王 升，趙曼茜，郭蘭萍,*，楊 光，張小波，陳美蘭，林淑芳，黃璐琦

(1. 道地藥材國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，中國(guó)中醫(yī)科學(xué)院中藥資源中心, 北京 100700； 2. 成都康宏藥業(yè)集團(tuán)股份有限公司，成都 610037)

不同產(chǎn)地黃芩中無(wú)機(jī)元素含量及其與根際土壤無(wú)機(jī)元素的關(guān)系

王 升1，趙曼茜2，郭蘭萍1,*，楊 光1，張小波1，陳美蘭1，林淑芳1，黃璐琦1

(1. 道地藥材國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，中國(guó)中醫(yī)科學(xué)院中藥資源中心, 北京 100700； 2. 成都康宏藥業(yè)集團(tuán)股份有限公司，成都 610037)

藥用植物中各無(wú)機(jī)元素含量的不僅影響藥用植物的生長(zhǎng)發(fā)育，也是藥材有效成分的構(gòu)成因子。通過(guò)對(duì)全國(guó)范圍內(nèi)16個(gè)不同產(chǎn)地(即居群)的92個(gè)野生黃芩(ScutellariabaicalensisGeorgi)樣本及其相應(yīng)的根際土壤中10種無(wú)機(jī)元素含量的分析，發(fā)現(xiàn)不同產(chǎn)地黃芩及其根際土壤無(wú)機(jī)元素都有很大變異，且不同產(chǎn)地黃芩根際土壤中無(wú)機(jī)元素的變異遠(yuǎn)大于黃芩藥材中無(wú)機(jī)元素的變異。總體來(lái)看，黃芩中Mg(9級(jí))含量較其他植物含量高；P(1級(jí))、K(2級(jí))、Mn(3級(jí))含量與其他植物相比處處較低水平；黃芩對(duì)Sr(富集系數(shù)達(dá)到3.52)有較強(qiáng)富集。并且通過(guò)無(wú)機(jī)元素分布曲線分析建立了無(wú)機(jī)元素指紋譜，主成分分析篩選出黃芩主要特征無(wú)機(jī)元素為Mg、K、Ca、Fe、Zn。本研究還表明，黃芩對(duì)各元素的吸收能力受產(chǎn)地的影響較大，提示黃芩對(duì)無(wú)機(jī)元素的吸收與各產(chǎn)地根際土壤無(wú)機(jī)元素有一定關(guān)聯(lián)性。

黃芩；無(wú)機(jī)元素；根際土壤；富集系數(shù)；變異系數(shù)

黃芩為唇形科植物黃芩(ScutellariabaicalensisGeorgi)的干燥根，性寒味苦，具有清熱燥濕、瀉火解毒、涼血、安胎的功效[1]。我國(guó)黃芩野生植物資源廣泛分布于東北、華北、華中、西南等地區(qū)[2]。之前，我們已經(jīng)開(kāi)展了黃芩次生代謝產(chǎn)物地理變異及其質(zhì)量評(píng)價(jià)，以及生態(tài)因子對(duì)黃芩的綜合影響及其道地性研究[3- 4]。無(wú)機(jī)元素在植物干物質(zhì)中所占的比重較小，卻是植物重要的成分。不少研究表明土壤中無(wú)機(jī)元素含量與藥材中無(wú)機(jī)元素含量有一定相關(guān)性，并對(duì)藥材的品質(zhì)產(chǎn)生較大影響?？傮w來(lái)看，目前不同產(chǎn)地藥材無(wú)機(jī)元素的含量的差異比較研究較多，藥材無(wú)機(jī)元素及其根際土無(wú)機(jī)元素含量的關(guān)系的研究也時(shí)有報(bào)道，但通過(guò)綜合比較不同產(chǎn)地藥材及根際土無(wú)機(jī)元素含量、變異系數(shù)及富集特征，來(lái)系統(tǒng)分析不同產(chǎn)地藥材無(wú)機(jī)元素變異規(guī)律，進(jìn)而探討不同產(chǎn)地土壤無(wú)機(jī)元素對(duì)藥材無(wú)機(jī)元素影響的研究卻鮮有報(bào)道。本文擬開(kāi)展全國(guó)范圍內(nèi)野生黃芩及其相應(yīng)根際土壤中10種無(wú)機(jī)元素的分析，目的是了解黃芩及其根際土中無(wú)機(jī)元素的含量及變異，以及黃芩對(duì)各無(wú)機(jī)元素的吸收特性，從而探討不同產(chǎn)地根際土無(wú)機(jī)元素與黃芩無(wú)機(jī)元素的關(guān)系，為全面認(rèn)識(shí)黃芩質(zhì)量地理變異、研究黃芩道地性、開(kāi)展適生地選擇提供依據(jù)[5- 6]。

1 材料與方法

1.1 供試材料

黃芩野生藥材由本課題組于2007年7—9月在黃芩主產(chǎn)區(qū)采集，產(chǎn)地信息見(jiàn)表1。本研究選取的16個(gè)產(chǎn)地分布于內(nèi)蒙古、陜西、山西、甘肅、黑龍江、北京、河北和吉林等省或自治區(qū)，覆蓋了黃芩的大部分產(chǎn)地，樣品具有代表性。黃芩樣品的采集方法為，每產(chǎn)地選擇一個(gè)居群，用隨機(jī)取樣法采集黃芩單株樣品4—6個(gè)，采集時(shí)在不同產(chǎn)地選取根粗細(xì)基本一致(根上部約1.5—2 cm),并用竹片輕輕刮下根上所帶泥土(約100 g)，裝于與藥材編號(hào)對(duì)應(yīng)的口袋中。共采集92株野生黃芩樣品。黃芩根部樣品和根際土壤樣品均為單獨(dú)處理測(cè)定，且藥材和土壤一一對(duì)應(yīng)。樣品均由中國(guó)中醫(yī)科學(xué)院中藥研究所黃璐琦研究員鑒定，為唇形科植物黃芩ScutellariabaicalensisGeorgi的根。

表1 黃芩樣品產(chǎn)地信息

1.2 儀器與試劑

ULTIMA型電感耦合等離子光譜儀(ULTIMA 2，法國(guó)HORIBA Jobin Yvon公司，巴黎，法國(guó))。1/10萬(wàn)電子天平(Shimadzu LibrorAEG- 45SM型，日本島津制作所，日本)，1/1萬(wàn)電子天平(Shimadzu AW220型，日本島津制作所，日本)。消解無(wú)機(jī)元素用玻璃儀器均經(jīng)10% HNO3(優(yōu)級(jí)純，批號(hào)：T20100612，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司，上海)浸泡過(guò)夜，用超純水清洗。水為Millpore-Q裝置(Milli-Q Advantage A10，Z00Q0V0WW，Merck Millipore，Massachusetts，USA)處理過(guò)的超純水。消解用高氯酸(分析純，批號(hào)：F 20100304，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司，上海)，氫氟酸(優(yōu)級(jí)純，批號(hào)：20100419，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司，上海)。土壤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW-07408(GSS-8，批號(hào)：4901037)，購(gòu)于地礦部物化探所、測(cè)試所。鐵、銅、錳、鋅、鎘、鉻、鉛、鈣、鎂、鉀、鍶溶液均為中國(guó)計(jì)量院國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中心提供的單元素標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液，各離子濃度為1.0 g/L。

1.3 無(wú)機(jī)元素測(cè)試方法

1.3.1 樣品處理

黃芩樣品采集后，用清水洗凈根、莖葉表面的泥土，再用蒸餾水、去離子水分別快速淋洗3遍，晾干，以60 ℃烘干至恒重，均用瑪瑙乳研缽研細(xì)備用。對(duì)應(yīng)的根際土壤樣品在室內(nèi)風(fēng)干、粉碎，過(guò)100目篩備用[7- 8]。

1.3.2 樣品消解

黃芩樣品的消解方法根據(jù)《中國(guó)藥典》(2010年版)一部附錄ⅨB中Pb測(cè)定項(xiàng)下的制備B法確定[9]。取供試品約0.5 g，精密稱(chēng)定，置凱氏燒瓶中，加硝酸-高氯酸(4∶1)混合溶液20 mL，混勻，置電熱板上加熱消解，保持微沸，若變棕黑色，再加硝酸-高氯酸(4∶1)混合溶液適量，持續(xù)加熱至溶液澄明后升高溫度，繼續(xù)加熱至冒濃煙，直至白煙散盡，消解液呈無(wú)色透明或略帶黃色，放冷，轉(zhuǎn)入50 mL量瓶中，用2%硝酸溶液洗滌容器，洗液合并入量瓶中，高純水定容至50 mL。同時(shí)平行做一份空白試液。每份樣品做3個(gè)重復(fù)。

根際土壤樣品的消解方法為[10]，取供試品約0.5 g，精密稱(chēng)定，置聚四氟乙烯坩堝中，加入硝酸-高氯酸-氫氟酸(3∶1∶1)混合溶液25 mL，浸泡過(guò)夜，置電熱板上加熱消解，待大量白煙冒盡，樣品可呈流動(dòng)球珠狀時(shí)取下，用高純水定容至50 mL。同法處理土壤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)。同時(shí)平行做一份空白溶液。每份樣品做3個(gè)重復(fù)。

1.3.3 無(wú)機(jī)元素的測(cè)定

樣品無(wú)機(jī)元素的測(cè)定運(yùn)用ULTIMA型電感耦合等離子光譜儀，儀器工作參數(shù)：發(fā)生器功率小于5 kW；載氣流量為0.92 L/min；冷卻氣流量為12 L/min；護(hù)套氣流量為0.2 L/min；觀測(cè)高度為12 mm；樣品提升量為1 mL/min；霧室壓力為298 kPa。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)用Excel2003、SPSS13.0和Solo+MIA統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行分析。相關(guān)分析用Pearson相關(guān)系數(shù)法。

2 結(jié)果與分析

2.1 黃芩及其根際土壤中無(wú)機(jī)元素含量特征

方差分析顯示，除Zn外，不同產(chǎn)地的黃芩及其根際土無(wú)機(jī)元素均有顯著差異(表2)。例如，黑龍江杜爾伯特黃芩中Cr含量顯著高于其他產(chǎn)地，約為總分布區(qū)平均值的8倍，其他如陜西山陽(yáng)黃芩中Ca、河北圍場(chǎng)和河北赤城黃芩中Cu、黑龍江呼瑪和北京延慶黃芩中Fe、Mn、河北赤城黃芩中K含量、黑龍江呼瑪與河北圍場(chǎng)黃芩中P、黑龍江呼瑪與吉林白城黃芩中Sr均顯著高于其他產(chǎn)地，而內(nèi)蒙古西林和內(nèi)蒙古赤峰黃芩中K、內(nèi)蒙古赤峰黃芩中Mg含量顯著低于其他產(chǎn)地。與此同時(shí)，河北圍場(chǎng)和河北赤城黃芩根際土壤中Cr、Fe、K、Mn、Sr以及河北赤城的Cu都顯著高于其他產(chǎn)地，并且除Sr外均為河北赤城大于河北圍場(chǎng)，其中河北圍場(chǎng)和赤城Sr含量約為其他產(chǎn)地的11倍和8倍；內(nèi)蒙古額爾古納黃芩根際土壤中K和黑龍江呼瑪中Mn、Sr則顯著高于河北赤城和河北圍場(chǎng)外的其他產(chǎn)地；此外，黑龍江呼瑪和內(nèi)蒙古額爾古納黃芩根際土壤中P、陜西山陽(yáng)和吉林白城的Ca、山西汾陽(yáng)的Mg都顯著大于其他產(chǎn)地；陜西山陽(yáng)K、黑龍江杜爾伯特Mg、以及河北圍場(chǎng)、黑龍江杜爾伯特、陜西山陽(yáng)的P含量則顯著低于其他產(chǎn)地，僅為總分布區(qū)內(nèi)均值的1/3—1/2。

表2 黃芩及其根際土壤無(wú)機(jī)元素含量

黃芩中各元素含量從大到小順序?yàn)镃a-K-Mg-Fe-P-Sr-Mn-Zn-Cu-Cr，根際土壤為Ca-K-Fe-Mg-Mn-P-Cr-Zn-Cu-Sr，后者主要反映了各地土壤無(wú)機(jī)元素地質(zhì)背景，前者更多反映了在某種地質(zhì)背景下黃芩對(duì)無(wú)機(jī)元素的吸收特征。本研究表明，黃芩中無(wú)機(jī)元素含量大小的順序與根際土壤中雖不完全一致，卻有一定程度的相似性。黃芩及根際土中Ca、K、Fe、Zn、Cu的順序和位置完全一致，Mg、P、Mn和Cr稍有移動(dòng)，其中，只有Sr在土壤中的含量排在第10位，在黃芩中排到了第6位，提前了4位。提示黃芩對(duì)無(wú)機(jī)元素的吸收既受根際土壤背景的影響，也受黃芩自身對(duì)不同無(wú)機(jī)元素的吸收特性的影響。

黃芩根際土中Ca、Cr、Cu、Fe、K、Mg、Mn、P、Sr、Zn含量分別是藥材中含量的3.76、16.70、1.61、6.79、3.53、1.72、12.83、1.07、0.55、2.43倍。T檢驗(yàn)顯示，黃芩中Ca、K、Fe、Mg、Mn、Cr、Zn、Cu 8種無(wú)機(jī)元素含量均顯著低于其根際土壤中含量(P≤0.05)，黃芩與根際土中P含量沒(méi)有顯著差異，黃芩中Sr含量顯著高于黃芩根際土壤(P≤0.05)，提示黃芩對(duì)土壤中Sr有顯著富集作用。

2.2 黃芩中無(wú)機(jī)元素的含量等級(jí)

由于地質(zhì)背景和生物進(jìn)化造成的遺傳特征不同，同種植物對(duì)不同無(wú)機(jī)元素的需求和含量不同，由此產(chǎn)生大量元素、微量元素及痕量元素的概念。換言之，由于各種無(wú)機(jī)元素的本底差異極大，單獨(dú)分析同種植物中各種無(wú)機(jī)元素含量的高低很難得出有意義的結(jié)論。只有在了解植物中無(wú)機(jī)元素含量總體分布的基礎(chǔ)上，觀察某種無(wú)機(jī)元素含量在植物無(wú)機(jī)元素分布中的位置，才能更好地理解該種植物中每個(gè)無(wú)機(jī)元素含量在總體水平上究竟是較高還是較低。我們利用管競(jìng)環(huán)等[11]所制定的“植物類(lèi)中藥無(wú)機(jī)元素含量區(qū)間表”來(lái)度量黃芩中各元素含量相對(duì)的高低水平?！爸参镱?lèi)中藥無(wú)機(jī)元素含量區(qū)間表”將自然界植物中無(wú)機(jī)元素分成1到10級(jí)，等級(jí)越高表明該植物中某種元素在自然界的相對(duì)水平越高。本研究顯示，黃芩中Mg(9級(jí))含量較其他植物含量高；Fe(7級(jí))含量較高；P(1級(jí))、K(2級(jí))、Mn(3級(jí))含量與其他植物相比處處較低水平；而Ca(6級(jí))、Cu(5級(jí))、Sr(5級(jí))、Zn(4級(jí))處于中等居中。不同產(chǎn)地黃芩中無(wú)機(jī)元素含量等級(jí)不同，但多數(shù)產(chǎn)地黃芩中各元素含量等級(jí)順序較為穩(wěn)定，除Sr和Ca外，其他大部分無(wú)機(jī)元素含量等級(jí)差異較小(表3)。

表3 黃芩中各無(wú)機(jī)元素含量等級(jí)

用每個(gè)產(chǎn)地的元素均值來(lái)衡量其元素含量水平

2.3 黃芩中無(wú)機(jī)元素含量分布曲線分析

根據(jù)定量測(cè)量的元素結(jié)果并參考西洋參、何首烏等的無(wú)機(jī)元素分析方法[12- 13]，將測(cè)量的10中無(wú)機(jī)元素按其原子序數(shù)順序制作含量分布曲線。為繪圖方便，把一些含量懸殊的元素同時(shí)放大或縮小相同倍數(shù)至同一數(shù)量級(jí)(Ca縮小10倍；Cu、Sr放大10倍)。為了便于比較，本文將16個(gè)產(chǎn)地的樣品的無(wú)機(jī)元素分布圖譜繪在一起(圖1)，建立黃芩無(wú)機(jī)元素指紋圖譜，為黃芩的鑒別和質(zhì)量評(píng)價(jià)提供無(wú)機(jī)元素方面的依據(jù)。從圖中可以看出，16個(gè)產(chǎn)地的黃芩樣品無(wú)論生長(zhǎng)在哪里都有相似的峰形，而由于樣品不用，其含量有所差異。這一共性是黃芩的無(wú)機(jī)元素指紋圖譜與其他藥材無(wú)機(jī)元素指紋圖譜的區(qū)別。但是，不同產(chǎn)地的無(wú)機(jī)元素指紋圖譜中各元素有較大差異，這與不同產(chǎn)地的地理環(huán)境、不同黃芩樣品的種質(zhì)和生長(zhǎng)年限等存在顯著的差異有關(guān)。本文采集的黃芩樣品幾乎遍及了黃芩在全國(guó)的分布區(qū)，因此可以對(duì)無(wú)機(jī)元素含量分布的均值+標(biāo)準(zhǔn)差的分布曲線作圖1，獲得黃芩總分布區(qū)內(nèi)黃芩無(wú)機(jī)元素的變化范圍。

圖1 黃芩中無(wú)機(jī)元素含量分布曲線Fig.1 Content distribution curve of inorganic elements in S. baicalensis

2.4 黃芩及根際土壤中無(wú)機(jī)元素變異特征

觀察黃芩及根際土無(wú)機(jī)元素含量差異主要是分布在不同產(chǎn)地間還是同一產(chǎn)地的不同個(gè)體間，對(duì)指導(dǎo)黃芩樣品的采集具有重要意義。當(dāng)進(jìn)行兩個(gè)或多個(gè)資料變異程度的比較時(shí)，如果度量單位與平均數(shù)相同，可以直接利用標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)比較。本研究各種無(wú)機(jī)元素的平均數(shù)不同，因而采用標(biāo)準(zhǔn)差與平均數(shù)的比值，即“標(biāo)準(zhǔn)差率(又稱(chēng)變異系數(shù))”，比較了不同產(chǎn)地間和同產(chǎn)地不同個(gè)體間黃芩及根際土(表4)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，1)總體來(lái)看，同一產(chǎn)地?zé)o機(jī)元素含量變異系數(shù)黃芩中大于根際土，T檢驗(yàn)顯示，各地黃芩中Cr、Fe、K、Mn、P、Sr變異系數(shù)顯著大于根際土壤；但黃芩總分布區(qū)藥材及根際土壤無(wú)機(jī)元素變異系數(shù)無(wú)顯著差異。提示，由于同一產(chǎn)地黃芩根際土無(wú)機(jī)元素相對(duì)較均一，黃芩個(gè)體主動(dòng)吸收的差異對(duì)無(wú)機(jī)元素變異的貢獻(xiàn)較大；而不同產(chǎn)地土壤及黃芩種質(zhì)變異都較大，黃芩種質(zhì)及土壤背景對(duì)黃芩吸收無(wú)機(jī)元素的影響都不容忽視。2)黃芩中Ca、Cr、Cu、Fe、K、Mg、Mn、P、Sr、Zn總分布區(qū)變異系數(shù)分別是各產(chǎn)地變異系數(shù)的1.67、4.29、2.72、1.81、1.94、1.63、1.99、1.73、2.80、1.55倍，平均為2.21倍，黃芩根際土中Ca、Cr、Cu、Fe、K、Mg、Mn、P、Sr、Zn總分布區(qū)變異系數(shù)分別是各產(chǎn)地變異系數(shù)的3.28、12.66、4.09、9.99、2.91、4.54、5.73、6.25、15.67、2.45倍，平均6.76倍?？梢?jiàn)，不同產(chǎn)地黃芩及根際土壤中無(wú)機(jī)元素含量變異均大于同一產(chǎn)地內(nèi)變異，且根際土壤尤為明顯。3)各無(wú)機(jī)元素變異系數(shù)不論在黃芩或其根際土壤中均差異較大，黃芩或其根際土均為Cr的變異系數(shù)最大，分別為285.86%和147,54%；K、Mg變異系數(shù)較小，黃芩及其根際土壤中K分別為37.17%和22.47%、黃芩及其根際土壤中Mg變異系數(shù)分別為19.24%和40.28%。提示土壤無(wú)機(jī)元素的含量變異與黃芩中無(wú)機(jī)元素變異有一定相關(guān)性。

表4 黃芩及土壤無(wú)機(jī)元素含量的居群內(nèi)變異系數(shù)和總變異系數(shù)(CV，coefficient variation,%)

變異系數(shù)C.V =(標(biāo)準(zhǔn)偏差 SD÷平均值 MN)× 100%，又稱(chēng)“標(biāo)準(zhǔn)差率”

圖2 16個(gè)產(chǎn)地黃芩及其相應(yīng)根際土壤中無(wú)機(jī)元素主成分分析圖，PC1 和PC2的值分別代表了樣品和因子(無(wú)機(jī)元素)在水平和垂直方向的載荷Fig.2 The bioplot of the principal component analysis on the content of inorganic elements in S. baicalensis and its relevant rhizosphere soil of 16 areas

對(duì)16個(gè)產(chǎn)地的92份樣本黃芩及其相應(yīng)的根際土壤中顯著性差異的無(wú)機(jī)元素含量應(yīng)用Solo+MIA統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行主成分分析(圖2)[14- 16]，其中PC1方差貢獻(xiàn)率為77.10%，PC2方差貢獻(xiàn)率為18.59%，據(jù)此選取前2個(gè)主成分進(jìn)行評(píng)價(jià)，其代表了黃芩及其相應(yīng)根際土壤中無(wú)機(jī)元素量的97.51%的信息量。圖2中PC1 和PC2的值分別代表了樣品和因子(無(wú)機(jī)元素)在水平和垂直方向的載荷值，由此可知，PC1和Ca土呈高度正相關(guān)，和Ca植呈正相關(guān)，和K土呈現(xiàn)高度負(fù)相關(guān)。PC2和Fe土，K土呈高度正相關(guān)，和Mg土、Mn土、Zn土呈正相關(guān)，由此可知總方差主要的貢獻(xiàn)來(lái)自PC1和PC2中根際土壤無(wú)機(jī)元素Ca土、K土、Mg土、Mn土、Zn土，此結(jié)果表明，土壤無(wú)機(jī)元素的變異遠(yuǎn)大于黃芩中無(wú)機(jī)元素的變異，其中黃芩根際土壤中的特征無(wú)機(jī)元素為Ca、K、Mg、Mn、Zn。

同理，運(yùn)用Solo+MIA統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)92個(gè)樣本黃芩中顯著性差異的無(wú)機(jī)元素進(jìn)行主成分分析(圖3)[17- 18]，由因子載荷值可知，PC1和黃芩中Ca、Fe呈高度正相關(guān)， PC2和黃芩中K、Mg呈高度正相關(guān)，其中總方差90%的貢獻(xiàn)來(lái)自于第1、2主成分因子，因此可認(rèn)為K、Mg、Ca、Fe、Zn是黃芩的特征無(wú)機(jī)元素。

圖3 16個(gè)產(chǎn)地黃芩中無(wú)機(jī)元素主成分分析圖Fig.3 The bioplot of the principal component analysis on the content of inorganic elements in S. baicalensis of 16 areas

2.5 黃芩無(wú)機(jī)元素富集特征

如表5所示，黃芩中10種無(wú)機(jī)元素中，只有Sr和P 2種元素的富集系數(shù)大于1。其中，黃芩對(duì)Sr的富集系數(shù)達(dá)到3.52，富集作用明顯；黃芩對(duì)P富集系數(shù)為1.27，但各地對(duì)P的富集作用不同，16個(gè)產(chǎn)地中有8個(gè)產(chǎn)地的富集系數(shù)大于1，另8個(gè)產(chǎn)地的富集系數(shù)小于1，總體來(lái)看，富集作用不明顯。其他8種元素的富集系數(shù)均小于1。

T檢驗(yàn)表明各地黃芩中同一種無(wú)機(jī)元素的富集系數(shù)有顯著差異。如黑龍江杜爾伯特產(chǎn)地黃芩中Cr富集系數(shù)高達(dá)1.49，極顯著大于其他產(chǎn)地(多數(shù)在0.1左右)；北京延慶黃芩中Ca和Mn、河北圍場(chǎng)和黑龍江杜爾伯特黃芩中P、以及河北圍場(chǎng)黃芩中Zn富集系數(shù)也顯著高于其他產(chǎn)地；此外，河北赤城和河北圍場(chǎng)兩產(chǎn)地黃芩中Sr的富集系數(shù)顯著小于其他產(chǎn)地，分別為0.22和0.20，僅為其他產(chǎn)地平均富集系數(shù)的1/20；內(nèi)蒙古西林和內(nèi)蒙古赤峰兩產(chǎn)地黃芩中K的富集系數(shù)也顯著小于其他產(chǎn)地。

黃芩總分布區(qū)各元素富集系數(shù)的變異系數(shù)遠(yuǎn)大于各地?zé)o機(jī)元素富集系數(shù)的變異系屬的均值。黃芩總分布區(qū)Ca、Cr、Cu、Fe、K、Mg、Mn、P、Sr、Zn富集系數(shù)的變異是各地富集系數(shù)變異的2.06、5.95、3.83、1.56、1.90、2.93、1.59、2.45、2.33、2.72倍，平均2.73倍。黃芩總分布區(qū)及各產(chǎn)地內(nèi)無(wú)機(jī)元素富集系數(shù)的變異均為Cr最大，變異系數(shù)達(dá)到341.75%；K、Mg最小，分別為40.60%和43.55%；其他Cu，Zn、Ca、P、Fe、Mn、Sr 7種變異系數(shù)都超過(guò)50%。提示黃芩對(duì)無(wú)機(jī)元素的富集能力對(duì)產(chǎn)地有很大的依賴(lài)性，不僅與黃芩本身對(duì)無(wú)機(jī)元素的吸收特點(diǎn)有關(guān)。

3 結(jié)論與討論

3.1 黃芩無(wú)機(jī)元素特征及變異規(guī)律

不同產(chǎn)地黃芩無(wú)機(jī)元素有很大變異?？傮w來(lái)看，黃芩中無(wú)機(jī)元素具有以下特征：Mg(9級(jí))含量較其他植物含量高；P(1級(jí))、K(2級(jí))、Mn(3級(jí))含量與其他植物相比處處較低水平[11]；黃芩對(duì)Sr(富集系數(shù)達(dá)到3.52)有較強(qiáng)富集，但黃芩中Sr在植物中處于中等居中；各地黃芩中Cr不論在含量(變異系數(shù)285.86%)及富集能力(富集系數(shù)的變異系數(shù)為341.75%)方面均有很大變異。在植物生理功能中，鎂(Mg)是糖代謝和呼吸不可缺少的輔因子，參與光合作用、脂肪酸的代謝、蛋白質(zhì)合成時(shí)起催化作用。鍶(Sr)在體內(nèi)的代謝與鈣極為相似，能促進(jìn)骨骼發(fā)育生長(zhǎng)，維持人體正常生理功能。鉻(Cr)(Ⅲ價(jià))是胰島激素的輔因子，是維生素B12的重要組成部分，主要功能是調(diào)節(jié)血糖代謝，促進(jìn)蛋白質(zhì)代謝合成，但過(guò)多鉻可誘發(fā)肺癌。以上3種無(wú)機(jī)元素在黃芩地理變異研究中需要引起特別重視。

黃芩各無(wú)機(jī)元素變異情況差異較大，變異系數(shù)最大的為Cr，達(dá)到285.86%，最小的是Mg為19.24%?？傮w來(lái)看，黃芩總分布區(qū)無(wú)機(jī)元素變異系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于各地?zé)o機(jī)元素變異系數(shù)的均值，前者為后者的2.21倍。黃芩總分布區(qū)各元素富集系數(shù)的變異系數(shù)也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于各地該值的均值，前者是后者的2.73倍。提示在開(kāi)展黃芩無(wú)機(jī)元素相關(guān)研究中，取樣的代表性極其重要，其中來(lái)源于多個(gè)不同產(chǎn)地的樣地尤其重要，在總樣品數(shù)量不變的情況下，增加樣地?cái)?shù)目會(huì)讓樣品的代表性更好。

此外，本文構(gòu)建的16個(gè)產(chǎn)地?zé)o機(jī)元素分布曲線圖譜中Mg、P、K、Ca、Mn、Fe、Zn等元素的峰形相似，可作為黃芩藥材無(wú)機(jī)元素指紋譜與其他藥材無(wú)機(jī)元素指紋譜的鑒別特征。通過(guò)主成分分析篩選出Mg、K、Ca、Fe、Zn為黃芩的特征無(wú)機(jī)元素，為黃芩藥理作用與無(wú)機(jī)元素的關(guān)系研究提供理論依據(jù)。

3.2 根際土無(wú)機(jī)元素與黃芩無(wú)機(jī)元素的關(guān)系

植物和土壤是生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)具有緊密聯(lián)系的兩個(gè)分室，土壤中的無(wú)機(jī)元素含量對(duì)植物體內(nèi)的各無(wú)機(jī)元素含量存在一定程度的影響[19- 20]。本研究表明，各地黃芩及根際土壤中無(wú)機(jī)元素相對(duì)大小呈現(xiàn)出相似的變化順序，而且不同產(chǎn)地間黃芩各元素富集系數(shù)的變異遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于單個(gè)產(chǎn)地內(nèi)的變異，即黃芩對(duì)各元素的吸收能力受產(chǎn)地的影響較大，提示黃芩對(duì)無(wú)機(jī)元素的吸收與各產(chǎn)地黃芩根際土壤無(wú)機(jī)元素有一定關(guān)聯(lián)性。而除Sr和Ca外，多數(shù)產(chǎn)地黃芩其他大部分無(wú)機(jī)元素含量等級(jí)差異較小，黃芩對(duì)各無(wú)機(jī)元素的需求和吸收能力相對(duì)穩(wěn)定，這反映了黃芩植物本身對(duì)各無(wú)機(jī)元素需求和吸收特征。

總體來(lái)看，黃芩對(duì)各無(wú)機(jī)元素吸收能力的大小不僅與黃芩植物對(duì)該無(wú)機(jī)元素的需求量和吸收特點(diǎn)有關(guān)，也對(duì)不同產(chǎn)地的黃芩的根際土壤無(wú)機(jī)元素的含量有很大關(guān)聯(lián)性。例如，同一產(chǎn)地?zé)o機(jī)元素含量變異系數(shù)黃芩中大于根際土，總分布區(qū)中黃芩及根際無(wú)機(jī)元素變異系數(shù)無(wú)顯著差異，提示同一產(chǎn)地內(nèi)黃芩無(wú)機(jī)元素的變異主要是由個(gè)體變異導(dǎo)致的；而不同產(chǎn)地之間的變異主要由黃芩種質(zhì)及土壤背景對(duì)無(wú)機(jī)元素吸收的影響等導(dǎo)致。此外，本文結(jié)果只能反映黃芩無(wú)機(jī)元素與根際土無(wú)機(jī)元素的關(guān)系，不能完全反映黃芩無(wú)機(jī)元素與不同產(chǎn)地土壤(非根際)之間的關(guān)系，因?yàn)辄S芩根際會(huì)產(chǎn)生根系分泌物能夠活化和富集一部分無(wú)機(jī)元素，成為有效態(tài)的，從而被黃芩吸收利用。此試驗(yàn)分析了土壤中無(wú)機(jī)元素的全量與黃芩無(wú)機(jī)元素含量的關(guān)系，土壤中無(wú)機(jī)元素的形態(tài)及其有效性有待進(jìn)一步的分析研究。

表5 黃芩中各無(wú)機(jī)元素富集系數(shù)均值(Mean)及其居群內(nèi)、總變異系數(shù)(CV，coefficient variation,%)

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The contents of inorganic elements ofScutellariabaicalensisfrom different origins and its relationship with inorganic elements in relevant rhizosphere soil

WANG Sheng1，ZHAO Manxi2，GUO Lanping1,*，YANG Guang1，ZHANG Xiaobo1，CHEN Meilan1，LIN Shufang1，HUANG Luqi1

1StateKeyLaboratoryBreedingBaseofDao-diHerbs,NationalResourceCenterforChineseMateriaMedica,ChinaAcademyofChineseMedicalSciences，Beijng100700,China2ChengduKANGHONGPharmaceuticalGroupCo.,Ltd.,Chengdu610037,China

Inorganic elements in medicinal plants not only affect the growth and development of medicinal plants, but also are important constitutes of its active ingredients. The present study examined the content and variability of inorganic elements inScutellariabaicalensisand its relevant rhizosphere soils, as well as the plant′s absorption characteristics for various inorganic elements, to explore the relationship between inorganic elements in rhizosphere soil and inorganic elements in roots. A total of 92S.baicalensisplant and its 92 relevant rhizosphere soil samples, derived from 16 different origins across China, were employed in this experiment. Ten different inorganic elements were detected in the plant samples and the analyses of their corresponding rhizosphere soils. The inorganic element contents of plants from different origins and their corresponding rhizosphere soils varied significantly, and the variation among soils of different origin was much greater than in plants. The ANOVA showed that, in addition to Zn, the contents of other inorganic element in the samples and their corresponding rhizosphere soils were significantly different according to origin. For example, the Cr contents in the samples from Durbat, Heilongjiang were significantly higher than those of samples from other origins and nearly eight times greater than the study average. The rhizosphere soils from Weichang, Hebei and Chicheng, Hebei, contained significantly more Cr, Fe, K, Mn, and Sr than did samples from other areas. The coefficients of variation for Cr, Fe, K, Mn, P and Sr in the plant samples from the 16 origins were significantly greater than those in the rhizosphere soil. However, no significant differences were observed between the coefficients of variation of the inorganic elements for their overall distribution in the plant samples and in the corresponding rhizosphere soils. Furthermore, the content of Mg (9 level) inS.baicalensis(9) was relatively higher than in other plants, while the P (1 level), K (2 level), and Mn (3 level) contents were relatively lower.S.baicalensisalso showed a strong concentration of Sr (with an enrichment coefficient of 3.52) and a weak concentration of P (with an enrichment coefficient of 1.27). At the same time, the enrichment coefficient of each inorganic element varied significantly according to origin. Additionally, we obtained the fingerprint spectra of the inorganic elements ofS.baicalensisusing inorganic element distribution curve analysis and filtered out the characteristic inorganic elements using principal component analysis. Mg, K, Ca, Fe and Zn were the characteristic inorganic elements ofS.baicalensis, while Ca, K, Mg, Mn and Zn were the characteristic inorganic elements in the rhizosphere soil ofS.baicalensis. Overall, the study showed that the absorption capacity ofS.baicalensisfor each element varied with origin and that the absorption capacity for each inorganic element was tied to the plant′s growth demands and the absorption characteristics of the element. These results also suggested that a correlation existed between the absorption of inorganic elements and the inorganic elements in the rhizosphere soil. This study provided a comprehensive understanding of the geographic variation of nutrient quality forS.baicalensisand a theoretical basis for choosing appropriate planting habitats.

Scutellariabaicalensis; inorganic element; rhizosphere soil; enrichment coefficient; coefficient variation.

國(guó)家自然科學(xué)基金(81130070); 國(guó)家科技支撐項(xiàng)目(2012BAI29B02，2012BAI28B002)

2013- 04- 16;

2014- 06- 16

10.5846/stxb201304160722

*通訊作者Corresponding author.E-mail: glp01@126.com

王升，趙曼茜，郭蘭萍，楊光，張小波，陳美蘭，林淑芳，黃璐琦.不同產(chǎn)地黃芩中無(wú)機(jī)元素含量及其與根際土壤無(wú)機(jī)元素的關(guān)系.生態(tài)學(xué)報(bào),2014,34(16):4734- 4745.

Wang S，Zhao M X，Guo L P，Yang G，Zhang X B，Chen M L，Lin S F，Huang L Q.The contents of inorganic elements ofScutellariabaicalensisfrom different origins and its relationship with inorganic elements in relevant rhizosphere soil.Acta Ecologica Sinica,2014,34(16):4734- 4745.