)用性。

本試驗(yàn)研究結(jié)果表明，綠色膜顯著促進(jìn)了紫蘇的伸長(zhǎng)生長(zhǎng)，這與徐凱等[11]報(bào)道的綠膜下草莓植株的葉柄長(zhǎng)度較自然光下顯著增加類(lèi)似，說(shuō)明綠色膜有促進(jìn)組織伸長(zhǎng)生長(zhǎng)的作用；付衛(wèi)民等[26]報(bào)道不同有色膜覆蓋下心里美蘿卜產(chǎn)量水平表現(xiàn)為RF＞YF＞CK＞BF＞PF，彭曉丹等[27]用不同有色棚膜處理甜椒的研究中也發(fā)現(xiàn)，紅膜處理有利于甜椒果實(shí)干物質(zhì)積累，而藍(lán)膜、紫膜對(duì)產(chǎn)量形成呈現(xiàn)明顯的抑制作用。本研究中紅色膜（RF）和黃色膜（YF）下紫蘇全株生物量顯著高于其它所有處理，說(shuō)明紅色、黃色膜有促進(jìn)產(chǎn)量形成的作用，但藍(lán)膜、紫膜下紫蘇生物量較自然光對(duì)照也有不同程度的提高，并未出現(xiàn)藍(lán)、紫膜抑制產(chǎn)量形成的現(xiàn)象；此外，田發(fā)明等[12]發(fā)現(xiàn)紅色膜覆蓋甜椒株高小于藍(lán)色膜，單株產(chǎn)量則為紅色膜覆蓋下高于藍(lán)色膜，據(jù)原程等[28]報(bào)道，藍(lán)色膜下小紅袍品種的茄子幼苗株高高于紅色膜下，而其它品種的茄子幼苗株高均表現(xiàn)為藍(lán)色膜下低于紅色膜下，本研究中，紫蘇株高和單株產(chǎn)量均表現(xiàn)為紅色膜下高于藍(lán)色膜下，這說(shuō)明有色膜覆蓋對(duì)植物的影響存在品種間差異。

此外，礦質(zhì)元素的累積量綜合了礦質(zhì)元素吸收量和作物同化物累積兩個(gè)因素，本研究表明，紫蘇葉片中K、Cu元素的含量以綠色膜下最高，而累積量在紅色膜下最高；Ca、Mg元素含量以藍(lán)色膜下最高，而累積量在黃色膜下達(dá)到最高，因此，光合同化物的合成與礦質(zhì)元素吸收是相互聯(lián)系又相互獨(dú)立的兩個(gè)過(guò)程[29]，累積量更能反映當(dāng)季作物總體的礦物質(zhì)積累水平[30]。作物由地下部分從土壤中吸收礦物質(zhì)，再部分運(yùn)往葉片中，光譜成分有可能通過(guò)影響礦物質(zhì)吸收或運(yùn)輸過(guò)程中的某些相關(guān)酶基因的表達(dá)或酶活性等對(duì)作物的礦質(zhì)品質(zhì)產(chǎn)生影響，然而，光譜成分對(duì)作物礦質(zhì)品質(zhì)的作用機(jī)理需要通過(guò)進(jìn)一步試驗(yàn)研究以闡明。

3.2 結(jié)論

（1）有色膜覆蓋下，400-700nm可見(jiàn)光的光譜占比均較自然光下有顯著提高，其中藍(lán)膜、紫膜的提高幅度最大，相反，350-400nm紫外光以及700-900nm紅外光波段的光譜占比均較自然光下有所降低。

（2）黃色膜下紫蘇葉片鮮重最高，紅色膜次之，且黃色、紅色膜下紫蘇全株生物量顯著高于其它膜處理。

（3）K、P、S、Cu元素在紫蘇葉片中的含量以綠色膜下最高，Ca、Mg、Mn元素含量以藍(lán)色膜下最高，所有有色膜處理均較自然光下提高了紫蘇葉片中 K、Na、S元素的含量而降低了Fe元素含量。

（4）K、Cu元素在紫蘇葉片中累積量以紅色膜下最高，P、Ca、Mg累積量以黃色膜下達(dá)到最高，各有色膜處理均較自然光下提高了紫蘇葉片中K、P、Ca、Na、S、Zn、Cu等7種元素的累積量而降低了Fe元素累積量。

（5）自然光下紫蘇葉片中常量無(wú)機(jī)元素含量比值約為K:Ca:Mg:P:S:Na=107:93:27:15:7:1，微量無(wú)機(jī)元素含量比值約為Fe:Mn:Zn:Cu=524:21:7:1。

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