‘黔藿1號’葉片不同采收時(shí)間礦質(zhì)元素分析

雷榮，汪卓逸，汪永平，晏凱，劉紅昌※

（1.貴州大學(xué)農(nóng)學(xué)院，貴州貴陽550025；2.貴州省藥用植物繁育與種植重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州貴陽550025；3.北京市八一學(xué)校，北京100080；4.貴州貴基生物醫(yī)藥有限公司，貴州從江557400）

箭葉淫羊藿[Epimedium sagittatum（Sieb.et Zucc.）Maxim.]為小檗科（Berberidaceae）淫羊藿屬（Epimedium）植物[1]，早在漢代《神農(nóng)本草經(jīng)》中就有記載[2]，是淫羊藿屬分布較廣的種，在我國安徽、江西、湖南、浙江、福建、湖北、廣東、貴州、廣西、陜西、四川、河南及重慶市均有分布[3]。箭葉淫羊藿與淫羊藿（E.breviconu Maxim.）、柔毛淫羊藿（E.pubescens Maxim.）和朝鮮淫羊藿（E.Koreanum Nakai）共同作為中藥材淫羊藿的基源植物，其性溫，味辛、甘，歸肝、腎經(jīng)，具有補(bǔ)腎陽、強(qiáng)筋骨和祛風(fēng)濕的功效，常用于治療腎陽虛衰、陽痿遺精、筋骨痿軟、風(fēng)濕痹痛和麻木拘攣等病癥[4]。現(xiàn)代藥理研究表明，其具有抗炎、抗腫瘤、抗骨質(zhì)疏松、有益于神經(jīng)系統(tǒng)和保護(hù)心血管等多種功能[5]，受到國內(nèi)外學(xué)者的高度重視，成為現(xiàn)代醫(yī)學(xué)研究的熱點(diǎn)[6]。

礦質(zhì)元素是中藥歸經(jīng)和藥性物質(zhì)基礎(chǔ)的重要組成部分，其特點(diǎn)是數(shù)量小，功能作用大，在中藥中經(jīng)常是有機(jī)成分的中心原子，對中藥的藥效、結(jié)構(gòu)分析和生物分子的活性具有重要作用[7]；同時(shí)，還是植物體的組成成分，參與生命活動(dòng)的調(diào)節(jié)，在植物的生長發(fā)育過程中起著非常重要的作用，了解其吸收和利用規(guī)律，可用來指導(dǎo)合理施肥，提高作物產(chǎn)量和改善作物品質(zhì)。礦質(zhì)元素是影響淫羊藿藥材產(chǎn)量和品質(zhì)的重要因素之一，目前對于淫羊藿的研究尚不夠深入，主要集中在化學(xué)成分[8-10]和藥理研究[11-15]等方面，而關(guān)于其礦質(zhì)元素的研究主要側(cè)重在不同產(chǎn)地[6,16]、炮制前后[17,18]含量的比較，關(guān)于不同采收時(shí)間葉片中礦質(zhì)元素含量的變化特性未見報(bào)道。因此，本研究通過測定箭葉淫羊藿優(yōu)良品種‘黔藿1號’不同采收時(shí)間葉片中13種礦質(zhì)元素的含量變化，并對其進(jìn)行主成分分析，旨在為其合理施肥和藥材質(zhì)量評價(jià)提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于貴州省從江縣往洞鎮(zhèn)高傳村，為連續(xù)多年種植水稻的水稻田，屬亞熱帶季風(fēng)性氣候，平均海拔670 m，年均溫15.5℃，年均降雨量1 230 mm，年日照時(shí)數(shù)1 080～1 249 h，無霜期280 d以上，土壤質(zhì)地為沙壤土。

1.2 供試材料

供試材料為貴州貴基生物醫(yī)藥有限公司自選箭葉淫羊藿優(yōu)良品種‘黔藿1號’，藥材基源經(jīng)貴州大學(xué)植物鑒定中心鑒定為小檗科（Berberidaceae）淫羊藿屬（Epimedium）植物箭葉淫羊藿[Epimedium sagittatum（Sieb.etZucc.）Maxim.]。

1.3 主要試劑與儀器

鈣（Ca）、鎂（Mg）、鐵（Fe）、銅（Cu）、錳（Mn）、鋅（Zn）、鎘（Cd）、汞（Hg）、砷（As）和鉛（Pb）標(biāo)準(zhǔn)溶液購自國家有色金屬及電子材料分析測試中心，磷酸氫二鈉、酒石酸鉀鈉、氫氧化鈉、水楊酸鈉、次氯酸鈉、濃鹽酸和濃硝酸等均為分析純。

主要儀器：箱式電阻爐（SX-5-12型）、電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（ICP-MS RQ）、微波消解儀（奧普樂）、連續(xù)流動(dòng)分析儀（AA3型）、萬分之一天平（ML204型）等。

1.4 方法

1.4.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)2019年12月采用‘黔藿1號’的1年生根莖繁育苗進(jìn)行起廂栽培，廂寬1.0m，廂距40cm，廂高20 cm，種植株、行距為20 cm 30 cm，以小拱棚的形式搭建遮陰度為70%的遮陽網(wǎng)。2020年4月開始定株掛牌，并取葉片作供試材料，取樣面積為1m2，重復(fù)3次。

1.4.2 礦質(zhì)元素含量測定采用凱氏定氮法測定氮（N）元素含量，鉬銻抗比色法測定磷（P）元素含量，火焰光度法測定鉀（K）元素含量，ICP法測定Ca、Mg、Fe、Cu、Mn、Zn、Cd、Hg、As和Pb元素含量。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2010和DPS 9.01進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同采收時(shí)間葉片中大量元素含量變化

葉片中大量元素含量表現(xiàn)為N＞K＞Ca＞Mg＞P，質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為15.55～23.19 g/kg、6.43～16.87 g/kg、2.18～11.62 g/kg、1.35～2.80 g/kg和0.62～1.92 g/kg，平均值分別為18.40 g/kg、10.00 g/kg、8.01 g/kg、2.12 g/kg和1.18 g/kg，變異系數(shù)分別為11.24%、24.47%、29.42%、21.16%和30.16%。N、K含量在葉片生長初期（4月6日）最高，分別為23.19 g/kg和16.87 g/kg，此后N含量下降至15.55 g/kg、K含量下降至9.09 g/kg，這可能是由于植株開花結(jié)果消耗養(yǎng)分所導(dǎo)致；N、K含量分別在7～9月、5～9月呈現(xiàn)波動(dòng)趨勢，這與此階段雨熱不同期有關(guān)；之后N、K含量開始增加，至11月23日分別達(dá)到21.44 g/kg、8.49 g/kg。Ca含量在葉片生長初期（4月6日）最低（2.18 g/kg），此后其含量呈波動(dòng)上升趨勢，在11月23日達(dá)到最高（11.62 g/kg），是4月6日的5.3倍。P、Mg含量在整個(gè)生育期內(nèi)變化較小，但存在顯著差異，Mg元素在9月8日含量最高（2.80 g/kg），5月23日含量最低（1.35 g/kg）；P元素在4月6日含量最高（1.92 g/kg），此后，其含量下降至最低（0.62 g/kg），這可能與植株開花結(jié)果有關(guān)，見表1。

表1 不同采收時(shí)間葉片中大量元素含量比較Table 1 The comparison of contents of macroelements in leaves at different harvest time 單位：g/kg

2.2 不同采收時(shí)間葉片中微量元素含量變化

葉片中微量元素含量表現(xiàn)為Fe＞Zn＞Cu＞Mn，質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為114.62～233.05mg/kg、16.06～25.26mg/kg、2.53～8.91 mg/kg和0.21～1.89 mg/kg，平均值分別為168.64 mg/kg、20.16 mg/kg、4.01 mg/kg和1.25 mg/kg，變異系數(shù)分別為20.09%、13.87%、35.47%和40.72%。葉片中Fe含量較高，可能是由于葉綠素的合成需要Fe，使得大部分的Fe存在于葉片中，隨著生育期的后延，F(xiàn)e在5月8日、7月23日和9月23日出現(xiàn)高峰期，分別為193.15mg/kg、233.05mg/kg和207.53mg/kg，在6月23日含量最低（114.62 mg/kg）。Zn含量在4月6日（25.26 mg/kg）顯著高于其他生長期，隨后開始降低，至5月23日達(dá)到最低（16.06 mg/kg），這可能與此階段植株開花結(jié)實(shí)有關(guān)，生殖生長結(jié)束后，Zn含量在5月23日至6月23日呈上升趨勢，6月23日至7月23日含量為20.45～23.26 mg/kg，在8月呈下降趨勢，而后又開始上升。Cu元素在5～6月含量較低，為2.53～3.70mg/kg，在7月8日含量最高（8.91 mg/kg）且顯著高于其他生長期。Mn元素在4月6日含量最低（0.21 mg/kg），總體呈現(xiàn)波動(dòng)上升的趨勢，至11月23日含量達(dá)到最高（1.89 mg/kg），見表2。

2.3 不同采收時(shí)間葉片中重金屬元素含量變化

《藥用植物及制劑進(jìn)出口綠色行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》中重金屬及砷鹽限量指標(biāo)為重金屬總量≤20.0 mg/kg、Pb≤5.0 mg/kg、Cd≤0.3 mg/kg、Hg≤0.2 mg/kg、Cu≤20.0 mg/kg、As≤2.0 mg/kg?！?號’葉片中重金屬元素含量Cd＞Pb＞As＞Hg，質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為74.02～327.83g/kg、5.99～15.42g/kg、5.62～17.96g/kg和0～7.21g/kg，平均值分別為195.95g/kg、9.80g/kg、8.93g/kg和3.77g/kg，變異系數(shù)分別為32.23%、30.35%、38.99%和178.61%。隨著生育期的后延，Cd元素在4月6日含量最低（74.02g/kg），在5月8日最高（327.83g/kg）。Pb含量呈現(xiàn)波動(dòng)下降趨勢，在4月6日含量最高（15.42g/kg），11月23日最低（5.99g/kg）。As元素在6月8日含量達(dá)到最高（17.96g/kg），此后含量相對較低，為5.62～9.06g/kg。Hg含量在4月、6月和11月均未檢測出，在8月23日最高（7.21g/kg），10月23日次之（6.68g/kg），見表3。綜上所述，除Cd在5月8日采收不達(dá)標(biāo)外，各采收時(shí)間‘黔藿1號’葉片中Cu、Cd、Hg、As和Pb等5種重金屬元素含量均符合《藥用植物及制劑進(jìn)出口綠色行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定。

表3 不同采收時(shí)間葉片中重金屬元素含量比較Table 3 The comparison of heavy metal contents in leaves at different harvest times 單位：g/kg

2.4 ‘黔藿1號’葉片中礦質(zhì)元素分析

‘黔藿1號’葉片中各礦質(zhì)元素間存在一定的相關(guān)性。N與P，K與Pb，Mg與Mn，Ca與Mg、Mn呈極顯著正相關(guān)；K與Ca、Mn，Pb與Ca、Mn，Zn與Cd呈極顯著負(fù)相關(guān)；Pb與As，Zn與P、K，Ca與Cd呈顯著正相關(guān)；Ca與Zn、Mg與Pb，Mn與As，Cd與P、K呈顯著負(fù)相關(guān)，其余元素間不存在顯著相關(guān)性，見表4。

將16批次‘黔藿1號’葉片樣品中的礦質(zhì)元素進(jìn)行主成分分析，根據(jù)特征值＞1確定主成分個(gè)數(shù)，前4個(gè)成分的方差貢獻(xiàn)率分別為36.95%、21.32%、11.58%和10.56%，當(dāng)主成分個(gè)數(shù)為4時(shí)，累計(jì)貢獻(xiàn)率已達(dá)到80.41%，即4個(gè)主成分代表了16批次‘黔藿1號’葉片礦質(zhì)元素的80.41%的信息含量，見表5。

第1主成分的特征值為4.80，累計(jì)貢獻(xiàn)率為36.95%，Ca、Mg、Fe和Mn等元素呈正向分布，Ca、Mn元素的特征向量最大，分別為0.43和0.42，說明第1主成分主要反映Ca、Mn等元素的信息；第2主成分的特征值為2.77，累計(jì)貢獻(xiàn)率為58.27%，N、P、K、Mg、Zn和Cu等元素呈正向分布，P元素的特征向量最大（0.55），說明第2主成分主要反映P元素的信息；第3主成分的特征值為1.51，累計(jì)貢獻(xiàn)率為69.85%，F(xiàn)e、Cu、As和N等元素呈正向分布，F(xiàn)e元素的特征向量最大（0.58），說明第3主成分主要反映Fe元素的信息；第4主成分的特征值為1.37，累計(jì)貢獻(xiàn)率為80.41%，N、P、Cd等元素呈正向分布，N元素的特征向量最大（0.59），說明第4主成分主要反映N元素的信息（表6）。綜上所述，根據(jù)各元素在不同因子上的載荷，可認(rèn)為‘黔藿1號’葉片中的特征元素為N、P、Ca、Fe和Mn。

表6 主成分分析下各項(xiàng)指標(biāo)的特征向量Table 6 Characteristic vectors of each index under principal component analysis

利用4個(gè)主成分對‘黔藿1號’藥材進(jìn)行綜合評價(jià)，可得綜合評價(jià)函數(shù)（F）表達(dá)式為：

F=4.80 F1+2.77 F2+1.51 F3+1.37 F4，

將標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)代入上述函數(shù)表達(dá)式中，根據(jù)函數(shù)計(jì)算不同采收時(shí)間‘黔藿1號’藥材礦質(zhì)元素各主成分得分、綜合得分及排名（表7）。結(jié)果表明，在16批次‘黔藿1號’藥材中，7～11月采收的藥材排名均在前10名，前3名分別是11月23日、10月23日和11月8日，此時(shí)N、P、Ca、Fe和Mn元素含量較高；4～6月采收的藥材排名均靠后，最后3名分別是4月6日、4月23日和5月23日，此時(shí)N、P、Ca、Fe和Mn元素含量較低，這可能是由于N、P、Ca、Fe和Mn等元素與‘黔藿1號’藥材質(zhì)量有一定的相關(guān)性。

表7 不同采收時(shí)間‘黔藿1號’藥材礦質(zhì)元素主成分得分、綜合得分及排名情況Table 7 The main component score,comprehensive score and ranking of'Qianhuo 1'at different harvest times

3 討論

礦質(zhì)元素是植物生長的物質(zhì)基礎(chǔ)，又可作為植物體內(nèi)某些有機(jī)物合成反應(yīng)的催化劑，同時(shí)礦質(zhì)元素還參與植物有效成分的結(jié)構(gòu)功能而影響植物化學(xué)成分的形成和積累[19]。研究發(fā)現(xiàn)，‘黔藿1號’葉片中N、K、Ca、Mg、P、Fe、Zn和Mn元素含量豐富，這與陳惠玲等[20]的結(jié)果一致，而Zn、Mn、Ca、Mg與“腎”功能有著密切關(guān)系[21]，表明淫羊藿補(bǔ)腎陽的功效可能與此有關(guān)。Cu、Cd、Pb、As和Hg 5種重金屬元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為2.53～8.91 mg/kg、74.02～327.83g/kg、5.99～15.42g/kg、5.62～17.96g/kg和0～7.21g/kg，除Cd在5月8日質(zhì)量分?jǐn)?shù)不達(dá)標(biāo)外，其余均符合《藥用植物及制劑進(jìn)出口綠色行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定。從礦質(zhì)元素角度對不同采收時(shí)間‘黔藿1號’進(jìn)行綜合評價(jià)，認(rèn)為11月23日采收藥材質(zhì)量較好?！?號’生產(chǎn)中主要施用N、P和K肥，而葉片中K與Pb呈極顯著正相關(guān)，Cd與P、K呈顯著負(fù)相關(guān)，說明當(dāng)K肥施用量過大，可導(dǎo)致藥材中Pb含量增加；當(dāng)P、K肥施用量較低時(shí)，可導(dǎo)致藥材中Cd含量增加。

礦質(zhì)元素是植物體生長發(fā)育的基礎(chǔ)，礦質(zhì)元素的含量和分布在植物體內(nèi)存在一定規(guī)律，可用于區(qū)分植物不同種、同一種不同品種和不同產(chǎn)地類型樣品，被廣泛應(yīng)用于中藥材的產(chǎn)地和品種鑒別分析及種質(zhì)資源評價(jià)[22]。羅莉[23]通過主成分分析發(fā)現(xiàn)Ca、Na、Mg 3種元素與第一主成分因子高度正相關(guān)，認(rèn)為Ca、Na、Mg元素是四川淫羊藿屬植物特征元素。本文對‘黔藿1號’不同采收時(shí)間葉片礦質(zhì)元素進(jìn)行主成分分析，提取出4個(gè)成分，累計(jì)方差貢獻(xiàn)率為80.41%，第1主成分以Ca、Mn元素貢獻(xiàn)最大，第2主成分以P元素貢獻(xiàn)最大，第3主成分以Fe元素貢獻(xiàn)最大，第4主成分以N貢獻(xiàn)最大，可確定‘黔藿1號’藥材的特征元素為N、P、Ca、Fe和Mn，這與羅莉的結(jié)果不一致，這可能與材料和生境不同有關(guān)。此外，Ca、Mn在第1主成分上有較高的載荷，參與生長和代謝，能提高抗逆性和品質(zhì)，可能是‘黔藿1號’藥材產(chǎn)量、品質(zhì)形成的關(guān)鍵元素。