有色膜覆蓋對紫蘇生長及葉片礦質含量的影響*1

陳曉麗，張 馨，楊子強，馬 麗，郭文忠,3**

（1.北京農業智能裝備技術研究中心，北京 100097；2.寧夏吳忠國家農業科技園區管理委員會，吳忠 751100；3.農業部農業信息技術重點實驗室，北京 100097）

紫蘇（Perilla frutescens L. Britt），是唇形科一年生草本植物，作為衛生部第一批規定的既是藥品又是食品的60種作物之一，其在醫藥及食品領域有著重要的開發價值，近年來受到國內外的廣泛關注[1]。作為藥材，紫蘇具有抗過敏、抗氧化、抗腫瘤、降血脂等作用[2-5]；作為食品，紫蘇葉口感獨特，營養豐富，含有多種蛋白質、維生素及礦物質等。紫蘇葉也是重要的出口蔬菜品種之一，據統計，紫蘇葉僅在日本的年需求量約20億片，而中國供貨量不足其需求量的10%，因此，栽培紫蘇具有較大的市場前景。然而，目前國內外對紫蘇的研究多集中在紫蘇的功能性成分以及其在醫藥、工業、生物領域的應用上，而在紫蘇栽培環節及品質改善方面的研究鮮見報道。

無機元素不僅是人體中維生素、酶、激素等活性物質的核心成分，也是影響中藥材藥效成分活性的重要因素[6-7]。研究表明，改變栽培光質條件對植物無機元素的積累有重要影響，如LED紅光顯著促進了水培蒲公英地上部分對 Ca、Na、Mn、Zn等 4種礦質元素的累積量[8]；生菜在 LED紅藍光比例為4/1的條件下對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栽培環境的光質，徐凱等[10]發現，與自然光相比，綠膜和紅膜下草莓植株的葉柄長度和葉面積顯著增加，而藍膜下明顯降低；張瑞華等[11]發現姜全生育期內葉片的光合速率始終以綠膜處理較高，紅膜處理次之，藍膜處理較低，但均顯著高于自然光對照；田發明等[12]發現，紅色膜覆蓋甜椒株高小于藍色膜，單株產量則為紅色膜覆蓋下高于藍色膜，而單果重以紫色膜最高。光不僅是植物光合作用的能量來源，也是調節植物生長及物質代謝的重要環境信號[13]，通過光質調節植物的營養元素吸收、光合特性、生理代謝等從而改善植物的品質是一項綠色、高效的栽培手段[14-16]，目前，關于光質對紫蘇生長及葉片礦質元素含量的影響研究未見報道，由此，本研究運用搭建有色膜棚架的方式人工栽培紫蘇，以自然光為對照，運用電感耦合等離子體原子發射光譜法（ICP-OES）[17-19]分析不同光譜成分下紫蘇對K、P、Ca、Mg、Na、S、Fe、Mn、Zn、Cu等10種無機元素的吸收和積累，以探究露地栽培中光譜成分對藥用蔬菜紫蘇礦質品質的影響，以期為優化紫蘇的人工栽培技術，提高紫蘇的食用品質及藥用價值提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗于 2015年在寧夏吳忠國家農業科技園區進行，供試紫蘇種子購自河北安國中藥材市場。5月28日穴播，株行距為20cm×50cm，行間鋪設滴灌帶，小區面積4m2，小區間隔50cm，每小區上方有拱棚棚架，拱棚四周通風，6月30日，在各小區棚架上安裝聚乙烯材料的有色膜（圖1）。以無拱棚自然光為對照（CK），共設置 6個處理，膜的顏色分別為紫色（PF）、藍色（BF）、綠色（GF）、黃色（YF）、紅色（RF）以及白色（WF），隨機區組排列，重復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定

通過計算各波段光質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）進行光合有效輻射測量，光譜儀測量范圍350-1000nm。

1.3 植物樣品測定

7月10日起，每周日10：00在每個小區隨機選取5株紫蘇植株，重復3次，記錄葉片數并用直尺測定紫蘇株高；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，并測量根、莖、葉等各部位的干重，最后將干樣磨碎，過40目篩備用；同時，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片葉片測定相對葉綠素含量（SPAD-502 Chlorophyll Meter Model）。

上述過篩備用的紫蘇葉片粉末采用 HNO3-H2O2微波消解法進行處理，測定各元素含量，測試儀器為電感耦合等離子體發射光譜儀 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，放置過夜。次日加2mLH2O2靜置30min，然后旋緊蓋后置于微波爐內，采取程序升溫控壓模式進行消解。消解完畢后取出消解罐，冷卻，定容至50mL，搖勻后上機待測。HNO3和H2O2均為優級純，購自北京某化工廠，元素標準液源自國家標準物質中心。

1.4 數據處理

數據采用Excel、SPSS18.0軟件進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 有色薄膜覆蓋對光質的影響

由表1可知，覆蓋有色膜后，棚內400-700nm可見光的光譜占比均較自然光（CK）有顯著提高（P＜0.05），其中紫色膜和藍色膜下可見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，降低幅度均達到顯著水平（P＜0.05）；藍色膜下藍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，且無顯著性差異。白色膜下的光譜與CK相比，其可見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 有色薄膜對紫蘇生長動態的影響

由圖2a可見，在整個試驗期間，藍、紫膜下紫蘇株高增長速率低于CK，但與CK無顯著差異，試驗結束時，藍、紫膜以及CK處理下紫蘇株高為55.77～59.93cm，平均增長速率為1.12～1.20cm·d-1；綠、白、紅、黃色膜之間紫蘇株高增長速率無顯著差異，但均顯著高于CK和藍、紫色膜處理，試驗結束時綠、白、紅、黃色膜處理下紫蘇株高為72.73～79.97cm，平均增長速率為 1.45～1.60cm·d-1，說明藍、紫色膜對株高影響不顯著，但其它幾種顏色的膜覆蓋能夠顯著促進紫蘇植株伸長。由圖2b可見,紫蘇葉片數表現為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均較對照顯著減少（P＜0.05），減幅在26.44%～53.45%，葉片數以藍色膜下最少。說明有色膜尤其是藍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的變化動態Fig. 2 The variation of plant height and leaf number of Perilla frutescens under different colored films

2.3 有色薄膜對紫蘇同化物積累的影響

由表 2可見，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，較對照CK增長108.5%，紅色膜次之，較CK增長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 有色薄膜對紫蘇葉片礦物質含量及積累量的影響

由表3、4可見，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增長了110.5%，S以綠色膜下最高，較CK增長了63%；自然光下，紫蘇葉片中常量礦質元素含量比值約為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、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元素含量比值約為Fe:Mn:Zn:Cu=524:21:7:1。

由表5可見，就單株紫蘇葉片中的礦物質累積量而言，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，Fe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 結論與討論

3.1 討論

礦質元素是人體、動物的重要營養功能成分，對于植物而言其含量和種類直接影響植物的生長代謝，如P作用于磷酸、磷酸化合物的生成等，Fe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]。植物對礦質元素的吸收、積累以及利用與植物基因型[19]以及生長環境條件如水分、鹽分、溫度、光照等密切相關[20-22]。大量研究表明，光譜成分的改變對作物生長和品質會產生不同程度、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，可創造較好的溫光環境減輕作物光合午休，因此更具實用性。

本試驗研究結果表明，綠色膜顯著促進了紫蘇的伸長生長，這與徐凱等[11]報道的綠膜下草莓植株的葉柄長度較自然光下顯著增加類似，說明綠色膜有促進組織伸長生長的作用；付衛民等[26]報道不同有色膜覆蓋下心里美蘿卜產量水平表現為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現，紅膜處理有利于甜椒果實干物質積累，而藍膜、紫膜對產量形成呈現明顯的抑制作用。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，說明紅色、黃色膜有促進產量形成的作用，但藍膜、紫膜下紫蘇生物量較自然光對照也有不同程度的提高，并未出現藍、紫膜抑制產量形成的現象；此外，田發明等[12]發現紅色膜覆蓋甜椒株高小于藍色膜，單株產量則為紅色膜覆蓋下高于藍色膜，據原程等[28]報道，藍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為藍色膜下低于紅色膜下，本研究中，紫蘇株高和單株產量均表現為紅色膜下高于藍色膜下，這說明有色膜覆蓋對植物的影響存在品種間差異。

此外，礦質元素的累積量綜合了礦質元素吸收量和作物同化物累積兩個因素，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元素含量以藍色膜下最高，而累積量在黃色膜下達到最高，因此，光合同化物的合成與礦質元素吸收是相互聯系又相互獨立的兩個過程[29]，累積量更能反映當季作物總體的礦物質積累水平[30]。作物由地下部分從土壤中吸收礦物質，再部分運往葉片中，光譜成分有可能通過影響礦物質吸收或運輸過程中的某些相關酶基因的表達或酶活性等對作物的礦質品質產生影響，然而，光譜成分對作物礦質品質的作用機理需要通過進一步試驗研究以闡明。

3.2 結論

（1）有色膜覆蓋下，400-700nm可見光的光譜占比均較自然光下有顯著提高，其中藍膜、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機元素含量比值約為K:Ca:Mg:P:S:Na=107:93:27:15:7:1，微量無機元素含量比值約為Fe:Mn:Zn:Cu=524:21:7:1。

References

[1]譚美蓮,嚴明芳,汪磊,等.國內外紫蘇研究進展概述[J].中國油料作物學報,2012,34(2):225-231.Tan M L,Yan M F,Wang L,et al.Research progress on Perilla frutescens[J].Chinese Journal of Oil Crop Sciences,2012,34(2):225-231.(in Chinese)

[2]Banno N,Akihisa T,Tokuda H,et al.Triterpene acids from the leaves of Perilla frutescens and their anti-inflammatory and antitumor-promoting effects[J].Bioscience,Biotechnology,and Biochemistry,2004,68(1):85-90.

[3]Takano H,Osakabe N,Sanbongi C,et al.Extract of Perilla frutescens enriched for rosmarinic acid,a polyphenolic phytochemical,inhibits seasonal allergic rhinoconjunctivitis in humans[J].Experimental Biology and Medicine,2004,229(3):247-254.

[4]Longvah T,Deosthale Y G.Chemical and nutritional studies on Hanshi (Perilla frutescens),a traditional oilseed from Northeast India[J].Journal of the American Oil Chemists Society,1991,68(10):781-784.

[5]Yamazaki M,Makita Y,Springob K,et al.Regulatory mechanisms for anthocyanin biosynthesis in chemotypes of Perilla frutescens var.Crispa[J].Biochemical Engineering Journal,2003,14(3):191-197.

[6]White P J,Broadley M R.Biofortification of crops with seven mineral elements often lacking in human diets-iron,zinc,copper,calcium,magnesium,selenium and iodine[J].New Phytologist,2009,182(1):49-84.

[7]Soetan K O,Olaiya C O,Oyewole O E.The importance of mineral elements for humans, domestic animals and plants:a review[J].African Journal of Food Science,2010,4(5):200-222.

[8]陳曉麗,Morewane M B,薛緒掌,等.CP-AES分析光譜條件對中藥蒲公英無機元素吸收的影響[J].光譜學與光譜分析,2015,35(2):519-522.Chen X L,Morewane M B,Xue X Z,et al.Analysis of inorganic elements in hydroponic Taraxacum mongolicum grown under different spectrum combinations by ICP-AES[J].Spectroscopy and Spectral Analysis,2015,35(2):519-522.(in Chinese)

[9]陳曉麗,郭文忠,薛緒掌,等.LED 組合光譜對水培生菜礦物質吸收的影響[J].光譜學與光譜分析,2014,34(5):1394-1397.Chen X L,Guo W Z,Xue X Z,et al.Effects of LED spectrum combinations on the absorption of mineral elements of hydroponic lettuce[J].Spectroscopy and Spectral Analysis,2014,34(5):1394-1397.(in Chinese)

[10]徐凱,郭延平,張上隆,等.不同光質對豐香草莓生長發育的影響[J].果樹學報,2006,23(6):818-824.Xu K,Guo Y P,Zhang S L,et al.Effect of light quality on plant growth and fruiting of Toyonoka strawberry cultivar[J].Journal of Fruit Science,2006,23(6):818-824.(in Chinese)

[11]張瑞華,戰琨友,徐坤.有色膜覆蓋對姜葉片色素含量及光合作用的影響[J].園藝學報,2007,34(6):1465-1470.Zhang R H,Zhan K Y,Xu K.Effects of covering with colored plastic films on the pigment content and photosynthesis in ginger leaves[J].Acta Horticulturae Sinica,2007,34(6):1465-1470.(in Chinese)

[12]田發明,米慶華,塔依爾江·阿不都熱合曼,等.不同顏色薄膜對設施環境及甜椒生長發育和產量品質的影響[J].山東農業科學,2013,45(12):35-39.Tian F M,Mi Q H,Tayirjan·Abdurahman,et al.Effects of different color films on facility environment and growth,development,yield and quality of sweet pepper[J].Shandong Agricultural Sciences,2013,45(12):35-39.(in Chinese)

[13]Walters R G.Towards an understanding of photosynthetic acclimation[J].Journal of Experimental Botany,2005,56(411):435- 447.

[14]Choi H G,Moon B Y,Kang N J.Effects of LED light on the production of strawberry during cultivation in a plastic greenhouse and in a growth chamber[J].Scientia Horticulturae,2015,189:22-31.

[15]Heo J,Lee C,Chakrabarty D,et al.Growth responses of marigold and salvia bedding plants as affected by monochromic or mixture radiation provided by a light-emitting diode(LED)[J].Plant Growth Regul.,2002,38:225-230.

[16]Chen X L,Guo W Z,Xue X Z,et al.Growth responses of‘Green Oak Leaf’lettuce as affected by monochromic or mixed radiation provided by fluorescent lamp(FL) and lightemitting diode(LED)[J].Sci. Hortic.,2014,172:168-175.

[17]Thiel G,Danzer K.Direct analysis of mineral components in wine by inductively coupled plasma optical emission spectrometry (ICP-OES)[J].Fresenius' Journal of Analytical Chemistry,1997,357(5):553-557.

[18]Larcher R,Nicolini G.Survey of 22 mineral elements in wines from Trentino (Italy) using ICP-OES[J].Italian Journal of Food Science,2001,13(2):233-241.

[19]Barminas J T,Charles M,Emmanuel D.Mineral composition of non-conventional leafy vegetables[J].Plant Foods for Human Nutrition,1998,53(1):29-36.

[20]Arjenaki F G,Jabbari R,Morshedi A.Evaluation of drought stress on relative water content,chlorophyll content and mineral elements of wheat(Triticum aestivum L.)varieties[J].International Journal of Agriculture and Crop Sciences,2012,4(11):726-729.

[21]Tyler G,Olsson T.Plant uptake of major and minor mineral elements as influenced by soil acidity and liming[J].Plant and Soil,2001,230(2):307-321.

[22]Gadallah M A A.Abscisic acid,temperature and salinity interactions on growth and some mineral elements in Carthamus plants[J].Plant growth regulation,1996,20(3):225- 236.

[23]Choi H G,Moon B Y,Kang N J.Effects of LED light on the production of strawberry during cultivation in a plastic greenhouse and in a growth chamber[J].Scientia Horticulturae,2015,189:22-31.

[24]Heo J,Lee C,Chakrabarty D,et al.Growth responses of marigold and salvia bedding plants as affected by monochromic or mixture radiation provided by a light-emitting diode (LED)[J].Plant Growth Regulation,2002, 38(3):225-230.

[25]Li Q,Kubota C.Effects of supplemental light quality on growth and phytochemicals of baby leaf lettuce[J]. Environmental and Experimental Botany,2009,67(1):59-64.

[26]付衛民.有色膜覆蓋對心里美蘿卜生理特性及品質的影響[D].泰安:山東農業大學,2012.Fu W M.Effects of covering with colored plastic films on the physiological characteristics and qualities of radish with red pulp[D].Shandong Agricultural University,2012.(in Chinese)

[27]彭曉丹,楊再強,蘇天星,等.不同色膜的溫光效應及其對溫室甜椒產量和外觀品質的影響[J].中國農業氣象,2013,34(2):153-161.Peng X D,Yang Z Q,Su T X,et al.Accumulated photothermal effectiveness of different colored plastic film and the effect on yield and exterior quality of sweet pepper[J].Chinese Journal of Agrometeorology,2013,34(2):153-161.(in Chinese)

[28]原程,莊志群,楊鳳娟,等.有色膜對茄子幼苗品質的影響[J].西北農業學報,2014,(3):159-163.Yuan C,Zhuang Z Q,Yang F J,et al.Effects of colored films on quality of eggplant seedlings[J].Acta Agriculturae Borealioccidentalis Sinica,2014,(3):159-163.(in Chinese)

[29]White P J,Bradshaw J E,Finlay M,et al.Relationships between yield and mineral concentrations in potato tubers[J].HortScience,2009,44(1):6-11.

[30]Romero J M,Maranon T.Allocation of biomass and mineral elements in Melilotus segetalis(annual sweet clover):effects of NaCl salinity and plant age[J].New Phytologist,1996,132(4): 565-573.