土壤無機元素化學形態與滇重樓主要有效成分相關性研究

施志芬,盤付梅,谷文超,王光志,周 濃*

1成都中醫藥大學 藥學院,成都 611130;2重慶三峽學院生物與食品工程學院 三峽庫區道地藥材綠色種植與深加工重慶市工程實驗室,重慶 404120

滇重樓(Parispolyphyllavar.yunnanensis)為百合科多年生草本藥用植物,主要以干燥根莖入藥,性寒味苦,具有清熱解毒、涼肝定驚、抗腫瘤、抗炎等功效[1-4]。近些年來,由于制藥產業的飛速發展,市場對滇重樓的需求成倍增加,而滇重樓藥用部位生長緩慢,且繁殖率低下,導致野生滇重樓資源枯竭,因此,發展栽培種植品解決野生資源供應不足的問題已迫在眉睫。

元素形態分為物理和化學兩種,其中化學形態指元素在環境中實際存在的分子或離子形式,與元素的富集性、遷移性及生物可利用性等密切相關[5,6],主要包括水溶態、交換態(弱酸提取態)、鐵錳氧化態(可還原提取態)、有機態(可氧化提取態)、殘渣態等[7]。目前對土壤元素的研究主要集中對其元素全量的探討,全量元素雖然能一定程度反映土壤元素總含量的高低,但卻不能直觀反映出真正能被植物吸收利用的元素含量,因此分析土壤中各元素形態的含量對了解某一地區元素分布狀況將具有更加全面的意義。此外,已有大量學者對中草藥根際土壤中的各種重金屬元素形態含量進行了探討[8-10],卻鮮少有對其他無機元素形態的分析。其中,Shen[11]研究了丹參中無機元素的吸收和遷移規律,發現丹參中的無機元素含量受根際元素形態分配的影響較大,主要受根際土壤中交換態、殘渣態、有機態和鐵錳氧化態含量的交互影響。這為滇重樓品質、根際土壤、元素形態遷移等相關方面的研究提供了很好的示范與借鑒。

本研究采用BCR順序提取法提取各元素的化學形態,采用電感耦合等離子體質譜法(inductively coupled plasma mass,ICP-MS)進行含量測定,探究滇重樓野生品與栽培品的根際土壤中16種無機元素的分布規律及含量大小,并與有效成分進行相關性分析,以期為滇重樓合理施肥及規范化種植提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

從云南、貴州、四川3省采集野生滇重樓11份、栽培滇重樓16份,樣品信息見表1,詳細產地信息及樣品前期處理方法,參照前期已有研究[12]。

表1 樣品來源Table 1 Sample sources

栽培品滇重樓前期栽培株大部分為種植戶自己育苗提供,因考慮到產業循環發展的需要以及對種植成本的考量,少部分為根莖切塊繁殖。種植方式為遮蔭網種植,并采用腐殖土、稻草、松針等進行覆蓋處理,有保濕防涼、冬天防凍的作用。種植期間,每年至少施加兩次肥料,冬肥為氮磷鉀復合肥,春肥為經腐熟處理后的農家肥,每一栽培產地具體施肥量不一。

1.2 試劑

16種無機元素標準溶液(1 000 μg/mL)、3種內標單元素標準溶液(1 000 μg/mL)皆為國家標準樣品,采購于國家有色金屬及電子材料分析測試中心。冰醋酸、濃硝酸、鹽酸羥胺、氫氟酸、乙酸銨均為購自于成都科龍公司的優級純。

1.3 元素提取與測定

1.3.1 形態提取方法

元素形態提取采用震蕩提取法,除水溶態單獨提取,其余形態均采用BCR順序提取[13-15],微波消解升溫程序參照Lan等[16]方法進行。

1.3.2 含量測定

以Ge、Rh、Bi為內標元素,采用ICP-MS對各提取液中的P、K、Na、Mg、Al、Ca、Fe、Cu等元素含量進行測定。ICP-MS使用參數設置:射頻功率1 400 W;載氣流速:1.224 L/min;輔助氣流量:1.0 L/min;冷卻氣流速:14.0 L/min;霧化溫度:2.0 ℃;蠕動泵工作轉速:30 r/min;采樣深度3.91 mm;分析時長26 s。

1.4 數據分析

采用Microsoft Excel 2010和SPSS 20.0軟件進行數據處理。

2 結果與分析

2.1 滇重樓根際土壤水溶態元素含量分析

滇重樓根際土壤水溶態元素含量統計結果見表2。由表可知,無論野生滇重樓還是栽培滇重樓,其土壤水溶態中含量居于前四位的都是K、Mg、Ca和Na元素。此外,通過對兩分組的對比,發現P、Na、K、Cu、Ca、Ba、Mo等元素在栽培滇重樓根際土壤水溶態中的含量總體高于野生滇重樓。與野生滇重樓相比,栽培滇重樓中的主要營養元素K和P都有了極大的提升,其中K元素含量增加218.53%,P元素含量增加了734.24%。從變異系數(coefficient of variation,CV)(變異系數=數據的標準差/數據的平均值,用以反映數據的離散程度)來看,Al、Fe元素在樣品根際土壤水溶態中的變異系數皆超過100%,表明水溶態Al、Fe元素含量易受所在地環境影響。

表2 滇重樓根際土壤水溶態元素含量統計Table 2 Content of water soluble fraction elements in rhizosphere soil of P.polyphylla var.yunnanensis

2.2 滇重樓根際土壤交換態元素含量分析

滇重樓根際土壤交換態中各元素含量統計情況見表3。由表可知,滇重樓根際土壤交換態中,Ca、Mg、Al元素含量較高,交換態Mo元素在所有產地的檢測中均未發現。此外,除Na、Co、Mg、Mn、Ni、Se元素以外,栽培滇重樓中其余元素均高于野生滇重樓。土壤中交換態K元素含量極低,即使是在栽培土壤中,含量也沒有明顯提升。從變異系數來看,Mg、Ca元素在兩樣品根際土壤水溶態中的變異系數皆超過100%,表明交換態Mg、Ca元素含量易受所在地環境影響,在不同產地中的分散程度較大。

表3 滇重樓根際土壤交換態元素含量統計Table 3 Content of exchangeable fraction elements in rhizosphere soil of P.polyphylla var.yunnanensis

2.3 滇重樓根際土壤鐵錳氧化態元素含量分析

滇重樓根際土壤鐵錳氧化態中各元素含量統計情況見表4。從中可以看出,Ca、Fe、Al、Mg元素在土壤鐵錳氧化態中的含量較高,且在兩個分組的所有產地中未檢測出Na、Cu元素,說明其土壤中的Na、Cu元素不以此形式存在。此外,除Mg、Mn、Al、Sb、Co元素外,栽培滇重樓中其余元素含量均高于野生滇重樓。P、K元素在野生滇重樓的基礎上分別增加了341.05%、181.36%。從變異系數來看,兩分組中Mg、Ca元素變異系數皆大于100%,表明Mg、Ca元素含量受所在地環境影響較大。

表4 滇重樓根際土壤鐵錳氧化態元素含量統計Table 4 Content of Fe-Mn oxide fraction in rhizosphere soil of P.polyphylla var.yunnanensis

2.4 滇重樓根際土壤有機態元素含量分析

滇重樓根際土壤有機態中各元素含量統計結果見表5。由表可知,有機態Fe、Al、Mg元素的含量較高,但未檢測到Na元素,表明土壤中的Na不以此形式存在。此外,在兩個分組的對比研究中發現,栽培滇重樓的整體元素含量較野生滇重樓高。從變異系數來看,滇重樓野生樣品和栽培樣品根際土壤中有機態Ca、Mg、P、Sb元素的變異系數大于100%。表明以上有機態元素在不同產地中的分散程度較大,其元素含量受所在地環境影響較大。

表5 滇重樓根際土壤有機態元素含量統計Table 5 Content of organic fraction elements in rhizosphere soil of P.polyphylla var.yunnanensis

2.5 滇重樓根際土壤殘渣態元素含量分析

滇重樓根際土壤殘渣態元素含量統計結果見表6。由表可知,以殘渣態形式存在的土壤元素中,Fe、K、Al等元素含量明顯較高。此外,從整體元素含量高低來看,除Al、Mg、Sb以外,栽培滇重樓其他元素含量皆高于野生滇重樓。從變異系數來看,兩分組中的Mg、Se、Sb元素變異系數皆大于100%,表明以上殘渣態元素在不同產地中的分散程度較大,元素含量受所在地環境影響較大。

表6 滇重樓根際土壤殘渣態元素含量統計Table 6 Content of residual fraction elements in rhizosphere soil of P.polyphylla var.yunnanensis

總的來看,所有化學形態元素含量均以Ca、Mg、Al、Fe等元素含量居多,Mo、Co、Se、Sb等元素含量較少。大部分元素均以殘渣態形式呈現,且栽培滇重樓的各個形態元素含量總體上高于野生滇重樓,其中,土壤中主要營養元素K和P均為栽培樣品高于野生樣品,表明人工栽培技術可以通過人為手段調控滇重樓生長的土壤環境,從而獲取高產優質的滇重樓藥材。

在前期對不同產地各形態元素研究的基礎上[17],結合具體產地來說,野生產地中,貴州省安順市西秀區(Yt-1)的根際土壤水溶態、交換態、有機態元素豐富,其中水溶態K、Na交換態Na、Al,有機態P、K元素含量相對較大;貴州省興義市(Yt-5)和云南省玉龍納西族自治縣(Yt-11)鐵錳氧化態和殘渣態元素含量較大,Yt-5中的鐵錳氧化態P、K和殘渣態P元素含量較大,Yt-11中的鐵錳氧化態Mn和殘渣態Mg元素含量相對較大;栽培產地中貴州省織金縣(Zt-1)的根際土壤中5種形態元素皆較為豐富,其中水溶態K、Na、Mg交換態Na、Al,鐵錳氧化態P、K,有機態P和殘渣態P元素含量較大;四川省會東縣(Zt-4)水溶態、交換態、殘渣態元素較為豐富,其中水溶態P,交換態K、Na,殘渣態P元素含量較大;云南省玉龍縣(Zt-15)有機態和殘渣態元素較為豐富,其中有機態P和殘渣態P元素含量相對較大;貴州省龍里縣(Zt-3)、云南省易門縣(Zt-6)、云南省昌寧縣(Zt-12)水溶態元素含量較豐富,其中皆為水溶態K元素含量較大。

2.6 相關性分析

在前期對不同滇重樓皂苷研究的基礎上[18],利用SPSS相關軟件,對不同產地滇重樓根際土壤中的各元素形態與9種重樓皂苷進行相關性分析。并進一步挑選出各化學形態下與重樓皂苷有顯著相關關系的化學元素,綜合分析滇重樓根際土壤的不同化學形態元素與重樓皂苷的關系。

由表7可知,水溶態P、K元素與重樓皂苷VII、H、Ⅴ有著顯著負相關關系(P<0.05),P元素又與重樓皂苷Ⅰ有著極顯著負相關關系(P<0.01),K元素與重樓皂苷Ⅰ呈顯著負相關;在水溶態中含量較高的Mg、Ca、Na元素與有效成分之間的關系總體上來說不顯著。含量相對較少的Co、Ba、Se元素與重樓皂苷的相關性反而更強一些,Co、Se元素與重樓皂苷Ⅶ呈顯著正相關(P<0.05),與重樓皂苷Ⅱ呈顯著負相關。Ba、Se元素與重樓皂苷Ⅵ呈極顯著正相關(P<0.01),Se元素又與重樓皂苷H呈極顯著正相關。總而言之,水溶態P、K元素在重樓皂苷的形成與累積過程中存在拮抗作用,Ba、Se元素在一定程度上促進了重樓皂苷的形成與累積。

表7 滇重樓根際土壤水溶態元素與重樓皂苷相關性分析Table 7 Correlation analysis between water soluble fraction elements and polyphyllin in rhizosphere soil of P.polyphylla var.yunnanensis

由表8可知,在重樓皂苷Ⅰ的分析項下,交換態P元素與之呈極顯著負相關;在薯蕷皂苷以及重樓皂苷Ⅰ的分析項下,Al、Fe元素皆與之呈極顯著正相關;含量相對較少的交換態K、Se元素與重樓皂苷VII、H呈極顯著相關關系,其中K元素與之皆呈極顯著負相關,Se元素與之皆呈極顯著正相關;含量和變異系數都較大的Ca、Mg元素,Ca元素與總體有效成分間的相關性不顯著,Mg元素與重樓皂苷VI、H呈顯著正相關關系。總而言之,交換態P、K元素對重樓皂苷的累積有拮抗作用,而交換態Al、Fe和Se元素對重樓皂苷的累積具有促進作用。

表8 滇重樓根際土壤交換態元素與重樓皂苷相關性分析Table 8 Correlation analysis between exchangeable fraction elements and polyphyllin in rhizosphere soil of P.polyphylla var.yunnanensis

由表9可知,在偽原薯蕷皂苷這一分析項下,鐵錳氧化態Mn元素與之呈極顯著正相關;綜合重樓皂苷Ⅶ、H,K元素皆與之呈極顯著負相關;綜合重樓皂苷Ⅰ、Ⅴ,K元素與它們皆呈顯著負相關;Mg、Se元素與重樓皂苷H呈顯著正相關,Ba、Se元素與重樓皂苷Ⅵ有著顯著正相關關系, Mg元素與重樓皂苷Ⅵ呈極顯著正相關;Al元素與重樓皂苷Ⅰ、薯蕷皂苷呈顯著正相關關系;含量較高的Ca、Fe元素與有效成分間無顯著的相關性;總而言之,鐵錳氧化鈦K元素在重樓皂苷的累積過程中有拮抗作用,鐵錳氧化鈦Mg、Mn、Se、Al元素對重樓皂苷的累積具有促進作用。

表9 滇重樓根際土壤鐵錳氧化態元素與重樓皂苷相關性分析Table 9 Correlation analysis between Fe-Mn oxide fraction elements and polyphyllin in rhizosphere soil of P.polyphylla var.yunnanensis

由表10可知,有機態 Sb元素與偽原薯蕷皂苷呈極顯著正相關關系;在重樓皂苷Ⅶ、Ⅵ的分析項下,元素K皆與之呈顯著負相關。在重樓皂苷Ⅰ和薯蕷皂苷的分析項下,元素K皆與之呈顯著正相關,元素Al皆與之呈極顯著正相關;在重樓皂苷VI的分析項下,元素Mn、Bb、Se皆與之呈極顯著正相關;Se元素與重樓皂苷II呈極顯著負相關;總而言之,有機態K和Se元素對不同的重樓皂苷呈現不同的作用,既有拮抗作用又有促進作用,而有機態Al、Mn、Ba、Sb元素對重樓皂苷的累積具有促進作用。

表10 滇重樓根際土壤有機態元素與重樓皂苷相關性分析Table 10 Correlation analysis between organic fraction elements and polyphyllin in rhizosphere soil of P.polyphylla var.yunnanensis

由表11可知,在偽原薯蕷皂苷的分析項下,殘渣態元素Sb與之呈極顯著正相關;在重樓皂苷VII的分析項下,元素K與之呈顯著負相關;重樓皂苷VI的分析項下,元素Na與之呈顯著負相關,元素Se與之呈顯著正相關;重樓皂苷Ⅱ和纖細薯蕷皂苷分析項下,元素K皆與之呈顯著正相關;與上述4種元素形態相比較而言,殘渣態元素整體對重樓皂苷的影響不大。究其原因,殘渣態元素大多存在于硅酸鹽晶格之中,其存在形式不利于植物的吸收利用。

表11 滇重樓根際土壤殘渣態元素與重樓皂苷相關性分析Table 11 Correlation analysis between residual fraction elements and polyphyllin in rhizosphere soil of P.polyphylla var.yunnanensis

由表12可知,鐵錳氧化態Mn元素,有機態和殘渣態的Sb元素皆與偽原薯蕷皂苷呈極顯著正相關;交換態K與鐵錳氧化態K元素,皆與重樓皂苷VII、H呈極顯著的負相關關系;水溶態和交換態Se元素與重樓皂苷H、VI呈極顯著的正相關關系;水溶態Ba元素,鐵錳氧化態Mg以及有機態Mn、Ba元素皆與重樓皂苷VI呈極顯著的正相關;交換態Al、Fe和有機態Al元素皆與薯蕷皂苷、重樓皂苷Ⅰ呈極顯著正相關關系;總的來說,滇重樓纖細薯蕷皂苷的形成受根際土壤無機元素的影響不大。

表12 滇重樓根際土壤各化學形態重點元素與重樓皂苷相關性分析Table 12 Correlation analysis between key elements of various chemical forms and polyphyllin in rhizosphere soil of P.polyphylla var.yunnanensis

3 討論與結論

元素形態是生態地球化學調查與評價的重要內容之一,是研究元素遷移和轉化等循環規律的重要基礎[7]。研究表明,水溶態和交換態具有較高的生物有效性,在環境體系中極易遷移和轉化而被植物吸收利用[19]。結合本研究結果,水溶態中的K元素含量較高,其作為植物重要的營養元素之一,能夠促進滇重樓的光合作用,調節植株體內細胞滲透壓,增強植物對不良環境的適應能力。相比于野生滇重樓,栽培品中的K元素含量明顯較高,說明了栽培地塊中土壤肥力較好,這可能與栽培滇重樓的人工施肥有密切關系。但另一重要營養元素P在交換態和水溶態中的含量少,在有機態和殘渣態中的含量高,在栽培地塊的人工處理方面可以適當追施磷肥,提高土壤肥力。對一些有重要作用,但含量少或者是未檢測出的元素,也應當采取施肥的措施來進行彌補,在交換態中并未檢測出Mo元素,但Mo元素在滇重樓植株的光合作用、株高、根莖產量等方面有著積極地促進作用。鐵錳氧化態是元素與水合Fe2O3和Mn2O3生成結核體的一部分,其穩定度很差,研究表明這一形態重金屬易通過還原反應從而被釋放出來,對環境具有潛在威脅[20]。有機態具有較強的化學鍵,在強氧化條件下才能分解,因此較為穩定[21]。在這兩種化學形態中,Ca、Mg、Al、Fe等元素的含量較高,說明它們未與上述離子團結合或結合體不穩定,皆未檢測出Na元素,說明處于游離狀態的Na+在交換態提取過程中已被提取。殘渣態是元素被包裹在礦物晶格中的一種形態,此形態十分穩定,不易被釋放也不易被植物利用,是一種惰性形態[22]。在本次的研究中,大部分元素以殘渣態的形式存在,側面反映了實際可以被利用的元素含量很低。不同產地各化學形態元素豐富度不一,同一元素的含量也不一致,有些甚至差異明顯,這與產地所在地理環境,農業生產方式,栽培以及后期施肥管理等因素有關。對滇重樓野生和栽培品根際土壤中各元素化學形態的研究,直觀的反映了土壤元素的有效含量。

相關性分析表明,滇重樓藥材的品質與其根際土壤元素有著密切的關系。營養元素對有效成分的作用不一定都是正向的,就如水溶態、鐵錳氧化態、交換態中的P、K元素,在促進滇重樓植株健康生長的同時在一定程度上也對其有效成分的累積產生了一定的抑制作用。同一化學形態下的同一元素,對有效成分的作用不一定是單一的,就如有機態K、Se元素對有效成分的形成既有拮抗作用又有促進作用。不同化學形態下的不同種元素,對有效成分的作用趨勢可能是一致的。就如不同化學形態下的Al、Ba、Fe、Se等元素與重樓皂苷呈顯著的正相關關系,其中的Se元素貢獻尤為突出,其交換態、水溶態以及有機態都對重樓皂苷VI、VII、H有極大促進作用。同時,Se元素也是人體必需的微量營養元素[23],近年來富Se產品受到廣泛追捧。因此,在滇重樓的人工栽培過程種適當施加Se肥,能夠提高其藥用價值以及經濟價值。殘渣態元素因其自身特性,不易被植株吸收利用,與各有效成分的相關性也就遠低于其他化學形態元素。因此,在進行土壤元素研究時,在研究全量元素的同時,也要注重對元素形態的分析,以便了解土壤元素的有效性。

藥用植物的根際土壤,是植株與外界環境進行物質交換的直接媒介,是影響藥用植物品質與產量的物質基礎。根際土壤中的無機元素在中藥材適宜種植區域的選擇、規范化種植、品質形成與評價方面扮演著重要角色。因此探究各化學形態下的具體元素含量以及各元素與藥材有效成分之間的關系就顯得格外重要。本研究初步探究了滇重樓根際土壤各元素形態下的具體元素與重樓皂苷的關系,以期為滇重樓適宜生長區域的選擇、規范化種植、品質形成與評價等方面提供參考。而關于不同產地滇重樓根際土壤中各無機元素是如何遷移與轉化的相關問題仍需要進一步探究。