高海拔环境太子参生物量、药用成分及矿质元素的动态变化

刘帮艳， 李金玲，2， 曹国璠， 郑 听， 李永乔， 赵 致，2， 王华磊，2

(1.贵州大学农学院，贵州贵阳 550025； 2.贵州药用植物繁育与种植重点(工程)实验室，贵州贵阳 550025)

太子参为石竹科植物孩儿参[Pseudostellariaheterophylla(Miq.) Pax ex Pax et Hoffm.]的干燥块根，为名贵中药材，具有益气健脾、生津润肺等功效[1-2]。目前，有关太子参的研究多集中在药理、药效、化学成分及制备工艺等方面[3-10]，随着人们对药用植物来源研究的重视，太子参繁殖方式、播种时间、播种方式、田间管理及病虫害防治等相关研究也在不断深入[11-15]。海拔作为作物生长的重要环境之一，对作物生长、生理代谢等具有较大调节作用，有研究表明，高海拔环境能提高人参、牛蒡、当归等根类药材的产量或药用成分含量[16-19]。本试验通过对比分析高海拔环境下太子参各生育时期的矿质元素、药用成分及生物产量的积累情况，以期为高海拔栽培推广太子参提供理论支撑，为高效栽培太子参提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

采自贵州省施秉县的太子参施太1号种根，经贵州大学农学院王华磊教授鉴定石竹科植物孩儿参种根。

1.2 仪器与试剂

1.2.1 仪器 Kjeltec 8400型凯式定氮仪，由丹麦福斯集团公

司提供；Optima 8100型电感耦合等离子体发射光谱仪(inductive coupled plasma emission spectrometer，简称ICP)，由铂金埃尔默仪器有限公司提供；101-3AB型电热鼓风干燥箱、SX-12-10型箱式电阻炉控制箱，由天津泰斯特仪器有限公司提供；MM400型球磨仪，由德国Retsch公司提供。

1.2.2 试剂 磷、钾、铁、锰、铜、锌、硼、钙、镁标准溶液，均购于国家有色金属及电子材料分析测试中心；标准品D-无水葡萄糖、人参皂苷Rb1，购于中国食品药品检定研究所。

1.3 试验设计

设计2个海拔种植太子参，分别为2 157、677 m。海拔 2 157 m 为高海拔环境，地处贵州省六盘水钟山区大箐村(编号为LPS)，地理位置为104°49′49.1″ E、26° 43′32″ N，属北亚热带湿润季风气候区；海拔677 m为太子参常规栽培海拔，地处贵州省施秉县甘溪乡高碑村毛栗坪组(编号为SBX)，地理位置为108°13′58.5″ E、27°1′47.5″ N，属亚热带湿润季风气候区。2个试验地基本环境情况见表1、表2，采用大田种植太子参，2015年12月进行栽种，种根用种量为1 200 kg/hm2，8月采收。每个海拔设3个小区，每个小区面积为1.2 m×10 m，栽培方式及田间管理均同太子参常规管理。

表1 不同试验地土壤环境情况

1.4 测定内容和方法

1.4.1 生物量 分别于太子参苗期(3—4月)、块根初始膨大期(4—5月)、块根膨大旺盛期(5—6月)、块根膨大后期(6—7月)及倒苗营养回流期(7—8月)，采用“五点法”随机连根挖取长势一致的太子参植株，每个小区取10株，每个海拔地每次共取样30株；洗净后用吸水纸吸干植株表面水分，将茎、叶、花果(地上部分)与块根、须根(地下部分)分开，于55 ℃条件下烘干， 用电子天平(精度为0.000 1 g) 分别称其干质量；球磨仪打粉，备用。太子参完全倒苗后进行测产，将块根洗净，于55 ℃条件下烘干，选取适量太子参干品打粉，备用。

表2 不同试验地土壤气候状况

注：7月为当地相对最热月，6月为降水量最多月，1月为最冷与降水最少月。

1.4.2 矿质元素 称取约0.5 g太子参样品粉末于坩埚中，马弗炉内600 ℃灰化，灰分用5 mL 1 ∶1硝酸溶液溶解，超纯水定容至25 mL，采用ICP分别测定磷、钾、铁、锰、铜、锌、硼、钙、镁含量；使用浓硫酸消煮样品，凯氏定氮仪测定全氮含量。

1.4.3 药用成分 参照闫亮等的方法[20]进行索式提取太子参多糖，硫酸-苯酚法显色，酶标仪测定490 nm处的吸光度D490 nm。以D-无水葡萄糖(含量以99.9%计)为标准品绘制标准曲线，得回归方程为：葡萄糖含量(A)=125.03D490 nm-0.552 1(r2=0.999 1，n=7)，该方程在0～50.5 μg/mL范围内线性关系良好。

总皂苷测定方法为：称取约0.5 g太子参粉末于带塞锥形瓶中，加20 mL三氯甲烷，80%功率超声2次，每次1 h；过滤，滤纸同滤渣放入锥形瓶中，精密加入25 mL水饱和正丁醇溶液，超声2次，每次1 h；过滤，取10 mL滤液，蒸干，甲醇溶解，容量瓶中定容至10 mL；取2 mL置于具塞试管中，加5 mL浓硫酸、0.2 mL香草醛-冰乙酸溶液，摇匀，60 ℃条件下水浴30 min，其间不断摇动；冷却，酶标仪测定560 nm处的吸光度D560 nm。以人参皂苷Rb1(含量以93.7%计)为标准品绘制标准曲线，得回归方程为：人参皂苷含量(A)=0.217D560 nm+0.021 9(r2=0.999 4)，该方程在0.101 6～1.525 0 mg/mL范围内线性关系良好。

1.5 数据处理与统计分析

采用Excel软件对数据进行处理分析。

2 结果与分析

2.1 太子参生物量的动态积累

试验结果表明，SBX太子参于2月5日开始出苗，7月15日完全倒苗，从出苗至完全倒苗共160 d；LPS太子参于3月1日开始出苗，8月28日完全倒苗，从出苗至完全倒苗共 181 d，高海拔环境下的太子参出苗与倒苗时间较常规海拔地推迟，生育期较常规栽培海拔地长。由图1-a可见，太子参地上部分干质量呈“增加-减少-增加”趋势，LPS太子参各生育时期地上部分干质量明显高于SBX；LPS太子参地下部分干质量呈“增加-减少-增加”趋势，SBX呈缓慢增加再略减少的趋势(图1-b)；LPS太子参各生育时期生物量明显高于SBX，说明高海拔地利于太子参生物量的形成与积累。SBX太子参地上部分干质量快速增长期为4月中旬至5月初，5月初达到最大值，为2.07 g/株，LPS则为4月中旬至5月中旬，5月中旬达到最大值，地上部分干质量为3.71 g/株；LPS、SBX太子参地下部分干质量的积累速度与地上部分干质量整体呈一定的正相关。

2.2 太子参多糖、总皂苷等药用成分的动态积累

由图2可知，SBX太子参各生育期多糖含量高于LPS，总皂苷含量低于LPS；LPS、SBX太子参多糖含量在各生育期内总体呈先增加后减少再增加趋势，倒苗期时多糖含量分别达到11.42%、13.97%；SBX太子参总皂苷含量在倒苗前期呈缓慢减少的变化趋势，后有所增加，倒苗期时总皂苷含量为1.63%，LPS太子参总皂苷含量呈“增加-减少-增加-缓慢减少”的波动变化趋势，倒苗期时总皂苷含量2.36%。这说明较低海拔利于太子参多糖的形成和积累，高海拔利于太子参总皂苷的形成与积累。

2.3 太子参矿质元素的动态变化

2.3.1 大量、中量元素 由图3可知，在同一个海拔高度种植的太子参各生育期地上部分的N含量均高于地下部分；不同海拔地上、地下部分的N、P含量变化趋势基本一致，总体呈“下降-增加-下降-趋于平缓”的波动变化，SBX太子参N、P含量增加高峰期为5月初，LPS则为6月中下旬；LPS太子参植株的N含量较高于SBX，而SBX太子参植株的P含量明显高于LPS；在整个生长期，太子参地上部分K含量明显大于地下部分；地上部分K含量呈先下降后增加趋势，SBX太子参地上部分K含量最低出现在4月中旬， 为35.29 mg/g，LPS则出现在5月中旬，为 24.60 mg/g；地下部分K含量随太子参生长总体呈逐渐下降趋势； LPS太子参地上部分K含量总体低于SBX，而地下部分K含量总体高于SBX，LPS太子参地上、地下部分的K含量分配较SBX均衡；不同海拔种植的太子参地上部分Ca、Mg含量多呈“下降-上升-下降”变化趋势，SBX太子参地上部分Ca含量在块根膨大后又有增加，地下部分Ca、Mg含量则呈“W”形变化；LPS太子参各生育期Ca、Mg含量稍高于SBX；SBX太子参地上、地下部分Ca、Mg含量第1次峰值出现在5月初，与N、P含量出现峰值时间一致；LPS地上部分Ca、Mg含量峰值出现在7月初，含量分别为17.78、4.65 mg/g，地下部分Ca、Mg含量第1次峰值分别出现在5月中旬、6月中旬，含量分别为4.72、2.42 mg/g。

2.3.2 微量元素 由图4可知，海拔高度对太子参微量元素含量具有明显的影响。LPS太子参Fe含量高于SBX，其地上、地下部分Fe含量峰值均出现在6月中旬，分别为3.27、2.42 mg/g；SBX太子参地上部分Fe、Mn含量峰值也出现在6月中旬，Fe、Mn含量分别为1.02 mg/g、466.09 μg/g，其地下部分Fe、Mn含量则随生育期逐渐减少；LPS太子参地上、地下部分Mn含量呈“下降-上升-下降”的变化趋势，分别在7月初、6月中旬出现峰值，Mn含量分别为421.76、132.63 μg/g；不同海拔太子参地上、地下部分Cu、Zn含量整体呈“下降-上升-下降”的变化趋势，SBX地上部分Cu、Zn含量峰值出现在6月初，含量分别为7.02、36.03 μg/g，LPS地上部分Cu、Zn含量峰值出现在7月初，含量分别为8.20、81.26 μg/g；SBX太子参地下部分Cu、Zn含量低于LPS，LPS地下部分Cu含量峰值出现在6月中旬，含量为14.38 μg/g。SBX太子参地上部分B含量呈先增加后下降趋势，而其地下部分B含量与LPS地上、地下部分B含量均随生育期呈“下降—上升—下降”的变化趋势。

3 结论与讨论

高海拔区域地形高，昼夜温差大，云雾多，湿度大，太阳辐射较强，气候环境各异，为植物的生长提供差异较大的光、温、水、热环境，对作物生长及次级代谢产物积累具有较大的调节作用。张秀丽等研究表明，人参总皂苷的含量随海拔升高而升高[16]；李竹英等研究得出，随着海拔的升高，牛蒡根中蛋白质、氨基酸、淀粉含量增加，而可溶性糖及脂肪含量降低[18]；李明世等研究发现，当归挥发油的含量随海拔升高呈逐渐增加的趋势[19]；研究海拔高度对天麻生产影响得出，1 km以上的海拔利于天麻产量及品质的提高，还能缩短天麻生育期，提高生产效率[21-22]。本试验结果表明，海拔为2 157 m高海拔环境(LPS)栽种的太子参，其地上茎、叶部分及地下根的干物质积累在各生育期均高于海拔为677 m的常规栽培海拔(SBX)，且地上部分茎、叶干质量较大时，其地下根的干物质积累速度相对较快，可能是由于高海拔辐射相对较强，有利于太子参叶片的形成与生长，同时，高海拔昼夜温差大，利于光合产物的积累；SBX太子参各生育期根部多糖含量高于LPS，总皂苷含量低于LPS，这可能与高海拔环境胁迫太子参开启自身抗逆调节机制相关。

矿质元素N、P、K、Mg、Fe、Zn、Cu对作物光合作用产生一定影响，其吸收与利用影响太子参的产量。高海拔因环境条件特殊，可能对各种矿质元素的吸收与转运具有一定调节作用，从而影响各元素在植物体中的含量与分布，改变光合作用的效率，进而影响光合产物的形成与积累。LPS、SBX太子参含N较高的时期为太子参苗期(3-4月)到茎叶茂盛后块根开始膨大期(4-5月)，因此，基肥中施足N肥是太子参产量与质量保证的基础。在太子参块根膨大旺盛期(5-6月)太子参地上生物量增加速度相对较快，积累量大，而此时太子参中P含量增加，说明该时期P能促进太子参产量的形成。K不但能通过调节植物气孔开闭、促进叶绿体内电子传递等推动CO2同化，提高光合效率，而且能促进植物碳水化合物输出及其在块根、种子等器官中的代谢，有效促进块根等器官的生长。LPS、SBX太子参在苗期(3-4月)的K含量相对较高，随后减少，块根开始膨大时又快速增加，说明前期较高的K促进了太子参叶片的形成，提高了光合叶面积，后期增加的K利于光合产物向根部转运，这与太子参单株地上、地下部分生物积累量的变化相一致。因此，在基肥施足P、K的基础上，于太子参块根膨大旺盛期(5-6月)追施P、K肥可保证太子参的产量，提高其质量。在各生育时期，LPS太子参地上部分Ca含量高于SBX，且不同海拔种植的太子参，其地上部分Ca含量均在太子参块根旺盛膨大期增长相对最快，含量也相对较高，这可能是由于Ca主要通过木质部的蒸腾作用向上运输，很难由韧皮部运输，太子参块根膨大旺盛期时地上茎发育成熟，再加上5-7月雨水充足、光照良好，有利于太子参的蒸腾作用，从而促进了Ca从根部向地上茎叶部分的运输，且LPS处于高海拔，昼夜温差大，更利于Ca的运输。SBX太子参N、P、Ca、Mg的变化趋势较为一致，可在5月上中旬进行混合追施。有研究表明，Mn、B能够使甜菜、马铃薯块根产量和含糖量增加，其中，B参与植物体内糖的运输，当B供给充足时，能促进糖的运输；Mn能激活糖酵解和三羧酸循环反应途径中许多酶的活性，为代谢产物的生成及运输提供足够的ATP。本试验表明，LPS地上部分Mn、B含量在太子参各生育期总体上低于SBX，这可能是限制LPS太子参多糖向根部转运，而使得LPS多糖含量低于SBX的主要原因。

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