三七主根穩(wěn)定碳同位素組成與生態(tài)因子的關(guān)系

何忠俊，梁社往，丁穎，趙江，劉義，滕娟，熊俊芬，楊志新，張仕穎，陳中堅(jiān)

1. 云南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，云南 昆明 650201；2. 云南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)與生物技術(shù)學(xué)院，云南 昆明 650201；3. 文山縣苗鄉(xiāng)三七實(shí)業(yè)有限公司，云南 文山 663000

三七主根穩(wěn)定碳同位素組成與生態(tài)因子的關(guān)系

何忠俊1，梁社往2，丁穎1，趙江1，劉義1，滕娟1，熊俊芬1，楊志新1，張仕穎1，陳中堅(jiān)3

1. 云南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，云南 昆明 650201；2. 云南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)與生物技術(shù)學(xué)院，云南 昆明 650201；3. 文山縣苗鄉(xiāng)三七實(shí)業(yè)有限公司，云南 文山 663000

三七（Panax notoginseng）是中國傳統(tǒng)名貴中藥材，文山三七獲國家地理標(biāo)志保護(hù)。近年來，隨著三七連作障礙的加重、道地產(chǎn)區(qū)租地成本增加和三七價(jià)格的上漲，三七種植區(qū)域已由云南文山道地產(chǎn)區(qū)向周邊區(qū)域擴(kuò)展，廣西、廣東、四川、貴州也有一定規(guī)模種植。因此，三七產(chǎn)地溯源和保護(hù)對三七產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展十分必要。為探討穩(wěn)定碳同位素能否作為三七藥材產(chǎn)地溯源的指標(biāo)，基于44個(gè)不同產(chǎn)區(qū)3年生春三七主根樣品、根際土壤樣品、地理氣候因子數(shù)據(jù)，采用穩(wěn)定同位素質(zhì)譜和等離子發(fā)射光譜質(zhì)譜及常規(guī)土壤農(nóng)化分析法，通過相關(guān)分析、逐步回歸、通徑分析和決策分析等的逐層剖析，研究了地理氣候因子、土壤理化性質(zhì)和肥力、主根內(nèi)營養(yǎng)元素含量——共計(jì)49個(gè)生態(tài)指標(biāo)與三七主根穩(wěn)定碳同位素比率的數(shù)量關(guān)系。結(jié)果表明，7月平均溫、1月最低溫、緯度、經(jīng)度、年均溫、土壤速效鋅含量、土壤全磷含量、土壤速效鉀含量是影響三七主根穩(wěn)定碳同位素比率的主要生態(tài)因子。這8個(gè)因子的綜合影響，共同決定了三七主根穩(wěn)定碳同位素比率變化的78.07%。對三七主根δ13C直接影響的順序?yàn)椋?月平均溫>1月最低溫>緯度>經(jīng)度>年均溫>土壤速效鋅含量>土壤全磷含量>土壤速效鉀含量。1月最低溫為三七主根δ13C的最主要限制因子，土壤全磷含量是三七主根δ13C最主要的決策因子，但1月最低溫、7月平均溫、年均溫、經(jīng)度的決策系數(shù)絕對值遠(yuǎn)高于其他因子，說明三七主根δ13C主要受產(chǎn)地溫度狀況和經(jīng)度的影響，這4個(gè)因子地域性很強(qiáng)。所以，三七主根δ13C可以作為三七主根和相關(guān)產(chǎn)品產(chǎn)地溯源的重要指標(biāo)之一。

三七；主根；穩(wěn)定碳同位素；生態(tài)因子

穩(wěn)定同位素技術(shù)因具有示蹤、整合和指示等多項(xiàng)功能，以及檢測快速、結(jié)果準(zhǔn)確等特點(diǎn)，在生態(tài)學(xué)、地球科學(xué)、植物生理生態(tài)、水循環(huán)等方面顯示出獨(dú)特的功能，已成為生態(tài)學(xué)研究的重要手段（林光輝，2010）。穩(wěn)定碳同位素技術(shù)已成為研究植物與環(huán)境之間關(guān)系最有效的方法之一。由于植物羧化效率的不同、12C和13C在植物體內(nèi)遷移速率以及外界環(huán)境的不同，不同植物體內(nèi)甚至同種植物體內(nèi)穩(wěn)定性碳同位素比率（δ13C值）有一定的差異（馬曄和劉錦春，2013）。穩(wěn)定碳同位素在碳循環(huán)（周玉榮和于振良，2000）、作物水分利用效率（趙炳梓和張佳寶，2004；Zhang等，2009）、植物生理生態(tài)（易現(xiàn)鋒，2007；Kogami等，2001；馬劍英等，2008）、環(huán)境因子（氣候、海拔、植株和土壤營養(yǎng)元素等）對植物δ13C的影響（馮虎元等，2003；李善家等，2011；Conrad和Klose，2005）等方面得到廣泛應(yīng)用，已顯示出其獨(dú)特的優(yōu)勢。但現(xiàn)有的研究主要集中在葉片和樹干上，對植株地下部分δ13C的研究甚少。近 30年來，穩(wěn)定碳同位素分析技術(shù)已在植源性食品產(chǎn)地溯源中成功應(yīng)用（郭波莉等，2007a），如蜂蜜（Antje等，2010）、果汁（Jamin等，1997）、小麥（Branch等，2003）、奶酪（Camin等，2004）、茶葉（袁玉偉等，2013）等的產(chǎn)地溯源和真假鑒別。近年來，其在追溯動物源性食品的地理來源方面日趨活躍（郭波莉等，2007b；孫淑敏等，2010）。迄今，藥用植物穩(wěn)定碳同位素與生態(tài)因子之間關(guān)系的報(bào)道甚少。

三七（Panax notoginseng）為五加科多年生草本植物，又名金不換、血參、田七等，以主根和剪口入藥。生藥稱三七，味甘、微苦、性溫。三七一般生長3年采收，分為春七和冬七，春七是采收當(dāng)年不留籽的三七主根，10─11月采收；冬七為采收當(dāng)年留籽，次年 1─2月采收三七的主根。與春七相比，冬七種植面積小、產(chǎn)量低，且體積小、密度小、表面皺縮、斷面有空隙、皂苷含量低（崔秀明和雷紹武，2012；崔秀明和朱艷，2013）。目前市場上的三七藥材基本是春三七塊根或其粉末。三七具有止血、活血化瘀、抗疲勞、抗衰老、耐缺氧、降血糖和提高機(jī)體免疫功能等功效，對三七功用的認(rèn)識也從“活血化瘀、消腫定痛”延伸到整個(gè)心腦血管系統(tǒng)、中樞神經(jīng)系統(tǒng)、代謝系統(tǒng)等領(lǐng)域（崔秀明和陳中堅(jiān)，2007）。云南省文山壯族苗族自治州是三七的原產(chǎn)地，傳統(tǒng)種植三七已有400余年歷史，種植面積、產(chǎn)量和質(zhì)量均為全國首位，當(dāng)?shù)靥厥獾纳鷳B(tài)環(huán)境對三七的品質(zhì)有著重要的影響（崔秀明等，2014；崔秀明和雷紹武，2012）。近年來，由于連作障礙的加劇和三七價(jià)格迅猛上揚(yáng)，三七主產(chǎn)區(qū)已由文山向周遍的紅河、昆明、大理、騰沖等地發(fā)展，廣西、廣東、四川、貴州的部分地區(qū)也有三七種植。市場上出現(xiàn)了以次充好，真假難辯的現(xiàn)象。道地藥材形成的實(shí)質(zhì)源于產(chǎn)地，解決藥材的產(chǎn)地溯源問題是藥材地道性研究的關(guān)鍵。目前中藥材產(chǎn)地判別的方法有形態(tài)、理化鑒別及化學(xué)指紋圖譜、無機(jī)元素分析等（崔秀明和陳中堅(jiān)，2007），但其適用性有限，說服力不足。在發(fā)生貿(mào)易糾紛時(shí)，缺乏科學(xué)合理的仲裁依據(jù)。因此，研究三七藥材穩(wěn)定碳同位素組成與生態(tài)因子的關(guān)系，對三七產(chǎn)地溯源和道地性闡釋具有實(shí)際意義。

我們首先在研究三七藥用部位-主根穩(wěn)定碳同位素比率與地理氣候、土壤理化性質(zhì)和肥力、主根內(nèi)養(yǎng)分含量等指標(biāo)（單、偏）相關(guān)性的基礎(chǔ)上，選擇相關(guān)性顯著的指標(biāo)與主根穩(wěn)定碳同位素比率進(jìn)行逐步回歸、通徑和決策分析，進(jìn)而確定影響三七主根穩(wěn)定碳同位素比率的主導(dǎo)生態(tài)因子及其權(quán)重，為利用穩(wěn)定碳同位素指紋進(jìn)行三七藥材道地性研究和產(chǎn)地溯源提供理論依據(jù)，同時(shí)也為中藥材道地性研究開辟一條新途徑。

1 材料與方法

1.1 三七主要分布區(qū)采樣和調(diào)查

2011年9─11月采集3年生春三七共44個(gè)樣點(diǎn)，分別采自廣東南雄1點(diǎn)，廣西靖西4點(diǎn)，云南39點(diǎn)——主要選擇文山州主產(chǎn)三七的文山、硯山、馬關(guān)、西疇、丘北，麻栗坡6個(gè)縣，紅河州的蒙自、建水、石屏、彌勒、瀘西、屏邊等6個(gè)縣。隨著連作障礙的日趨嚴(yán)重，文山州及其周遍可供種植三七的土地越來越少，三七產(chǎn)區(qū)范圍向昆明周邊以及楚雄、大理、保山、玉溪等州（市）發(fā)展。為此，采集了曲靖市羅平，昆明市尋甸、石林、祿勸3個(gè)縣，玉溪市紅塔區(qū)，保山市的騰沖縣等三七種植面積較大地塊的三七植株和根際土壤樣品。采樣地基本情況見表1。

三七植株和根際土壤樣品的采集用隨機(jī)多點(diǎn)取樣法，采樣深度為0～20 cm。每個(gè)樣點(diǎn)按地塊東南西北中隨機(jī)采集三七整株15～20株，抖下根區(qū)土壤，經(jīng)充分混勻后用4分法縮分，取1 kg帶回（風(fēng)干、除去石塊和枯枝落葉、過2、1、0.25 mm篩備用）。將植株活體樣本帶回實(shí)驗(yàn)室后，反復(fù)用自來水+洗潔精洗去泥土，用含 1%檸檬酸的蒸餾水漂洗、除去表面附著的礦質(zhì)元素，最后用蒸餾水反復(fù)沖洗干凈，攤開晾去附著的水分后，按花、莖葉、主根、剪口、筋條、須根分開、稱鮮質(zhì)量，60 ℃烘干，稱干質(zhì)量，粉碎過100目篩，取約2 g供同位素C測定，其余裝入自封袋供礦質(zhì)元素、有效成分等測定之用。

收集、調(diào)查、現(xiàn)場和實(shí)驗(yàn)室測定各采樣點(diǎn)生態(tài)因子的具體指標(biāo)。它們包括：透光率、坡度、坡向、經(jīng)度、緯度、海拔（現(xiàn)測）；土壤因子（實(shí)驗(yàn)室測定）——容重、pH、顆粒組成，有機(jī)質(zhì)、全N、全P、全K、速效養(yǎng)分（N、P、K、Ca、Mg、S、Fe、Mn、Cu、Zn、Mo、B）含量；氣象資料（年均濕度、年日照時(shí)數(shù)、年降水量、活動積溫、年均溫、7月最高溫、7月平均溫、1月最低溫、1月平均溫）由中國醫(yī)學(xué)科學(xué)研究院藥用植物研究所TCM-GIS1系統(tǒng)根據(jù)經(jīng)緯度和海拔計(jì)算得出。

1.2 樣品分析

植物樣品采用 H2SO4-H2O2消煮，凱氏法測 N含量，釩鉬黃比色法測P含量。植株全S含量測定，采用HNO3-HClO4消煮、比濁法測定，植株全B采用干灰化、姜黃素法測定（中國科學(xué)院南京土壤研究所，1978）。植株 K、Ca、Mg、Cu、Zn、Fe、Mn、Mo含量采用DZ/T0223-2001（電感耦合等離子體質(zhì)譜（ICP-MS））方法通則進(jìn)行測定，F(xiàn)innigan MAT，型號為HR-ICP-MS（ElementⅠ）。

土壤理化性質(zhì)的測定方法：土壤pH采用電位法，土壤有機(jī)質(zhì)采用外加熱重鉻酸鉀容量法，土壤全氮采用濃硫酸-混合加速劑消解-凱氏定氮法，土壤全磷采用碳酸鈉熔融-鉬銻抗比色法，土壤全鉀采用氫氧化鈉熔融-火焰光度法，土壤堿解氮采用堿解擴(kuò)散法，土壤速效磷采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法，土壤速效鉀采用乙酸銨浸提-火焰光度法，土壤CEC采用乙酸銨交換法，土壤交換性鈣、交換性鎂采用 DTPA-TEA-CaCl2緩沖液浸提-原子吸收分光光度法，土壤有效硫采用磷酸鹽浸提-硫酸鋇比濁法，土壤有效硼采用沸水浸提-姜黃素比色法，土壤有效鉬采用草酸-草酸銨浸提法，有效鐵、有效錳、有效銅、有效鋅采用Mehlich 3法聯(lián)合浸提-原子吸收分光光度法（鮑士旦，2005），土壤顆粒組成采用吸管法（中國科學(xué)院南京土壤研究所，1978）。

表1 采樣地基本情況及三七主根δ13CTable 1 The basic condition of sampling sites and the δ13C in taproot of Panax notoginseng

1.3 主根碳穩(wěn)定同位素測定

稱取600～800 μg三七主根粉末，先經(jīng)過Flash EA1112型元素分析儀轉(zhuǎn)化為純凈的CO2氣體，再經(jīng)過 ConfloⅢ型稀釋儀，最后進(jìn)入 DELTAPlusThermo Finnigan質(zhì)譜儀進(jìn)行檢測。具體的工作參數(shù)如下：

元素分析儀：進(jìn)樣器氦氣吹掃流量為 200 mL·min-1，氧化爐溫度為 1020 ℃，載氣氦氣流量為90 mL·min-1。

Conflo Ⅲ條件設(shè)定：氦氣稀釋壓力為60 kPa，CO2參考壓力為60 kPa（孫淑敏等，2010）。

質(zhì)譜條件：用USGS24(δ13CPDB=-16‰)標(biāo)定CO2鋼瓶，用標(biāo)定的鋼瓶氣作為標(biāo)準(zhǔn)。穩(wěn)定碳同位素比率用δ13C‰表示，δ13C的相對標(biāo)準(zhǔn)為V-PDB，計(jì)算公式為：δ13C‰=(R樣品/R標(biāo)準(zhǔn)-1)×1000，其中R=13C/12C。

1.4 數(shù)據(jù)處理

全部試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用 EXCEL、DPSv8.01（唐啟義和馮光明，2007）軟件進(jìn)行計(jì)算、分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 三七主根穩(wěn)定碳同位素δ13C與地理氣候因子的相關(guān)性

三七主根δ13C平均值為-26.37‰，屬C3植物，高于全球C3植物δ13C平均值-27.20‰（馮虎元等，2003）。表 2顯示，三七栽培地域一月最低溫和坡度變化范圍最大，變化范圍分別為 0.2～7.9 ℃和1°～40°；其次是坡向和透光率，變化范圍分別為20°～652°和4.63%～24.90%。地理氣候因子與三七主根δ13C比率的單相關(guān)性分析表明，主根δ13C與緯度、海拔、日照時(shí)數(shù)呈極顯著正相關(guān)（P<0.01），與經(jīng)度、年均濕度、年降水、活動積溫、年均溫、7月最高溫、7月平均溫、1月最低溫、1月平均溫呈極顯著負(fù)相關(guān)（P<0.01），與坡度呈顯著負(fù)相關(guān)（P<0.05）；偏相關(guān)分析表明，主根δ13C僅與經(jīng)度、緯度呈顯著正相關(guān)（P<0.05）。

表2 地理氣候因子與三七主根δ13C的相關(guān)分析Table 2 Correlation analysis between geographical and climatic factors and δ13C in taproot of Panax notoginseng

2.2 三七主根穩(wěn)定碳同位素δ13C與土壤因子的相關(guān)性

表3表明，三七栽培地域土壤礫石含量、土壤交換性鈣、土壤速效銅含量變異最大，變化范圍分別為 0.43%～34.21%、2.16～194.06 cmol·kg-1、0.07～12.82 mg·kg-1；其次是土壤交換性鎂和速效鋅含量，變化范圍分別為 0.04～6.75 cmol·kg-1、0.69～11.16 mg·kg-1。土壤因子與三七主根δ13C的單相關(guān)分析表明，主根δ13C與土壤w(全磷)呈極顯著正相關(guān)（P<0.01），與b(CEC)、w(速效氮)呈顯著正相關(guān)（P<0.05），與 w(速效鋅)呈極顯著負(fù)相關(guān)（P<0.01），與 w(粉)/w(黏)比值呈顯著負(fù)相關(guān)（P<0.05）；偏相關(guān)分析顯示，主根δ13C與 w(速效鉀)呈顯著正相關(guān)（P<0.05），與pH、b(CEC)呈顯著負(fù)相關(guān)（P<0.05）。

表3 土壤因子與三七主根δ13C的相關(guān)分析Tble 3 Correlation analysis between soil factors and δ13C in taproot of Panax notoginseng

2.3 三七主根穩(wěn)定碳同位素δ13C與主根養(yǎng)分因子的相關(guān)性

表4表明，三七主根內(nèi)養(yǎng)分含量變異最大的是Mo、Fe，變化范圍分別為0.009～0.473、192～3154 mg·kg-1；其次是S、Mn、Cu、B，變化范圍分別為75.7～1751.88、0.53～106.63、1.58～15.3、0.31～56.60 mg·kg-1。三七主根內(nèi)養(yǎng)分含量與主根δ13C的單相關(guān)分析表明，主根δ13C僅與主根w(Zn)呈顯著負(fù)相關(guān)（P<0.05），偏相關(guān)系數(shù)均不顯著。

表4 三七主根養(yǎng)分因子與三七主根δ13C的相關(guān)分析Table 4 Correlation analysis between nutrients and δ13C in taproot of Panax notoginseng

2.4 三七主根穩(wěn)定碳同位素δ13C的主導(dǎo)生態(tài)因子分析

如果2個(gè)變量之間相關(guān)程度不高，擬合回歸方程便沒有意義。因此，相關(guān)分析往往在回歸分析前進(jìn)行（陳勝可，2010）。在選擇評判指標(biāo)時(shí)，應(yīng)該選擇相關(guān)性顯著的指標(biāo)，使回歸方程收斂性更好，更能反映因變量對自變量的影響程度（唐啟義和馮光明，2007）。以往關(guān)于生態(tài)因子與穩(wěn)定碳同位素δ13C的研究，大多是從分析土壤或氣候因子與穩(wěn)定同位素δ13C的相關(guān)性進(jìn)行的，主要以單相關(guān)系數(shù)高低判斷其重要性大?。R劍英等，2008；馮虎元等，2003；李善家等，2011）。這種分析方法是片面的，結(jié)論也是不確切的。而且主要研究葉片穩(wěn)定碳同位素δ13C與土壤、地理氣候、生理生化指標(biāo)的相關(guān)性（馬劍英等，2008；馮虎元等，2003；李善家等，2011），而關(guān)于植物地下部分穩(wěn)定碳同位素δ13C與生態(tài)因子關(guān)系的研究甚少，而且選用的土壤指標(biāo)少，多以全量養(yǎng)分為主，不能確切反映土壤的肥力狀況。在多個(gè)變量的情況下，變量之間有可能存在某種程度的相關(guān)關(guān)系，使得變量之間形成錯(cuò)綜復(fù)雜的關(guān)系。單相關(guān)系數(shù)只是表面的、非本質(zhì)的關(guān)系，因而是不可靠的。偏相關(guān)系數(shù)是排除其他因素的影響，僅研究兩者之間的相關(guān)，比單相關(guān)系數(shù)更能說明兩者的線性相關(guān)程度（李宗梅等，2011）。鑒于目前國內(nèi)外相關(guān)研究多以單相關(guān)研究為主，本研究中，采用單相關(guān)和偏相關(guān)分析結(jié)合，進(jìn)一步確證和篩選出更多對三七主根δ13C影響顯著的因子。

選取生態(tài)因子中與三七主根穩(wěn)定碳同位素δ13C（單、偏）相關(guān)性顯著的因子：經(jīng)度(x1)、緯度(x2)、海拔(x3)、濕度(x4)、日照(x5)、年降水量(x6)、活動積溫(x7)、年均溫(x8)、7月最高溫(x9)、7月平均溫(x10)、1月最低溫(x11)、1月平均溫(x12)、坡度(x13)、粉/粘(x14)、pH(x15)、CEC(x16)、全磷(x17)、速效氮(x18)、速效鉀(x19)、速效鋅(x20)、主根 Zn(x21)，進(jìn)行逐步回歸和通徑分析，得出以下回歸方程：

復(fù)相關(guān)系數(shù)r=0.8836，決定系數(shù)R2=0.7807，P值=0.0001，Durbin-Watson統(tǒng)計(jì)量d=2.6424。

上述回歸方程多元相關(guān)系數(shù)為0.8836，經(jīng)檢驗(yàn)達(dá)到極顯著水平。方程決定系數(shù)較高，以上8個(gè)入選因子能解釋主根δ13C變異的78.07%。從入選因子看，三七主根δ13C主要受經(jīng)緯度、溫度狀況和土壤中部分養(yǎng)分狀況的影響。

表5 三七主根δ13C與生態(tài)因子的通徑分析Table 5 Path analysis between ecological factors and δ13C in taproot of Panax notoginseng

單相關(guān)系數(shù)可以分解為直接通徑系數(shù)和間接通徑系數(shù)，r單=P直+p間，P直為直接通徑系數(shù)，p間為間接通徑系數(shù)（卜靜等，2012）。通徑分析（表5）表明，各入選因子對主根δ13C直接通徑系數(shù)的絕對值依次為：7月平均溫(x10)>1月最低溫(x11)>緯度(x2)>經(jīng)度(x1)>年均溫(x8)>土壤速效鋅含量(x20)>土壤全磷含量(x17)>土壤速效鉀含量(x19)。其中1月最低溫(x11)、緯度(x2)、經(jīng)度(x1)、年均溫(x8)、土壤全磷含量(x17)、土壤速效鉀含量(x19)對主根δ13C的直接作用是正效應(yīng)，7月平均溫(x10)、土壤速效鋅含量(x20)對主根δC的直接作用是負(fù)效應(yīng)。緯度(x2)、7月平均溫(x10)、土壤全磷含量(x17)、土壤速效鉀含量(x19)、土壤速效鋅含量(x20)對主根δ13C的直接作用大于間接作用總和；經(jīng)度(x1)、年均溫(x8)、1月最低溫(x11)的間接作用總和大于直接作用，且方向相反，抵消了直接作用的效果，致使其對主根δ13C的凈效應(yīng)方向改變。間接作用主要通過經(jīng)度(x1)、緯度(x2)、年均溫(x8)7月平均溫(x10)、1月最低溫(x11)的影響而產(chǎn)生，其中，7月平均溫(x10)、1月最低溫(x11)的間接作用最大。通徑分析反映出，各生態(tài)因子與主根δ13C的路徑關(guān)系很復(fù)雜，需要通過決策系數(shù)來最終確定。

決策系數(shù)是反映自變量對依變量綜合作用大小的參數(shù)，利用決策系數(shù)可以對通徑分析結(jié)果進(jìn)行明確的判斷，并確定主要決定性變量和限制性變量（于建軍等，2009），決策系數(shù)的計(jì)算公式為：Ri2=2Piriy-Pi2，Pi為直接通徑系數(shù)，riy為單相關(guān)系數(shù)。8個(gè)入選因子的決策系數(shù)大?。ū?）排序?yàn)椋篟172>R202>R22>R192>R12>R82>R102>R112。其中，決策系數(shù) R172、R202、R22、R192為正值，說明土壤全磷含量(x17)、土壤速效鋅含量(x20)、緯度(x2)、土壤速效鉀含量(x19)為主根δ13C的主要決策因子，但絕對值均較低，以R172最大，可以認(rèn)為土壤全磷含量(x17)是主根δ13C最主要的決策因子；決策系數(shù)R12、R82、R102、R112為負(fù)值，以R112最小，說明1月最低溫(x11)、年均溫(x8)、7月平均溫(x10)、經(jīng)度(x1)為主根 δ13C的主要限制因子，1月最低溫(x11)為主根δ13C的最主要限制因子。決策系數(shù)Ri2絕對值大小順序?yàn)椋?月最低溫 R112>7月平均溫 R102>年均溫 R82>經(jīng)度R12，且均為負(fù)值，其余因子決策系數(shù)絕對值較小（<0.2105）。由此可知，三七主根δ13C主要受1月最低溫、7月平均溫、年均溫和經(jīng)度的制約，這幾個(gè)因子具有很強(qiáng)地域性。因此，δ13C可以作為三七主根和相關(guān)產(chǎn)品的產(chǎn)地溯源的重要指標(biāo)之一。

3 討論

3.1 中藥材道地性研究中存在的問題及穩(wěn)定同位素在中藥材產(chǎn)地溯源中的優(yōu)勢

道地藥材形成的實(shí)質(zhì)源于產(chǎn)地，解決中藥材產(chǎn)地溯源問題應(yīng)該成為中藥材道地性研究的關(guān)鍵。但目前中藥材道地性研究主要偏重中藥材產(chǎn)地地質(zhì)背景、氣候、生態(tài)條件、人文因素等的分析，輔以形態(tài)、藥效成分、分子標(biāo)記、無機(jī)元素等指標(biāo)（崔秀明和陳中堅(jiān)，2007；黃林芳等，2013；向增旭和高山林，2008；楊生超等，2007；張重義等，2007），只是對現(xiàn)有公認(rèn)的道地藥材形成進(jìn)行剖析和產(chǎn)區(qū)范圍界定，用于產(chǎn)地溯源說服力不足。三七皂苷組分受栽培管理技術(shù)影響很大，在縣域范圍內(nèi)，海拔差異不大的情況下，三七總皂苷(R1+Rg1+Rb1+Rd)含量相差懸殊（崔秀明和陳中堅(jiān)，2007）。在藥效成分達(dá)到藥典規(guī)定指標(biāo)、農(nóng)殘和重金屬不超標(biāo)的情況下，很難判定三七是來自道地產(chǎn)區(qū)還是非道地產(chǎn)區(qū)。在發(fā)生貿(mào)易糾紛時(shí)，缺乏科學(xué)、合理的判斷標(biāo)準(zhǔn)。因此，急需建立一套科學(xué)合理的中藥材產(chǎn)地溯源指標(biāo)體系。在自然界中，生物體不斷與外界環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)交換，其體內(nèi)同位素組成受氣候、環(huán)境、生物代謝類型等因素的影響而發(fā)生自然分餾效應(yīng)，從而使不同來源的物質(zhì)中同位素自然豐度存在差異。這種差異擁有環(huán)境因子的信息，反映生物體所處的環(huán)境條件。生物體內(nèi)穩(wěn)定性同位素組成是物質(zhì)的自然屬性，可作為物質(zhì)的一種“自然指紋”，區(qū)分不同來源的物質(zhì)。它能為食品、中藥材溯源提供一種科學(xué)的、獨(dú)立的、不可改變的，以及隨整個(gè)食品鏈流動的身份鑒定信息（郭波莉等，2007a）。植物穩(wěn)定碳同位素主要由植物本身生物學(xué)特性決定，但生態(tài)環(huán)境效應(yīng)可是使其變化3‰～5‰。植物穩(wěn)定碳同位素在植源性食品和肉類產(chǎn)地溯源中已成功應(yīng)用（Antje等，2010；Jamin等，1997；Branch等，2003；郭波莉等，2007b；孫淑敏等，2010）。本研究表明，三七主根穩(wěn)定碳同位素可以作為三七主根和相關(guān)產(chǎn)品產(chǎn)地溯源的主要指標(biāo)。

3.2 相關(guān)、逐步回歸、通徑和決策分析相結(jié)合的優(yōu)勢

國內(nèi)外研究生態(tài)因子與穩(wěn)定同位素或藥用植物有效成分的關(guān)系多采用單一直線回歸、單相關(guān)分析等方法，多注重土壤或地理氣候因子中某個(gè)或幾個(gè)因素對其的影響，很少涉及植物體內(nèi)生態(tài)因子（馬劍英等，2008；馮虎元等，2003；李善家等，2011；黃林芳等，2013；祖艷群等，2014）。實(shí)際上，藥用植物次生代謝和同位素分餾受到體內(nèi)和體外一系列生態(tài)因子的共同作用。本研究采用單相關(guān)和偏相關(guān)分析，研究了地理氣候因子、土壤理化性質(zhì)和肥力、三七主根內(nèi)營養(yǎng)元素與三七主根穩(wěn)定碳同位素組成的關(guān)系，篩選出了對三七主根δ13C影響顯著的生態(tài)因子，通過逐步回歸、通徑、決策分析等的逐層剖析，建立了回歸模型，得出了影響三七主根穩(wěn)定碳同位素變化的主導(dǎo)因子、作用大小和方向、決定性因子和限制性因子等，為三七主根穩(wěn)定碳同位素作為產(chǎn)地溯源指標(biāo)提供了科學(xué)的依據(jù)。這種綜合分析的方法在藥用植物生態(tài)和道地性研究中還不多見。

4 結(jié)論

通過相關(guān)、逐步回歸、通徑和決策分析等的逐層剖析，篩選出了8個(gè)影響三七主根穩(wěn)定碳同位素比率的主要生態(tài)因子，并明確了其作用大小和方向、決定性因子和限制性因子，建立了預(yù)測模型。對三七主根δ13C直接影響的順序?yàn)椋?月平均溫>1月最低溫>緯度>經(jīng)度>年均溫>土壤速效鋅含量>土壤全磷含量>土壤速效鉀含量，這 8個(gè)生態(tài)因子的綜合影響，共同決定了三七主根穩(wěn)定碳同位素比率變化的78.07%。在三七產(chǎn)地溯源中，可以將上述生態(tài)因子數(shù)值代入方程，獲得三七主根穩(wěn)定碳同位素比率，為三七產(chǎn)地溯源提供具體數(shù)值。1月最低溫為三七主根δ13C的最主要限制因子，土壤全磷含量是三七主根δ13C最主要的決策因子，1月最低溫、7月平均溫、年均溫、經(jīng)度是影響三七主根δ13C的主導(dǎo)生態(tài)因子，這4個(gè)因子地域性很強(qiáng)。因此，三七主根 δ13C可以作為三七主根和相關(guān)產(chǎn)品產(chǎn)地溯源的主要指標(biāo)。鑒于三七主根δ13C在一定程度上還受土壤全磷、速效鋅、速效鉀含量的影響，這3個(gè)因子主要受栽培管理措施和土壤背景的影響，地域特征不明顯。生產(chǎn)實(shí)踐中，可以考慮將三七主根δ13C和其它溯源指標(biāo)結(jié)合使用。

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Relationships between Stable Carbon Isotopic Composition in Taproot of Panax Notoginseng and Ecological Factors

HE Zhongjun1, LIANG Shewang2, DING Ying1, ZHAO Jiang1, LIU Yi1, TENG Juan1, XIONG Junfen1, YANG Zhixin1, ZHANG Shiying1, CHEN Zhongjian3
1. College of Resource and Environment, Yunnan Agricultural University, Kunming 650201, China; 2. College of Agronomy and Biotechnology, Yunnan Agricultural University, Kunming 650201, China; 3. Miao Xiang Sanqi Industrial Corporation Ltd. of Wenshan County, Wenshan 663000, China

Panax notoginseng is a rare traditional medicinal herb in China, and Wenshan Panax notoginseng obtained national protected geographical indication. In recent years, with the increasing price for rent land in genuine producing area and for Panax notoginseng market, as well as the serious continuous cropping barrier, the cultivating areas of Panax notoginseng were enlarged from Wenshan to surrounding areas, Guangdong, Guangxi, Sicuan and Guizhou province also have certain area cultivation. Therefore, origin traceability and protection is of importance for sustainable development of Panax notoginseng industry. In order to explore whether stable carbon isotope can be used as an index of origin traceability for Panax notoginseng, Based on 44 taproot samples and corresponding rhizosphere soil samples of spring Panax notoginseng taken from different producing regions and cultivated for 3 years, and corresponding geographical and meteological data derived from GIS for Traditional Chinese Medicine database, adopted isotope ratio mass spectrometry (IRMS) and inductively coupled plasma spectrometry (ICP-MS) as well as regular soil-plant analyzing technique, the quantitative relationships between the stable carbon isotope ratio and 49 ecological factors including geographical and meteological data, physiochemical properties and soil fertility index, nutrient element contents in taproot of Panax notoginseng were studied using the step by step comprehensive research methods of correlation, stepwise regression, path analysis, decision analysis. The results indicated that average temperature in July, minimum temperature in January, latitude, longitude, annual average temperature, available zinc, total phosphorus, available potash in soil were the determinant ecological factors affecting the stable carbon isotope ratio in taproot of Panax notoginseng, which controlled 78.07% changes of stable carbon isotope ratio in taproot of Panax notoginseng. The direct effect of determinant ecological factors on stable carbon isotope ratio in taproot of Panax notoginseng were in the order of average temperature in July, minimum temperature in January, latitude, longitude, annual average temperature, available zinc, total phosphorus, available potash. The most main decisive factor was soil total phosphorus, while the most main limiting factor was minimum temperature in January. Nevertheless, the absolute value of decisive coefficients of minimum temperature in January, average temperature in July, annual average temperature, longitude were much higher than other factors, which showed that stable carbon isotope ratio in taproot of Panax notoginseng was mainly influenced by temperature condition and longitude of producing region. Therefore, the stable carbon isotope ratio in taproot of Panax notoginseng can use as an important index for origin traceability of taproot and related products of Panax notoginseng.

Panax notoginseng; taproot; stable carbon isotope; ecological factors

10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.04.003

X142

A

1674-5906（2015）04-0561-08

何忠俊，梁社往，丁穎，趙江，劉義，滕娟，熊俊芬，楊志新，張仕穎，陳中堅(jiān). 三七主根穩(wěn)定碳同位素組成與生態(tài)因子的關(guān)系[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 2015, 24(4): 561-568.

HE Zhongjun, LIANG Shewang, DING Ying, ZHAO Jiang, LIU Yi, TENG Juan, XIONG Junfen, YANG Zhixin, ZHANG Shiying, CHEN Zhongjian. Relationships between Stable Carbon Isotopic Composition in Taproot of Panax Notoginseng and Ecological Factors [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(4): 561-568.

云南省社會發(fā)展科技計(jì)劃項(xiàng)目（2010CA027）

何忠?。?962年生），男，教授，博士，主要從事藥用植物栽培、同位素生態(tài)、土壤地理方面的研究。E-mail:hezhongjun@hotmail.com

2014-12-09