延胡索及其根际土壤无机元素特征分析

刘焱，赵顺鑫，魏祖晨，刘世文，焦青，谷文超，祁俊生，周浓

1.重庆三峡学院生物与食品工程学院，三峡库区道地药材绿色种植与深加工重庆市工程实验室，重庆 404120； 2.成都和合医学检验所有限公司，四川 成都 610101

延胡索为罂粟科植物延胡索Corydalis yanhusuoW. T. Wang的干燥块茎，有活血、行气、止痛功效，用于治疗胸胁、脘腹疼痛，胸痹心痛，经闭痛经，产后瘀阻，跌仆肿痛等[1-2]。延胡索为我国常用大宗药材，在江苏、安徽、浙江、湖北等地均有分布[3-4]。目前，延胡索人工栽培驯化中存在品种退化、种源不清、病虫害发病率高等问题，严重影响延胡索的道地优势[5]。

中药材质量与其元素含量密切相关。延胡索药材中的元素主要来自其根际土壤，土壤中适宜的元素能促进延胡索幼苗的生长发育、提高药材品质，而重金属元素含量过高不但抑制幼苗生长，而且严重影响药材品质[6-9]。因此，研究延胡索药材及其根际土壤中无机元素特征规律对提高其产量和质量具有重要意义。管竞环等[10]运用有序样品聚类分析方法建立植物类中药微量元素含量区间尺，用于植物类中药微量元素的评价。本研究以不同产地延胡索的块茎、茎、叶及其根际土壤为研究对象，评价药材元素等级和土壤环境质量，并考察其相关性，以期为延胡索根际土壤质量评价、重金属污染风险管理提供依据，并为延胡索的标准化种植提供参考。

1 仪器与试药

TAS-990AFG型原子吸收分光光度计（北京普析通用仪器有限责任公司），C-MAG HP10型数显加热板（德国IKA公司），DZF-6050MBE型电热恒温真空干燥箱（上海博讯实业有限公司），CP225D型分析天平（德国Sartorius公司）。

延胡索及根际土壤样品采集于重庆、陕西、浙江5个延胡索典型产地施肥及种植方式一致的当地种植大户。每份药材样品均取自50株成熟植株以保证样品一致性，按块茎、茎、叶分开，切成小段，45 ℃烘干，粉碎，过100目筛，备用。对应的土壤样品均为附着于延胡索根部的根际土壤，阴干，粉碎，过100目筛，备用。延胡索及其根际土壤采集地信息见表1。经三峡库区道地药材绿色种植与深加工重庆市工程实验室（重庆三峡学院）祁俊生教授鉴定为罂粟科植物延胡索Corydalis yanhusuoW. T. Wang及其根际土壤。钾（K）、钙（Ca）、镁（Mg）、钠（Na）、锰（Mn）、锌（Zn）、铜（Cu）、镍（Ni）、硼（B）、钼（Mo）、汞（Hg）、镉（Cd）、铅（Pb）、铬（Cr）、砷（As）标准贮备液，国家环境保护总局标准样品研究所；硝酸、高氯酸、氢氟酸（优级纯），国药集团化学试剂有限公司；水为去离子水。

表1 延胡索样品来源信息

2 方法与结果

2.1 根际土壤元素含量测定

根际土壤中氮（N）含量采用凯氏蒸馏法测定，磷（P）含量采用硫酸-高氯酸消煮法测定[11]。K、Ca、Mg、Na、Mn、Zn、Cu、Ni、B、Mo、Hg、Cd、Pb、Cr、As元素含量采用陈碧华等[12]方法测定：精密称取根际土壤0.2g，置于聚四氟乙烯烧杯中，依次加入8 mL硝酸和1 mL氢氟酸，在微波消解仪上进行消解，消解完全后，冷却转移至50 mL量瓶中，用1%硝酸溶液定容至刻度，同法制备空白样品，采用原子吸收分光光度法测定。

不同产地延胡索根际土壤中17种元素测定结果见表2。除Mo元素未检测出，不同样品其他元素含量差异有统计学意义（P＜0.05）。10种大量元素含量为P＞K＞Na＞Mg＞Mn＞B＞N＞Zn＞Ca＞Ni，6种重金属元素含量为Cu＞Cr＞Pb＞As＞Cd＞Hg。5个不同产地延胡索样品大量元素中，S1根际土壤Mg、Zn、Ni及B元素含量较为丰富，S2根际土壤P、K、Mn含量较为丰富，S3根际土壤Na元素含量丰富，S4根际土壤N元素含量丰富，S5根际土壤P、Ca元素含量较为丰富；重金属元素中，S1根际土壤As、Cd元素含量较高，S2根际土壤Cu、As、Pb、Cr元素含量较高，S3根际土壤Hg元素含量最高。

表2 不同产地延胡索根际土壤无机元素含量测定结果（mg/kg，n＝3）

2.2 延胡索不同部位元素含量测定

延胡索不同部位样品中N含量采用凯氏蒸馏法测定，P含量采用钒钼黄比色法测定[11]。K、Ca、Mg、Na、Mn、Zn、Cu、Ni、B、Mo、Hg、Cd、Pb、Cr、As元素含量采用陈碧华等[12]方法测定：精密称取延胡索样品0.2 g于聚四氟乙烯烧杯中，加入8 mL硝酸，在微波消解仪上进行消解，消解完全后，冷却转移至50 mL量瓶中，用1%硝酸溶液定容至刻度，同法制备空白样品，采用原子吸收分光光度法测定。

不同产地延胡索块茎、茎、叶中17种元素含量测定结果见表3。所有产地延胡索样品3个部位均未检测出B和Mo，其他元素含量差异均有统计学意义（P＜0.05）。块茎中9种大量元素含量为K＞N＞P＞Mg＞Ca＞Na＞Zn＞Mn＞Ni，S4总量最高；6种重金属元素含量为Cu＞Cr＞Pb＞Cd＞As＞Hg，S4总量最高。茎中9种大量元素含量为K＞Ca＞N＞Mg＞Na＞P＞Zn＞Mn＞Ni，S3总量最高；6种重金属元素含量为Cu＞Pb＞Cd＞Cr＞As＞Hg，S1总量最高；叶中9种大量元素含量为K＞Ca＞Mg＞N＞P＞Na＞Zn＞Mn＞Ni，S4总量最高；6种重金属元素含量为Cu＞Pb＞Cd＞Cr＞As＞Hg，S1总量最高。总体而言，检测出的9种大量元素中，K元素含量最高，Ni元素含量最低；6种重金属元素中，Cu元素含量最高，Hg元素含量最低。延胡索不同部位元素含量差异较大，N、K、Ni、Cu、As元素含量为茎＞叶＞块茎，Ca、Mg、Na、Mn、Zn、Cd、Pb元素含量为叶＞茎＞块茎，P元素含量为叶＞块茎＞茎，Cr元素含量为块茎＞茎＞叶。

表3 不同产地延胡索不同部位无机元素含量测定结果（mg/kg，n＝3）

2.3 延胡索不同部位无机元素含量等级评价

由于各元素在植物体内的丰度不同，需统一纲量后比较各元素在植物不同部位的含量差异。管竞环等[10]制定的“植物类中药无机元素含量区间表”将植物中无机元素含量分为1～10级，等级越高表明该植物中某种元素在自然界的相对水平越高[13]。由于文献[10]无N、Pb、Cr等级划分标准，故本文未对这3种元素含量进行等级评价。延胡索不同部位无机元素含量等级见表4。Zn茎（10级）、Zn叶（10级）、Ni茎（10级）、Ni叶（10级）、Cu茎（10级）、Cu叶（9级）及Cd叶（9级）较其他元素等级高，表明延胡索茎和叶Zn、Ni、Cu、Cd元素丰度远高于其他元素；K茎（8级）与Ni块茎（8级）处于较高等级；K叶（5级）、Ca茎（4级）、Mg茎（4级）、Mg叶（6级）、Mn茎（4级）、Mn叶（5级）、Zn块茎（6级）、Hg全（4级）及Cd茎（6级）等级居中；其余元素均处于较低等级。延胡索不同部位无机元素含量等级不同，但不同产地延胡索各元素含量等级顺序较为稳定。

表4 不同产地延胡索不同部位无机元素含量等级

2.4 延胡索不同部位营养元素富集系数评价

计算延胡索不同部位营养元素富集系数。富集系数＝营养元素在植物体中的量÷营养元素在该植物生长土壤中的量[14]。不同产地延胡索不同部位无机元素富集系数见表5。除未检测出的B、Mo元素外，其余15种元素的富集系数均不相同。其中，N、Ca元素3个部位的富集系数均大于1，表明延胡索块茎、茎及叶对其根际土壤中的N、Ca元素具有较强的富集作用；P、Na、Mn、Ni、As、Hg、Pb、Cr等元素3个部位的富集系数均小于1，表明延胡索块茎、茎及叶对其根际土壤中以上元素富集作用较弱。此外，延胡索不同部位对元素的富集程度不同：茎对K元素富集系数大于1，而块茎对K元素富集系数小于1；茎和叶对Mg、Zn、Cu、Cd等元素的富集系数均大于1，而块茎对这些元素富集系数均小于1。可以看出，延胡索块茎对重金属元素的富集作用相对较弱，因此选择块茎作为药用相对安全。

表5 不同产地延胡索不同部位无机元素富集系数

2.5 土壤污染等级评价

采用单因子污染指数（Pi）和内梅罗综合污染指数（P综）法[15]，根据《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB15618－2018）进行土壤污染等级评价（见表6、表7）。Pi＝Ci/Si，式中，Ci为污染物i的实测数据，Si为污染物i的评价标准。

表6 土壤污染风险筛选值（mg/kg）

表7 土壤污染等级评价标准

表8 不同产地延胡索根际土壤污染等级评价

5个不同产地延胡索根际土壤中Hg、As、Pb、Cr、Cu、Zn、Ni元素Pi均小于1，Cd元素Pi除S1产地外，其余均小于1。此外，P综为S1＞S2＞S5＞S4＞S3，其中S1产地P综＞0.7，污染等级评价在警戒线，结合Pi可以看出，S1产地延胡索根际土壤受Cd元素污染的风险较大。其他产地P综均小于0.7，在安全等级范围内。

2.6 根际土壤无机元素含量与延胡索各部位无机元素含量相关性

采用SPSS20.0对不同产地延胡索根际土壤无机元素与延胡索不同部位无机元素进行Pearson双侧检验相关性分析，结果见表9。

表9 延胡索不同部位无机元素与根际土壤无机元素含量相关性分析（r）

N土与N叶、Ca块茎存在显著正相关（r＝0.891、r＝0.902，P＜0.05）；P土与P叶、Cu块茎存在显著正相关（r＝0.956、r＝0.881，P＜0.05）；Mn土与P块茎、Zn叶、Pb茎、Cr茎存在显著正相关（r＝0.887、r＝0.924、r＝0.901、r＝0.890，P＜0.05）；Zn土与N茎、Zn块茎、Cd叶存在极显著正相关（r＝0.959、r＝0.976、r＝0.960，P＜0.01），与Cu叶存在显著正相关（r＝0.957，P＜0.05）；Ni土与Ca茎、Ca叶、Zn叶、Ni块茎、Ni茎、As茎、Hg茎、Pb茎存在显著正相关（r＝0.897、r＝0.955、r＝0.954、r＝0.907、r＝0.890、r＝0.903、r＝0.918、r＝0.950，P＜0.05）；As土与P块茎、Zn叶、Pb茎、Cr茎存在显著正相关（r＝0.916、r＝0.953、r＝0.933、r＝0.896，P＜0.05）；Hg土与Na茎存在极显著正相关（r＝0.965，P＜0.01），与N块茎存在显著正相关（r＝0.940，P＜0.05）；Cd土与Pb茎存在极显著正相关（r＝0.964，P＜0.01），与Ca叶、Zn叶存在显著正相关（r＝0.891、r＝0.941，P＜0.05）；Pb土与Zn叶存在显著正相关（r＝0.879，P＜0.05）；Cr土与P块茎、Zn叶、As茎、Pb茎存在显著正相关（r＝0.955、r＝0.971、r＝0.954、r＝0.944，P＜0.05）。以上延胡索根际土壤无机元素与其不同部位无机元素之间具有不同程度的协同作用。

P土与Mn茎存在显著负相关（r＝-0.901，P＜0.05）；Ca土与Cr叶存在显著负相关（r＝-0.882，P＜0.05）；Mg土与Na块茎存在显著负相关（r＝-0.880，P＜0.05）；Mn土与K茎、As块茎存在显著负相关（r＝-0.906、r＝-0.894，P＜0.05）；Ni土与K茎、K叶存在极显著负相关（r＝-0.974、r＝-0.992，P＜0.01）；B土与Na叶、Pb块茎存在显著负相关（r＝-0.937、r＝-0.885，P＜0.05）；As土与K茎存在显著负相关（r＝-0.931，P＜0.05）；Hg土与Cd块茎存在显著负相关（r＝-0.935，P＜0.05）；Cd土与K茎、K叶存在极显著负相关（r＝-0.965、r＝-0.975，P＜0.01）；Pb土与K茎存在显著负相关（r＝-0.928，P＜0.05）；Cr土与K茎存在显著负相关（r＝-0.937，P＜0.05）。以上延胡索根际土壤无机元素与其不同部位无机元素之间具有不同程度的拮抗作用。

2.7 延胡索块茎中无机元素含量相关性

采用SPSS20.0对5个不同产地延胡索块茎中15种元素含量进行Pearson双侧检验相关性分析，结果见表10。延胡索块茎中部分无机元素存在一定的相关性：N与Cd存在极显著负相关（r＝-0.927，P＜0.01）；K与Cr存在极显著正相关（r＝0.968，P＜0.01），与Ca存在显著正相关（r＝0.889，P＜0.05）；Ni与Na存在显著负相关（r＝-0.890，P＜0.05），与Hg存在显著正相关（r＝0.889，P＜0.05）；Pb与Mn存在显著负相关（r＝-0.954，P＜0.05），与As存在显著正相关（r＝0.938，P＜0.05）。表明延胡索块茎中各无机元素之间的积累具有相互抑制或促进的调节作用。

表10 延胡索块茎中无机元素含量相关性分析（r）

3 讨论

药用植物根际土壤中的元素是其药材质量的主要物质基础，根际土壤中某一元素的含量往往影响该元素在药用植物体内的积累，道地药材优质性形成的部分原因可能与此有关[17-18]。汤雏清等[19]利用原子吸收分光光度计测定浙江磐安延胡索块茎及其种植环境土壤、水质8种微量元素含量，发现种植土壤、水质与药材间微量元素含量呈正相关。丛晓东等[20]报道延胡索甲素含量与Fe、Zn、Mn和Zn/Cu比值有明显相关性，并发现其活性可能是有机成分与金属元素相互作用的结果。马月光等[21]报道Cu、Ca、Pb、Zn为延胡索的特征微量元素，且不同产地延胡索微量元素含量存在地域特征性。本研究结果表明，延胡索根际土壤中P、K、Na元素含量相对较高，三者占元素总量的96%，重金属元素Hg、As、Cd元素含量最低。不同产地延胡索根际土壤各元素含量差异性较大，浙江东阳与重庆开县延胡索根际土壤元素总量最高。研究表明，土壤Mo元素含量与胃癌死亡率呈负相关，土壤缺Mo可造成环境和植物中亚硝酸盐含量增加，进而提高胃癌死亡率[22]。本研究在所有产地延胡索根际土壤中均未检测到Mo，因此在以上地区栽培延胡索时，可以施以钼肥，以提高土壤中Mo元素含量。 不同产地药材的药效差异与其根际土壤无机元素含量有关，无机元素不但能参与药材中活性成分的合成，而且能与活性成分协同作用产生疗效[23]。研究表明，Zn具有促进机体的生长发育、免疫成熟和创伤愈合的作用[24]，Cu与人体内清除氧自由基的清除功能密切相关[25]，Ni参与细胞激素和色素的代谢等活动[26]。本研究对延胡索不同部位的元素含量进行比较研究，发现不同部位元素含量差异较大。其中，延胡索茎的无机元素总量最高，叶次之，块茎最少。延胡索以块茎入药，块茎中Cr元素含量高于茎和叶，在种植延胡索时应警惕重金属Cr对药材质量的影响。同时，对延胡索不同部位元素进行等级划分，其茎和叶中Zn、Ni、Cu、Cd等元素丰度远高于其他元素，K、Ca、Mg、Mn含量也很丰富，极具开发价值。

重金属含量为评价药材质量的主要指标之一。研究表明，N、K、Ca等对延胡索中重金属的解毒起到重要作用[27-29]。本研究结果显示，5个产地延胡索入药部位块茎对多数元素的富集作用较弱，但对N、Ca有较强的富集作用，而其茎与叶对N、Ca、K、Mg、Zn、Cu、Cd均具有较强的富集作用，表明这5个地区均适合延胡索的种植。另外，除S1产地的Cd元素Pi＞1外，其余产地均小于1，表明S1产地受Cd污染的风险较大，可适量加入Ca肥改变延胡索幼苗的抗氧化酶活性，从而缓解Cd毒害风险[30]。根据P综，所有产地污染等级评价均未超过警戒线，进一步表明5个地区的土壤质量安全，可以发展延胡索药材生产。

相关性分析表明，延胡索药材不同部位与其根际土壤无机元素既存在协同作用，又具有拮抗作用；同时，延胡索块茎中各无机元素含量也存在一定相关性，表明延胡索药材各无机元素含量高低是多种因子复合作用的结果，这种复合作用导致延胡索在生长过程中对其根际土壤无机元素的吸收具有选择性。

本研究对5个不同产地延胡索根际土壤及其植株3个不同部位的无机元素含量进行比较研究，总结其不同部位无机元素含量的规律，并对其根际土壤进行了安全性评价，可根据不同产地的土壤性质及不同部位的无机元素分布研制延胡索专用肥，为延胡索的可持续健康发展提供参考。