有色膜覆盖对紫苏生长及叶片矿质含量的影响*1

陈晓丽，张 馨，杨子强，马 丽，郭文忠,3**

（1.北京农业智能装备技术研究中心，北京 100097；2.宁夏吴忠国家农业科技园区管理委员会，吴忠 751100；3.农业部农业信息技术重点实验室，北京 100097）

紫苏（Perilla frutescens L. Britt），是唇形科一年生草本植物，作为卫生部第一批规定的既是药品又是食品的60种作物之一，其在医药及食品领域有着重要的开发价值，近年来受到国内外的广泛关注[1]。作为药材，紫苏具有抗过敏、抗氧化、抗肿瘤、降血脂等作用[2-5]；作为食品，紫苏叶口感独特，营养丰富，含有多种蛋白质、维生素及矿物质等。紫苏叶也是重要的出口蔬菜品种之一，据统计，紫苏叶仅在日本的年需求量约20亿片，而中国供货量不足其需求量的10%，因此，栽培紫苏具有较大的市场前景。然而，目前国内外对紫苏的研究多集中在紫苏的功能性成分以及其在医药、工业、生物领域的应用上，而在紫苏栽培环节及品质改善方面的研究鲜见报道。

无机元素不仅是人体中维生素、酶、激素等活性物质的核心成分，也是影响中药材药效成分活性的重要因素[6-7]。研究表明，改变栽培光质条件对植物无机元素的积累有重要影响，如LED红光显著促进了水培蒲公英地上部分对 Ca、Na、Mn、Zn等 4种矿质元素的累积量[8]；生菜在 LED红蓝光比例为4/1的条件下对Ca、Mg、Na、Fe、Mn、Zn、B等7种元素的累积量均大于全光谱的荧光灯[9]。除人工光源以外，聚乙烯有色膜也可以改变栽培环境的光质，徐凯等[10]发现，与自然光相比，绿膜和红膜下草莓植株的叶柄长度和叶面积显著增加，而蓝膜下明显降低；张瑞华等[11]发现姜全生育期内叶片的光合速率始终以绿膜处理较高，红膜处理次之，蓝膜处理较低，但均显著高于自然光对照；田发明等[12]发现，红色膜覆盖甜椒株高小于蓝色膜，单株产量则为红色膜覆盖下高于蓝色膜，而单果重以紫色膜最高。光不仅是植物光合作用的能量来源，也是调节植物生长及物质代谢的重要环境信号[13]，通过光质调节植物的营养元素吸收、光合特性、生理代谢等从而改善植物的品质是一项绿色、高效的栽培手段[14-16]，目前，关于光质对紫苏生长及叶片矿质元素含量的影响研究未见报道，由此，本研究运用搭建有色膜棚架的方式人工栽培紫苏，以自然光为对照，运用电感耦合等离子体原子发射光谱法（ICP-OES）[17-19]分析不同光谱成分下紫苏对K、P、Ca、Mg、Na、S、Fe、Mn、Zn、Cu等10种无机元素的吸收和积累，以探究露地栽培中光谱成分对药用蔬菜紫苏矿质品质的影响，以期为优化紫苏的人工栽培技术，提高紫苏的食用品质及药用价值提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验于 2015年在宁夏吴忠国家农业科技园区进行，供试紫苏种子购自河北安国中药材市场。5月28日穴播，株行距为20cm×50cm，行间铺设滴灌带，小区面积4m2，小区间隔50cm，每小区上方有拱棚棚架，拱棚四周通风，6月30日，在各小区棚架上安装聚乙烯材料的有色膜（图1）。以无拱棚自然光为对照（CK），共设置 6个处理，膜的颜色分别为紫色（PF）、蓝色（BF）、绿色（GF）、黄色（YF）、红色（RF）以及白色（WF），随机区组排列，重复3次。各处理栽培管理措施一致。

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

1.2 有色膜下光谱组成测定

通过计算各波段光质光合有效辐射在总光合有效辐射中的占比，得到各有色膜处理下的光谱组成。利用 USB650型光谱仪（OceanOptics, model-SD650,USA）进行光合有效辐射测量，光谱仪测量范围350-1000nm。

1.3 植物样品测定

7月10日起，每周日10：00在每个小区随机选取5株紫苏植株，重复3次，记录叶片数并用直尺测定紫苏株高；8月30日收获全株（用铁锹和锄头深挖，确保全株完整取出，取样方法同上），用千分之一的电子天平称量紫苏根、茎、叶等各部位的生物量鲜重，之后将植株各部位在 60℃烘箱中烘至恒重，并测量根、茎、叶等各部位的干重，最后将干样磨碎，过40目筛备用；同时，在未挖出的植株里以相同取样方式选取植株样品，并摘取每株相同部位的 3片叶片测定相对叶绿素含量（SPAD-502 Chlorophyll Meter Model）。

上述过筛备用的紫苏叶片粉末采用 HNO3-H2O2微波消解法进行处理，测定各元素含量，测试仪器为电感耦合等离子体发射光谱仪 ICAP6300（USA）。具体方法为：称取 0.30g紫苏叶片粉末置于微波消解罐中，加入6mL硝酸，放置过夜。次日加2mLH2O2静置30min，然后旋紧盖后置于微波炉内，采取程序升温控压模式进行消解。消解完毕后取出消解罐，冷却，定容至50mL，摇匀后上机待测。HNO3和H2O2均为优级纯，购自北京某化工厂，元素标准液源自国家标准物质中心。

1.4 数据处理

数据采用Excel、SPSS18.0软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 有色薄膜覆盖对光质的影响

由表1可知，覆盖有色膜后，棚内400-700nm可见光的光谱占比均较自然光（CK）有显著提高（P＜0.05），其中紫色膜和蓝色膜下可见光光谱占比提高幅度最大，但有色膜覆盖下350-400nm紫外光以及700-900nm红外光波段的光谱占比均较CK有所降低，且除白色膜之外，降低幅度均达到显著水平（P＜0.05）；蓝色膜下蓝光波段的占比显著高于其它任一处理，红光波段占比、红光/红外光以及红光/蓝光均显著低于其它处理；绿色膜下500-550nm绿光以及550-600nm黄光波段的占比显著大于CK，且黄绿光波段的占比总和大于其它任一处理；黄色膜的500-550nm绿光波段占比显著大于红色膜，其它波段的光谱占比在这两种膜之间，且无显著性差异。白色膜下的光谱与CK相比，其可见光波段的光谱占比提高了10.6%，两者差异显著（P＜0.05）。

表1 不同处理下的光谱组成（平均值±均方差，%）Table 1 The components of representative irradiance spectrum under different colored plastic films（mean±SD, %）

2.2 有色薄膜对紫苏生长动态的影响

由图2a可见，在整个试验期间，蓝、紫膜下紫苏株高增长速率低于CK，但与CK无显著差异，试验结束时，蓝、紫膜以及CK处理下紫苏株高为55.77～59.93cm，平均增长速率为1.12～1.20cm·d-1；绿、白、红、黄色膜之间紫苏株高增长速率无显著差异，但均显著高于CK和蓝、紫色膜处理，试验结束时绿、白、红、黄色膜处理下紫苏株高为72.73～79.97cm，平均增长速率为 1.45～1.60cm·d-1，说明蓝、紫色膜对株高影响不显著，但其它几种颜色的膜覆盖能够显著促进紫苏植株伸长。由图2b可见,紫苏叶片数表现为CK处理最多，为116片，黄色膜下次之。除黄色膜外，其它膜处理下的叶片数均较对照显著减少（P＜0.05），减幅在26.44%～53.45%，叶片数以蓝色膜下最少。说明有色膜尤其是蓝色膜覆盖抑制紫苏叶片的抽出。

图2 不同处理下紫苏株高及叶片数的变化动态Fig. 2 The variation of plant height and leaf number of Perilla frutescens under different colored films

2.3 有色薄膜对紫苏同化物积累的影响

由表 2可见，除绿色膜外，其它有色膜均显著提高了紫苏的叶片鲜重（P＜0.05），黄色膜下叶片鲜重最高，较对照CK增长108.5%，红色膜次之，较CK增长68.14%；黄色膜、红色膜下的紫苏全株生物量显著高于其它膜处理；红色膜下，紫苏地上部分与地下部分的比值S/R较CK有所降低，而其它膜处理S/R较CK均显著提高，说明红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苏地上部分的积累。此外，各有色膜下的相对叶绿素含量SPAD值均显著低于CK（P＜0.05）。

表2 不同处理下紫苏各部位生物量、S/R（地上与地下生物量比值）以及SPAD（相对叶绿素含量）（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 有色薄膜对紫苏叶片矿物质含量及积累量的影响

由表3、4可见，不同有色膜覆盖下紫苏叶片中常量、微量元素的含量存在差异。常量元素方面，K、P元素的含量均以绿色膜下最高，较自然光下（CK）分别增长69.2%、53.1%；紫色膜和红色膜降低了Ca、Mg元素含量，相反，其它各色膜均提高了Ca、Mg元素含量，且提高幅度均以蓝色膜最大；各有色膜处理均提高了紫苏叶片中K、Na、S元素的含量，其中Na以白色膜下含量最高，较CK增长了110.5%，S以绿色膜下最高，较CK增长了63%；自然光下，紫苏叶片中常量矿质元素含量比值约为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，降幅为46.53%～74.27%；Mn、Zn、Cu元素分别在蓝、紫、绿色膜下的含量最高，较CK分别提高14.7%、31%以及86.7%；自然光下，紫苏叶片中微量矿质元素含量比值约为Fe:Mn:Zn:Cu=524:21:7:1。

由表5可见，就单株紫苏叶片中的矿物质累积量而言，常量元素K、P、Ca、Na、S的累积量均在自然光(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苏叶片中的累积量；Mg元素累积量在黄色膜下最高，较CK提高56%，在绿色膜下最低，较CK降低9.3%｡微量元素中，Fe的累积量在CK下最高，有色膜下Fe的累积量呈不同幅度的降低，其中紫色膜下Fe的累积量最低，较CK降低了67.5%；相反，Zn和Cu元素均在自然光下积累量最低，有色膜的覆盖不同程度提高了微量元素Zn、Cu在紫苏叶片中的积累量；Mn元素累积量在蓝色膜下最高，较 CK提高26.6%，在紫色膜下最低，较CK降低13.0%。

表3 不同处理下紫苏叶片中大量元素含量（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 不同处理下紫苏叶片中微量元素含量（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 不同处理下紫苏叶片中矿质元素的积累（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 结论与讨论

3.1 讨论

矿质元素是人体、动物的重要营养功能成分，对于植物而言其含量和种类直接影响植物的生长代谢，如P作用于磷酸、磷酸化合物的生成等，Fe是光合电氧还蛋白的组成成分，Mg、Cu元素分别是叶绿素和抗坏血酸氧化酶的重要成分等[16]。植物对矿质元素的吸收、积累以及利用与植物基因型[19]以及生长环境条件如水分、盐分、温度、光照等密切相关[20-22]。大量研究表明，光谱成分的改变对作物生长和品质会产生不同程度、不同方面的影响[23-25]。在露地栽培中，人工光源不便于安装且成本较高，而有色薄膜成本较低，可创造较好的温光环境减轻作物光合午休，因此更具实用性。

本试验研究结果表明，绿色膜显著促进了紫苏的伸长生长，这与徐凯等[11]报道的绿膜下草莓植株的叶柄长度较自然光下显著增加类似，说明绿色膜有促进组织伸长生长的作用；付卫民等[26]报道不同有色膜覆盖下心里美萝卜产量水平表现为RF＞YF＞CK＞BF＞PF，彭晓丹等[27]用不同有色棚膜处理甜椒的研究中也发现，红膜处理有利于甜椒果实干物质积累，而蓝膜、紫膜对产量形成呈现明显的抑制作用。本研究中红色膜（RF）和黄色膜（YF）下紫苏全株生物量显著高于其它所有处理，说明红色、黄色膜有促进产量形成的作用，但蓝膜、紫膜下紫苏生物量较自然光对照也有不同程度的提高，并未出现蓝、紫膜抑制产量形成的现象；此外，田发明等[12]发现红色膜覆盖甜椒株高小于蓝色膜，单株产量则为红色膜覆盖下高于蓝色膜，据原程等[28]报道，蓝色膜下小红袍品种的茄子幼苗株高高于红色膜下，而其它品种的茄子幼苗株高均表现为蓝色膜下低于红色膜下，本研究中，紫苏株高和单株产量均表现为红色膜下高于蓝色膜下，这说明有色膜覆盖对植物的影响存在品种间差异。

此外，矿质元素的累积量综合了矿质元素吸收量和作物同化物累积两个因素，本研究表明，紫苏叶片中K、Cu元素的含量以绿色膜下最高，而累积量在红色膜下最高；Ca、Mg元素含量以蓝色膜下最高，而累积量在黄色膜下达到最高，因此，光合同化物的合成与矿质元素吸收是相互联系又相互独立的两个过程[29]，累积量更能反映当季作物总体的矿物质积累水平[30]。作物由地下部分从土壤中吸收矿物质，再部分运往叶片中，光谱成分有可能通过影响矿物质吸收或运输过程中的某些相关酶基因的表达或酶活性等对作物的矿质品质产生影响，然而，光谱成分对作物矿质品质的作用机理需要通过进一步试验研究以阐明。

3.2 结论

（1）有色膜覆盖下，400-700nm可见光的光谱占比均较自然光下有显著提高，其中蓝膜、紫膜的提高幅度最大，相反，350-400nm紫外光以及700-900nm红外光波段的光谱占比均较自然光下有所降低。

（2）黄色膜下紫苏叶片鲜重最高，红色膜次之，且黄色、红色膜下紫苏全株生物量显著高于其它膜处理。

（3）K、P、S、Cu元素在紫苏叶片中的含量以绿色膜下最高，Ca、Mg、Mn元素含量以蓝色膜下最高，所有有色膜处理均较自然光下提高了紫苏叶片中 K、Na、S元素的含量而降低了Fe元素含量。

（4）K、Cu元素在紫苏叶片中累积量以红色膜下最高，P、Ca、Mg累积量以黄色膜下达到最高，各有色膜处理均较自然光下提高了紫苏叶片中K、P、Ca、Na、S、Zn、Cu等7种元素的累积量而降低了Fe元素累积量。

（5）自然光下紫苏叶片中常量无机元素含量比值约为K:Ca:Mg:P:S:Na=107:93:27:15:7:1，微量无机元素含量比值约为Fe:Mn:Zn:Cu=524:21:7:1。

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