當(dāng)歸根際土壤礦質(zhì)元素含量及指紋圖譜研究

鄧淑芳 劉潔麗 孫宇靖 王亞麗

摘要：目的? 研究當(dāng)歸根際土壤中礦質(zhì)元素含量和指紋圖譜。方法? 采用電感耦合等離子質(zhì)譜和原子吸收光譜法測定15個產(chǎn)區(qū)的151批當(dāng)歸根際土壤樣品中15種礦質(zhì)元素含量，采用方差分析比較不同產(chǎn)區(qū)樣品中礦質(zhì)元素差異，采用向量相似法建立當(dāng)歸根際土壤礦質(zhì)元素的指紋圖譜并進行相似度評價。結(jié)果? 不同產(chǎn)區(qū)當(dāng)歸根際土壤中15種礦質(zhì)元素含量存在顯著差異（P<0.05，P<0.01），以鉻、鎳、鈣、鎂為最;在所有產(chǎn)區(qū)樣品中，甘肅漳縣、康樂、臨潭樣品與其他產(chǎn)區(qū)樣品的差異最大;甘肅岷縣和渭源樣品中的重金屬和有害元素含量較其他產(chǎn)區(qū)低。根據(jù)指紋圖譜和相似度，將15個產(chǎn)區(qū)分為三類，甘肅岷縣、渭源、漳縣、臨洮、宕昌、武都、文縣為一類，甘肅臨潭、卓尼、康樂、和政為一類，云南沾益、德欽、玉龍、鶴慶為一類，三類產(chǎn)區(qū)在地理位置上分布較為相似。結(jié)論? 當(dāng)歸根際土壤礦質(zhì)元素含量及其指紋圖譜可為揭示當(dāng)歸的道地性與土壤無機元素因子之間的相關(guān)性提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：當(dāng)歸;根際土壤;礦質(zhì)元素;指紋圖譜

中圖分類號：R284.1??? 文獻標(biāo)識碼：A??? 文章編號：1005-5304（2019）10-0076-05

DOI：10.3969/j.issn.1005-5304.2019.10.017????? 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Abstract： Objective To investigate contents of mineral elements and fingerprints of rhizosphere soil of Angelicae Sinensis Radix. Methods The contents of 15 mineral elements in 151 batches of rhizosphere soil samples from 15 producing areas were determined by ICP-MS and AAS. The statistical differences of the mineral elements in rhizosphere soil from different producing areas were identified by ANOVA. The fingerprint of mineral elements in rhizosphere soil was established by vector similarity analysis and the similarity was evaluated. Results There were significant differences （P<0.05， P<0.01） in the contents of 15 mineral elements of samples from different producing areas， especially in Cr， Ni， Ca and Mg. Among all the producing areas， samples from Zhangxian， Kangle， and Lintan showed obviously differences from samples from other producing areas; The contents of heavy metal and harmful elements in Minxian and Weiyuan soils were lower than those in other producing areas. According to the fingerprint and similarity， the 15 producing areas were divided into three groups： Minxian， Weiyuan， Zhangxian， Lintao， Tanchang， Wudu and Wenxian were the first group; Lintan， Zhuoni， Kangle and Hezhen were the second group; Zhanyi， Deqin， Yulong and Heqing were the third group. The distribution of the three groups of producing areas was similar in geographical location. Conclusion The contents of mineral elements in the rhizosphere soil from Angelicae Sinensis Radix and their fingerprints can provide a basis for revealing the correlation between the genuineness of Angelicae Sinensis Radix and the inorganic elements in the rhizosphere soil.

Keywords： Angelicae Sinensis Radix; rhizosphere soil; mineral elements; fingerprints

當(dāng)歸是傘形科植物當(dāng)歸Angelica sinensis（Oliv.）Diels的干燥根，具有潤腸通便、活血調(diào)經(jīng)等功效[1]，主產(chǎn)于甘肅岷縣、渭源、宕昌及文縣等地。藥用植物品質(zhì)的形成與產(chǎn)地土壤因子息息相關(guān)[2]，土壤中的無機元素及有機質(zhì)是構(gòu)成藥材道地性特征的主要土壤環(huán)境因子[3]。研究表明，土壤礦質(zhì)元素與當(dāng)歸相關(guān)質(zhì)量指標(biāo)及礦質(zhì)元素之間存在相關(guān)性[4-5]。另外，土壤重金屬含量和分布也會影響藥材中重金屬的含量及分布。目前，對當(dāng)歸根際土壤中的礦質(zhì)元素已有一些研究[6-8]，但其含量指紋圖譜尚未見報道。本研究采用電感耦合等離子質(zhì)譜法（ICP-MS）和原子吸收光譜法（AAS）測定不同產(chǎn)區(qū)當(dāng)歸根際土壤中15種礦質(zhì)元素的含量并建立其指紋圖譜，以期為當(dāng)歸道地性與土壤礦質(zhì)元素的相關(guān)性研究提供依據(jù)。

1? 儀器與試藥

NexION 300X型電感耦合離子體質(zhì)譜儀，美國PerkinElmer公司; Solaar S-2型原子吸收光譜儀，美國Thermo Fisher公司;MK-Ⅲ型微波消解系統(tǒng)，上海新科公司。

鉛（Pb）、鎘（Cd）、汞（Hg）、銅（Cu）、砷（As）、錳（Mn）、鎂（Mg）、鉻（Cr）、銻（Sb）、鎳（Ni）、鋅（Zn）、鐵（Fe）、鈣（Ca）、鈉（Na）、鉀（K）共15種元素的標(biāo)準(zhǔn)貯備液，國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中心，批號6031;HNO3和H2O2均為優(yōu)級純，水為超純水。151批當(dāng)歸根際土壤樣品信息見表1。

2? 方法與結(jié)果

2.1? 樣品收集

以甘肅、云南兩省的縣級主產(chǎn)區(qū)為采集點，采用抖土法收集采收期當(dāng)歸根際土壤樣品[9]，共15個地區(qū)151批樣品。將樣品自然風(fēng)干，搗碎，挑出砂礫及植物殘體，過100目篩[10]，冷凍保存。

2.2? 供試品溶液制備

精密稱取0.2～0.5 g預(yù)先在紅外燈下干燥至恒重的當(dāng)歸根際土壤樣品于微波消解系統(tǒng)中，加入HNO3-H2O2（5∶1，V/V）混合液6 mL，振搖，靜置過夜，消解儀加熱溶液，直至無色透明，冷卻后，轉(zhuǎn)移至25 mL容量瓶內(nèi)，超純水稀釋至刻度，即得供試品溶液[11]。同法制備空白溶液。

2.3? 標(biāo)準(zhǔn)溶液制備

精密吸取一定體積的15種元素的標(biāo)準(zhǔn)貯備液，用超純水稀釋為5個標(biāo)準(zhǔn)濃度，備用。

2.4? 儀器測定條件

ICP-MS測定Pb、Cd、As、Hg、Cu、Cr、Sb、Ni，優(yōu)化的測定條件為：射頻功率1100 W，霧化氣流量0.9 L/min，等離子體流量11 L/min，助燃氣流量1 L/min，雙通道霧室，霧化室溫度2 ℃，采樣錐孔徑1.1 mm，截取錐孔徑0.7 mm，采樣深度6.6 mm，脈沖電壓950 V，分析室真空度6.7×10-4 Pa，鑒別閥15，單道桿的補償標(biāo)準(zhǔn)-1.5，四級桿的補償標(biāo)準(zhǔn)0。

AAS測定Zn、Fe、Mn、Mg、Ca、Na、K元素，優(yōu)化的測定條件分別為：燈電流6、8、4、4、5、6、5 mA，波長213.9、248.8、279.5、285.2、422.7、589.0、766.5 nm，通帶0.2、0.2、0.2、0.5、0.5、0.2、0.5 nm，空氣-乙炔火焰類型，乙炔氣流量1.2、0.9、1.0、1.1、1.4、1.1、1.2 L/min，氧氣流量6.5 L/min。

2.5? 線性關(guān)系考察

用ICP-MS測得Pb、Cd、As、Hg、Cu、Cr、Sb和Ni的標(biāo)準(zhǔn)曲線，相關(guān)系數(shù)>0.999 4，表明線性關(guān)系良好，見表2。用AAS測得Zn、Fe、Mn、Mg、Ca、Na和K的標(biāo)準(zhǔn)曲線，相關(guān)系數(shù)>0.998 9，表明線性關(guān)系良好，見表3。

2.6? 樣品含量測定結(jié)果與分析

將151批當(dāng)歸根際土壤樣品按“2.2”項下方法制備供試品溶液，按“2.4”項下儀器測定條件進行測定，每個樣品平行測定3次，取平均值，以外標(biāo)法計算各元素含量。采用ANOVA對結(jié)果進行比較。Pb、Cd、Hg、Cu、Ni、Ca、Zn、Mn、Na和Fe未通過方差齊性檢查，采用Tamhanes T2法進行分析;As、Cr、Sb、K和Mg采用LSD法進行分析。

不同產(chǎn)區(qū)樣品Cr、Ni、Ca和Mg含量存在顯著差異（P<0.05，P<0.01）;Pb含量在MX、WY、ZX和ZN 4個產(chǎn)區(qū)存在差異;Cd含量在MX、WY、KL、HZ、ZN和云南（YN，含ZY、DQ、YL、HQ）產(chǎn)區(qū)存在差異;Hg含量在MX、WY、ZX、LT和TC產(chǎn)區(qū)存在差異;Sb含量在WY、ZX和TC產(chǎn)區(qū)存在差異;K含量在MX、ZX、TC、WX和WD產(chǎn)區(qū)存在差異;Zn含量在MX、WY和ZX產(chǎn)區(qū)存在差異;Mn含量在WY與ZX產(chǎn)區(qū)存在差異;Fe元素在MX、WY和KL產(chǎn)區(qū)存在差異。Fe、K和Ca在所有產(chǎn)區(qū)中含量最高，MX和WY產(chǎn)區(qū)的重金屬及有害元素含量較其他產(chǎn)區(qū)低。結(jié)果見表4。

2.7? 指紋圖譜相似度分析

采用向量相似法建立當(dāng)歸根際土壤礦質(zhì)元素的指紋圖譜。計算程序為：設(shè)行（ ）為N維向量，記為X=（ ）。定義|X|=√（x_1^2+x_2^2+x_3^2+…+x_n^2 ）? 為向量X的模，|X·Y|為向量X和Y的內(nèi)積，向量X和Y的夾角cosθ=X·Y/|X|·|Y|，cosθ越靠近1，說明X向量和Y向量越相似。

以當(dāng)歸根際土壤15種礦質(zhì)元素含量為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，繪制當(dāng)歸根際土壤礦質(zhì)元素指紋圖譜[12-13]，見圖1。

可見，15個產(chǎn)區(qū)當(dāng)歸根際土壤中15種礦質(zhì)元素的指紋圖譜相似性較強，難以看出其差異。以151批當(dāng)歸根際土壤樣品中15種礦質(zhì)元素含量平均值及甘肅岷縣66批當(dāng)歸根際土壤樣品中15種礦質(zhì)元素含量平均值作為當(dāng)歸根際土壤礦質(zhì)元素的標(biāo)準(zhǔn)含量，以此建立2個標(biāo)準(zhǔn)含量向量。根據(jù)向量相似法，以每批樣品分別與2個標(biāo)準(zhǔn)含量向量的相似度作為當(dāng)歸根際土壤樣品的相似度（S1、S2），為方便比較，對151批當(dāng)歸土壤樣品的相似度按產(chǎn)地取平均值，結(jié)果見表5。

以S1為標(biāo)準(zhǔn)向量，MX、WY、ZX、TC、WD、WX產(chǎn)區(qū)的元素指紋圖譜較為相似，LTX、KL、HZ、ZN產(chǎn)區(qū)的指紋圖譜較為相似，ZY、DQ、YL、HQ產(chǎn)區(qū)的指紋圖譜較為相似;以S2為標(biāo)準(zhǔn)向量，MX、WY、ZX、LT、TC、WD、WX產(chǎn)區(qū)的元素指紋圖譜較為相似，LTX、KL、HZ、ZN產(chǎn)區(qū)的指紋圖譜較為相似，ZY、DQ、YL、HQ產(chǎn)區(qū)的指紋圖譜較為相似。綜合S1和S2的分類結(jié)果，將15個產(chǎn)區(qū)分為三類：MX、WY、ZX、TC、WD、WX為一類，LTX、KL、HZ、ZN為一類，ZY、DQ、YL、HQ為一類。

3? 討論

土壤是藥用植物獲取營養(yǎng)物質(zhì)的主要介質(zhì)，藥用植物60%～70%的養(yǎng)分來源于土壤。GAP規(guī)定，藥材種植產(chǎn)區(qū)的土壤質(zhì)量必須達到GB15618-1995土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的二級標(biāo)準(zhǔn)，即Cd≤0.30 mg/kg，Hg≤0.50 mg/kg，As（旱地）≤30 mg/kg，Cu（農(nóng)田）≤100 mg/kg，Pb≤300 mg/kg，Cr（旱地）≤200 mg/kg，Zn≤250 mg/kg，Ni≤50 mg/kg。根據(jù)不同產(chǎn)區(qū)當(dāng)歸根際土壤礦質(zhì)元素含量平均值可知，除甘肅臨潭縣土壤Zn含量超標(biāo)外，其余元素含量均達到國家標(biāo)準(zhǔn)。

本試驗通過比較不同產(chǎn)區(qū)當(dāng)歸根際土壤中15種礦質(zhì)元素含量發(fā)現(xiàn)，所有產(chǎn)區(qū)土壤中的Fe、Ca和K含量最高，Mn、Zn、Mg和Na含量次之，Pb、Cd、As、Hg、Cu、Cr、Sb和Ni含量最低，其中Cr、Ni、Ca和Mg含量在不同產(chǎn)區(qū)的差異較為顯著。在所有產(chǎn)區(qū)中，以甘肅岷縣、康樂、臨潭與其他產(chǎn)區(qū)差異最大，重金屬及有害元素含量較高。對甘肅11個產(chǎn)區(qū)和云南4個產(chǎn)區(qū)進行整體比較。①有害元素。Pb：甘肅（8.18 mg/kg）<云南（13.37 mg/kg），Cd：甘肅（0.10 mg/kg）<云南（0.17 mg/kg），As：甘肅（9.06 mg/kg）<云南（9.73 mg/kg），Hg：甘肅（0.03 mg/kg）<云南（0.04 mg/kg），Cu：甘肅（15.85 mg/kg）<云南（35.24 mg/kg），Cr：甘肅（51.86 mg/kg）<云南（67.84 mg/kg），Sb：甘肅（1.01 mg/kg）>云南（0.64 mg/kg），Ni：甘肅（19.63 mg/kg）<云南（22.02 mg/kg），Zn：甘肅（162.80 mg/kg）<云南（177.20 mg/kg）;②有益元素。K：甘肅（1059.61 mg/kg）>云南（904.82 mg/kg），Ca：甘肅（2385.69 mg/kg）>云南（128.82 mg/kg），Mg：甘肅（427.95 mg/kg）>云南（340.59 mg/kg），Mn：甘肅（474.36 mg/kg）<云南（539.24 mg/kg），Na：甘肅（224.36 mg/kg）>云南（204.47 mg/kg），F(xiàn)e：甘肅（29 178.88 mg/kg）<云南（29 559.76 mg/kg）。由此可見，有害元素除Sb外，甘肅產(chǎn)區(qū)含量均比云南產(chǎn)區(qū)低，有益元素除Mn和Fe外，甘肅產(chǎn)區(qū)含量均比云南產(chǎn)區(qū)高，這與嚴(yán)輝等[4]研究結(jié)果一致。另外，土壤中Cu、K、Pb含量與當(dāng)歸藥材中Cu、K、Pb含量呈顯著正相關(guān)[14]，這也可能是甘肅被認(rèn)為當(dāng)歸道地產(chǎn)區(qū)的因素之一，因而可大致認(rèn)為甘肅產(chǎn)區(qū)整體上優(yōu)于云南產(chǎn)區(qū)。Sb被列為對人體有害的重金屬之一，GB15618-1995土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和2015年版《中華人民共和國藥典》均未對其做出限量規(guī)定，且當(dāng)歸藥材中Sb與土壤中Sb之間有極顯著相關(guān)性[8]，所以在選擇當(dāng)歸種植基地時應(yīng)注意土壤中Sb含量。

土壤中礦質(zhì)元素含量不僅與藥材指標(biāo)性成分之間存在相關(guān)性[5]，也與藥材中礦質(zhì)元素含量存在相關(guān)性[4]。土壤中的礦質(zhì)元素是藥材道地性的因素之一[15]，其含量與指紋圖譜可以作為藥材道地性研究的重要內(nèi)容。本研究建立了不同產(chǎn)區(qū)當(dāng)歸根際土壤中礦質(zhì)元素的指紋圖譜，根據(jù)S1和S2向量相似度的綜合比較結(jié)果，將15個當(dāng)歸產(chǎn)區(qū)分為三類：甘肅岷縣、渭源、漳縣、臨洮、宕昌、武都及文縣為一類，甘肅臨潭、康樂、和政及卓尼為一類，云南沾益、德欽、玉龍、鶴慶為一類。三類產(chǎn)區(qū)在經(jīng)度、緯度、海拔和土壤質(zhì)地等地理位置分布上較為相似，且岷縣、渭源、漳縣、宕昌和文縣被認(rèn)為是當(dāng)歸的道地產(chǎn)區(qū)，研究結(jié)果可為揭示藥材道地性與土壤礦質(zhì)元素的相關(guān)性提供依據(jù)。

另外，礦質(zhì)元素的類別和含量也與藥材的功效和藥理作用密切相關(guān)[16-17]，研究根際土壤中礦質(zhì)元素的含量及指紋圖譜，可為藥材中無機元素與藥理作用的相關(guān)性奠定基礎(chǔ)。

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（收稿日期：2018-11-12）

（修回日期：2019-01-14;編輯：陳靜）