河西干旱区白芍养分吸收规律及其与药效成分积累的关系

张英英 ,吴之涛 ,杨宪忠 ,魏玉杰* ,杜雷超 ,吴 芳

(1 甘肃省农业工程技术研究院,甘肃武威 733006;2 甘肃省特种药源植物种质创新与安全利用重点实验室,甘肃武威 733006;3 武威市祁连山区道地中药材生态栽培技术创新中心,甘肃武威 733006)

白芍(PaeonialactifloraPall.)为毛茛科芍药属多年生草本植物,能镇痛、祛瘀、通经,具有养血敛阴,柔肝止痛,养血调经等功效[1],对于头痛眩晕、血虚萎黄、月经不调等具有良好治疗效果,属于中国大宗常用药材。白芍中的化学成分包括单萜类、苷类、三萜类、黄酮类、鞣质类以及多糖类化合物,芍药苷、芍药内酯苷等单萜及其苷类化合物是主要活性成分[2]。白芍主产区主要在安徽亳州、浙江磐安、四川中江和山东菏泽[3],随着中药材产业日益发展壮大,市场需求不断增加,但野生道地资源大幅减少,供需矛盾日渐突出,人工栽培白芍已在中药材市场占据主要地位。白芍药性温和、喜光,且耐寒性强,在-20 ℃能露地越冬,白芍栽培出现北移趋势,已在甘肃多地广泛种植,但如何实行科学施肥和规范化栽培,明确不同时期白芍养分吸收规律及分配特征是科学施肥和研制配方专用肥的重要基础。相关研究表明,中药材有效成分含量、品质及产量受栽培技术等条件特别是施肥技术的影响较大[4-6],目前对于根茎类药用植物养分吸收规律及有效成分积累特征的研究主要集中在黄芪、当归、射干、远志等中药材[7-10],而关于河西地区白芍营养吸收规律及其与主要药效成分形成和积累的关系尚缺乏系统研究。因此,本研究以4年生白芍为研究对象,通过测定白芍出苗后不同生长期干物质积累、营养元素及药效成分含量,探明河西地区白芍干物质积累及营养元素吸收特征和药效成分累积规律,明确影响药效成分积累的营养元素种类,以期为该地区科学制定白芍施肥方案和规范化种植提供理论依据,对河西地区白芍生态栽培具有重要指导意义。

1 材料和方法

1.1 试验区概况

试验区位于甘肃省古浪县古丰镇芍药产业基地(N37° 24′17″,E102° 45′14″),属温带干旱气候,平均海拔高度 2 500 m,年降雨量 381 mm,蒸发量2 292 mm,年平均气温 4.9 ℃,全年日照总时间为2 852.3 h,无霜期 125 d。供试土壤0-20 cm 基本性状:土壤pH 7.7、有机质 38.6 g/kg、全氮 2.28 g/kg、碱解氮 204 mg/kg、有效磷 45.6 mg/kg、速效钾 136 mg/kg。

1.2 试验设计

供试材料为4年生安徽亳芍,种苗于2019年购置于安徽中药材市场,于2019年9月10日栽种,株行距60 cm×40 cm,试验设3个重复,小区面积80 m2(20 m×4 m),栽种后前3年田间管理措施均一致,2022年4月15日(第4年)幼苗全部出苗后追施氮磷钾三元复混肥(N-P2O5-K2O:14-16-15)750 kg/hm2,5月中旬(白芍出苗后30 d)第1次采样,之后每20 d采样1次,共采样 7 次。采样时间为早晨8:00-9:00,每个小区采用5点随机采样法,挖取白芍完整植株,去掉泥土,编号后迅速装入取样袋,带回实验室测定单株地上部和根的干物质积累量。将白芍根及地上部分别粉碎,测定氮、磷、钾、钙、镁、铜、锌、锰、铁营养元素及芍药苷、芍药内脂苷及芍药多糖3类药效成分的含量。

1.3 测定指标及方法

1.3.1干物质积累量

出苗后定期取样,将样品根和地上部分开,用蒸馏水清洗植株表面泥土,洗净后用纸擦干表面水分,分别置于搪瓷托盘,于105 ℃杀青30 min后,在70℃烘干至恒重后,称取干重。

1.3.2氮磷钾含量

用粉碎机将植物样品粉碎并过2 mm 筛,用H2SO4-H2O2消煮后,测定白芍根及地上部氮、磷、钾含量。全氮用凯氏滴定法测定;全磷用钒钼黄比色法测定;全钾用火焰原子吸收分光光度法测定[11]。

1.3.3中微量元素含量

将植物样品在高温马弗炉550 ℃下灰化后,用盐酸溶液溶解残渣并稀释定容,采用原子吸收分光光度法测定白芍根及地上部样品中微量元素钙、镁、铜、锌、铁、锰的含量[11]。

1.3.4药效成分含量

(1)芍药苷含量:参考《中国药典》2020版白芍测定方法测定,按干燥品计算芍药苷(C23H28O11)含量。

(2)芍药苷内酯含量:参考《中国药典》2020版白芍测定方法,以芍药苷对照品为参照,以其相应的峰为S峰,计算芍药苷的相对保留时间,其相对保留时间应在规定值的±5%范围之内。相对保留时间及校正因子见表1,按干燥品计算芍药苷内酯含量。

表1 相对保留时间及校正因子Table 1 Relative retention time and correction factor

(3)多糖含量:参考《中国药典》2020版,称量白芍样品粉末约1 g,加水100 mL 后,加热回流2 h,放冷,摇匀并离心;取上清液,加乙醇7.5 mL,摇匀离心,取沉淀加水溶解,并稀释至刻度;摇匀后取1 mL,加0.2%蒽酮-硫酸溶液4.0 mL,测定吸光度;按照标准曲线计算无水葡萄糖含量,计算结果按干燥品计算,多糖含量以无水葡萄糖(C6H12O6)计。

1.3.5数据分析

利用Excel 2016作图,SPSS 19.0软件进行差异显著性及相关性分析。

2 结果与分析

2.1 白芍干物质积累动态变化特征

由图1可知,白芍地上部分干物质积累动态呈波浪形变化,在出苗30～70 d加快,出苗70～110 d放缓,干物质积累量略微下降,并在出苗130 d达到最大,而后缓慢下降,出苗后130 d时干物质显著高于除70 d以外的其他时期。白芍根部干物质积累总体呈现先降低后升高的趋势,在出苗后70 d为整个生育期最低值,显著低于其他时期,在出苗后150 d达到最大值。可见,白芍在生长前期以地上部干物质增长量较大,生长后期生长中心由地上部转移至根部。

白芍全株干物质积累量随生育期推进逐渐增加,并在出苗后90～130 d是干物质积累最快的时期,占总积累量的79.29%。经Logistic方程拟合分析,白芍全株干物质积累量从出苗到出苗后44 d处于缓慢增长期,出苗第110天出现增长拐点,拐点干物质积累量为29 351.69 kg;在出苗后110 d后,干物质处于迅速增长期,是白芍生长的关键时期。

2.2 白芍氮、磷、钾含量及其积累量动态变化特征

2.2.1氮含量及积累量

由图2可知,白芍地上部及根部氮素含量随着生长期延续总体呈下降的趋势,且始终表现为地上部高于根部。其中,地上部氮素含量呈明显下降趋势,在出苗后30 d显著高于其他生长时期,在出苗后150 d最低(1.44%),而根部氮素含量则表现为先升高后下降、最终趋于平缓的变化趋势,在出苗后70 d达到最大(1.52%),在出苗后30～70 d呈增加趋势,在出苗后70～150 d呈下降趋势,且出苗后30～70 d显著高于70～150 d。

同时,白芍地上部和根部对氮素累积量在不同生长时期存在较大差异。白芍地上部和根氮累积总量分别在出苗后第130天和第150天达到最高,分别达到19 149.6,27 716.69 kg/hm2在白芍出苗后的110～130 d根部氮积累量迅速增加,此时也是根部干物质积累的最大时期。

2.2.2磷含量及积累量

图3显示,白芍地上部磷素含量随着出苗天数的增加总体呈明显增加趋势,并在出苗后150 d达到最高(0.33%),显著高于其他生长时期,特别是出苗后110～150 d明显快速增加。白芍根部磷素含量随着出苗天数的增加总体呈明显下降趋势,在出苗后30～50 d从0.50%快速下降至0.18%,之后趋于平缓波动变化,在出苗后130 d最低(0.12%)。白芍地上部磷素含量在出苗后30～90 d低于根部,在出苗后110～150 d高于根部。

图3 白芍根及地上部磷含量及积累量动态变化Fig.3 Dynamic changes in phosphorus content and accumulation in the roots and aboveground parts of P.lactiflora

同时,白芍不同生长时期地上部和根部对磷素累积量也存在较大差异。地上部磷素积累量随生长期推进呈增加趋势,在出苗后150 d 达到最大(3 056.67 kg/hm2);根部磷素积累量则随着生长期推进表现为先减少后增加的趋势,在出苗后30 d显著高于其他生长时期,随后大幅度快速下降,在出苗后50～150 d逐步积累,在出苗后150 d达到第二高峰(4 750.18 kg/hm2)。

2.2.3钾含量及积累量

从图4来看,白芍地上部钾素含量随着生育期总体呈先明显下降后趋于平缓的趋势,在出苗后30 d显著高于其他生长时期,在出苗后30～90 d呈明显下降趋势,在出苗后150 d最低(0.35%);而白芍根部钾素含量在不同生长期变化不明显,一直趋于平稳,处于0.26%～0.40%之间;白芍地上部钾含量在不同生长期均大于根部,但随着生育期差距逐渐缩小,在出苗70 d以后已经非常接近。同时,白芍地上部和根部钾素累积量在不同生长时期存在明显差异,地上部钾素积累量随生长期推进呈先增加后减少趋势,在出苗后70 d达到最大(6 825.84 kg/hm2),而根部钾素积累量则随生长期推进整体呈增加的趋势,在出苗后150 d达到最大(10 363.66 kg/hm2)。

图4 白芍根及地上部钾含量及积累量动态变化Fig.4 Dynamic changes in potassium content and accumulation in the roots and aboveground parts of P.lactiflora

2.3 白芍根及地上部中微量元素含量动态变化特征

表2显示,白芍地上部及根部中微量元素含量均表现为Ca＞Mg＞Fe＞Zn＞Mn＞Cu;随着生长期延续,地上部Ca含量均在出苗后30～130 d显著增加后有所降低,Mg含量则在30～90 d显著增加后降低;根部Ca含量表现为先升高后降低的趋势,并在出苗后50 d达到最大(14 824.33 mg/kg),Mg含量在不同生长时期趋于稳定,基本没有变化。根部Ca含量在出苗前70 d高于地上部,出苗后90～150 d低于地上部;根部Mg含量除出苗后30 d高于地上部外,其他生长阶段均低于地上部。

白芍地上部Fe含量随生长期推进表现为先降低后升高,在出苗后150 d达到最高(265 mg/kg),在出苗后90 d最低(144 mg/kg),而根部Fe含量则表现为持续显著下降的变化趋势。白芍地上部Zn、Cu含量随生育期变化均表现为一致的持续显著下降趋势,在出苗后30 d显著高于其他生长时期;而根部Zn含量呈先减后增的趋势,在出苗后130 d达到最大(13.53 mg/kg),根部Cu含量在出苗后90 d达到峰值(5.13 mg/kg)。白芍地上部Mn含量随着生育期先升高后降低且出苗后30 d显著低于其他生长时期,根部Mn含量在出苗后30～90 d显著下降后有所上升并趋于平缓。白芍根部Fe、Mn含量均在出苗后30 d高于地上部,在后期均为低于地上部,但白芍Zn、Cu含量随生长发育推进在地下部与根部之间差异没有表现明显规律。白芍根系和地上部中微量元素含量随生长发育发生波动,可能与药效成分的生物合成规律有关。

2.4 白芍根药用有效成分含量及其积累量动态特征

图5显示,白芍根中芍药总苷、芍药内脂苷含量随生育期均呈现先增加后减少最后趋于稳定的趋势,它们的变化区间分别在2.1%～4.4%和0.6%～1.5%之间,多糖含量则表现为先增加后降低再大幅增加趋势,变化区间在1.3%～12.1%之间,变化幅度明显大于前两者,在出苗后150 d显著高于其他时期。

图5 不同生长时期白芍根中有效成分含量及积累量动态变化Fig.5 Dynamic changes in the content and accumulation of effective components in the roots of P.lactiflora at different growth stages

同时,随着生长期的延续,白芍根3类药效成分中芍药苷、芍药内脂苷积累量的总变化趋势基本一致,均表现为先增加后趋于稳定,并在出苗后150 d达到最大值,分别为72 981.34,24 327.11 kg/hm2;根中多糖积累量则表现为先增加后降低再大幅增加的变化趋势,在出苗后150 d 最大(367 947.59 kg/hm2),显著高于其他时期。综合以上药效成分含量及积累特征来看,河西地区芍药应在出苗后150 d(9月中旬)进行采挖。

2.5 白芍根有效成分含量及营养元素含量的相关性分析

从表3可知,芍药根部氮含量与钙、铁含量呈极显著正相关,与锌含量呈显著负相关;磷含量与镁、铁、锰含量均呈极显著正相关,与钾含量呈显著负向关;钾含量与铁、锰含量呈显著或极显著负相关,与铜含量呈显著正相关。中微量元素中,铁含量与镁含量呈极显著正相关,锰含量与镁、铁含量呈极显著正相关,其他营养元素之间均无显著相关性。

表3 白芍根有效成分含量与营养元素含量的相关关系Table 3 Correlation between the content of effective ingredients and nutritional elements in the root of P.lactiflora (n=21)

同时,芍药根部营养元素与药效成分芍药苷、芍药内脂苷、多糖含量之间的相关性分析结果(表3)表明,芍药苷含量与氮、钙、铜含量均呈极显著正相关,与钾含量呈显著正相关;芍药内脂苷含量与氮、钾、钙、铜含量均呈极显著正相关;芍药多糖含量与各营养元素含量之间均没有显著相关性。

3 讨论

干物质是光合作用产物积累的最高形式,是衡量有机物质、营养元素积累重要指标。本研究结果表明,白芍全株干物质随生育期推进逐渐增加,出苗后90～130 d是白芍干物质积累最快的时期,占总积累量的79.29%。原因可能是生长前期以地上部增长量较大,生长后期生长中心由地上部转移至根部。由于白芍为多年生药用植物,经过前3年的生长,根部干物质不断积累,而出苗后根部营养不断向地上部转移,在出苗后70 d前,根部干物质积累有所降低,地上部不断积累,而出苗后70 d,此时地上部分的光合面积逐渐趋于稳定,地上部营养物质不断向根部转移,地上部生长放缓,根部干物质迅速积累后趋于稳定。张荣荣[12]研究表明4年生亳芍在9月中下旬以后,根系干质量增长缓慢并趋于稳定,根系基本停止生长。这与本研究结果基本一致。

氮、磷、钾元素是植物生理代谢和生长必须的营养元素,研究白芍氮、磷、钾营养元素的动态变化及积累规律是充分挖掘白芍成药期养分需求特性的重要依据,也是科学合理施肥的基础保障。本研究结果表明白芍不同生长时期氮、磷、钾含量及积累量变化存在较大差异。出苗后是白芍地上部和地下部同步快速生长期,氮、钾元素积累量均在出苗后70 d达到较高水平,钾累积量在开花前达到第1个高峰,此时要维持较高的氮、钾含量来促进地上部生长,为后期营养物质向根部转移提供营养基础。而磷积累量则表现出下降趋势,在出苗90 d后,白芍主要以根部干物质不断积累为主,根部氮、磷、钾元素不断积累,地上部磷元素也不断积累,可能是后期气温下降,植物靠积累磷不断提高自身抗性。据报道,油用牡丹萌芽期氮、磷、钾地下部积累量约为地上部1倍,植株萌发初期养分主要储存在根部,并随着生育期推进向地上部转移[13];远志地上部含氮量始终高于根系[10],荚膜黄芪茎叶和根系中的营养元素含量表现为氮＞钾＞磷[14],这与本研究的结果一致。陈暄等[15]研究认为,氮、磷、钾肥对不同种植年限的芍药生长均有影响,且4年生芍药受氮肥影响较明显。因此,需合理追施氮肥,促进地上部分的生长,使地上部养分向根部转移,为白芍根部干物质及药效成分累积提供有利保障。

微量元素对药用植物生长、根系营养调控、生理代谢及药用有效成分的积累和形成有举足轻重的作用。微量元素与中药药性存在相关,在一定程度上能反映中药性能[16]。本研究结果表明白芍体内中微量元素含量表现为Ca＞Mg＞Fe＞Zn＞Mn＞Cu,芍药苷含量与氮、钙、铜含量均呈极显著正相关,与钾含量呈显著正相关,芍药内脂苷含量与氮、钾、钙、铜含量均呈极显著正相关;芍药多糖含量与各营养元素含量之间没有显著相关性,且中微量元素Ca、Fe、Mg、Mn含量与N、K、P含量元素之间存在显著或极显著正相关关系,微量元素能促进必需元素的吸收。陈暄等[15]研究也认为少量施用Mn、Fe、Zn、Cu等微量元素,能显著促进芍药生长和提高根中芍药苷含量。同时,白芍中根中不同药用成分含量、微量元素含量之间存在一定的相关性。据报道,白芍根中芍药内酯苷含量与Ba、Mn、Ga含量均呈显著正相关,芍药内酯苷、芍药苷等含量与B含量显著相关[17];亳芍中多糖含量与 Cu、Zn、Na含量均呈正相关,与 Ba、Cr含量呈负相关,与Ca含量没有显著相关性[18],这与本研究结果存在一定差异,这可能跟土壤类型、海拔、气候、栽培方式等因素有关。

另外,半枝莲中野黄芩苷、总黄酮、多糖含量与Zn、Mn含量呈显著或极显著正相关[19];甘草中甘草苷含量与Mn、Pb含量呈显著正相关,与Cu、Na含量呈显著负,甘草酸含量与Mg、Cd、La含量有显著正相关关系,与Fe、K 含量呈显著负相关[16];远志总黄酮含量、总酚含量与Zn含量呈显著或极显著正相关[10];青蒿中青蒿素含量与Fe含量、Cu/Zn之间存在相关性[20]。由此可知,微量元素不仅参与中药材多种生理代谢活动,也影响着药效成分的结构功能;中药药理活性是多组分协同作用,与中药有机成分、无机元素含量均密切相关,它们综合作用影响药效成分的形成和积累[10,21-22]。

大多研究认为,芍药根中的芍药苷含量在花期最高,在9-10月趋于稳定,且芍药苷含量与根直径呈负相关[23-25]。芍药中芍药甙含量在9-11月呈低-高-低的变化趋势,并以10月初含量最高[24]。吴健等[23]研究认为芍药苷含量在7月和11-12月出现高值,但β-淀粉酶活性升高,不宜采收,可溶性糖在10-11月迅速积累,芍药的收获期在9月中旬至10月上旬为宜。本研究中白芍根中芍药苷、芍药内脂苷含量均在出苗后70 d达到最大(分别为4.4%、1.5%),正值白芍开花盛期,随后下降,至9月中旬趋于稳定。陈乃东等[26]认为亳芍多糖是葡萄糖、果糖、甘露糖等组成的杂多糖,栽培3年的亳芍多糖含量最高,品质最佳。本研究中芍药多糖含量呈高-低-高的变化趋势,整个生育期分别在出苗后50 d和150 d出现2次峰值,分别为11.5%和12.1%。其原因可能是在白芍生长初期大量营养物质被用于营养生长,致使根部多糖积累;而在出苗后50 d开始大量营养物质向地上部转移,且高温不利于糖分积累,引起根中多糖含量呈下降趋势;出苗后110 d后,此时也是白芍干物质迅速积累的重要时期,根部生长迅速,根部多糖含量开始大量积累,白芍多糖积累与干物质积累趋势相一致。因此,结合当地的气候条件与本试验结果,建议河西冷凉山区白芍应该在9月中下旬(9月16日以后)采挖。

4 结论

白芍根部干物质积累随着生育期延续呈先下降后上升的趋势,其全株干物质积累量随生育期而逐渐增加,并在出苗后90～130 d是干物质积累最快的时期,占总积累量的79.29%,是白芍生长的关键时期。白芍氮、磷、钾营养最大效率期在出苗后110～150 d,应适时追加氮、磷、钾肥,以保证白芍光合作用及根部生物量的积累。白芍根中芍药苷含量与氮、钙、铜含量均呈极显著正相关,与钾含量呈显著正相关;芍药内脂苷含量与氮、钾、钙、铜含量均呈极显著正相关;芍药多糖含量与各营养元素含量之间没有显著相关性。2类药效成分芍药苷、芍药内酯苷积量变化趋势基本一致,均为先升高后降低,最后趋于稳定;多糖积累量则表现为高-低-高的变化趋势。白芍经济产量在出苗后150 d达到最大值,建议生产中甘肃省河西冷凉山区在9月中下旬(9月16日以后)进行采挖。