秦艽藥材及其生長土壤中無機(jī)元素含量特征及相關(guān)性分析

宋九華， 陳興福， 唐　瓊， 劉素君， 成　英， 楊孝容

( 1. 樂山師范學(xué)院 化學(xué)學(xué)院， 四川 樂山 614004; 2. 四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院， 四川 溫江 611130 )

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秦艽藥材及其生長土壤中無機(jī)元素含量特征及相關(guān)性分析

宋九華1， 陳興福2*， 唐瓊1， 劉素君1， 成英1， 楊孝容1

( 1. 樂山師范學(xué)院 化學(xué)學(xué)院， 四川 樂山 614004; 2. 四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院， 四川 溫江 611130 )

該研究采用原子吸收分光光度法和火焰光度法，測定云南20個種植地的秦艽及其生長土壤中無機(jī)元素的含量，探討藥材中無機(jī)元素分布特征，并對藥材中無機(jī)元素含量與土壤中無機(jī)元素含量的相關(guān)性進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：云南秦艽藥材無機(jī)元素的含量呈現(xiàn)K>Ca>Mg>Fe>Mn>Zn>Cu有規(guī)律的分布態(tài)勢；通過相關(guān)性分析、主成分分析和逐步回歸分析發(fā)現(xiàn)秦艽的特征元素為K、Cu、Ca和Zn；藥材中鉀含量與土壤中鋅，鈣與土壤中錳和銅，錳與土壤中鈣和鎂，銅與土壤中鉀和鋅元素含量間均分別顯著負(fù)相關(guān)；而藥材中鎂含量與土壤中鈣和鎂，鐵、銅與土壤中鐵元素含量間均呈顯著正相關(guān)。對秦艽各無機(jī)元素含量影響最大的因子是秦艽生長土壤有效鈣，有效鐵和有效鋅其次，最后為有效錳。該研究結(jié)果為秦艽道地性成因及適宜栽培區(qū)域的選擇提供了參考，為秦艽資源合理利用和GAP研究以及從無機(jī)元素的角度品評藥材品質(zhì)提供了理論依據(jù)。

秦艽, 無機(jī)元素, 土壤, 關(guān)聯(lián)分析

秦艽為龍膽科多年生草本植物秦艽(Gentianamacrophylla)、粗莖秦艽(G.crassicaulis)、麻花秦艽(G.straminea)或小秦艽(G.dahurica)的根(國家藥典委員會，2010)。其中粗莖秦艽主要分布在云南、西藏和四川等地。據(jù)筆者實地考察，云南麗江玉龍縣已有大規(guī)模種植的粗莖秦艽藥材，主要分布在魯?shù)?、杵峰村、安樂等村?zhèn)。

中藥療效不僅與有機(jī)成分有關(guān)，還與無機(jī)元素的種類和含量密切相關(guān)(貢濟(jì)宇等，2002)，中藥微量元素對人體所缺乏的各種微量元素起到重要的調(diào)節(jié)、補充作用。同時，無機(jī)元素也體現(xiàn)藥用植物本身的生理特點，對藥材的生長和次生代謝產(chǎn)物的形成等機(jī)制產(chǎn)生重要影響(劉大會等，2010; 簡在友等，2009)。藥材元素含量高低的影響因素主要有遺傳因素和外部環(huán)境，同種中藥材由于種植環(huán)境不同，其元素含量差異較大(張樹平等，2010)。近年來，關(guān)于秦艽有機(jī)成分及藥理作用的報道較多，但有關(guān)秦艽中無機(jī)元素分布規(guī)律報道較少(吳靳榮等，2010)，有關(guān)秦艽藥材中無機(jī)元素與其生長土壤中無機(jī)元素相關(guān)性研究還未見深入報道。本研究對云南20個不同產(chǎn)區(qū)秦艽藥材及其生長土壤中鉀、鈣、鎂、鐵、錳、鋅、銅7種無機(jī)元素含量進(jìn)行了測定，研究其元素分布規(guī)律及藥材與土壤中元素含量的關(guān)系，探討藥材對元素的吸收規(guī)律，為藥材部分藥理作用機(jī)制及藥材的種植提供科學(xué)依據(jù)，為豐富和發(fā)展秦艽藥材多指標(biāo)評價體系及品質(zhì)形成的成因提供參考。

1　材料與方法

1.1 儀器試劑

Z-2000型原子吸收分光光度計(日本日立公司)；AL104電子天平(梅特勒-托利多儀器上海有限公司)；UPT-I-20T超純水器(成都超純水科技有限公司)；K、Ca、Mg、Fe、Mn、Zn、Cu元素的標(biāo)準(zhǔn)溶液(光譜純，核工業(yè)北京化工冶金研究院)，其它試劑均為優(yōu)級純。

1.2 樣品采集

秦艽藥材及其土壤于2012年11月采自云南玉龍縣多個村鎮(zhèn)。采樣時每塊地采用5點取樣法，采集兩年生秦艽根莖，洗凈、烘干、過篩備用。同時，以采集秦艽樣品的地塊中心作為采樣點，每個采樣點采集土壤剖面0～30 cm深度的耕作層土壤1 kg左右，裝入布袋中帶回實驗室，干燥后磨細(xì)、過篩備用。秦艽和土壤樣品各20份，藥材由四川農(nóng)業(yè)大學(xué)陳興福教授鑒定為粗莖秦艽(G.crassicaulis)。

1.3 樣品制備

1.3.1 秦艽樣品樣品粉碎(過60目篩)，60 ℃烘至恒重，準(zhǔn)確稱取1.0 g，置四氟乙烯燒杯中，加硝酸-高氯酸 (4∶1) 混合溶液25.00 mL，混勻，瓶口蓋上表面皿，浸泡過夜(置于通風(fēng)櫥浸泡過夜)，加熱消解。放冷，用1%硝酸溶液洗滌，洗液合并于容量瓶中，稀釋至刻度，搖勻，即得。同法同時制備試劑空白溶液。K元素用火焰原子吸收光度法測定，Ca、Mg、Fe、Mn、Zn和Cu用原子吸收分光光度法測定。

1.3.2 土壤樣品用原子吸收分光光度法測定有效Fe、有效Mn、有效Zn 和有效 Cu 的含量(張重義等，2003)；用中性醋酸銨溶液浸提-原子吸收分光光度法測定交換性Ca和Mg的含量(鮑士旦，2000)。土壤速效鉀用火焰原子吸收分光光度法測定。

1.3.3 無機(jī)元素標(biāo)準(zhǔn)溶液的制備用移液管分別精確移取不同體積的元素標(biāo)準(zhǔn)儲備液，稀釋定容至50 mL，配置成不同濃度梯度的標(biāo)準(zhǔn)溶液。分別測定其響應(yīng)值，繪制各元素的標(biāo)準(zhǔn)曲線。

2　結(jié)果與分析

2.1 秦艽藥材中無機(jī)元素含量特征

2.1.1秦艽中無機(jī)元素指紋圖譜的建立不同產(chǎn)區(qū)秦艽根莖中7種無機(jī)元素的含量結(jié)果見表1。

表 1　秦艽中無機(jī)元素含量

由表1可見，不同生長土壤下的秦艽根莖中7種無機(jī)元素的含量差別都較大，其中K含量均較高 (平均含量7 851.54 mg·kg-1、Ca (平均含量2 142.82 mg·kg-1、Mg (平均含量1 074.96 mg·kg-1、Fe (平均含量225.44 mg·kg-1、Mn (平均含量29.45 mg·kg-1、Zn(平均含量26.14 mg·kg-1、Cu (平均含量2.75 mg·kg-1。從結(jié)果還可以看出，不同樣品之間同一元素的差異也很大，差異最大的錳元素，最大值與最小值相差6倍以上，其次為鐵和銅，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差均在40%左右，差異最小的為鉀，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差在10%以下。說明在大氣候及種質(zhì)資源相同的情況下，秦艽中無機(jī)元素含量也存在明顯差異，所以土壤因子是其主要影響因素。

圖 1　玉龍秦艽樣品中無機(jī)元素含量分布曲線Fig. 1　Inorganic elements chromatogram of G. crassicaulis

根據(jù)元素的定量測量結(jié)果，為了繪圖方便，把大量元素K、Ca、Mg均縮小100倍，20批秦艽樣品的無機(jī)元素分布圖譜繪制在一起，結(jié)果見圖1。由圖1可見，20批秦艽樣品中，7種無機(jī)元素基本具有相似的峰形，說明其元素分布呈現(xiàn)非常相似的有規(guī)律的分布態(tài)勢，只是由于產(chǎn)區(qū)不同，個別樣品的含量有所差異。在近似的峰形中均體現(xiàn)出K>Ca>Mg>Fe>Zn>Mn>Cu的趨勢，這與吳靳榮等(2010)所測的玉龍納西族自治縣采集的粗莖秦艽栽培品原植物標(biāo)本中元素含量變化趨勢相同。

2.1.2 秦艽無機(jī)元素主成分分析本研究采用SPSS19.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，其主成分分析結(jié)果見表2和表3。

表 2　秦艽中無機(jī)元素的主成分分析

首先對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，以降低原始數(shù)據(jù)間數(shù)量級的差異。以7個無機(jī)元素為變量，20個產(chǎn)區(qū)藥材樣品為樣本，運用主成分分析對數(shù)據(jù)進(jìn)行降維，分析結(jié)果見表2，共提取出3個主成分，占方差貢獻(xiàn)的66.188%，即3個主成分可以代表原7個元素65% 以上的信息。由因子載荷矩陣可知，第一主成分與Cu和K元素高度正相關(guān)；第二主成分與Ca，Zn高度正相關(guān)。方差47.53%的貢獻(xiàn)來源于前兩個主成分，因此秦艽的特征元素為K、Cu、Ca、Zn。

以各主成分因子得分與方差貢獻(xiàn)率乘積之和相加，得出各個秦艽樣品的無機(jī)元素總因子得分值F，其綜合評價函數(shù)為F= 0.254 75Fl+ 0.220 53F2+0.186 59F3。按綜合評價函數(shù)計算出各秦艽的綜合得分及排名見表3。來自魯?shù)榇宓?8號樣品，杵峰村的9號樣品和來自安樂村的11號樣品綜合排名分別位于1、2、3名，表明從無機(jī)元素考慮這三個種植地秦艽品質(zhì)較好。

表 3　秦艽綜合主成分值及排名

表 4　秦艽中各無機(jī)元素間的相關(guān)性分析

注： *表示在 0.05 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

Note: * means significant correlation atP=0.05.

2.1.3 秦艽中無機(jī)元素間相關(guān)性分析根據(jù)藥材中7種無機(jī)元素的含量測定結(jié)果，探索元素間的關(guān)系，對藥材中無機(jī)元素進(jìn)行相關(guān)分析，結(jié)果見表4。表4結(jié)果表明K 和 Cu 在P<0.05 水平顯著正相關(guān)表明秦艽對這兩種元素的吸收具有一定的協(xié)同作用，其他元素相關(guān)性不顯著。

2.2 藥材與土壤間無機(jī)元素相關(guān)性分析

2.2.1 土壤中無機(jī)元素含量由表5可見，秦艽生長土壤無機(jī)元素均有顯著差異，變異系數(shù)均大于40%。土壤中各元素含量高低順序為Ca>K>Mg>Mn>Fe>Zn>Cu。土壤中無機(jī)元素含量大小的順序與藥材中不完全一致，但Mg、Zn和Cu在藥材和土壤中的位置和順序完全一致，只是K與Ca ，Mn與Fe交換了順序。說明秦艽無機(jī)元素的吸收既受土壤背景的影響，也受秦艽自身對不同無機(jī)元素的吸收特性的影響。

表 5　土壤中無機(jī)元素含量分析

2.2.2 相關(guān)性分析從表6可見，藥材中K元素含量與土壤中有效鋅極顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)-0.57；鈣含量與土壤中有效錳和有效銅顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.53和-0.52；鎂含量與土壤中交換性鈣和交換性鎂均極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.64和0.62；鐵含量與土壤中有效鐵含量極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.62；錳含量與土壤中交換性鈣和交換性鎂極顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.66和-0.59；銅含量分別與土壤中速效鉀和有效鋅顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.45和-0.46，與土壤中有效鐵顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.46。

表 6　秦艽藥材與土壤間無機(jī)元素相關(guān)性分析

注： * 在0.05水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)； ** 在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

Note: * means significant correlation atP=0.05; ** means significant correlation atP=0.01.

表 7　逐步回歸分析結(jié)果

2.2.3 逐步回歸分析分別以秦艽各元素K、Ca、Mg、Fe、Mn、Zn、Cu元素含量作因變量 (Y)，以土壤主要無機(jī)元素速效K(X1)，交換性Ca(X2)、交換性Mg(X3)、有效Fe(X4)、有效Mn (X5)、有效Zn(X6)、有效Cu(X7)作自變量，應(yīng)用多變量逐步回歸剔除對秦艽各無機(jī)元素含量影響較小的因子，建立秦艽各元素含量與主導(dǎo)因子的回歸方程(見表7)。

由表7可見，對秦艽各無機(jī)元素含量影響最大的是秦艽生長土壤交換性鈣，其次為有效鐵和有效鋅，最后為有效錳。秦艽藥材中K元素主要受到土壤有效鋅的抑制作用，決定系數(shù)R2(R2反映了秦艽無機(jī)元素量中能夠通過回歸方程被土壤元素因子解釋的比例)為0.319，其相關(guān)系數(shù)達(dá)-212.496；影響秦艽中鈣元素含量的主要因子為土壤中有效錳含量，相關(guān)系數(shù)為-8.940，決定系數(shù)為0.276；秦艽中鎂元素主要受到土壤中有效鈣的正向促進(jìn)作用，其相關(guān)系數(shù)為0.127，決定系數(shù)為0.415；影響秦艽中鐵元素含量的主要因子為土壤中有效鐵含量，其相關(guān)系數(shù)為1.762，決定系數(shù)為0.379；土壤中有效鈣對秦艽中錳元素含量起負(fù)向抑制作用，其相關(guān)系數(shù)為-0.019，決定系數(shù)達(dá)0.430；秦艽銅含量受到土壤中有效鐵的正向促進(jìn)作用，但卻受到土壤中有效鋅的負(fù)向抑制作用，相關(guān)系數(shù)分別為 0.017和-0.315，決定系數(shù)分別為0.166和0.170；對秦艽中鋅元素的影響因子進(jìn)行逐步回歸分析發(fā)現(xiàn)，各土壤元素對其影響均未達(dá)到顯著水平，被剔除。

3　討論

無機(jī)元素作為中藥有效成分之一，也是評價藥材道地性的特征指標(biāo)之一。本研究發(fā)現(xiàn)來自云南20個不同產(chǎn)區(qū)的秦艽均富含K、Ca、Mg和Fe等元素，其中K元素的含量最高，其次是Ca、Mg、Fe、Mn、Zn和Cu。而且20批藥材樣品中元素分布呈現(xiàn)出相同的分布態(tài)勢，這一共性是玉龍秦艽無機(jī)元素指紋與其它來源秦艽無機(jī)元素指紋的區(qū)別(牛曉雪等，2011; 趙曉輝等，2010; 周玉珊等，2008)。通過主成分分析篩選出K、Cu、 Ca、Zn為云南秦艽的特征無機(jī)元素，這為秦艽藥理作用與無機(jī)元素的關(guān)系研究提供理論依據(jù)。結(jié)合上述兩種方法，可以從無機(jī)元素這一角度進(jìn)行云南秦艽藥材的品質(zhì)評價。

植物體內(nèi)的各無機(jī)元素含量一定程度上受到土壤中的無機(jī)元素含量的影響(汪麗婭等，2005)。通過對秦艽藥材中無機(jī)元素與其生長土壤無機(jī)元素相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，藥材中K、 Ca、Mg、Fe、Mn和Cu均受到土壤中無機(jī)元素的顯著影響，進(jìn)一步通過逐步回歸分析發(fā)現(xiàn)影響藥材中無機(jī)元素的主要因子為土壤中交換性鈣，其次為有效鐵和有效鋅，最后為有效錳。秦艽中某些無機(jī)元素與其生長土壤中元素存在一定的相關(guān)性，加之秦艽中無機(jī)元素含量呈規(guī)律分布的特征，說明秦艽對各元素的吸收存在一定的比例關(guān)系，具有協(xié)同作用、選擇性吸收和離子拮抗等特點(谷巍等，2012)。通過對云南20個產(chǎn)區(qū)秦艽藥材與其生長土壤中無機(jī)元素相關(guān)性的研究，以期為秦艽道地性成因及適宜栽培區(qū)域的選擇和秦艽GAP規(guī)范化種植提供參考。

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Distribution characteristics and correlation analysis of inorganic elements inGentianacrassicaulisand in growing soil

SONG Jiu-Hua1, CHEN Xing-Fu2*, TANG Qiong1, LIU Su-Jun1,CHENG Ying1, YANG Xiao-Rong1

( 1.CollegeofChemistry,LeshanNormalCollege, Leshan 614004, China; 2.CollegeofAgronomy,SichuanAgricultureUniversity, Wenjiang 611130, China )

This paper aimed to analyse the inorganic elements (K, Ca, Mg, Fe, Mn, Zn and Cu) inGentianacrassicaulisand in the growing soil in 20 regions of Yunnan Province. The relationship between inorganic elements inG.crassicaulisand that in the growing soil was evaluated. The contents of inorganic elements inG.crassicaulisand in soil were detected by atomic absorption spectrophotometry and flame photometry. The results showed that inorganic elements content inG.crassicaulispresented K>Ca>Mg>Fe>Zn>Mn>Cu regular distribution. The correlation analysis and principal component analysis showed that inorganic elements K, Cu, Ca and Zn were the characteristic elements ofG.crassicaulis. K inG.crassicaulishad very significantly negative correlation with available Zn in soil; Ca inG.crassicaulishad significantly positive correlation with available Mn in soil; Ca inG.crassicaulishad significantly positive correlation with available Cu in soil; Mg inG.crassicaulishad very significantly positive correlation with exchangeable Ca in soil; Mg inG.crassicaulisalso had very significantly positive correlation with exchangeable Mg in soil; Fe inG.crassicaulishad very significant positive correlation with available Fe in soil; Mn inG.crassicaulishad very significant negative correlation with exchangeable Ca in soil; Mn inG.crassicaulishad very significant negative correlation with exchangeable Mg in soil; Cu inG.crassicaulishad significant negative correlation with available K in soil; Cu inG.crassicaulishad significant negative correlation with available Zn in soil; Cu inG.crassicaulishad significant positive correlation with available Fe. The biggest factor affecting inorganic element inG.crassicauliswas available Ca in soil, followed was available Fe and available Cu, and finally was available Mn in soil. This research onG.crassicaulismedicinal herbs and its growth soil inorganic element correlation in 20 regions of Yunnan Province, provided reference for the choice of suitable cultivation area, forG.crassicaulismedicinal materials quality evaluation, from the viewpoint of the inorganic elements andG.crassicaulisresources reasonable use. This result will provide a reference to evaluate the quality ofG.crassicaulisfrom inorganic elements and for reasonable utilization ofG.crassicaulisresources and its GAP research.

Gentianacrassicaulis, inorganic elements, soils, correlation analysis

10.11931/guihaia.gxzw201504030

2015-06-04

2015-12-08

四川省教育廳資助項目(15ZA0283)； 樂山師范學(xué)院人材啟動項目(Z1516) [Supported by education office of Sichuan province (15ZA0283)； Leshan Normal College Talent to Start the Project (Z1516)]。

宋九華(1974-)，女，博士，四川仁壽人，高級實驗師，研究方向為藥用植物資源評價及次生代謝產(chǎn)物，(E-mail)songjh12@163.com。

陳興福，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為川產(chǎn)道地及特色藥材生理生態(tài)與栽培，(E-mail)chenxf64@sohu.com。

Q945

A

1000-3142(2016)09-1101-06

宋九華， 陳興福， 唐瓊， 等. 秦艽藥材及其生長土壤中無機(jī)元素含量特征及相關(guān)性分析 [J]. 廣西植物， 2016， 36(9):1101-1106

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