不同種植年限白芨塊莖微量元素含量、富集特征及其影響因素研究

熊鵬飛 周穎 孫超 張家春 王永 鄭聽 周鑫偉 韓見宇

摘要：以不同種植年限白芨塊莖及土壤為研究對象，分析不同種植年限白芨塊莖微量元素及土壤氮磷鉀、微量元素含量特征，探討其吸收關(guān)系。結(jié)果表明，根據(jù)全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)，種植白芨土壤氮素營養(yǎng)低，磷素營養(yǎng)適中，鉀素營養(yǎng)較高;種植2年時(shí)白芨塊莖各微量元素含量最高，而土壤中各微量元素含量較低;不同種植年限白芨塊莖、土壤微量元素含量均表現(xiàn)為Fe>Mn>Zn>Ni;白芨塊莖對土壤微量元素富集能力隨種植年限先增強(qiáng)后減弱;白芨塊莖微量元素與土壤營養(yǎng)元素之間具有一定的相關(guān)性。

關(guān)鍵詞：種植年限;白芨;土壤;微量元素;富集特征;相關(guān)性

中圖分類號： S567.23+9.06? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2021）21-0165-05

收稿日期：2021-03-25

基金項(xiàng)目：貴州省科技計(jì)劃（編號：黔科合支撐[2016]2860、黔科院SY字[2017]06、黔科合支撐[2017]2827）;貴州省林業(yè)科研項(xiàng)目（編號：黔林科合[2016]07號）;貴州省高層次創(chuàng)新型人才培養(yǎng)項(xiàng)目（編號：黔科合平臺(tái)人才[2016]5666）;貴州省科技創(chuàng)新人才團(tuán)隊(duì)建設(shè)項(xiàng)目（編號：黔科合人才團(tuán)隊(duì)[2015]4012號）;貴州科學(xué)院青年基金（編號：黔科院J字[2019]05號）;貴陽市聯(lián)合基金（編號：筑科合同[2017]30-41號）;農(nóng)業(yè)部海藻類肥料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金（編號：MAKLSF1817）。

作者簡介：熊鵬飛（1988—），男，貴州思南人，碩士，助理研究員，主要從事藥用植物栽培研究。E-mail：395128558@qq.com。

通信作者：張家春，碩士，高級工程師，主要從事農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究。E-mail：zhangjiachun198806@163.com。

微量元素作為中藥材的重要組分，其種類與含量直接影響中藥材的品質(zhì)及療效[1]。微量元素可以直接參與植物體內(nèi)的各種生理生化反應(yīng)而影響植物化學(xué)成分的形成與累積，進(jìn)而影響中藥材的藥理活性與品質(zhì)，同時(shí)與中藥活性成分在人體內(nèi)的相互作用可以促進(jìn)機(jī)體自身調(diào)節(jié)[2]。其中，鐵直接參與植物體內(nèi)多種生理活性蛋白質(zhì)的形成[3];鋅是植物體內(nèi)多種代謝反應(yīng)所必需的微量元素，既是酶的重要組分，同時(shí)也是參與各種酶促反應(yīng)輔助因子[4];作為葉綠體的組成成分之一，錳直接參與光合作用的光反應(yīng)過程，有助于植物光合能力的提高，從而促進(jìn)植物生長發(fā)育[5];作為植物體內(nèi)脲酶的必需元素，有研究表明，低濃度的鎳可以促進(jìn)植物生長，達(dá)到增產(chǎn)效果，而高濃度鎳卻抑制植物的生長[6]。有研究發(fā)現(xiàn)，半夏、魚腥草等鐵元素和黃酮類化合物的含量均較高，且總黃酮量與鐵元素的含量具有正相關(guān)關(guān)系[7];增施鋅肥有利于提高菊花總黃酮和綠原酸含量[8];對丹參施用鐵、銅、錳、鋅肥，高丹參素含量顯著提高[9]。氮、磷、鉀是中藥材所必需的大量營養(yǎng)元素，在影響中藥材根系營養(yǎng)的同時(shí)，也可以促進(jìn)中藥材的生長發(fā)育及代謝，因此任何元素的缺失都會(huì)影響中藥材的產(chǎn)量及品質(zhì)[10-12]。

白芨[Bletilla striata （Thunb.） Reichb. f.]為蘭科植物白芨的干燥塊莖，是我國傳統(tǒng)大宗藥材。白芨味苦、甘、澀，微寒，入歸肺、肝、胃經(jīng)，有止血收斂、消腫生肌的功效[13]。關(guān)于白芨的礦質(zhì)營養(yǎng)元素特別是微量元素含量的研究，對白芨的藥用價(jià)值研究具有十分重要的意義。但是，目前關(guān)于白芨的研究主要集中在種質(zhì)資源[14-15]、繁育[16-17]、栽培[18-19]、成分及藥理研究[20-22]、礦質(zhì)元素吸收規(guī)律[23]、野生生境無機(jī)元素含量情況及無機(jī)元素與藥效成分的關(guān)系[24-25]等，而關(guān)于不同種植年限白芨塊莖微量元素及其富集的影響因素鮮有報(bào)道。本研究測定不同種植年限白芨塊莖微量元素與土壤營養(yǎng)元素、微量元素的含量，探究土壤營養(yǎng)元素對白芨塊莖中微量元素含量的影響，討論白芨塊莖對土壤微量元素的富集特征，從而為栽培高品質(zhì)白芨提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣地概況

樣地位于貴州省施秉縣雙井鎮(zhèn)與楊柳塘鎮(zhèn)（108°09′30″～108°18′36″E，26°30′18″27°13′48″N），海拔890～950 m，平均氣溫14～16 ℃，無霜期 250～300 d，年降水量1 060～1 200 mm。樣地土壤以黑色石灰土較多，兼黃棕壤、黃壤等，種植1年的白芨生長土壤為中性，種植2年為弱酸性，種植3年為弱堿性。白芨生長土壤有機(jī)質(zhì)種植1年為 14.31 g/kg、種植2年為28.31 g/kg，種植3年為 19.61 g/kg[24]。

1.2 樣品采集

種植面積共26.67 hm2，其中種植1年12 hm2，種植2年10 hm2，種植3年4.67 hm2。以梅花形布點(diǎn)方法采集土壤樣品，采集深度為0～20 cm，充分混勻后用四分法反復(fù)取舍后保留1 kg作為該樣區(qū)土壤樣品。采集不同種植年限白芨生長土壤樣品共9個(gè)，其中種植1年、2年、3年白芨土壤樣品分別3個(gè)。同時(shí)在采集土壤樣品時(shí)，在對應(yīng)點(diǎn)采集不同種植年限白芨塊莖作為樣品，共采集白芨塊莖樣品9個(gè)，不同種植年限白芨塊莖樣品各3個(gè)。

1.3 樣品制備

將采集的土壤樣品裝入干凈的編號布袋帶回，均勻平鋪于干凈塑料膜上，晾至半干后壓碎，去除雜物，置于通風(fēng)陰涼處自然風(fēng)干。待樣品風(fēng)干后充分混勻，采取四分法分一半保存?zhèn)溆?，另一半研磨后先過2 mm尼龍網(wǎng)篩，取20 g左右用瑪瑙研缽細(xì)研后過0.15 mm尼龍網(wǎng)篩，混合均勻待用。白芨塊莖先清洗除雜、去除須根，然后洗凈，后用沸水煮至無白心，取出自然風(fēng)干后粉碎，過60目篩，充分混合均勻后待用。

1.4 樣品測定方法

白芨塊莖與土壤微量元素Fe、Mn、Zn、Ni的測定方法[26]：準(zhǔn)確稱取試樣2.5 g，采用HNO3-HClO4加熱消解，以ICP-MS 測定，測定過程嚴(yán)格按照國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

1.5 富集系數(shù)的計(jì)算及統(tǒng)計(jì)分析

富集系數(shù)（BCF）是評價(jià)白芨塊莖對土壤中無機(jī)元素富集能力的指標(biāo)[27]，其公式為BCF=Ci/Si。式中，BCF為無機(jī)元素i的富集系數(shù)，Ci為無機(jī)元素i在植物中的含量，Si為無機(jī)元素i在生長介質(zhì)（如土壤）中的含量。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2013和SPSS 21軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同種植年限白芨土壤氮磷鉀含量

由圖1可知，不同種植年限白芨土壤全氮、全磷、全鉀含量差異不顯著。種植2年白芨土壤堿解氮、有效磷含量顯著高于種植1年、2年，種植1年、2年土壤速效鉀含量顯著高于種植3年。不同種植年限白芨土壤堿解氮、有效磷含量變化規(guī)律為種植2年>種植3年>種植1年，速效鉀含量變化規(guī)律為種植2年>種植1年>種植3年。以全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)為參照，不同種植年限白芨生長土壤全氮含量很低，均為6級;全磷含量較高，其中種植2年為2級，種植1年及3年為3級;全鉀含量高，均為2級。不同種植年限白芨土壤堿解氮含量很低，均為5級;有效磷含量較低，其中種植2年為3級，種植1年、3年僅為4級;種植1年、2年速效鉀含量較高，其中種植2年最高，為2級，種植1年為3級，種植3年為4級。

2.2 不同種植年限白芨塊莖微量元素特征

由表1可知，不同種植年限白芨塊莖微量元素Fe、Mn、Ni、Zn含量之間存在顯著性差異，均表現(xiàn)為種植第2年含量最高。微量元素Fe在種植2年含量顯著高于種植1年、3年，分布特征表現(xiàn)為種植2年>種植3年>種植1年。微量元素Mn在種植2年含量顯著高于種植1年、3年，分布特征表現(xiàn)為種植2年>種植1年>種植3年。微量元素Ni在種植2年白芨塊莖中的含量顯著高于種植1年、3年（P<0.05），種植1年、3年含量之間差異不顯著，分布特征表現(xiàn)為種植2年>種植3年>種植1年，變化規(guī)律與Fe相同。微量元素Zn在種植2年含量顯著高于種植1年、3年（P<0. 05），分布特征表現(xiàn)為種植2年>種植1年>種植3年，變化規(guī)律與Mn相同。不同種植年限白芨塊莖微量元素含量均表現(xiàn)為Fe>Mn>Zn>Ni。

2.3 不同種植年限白芨土壤微量元素特征

由表2可知，不同種植年限白芨土壤各元素含量均表現(xiàn)為種植2年含量最低，變化規(guī)律均表現(xiàn)為先降低后增加趨勢，不同元素間表現(xiàn)為Fe>Mn>Zn>Ni。其中，微量元素Fe、Ni在種植1年、3年含量顯著高于種植2年（P<0.05），分布特征表現(xiàn)為種植3年>種植1年>種植2年;微量元素Mn、Zn在種植3年含量顯著高于種植1年、2年（P<0.05），種植1年顯著高于種植2年（P<0.05），分布特征與Fe、Ni含量相同，表現(xiàn)為種植3年>種植1年>種植2年。

2.4 不同種植年限白芨塊莖對微量元素富集特征

植物的富集系數(shù)通常用來表示植物對無機(jī)金屬元素吸收能力的強(qiáng)弱。由表3可知，不同種植年限白芨塊莖對土壤微量元素富集能力表現(xiàn)為隨著種植年限的增加呈先增強(qiáng)后減弱趨勢，說明白芨在種植2年時(shí)對Fe、Mn、Ni、Zn等4種無機(jī)微量元素的富集能力較強(qiáng)。其中，種植2年Fe、Mn、Ni元素與種植1年、3年差異顯著（P<0.05），種植1年與3年無顯著差異，種植2年、1年、3年間白芨塊莖Zn元素存在顯著差異（P<0.05）。

2.5 白芨塊莖與土壤氮磷鉀及微量元素相關(guān)性分析

對白芨塊莖微量元素與土壤微量元素之間進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果見表4。由表4可知，塊莖Mn含量與塊莖Ni、土壤堿解氮、速效鉀含量，塊莖Ni含量與土壤有效磷含量，土壤Fe含量與土壤Mn含量，土壤Mn含量與土壤Ni含量，土壤全氮含量與土壤全磷含量，土壤堿解氮含量與土壤有效磷、速效鉀含量呈顯著正相關(guān)（P<0.05）。土壤Fe含量與土壤有效磷，土壤Mn含量與土壤速效鉀含量，土壤Ni含量與土壤有效磷含量，土壤Zn含量與土壤堿解氮、速效鉀含量呈顯著負(fù)相關(guān)（P<0.05）。塊莖Fe含量與塊莖Ni含量，塊莖Mn含量與塊莖Zn含量，塊莖Ni含量與土壤堿解氮含量，土壤Fe含量與土壤Ni、Zn含量，土壤Mn含量與土壤Zn含量，土壤Ni含量與土壤Zn含量呈極顯著正相關(guān)（P<0.01）。白芨塊莖Mn、Zn含量與土壤Fe、Mn、Ni、Zn含量，白芨塊莖Ni含量與土壤Fe、Ni、Zn含量，土壤Fe、Ni含量與土壤堿解氮含量呈極顯著負(fù)相關(guān)（P<0.01）。白芨塊莖Fe含量與土壤Fe含量，塊莖Mn含量與土壤Mn含量，塊莖Zn含量與土壤Zn含量，塊莖Ni含量與土壤Ni含量均呈負(fù)相關(guān)，但相關(guān)性不顯著。

3 結(jié)論與討論

土壤是高品質(zhì)藥材種植的基礎(chǔ)，土壤中的營養(yǎng)成分是其最重要的組成部分[28]。土壤中氮磷鉀的含量是土壤肥力評價(jià)的重要指標(biāo)[29]。本研究表明，貴州不同種植年限白芨生長土壤氮素營養(yǎng)與磷素營養(yǎng)相對較低，鉀素營養(yǎng)相對較高。林茂祥等報(bào)道白芨對氮磷鉀3種養(yǎng)分的吸收量的順序是氮>鉀>磷[23]，張家春等報(bào)道貴州野生白芨生長土壤的全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷、速效鉀平均含量分別為6.04 g/kg、0.70 g/kg、7.60 g/kg、340.00 mg/kg、6.84 mg/kg、97.00 mg/kg[25]。結(jié)合本研究，在貴州地區(qū)白芨大田種植氮肥缺乏，磷肥適中，鉀肥較高，應(yīng)適當(dāng)增加氮肥施用與減少鉀肥施用。

微量元素作為中藥材有效成分之一，在不同藥材的分布特征不同[30]。張家春等對貴州野生白芨生長土壤的土壤微量元素研究[25]結(jié)合本研究結(jié)果表明，貴州地區(qū)白芨大田種植土壤Fe、Mn元素豐富，種植不同種植年限的白芨塊莖及土壤中均Fe元素平均含量約是貴州白芨野生環(huán)境的134倍、Mn元素約是2.5倍，Zn元素較為適中，約是貴州白芨野生環(huán)境的0.85倍。在4種微量元素中，貴州白芨大田種植Fe元素含量最高，其次是Mn，再次是Zn，最后是Ni。

Fe、Mn、Ni、Zn元素對中藥材的生長發(fā)育和品質(zhì)都有著重要的影響，直接參與植物生長發(fā)育過程中多種生理代謝活動(dòng)，影響其根系營養(yǎng)及有機(jī)體的正常代謝，對中藥材活性成分的形成和累積有著關(guān)鍵作用。白芨是多年生草本植物，人工栽培過程中，一般采收種植3年的白芨。本研究表明，隨著種植年限的增加，白芨塊莖中Fe、Mn、Ni、Zn元素含量的平均值均表現(xiàn)為先增加后降低趨勢，第2年最高;土壤中Fe、Mn、Ni、Zn元素含量的平均值均表現(xiàn)為先降低后增加趨勢，第2年最低。原因是白芨種植第1年由于根系生長情況未達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，對Fe、Mn、Ni、Zn元素吸收較少;種植第2年，由于白芨生長發(fā)育旺盛，對Fe、Mn、Ni、Zn元素吸收量出現(xiàn)顯著性增加;種植第3年，由于白芨生長空間變小，影響其生長發(fā)育，造成Fe、Mn、Ni、Zn吸收降低。

植物對某種重金屬的富集系數(shù)大于 1時(shí)，認(rèn)為該植物對該重金屬具有富集作用[31]。在本研究中，種植2年白芨塊莖Mn、Ni，種植1年、2年Zn的富集系數(shù)大于1，說明白芨種植2年對Mn、Ni，種植1年、2年對Zn的富集能力較強(qiáng)。同時(shí)本研究得出白芨在種植2年時(shí)對Fe、Mn、Ni、Zn等4種無機(jī)微量元素的富集能力較種植1、3年時(shí)強(qiáng)。

關(guān)于元素間的互作效應(yīng)，已有研究形成了許多不同的結(jié)論，植物體內(nèi)的微量元素之間、土壤營養(yǎng)元素之間及植物中微量元素與土壤營養(yǎng)元素間具有不同程度的相關(guān)性，作物對微量元素的吸收受到作物品種、生境條件、土壤環(huán)境條件、土壤營養(yǎng)因子交互作用、施肥方式方法、栽培技術(shù)等多種因素的影響[32]。本研究表明，白芨塊莖中的Ni含量對白芨塊莖吸收Fe有顯著的促進(jìn)作用，塊莖Ni、Zn含量、土壤堿解氮、速效鉀含量對白芨塊莖吸收Mn有顯著的促進(jìn)作用，而土壤Fe、Mn、Ni、Zn元素含量對白芨塊莖吸收Mn有顯著的抑制作用，土壤堿解氮、有效磷含量對白芨塊莖吸收Ni有顯著的促進(jìn)作用，土壤中Fe、Ni、Zn含量對白芨塊莖吸收Ni有顯著的抑制作用，土壤中Fe、Mn、Ni、Zn含量水平對白芨塊莖吸收Zn有顯著的抑制作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊本明. 影響中藥材微量元素含量的因素[J]. 中草藥，1993，24（4）：215-216.

[2]周海鈞，陸蘊(yùn)如. 植物藥的現(xiàn)狀及其前景[J]. 中國藥學(xué)雜志，1992，27（2）：67-71.

[3]鄭延尚，吳慶海. 淺談土壤植物營養(yǎng)與農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展[J]. 中國農(nóng)業(yè)信息，2016（21）：61.

[4]孫桂芳，楊光穗. 土壤-植物系統(tǒng)中鋅的研究進(jìn)展[J]. 華南熱帶農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2002（2）：22-30.

[5]施益華，劉 鵬. 錳在植物體內(nèi)生理功能研究進(jìn)展[J]. 江西林業(yè)科技，2003，31（2）：26-28，31.

[6]張秀玲，宋光煜. 植物的鎳素營養(yǎng)[J]. 土壤肥料，2004（6）：33-36.

[7]韓麗琴，董順福，劉建華.中草藥中鐵元素與總黃酮含量測定與藥效關(guān)系分析[J]. 時(shí)珍國醫(yī)國藥，2007，18（11）：2647-2648.

[8]湯 璐，林江輝，閆廣軒，等. 銅、鋅、硒對藥用菊花主要有效成分和花中硒含量的影響[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào)，2009，15（6）：1475-1480.

[9]韓建萍，梁宗鎖，張文生. 微量元素對丹參生長發(fā)育及有效成分的影響[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào)，2005，11（4）：560-563.

[10]王康才，唐曉清，吳 健，等. 配方施肥對板藍(lán)根產(chǎn)量和多糖含量的影響[J]. 中國中藥雜志，2007，32（24）：2588-2591.

[11]王渭玲. 膜莢黃芪營養(yǎng)特性及次生代謝調(diào)控的研究[D]. 楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué).2008：33-34.

[12]程萌萌. 氮磷鉀對蒙古黃芪生長發(fā)育及次生代謝產(chǎn)物積累的影響[D]. 楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2016：50-51.

[13]國家藥典委員會(huì). 中華人民共和國藥典：一部[S]. 北京：中國醫(yī)藥科技出版社，2020：106-107.

[14]任風(fēng)鳴，劉 艷，李 瀅，等. 白芨屬藥用植物的資源分布及繁育[J]. 中草藥，2016，47（24）：4478-4487.

[15]周天華，黎 君，丁家璽，等. 白芨種質(zhì)資源及其近緣種的SSR指紋圖譜研究[J]. 西北植物學(xué)報(bào)，2017，37（4）：673-681.

[16]史文旋，張躍進(jìn). 白芨種子直播繁殖技術(shù)研究[J]. 北方園藝，2017（7）：160-165.

[17]石云平，李 鋒，凌征柱. 白芨組織培養(yǎng)與快速繁殖技術(shù)研究[J]. 廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)，2009，40（11）：1408-1410.

[18]楊根林，高 云，譚鳳瓊，等. 不同栽培方式對白芨分蘗及產(chǎn)量的影響[J]. 北方農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2019，47（5）：16-19.

[19]張進(jìn)強(qiáng)，周 濤，肖承鴻，等. 白芨生態(tài)種植模式與技術(shù)原理分析[J]. 中國中藥雜志，2020，45（20）：5042-5047.

[20]馬先杰，崔保松，韓少偉，等. 中藥白芨的化學(xué)成分研究[J]. 中國中藥雜志，2017，42（8）：1578-1584.

[21]湯逸飛，阮川芬，應(yīng) 晨，等. 白芨屬植物化學(xué)成分與藥理作用研究進(jìn)展[J]. 中草藥，2014，45（19）：2864-2872.

[22]孫愛靜，龐素秋，王國權(quán).白芨化學(xué)成分與抗腫瘤活性研究[J]. 中國藥學(xué)雜志，2016，51（2）：101-104.

[23]林茂祥，韓 鳳，劉 杰，等. 白芨氮、磷、鉀養(yǎng)分的吸收與分配[J]. 中藥材，2017，40（2）：253-257.

[24]張家春，孫 超，李朝楨，等. 不同種植年限白芨土壤有機(jī)質(zhì)、酶活性與白芨有效成分研究[J]. 中藥材，2020，43（1）：1-4.

[25]張家春，林昌虎，楊鈞屹，等. 貴州野生白芨生長土壤的化學(xué)特性及微量元素特征分析[J]. 西南農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2019，32（8）：1839-1844.

[26]羅益遠(yuǎn)，劉娟秀，侯 婭，等. 何首烏不同產(chǎn)地及商品藥材中無機(jī)元素的ICP-MS分析[J]. 中草藥，2015，46（7）：1056-1064.

[27]李天杰. 土壤環(huán)境學(xué)[M]. 北京：高等教育出版社，1996：58-59.

[28]龐博文，李永梅，徐昆龍，等. 蚯蚓堆肥影響土壤健康和作物生長的研究進(jìn)展[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2020，48（12）：29-35.

[29]駱東奇，白 潔，謝德體. 論土壤肥力評價(jià)指標(biāo)和方法[J]. 土壤與環(huán)境，2002，11（2）：202-205.

[30]房海靈，郭巧生，邵清松. 野菊花中元素分布特征及相關(guān)性和主成分分析[J]. 中國中藥雜志，2010，35（18）：2432-2436.

[31]中華人民共和國國家衛(wèi)生和計(jì)劃生育委員會(huì). 食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中鉻的測定：GB 5009.123—2014[S]. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2015.

[32]潘勝強(qiáng)，李 彬，鄧 玉，等. 白果中微量元素與土壤營養(yǎng)因子相關(guān)性分析[J]. 湖南林業(yè)科技，2019，46（4）：1-10.