香叶天竺葵不同部位中19种无机元素分布规律研究

袁建民，何 璐*，杨晓琼，许智萍，孔维喜

(1.云南省农业科学院 热区生态农业研究所，云南 元谋 651300；2.云南元谋干热河谷植物园，云南 元谋 651300)

0 引言

香叶天竺葵(PelargoniumgravelensL.)别名摸摸香、驱蚊草等，为牻牛儿苗科天竺葵属双子叶多年生亚灌木植物，原产于非洲南部，现主产于法国、埃及、摩洛哥和中国等地，在我国主要分布于云南、四川、江苏、浙江、福建和广东等地，其中云南仍为主要种植区域，并以云南省宾川县种植面积最大。香叶天竺葵全株可入药，味辛性温，具有治疗风湿、疝气阴囊湿疹、抗癌、抗肿瘤等功效[1]。其提取的精油称为香叶油，富含香叶醇、玫瑰醇、香茅醇等化学成分，可用于调制香水、香精，还可用作食品、药品和化妆品的添加剂，现已成为全球香料产业的重要原料，香叶天竺葵开发利用前景广阔。

现有关于香叶天竺葵的研究主要集中于组培快繁[2-7]、栽培技术[8-11]、化学成分[12-15]、药理作用[16-20]、香料香精[21-22]等方面，而对无机元素含量及分布规律的研究却鲜有报道。无机元素参与生物体中酶、激素和维生素等的生理活性反应，对有机体的正常代谢具有重要作用。前人研究表明，无机元素含量可以表征不同产区植物样品品质的差异性[23]、无机元素可用于鉴定栽培与野生资源[24]、无机元素含量与活性成分之间存在密切相关性[25]、无机元素还可对药材来源地进行鉴别和归属[26]。另有研究表明，无机元素含量与药材类植物的药性、药效及重要成分如总黄酮、咖啡酸、多酚化合物等含量呈显著正相关或负相关[27-28]，同时重金属限量也越来越受到关注。此外，一些无机元素与人体代谢、生理异常或疾病密切相关[29]，如B元素具有增加骨密度的作用，许多癌症患者与缺Mo元素有关。因此，对香叶天竺葵中无机元素含量及分布规律的研究，对研究其物质基础及资源利用具有重要意义。

本研究利用电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES)测定干热河谷条件下香叶天竺葵不同部位(老枝、嫩枝、叶片)中19种无机元素的含量，采用单因素方差分析、聚类分析、相关性分析、因子分析等统计方法分析其分布规律，以期对香叶天竺葵不同部位中无机元素含量和分布有更深入了解，为香叶天竺葵的有效开发和综合加工利用提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验时间和地点

田间试验于2018年3～10月在云南省元谋县云南省农业科学院热区生态农业研究所香叶天竺葵试验基地进行。室内试验于2018年7～9月在云南省农业科学院热区生态农业研究所干热河谷生态农业实验室进行。香叶天竺葵试验基地位于金沙江干热河谷元谋段( 25°23′～26°06′ N，101°35′～102°06′ E)，海拔1100 m，此区域内气候以干热为典型特征，年平均气温21.9 ℃，极端最高气温42 ℃，极端最低气温-2 ℃，年降水量613.8 mm，主要集中在5～9月，其他月份少雨或无雨，年蒸发量3911.2 mm。

1.2 试验材料

供试材料为来源于云南宾川县的香叶天竺葵种质资源(编号为Z3)的叶片、嫩枝、老枝。2018年3月种植于云南省元谋县云南省农业科学院热区生态农业研究所香叶天竺葵试验基地。生长年限为1年生，株行距为0.5 m×0.5 m。2018年7月采集其成熟叶片、嫩枝(成熟度达50%，木质化程度低，颜色为绿色)和老枝(成熟度达100%，木质化程度高。颜色为褐色)，3次重复(每5株植株为1重复)。鲜样经自来水冲洗干净，剪成小段，装入信封纸袋，于65～70 ℃电热恒温鼓风干燥箱烘至恒重，经研磨机粉碎，过尼龙筛，混匀，保存备用。

1.3 主要仪器与试剂

PQ9000电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES)，由德国耶拿生产；微波消解仪Milestone Ethos up(maxi-44)，由意大利迈尔斯通生产；超纯水仪UPH-IV-20T，由中国优普生产；万分之一分析天平(ATX224，由日本岛津公司生产)；研磨机(FSJ-A03D1，Bear)；电热恒温鼓风干燥箱(GZX-9140MBE，由上海博讯实业有限公司生产)；移液枪(RAININ，由美国瑞宁生产)；浓硝酸(优级纯，由重庆川东化工有限公司生产)；30%过氧化氢(优级纯，由天津市化学试剂一厂生产)；超纯水(电阻率≥18.2 MΩ·cm)；多元素混合标准溶液(Al、As、B、Ba、Be、Bi、Cd、Co、Cr、Cu、Fe、Ga、Li、Mg、Mn、Ni、Pb、Sb、Sn、Sr、Ti、TI、V、Zn共24种元素)，以及K、Ca、Na、P、S、Se、Si、Mo等单个元素标准溶液，均购自国家有色金属及电子材料分析测试中心。氩气纯度≥99.999%。试验用水均为超纯水；容量瓶、烧杯等玻璃器皿均用10%硝酸浸泡24 h，均用超纯水清洗烘干备用。

1.4 试验方法

每份样品分别称取3个重复，每个重复0.2000 g，采用6 mL浓硝酸和2 mL双氧水的混合酸浸泡过夜，利用微波消解仪进行样品消解，同时做空白试验，利用ICP-OES测定B、Zn、Fe、Mg、Mn、Ni、Pb、Cr、Cd、Cu、Co、Ca、K、Mo、Na、P、S、Se、Si共19种元素含量。微波消解程序：消解功率为1800 W，第一步：温度为140 ℃，保持时间5 min，爬升时间15 min；第二步：升温至180 ℃，保持时间20 min，爬升时间10 min；第三步：冷却至室温，冷却时间20 min。ICP-OES工作参数：等离子体观测方式为轴向(axial)；高频发射器功率为1200 W；氩气压力为0.65 MPa；冷却气流量12 L/min；辅助气流量0.5 L/min；雾化气流量0.5 L/min；蠕动泵正常流速1.00 mL/min；正常进样时间15 s；快泵流速4.0 mL/min；清洗时间5 s；积分时间1 s；测量次数3次。B、Zn、Fe、Mg、Mn、Ni、Pb、Cr、Cd、Cu、Co、Ca、K、Mo、Na、P、S、Se、Si共19种元素检测波长分别为B 249.773 nm、Zn 206.200 nm、Fe 259.940 nm、Mg 279.553 nm、Mn 257.610 nm、Ni 231.604 nm、Pb 220.353 nm、Cr 267.716 nm、Cd 214.441 nm、Cu 324.754 nm、Co 228.615 nm、Ca 317.933 nm、K 766.491 nm、Mo 202.030 nm、Na 589.592 nm、P 213.618 nm、S 180.672 nm、Se1 96.028 nm、Si 251.611 nm。

1.5 数据分析

试验中所有数据均采用Excel 2003软件进行初步整理，采用SAS 9.0软件进行差异显著性分析、相关性分析、聚类分析和因子分析。

2 结果与分析

2.1 香叶天竺葵不同部位无机元素含量分析

香叶天竺葵不同部位中19种无机元素含量测定结果见表1。结果表明，供试香叶天竺葵叶片、嫩枝、老枝中均检出B、Zn、Fe、Mg、Mn、Ni、Cr、Ca、K、Na、P、S共12种元素；Pb、Cd、Co、Mo、Se、Si元素均未检出，而Cu元素仅在叶片中检出。香叶天竺葵叶片无机元素含量呈现Ca>K>P>S>Na>Mg>Fe>Cr>Mn>Zn>B>Cu>Ni的趋势；嫩枝中无机元素含量呈现K>Ca>P>S>Na>Mg>Fe>Cr>Mn>Zn>B>Ni的趋势；老枝中无机元素含量呈现K>Ca>P>S>Na>Mg>Cr>Fe>Mn>Zn>B>Ni的趋势。

表1 香叶天竺葵不同部位19种无机元素的含量mg/kg干重

注：表中数值表示为平均值±标准误差；ND表示未检出；同行小写字母表示各元素在不同部位之间的差异显著性，字母相同，则差异不显著(P>0.05)，不同则显著(P<0.05)。

2.2 单因素方差分析

香叶天竺葵不同部位19种无机元素含量测定结果显示，由于Pb、Cd、Co、Mo、Se、Si元素均未检出，而Cu元素仅在叶片中检出，故只选取剩余的12种元素作变量进行多变量统计分析。以香叶天竺葵不同部位为变量，12种无机元素含量为因变量，对其进行单因素方差分析(表2)。结果显示，香叶天竺葵不同部位中Mn、Cr元素含量无显著性差异(P>0.05)，香叶天竺葵不同部位中B、Zn、Fe、Mg、Ni、Ca、K、Na、P、S元素含量存在显著性差异(P<0.05)。进一步研究结果表明(表1)，香叶天竺葵不同部位中B、Zn、Fe、Mg、Ni、Ca、K、Na、P、S元素含量高低顺序存在一定差异。B、Zn、Fe、Ca元素含量高低顺序为叶片>嫩枝>老枝，Ni元素为叶片>老枝>嫩枝，Mg、Na、S元素为老枝>嫩枝>叶片，K、P元素为嫩枝>老枝>叶片。

2.3 相关性分析

以香叶天竺葵不同部位为变量，12种无机元素含量为因变量，对其进行Pearson相关性分析(表3)。结果表明：香叶天竺葵不同部位12种无机元素含量之间存在显著或极显著相关性。其中，B元素与Zn、Fe、Ni、Ca元素存在极显著正相关，相关系数分别为0.824、0.972、0.708、0.807，B元素与Mg、K、Na、P、S元素存在极显著负相关，相关系数分别为-0.897、-0.893、-0.861、-0.745、-0.841；Zn元素与Fe、Ni、Ca元素存在极显著正相关，Zn元素与Mg、K、Na、P、S元素存在显著或极显著负相关；Fe元素与Ni、Ca元素存在极显著正相关，Fe元素与Mg、K、Na、P、S元素存在极显著负相关；Mg元素与K、Na、P、S元素存在显著或极显著正相关，Mg元素与Ni、Ca元素存在显著或极显著负相关；Mn元素与Ca元素存在显著正相关；Ni元素与K、Na、S元素存在显著或极显著负相关；Ca元素与K、Na、P、S元素存在显著或极显著负相关；K元素与Na、P、S元素存在极显著正相关；Na元素与P、S元素存在极显著正相关；P元素与S元素存在极显著正相关；其他元素之间相关性不显著。

Pearson相关性只能说明表面关系，而多种无机元素之间的内在综合关系需要借助多元统计分析方法。

表2 12种元素单因素方差分析结果

表3 Pearson相关性分析结果

注：*、**分别表示相关性达到0.05、0.01水平。

2.4 聚类分析

以香叶天竺葵不同部位为变量，12种无机元素含量为因变量，采用系统聚类法对所得数据进行聚类分析。由图1可知，12种无机元素将香叶天竺葵不同部位分为两类，叶片单独聚为第一类，嫩枝和老枝聚为第二类，暗示香叶天竺葵的嫩枝和老枝12种无机元素的含量、存在状态或者代谢模式类似，而叶片中12种无机元素的含量、存在状态或者代谢模式与嫩枝、老枝之间存在显著差异。

2.5 因子分析

因子分析是实现降维的一种统计分析方法，用少数几个变量尽可能多地解释较多的原来变量信息，保证原信息损失较小且变量数目尽可能少。

以香叶天竺葵不同部位为变量，12种无机元素含量为因变量，提取公因子方法采用主成分法，旋转法采用最常用的正交方差最大旋转法，对香叶天竺葵不同部位无机元素进行因子分析(表4)。通常以累积方差贡献率不低于85%来确定公因子数目，因此提取3个公因子，提取的前3个公因子累积方差贡献率为90.24%，损失了9.76%的信息，说明这3个公因子可以基本反映香叶天竺葵不同部位12种无机元素的全部信息。

为了能够更好地解释变量，通过因子载荷矩阵旋转使每个因子的载荷值尽可能地接近1和0两个极值。其中因子载荷值越接近1，说明其贡献越大，表明相关性越显著。通常因子载荷值大于0.5，即可认为该因子与某一主成分显著相关。

由表4可知，其中70.16%的贡献率来自第1因子，10.61%的贡献率来自第2因子，9.47%的贡献率来自第3因子，结合方差最大法旋转后的因子载荷矩阵分析结果(表5)，可以看出，第1因子表明和K(因子载荷0.97)、P(因子载荷0.92)、Na(因子载荷0.85)、S(因子载荷0.84)元素高度正相关，和Fe(因子载荷-0.93)、B(因子载荷-0.87)元素高度负相关，由于总方差50%以上的贡献都来自第1因子，因此认为K、P、Na、S、Fe、B元素是香叶天竺葵不同部位中的特征性元素。

图1 香叶天竺葵不同部位12种无机元素聚类图

表4 香叶天竺葵不同部位12种无机元素的因子分析

3 讨论与结论

植物生长发育所需的绝大部分养分由根系吸收，植物地上部分无机元素含量与土壤养分含量具有直接关系，但同时又受到自身营养吸收、运转和分配等因素影响[30]。同一种无机元素在不同作物、不同品种、不同器官或部位中的含量差异很大[31]。本研究中，香叶天竺葵叶片中无机元素含量高低顺序为Ca>K>P>S>Na>Mg>Fe>Cr>Mn>Zn>B>Cu>Ni，嫩枝中无机元素含量高低顺序为K>Ca>P>S>Na>Mg>Fe>Cr>Mn>Zn>B>Ni，老枝中无机元素含量高低顺序为K>Ca>P>S>Na>Mg>Cr>Fe>Mn>Zn>B>Ni，而Pb、Cd、Co、Mo、Se、Si元素在叶片、嫩枝和老枝中均未检出，Cu元素仅在叶片中检出，各无机元素在不同部位之间无统一的排列规律。与李大红等[32]对香叶天竺葵叶片矿物元素的检测结果相比，本研究P、Ca、Mn元素含量偏高，而B、Zn、Fe、Mg、Cu、K、Na、S、Si等元素含量偏低，这可能与所选样本的生育期、种植土壤环境、栽培管理技术等因素有关。以往研究表明，无机元素含量与植物中的重要化学成分及药理作用密切相关[33-35]，其中P和K元素与香叶天竺葵植株中精油类物质代谢与最终产物的形成密切相关[9]。因此，对香叶天竺葵不同部位无机元素含量分布规律的研究，可以为进一步研究香叶天竺葵中的精油含量、活性成分、药理作用等提供理论指导。在生产实践中，根据不同土壤条件，通过均衡施肥、平衡施肥、精准施肥达到改善香叶天竺葵中无机元素含量，实现优质高产，提高香叶天竺葵精油产出率。

表5 旋转后的因子载荷矩阵

因子分析是指从众多变量中找出隐藏的具有代表性的公因子，因此，变量之间是否存在相关性是进行因子分析的前提。本研究中，由于Pb、Cd、Co、Mo、Se、Si、Cu元素仅在个别样品中检出，这7种元素与香叶天竺葵不同部位的相关性不显著，因此进行因子分析意义不大。通过对剩余12种无机元素含量进行因子分析，筛选出K、P、Na、S、Fe和B元素是香叶天竺葵不同部位中的特征性元素。前人研究表明，植物中无机元素之间存在着复杂的协同作用或者拮抗作用，还可能存在补充替换关系[30]。如Ca和K元素存在拮抗作用[36]，而Ca和B元素存在协同作用[37]。本试验结果表明，香叶天竺葵不同部位中无机元素之间存在复杂的相关性。B与Zn、Fe、Ni、Ca之间，Zn与Fe、Ni、Ca之间，Fe与Ni、Ca之间，Mg与K、Na、P、S之间，K与Na、P、S之间，Na与P、S之间，P与S之间均存在显著或极显著正相关；B与Mg、K、Na、P、S之间，Zn与Mg、K、Na、P、S之间，Fe与Mg、K、Na、P、S之间，Mg与Ni、Ca之间，Mn与Ca之间，Ni与K、Na、S之间，Ca与K、Na、P、S之间均存在显著或极显著负相关。不同作物中Mg、P、K元素三者之间的正相关关系得到了许多研究的证实[38]，而其他无机元素间的相关性则不完全一致，甚至存在矛盾，可能是由于植物中无机元素含量受自身遗传特性及各种环境条件等综合因素的影响。

目前，聚类分析方法已广泛应用于种质资源的综合评价研究。聚类分析方法具有主观因素少、分类结果科学客观、可同时对多样品多指标进行综合分析等优点。本研究采用类平均法，将香叶天竺葵不同部位分为两类，叶片单独聚为第一类，嫩枝和老枝聚为第二类，说明叶片与嫩枝、老枝在元素吸收、运转和分配方面具有一定选择性。聚类分析结果可为香叶天竺葵不同部位的不同用途提供数据参考。关于香叶天竺葵不同部位中的精油含量、化学成分、药理作用及其与无机元素之间的相关性有待进一步研究。