当归根际土壤矿质元素含量及指纹图谱研究

邓淑芳 刘洁丽 孙宇靖 王亚丽

摘要：目的  研究当归根际土壤中矿质元素含量和指纹图谱。方法  采用电感耦合等离子质谱和原子吸收光谱法测定15个产区的151批当归根际土壤样品中15种矿质元素含量，采用方差分析比较不同产区样品中矿质元素差异，采用向量相似法建立当归根际土壤矿质元素的指纹图谱并进行相似度评价。结果  不同产区当归根际土壤中15种矿质元素含量存在显著差异（P<0.05，P<0.01），以铬、镍、钙、镁为最;在所有产区样品中，甘肃漳县、康乐、临潭样品与其他产区样品的差异最大;甘肃岷县和渭源样品中的重金属和有害元素含量较其他产区低。根据指纹图谱和相似度，将15个产区分为三类，甘肃岷县、渭源、漳县、临洮、宕昌、武都、文县为一类，甘肃临潭、卓尼、康乐、和政为一类，云南沾益、德钦、玉龙、鹤庆为一类，三类产区在地理位置上分布较为相似。结论  当归根际土壤矿质元素含量及其指纹图谱可为揭示当归的道地性与土壤无机元素因子之间的相关性提供依据。

关键词：当归;根际土壤;矿质元素;指纹图谱

中图分类号：R284.1    文献标识码：A    文章编号：1005-5304（2019）10-0076-05

DOI：10.3969/j.issn.1005-5304.2019.10.017      开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Abstract： Objective To investigate contents of mineral elements and fingerprints of rhizosphere soil of Angelicae Sinensis Radix. Methods The contents of 15 mineral elements in 151 batches of rhizosphere soil samples from 15 producing areas were determined by ICP-MS and AAS. The statistical differences of the mineral elements in rhizosphere soil from different producing areas were identified by ANOVA. The fingerprint of mineral elements in rhizosphere soil was established by vector similarity analysis and the similarity was evaluated. Results There were significant differences （P<0.05， P<0.01） in the contents of 15 mineral elements of samples from different producing areas， especially in Cr， Ni， Ca and Mg. Among all the producing areas， samples from Zhangxian， Kangle， and Lintan showed obviously differences from samples from other producing areas; The contents of heavy metal and harmful elements in Minxian and Weiyuan soils were lower than those in other producing areas. According to the fingerprint and similarity， the 15 producing areas were divided into three groups： Minxian， Weiyuan， Zhangxian， Lintao， Tanchang， Wudu and Wenxian were the first group; Lintan， Zhuoni， Kangle and Hezhen were the second group; Zhanyi， Deqin， Yulong and Heqing were the third group. The distribution of the three groups of producing areas was similar in geographical location. Conclusion The contents of mineral elements in the rhizosphere soil from Angelicae Sinensis Radix and their fingerprints can provide a basis for revealing the correlation between the genuineness of Angelicae Sinensis Radix and the inorganic elements in the rhizosphere soil.

Keywords： Angelicae Sinensis Radix; rhizosphere soil; mineral elements; fingerprints

當归是伞形科植物当归Angelica sinensis（Oliv.）Diels的干燥根，具有润肠通便、活血调经等功效[1]，主产于甘肃岷县、渭源、宕昌及文县等地。药用植物品质的形成与产地土壤因子息息相关[2]，土壤中的无机元素及有机质是构成药材道地性特征的主要土壤环境因子[3]。研究表明，土壤矿质元素与当归相关质量指标及矿质元素之间存在相关性[4-5]。另外，土壤重金属含量和分布也会影响药材中重金属的含量及分布。目前，对当归根际土壤中的矿质元素已有一些研究[6-8]，但其含量指纹图谱尚未见报道。本研究采用电感耦合等离子质谱法（ICP-MS）和原子吸收光谱法（AAS）测定不同产区当归根际土壤中15种矿质元素的含量并建立其指纹图谱，以期为当归道地性与土壤矿质元素的相关性研究提供依据。

1  仪器与试药

NexION 300X型电感耦合离子体质谱仪，美国PerkinElmer公司; Solaar S-2型原子吸收光谱仪，美国Thermo Fisher公司;MK-Ⅲ型微波消解系统，上海新科公司。

铅（Pb）、镉（Cd）、汞（Hg）、铜（Cu）、砷（As）、锰（Mn）、镁（Mg）、铬（Cr）、锑（Sb）、镍（Ni）、锌（Zn）、铁（Fe）、钙（Ca）、钠（Na）、钾（K）共15种元素的标准贮备液，国家标准物质中心，批号6031;HNO3和H2O2均为优级纯，水为超纯水。151批当归根际土壤样品信息见表1。

2  方法与结果

2.1  样品收集

以甘肃、云南两省的县级主产区为采集点，采用抖土法收集采收期当归根际土壤样品[9]，共15个地区151批样品。将样品自然风干，捣碎，挑出砂砾及植物残体，过100目筛[10]，冷凍保存。

2.2  供试品溶液制备

精密称取0.2～0.5 g预先在红外灯下干燥至恒重的当归根际土壤样品于微波消解系统中，加入HNO3-H2O2（5∶1，V/V）混合液6 mL，振摇，静置过夜，消解仪加热溶液，直至无色透明，冷却后，转移至25 mL容量瓶内，超纯水稀释至刻度，即得供试品溶液[11]。同法制备空白溶液。

2.3  标准溶液制备

精密吸取一定体积的15种元素的标准贮备液，用超纯水稀释为5个标准浓度，备用。

2.4  仪器测定条件

ICP-MS测定Pb、Cd、As、Hg、Cu、Cr、Sb、Ni，优化的测定条件为：射频功率1100 W，雾化气流量0.9 L/min，等离子体流量11 L/min，助燃气流量1 L/min，双通道雾室，雾化室温度2 ℃，采样锥孔径1.1 mm，截取锥孔径0.7 mm，采样深度6.6 mm，脉冲电压950 V，分析室真空度6.7×10-4 Pa，鉴别阀15，单道杆的补偿标准-1.5，四级杆的补偿标准0。

AAS测定Zn、Fe、Mn、Mg、Ca、Na、K元素，优化的测定条件分别为：灯电流6、8、4、4、5、6、5 mA，波长213.9、248.8、279.5、285.2、422.7、589.0、766.5 nm，通带0.2、0.2、0.2、0.5、0.5、0.2、0.5 nm，空气-乙炔火焰类型，乙炔气流量1.2、0.9、1.0、1.1、1.4、1.1、1.2 L/min，氧气流量6.5 L/min。

2.5  线性关系考察

用ICP-MS测得Pb、Cd、As、Hg、Cu、Cr、Sb和Ni的标准曲线，相关系数>0.999 4，表明线性关系良好，见表2。用AAS测得Zn、Fe、Mn、Mg、Ca、Na和K的标准曲线，相关系数>0.998 9，表明线性关系良好，见表3。

2.6  样品含量测定结果与分析

将151批当归根际土壤样品按“2.2”项下方法制备供试品溶液，按“2.4”项下仪器测定条件进行测定，每个样品平行测定3次，取平均值，以外标法计算各元素含量。采用ANOVA对结果进行比较。Pb、Cd、Hg、Cu、Ni、Ca、Zn、Mn、Na和Fe未通过方差齐性检查，采用Tamhanes T2法进行分析;As、Cr、Sb、K和Mg采用LSD法进行分析。

不同产区样品Cr、Ni、Ca和Mg含量存在显著差异（P<0.05，P<0.01）;Pb含量在MX、WY、ZX和ZN 4个产区存在差异;Cd含量在MX、WY、KL、HZ、ZN和云南（YN，含ZY、DQ、YL、HQ）产区存在差异;Hg含量在MX、WY、ZX、LT和TC产区存在差异;Sb含量在WY、ZX和TC产区存在差异;K含量在MX、ZX、TC、WX和WD产区存在差异;Zn含量在MX、WY和ZX产区存在差异;Mn含量在WY与ZX产区存在差异;Fe元素在MX、WY和KL产区存在差异。Fe、K和Ca在所有产区中含量最高，MX和WY产区的重金属及有害元素含量较其他产区低。结果见表4。

2.7  指纹图谱相似度分析

采用向量相似法建立当归根际土壤矿质元素的指纹图谱。计算程序为：设行（ ）为N维向量，记为X=（ ）。定义|X|=√（x_1^2+x_2^2+x_3^2+…+x_n^2 ）  为向量X的模，|X·Y|为向量X和Y的内积，向量X和Y的夹角cosθ=X·Y/|X|·|Y|，cosθ越靠近1，说明X向量和Y向量越相似。

以当归根际土壤15种矿质元素含量为基础数据，绘制当归根际土壤矿质元素指纹图谱[12-13]，见图1。

可见，15个产区当归根际土壤中15种矿质元素的指纹图谱相似性较强，难以看出其差异。以151批当归根际土壤样品中15种矿质元素含量平均值及甘肃岷县66批当归根际土壤样品中15种矿质元素含量平均值作为当归根际土壤矿质元素的标准含量，以此建立2个标准含量向量。根据向量相似法，以每批样品分别与2个标准含量向量的相似度作为当归根际土壤样品的相似度（S1、S2），为方便比较，对151批当归土壤样品的相似度按产地取平均值，结果见表5。

以S1为标准向量，MX、WY、ZX、TC、WD、WX产区的元素指纹图谱较为相似，LTX、KL、HZ、ZN产区的指纹图谱较为相似，ZY、DQ、YL、HQ产区的指纹图谱较为相似;以S2为标准向量，MX、WY、ZX、LT、TC、WD、WX产区的元素指纹图谱较为相似，LTX、KL、HZ、ZN产区的指纹图谱较为相似，ZY、DQ、YL、HQ产区的指纹图谱较为相似。综合S1和S2的分类结果，将15个产区分为三类：MX、WY、ZX、TC、WD、WX为一类，LTX、KL、HZ、ZN为一类，ZY、DQ、YL、HQ为一类。

3  讨论

土壤是药用植物获取营养物质的主要介质，药用植物60%～70%的养分来源于土壤。GAP规定，药材种植产区的土壤质量必须达到GB15618-1995土壤环境质量标准的二级标准，即Cd≤0.30 mg/kg，Hg≤0.50 mg/kg，As（旱地）≤30 mg/kg，Cu（农田）≤100 mg/kg，Pb≤300 mg/kg，Cr（旱地）≤200 mg/kg，Zn≤250 mg/kg，Ni≤50 mg/kg。根据不同产区当归根际土壤矿质元素含量平均值可知，除甘肃临潭县土壤Zn含量超标外，其余元素含量均达到国家标准。

本试验通过比较不同产区当归根际土壤中15种矿质元素含量发现，所有产区土壤中的Fe、Ca和K含量最高，Mn、Zn、Mg和Na含量次之，Pb、Cd、As、Hg、Cu、Cr、Sb和Ni含量最低，其中Cr、Ni、Ca和Mg含量在不同产区的差异较为显著。在所有产区中，以甘肃岷县、康乐、临潭与其他产区差异最大，重金属及有害元素含量较高。对甘肃11个产区和云南4个产区进行整体比较。①有害元素。Pb：甘肃（8.18 mg/kg）<云南（13.37 mg/kg），Cd：甘肃（0.10 mg/kg）<云南（0.17 mg/kg），As：甘肅（9.06 mg/kg）<云南（9.73 mg/kg），Hg：甘肃（0.03 mg/kg）<云南（0.04 mg/kg），Cu：甘肃（15.85 mg/kg）<云南（35.24 mg/kg），Cr：甘肃（51.86 mg/kg）<云南（67.84 mg/kg），Sb：甘肃（1.01 mg/kg）>云南（0.64 mg/kg），Ni：甘肃（19.63 mg/kg）<云南（22.02 mg/kg），Zn：甘肃（162.80 mg/kg）<云南（177.20 mg/kg）;②有益元素。K：甘肃（1059.61 mg/kg）>云南（904.82 mg/kg），Ca：甘肃（2385.69 mg/kg）>云南（128.82 mg/kg），Mg：甘肃（427.95 mg/kg）>云南（340.59 mg/kg），Mn：甘肃（474.36 mg/kg）<云南（539.24 mg/kg），Na：甘肃（224.36 mg/kg）>云南（204.47 mg/kg），Fe：甘肃（29 178.88 mg/kg）<云南（29 559.76 mg/kg）。由此可见，有害元素除Sb外，甘肃产区含量均比云南产区低，有益元素除Mn和Fe外，甘肃产区含量均比云南产区高，这与严辉等[4]研究结果一致。另外，土壤中Cu、K、Pb含量与当归药材中Cu、K、Pb含量呈显著正相关[14]，这也可能是甘肃被认为当归道地产区的因素之一，因而可大致认为甘肃产区整体上优于云南产区。Sb被列为对人体有害的重金属之一，GB15618-1995土壤环境质量标准和2015年版《中华人民共和国药典》均未对其做出限量规定，且当归药材中Sb与土壤中Sb之间有极显著相关性[8]，所以在选择当归种植基地时应注意土壤中Sb含量。

土壤中矿质元素含量不仅与药材指标性成分之间存在相关性[5]，也与药材中矿质元素含量存在相关性[4]。土壤中的矿质元素是药材道地性的因素之一[15]，其含量与指纹图谱可以作为药材道地性研究的重要内容。本研究建立了不同产区当归根际土壤中矿质元素的指纹图谱，根据S1和S2向量相似度的综合比较结果，将15个当归产区分为三类：甘肃岷县、渭源、漳县、临洮、宕昌、武都及文县为一类，甘肃临潭、康乐、和政及卓尼为一类，云南沾益、德钦、玉龙、鹤庆为一类。三类产区在经度、纬度、海拔和土壤质地等地理位置分布上较为相似，且岷县、渭源、漳县、宕昌和文县被认为是当归的道地产区，研究结果可为揭示药材道地性与土壤矿质元素的相关性提供依据。

另外，矿质元素的类别和含量也与药材的功效和药理作用密切相关[16-17]，研究根际土壤中矿质元素的含量及指纹图谱，可为药材中无机元素与药理作用的相关性奠定基础。

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（收稿日期：2018-11-12）

（修回日期：2019-01-14;编辑：陈静）