石柱黃連及根際土壤中礦質(zhì)元素特征分析

曾婷婷 付婷婷 黃永川 張 偉 楊曉霞 唐明鳳*

(1.重慶市農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與檢測(cè)技術(shù)研究所，重慶 401329；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估實(shí)驗(yàn)室(重慶)，重慶 401329)

商品黃連主要為毛茛科黃連屬植物(Coptis Chinensis Franch.)，習(xí)稱味連、雞爪連，富含生物堿、黃酮類化合物，具有抗心律失常、抗氧化、調(diào)血脂、抗菌、抗病毒等作用[1]。石柱縣是黃連的原始產(chǎn)區(qū)，擁有國(guó)家黃連GAP示范基地，其黃連年產(chǎn)量占全國(guó)總產(chǎn)量的60%，占全世界黃連產(chǎn)量的40%[2]。石柱黃連品質(zhì)優(yōu)異，1954年曾被列為國(guó)藥，1989年在“全國(guó)地道藥材研討會(huì)”上被確認(rèn)為“地道藥材”，2009年獲得國(guó)家地理標(biāo)志產(chǎn)品保護(hù)。大量研究表明，中藥中無(wú)機(jī)元素以含水絡(luò)合離子、有機(jī)金屬配合物、有機(jī)藥成分-微量元素復(fù)合物等形式組合以發(fā)揮藥效[3]，并且與中藥中寒、熱、溫、涼四種藥性和辛、甘、酸、苦、咸五種藥味有一定關(guān)聯(lián)[4]。土壤是植物生長(zhǎng)最直接的環(huán)境，與中藥材的質(zhì)量緊密相關(guān)[5]。無(wú)機(jī)元素是藥材質(zhì)量控制中必不可少的一項(xiàng)。近年來(lái)礦質(zhì)元素在中藥材中的分布特征及其與土壤中礦質(zhì)元素的相關(guān)性備受研究者的關(guān)注。研究者對(duì)延胡索[6]、明黨參[7]、當(dāng)歸[8]等藥材及其根際土壤的礦質(zhì)元素分布特征進(jìn)行了分析與評(píng)價(jià)，為藥材質(zhì)量的評(píng)價(jià)、優(yōu)質(zhì)藥材的栽培、道地藥材的識(shí)別等提供了重要參考依據(jù)。鑒于石柱黃連的道地性，本研究從石柱縣不同村莊采集黃連樣品及其對(duì)應(yīng)根際土壤各15份，分別測(cè)定根莖、須根、地上部和根際土壤中18種礦質(zhì)元素含量，評(píng)價(jià)黃連及土壤的安全性，探究黃連根莖礦質(zhì)元素與土壤環(huán)境的關(guān)系。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 研究區(qū)域概況

石柱縣位于重慶東部，東經(jīng)107°59′～108°34′、北緯29°39′～30°33′，屬中亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)區(qū)，其年降雨量為1 300～1 700 mm，年平均氣溫為10 ℃左右，海拔為1 000～1 800 m，相對(duì)濕度為80%～90%。由于黃連需要蔭蔽栽培，栽培區(qū)域多位于櫟木類闊葉林帶、松杉針葉林帶、針闊混交林帶和竹木混交林帶[9]。

1.2 樣品采集與制備

樣品從重慶石柱不同村莊采集，共計(jì)15份，具體采樣信息見(jiàn)表1。樣品采集時(shí)間為2019年10月。所有黃連樣品經(jīng)重慶市中藥研究院李隆云研究員鑒定為毛茛科植物黃連(Coptis Chinensis Franch.)。新鮮黃連樣品采集后，分成須根、根莖和地上部分三部分。樣品經(jīng)自來(lái)水及一級(jí)純水清洗后，自然晾干后，50 ℃烘干至恒重。所有植物樣品經(jīng)研磨機(jī)粉碎后，過(guò)0.25 mm孔徑的尼龍篩，備用。

表1 黃連及土壤采樣地點(diǎn)信息

采集新鮮黃連樣品的同時(shí)采集對(duì)應(yīng)地塊的土壤樣品。根據(jù)地塊形狀按梅花形或S形布點(diǎn)，采集0～20 cm的根際土壤樣品，保存于聚乙烯塑料袋中，帶回實(shí)驗(yàn)室。土壤樣品在室內(nèi)經(jīng)風(fēng)干后，去除石頭、枯枝、雜草等雜質(zhì)，用瑪瑙研缽磨碎，過(guò)0.15 mm孔徑的尼龍篩，保存于塑封袋中備用。

1.3 樣品的測(cè)定

1.3.1 黃連樣品的測(cè)定

黃連樣品中As、Hg含量的測(cè)定參照GB 5009.11—2014、GB 5009.17—2021，采用硝酸-微波消解-原子熒光光譜法(AFS)，F(xiàn)e、K、P、Mg、Mn、Ca、Zn、Sr、V、Cu、Mo、Co、Ni、Pb、Cd、Cr含量的測(cè)定參照GB 5009.268—2016，采用硝酸-微波消解-電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS)或發(fā)射光譜法(ICP-OES)。每批次樣品測(cè)定加入空白樣、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(GBW 10052)進(jìn)行質(zhì)量控制。

1.3.2 土壤樣品的測(cè)定

土壤pH值的測(cè)定采用電位法，水土體積比為2.5∶1；土壤中As、Hg含量的測(cè)定參照 GB/T 22105.1—2008采用王水浸提-AFS法；Fe、K、P、Mg、Mn、Ca、Co、Mo、Sr、V、Zn、Cu、Ni、Pb、Cd、Cr含量的測(cè)定參照HJ 766—2015，采用硝酸-鹽酸-氫氟酸-過(guò)氧化氫四酸消解；經(jīng)ICP-OES或ICP-MS上機(jī)測(cè)定。每批次樣品測(cè)定加入空白樣、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(GBW 07456)進(jìn)行質(zhì)量控制。

1.4 黃連礦質(zhì)元素富集能力評(píng)價(jià)

通過(guò)計(jì)算生物富集系數(shù)BCF(Bio-Concentration Factor)評(píng)價(jià)黃連根莖(BCFr)、須根(BCFf)、地上部(BCFs)對(duì)土壤中礦質(zhì)元素生物累積的潛在能力。BCFr(f/s)值越大，說(shuō)明黃連根莖(須根或地上部)對(duì)土壤中礦質(zhì)元素的富集能力越強(qiáng)。具體計(jì)算公式如下：

BCFr(f/s)=黃連根莖(或須根或地上部)中礦質(zhì)元素含量(mg/kg)/土壤中礦質(zhì)元素含量(mg/kg)

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel 2010軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步整理、繪圖，采用SPSS 22.0進(jìn)行單因素方差分析、LSD多重比較分析、Spearman相關(guān)性分析，相關(guān)性熱圖利用微生信平臺(tái)繪制(http：//www.bioinformatics. com.cn/plot_basic_cor-rplot_corrlation_plot_082)。

2 結(jié)果與分析

2.1 黃連根際土壤礦質(zhì)元素特征

從表2可以看出，土壤中18種礦質(zhì)元素平均含量依次是Fe>K>Mg>Ca>P>Mn>Zn>V>Sr>Cr> Pb>Ni>Cu>Co>As>Mo>Cd>Hg。與中國(guó)土壤元素背景值[10]相比較，石柱黃連根際土壤中K、Mg、Ca、Sr、Cu、Co、As等7種元素平均含量均小于背景值，F(xiàn)e、Mn、V、Ni、Cr、Mo等6種元素平均含量與背景值相當(dāng)。Pb、Zn、Cd、Hg等4種元素平均含量均大于背景值，其平均含量分別為34.34、87.97、0.28、0.10 mg/kg，是全國(guó)土壤元素背景值的1.5、1.3、2.9、2.5倍。在檢測(cè)的18種礦質(zhì)元素中，Mn、P、Mg、Cd、Hg等元素的變異系數(shù)位于34.8%～53.6%，屬于中等變異性，表明研究區(qū)域土壤中上述元素可能因人為活動(dòng)導(dǎo)致分布不均勻。其余元素的變異系數(shù)6.3%～28.9%，變異性較低。

土壤中5種有害重金屬含量依次為：Pb 30.01～39.85 mg/kg、Cd 0.10～0.50 mg/kg、Cr 54.27～72.86 mg/kg、As 4.67～11.46 mg/kg、Hg 0.05～0.18 mg/kg。石柱黃連根際土壤pH值范圍在4.38～6.70，說(shuō)明土壤主要呈酸性或中性。參照《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》(GB 15618—2018)[11]中限量要求，15份土壤中Pb、Cr、As、Hg含量均小于風(fēng)險(xiǎn)篩選值，但部分樣品(pH<7.5)中Cd含量大于0.3 mg/kg，說(shuō)明部分采樣區(qū)域可能存在黃連Cd超標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)加強(qiáng)土壤環(huán)境和黃連協(xié)同監(jiān)測(cè)。

表2 黃連根際土壤礦質(zhì)元素特征(n=15)

2.2 黃連植株中礦質(zhì)元素特征分析

黃連不同器官中礦質(zhì)元素平均含量的測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表3。總的來(lái)看，黃連植株中常量元素以K、Ca含量較高，微量元素以Fe、Mn、Zn含量較高，重金屬元素以Pb、Cd、Cr含量較高。不同器官中礦質(zhì)元素含量差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。黃連根莖中含量最高的元素為P、K，須根和地上部中含量最高的元素為K和Ca。黃連栽培過(guò)程中可適當(dāng)補(bǔ)充鈣肥、磷肥、鉀肥以滿足其生長(zhǎng)需求。具體來(lái)看，F(xiàn)e、Pb、Cd、As含量表現(xiàn)為須根>根莖≈地上部；Mg、Ni、Hg、V含量表現(xiàn)為須根>地上部>根莖，Mn、Co含量表現(xiàn)為須根>根莖>地上部；Cu含量表現(xiàn)為須根≈根莖>地上部；K、P、Cr含量表現(xiàn)為地上部>須根≈根莖；Ca、Sr、Mo含量表現(xiàn)為地上部>須根>根莖；Zn含量表現(xiàn)為根莖>須根≈地上部。

表3 黃連植株中礦質(zhì)元素特征(n=15)

整體而言，黃連植株對(duì)Ca、P、Zn、Cu、Cd的生物累積能力最強(qiáng)，對(duì)Cr、As、V的生物累積能力最弱(圖1)。黃連不同器官對(duì)同一礦質(zhì)元素的富集能力有一定差異，其中黃連須根對(duì)Cd的富集能力分別是根莖和地上部的9倍、15倍。黃連地上部對(duì)Ca的富集能力分別是須根和根莖的3倍、8倍。黃連須根對(duì)Cd、Ca、P、Cu、Zn的富集系數(shù)均大于1，處于強(qiáng)累積水平，對(duì)Mg、Sr、Mn、Hg、Mo、Co的富集系數(shù)位于0.5～1，處于較強(qiáng)累積水平；黃連根莖對(duì)土壤中P、Zn、Cu的富集系數(shù)大于1，處于強(qiáng)累積水平，對(duì)Cd、Ca、Mo的富集系數(shù)位于0.5～1，處于較強(qiáng)累積水平；黃連地上部對(duì)Ca、P、K、Zn的富集系數(shù)均大于1，處于強(qiáng)累積水平。黃連須根對(duì)Cd(7.77)、Ca(2.42)的富集能力均較強(qiáng)，可能與Cd和Ca在物理結(jié)構(gòu)上具有相似性有關(guān)[12]。黃連根莖和地上部對(duì)Cd的富集系數(shù)大大低于7.77，可能的原因是黃連吸收的Cd大部分被保留在細(xì)胞壁中，而細(xì)胞壁中的多種有機(jī)配體與Cd2+進(jìn)行鰲合，限制了其進(jìn)一步在細(xì)胞內(nèi)的傳輸[12]。

圖1 石柱黃連不同器官礦質(zhì)元素富集系數(shù)Figure 1 The bio-concentration factor of mineral elements in different organs of Coptis Chinensis Franch.

2.3 黃連不同器官的礦質(zhì)元素指紋圖譜

礦質(zhì)元素指紋圖譜的建立常用于中藥材產(chǎn)地[13]、生長(zhǎng)年限[14]的區(qū)分。根據(jù)測(cè)定結(jié)果對(duì)黃連植株須根、根莖及地上部分礦質(zhì)元素的分布圖進(jìn)行繪制，以更加直觀地比較。為了繪圖方便，將部分元素含量縮小或放大一定倍數(shù)(K、P、Mg、Ca均縮小10 000倍，Mn、Zn、Fe均縮小50倍，Cu、Sr均縮小5倍，Cd、V、As均擴(kuò)大5倍)。從圖2可以看出黃連同一部位不同元素的形成的指紋圖譜峰形較為一致，說(shuō)明其具有相似的分布特點(diǎn)。比較圖2A和圖2B可以看出須根中Fe、V相對(duì)含量明顯高于Zn含量，可以此作為特征峰形，以鑒別黃連須根冒充黃連根莖粉末的情況。

注：圖中不同顏色代表不同須根、根莖或地上部樣品圖2 石柱黃連不同器官礦質(zhì)元素指紋圖譜Figure 2 Mineral elemental fingerprints of Coptis Chinensis Franch.

2.4 黃連根莖中礦質(zhì)元素間的相關(guān)分析

采用SPSS 22.0統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)黃連根莖礦質(zhì)元素間的元素進(jìn)行Spearman相關(guān)分析，并利用微生信平臺(tái)進(jìn)行可視化處理，結(jié)果見(jiàn)圖3。結(jié)果表明黃連根莖中Mg與K、Cu、Mo，As與Ca、Fe、V，Hg與Mn，V與Ca、Fe，Co與Mn、Hg呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)；Zn與Pb、Cd、Mn，Pb與Mn、Hg，Ca與Fe，Cu與P、K、Ni、Mo，P與K、Mo、Mg，Ni與Co呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)；說(shuō)明黃連根莖中前述元素之間的累積存在協(xié)同作用。Cd與Cu，Mo與Hg，V與Zn呈現(xiàn)極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，Cu與Sr，Mo與Mn、Co、Cd，Cd與P呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，說(shuō)明黃連根莖中上述元素之間的累積存在拮抗作用。其余元素間相關(guān)性不顯著，其中Cr與其余17種元素均無(wú)顯著相關(guān)關(guān)系。

注：R表示黃連根莖，用雙尾顯著性檢驗(yàn)*P<0. 05，**P<0. 01。圖3 黃連根莖中礦質(zhì)元素間相關(guān)性分析Figure 3 Correlation analysis of mineral elements in rhizomes of Coptis Chinensis Franch.

2.5 黃連根莖與土壤礦質(zhì)元素間的相關(guān)分析

黃連根莖中18種礦質(zhì)元素含量與根際土壤環(huán)境的Spearman相關(guān)分析結(jié)果見(jiàn)表4。黃連根莖中的K、Ca、Cu、Cr、As等5種元素含量與根際土壤環(huán)境18種礦質(zhì)元素?zé)o顯著相關(guān)關(guān)系，根際土壤中的P、Mg、Sr、Ni、Cu、Cr、As、Hg、Mo、Co等10種礦質(zhì)元素與黃連根莖中18種礦質(zhì)元素?zé)o顯著相關(guān)關(guān)系(均未在表中列出)。由表5可知，黃連根莖中Fe與土壤中Pb、根莖中Hg與土壤中K、根莖中Mo與土壤中Fe、根莖中Co與土壤中Cd、Mn、K，根莖中Zn與土壤中Ca存在極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，相關(guān)系數(shù)均大于0.6；黃連根莖中P與土壤中Pb，根莖中Mn、Pb與土壤中Ca，根莖中Ni與土壤中Cd，根莖中Hg與土壤中Mn、Cd，根莖中V與土壤中Pb、根莖中Mo與土壤中V呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05)；說(shuō)明黃連根莖中元素與土壤中元素存在一定程度的拮抗作用。根莖中Cd與土壤中Pb、Zn，根莖中Mo與土壤中K存在極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，黃連根莖中的Mg與土壤中K，根莖中Sr與土壤中Cd、根莖中Cd與土壤中Fe、根莖中V與土壤中Ca、根莖中Zn與土壤中Pb呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)；說(shuō)明黃連根莖中Mg、Sr、Cd、V、Zn元素可能存在被動(dòng)吸收的情況[15]。

表4 黃連根莖與根際土壤礦質(zhì)元素間的相關(guān)性分析(n=15)

3 討論

中藥材中Pb、Cd、As、Hg、Cu屬于有害殘留物[16]。黃連的入藥部位為根莖，15份根莖樣品中5種重金屬的平均含量由高到低依次為Cu、Pb、Cd、As、Hg，其中Cu的平均含量為26.35 mg/kg，與郭蘭萍等[17]對(duì)黃連根莖中重金屬檢測(cè)結(jié)果相近。與其它根莖類中藥材如人參[18]、三七[19]相比(Cu含量通常小于10 mg/kg)，黃連根莖中Cu含量較高。根據(jù)《中國(guó)藥典》2020年版四部“9302中藥有害殘留物限量制定指導(dǎo)原則”中對(duì)于重金屬一致性限量指導(dǎo)值[16]，本研究中有8份黃連根莖存在超過(guò)指導(dǎo)值(Cu≤20 mg/kg)現(xiàn)象。ISO國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)、其他國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)中藥材中Cu無(wú)限量要求或限定為150 mg/kg，這與我國(guó)綠色行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[20]相比較為寬松。鑒于此，黃連根莖中銅的限量值是否過(guò)嚴(yán)、中藥材銅殘留風(fēng)險(xiǎn)仍需進(jìn)一步討論與研究。參照《藥用植物及制劑外經(jīng)貿(mào)綠色行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》[20]中限量要求，15份樣品中有1份黃連根莖中Cd含量超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)值(0.3 mg/kg)。德國(guó)、美國(guó)、韓國(guó)、馬來(lái)西亞等國(guó)家對(duì)中草藥中鎘含量要求小于等于0.3或0.2 mg/kg。為促進(jìn)石柱黃連產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展，應(yīng)加強(qiáng)產(chǎn)地環(huán)境監(jiān)測(cè)，在栽培、田間管理、采收、加工、儲(chǔ)藏、運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)中避免或減少人為活動(dòng)導(dǎo)致的重金屬污染。

植物在生長(zhǎng)過(guò)程中，為適應(yīng)環(huán)境和自身發(fā)展的需要，會(huì)對(duì)不同器官的營(yíng)養(yǎng)元素進(jìn)行權(quán)衡與分配[21]。周利等[22]研究發(fā)現(xiàn)在收獲期川穹根莖中P、Fe、Cu、Mn、Cr、Cd 等含量大于莖中含量。陳曉紅等[23]發(fā)現(xiàn)青麻果籽中K、Ca、Fe、Zn含量較青麻果葉更高。本研究所測(cè)的18種礦質(zhì)元素中，同一元素在黃連不同器官中具有明顯差異。Zn含量最高的是黃連根莖。根據(jù)管競(jìng)環(huán)等[24]制定的“植物類重要無(wú)機(jī)元素含量區(qū)間表”，黃連根莖中Zn含量達(dá)到10級(jí)，表明黃連根莖與其它中藥材中Zn含量相比處于較高水平。而Zn含量與黃連中小襞堿、黃連堿等有機(jī)成分含量正相關(guān)[25]。黃連不同部位對(duì)Cd的富集能力由強(qiáng)到弱的順序?yàn)轫毟?、根莖、地上部，這與朱海蘭等[26]的研究結(jié)果一致。黃連須根對(duì)其它重金屬Pb、As、Hg的含量也相對(duì)較高，可能的原因是新陳代謝旺盛的器官對(duì)重金屬的富集能力較強(qiáng)[27]。據(jù)報(bào)道黃連須根中含有相當(dāng)數(shù)量的生物堿，可以用作獸藥[28]。須根中重金屬含量較高的問(wèn)題應(yīng)引起重視，避免通過(guò)食物鏈對(duì)消費(fèi)者的身體健康造成損害。

植物主要通過(guò)根系從土壤中汲取所需營(yíng)養(yǎng)元素，但黃連植株中礦質(zhì)元素平均含量次序與土壤中礦質(zhì)元素含量次序不完全一致。相關(guān)性分析表明，黃連根莖中礦質(zhì)元素(如Cd)與土壤中對(duì)應(yīng)元素(Cd)相關(guān)性均不顯著，而與土壤中的其它礦質(zhì)元素存在相互作用；黃連根莖中元素間存在不同程度的相關(guān)性。綜上，黃連根莖中礦質(zhì)元素含量不僅與其自身對(duì)礦質(zhì)元素的吸收、土壤中礦質(zhì)元素含量有一定關(guān)系，其他環(huán)境因子如氣候、光照、降水等也會(huì)影響黃連根莖中礦質(zhì)元素的累積。黃連根莖中Cd與土壤中Zn、Fe存在顯著正相關(guān)關(guān)系，施用微量元素肥料時(shí)，應(yīng)考慮其對(duì)根莖中Cd累積的影響。

4 結(jié)論

1)石柱黃連植株中常量元素以K、Ca含量較高，微量元素以Fe、Mn、Zn含量較高，重金屬元素以Pb、Cd、Cr含量較高。同一元素在黃連不同器官中的分布具有差異。黃連根莖中Zn平均含量最高，黃連地上部K、P、Cr、Ca、Sr、Mo平均含量最高，其余元素尤其是重金屬元素在黃連須根中含量最高。

2)石柱黃連種植區(qū)域土壤礦質(zhì)元素含量豐富，但鈣、鎂含量較低，存在重金屬Cd污染現(xiàn)象，種植的黃連存在重金屬超標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)。在生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)土壤環(huán)境和黃連的協(xié)同監(jiān)測(cè)，必要時(shí)采取相應(yīng)農(nóng)藝措施以確保黃連質(zhì)量安全。

3) 從相關(guān)性分析看，黃連根莖中元素間主要存在協(xié)同吸收作用；黃連根莖中礦質(zhì)元素與土壤中礦質(zhì)元素既有拮抗作用又有協(xié)同作用。根莖中Cd與土壤中Zn、Fe存在極顯著正相關(guān)關(guān)系，建議施加微量元素肥料時(shí)應(yīng)考慮其對(duì)根莖中Cd累積的影響。