秦艽药材及其生长土壤中无机元素含量特征及相关性分析

宋九华， 陈兴福， 唐　琼， 刘素君， 成　英， 杨孝容

( 1. 乐山师范学院 化学学院， 四川 乐山 614004; 2. 四川农业大学 农学院， 四川 温江 611130 )



秦艽药材及其生长土壤中无机元素含量特征及相关性分析

宋九华1， 陈兴福2*， 唐琼1， 刘素君1， 成英1， 杨孝容1

( 1. 乐山师范学院 化学学院， 四川 乐山 614004; 2. 四川农业大学 农学院， 四川 温江 611130 )

该研究采用原子吸收分光光度法和火焰光度法，测定云南20个种植地的秦艽及其生长土壤中无机元素的含量，探讨药材中无机元素分布特征，并对药材中无机元素含量与土壤中无机元素含量的相关性进行了分析。结果表明：云南秦艽药材无机元素的含量呈现K>Ca>Mg>Fe>Mn>Zn>Cu有规律的分布态势；通过相关性分析、主成分分析和逐步回归分析发现秦艽的特征元素为K、Cu、Ca和Zn；药材中钾含量与土壤中锌，钙与土壤中锰和铜，锰与土壤中钙和镁，铜与土壤中钾和锌元素含量间均分别显著负相关；而药材中镁含量与土壤中钙和镁，铁、铜与土壤中铁元素含量间均呈显著正相关。对秦艽各无机元素含量影响最大的因子是秦艽生长土壤有效钙，有效铁和有效锌其次，最后为有效锰。该研究结果为秦艽道地性成因及适宜栽培区域的选择提供了参考，为秦艽资源合理利用和GAP研究以及从无机元素的角度品评药材品质提供了理论依据。

秦艽, 无机元素, 土壤, 关联分析

秦艽为龙胆科多年生草本植物秦艽(Gentianamacrophylla)、粗茎秦艽(G.crassicaulis)、麻花秦艽(G.straminea)或小秦艽(G.dahurica)的根(国家药典委员会，2010)。其中粗茎秦艽主要分布在云南、西藏和四川等地。据笔者实地考察，云南丽江玉龙县已有大规模种植的粗茎秦艽药材，主要分布在鲁甸、杵峰村、安乐等村镇。

中药疗效不仅与有机成分有关，还与无机元素的种类和含量密切相关(贡济宇等，2002)，中药微量元素对人体所缺乏的各种微量元素起到重要的调节、补充作用。同时，无机元素也体现药用植物本身的生理特点，对药材的生长和次生代谢产物的形成等机制产生重要影响(刘大会等，2010; 简在友等，2009)。药材元素含量高低的影响因素主要有遗传因素和外部环境，同种中药材由于种植环境不同，其元素含量差异较大(张树平等，2010)。近年来，关于秦艽有机成分及药理作用的报道较多，但有关秦艽中无机元素分布规律报道较少(吴靳荣等，2010)，有关秦艽药材中无机元素与其生长土壤中无机元素相关性研究还未见深入报道。本研究对云南20个不同产区秦艽药材及其生长土壤中钾、钙、镁、铁、锰、锌、铜7种无机元素含量进行了测定，研究其元素分布规律及药材与土壤中元素含量的关系，探讨药材对元素的吸收规律，为药材部分药理作用机制及药材的种植提供科学依据，为丰富和发展秦艽药材多指标评价体系及品质形成的成因提供参考。

1　材料与方法

1.1 仪器试剂

Z-2000型原子吸收分光光度计(日本日立公司)；AL104电子天平(梅特勒-托利多仪器上海有限公司)；UPT-I-20T超纯水器(成都超纯水科技有限公司)；K、Ca、Mg、Fe、Mn、Zn、Cu元素的标准溶液(光谱纯，核工业北京化工冶金研究院)，其它试剂均为优级纯。

1.2 样品采集

秦艽药材及其土壤于2012年11月采自云南玉龙县多个村镇。采样时每块地采用5点取样法，采集两年生秦艽根茎，洗净、烘干、过筛备用。同时，以采集秦艽样品的地块中心作为采样点，每个采样点采集土壤剖面0～30 cm深度的耕作层土壤1 kg左右，装入布袋中带回实验室，干燥后磨细、过筛备用。秦艽和土壤样品各20份，药材由四川农业大学陈兴福教授鉴定为粗茎秦艽(G.crassicaulis)。

1.3 样品制备

1.3.1 秦艽样品样品粉碎(过60目筛)，60 ℃烘至恒重，准确称取1.0 g，置四氟乙烯烧杯中，加硝酸-高氯酸 (4∶1) 混合溶液25.00 mL，混匀，瓶口盖上表面皿，浸泡过夜(置于通风橱浸泡过夜)，加热消解。放冷，用1%硝酸溶液洗涤，洗液合并于容量瓶中，稀释至刻度，摇匀，即得。同法同时制备试剂空白溶液。K元素用火焰原子吸收光度法测定，Ca、Mg、Fe、Mn、Zn和Cu用原子吸收分光光度法测定。

1.3.2 土壤样品用原子吸收分光光度法测定有效Fe、有效Mn、有效Zn 和有效 Cu 的含量(张重义等，2003)；用中性醋酸铵溶液浸提-原子吸收分光光度法测定交换性Ca和Mg的含量(鲍士旦，2000)。土壤速效钾用火焰原子吸收分光光度法测定。

1.3.3 无机元素标准溶液的制备用移液管分别精确移取不同体积的元素标准储备液，稀释定容至50 mL，配置成不同浓度梯度的标准溶液。分别测定其响应值，绘制各元素的标准曲线。

2　结果与分析

2.1 秦艽药材中无机元素含量特征

2.1.1秦艽中无机元素指纹图谱的建立不同产区秦艽根茎中7种无机元素的含量结果见表1。

表 1　秦艽中无机元素含量

由表1可见，不同生长土壤下的秦艽根茎中7种无机元素的含量差别都较大，其中K含量均较高 (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。从结果还可以看出，不同样品之间同一元素的差异也很大，差异最大的锰元素，最大值与最小值相差6倍以上，其次为铁和铜，相对标准偏差均在40%左右，差异最小的为钾，相对标准偏差在10%以下。说明在大气候及种质资源相同的情况下，秦艽中无机元素含量也存在明显差异，所以土壤因子是其主要影响因素。

图 1　玉龙秦艽样品中无机元素含量分布曲线Fig. 1　Inorganic elements chromatogram of G. crassicaulis

根据元素的定量测量结果，为了绘图方便，把大量元素K、Ca、Mg均缩小100倍，20批秦艽样品的无机元素分布图谱绘制在一起，结果见图1。由图1可见，20批秦艽样品中，7种无机元素基本具有相似的峰形，说明其元素分布呈现非常相似的有规律的分布态势，只是由于产区不同，个别样品的含量有所差异。在近似的峰形中均体现出K>Ca>Mg>Fe>Zn>Mn>Cu的趋势，这与吴靳荣等(2010)所测的玉龙纳西族自治县采集的粗茎秦艽栽培品原植物标本中元素含量变化趋势相同。

2.1.2 秦艽无机元素主成分分析本研究采用SPSS19.0软件对数据进行分析，其主成分分析结果见表2和表3。

表 2　秦艽中无机元素的主成分分析

首先对原始数据进行标准化，以降低原始数据间数量级的差异。以7个无机元素为变量，20个产区药材样品为样本，运用主成分分析对数据进行降维，分析结果见表2，共提取出3个主成分，占方差贡献的66.188%，即3个主成分可以代表原7个元素65% 以上的信息。由因子载荷矩阵可知，第一主成分与Cu和K元素高度正相关；第二主成分与Ca，Zn高度正相关。方差47.53%的贡献来源于前两个主成分，因此秦艽的特征元素为K、Cu、Ca、Zn。

以各主成分因子得分与方差贡献率乘积之和相加，得出各个秦艽样品的无机元素总因子得分值F，其综合评价函数为F= 0.254 75Fl+ 0.220 53F2+0.186 59F3。按综合评价函数计算出各秦艽的综合得分及排名见表3。来自鲁甸村的18号样品，杵峰村的9号样品和来自安乐村的11号样品综合排名分别位于1、2、3名，表明从无机元素考虑这三个种植地秦艽品质较好。

表 3　秦艽综合主成分值及排名

表 4　秦艽中各无机元素间的相关性分析

注： *表示在 0.05 水平(双侧)上显著相关。

Note: * means significant correlation atP=0.05.

2.1.3 秦艽中无机元素间相关性分析根据药材中7种无机元素的含量测定结果，探索元素间的关系，对药材中无机元素进行相关分析，结果见表4。表4结果表明K 和 Cu 在P<0.05 水平显著正相关表明秦艽对这两种元素的吸收具有一定的协同作用，其他元素相关性不显著。

2.2 药材与土壤间无机元素相关性分析

2.2.1 土壤中无机元素含量由表5可见，秦艽生长土壤无机元素均有显著差异，变异系数均大于40%。土壤中各元素含量高低顺序为Ca>K>Mg>Mn>Fe>Zn>Cu。土壤中无机元素含量大小的顺序与药材中不完全一致，但Mg、Zn和Cu在药材和土壤中的位置和顺序完全一致，只是K与Ca ，Mn与Fe交换了顺序。说明秦艽无机元素的吸收既受土壤背景的影响，也受秦艽自身对不同无机元素的吸收特性的影响。

表 5　土壤中无机元素含量分析

2.2.2 相关性分析从表6可见，药材中K元素含量与土壤中有效锌极显著负相关，相关系数-0.57；钙含量与土壤中有效锰和有效铜显著负相关，相关系数分别为-0.53和-0.52；镁含量与土壤中交换性钙和交换性镁均极显著正相关，相关系数分别为0.64和0.62；铁含量与土壤中有效铁含量极显著正相关，相关系数为0.62；锰含量与土壤中交换性钙和交换性镁极显著负相关，相关系数分别为-0.66和-0.59；铜含量分别与土壤中速效钾和有效锌显著负相关，相关系数分别为-0.45和-0.46，与土壤中有效铁显著正相关，相关系数为0.46。

表 6　秦艽药材与土壤间无机元素相关性分析

注： * 在0.05水平(双侧)上显著相关； ** 在0.01水平(双侧)上显著相关。

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

表 7　逐步回归分析结果

2.2.3 逐步回归分析分别以秦艽各元素K、Ca、Mg、Fe、Mn、Zn、Cu元素含量作因变量 (Y)，以土壤主要无机元素速效K(X1)，交换性Ca(X2)、交换性Mg(X3)、有效Fe(X4)、有效Mn (X5)、有效Zn(X6)、有效Cu(X7)作自变量，应用多变量逐步回归剔除对秦艽各无机元素含量影响较小的因子，建立秦艽各元素含量与主导因子的回归方程(见表7)。

由表7可见，对秦艽各无机元素含量影响最大的是秦艽生长土壤交换性钙，其次为有效铁和有效锌，最后为有效锰。秦艽药材中K元素主要受到土壤有效锌的抑制作用，决定系数R2(R2反映了秦艽无机元素量中能够通过回归方程被土壤元素因子解释的比例)为0.319，其相关系数达-212.496；影响秦艽中钙元素含量的主要因子为土壤中有效锰含量，相关系数为-8.940，决定系数为0.276；秦艽中镁元素主要受到土壤中有效钙的正向促进作用，其相关系数为0.127，决定系数为0.415；影响秦艽中铁元素含量的主要因子为土壤中有效铁含量，其相关系数为1.762，决定系数为0.379；土壤中有效钙对秦艽中锰元素含量起负向抑制作用，其相关系数为-0.019，决定系数达0.430；秦艽铜含量受到土壤中有效铁的正向促进作用，但却受到土壤中有效锌的负向抑制作用，相关系数分别为 0.017和-0.315，决定系数分别为0.166和0.170；对秦艽中锌元素的影响因子进行逐步回归分析发现，各土壤元素对其影响均未达到显著水平，被剔除。

3　讨论

无机元素作为中药有效成分之一，也是评价药材道地性的特征指标之一。本研究发现来自云南20个不同产区的秦艽均富含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批药材样品中元素分布呈现出相同的分布态势，这一共性是玉龙秦艽无机元素指纹与其它来源秦艽无机元素指纹的区别(牛晓雪等，2011; 赵晓辉等，2010; 周玉珊等，2008)。通过主成分分析筛选出K、Cu、 Ca、Zn为云南秦艽的特征无机元素，这为秦艽药理作用与无机元素的关系研究提供理论依据。结合上述两种方法，可以从无机元素这一角度进行云南秦艽药材的品质评价。

植物体内的各无机元素含量一定程度上受到土壤中的无机元素含量的影响(汪丽娅等，2005)。通过对秦艽药材中无机元素与其生长土壤无机元素相关分析发现，药材中K、 Ca、Mg、Fe、Mn和Cu均受到土壤中无机元素的显著影响，进一步通过逐步回归分析发现影响药材中无机元素的主要因子为土壤中交换性钙，其次为有效铁和有效锌，最后为有效锰。秦艽中某些无机元素与其生长土壤中元素存在一定的相关性，加之秦艽中无机元素含量呈规律分布的特征，说明秦艽对各元素的吸收存在一定的比例关系，具有协同作用、选择性吸收和离子拮抗等特点(谷巍等，2012)。通过对云南20个产区秦艽药材与其生长土壤中无机元素相关性的研究，以期为秦艽道地性成因及适宜栽培区域的选择和秦艽GAP规范化种植提供参考。

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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

四川省教育厅资助项目(15ZA0283)； 乐山师范学院人材启动项目(Z1516) [Supported by education office of Sichuan province (15ZA0283)； Leshan Normal College Talent to Start the Project (Z1516)]。

宋九华(1974-)，女，博士，四川仁寿人，高级实验师，研究方向为药用植物资源评价及次生代谢产物，(E-mail)songjh12@163.com。

陈兴福，教授，博士生导师，研究方向为川产道地及特色药材生理生态与栽培，(E-mail)chenxf64@sohu.com。

Q945

A

1000-3142(2016)09-1101-06

宋九华， 陈兴福， 唐琼， 等. 秦艽药材及其生长土壤中无机元素含量特征及相关性分析 [J]. 广西植物， 2016， 36(9):1101-1106

SONG JH, CHEN XF, TANG Q， et al. Distribution characteristics and correlation analysis of inorganic elements inGentianacrassicaulisand in growing soil [J]. Guihaia， 2016， 36(9):1101-1106