滇黄精品质评价及与土壤元素相关性分析*

余晚霞，陈勇杏，郭磊，鲁斌，朱书红，华燕

(西南林业大学，云南 昆明 650224)

中药材黄精(Polygonatirhizoma)是百合科植物3种药用基源黄精(Polygonatumspp.)的干燥根茎。黄精为药食同源植物，能调养心脏、脾胃、肾，长期服用有益于身心健康[1]。中药药效与其活性成份有关，与无机微量元素亦具较强关联[2]，一般含Cr、Mn、Fe等微量元素。研究发现微量元素与人体生长发育、疾病防治存在关系，还可作活性物质参与药效的发挥，从而影响中药材质量[3-5]。研究表明黄精除主要含多糖外[6]，还含有皂苷[7]、黄酮[8]、微量元素[9]等其他有效、活性物质，还具有药理作用，如：具降血压[10]、调节血脂[11]、减轻疲劳[12]、抗衰老等[13]。近年来，由于野生滇黄精(PolygonatumkingianumColl.et Hemsl.)资源遭到人们大幅采掘，数量锐减。为使滇黄精得到更好保护与有效利用，合理开采、研究滇黄精使其利用最大化，当前已有农户、学者引种，或以不同栽培模式进行人工种植。种植离不开土壤，植物根际是依靠与其相互作用而供给药材、农作物必要的营养，对它们生长发育有极其重要影响。如：根际土壤中的矿质元素[14]，土壤中的矿质元素包括重金属、一定量重金属可对药材产生积极效应，反之亦然；某些元素通过药材富集可进入人体并表现出治疗效果；或通过影响药材的生长和活性成分的含量，使其表现出更为有利的理化性状及治疗效果[15-19]。多糖是黄精中主要药效成分之一，且含量最高，是《中国药典》(2020版)规定的主要检测指标，其常被作为评价黄精品质的重要因素。

本研究对云南滇黄精主产地滇黄精药材和根际土壤中Cu、Zn、Ar、Se等14种元素进行研究，将其在林下与大棚栽培的滇黄精中含量差异性及分布规律进行对比，以评估所调查地滇黄精药材重金属含量的安全性，并对14种元素与药材主要活性成分进行相关分析，探究营养元素对其药用品质产生的效用，以期为滇黄精的科学化栽培、种植提供数据支撑和理论指导。

1 材料与方法

1.1 样品采集与处理

于2022年9月—2023年2月完成滇黄精-土壤样品“一对一”采集和制备工作。供试样品采自云南省主产区8州(市)(表1)，经西南林业大学专家胡勇副教授鉴定为滇黄精。药材采样，采用五点法取样，根据植株生长情况，每个采样点采集6～15株滇黄精，挑选大小、高矮基本一致，长势良好的植株进行采样，采集了108份，每份重200～500 g，将每个采样点药材混合，共计18组；土壤采样，先将表层3～4 cm的小碎石、枯枝、等杂物拂去，后轻挖露出滇黄精根茎，轻微抖动，去除部分散土，呈放射状取不同栽培模式滇黄精根际土壤，采集了108份，每份重30～50 g，将每个采样点土样混合，共计18组。滇黄精规模化种植地，药材样品及土壤样品采集均按照国家样品采集标准，随机多点采集。

表1 样品来源Tab.1 Sample source

将新鲜滇黄精根茎洗净切片，经60 ℃烘干后使用小型粉碎机将其粉碎，摊开，置于干净的托盘中避风室温充分干燥后，用保鲜袋封装并称取一定量样品用于实验，其余保存备用。

将采集的土壤样品混匀用四分法分至约100 g后经风干后除去异物用实心木棒研压，过2 mm尼龙筛，混匀用玛瑙研钵过2 mm尼龙筛，样本研磨至全部通过100目尼龙筛后，保存备用。

1.2 滇黄精多糖、矿质元素含量测定

1.2.1 主要仪器与试剂

无水葡萄糖标准品(广东光华科技股份有限公司)；P、K、Ca、Mg、Fe、Mn、Zn、Mo、Cu、As、Cd、Pb、Cr、Se元素(国家标准物质研究中心，质量浓度为1 000 mg/L)标准溶液混标。

主要实验仪器 紫外分光光度计(Evolution 300，赛默飞世尔科技)；电感耦合等离子体质谱仪(300D，Perkinelmer)；电子天平感量(BSA124S，精确度0.1 mg，赛多利斯)；研磨仪(24位，赛维尔)；高速万能粉碎机(ZK-100B，北京中科浩宇科技发展有限公司)；石墨消解仪(GD30，成都奥普乐仪器有限公司)。

主要化学试剂 盐酸、高氯酸、浓硝酸(分析纯，Sigma)；氩气(纯度99.9 %，佳亚化工)；浓硫酸(分析纯，云南杨林工业开发区汕滇药业)；GB/T 602标准溶液及内标液、Rh、Re内标(国家标准物质中心)。

1.2.2 具体指标测定

按照《中国药典》2020年版一部，参考(药材和饮片部分)测定滇黄精多糖含量[9]，多糖标准曲线y=60.358x+0.183 1，R2= 0.999 4。

采用微波消解法，测定滇黄精药材P、K、Ca、Mg、Fe、Mn、Zn、Mo、Cu、As、Cd、Pb、Cr、Se等14种元素含量。称取试样0.100 0～0.150 0 g，进行微波消解。具体试验参照文献[20]，消解时间共计3 h。

1.3 根际土壤矿质元素含量测定

测定土壤中P、K、Ca、Mg、Fe、Mn、Zn、Mo、Cu、As、Cd、Pb、Cr、Se等14种矿质元素含量，采用微波消解仪消解土壤样品，方法同1.2。土壤消解时间共计约230 min。

1.4 数据分析

植物对矿质元素的富集系数=植物矿质元素含量/与植物对应土壤矿质元素含×100 %。采用 Excel 2016 对试验数据进行初步统计整理，对土壤、滇黄精重金属含量，土壤、滇黄精矿质元素含量，滇黄精多糖含量、重金属富集特征进行分析及绘制图表；采用SPSS 26.0统计分析软件对土壤矿质元素含量进行主成分分析、聚类分析，对滇黄精多糖含量进行聚类分析；采用Origin 2021 软件对土壤重金属含量与滇黄精重金属含量、土壤重金属含量与滇黄精多糖含量进行相关性分析，并绘制图表。

2 结果与分析

2.1 根际土壤重金属含量特征分析

根据《土壤环境质量标准》(GB/T 15618-2018)确定农用地土壤污染风险筛选值和风险管制值，并采用“单项污染指数法”分析不同产地土壤中重金属的污染状况，评价土壤环境质量，结合两者综合测定及评判土壤环境质量[21]，结果见表2。

Lt-2、Lt-3、Lt-4、Lt-5、Lt-6、Lt-9、Lt-10、Dt-2产地 Zn、Cu 元素含量均超过风险筛选值，表明这些产地的土壤重金属存在风险，应当采取相应防范方法及适当处理措施控制土壤中重金属含量。其它产地的几种重金属低于风险筛选值，说明这些产地的农用地土壤风险低，对土壤环境的危害相对较小。其中。风险管制值对重金属Cd、As、Pb、Cd进行相应限值，若土壤中这4种重金属超过该限值，则说明农用地土壤污染风险高，农产品土地的土壤环境不符合质量安全标准，且不能通过某些措施降低其风险，不能种植农作物[22]。对土壤中Zn、Cu、As、Cd、Pb、Cr研究表明，这些种植滇黄精的产地中土壤重金属含量均低于土壤风险管制值，产地土壤安全性无问题。

2.2 不同采样点滇黄精根茎矿质元素含量差异

植物矿质元素的含量差异较大，根据矿质元素本身的含量很难判断其在植物中的相对含量。依据 “植物类中药无机元素含量区间表” 可客观评价矿质元素在植物中的相对含量高低，该表将矿质元素的含量分为1到10级共10个等级，随元素含量的增加级别依次提高[23]。如表3所示，Mn(10级)元素含量级别最高，且等级差异较大，在1～10等级区间波动，As元素含量级别最低，等级差异稳定，说明产地滇黄精根茎中大棚栽培品Dt-6产地 Mn 元素含量处于较高水平。总体来看，所有产地中 K、P、Zn 元素含量较高，As 元素含量最低。

表3 滇黄精药材中矿质元素含量等级表Tab.3 Table of mineral element content levels in P.kingianum medicinal materials

2.3 根际土壤矿质元素特征

2.3.1 根标土壤矿质元素含量差异

分析土壤矿质元素的分布特点、差异性是研究药材品质形成的基本内容。测定并分析了林下、大棚栽培品滇黄精产地根际土壤的14种矿质元素，反映滇黄精产地根际土壤矿质元素的地质背景，结果见表4。

表4 云南主产区2种栽培模式下滇黄精根际土壤矿质元素含量Tab.4 Mineral element content in the rhizosphere soil of P.kingianum under two cultivation modes in the main production areas of Yunnan μg/g

根据矿质元素的平均含量，将土壤中14种矿质元素按高低顺序排序为Fe>K>Mn>P>Ca> Zn>Mg>Cu>Cr>Pb>As>Mo>Cd>Se。在土壤中、滇黄精药材中前7种矿质元素相同，都是Fe、K、Mn、P、Ca、Mg、Zn且含量丰富，但含量高低顺序与滇黄精根茎有差异，说明滇黄精对矿质元素的吸收能力不一样，可能与产地的根际土壤有一定关系。

根据表4可知，林下、大棚栽培品产地根际土壤的矿质元素也存在一定差异，整体上看，林下栽培品滇黄精根际土壤中元素含量高于大棚栽培品；仅K元素大棚栽培品滇黄精高于林下。从几种重金属元素含量整体可知，滇黄精林下栽培品重金属含量均高于大棚栽培品的重金属含量，排序依次为Zn、Cu、Cr、Pb、As、Cd，其含量分别为：178.95、94.99、46.62、42.29、9.37、0.91 μg/g。大棚栽培品产地的滇黄精土壤中的重金属含量均相对低，可知该产地土壤受外界环境影响较小；林下栽培品产地土壤受环境影响较大。

从变异系数来看，滇黄精林下栽培品产地土壤中Mn和Mg的变异系数较大，其次是Pb、Ca、Se元素，表明Mn、Mg的离散程度较大。大棚栽培品产地土壤中Se和Mg的变异系数较大，其次是Cu、Ca、K元素，表明Se、Mg的离散程度较大。

2.3.2 土壤矿质元素主成分分析

对滇黄精林下、大棚栽培品产地土壤中14种矿质元素通过降维形式和载荷因子大小进行主成分分析，分析结果见表5、表6和图1。

图1 不同采样点土壤中矿质元素PCA图

表5 不同采样点土壤矿质元素的主成分特征根及贡献率Tab.5 Principal component characteristic roots and contribution rates of soil mineral elements at different sampling points

表6 不同采样点根际土壤中矿质元素旋转成分矩阵Tab.6 Rotating component matrix of mineral elements in rhizosphere soil at different sampling points

表5描述了土壤中矿质元素的主成分特征根和贡献率，方差贡献率在前五的为主成分，累计贡献率为86.476%，其中方差贡献率在第一主成分中的值为30.451%，所占比例最大，包含的信息也最多。表6是矿质元素主成分旋转后的成分矩阵，表中PC1、PC2、PC3、PC4、PC5分别代表方差贡献率排在前五的主成分一、二、三、四、五。从表中可以看出，土壤中Mg、Ca、Fe、Cr、Cd在第一主成分中的载荷系数较大。从土壤中矿质元素PCA图(图1)可以看出PC1中Mg、Ca、Fe、Cr、Cd含量较高。因此，可得Mg、Ca、Fe、Cr、Cd可作为产地滇黄精土壤的特征矿质元素。

2.4 滇黄精药材品质分析

2.4.1 滇黄精根茎多糖含量特征分析

由图2可知，不同产地林下、大棚栽培品滇黄精根茎样品中多糖含量在7.69%～25.73%之间，均高于7.0%，结果符合《中国药典》2020版对多糖含量(以无水葡萄糖计)的规定。其中Lt-1、Lt-6、Dt-1、Lt-4、Dt-2产地滇黄精多糖含量较其他产地高，含量均在20.00%以上，表明这几个产区滇黄精药材品质较好；而Lt-3、Dt-5、Dt-6、Lt-8、Dt-7产地滇黄精多糖含量均在10%以下，低于其他产地，表明这5个产区的滇黄精药材品质相对稍差。

图2 不同采样点滇黄精多糖含量图Fig.2 Polysaccharide content map of P.kingianum at different sampling points

总的来看，林下栽培品滇黄精多糖含量高于大棚栽培品，为进一步了解林下、大棚栽培品产地滇黄精的分布规律，现将不同栽培品产地滇黄精按多糖含量进行聚类(图3)。由图3可知，林下、大棚栽培品18个产地的滇黄精被聚成了两大类。Lt-1、Lt-6、Dt-3、Dt-4，4个产地的滇黄精样品被聚为一类，其他产地被聚为第二类。第二类中，Lt-2、Lt-7、Lt-11产地的滇黄精样品被聚为一小类，Dt-7、Dt-6、Lt-8产地的滇黄精样品被聚为另一小类。从滇黄精多糖测定结果可得出结论，除Dt-1和Dt-2产地外，Lt-1、Lt-6、Dt-3、Dt-4产地滇黄精样品中的多糖含量明显也高于其他产区，因此被聚为一类，其余产地被聚为一类。可知滇黄精中多糖含量不仅与自身因素有关，还与其产地的地理环境、栽培模式存在较大关系。

图3 不同采样点滇黄精多糖含量聚类分析图Fig.3 Cluster analysis of polysaccharide content in P.kingianum at different sampling points

2.4.2 滇黄精根茎重金属含量特征分析

药材中重金属含量会影响药材的安全性，中药材重金属超标现象是限制中药发展的基础因素，应着重注意药材中重金属超标现象。滇黄精中重金属含量的测定结果见表7。

表7 云南省滇黄精主产区2种栽培模式下滇黄精重金属含量

根据《中国药典》2020年版对重金属As、Cd、Pb、Cu的限量指标分别为：Cu≤20 mg/kg，As≤2 mg/kg，Cd≤1 mg/kg，Pb≤5 mg/kg，由研究结果可知：林下、大棚栽培品产地滇黄精样品中重金属含量均未超标。

2.4.3 土壤重金属含量对滇黄精根茎多糖含量的影响

对滇黄精产地土壤重金属和滇黄精中活性成分多糖的含量进行相关性分析(表8)。其中相关系数r代表相关性大小，r值越大表示相关性越强，大于0代表正相关，小于0代表负相关。

表8 不同采样点土壤重金属含量与滇黄精多糖含量的相关性Tab.8 Correlation between soil heavy metal content and polysaccharide content of P.kingianum in different sampling points

滇黄精活性成分多糖含量与土壤中Cu元素(r=0.323)、Zn元素(r=0.057)呈正相关，相关性大小为Cu>Zn，说明滇黄精中多糖含量受这两种重金属元素影响较大，随着土壤中Cu、Zn元素含量的升高，滇黄精中活性成分多糖含量会随之增加，其他重金属元素对黄精多糖含量影响相对较弱。

2.4.4 土壤重金属含量对滇黄精根茎重金属含量的影响

植物体内的各种矿质元素含量一定程度上受到土壤中的矿质元素含量的影响，植物中的矿质元素不一定受土壤中同一种元素的显著影响，还与土壤中其他元素呈显著相关关系。

对滇黄精产地土壤和滇黄精根茎重金属元素进行相关性分析，如表9所示，重金属As(r=0.519)、Pb(r=0.540*)元素在土壤和滇黄精中均呈显著正相关；滇黄精重金属As还与土壤中重金属Cd(r=0.503*)、Pb(r=0.498*)均呈显著正相关；滇黄精中重金属Cr与土壤中重金属Pb(r=0.736**)呈极显著相关。

表9 不同采样点滇黄精重金属与土壤重金属的相关性Tab.9 Correlation between heavy metal content and soil heavy metal content of P.kingianum at different sampling points

总的来看，滇黄精与其生长地土壤中重金属间呈现多种元素含量相互密切相关关系，重金属的积累不仅受土壤中同种重金属的影响，还与其他重金属元素密切相关。

2.4.5 重金属富集特征分析

植物对矿质元素的富集系数C表示矿质元素在植物体内与在植物对应土壤中含量的比值，表示植物对土壤中矿质元素吸收的强弱程度。

滇黄精根茎对重金属的富集系数如图4所示。从滇黄精根茎重金属富集系数平均值中可看出，滇黄精对土壤中的As、Pb、Cr元素富集系数小于0.1，滇黄精对它们的富集能力差，富集作用强烈贫化。富集能力强弱为Cd>Zn>Cu>Cr>As、Pb。从图4可以明显看出，Dt-1滇黄精中的Cd富集系数明显大于1，Dt-6滇黄精中的Cd和Lt-11滇黄精中的Cd富集系数也接近于1，可知这两个产地的滇黄精对土壤重金属Cd的富集能力较明显。

图4 不同采样点滇黄精对重金属富集系数图Fig.4 Enrichment coefficient of heavy metals in P.kingianum from different sampling points

3 讨论与结论

3.1 讨论

药用植物的健康生长离不开其根际土壤中的微量元素，有效的微量元素可直接被植物吸收[24]，参与植物的各种理化反应，如：Cd在一定条件下可降低植物对有效元素的吸收或阻碍其生长，同时根际土壤中有效元素含量的高低也可间接反映土壤肥力的状况[25]。

本研究对土壤重金属对滇黄精多糖、重金属分析，发现滇黄精中多糖含量受Cu、Zn两种元素影响较大，18个产地土壤重金属含量达标，食品安全无问题，但种植时应对这些产地土壤环境中的重金属含量加以把控，避免产地遭到污染。黄精多糖含量、品质不仅与自身因素有关还与其产地地理环境、栽培模式有较大关系。如蒋亚奇等[26]研究9个不同产地黄精药材品质测定29种元素，发现安徽黄精品质更好；王丹等[27]报道多花黄精多糖成分含量因产地不同而存在较大差异，含量最高达11.78 %最低为8.09 %；蒋海陇等[28]报道杉木成熟林抚育间伐可提高林下栽培的多花黄精、野生黄精的多糖含量；盛卫星等[29]报道林下、大田、容器栽培模式中，发现林下栽培的多花黄精多糖含量显著高于大田和容器栽培。滇黄精多糖含量特征与此类似。对矿质含量差异分析，发现林下栽培品产地的滇黄精根际土壤有效元素含量更为丰富，排在前3的为Fe、K、Mn，而冉金凤等[30]研究9个产地的黄精发现对其影响大的元素分别为Fe、Mn、Zn等，说明不同产地黄精土壤矿质元素含量差异性较大。通过富集特征分析，发现需对土壤中重金属Cd的含量严格监控，并防止滇黄精药材出现Cd超标而影响药材安全，推测可能与土壤环境质量特性存在一定关系。罗长浩[31]研究施有机肥对黄精活性成分的影响，发现对黄精多糖作用也较为显著；Wu等[32]研究发现林下滇黄精理化指标整体优于大田，本研究中发现林下栽培的滇黄精的多糖、有效元素等整体也优于大棚；因此，栽培管理措施的差别也可能是导致两种栽培模式滇黄精活性成分差异的原因。

3.2 结论

通过对云南省主产区18个产地林下、大棚不同栽培模式滇黄精-土壤14种矿质元素，滇黄精根茎品质进行分析比较；并探究了滇黄精-土壤之间的相关性，发现土壤矿质元素在一定含量范围内对药材具有一定程度的积极作用。发现林下栽培品滇黄精多糖含量、矿质元素均高于大棚、药材品质也优于大棚。研究结果表明林下栽培模式值得推广；同时，明确了土壤中各矿质元素含量的分布规律，可根据土壤中微量元素的丰缺状况制定合理的施肥计划，并为云南省滇黄精的科学化种植提供参考。