钾浓度对茴香植株生长发育、精油含量和组分的影响

何金明，肖艳辉，王羽梅，潘春香

韶关学院英东农业科学与工程学院，广东 韶关 512005

茴香 Foeniculum vulgare Mill.为伞形科茴香属植物，原产于地中海地区，在我国已经有一千多年的栽培历史。茴香作为一种多用途的芳香植物，常用于调味品、中药和蔬菜等方面。我国茴香的主要产区为中国西北的甘肃、宁夏、新疆和内蒙古等省区，由于基本上只有茴香籽一种形式面向市场，产品过于单一，导致整个产业受茴香籽供需动荡而表现为极不稳定状态。在国际上，提取精油作为轻工原料是茴香利用的另一重要途径。精油作为茴香主要的次生代谢产物，被广泛应用于日化产品、食品添加剂和医药等方面。与原产地相比，我国茴香存在精油含量低、品质不高的问题[1-2]，这一现状严重制约了以提取精油为目的的茴香籽的生产与贸易，更不利于我国茴香产业的拓展与产业链的延伸。

栽培条件如施肥量、施肥方式、氮源、矿质离子浓度等对茴香精油成分的相对含量具有一定影响。Khan等[3]通过土壤施肥量的增加（由N 60 kg·hm-2+ P 27 kg·hm-2增到 N 90 kg·hm-2+ P 40 kg·hm-2），促使茴香精油中苯丙烷类化合物含量的增加，叶面施肥（N 20 kg·hm-2、P 2 kg·hm-2和 N 20 kg·hm-2+ P 2 kg·hm-2）促进精油中单萜类化合物含量增加。Mordy[4]研究了不同氮源对茴香成分含量的影响，发现甜茴香施用硫酸铵和硝酸铵使反式茴香脑相对含量增加 19%，施用尿素时降低9%；而球茎茴香施用不同氮源对反式茴香脑相对含量影响不显著；除对甜茴香施用硫酸铵和对球茎茴香施用尿素外，其他复合性氮肥都使小茴香酮含量增加。王羽梅等[5]利用水培的方法研究了不同阴离子对球茎茴香生长和精油含量的影响，结果表明，高浓度Cl-和高浓度SO4-2的营养液配方可使球茎茴香叶片的精油含量和精油中的柠檬烯含量明显增加。Singh等[6]的研究表明，在30%可交换钠的逆境环境中苦茴香生长良好，果实产量和精油含量较正常土壤中的略低，但精油的品质明显提高（反式茴香脑相对含量由 63.4%提高到 75.2%，小茴香酮相对含量由 12.1%降低到9.0%）。若能在这些研究的基础上，进一步深入研究单一矿质元素（如钾）对茴香精油含量与组分的影响，并尝试分析相关生理指标变化与精油含量和组分变化的内在联系，将有助于揭示茴香初生代谢与次生代谢之间的关系，为旨在提高茴香精油的产量和品质栽培技术的制定提供参考。为此，我们利用水培的方式，在日本园试配方的基础上，按比例增减其中钾元素的浓度，研究不同钾浓度水平对茴香生长发育、精油含量和组分的影响。

1 材料与方法

1.1 试验材料

以茴香为试材。茴香种子来源于内蒙古托克托县的当地主栽品种托县小茴香，一年生栽培，2008年生产。

1.2 试验方法

1.2.1 试验设计 本试验于 2009年 9月—2010年 5月在广东省韶关学院生态园温室内进行。2009年9月9日播种，基质为珍珠岩。9月16日出苗，出苗后用 1/2浓度的日本园试配方营养液进行浇灌。9月26日（第一真叶展开）定植至不同钾浓度的水培箱进行处理。以园试配方中钾浓度为标准 1K（8 mmol·L-1），设计 1/8K（1 mmol·L-1）、1/4K（2 mmol·L-1）、1/2K（4 mmol·L-1）、1K（8 mmol·L-1）和 2K（16 mmol·L-1）共 5 个钾浓度，每个处理设3次重复。11月26日（茴香发育至开花期）取样分析。

水培采用深液流栽培法。定植箱：为 950 mm×600 mm×20 mm泡沫箱，内铺黑色塑料膜。每箱定植24棵茴香，定植株行距12 cm×15 cm，基质为珍珠岩。增氧设备：空气压缩泵，功率为80 W，电压220 V/50 Hz，排气量：90 L/h。每箱均匀安放2个通气砂头。用定时开关设定每间隔90 min打气15 min。

每隔1天检测营养液的pH值和EC，调整并保持pH值在5.5~6.5，营养液15 d换1次，保证EC不得低于营养液全浓度的1/2。

1.2.2 形态指标和生理指标的测定方法 处理结束后，每处理随机取样15株，测株高、分枝数、花序数、节数、地上部和地下部鲜干质量，并在此数据基础上，计算全株鲜质量、全株干质量、根冠比和干物率。全株可溶性糖含量用蒽酮比色法[7]测定；全株全氮与蛋白氮含量用微量凯氏定氮法[8]测定；全株全碳用K2Cr2O7容量法[9]测定，叶片叶绿素和类胡萝卜素含量用比色法[10]测定。1.2.3 精油的提取与定量 精油提取与定量参见何金明等[11]的方法。每一处理蒸馏3次，取平均值。精油的正己烷溶液用棕色瓶封装，－18 ℃保存。样品烘干至恒质量，计算样品的干物率，用mL∙(100 g)-1DW表示精油的含量。

1.2.4 精油成分分析 利用 GC/MS（Trace GC-2000/DSQ， Thermo Finnigan，USA）分析精油成分。具体分析步骤与仪器参数设置参见何金明等[11]的方法。

使用色谱峰面积归一法确定精油成分的相对含量。每个样品重复3次。

1.3 数据分析

所得数据采用 SPSS软件包进行方差分析和相关分析，用Duncan’s 新复极差法进行平均数的显著检验。

2 结果与分析

2.1 钾浓度对茴香生长发育的影响

不同钾浓度处理，除了株高、地下部鲜质量、根冠比和干物率外，其余形态指标均差异显著。其中，分枝数（1K＞1/2K、1/8K、2K＞1/4K）、节数（1/2K、1K、1/8K＞2K＞1/4K）变化相似；地上部鲜质量、全株鲜质量和全株干质量变化一致，在1/8K~1K范围内，表现为随着钾浓度的升高逐渐增加，并在1K时达到最高，至2K则开始下降；花序数则为1K显著高于其他处理（表1）。综合分析认为 1K水平是利于茴香生长发育的最佳处理（表1）。

2.2 钾浓度对茴香精油含量及其他生理指标的影响

不同钾浓度处理，对碳、氮含量等指标、精油含量和产量影响显著，但无明显的线性规律。其中，全氮含量为1K＞1/4K、1/8K＞1/2K＞2K；蛋白氮含量为1K、1/8K＞1/4K、1/2和2K；全碳含量和可溶性糖含量变化一致，为1/4K＞1/8K、1/2K、1K＞2K；C/N比为2K＞1/2K、1/4K＞1/8K＞1K；精油含量为1/4K、1/8 K、1K＞1/2K、2K，单株精油产量为1K＞2K、1/4K、1/2K＞1/8 K（表2）。

不同钾浓度处理，茴香叶绿素 a含量、叶绿素b含量、类胡萝卜素含量、叶绿素a+b含量和叶绿素a/叶绿素b表现出相同的变化规律：与1K处理相比较，增加和降低钾浓度，其含量均表现为增加趋势；并且，由 1K~1/8K，随着钾浓度的不断降低，上述指标均表现为不断增加，并且至1/8K达到最大值（表3）。

2.3 钾浓度对茴香精油成分组成比例的影响

不同磷浓度处理茴香，其精油经 GC/MS鉴定，共鉴定出23种成分，已鉴定出成分的峰面积总和占总峰面积的 97.90%以上。相对含量在 1%以上的成分有反式茴香脑、柠檬烯、莳萝芹菜脑、爱草脑、水芹烯、反式葑醇乙酸酯和小茴香酮 6种（表4）。

表1 不同钾浓度对茴香形态指标的影响Table 1 Effect of different potassium concentrations on fennel’s shape index

表2 不同钾浓度对茴香精油含量及其他生理指标的影响Table 2 Effect of different potassium concentration on essential oil contents and other fennel’s physiological index

表3 不同钾浓度对茴香叶绿素、类胡萝卜素含量的影响Table 3 Effect of different potassium concentrations on contents of Chl. and CAR. in fennel leaves

不同钾浓度处理茴香，其精油成分在种类上没有差异。精油成分除了香桧烯、罗勒烯、γ-萜品烯、3,4-二甲基-2,4,6-辛三烯、爱草脑和肉豆蔻醚6种成分相对含量差异不显著外，其他成分的相对含量均差异显著（表4）。第一主要成分反式茴香脑的相对含量为74.75%~79.15%，1/4K、1/8K（78.11%、79.15%）显著高于1/2K（74.75%），而2K和1K（76.24%和76.46%）居中，且与其他处理差异均不显著；第二主要成分柠檬烯含量表现为1/2K（14.81%）较高， 1K和1 /4K（12.18%和12.82%）居中，而1/8K和2K（8.68%和8.25%）较低；第三主要成分莳萝芹菜脑的相对含量为1/8K和1/2K较高（3.44%和3.82%），而2K（2.84%）居中，1/4K 和1K（2.04%和2.26%）较低；爱草脑含量为 2.61%~2.69%，不同处理之间差异不显著；水芹烯含量表现为2K（2.81%）最高，1K、1/4K和1/8K（1.44%、0.87%和0.94%）次之，1/2K（0.13%）最低；反式葑醇乙酸酯含量为 2K较高（1.39%），1K（1.03%）次之，1/2K 和 1/8K（0.46%~0.54%）再次之，1/4K最低（0.19%）；小茴香酮含量变化则表现为2K（2.36%）较高，1K（0.50%）次之，1/2K、1/4K和1/8K均在0.01%以下（表4）。

根据化合物的结构与合成途径，可将茴香精油成分分为苯丙烷类化合物和萜类化合物（包括单萜、倍半萜和萜类衍生物）。本研究中，苯丙烷类化合物有对聚伞花素、爱草脑、顺式茴香脑、反式茴香脑、甲基异丁子香酚、肉豆蔻醚和莳萝芹菜脑7种成分，其余为萜类化合物。不同钾浓度处理茴香精油苯丙烷类化合物为81.585~85.62%，1/8K显著高于 1K和 1/2K，而2K和1/4K居中且与以上三者差异不显著；萜类化合物含量则表现为1/8K，显著低于其他处理（表4）。

表4 不同钾浓度对茴香精油成分组成比例的影响Table 4 Effect of different potassium concentrations on essential components and proportion in fennel essential oil

2.4 茴香精油含量、产量和碳、氮等生理指标的相关分析

精油含量与单株精油产量、全氮含量、蛋白氮含量和碳氮比（r为－0.08~0.10）相关不显著，与全碳含量、可溶性糖含量（r分别为 0.72和0.70）正相关极显著；单株精油产量与全氮含量正相关（r＝0.49）显著，与其余指标相关均不显著；全氮含量与蛋白氮含量（r＝0.71）成极显著正相关，与碳氮比的（r＝－0.97）成极显著负相关，而与全碳含量、可溶性糖含量（r分别为0.20和0.36）成不显著正相关；蛋白氮含量与全碳含量（r＝－0.26）、碳氮比（r＝－0.84）和可溶性糖含量（r＝－0.10）成负相关，且与碳氮比达到极显著水平；碳含量和可溶性糖含量（r＝0.90）成极显著正相关；碳氮比与全碳含量和可溶性糖含量的（r分别为－0.01和－0.20）成不显著负相关。

表5 不同钾浓度茴香精油含量、产量和主要成分含量及生理指标的相关系数Table 5 Correlation coefficient of essential oil contents, yields, contents of components,and physiological index in fennel treated by different concentration potassium

3 讨论

钾不是植物细胞结构组分，在植物体内钾以钾离子形态存在，通过激活酶，钾促进蔗糖合成、淀粉和蛋白质合成，促进同化物从源到库的运输。在一定范围内，增施钾肥可以提高作物的产量，但超过该范围，则使作物产量降低[12]；钾对植物品质的改善具有重要作用。我们的研究与上述报道相似，在 1/8K~1K，随着钾浓度的增加，茴香的生物产量不断增加，钾浓度再增至2K，茴香的生物产量则开始下降。另外，较高（2K）或较低（1/8K~1/2K）浓度钾处理的茴香花序数均显著低于标准浓度（1K）的花序数，说明适宜的钾肥浓度促进茴香的发育，使花期提前。

精油属于植物次生代谢产物。精油组分的合成途径约有4种：甲羟戊酸途径、3-PGA/丙酮酸途径、莽草酸途径和丙二酸途径，其中甲羟戊酸途径和3-PGA/丙酮酸途径合成了萜类化合物，莽草酸途径和丙二酸途径合成了苯丙烷类化合物[12]。不同钾浓度处理，茴香精油苯丙烷类化合物为1/8K显著高于1K和1/2K，2K和1/4K居中且与以上三者差异不显著；而萜类化合物含量则为1/8K 显著低于其他处理：说明1/8K可能直接或间接显著影响了上述代谢途径的反应方向和反应速率，使更多的底物通过莽草酸途径和丙二酸途径合成积累苯丙烷类化合物，而不利于萜类化合物累积。

综合分析不同浓度氮[13]、磷（文章已被接收，尚未刊出）和钾处理茴香，对于茴香精油含量而言，最佳处理均多出现在一个较低的浓度（氮为1/4N和 1/8N，磷为 1/8P，钾为 1/4K 、1/8K和1K），而对于茴香单株精油产量而言，三者最佳处理多为标准浓度（氮为1N、磷为1P和1/8P、钾为 1K）。因此可以认为，对于氮、磷、钾而言，较低的浓度相对有利于茴香次生代谢产物的累积（主要表现为精油含量），而针对初生代谢设计的营养液配方的标准浓度，则有相对利于初生代谢产物的累积（主要表现为生物量）。由于精油产量是由精油含量和茴香生物产量共同决定的，且标准浓度的生物量远远高于较低浓度的生物量，因此对于单株精油产量而言，标准浓度表现最好。

综合比较不同氮、磷、钾浓度对茴香生长发育与精油成分相对含量的影响，发现在植株形态方面，氮浓度对茴香所有（10个）形态指标均影响显著，磷浓度对其中8个形态指标影响显著，钾浓度则对其中6个形态指标均影响显著；而在精油成分的相对含量方面，氮浓度对茴香所有（23种）成分均影响显著，磷浓度对其中22种成分影响显著[13-14]，钾浓度则对其中16种成分影响显著。因此，可以认为对茴香植株形态和精油成分相对含量的影响表现为N＞P＞K。

4 结论

不同钾浓度处理对茴香植株形态（分枝数、节数、花序数）、生物量影响显著，其中，分枝数（1K＞1/2K、1/8K、2K＞1/4K）、节数（1/2K 、1K、1/8K＞2K＞1/4K）变化相似；地上部鲜质量、全株鲜质量和全株干质量为 1K＞2K ＞1/2K＞1/4K＞1/8K；花序数为1K显著高于其他处理；

不同钾浓度处理对碳氮含量（全氮、蛋白氮、全碳、可溶性糖、C/N）、精油含量、单株精油产量影响显著，但无明显的线性规律，其中精油含量为1/4K、1/8 K、1K＞1/2K、2K，单株精油产量为1K＞2K、1/4K、1/2K＞1/8 K；

不同钾浓度处理，茴香色素（Chl.a、Chl.b、CAR.、Chl.a+b、Chl.a/b）具有相同变化规律：与1K处理相比较，增加和降低钾浓度，其含量均表现为增加趋势；并且，由 1K~1/8K，随着钾浓度的不断降低，上述指标均表现为不断增加，并且至1/8K达到最大值。

不同钾浓度处理茴香精油均鉴定出 23种成分，其中17种成分的相对含量差异显著。精油第一主要成分反式-茴香脑含量为74.75%~79.15%，第二主要成分柠檬烯含量为8.25%~14.81%，第三主要成分莳萝芹菜脑相对含量 2.04%~3.82%，处理间均差异显著。

相关分析表明，精油含量与全碳含量（r＝0.72）、可溶性糖含量（r＝0.70）成极显著正相关；单株精油产量与全氮含量（r＝0.49）呈显著正相关。

综合评价：1K为利于茴香初生代谢（生长）的最佳钾浓度，而1/4K、1/8K和1K为利于次生代谢产物累积（精油含量）的较好钾浓度。钾浓度不但影响茴香的生长，还影响着茴香次生代谢产物精油的含量、产量和成分组成比例；适宜的钾浓度（1K）可以实现茴香初生代谢（生长）与次生代谢（精油产量）均高的结果。

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