土壤无机元素化学形态与滇重楼主要有效成分相关性研究

施志芬,盘付梅,谷文超,王光志,周 浓*

1成都中医药大学 药学院,成都 611130;2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

滇重楼(Parispolyphyllavar.yunnanensis)为百合科多年生草本药用植物,主要以干燥根茎入药,性寒味苦,具有清热解毒、凉肝定惊、抗肿瘤、抗炎等功效[1-4]。近些年来,由于制药产业的飞速发展,市场对滇重楼的需求成倍增加,而滇重楼药用部位生长缓慢,且繁殖率低下,导致野生滇重楼资源枯竭,因此,发展栽培种植品解决野生资源供应不足的问题已迫在眉睫。

元素形态分为物理和化学两种,其中化学形态指元素在环境中实际存在的分子或离子形式,与元素的富集性、迁移性及生物可利用性等密切相关[5,6],主要包括水溶态、交换态(弱酸提取态)、铁锰氧化态(可还原提取态)、有机态(可氧化提取态)、残渣态等[7]。目前对土壤元素的研究主要集中对其元素全量的探讨,全量元素虽然能一定程度反映土壤元素总含量的高低,但却不能直观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态的含量对了解某一地区元素分布状况将具有更加全面的意义。此外,已有大量学者对中草药根际土壤中的各种重金属元素形态含量进行了探讨[8-10],却鲜少有对其他无机元素形态的分析。其中,Shen[11]研究了丹参中无机元素的吸收和迁移规律,发现丹参中的无机元素含量受根际元素形态分配的影响较大,主要受根际土壤中交换态、残渣态、有机态和铁锰氧化态含量的交互影响。这为滇重楼品质、根际土壤、元素形态迁移等相关方面的研究提供了很好的示范与借鉴。

本研究采用BCR顺序提取法提取各元素的化学形态,采用电感耦合等离子体质谱法(inductively coupled plasma mass,ICP-MS)进行含量测定,探究滇重楼野生品与栽培品的根际土壤中16种无机元素的分布规律及含量大小,并与有效成分进行相关性分析,以期为滇重楼合理施肥及规范化种植提供参考。

1 材料与方法

1.1 供试材料

从云南、贵州、四川3省采集野生滇重楼11份、栽培滇重楼16份,样品信息见表1,详细产地信息及样品前期处理方法,参照前期已有研究[12]。

表1 样品来源Table 1 Sample sources

栽培品滇重楼前期栽培株大部分为种植户自己育苗提供,因考虑到产业循环发展的需要以及对种植成本的考量,少部分为根茎切块繁殖。种植方式为遮荫网种植,并采用腐殖土、稻草、松针等进行覆盖处理,有保湿防凉、冬天防冻的作用。种植期间,每年至少施加两次肥料,冬肥为氮磷钾复合肥,春肥为经腐熟处理后的农家肥,每一栽培产地具体施肥量不一。

1.2 试剂

16种无机元素标准溶液(1 000 μg/mL)、3种内标单元素标准溶液(1 000 μg/mL)皆为国家标准样品,采购于国家有色金属及电子材料分析测试中心。冰醋酸、浓硝酸、盐酸羟胺、氢氟酸、乙酸铵均为购自于成都科龙公司的优级纯。

1.3 元素提取与测定

1.3.1 形态提取方法

元素形态提取采用震荡提取法,除水溶态单独提取,其余形态均采用BCR顺序提取[13-15],微波消解升温程序参照Lan等[16]方法进行。

1.3.2 含量测定

以Ge、Rh、Bi为内标元素,采用ICP-MS对各提取液中的P、K、Na、Mg、Al、Ca、Fe、Cu等元素含量进行测定。ICP-MS使用参数设置:射频功率1 400 W;载气流速:1.224 L/min;辅助气流量:1.0 L/min;冷却气流速:14.0 L/min;雾化温度:2.0 ℃;蠕动泵工作转速:30 r/min;采样深度3.91 mm;分析时长26 s。

1.4 数据分析

采用Microsoft Excel 2010和SPSS 20.0软件进行数据处理。

2 结果与分析

2.1 滇重楼根际土壤水溶态元素含量分析

滇重楼根际土壤水溶态元素含量统计结果见表2。由表可知,无论野生滇重楼还是栽培滇重楼,其土壤水溶态中含量居于前四位的都是K、Mg、Ca和Na元素。此外,通过对两分组的对比,发现P、Na、K、Cu、Ca、Ba、Mo等元素在栽培滇重楼根际土壤水溶态中的含量总体高于野生滇重楼。与野生滇重楼相比,栽培滇重楼中的主要营养元素K和P都有了极大的提升,其中K元素含量增加218.53%,P元素含量增加了734.24%。从变异系数(coefficient of variation,CV)(变异系数=数据的标准差/数据的平均值,用以反映数据的离散程度)来看,Al、Fe元素在样品根际土壤水溶态中的变异系数皆超过100%,表明水溶态Al、Fe元素含量易受所在地环境影响。

表2 滇重楼根际土壤水溶态元素含量统计Table 2 Content of water soluble fraction elements in rhizosphere soil of P.polyphylla var.yunnanensis

2.2 滇重楼根际土壤交换态元素含量分析

滇重楼根际土壤交换态中各元素含量统计情况见表3。由表可知,滇重楼根际土壤交换态中,Ca、Mg、Al元素含量较高,交换态Mo元素在所有产地的检测中均未发现。此外,除Na、Co、Mg、Mn、Ni、Se元素以外,栽培滇重楼中其余元素均高于野生滇重楼。土壤中交换态K元素含量极低,即使是在栽培土壤中,含量也没有明显提升。从变异系数来看,Mg、Ca元素在两样品根际土壤水溶态中的变异系数皆超过100%,表明交换态Mg、Ca元素含量易受所在地环境影响,在不同产地中的分散程度较大。

表3 滇重楼根际土壤交换态元素含量统计Table 3 Content of exchangeable fraction elements in rhizosphere soil of P.polyphylla var.yunnanensis

2.3 滇重楼根际土壤铁锰氧化态元素含量分析

滇重楼根际土壤铁锰氧化态中各元素含量统计情况见表4。从中可以看出,Ca、Fe、Al、Mg元素在土壤铁锰氧化态中的含量较高,且在两个分组的所有产地中未检测出Na、Cu元素,说明其土壤中的Na、Cu元素不以此形式存在。此外,除Mg、Mn、Al、Sb、Co元素外,栽培滇重楼中其余元素含量均高于野生滇重楼。P、K元素在野生滇重楼的基础上分别增加了341.05%、181.36%。从变异系数来看,两分组中Mg、Ca元素变异系数皆大于100%,表明Mg、Ca元素含量受所在地环境影响较大。

表4 滇重楼根际土壤铁锰氧化态元素含量统计Table 4 Content of Fe-Mn oxide fraction in rhizosphere soil of P.polyphylla var.yunnanensis

2.4 滇重楼根际土壤有机态元素含量分析

滇重楼根际土壤有机态中各元素含量统计结果见表5。由表可知,有机态Fe、Al、Mg元素的含量较高,但未检测到Na元素,表明土壤中的Na不以此形式存在。此外,在两个分组的对比研究中发现,栽培滇重楼的整体元素含量较野生滇重楼高。从变异系数来看,滇重楼野生样品和栽培样品根际土壤中有机态Ca、Mg、P、Sb元素的变异系数大于100%。表明以上有机态元素在不同产地中的分散程度较大,其元素含量受所在地环境影响较大。

表5 滇重楼根际土壤有机态元素含量统计Table 5 Content of organic fraction elements in rhizosphere soil of P.polyphylla var.yunnanensis

2.5 滇重楼根际土壤残渣态元素含量分析

滇重楼根际土壤残渣态元素含量统计结果见表6。由表可知,以残渣态形式存在的土壤元素中,Fe、K、Al等元素含量明显较高。此外,从整体元素含量高低来看,除Al、Mg、Sb以外,栽培滇重楼其他元素含量皆高于野生滇重楼。从变异系数来看,两分组中的Mg、Se、Sb元素变异系数皆大于100%,表明以上残渣态元素在不同产地中的分散程度较大,元素含量受所在地环境影响较大。

表6 滇重楼根际土壤残渣态元素含量统计Table 6 Content of residual fraction elements in rhizosphere soil of P.polyphylla var.yunnanensis

总的来看,所有化学形态元素含量均以Ca、Mg、Al、Fe等元素含量居多,Mo、Co、Se、Sb等元素含量较少。大部分元素均以残渣态形式呈现,且栽培滇重楼的各个形态元素含量总体上高于野生滇重楼,其中,土壤中主要营养元素K和P均为栽培样品高于野生样品,表明人工栽培技术可以通过人为手段调控滇重楼生长的土壤环境,从而获取高产优质的滇重楼药材。

在前期对不同产地各形态元素研究的基础上[17],结合具体产地来说,野生产地中,贵州省安顺市西秀区(Yt-1)的根际土壤水溶态、交换态、有机态元素丰富,其中水溶态K、Na交换态Na、Al,有机态P、K元素含量相对较大;贵州省兴义市(Yt-5)和云南省玉龙纳西族自治县(Yt-11)铁锰氧化态和残渣态元素含量较大,Yt-5中的铁锰氧化态P、K和残渣态P元素含量较大,Yt-11中的铁锰氧化态Mn和残渣态Mg元素含量相对较大;栽培产地中贵州省织金县(Zt-1)的根际土壤中5种形态元素皆较为丰富,其中水溶态K、Na、Mg交换态Na、Al,铁锰氧化态P、K,有机态P和残渣态P元素含量较大;四川省会东县(Zt-4)水溶态、交换态、残渣态元素较为丰富,其中水溶态P,交换态K、Na,残渣态P元素含量较大;云南省玉龙县(Zt-15)有机态和残渣态元素较为丰富,其中有机态P和残渣态P元素含量相对较大;贵州省龙里县(Zt-3)、云南省易门县(Zt-6)、云南省昌宁县(Zt-12)水溶态元素含量较丰富,其中皆为水溶态K元素含量较大。

2.6 相关性分析

在前期对不同滇重楼皂苷研究的基础上[18],利用SPSS相关软件,对不同产地滇重楼根际土壤中的各元素形态与9种重楼皂苷进行相关性分析。并进一步挑选出各化学形态下与重楼皂苷有显著相关关系的化学元素,综合分析滇重楼根际土壤的不同化学形态元素与重楼皂苷的关系。

由表7可知,水溶态P、K元素与重楼皂苷VII、H、Ⅴ有着显著负相关关系(P<0.05),P元素又与重楼皂苷Ⅰ有着极显著负相关关系(P<0.01),K元素与重楼皂苷Ⅰ呈显著负相关;在水溶态中含量较高的Mg、Ca、Na元素与有效成分之间的关系总体上来说不显著。含量相对较少的Co、Ba、Se元素与重楼皂苷的相关性反而更强一些,Co、Se元素与重楼皂苷Ⅶ呈显著正相关(P<0.05),与重楼皂苷Ⅱ呈显著负相关。Ba、Se元素与重楼皂苷Ⅵ呈极显著正相关(P<0.01),Se元素又与重楼皂苷H呈极显著正相关。总而言之,水溶态P、K元素在重楼皂苷的形成与累积过程中存在拮抗作用,Ba、Se元素在一定程度上促进了重楼皂苷的形成与累积。

表7 滇重楼根际土壤水溶态元素与重楼皂苷相关性分析Table 7 Correlation analysis between water soluble fraction elements and polyphyllin in rhizosphere soil of P.polyphylla var.yunnanensis

由表8可知,在重楼皂苷Ⅰ的分析项下,交换态P元素与之呈极显著负相关;在薯蓣皂苷以及重楼皂苷Ⅰ的分析项下,Al、Fe元素皆与之呈极显著正相关;含量相对较少的交换态K、Se元素与重楼皂苷VII、H呈极显著相关关系,其中K元素与之皆呈极显著负相关,Se元素与之皆呈极显著正相关;含量和变异系数都较大的Ca、Mg元素,Ca元素与总体有效成分间的相关性不显著,Mg元素与重楼皂苷VI、H呈显著正相关关系。总而言之,交换态P、K元素对重楼皂苷的累积有拮抗作用,而交换态Al、Fe和Se元素对重楼皂苷的累积具有促进作用。

表8 滇重楼根际土壤交换态元素与重楼皂苷相关性分析Table 8 Correlation analysis between exchangeable fraction elements and polyphyllin in rhizosphere soil of P.polyphylla var.yunnanensis

由表9可知,在伪原薯蓣皂苷这一分析项下,铁锰氧化态Mn元素与之呈极显著正相关;综合重楼皂苷Ⅶ、H,K元素皆与之呈极显著负相关;综合重楼皂苷Ⅰ、Ⅴ,K元素与它们皆呈显著负相关;Mg、Se元素与重楼皂苷H呈显著正相关,Ba、Se元素与重楼皂苷Ⅵ有着显著正相关关系, Mg元素与重楼皂苷Ⅵ呈极显著正相关;Al元素与重楼皂苷Ⅰ、薯蓣皂苷呈显著正相关关系;含量较高的Ca、Fe元素与有效成分间无显著的相关性;总而言之,铁锰氧化钛K元素在重楼皂苷的累积过程中有拮抗作用,铁锰氧化钛Mg、Mn、Se、Al元素对重楼皂苷的累积具有促进作用。

表9 滇重楼根际土壤铁锰氧化态元素与重楼皂苷相关性分析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,有机态 Sb元素与伪原薯蓣皂苷呈极显著正相关关系;在重楼皂苷Ⅶ、Ⅵ的分析项下,元素K皆与之呈显著负相关。在重楼皂苷Ⅰ和薯蓣皂苷的分析项下,元素K皆与之呈显著正相关,元素Al皆与之呈极显著正相关;在重楼皂苷VI的分析项下,元素Mn、Bb、Se皆与之呈极显著正相关;Se元素与重楼皂苷II呈极显著负相关;总而言之,有机态K和Se元素对不同的重楼皂苷呈现不同的作用,既有拮抗作用又有促进作用,而有机态Al、Mn、Ba、Sb元素对重楼皂苷的累积具有促进作用。

表10 滇重楼根际土壤有机态元素与重楼皂苷相关性分析Table 10 Correlation analysis between organic fraction elements and polyphyllin in rhizosphere soil of P.polyphylla var.yunnanensis

由表11可知,在伪原薯蓣皂苷的分析项下,残渣态元素Sb与之呈极显著正相关;在重楼皂苷VII的分析项下,元素K与之呈显著负相关;重楼皂苷VI的分析项下,元素Na与之呈显著负相关,元素Se与之呈显著正相关;重楼皂苷Ⅱ和纤细薯蓣皂苷分析项下,元素K皆与之呈显著正相关;与上述4种元素形态相比较而言,残渣态元素整体对重楼皂苷的影响不大。究其原因,残渣态元素大多存在于硅酸盐晶格之中,其存在形式不利于植物的吸收利用。

表11 滇重楼根际土壤残渣态元素与重楼皂苷相关性分析Table 11 Correlation analysis between residual fraction elements and polyphyllin in rhizosphere soil of P.polyphylla var.yunnanensis

由表12可知,铁锰氧化态Mn元素,有机态和残渣态的Sb元素皆与伪原薯蓣皂苷呈极显著正相关;交换态K与铁锰氧化态K元素,皆与重楼皂苷VII、H呈极显著的负相关关系;水溶态和交换态Se元素与重楼皂苷H、VI呈极显著的正相关关系;水溶态Ba元素,铁锰氧化态Mg以及有机态Mn、Ba元素皆与重楼皂苷VI呈极显著的正相关;交换态Al、Fe和有机态Al元素皆与薯蓣皂苷、重楼皂苷Ⅰ呈极显著正相关关系;总的来说,滇重楼纤细薯蓣皂苷的形成受根际土壤无机元素的影响不大。

表12 滇重楼根际土壤各化学形态重点元素与重楼皂苷相关性分析Table 12 Correlation analysis between key elements of various chemical forms and polyphyllin in rhizosphere soil of P.polyphylla var.yunnanensis

3 讨论与结论

元素形态是生态地球化学调查与评价的重要内容之一,是研究元素迁移和转化等循环规律的重要基础[7]。研究表明,水溶态和交换态具有较高的生物有效性,在环境体系中极易迁移和转化而被植物吸收利用[19]。结合本研究结果,水溶态中的K元素含量较高,其作为植物重要的营养元素之一,能够促进滇重楼的光合作用,调节植株体内细胞渗透压,增强植物对不良环境的适应能力。相比于野生滇重楼,栽培品中的K元素含量明显较高,说明了栽培地块中土壤肥力较好,这可能与栽培滇重楼的人工施肥有密切关系。但另一重要营养元素P在交换态和水溶态中的含量少,在有机态和残渣态中的含量高,在栽培地块的人工处理方面可以适当追施磷肥,提高土壤肥力。对一些有重要作用,但含量少或者是未检测出的元素,也应当采取施肥的措施来进行弥补,在交换态中并未检测出Mo元素,但Mo元素在滇重楼植株的光合作用、株高、根茎产量等方面有着积极地促进作用。铁锰氧化态是元素与水合Fe2O3和Mn2O3生成结核体的一部分,其稳定度很差,研究表明这一形态重金属易通过还原反应从而被释放出来,对环境具有潜在威胁[20]。有机态具有较强的化学键,在强氧化条件下才能分解,因此较为稳定[21]。在这两种化学形态中,Ca、Mg、Al、Fe等元素的含量较高,说明它们未与上述离子团结合或结合体不稳定,皆未检测出Na元素,说明处于游离状态的Na+在交换态提取过程中已被提取。残渣态是元素被包裹在矿物晶格中的一种形态,此形态十分稳定,不易被释放也不易被植物利用,是一种惰性形态[22]。在本次的研究中,大部分元素以残渣态的形式存在,侧面反映了实际可以被利用的元素含量很低。不同产地各化学形态元素丰富度不一,同一元素的含量也不一致,有些甚至差异明显,这与产地所在地理环境,农业生产方式,栽培以及后期施肥管理等因素有关。对滇重楼野生和栽培品根际土壤中各元素化学形态的研究,直观的反映了土壤元素的有效含量。

相关性分析表明,滇重楼药材的品质与其根际土壤元素有着密切的关系。营养元素对有效成分的作用不一定都是正向的,就如水溶态、铁锰氧化态、交换态中的P、K元素,在促进滇重楼植株健康生长的同时在一定程度上也对其有效成分的累积产生了一定的抑制作用。同一化学形态下的同一元素,对有效成分的作用不一定是单一的,就如有机态K、Se元素对有效成分的形成既有拮抗作用又有促进作用。不同化学形态下的不同种元素,对有效成分的作用趋势可能是一致的。就如不同化学形态下的Al、Ba、Fe、Se等元素与重楼皂苷呈显著的正相关关系,其中的Se元素贡献尤为突出,其交换态、水溶态以及有机态都对重楼皂苷VI、VII、H有极大促进作用。同时,Se元素也是人体必需的微量营养元素[23],近年来富Se产品受到广泛追捧。因此,在滇重楼的人工栽培过程种适当施加Se肥,能够提高其药用价值以及经济价值。残渣态元素因其自身特性,不易被植株吸收利用,与各有效成分的相关性也就远低于其他化学形态元素。因此,在进行土壤元素研究时,在研究全量元素的同时,也要注重对元素形态的分析,以便了解土壤元素的有效性。

药用植物的根际土壤,是植株与外界环境进行物质交换的直接媒介,是影响药用植物品质与产量的物质基础。根际土壤中的无机元素在中药材适宜种植区域的选择、规范化种植、品质形成与评价方面扮演着重要角色。因此探究各化学形态下的具体元素含量以及各元素与药材有效成分之间的关系就显得格外重要。本研究初步探究了滇重楼根际土壤各元素形态下的具体元素与重楼皂苷的关系,以期为滇重楼适宜生长区域的选择、规范化种植、品质形成与评价等方面提供参考。而关于不同产地滇重楼根际土壤中各无机元素是如何迁移与转化的相关问题仍需要进一步探究。