油用牡丹植株年生长周期对微量元素吸收和积累规律的研究

刘 双，吴安楠，李海波，王淑娟，魏丽萍，彭霞薇

（1.北京林业大学 生物科学与技术学院，北京 100083；2.山西潞安石圪节智华生物科技有限公司，山西 长治 046299）

油用牡丹（Paeonia suffruticosaAndr.）属毛茛科（Ranunculaceae）芍药属（Paeonia L.），是牡丹组植物中种籽出油率≥22%的牡丹品种的统称，目前广泛栽培的品种是凤丹牡丹（Paeonia ostii T.Hong etJ.X.Zhang）和紫斑牡丹（Poeonia rocktii T.Hong etJ.J.Li）[1-2]。2011年，卫生部发布《卫生部关于批准元宝枫籽油和牡丹籽油作为新资源食品的公告》[3]，将牡丹籽油批准为新资源食品，这推动了油用牡丹产业的发展。牡丹籽油中不饱和脂肪酸的含量为 82.81%～93.23%，其中亚麻酸的含量为 32.72%～67.13%[4]，研究表明，亚麻酸具有抗氧化[5]、降血脂[6]、降血压[7]等功能，因此牡丹籽油具有极高的食用价值。目前，油用牡丹已在我国山东、河南、甘肃等地大面积种植[8]，相关研究也在逐步开展。

微量元素包括硼、钼、锰、锌、铜、铁、氯等矿质元素，与氮、磷、钾等大量元素相比，微量元素在植物体内的含量比较少，但却是植物生长发育必需的矿质元素，在多种代谢过程中起着关键作用。例如锌元素是多种酶的组成成分和活化剂，缺锌会造成叶片失绿，植株矮小[9]；铁元素参与光合和呼吸等氧化还原过程，缺铁会造成新叶失绿，植株生长缓慢[10]。微量元素不仅与植株生长紧密相关，还影响油料作物籽粒的产量和品质[11]。杜欣谊等[12]研究表明，大豆中适量施入硼、钼肥可以提高籽粒产量、蛋白质含量和脂肪含量。何沛等[13]研究表明，适量喷施硼可以保花促果，提高茶籽含油量。因此，充分掌握植物对矿质元素的吸收规律对于科学指导施肥，保证植株健康生长、种籽丰收具有重要作用。

目前，对于油用牡丹的研究主要集中在施肥方面，李敏[14]通过“3414”试验研究表明，氮、磷、钾肥合理配施可以提高牡丹籽的产量；魏双雨[15]研究表明，喷施锌肥和硼肥能够有效提高油用牡丹叶片的光合效率。但对于油用牡丹对矿质元素的吸收规律的基础理论研究较少，有关油用牡丹对微量矿质元素吸收规律的研究尚未见报道。因此，本研究以5年生油用牡丹‘凤丹’为供试品种，对其年生长周期不同器官对于微量元素（Cu、Fe、Zn、Mn、B、Mo）的吸收和积累规律进行研究，明确油用牡丹发育过程中各种微量元素的变化规律，探究植株各微量元素含量之间可能存在的相关性，为油用牡丹合理施用微量元素肥料提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验样地位于山西省长治地区油用牡丹种植基地，地理坐标为 112°58′26″E，36°27′73″N，海拔 1000m。 属大陆性温带季风气候，年均降水量550mm，品种为凤丹牡丹，土壤为黄壤土，田间管理良好。采用五点取样法对试验地土壤（0～20cm）进行理化性质检测，检测结果为：pH值为7.66，含水量为13.36%，有机质含量为10.79g·kg-1，全 N 含量为 0.66g·kg-1，有效 P 含量为 13.41mg·kg-1，速效 K 含量为 365.44mg·kg-1，有效 Cu 含量为 0.65mg·kg-1，有效 Mn 含量为 17.76mg·kg-1，有效 Zn 含量为 0.31mg·kg-1，有效 B 含量为 0.45mg·kg-1，有效 Mo 含量为 0.04mg·kg-1，有效 Fe 含量为 5.35mg·kg-1。

1.2 样品采集与处理

设置3个样地，以5年生油用牡丹‘凤丹’为试验材料，每个时期在每个样地各选取生长良好、无病虫害、长势一致的标准株5株，分别于休眠期（1月12日）、大风铃期（4月12日）、盛花期（5月12日）、果荚发育期（6月12日）和种籽成熟期（8月12日）挖取植株。采用植株挖掘和分解取样的方法，即植株整体挖出后，按叶片、新枝、老枝、果荚、根进行分解，用自来水冲洗干净后，再用去离子水冲洗3次，将植株各部分置于105℃下杀青30min后于80℃下恒温烘干至恒重，称量其干质量后粉碎过筛，再将每个样地5株植株的样品混合为一个样品用于各微量元素的测定。样品采取微波消解法[16]进行消解：称取0.5g样品放置于微波消解罐中，加10mL硝酸，加盖放置1h，旋紧罐盖，按照消解程序进行消解。待冷却后取出，排气，转移至50mL容量瓶中，定容，同时做空白对照。消解程序：25min内，从室温上升至185℃，保持30min。

1.3 仪器与试剂

仪器：Elan DRC-e电感耦合等离子体质谱仪 （美国Perkin Elmer公司）；OPTIMA 5300DV电感耦合等离子体光谱仪（美国Perkin Elmer公司）；Mettler AE200电子天平（梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司）；Mars6微波消解仪（美国CEM公司）。

试剂：Cu、Zn、Fe、B、Mn、Mo 单元素标准储备液（1000mg·L-1）和内标储备液 Ge、In（100μg·mL-1）均购于国家有色金属及电子材料分析测试中心；硝酸为优级纯；超纯水（电导率≥18.2MΩ·cm-1）。

1.4 方法

1.4.1 仪器工作条件 电感耦合等离子体质谱仪：射频功率1500W，等离子气流量15L·min-1，辅助气流量0.4L·min-1，雾化气流量0.8L·min-1，采样深度10mm，重复次数3次。电感耦合等离子体光谱仪：射频功率1150W，等离子气流量15L·min-1，辅助气流量0.5L·min-1，雾化气流量0.65L·min-1，水平观测，分析谱线波长Fe 239.940nm，B 249.677nm，Mn 257.610nm，Mo 202.031nm。

1.4.2 标准曲线绘制 将各元素储备液与内标液分别用5%硝酸逐级稀释为标准溶液系列，在1.4.1仪器工作条件下，混合标准溶液系列用电感耦合等离子体质谱仪测定，以各元素的浓度为横坐标，各元素与其内标元素响应信号值的比值为纵坐标，绘制标准曲线；标准溶液系列用电感耦合等离子体发射光谱仪测定，以各元素的浓度为横坐标，其分析谱线强度响应值为纵坐标，绘制标准曲线。各元素的标准曲线的相关系数r2>0.999。

1.4.3 微量元素含量测定 按照1.4.1条件，消解后的样品采用电感耦合等离子体质谱法 （ICP-MS）测定其Cu、Zn 含量[17]，采用电感耦合等离子体发射光谱法（ICP-AES）测定其 Fe、Mn、B、Mo 含量[18-19]。

植株各器官微量元素积累量=微量元素含量（mg·kg-1）×器官干质量（kg·株-1）

地上部分微量元素积累量是叶片、新枝、老枝和果荚微量元素积累量相加的和，地下部分元素积累量是根的微量元素积累量。

整株微量元素积累量=地上部分微量元素积累量+地下部分微量元素积累量

微量元素吸收量为不同取样时期元素积累量的差值。

1.5 数据分析

试验数据采用SPSS 18.0软件进行统计分析与相关性分析，并用最小显著差数法（LSD）采用单因素方差分析进行多重比较（显著性水平p＜0.05，极显著水平p＜0.01），绘图采用MicrosoftExcel软件进行处理。

2 结果与分析

2.1 油用牡丹植株微量元素积累量的年周期变化规律

油用牡丹植株中Cu、Mn、Zn、B、Mo、Fe等微量元素积累量的年周期变化情况如图1。5年生油用牡丹 ‘凤丹’整株植株对于Fe的积累量最高，远远超过其他5种微量元素，从休眠期到种籽成熟期，积累量从30.66mg·株-1增加到53.84mg·株-1；B、Mn、Zn的积累量次之，从休眠期到种籽成熟期，积累量分别从0.83，0.88，1.21mg·株-1增加到 5.96，3.78，3.75mg·株-1；Cu 的积累量再次， 积累量从 0.39 mg·株-1增加到 1.71 mg·株-1；Mo 的积累量最小，从休眠期到种籽成熟期，积累量从0.05mg·株-1增加到0.73mg·株-1。

油用牡丹整株植株微量元素的积累量随时间的增加而增加，在种籽成熟期达到最大。Cu、B、Mo的地上部分积累量不断增加，说明这3种微量元素不断从根部向地上部分转运；从大风铃期到盛花期，Mn、Zn、Fe的地上部分积累量减少，说明此时期这3种微量元素从地上部分向根部转移。Cu、Mo的地下部分积累量不断增加，说明Cu、Mo在根中连续积累；Mn、Fe的地下部分积累量在休眠期到大风铃期和盛花期到果实发育期降低，说明在已根部积累的Mn、Fe在这两个时期发生转移，用于植株地上部分的生长发育；Zn、B的地下部分积累量分别在盛花期到果荚发育期、大风铃期到盛花期出现降低。

2.2 油用牡丹各器官微量元素含量和积累量的年周期变化规律

油用牡丹在不同生长时期植株各器官中微量元素含量和积累量的测定结果分别见表1和表2。

2.2.1 叶片中微量元素的含量和积累量 在年生长周期中，油用牡丹叶片中Cu、Zn的含量呈下降趋势，在大风铃期含量最高，分别为17.76mg·kg-1和56.98mg·kg-1。叶片中B、Mo、Fe的含量先增加后减少，其中Mo的含量远远小于其他元素，在果荚发育期含量最低，为2.77mg·kg-1；Fe的含量远远高于其他元素，在盛花期含量最高，为432.42mg·kg-1。Mn的含量先降低后增加，在种籽成熟期积累量达到最大，为1.97mg·株-1。

2.2.2 新枝中微量元素的含量和积累量 在年生长周期中，油用牡丹新枝中Cu、Mn、Zn的含量呈下降趋势，均在大风铃期含量最高，分别为 14.69，15.38，29.59mg·kg-1，与叶片相比，新枝中 Mn、Zn 的含量较低；B、Fe的含量先增加后减少，随着新枝干质量的增加，在种籽成熟期积累量达到最大，分别为0.74mg·株-1和4.18mg·株-1；Mo的含量变化不大，在种籽成熟期含量和积累量最高，分别为2.96mg·kg-1和0.10mg·株-1。

图1 油用牡丹植株中微量元素积累量的年周期变化情况Figure 1 Annual changes of microelement accumulation in P.suffruticosa plants

2.2.3 老枝中微量元素的含量和积累量 在年生长周期中，与新枝相比，老枝中Fe的含量较高，在盛花期含量最高，为 576.56mg·kg-1；Mn、B、Mo 的含量呈上升趋势，在休眠期积累量最低，分别为 0.35、0.38、0.02mg·株-1，其中休眠期Mo的含量远小于其他时期；Cu的含量呈先增加后降低的趋势，在盛花期含量和积累量最高，分别为8.63mg·kg-1和 0.35mg·株-1；Zn 的含量呈波动变化，最低和最高含量分别为 17.64mg·kg-1和 23.98mg·kg-1。

2.2.4 根中微量元素的含量和积累量 在年生长周期中，油用牡丹根中6种微量元素的含量呈波动变化，Cu、Mn、Zn的含量在果荚发育期最低，分别为 4.44，10.11，7.75mg·kg-1；B、Mo元素的含量在休眠期最低，与老枝一致，分别为 11.31mg·kg-1和 0.81mg·kg-1；Fe 元素的含量在种籽成熟期最低，为 265.95mg·kg-1。 根中 Cu、Mn、Zn、B、Mo、Fe元素的积累量总体增加趋势，在种籽成熟期积累量达最大值，分别为0.50，0.88，1.02，1.52，0.23，22.26mg·株-1，说明6种微量元素开始在根部积累。

表1 油用牡丹不同发育时期各器官中微量元素含量的测定结果Table 1 Determination results of contents of microelements in organs of P.suffruticosa during different development stages mg·kg-1

2.2.5 果荚中微量元素的含量和积累量 在果荚发育期至种籽成熟期，油用牡丹果荚中的Cu、Zn元素的含量增加，Mn、B、Mo、Fe 元素的含量降低，但因果荚迅速膨大，干质量增加，因此 Cu、Mn、Zn、B、Mo、Fe 元素的积累量不断增加，在种籽成熟期积累量达到最大值，分别为 0.49，0.37，0.65，1.18，0.12，3.08mg·株-1。

表2 油用牡丹不同发育时期各器官中微量元素积累量的测定结果Table 2 Determination results of accumulation of microelements in organs of P.suffruticosa during different development stages mg·株-1

2.3 油用牡丹植株对微量元素吸收量的年周期变化规律

由图2可知，在年生长周期，单株油用牡丹对微量元素Cu、Mn、Zn、B、Mo、Fe的吸收量总和分别为1.32，2.90，2.54，5.13，0.68，23.18mg， 微量元素年吸收量的大小顺序为 Fe＞B＞Mn＞Zn＞Cu＞Mo， 年吸收量之比约为34∶7.5∶4.3∶3.7∶2∶1，油用牡丹植株每个时期对 Fe的吸收量远超于其他 5 种微量元素。 从休眠期（1 月）～大风铃期（4月），油用牡丹植株对Cu、Fe的吸收量分别为0.69mg·株-1和10.99mg·株-1，此时期是油用牡丹植株Cu、Fe吸收最快的时期，也就是Cu、Fe的吸收活跃期；从盛花期（5月）～果荚发育期（6月），是Mn、B、Mo的吸收活跃期，吸收量分别为 1.04，2.62，0.26mg·株-1；Zn 的吸收活跃期是从果荚发育期（6 月）～种籽成熟期（8 月），吸收量为0.99mg·株-1。

2.4 油用牡丹植株微量元素间的相关性分析

由表3可知，油用牡丹植株体内Mo的积累量与Cu、Mn、B的积累量呈极显著正相关（p＜0.01），与Fe的积累量呈显著正相关（p＜0.05）；Cu的积累量与Zn、B的积累量呈显著正相关（p＜0.05）；Mn的积累量与B的积累量呈极显著正相关（p＜0.01），其它微量元素的积累量呈正相关，但均未达到显著相关。

图2 油用牡丹植株对微量元素吸收量的年周期变化情况Figure 2 Annual changes of microelements absorption in P.suffruticosa plants

表3 油用牡丹植株微量元素积累量间的相关性分析Table 3 Correlation analysis of microelements accumulation in P.suffruticosa plants

3 讨论与结论

研究结果表明，5年生油用牡丹‘凤丹’植株在年生长周期中，不同器官中微量元素的含量与积累量呈现出不同的变化趋势。油用牡丹植株体内Fe的积累量与含量最高，B、Mn等5种微量元素的积累量均小于Fe。这与油茶树体对微量元素的积累有所差异，曹永庆等[20-21]研究表明，5年生油茶树体中锰元素的积累量最高，根中铁元素的含量高于其他微量元素，叶片与新梢中的锰元素含量高于铁元素。油用牡丹新生器官叶片中的Cu、Mn的含量呈下降趋势，原因可能是叶片中的这两种元素向其他部位持续转运以保证植株正常生长；B、Mo、Fe的含量在大风铃期到盛花期呈上升趋势，原因是这3种微量元素从其他器官向叶片中转运来为叶片的快速生长提供能量。年生长周期，随着叶片干质量的增加，微量元素积累量逐渐增加，在种籽成熟期或者果荚发育期积累量最大（Zn 除外），说明叶片中 Fe、Cu、Mn、Mo、B 被固定，用于光合作用[22]、糖代谢[23]和新生器官的发育[24]等。叶片中Zn的含量和积累量呈下降趋势，而油茶叶片中的锌元素呈上升趋势[20，25]，其原因可能是元素间的拮抗作用，某种元素含量过高而抑制锌元素的吸收；也可能是由于种植地为偏碱性土壤（pH值为7.2～8.0），土壤中有效锌含量不高，当植株生长迅速时，易造成新梢叶片缺锌，在碱性土壤中种植的果树和禾谷作物中极易出现这种现象[26]，具体原因还有待于进一步研究。在果荚发育期后，根中6种微量元素的积累量增加，说明其开始在根部积累，为油用牡丹安全过冬储存营养。

5年生油用牡丹‘凤丹’植株在年生长周期中，对微量元素年吸收量的大小依次为Fe＞B＞Mn＞Zn＞Cu＞Mo，吸收量分别为 23.16，5.13，2.90，2.54，1.32，0.68mg·株-1， 吸收量之比约为 34∶7.5∶4.3∶3.7∶2∶1。 Cu、Fe 的吸收活跃期在休眠期（1月）到大风铃期（4月），Mn、B、Mo的吸收活跃期在盛花期（5月）到果荚发育期（6月），Zn的吸收活跃期在果荚发育期（6月）到种籽成熟期（8月）。何沛等[13]研究表明油茶适量喷施硼、锰、钼、铜等微量元素可以保花保果，同时提高油茶种子产量和含油率。王利红等[27]研究表明硼钼锌配施可以提高油菜籽的产量和含油率，菜籽油中油酸含量升高，改善了油的品质。因此，根据油用牡丹植株体内微量元素吸收规律，应注意微量元素肥料的合理配比和施用时期，建议在开花前适当喷施含有Mn、B、Mo的叶面肥，在花落后适当喷含有Zn的叶面肥，有利于油用牡丹植株对于微量元素的吸收与利用，提高光合作用，改善植株生长状况，有助于种籽产量与含油率的提高；在冬肥时适量增加Cu、Fe肥料的施入，有利于油用牡丹植株对两种微量元素的吸收与利用。

相关性分析表明，Mo的积累量与Cu、Mn、B、Fe的积累量呈极显著或显著正相关，Cu的积累量与Zn、B的积累量呈显著正相关，Mn的积累量与B的积累量呈极显著正相关。研究表明，植物体对于微量元素的吸收是一个复杂的过程，受土壤、品种、施肥等多种因素影响，植物体内元素间的拮抗作用或者促进作用也是重要影响因素之一[28]。龙伟等[29]研究表明，油茶叶片中微量元素镁与锌呈显著负相关。BIACS等[30]研究表明，胡萝卜体内铁、锌元素的吸收与磷元素的吸收之间存在着拮抗作用。此外，微量元素的吸收与种籽的产量和含油率有关。魏双雨[15]研究表明，适量喷施铁肥可以提高油用牡丹种籽的产量和不饱和酸的含量。闫晓艳等[31]研究表明，大豆增施锌、镁、铜等微量元素肥料可以提高大豆产量和脂肪含量。因此，油用牡丹在施肥时，应充分考虑微量元素间的促进或拮抗效应，注意钼、铜、锰肥料的合理配施，保证油用牡丹植株对于营养元素的吸收，为提高种籽产量和含油率提供条件。

综上所述，油用牡丹植株在生长过程中对6种微量元素的吸收与积累规律有所差异，部分微量元素的积累量具有显著或者极显著关系，为油用牡丹微量元素肥料的合理施用提供一定的参考依据。但对于油用牡丹植株体内微量元素吸收的促进作用及其机制也需进一步研究，因此，对于微量元素吸收与种籽产量、含油率之间的关系还有待于深入研究。