‘黔藿1号’叶片不同采收时间矿质元素分析

雷荣，汪卓逸，汪永平，晏凯，刘红昌※

（1.贵州大学农学院，贵州贵阳550025；2.贵州省药用植物繁育与种植重点实验室，贵州贵阳550025；3.北京市八一学校，北京100080；4.贵州贵基生物医药有限公司，贵州从江557400）

箭叶淫羊藿[Epimedium sagittatum（Sieb.et Zucc.）Maxim.]为小檗科（Berberidaceae）淫羊藿属（Epimedium）植物[1]，早在汉代《神农本草经》中就有记载[2]，是淫羊藿属分布较广的种，在我国安徽、江西、湖南、浙江、福建、湖北、广东、贵州、广西、陕西、四川、河南及重庆市均有分布[3]。箭叶淫羊藿与淫羊藿（E.breviconu Maxim.）、柔毛淫羊藿（E.pubescens Maxim.）和朝鲜淫羊藿（E.Koreanum Nakai）共同作为中药材淫羊藿的基源植物，其性温，味辛、甘，归肝、肾经，具有补肾阳、强筋骨和祛风湿的功效，常用于治疗肾阳虚衰、阳痿遗精、筋骨痿软、风湿痹痛和麻木拘挛等病症[4]。现代药理研究表明，其具有抗炎、抗肿瘤、抗骨质疏松、有益于神经系统和保护心血管等多种功能[5]，受到国内外学者的高度重视，成为现代医学研究的热点[6]。

矿质元素是中药归经和药性物质基础的重要组成部分，其特点是数量小，功能作用大，在中药中经常是有机成分的中心原子，对中药的药效、结构分析和生物分子的活性具有重要作用[7]；同时，还是植物体的组成成分，参与生命活动的调节，在植物的生长发育过程中起着非常重要的作用，了解其吸收和利用规律，可用来指导合理施肥，提高作物产量和改善作物品质。矿质元素是影响淫羊藿药材产量和品质的重要因素之一，目前对于淫羊藿的研究尚不够深入，主要集中在化学成分[8-10]和药理研究[11-15]等方面，而关于其矿质元素的研究主要侧重在不同产地[6,16]、炮制前后[17,18]含量的比较，关于不同采收时间叶片中矿质元素含量的变化特性未见报道。因此，本研究通过测定箭叶淫羊藿优良品种‘黔藿1号’不同采收时间叶片中13种矿质元素的含量变化，并对其进行主成分分析，旨在为其合理施肥和药材质量评价提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验地位于贵州省从江县往洞镇高传村，为连续多年种植水稻的水稻田，属亚热带季风性气候，平均海拔670 m，年均温15.5℃，年均降雨量1 230 mm，年日照时数1 080～1 249 h，无霜期280 d以上，土壤质地为沙壤土。

1.2 供试材料

供试材料为贵州贵基生物医药有限公司自选箭叶淫羊藿优良品种‘黔藿1号’，药材基源经贵州大学植物鉴定中心鉴定为小檗科（Berberidaceae）淫羊藿属（Epimedium）植物箭叶淫羊藿[Epimedium sagittatum（Sieb.etZucc.）Maxim.]。

1.3 主要试剂与仪器

钙（Ca）、镁（Mg）、铁（Fe）、铜（Cu）、锰（Mn）、锌（Zn）、镉（Cd）、汞（Hg）、砷（As）和铅（Pb）标准溶液购自国家有色金属及电子材料分析测试中心，磷酸氢二钠、酒石酸钾钠、氢氧化钠、水杨酸钠、次氯酸钠、浓盐酸和浓硝酸等均为分析纯。

主要仪器：箱式电阻炉（SX-5-12型）、电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS RQ）、微波消解仪（奥普乐）、连续流动分析仪（AA3型）、万分之一天平（ML204型）等。

1.4 方法

1.4.1 试验设计2019年12月采用‘黔藿1号’的1年生根茎繁育苗进行起厢栽培，厢宽1.0m，厢距40cm，厢高20 cm，种植株、行距为20 cm 30 cm，以小拱棚的形式搭建遮阴度为70%的遮阳网。2020年4月开始定株挂牌，并取叶片作供试材料，取样面积为1m2，重复3次。

1.4.2 矿质元素含量测定采用凯氏定氮法测定氮（N）元素含量，钼锑抗比色法测定磷（P）元素含量，火焰光度法测定钾（K）元素含量，ICP法测定Ca、Mg、Fe、Cu、Mn、Zn、Cd、Hg、As和Pb元素含量。

1.5 数据分析

采用Microsoft Excel 2010和DPS 9.01进行数据处理与统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同采收时间叶片中大量元素含量变化

叶片中大量元素含量表现为N＞K＞Ca＞Mg＞P，质量分数分别为15.55～23.19 g/kg、6.43～16.87 g/kg、2.18～11.62 g/kg、1.35～2.80 g/kg和0.62～1.92 g/kg，平均值分别为18.40 g/kg、10.00 g/kg、8.01 g/kg、2.12 g/kg和1.18 g/kg，变异系数分别为11.24%、24.47%、29.42%、21.16%和30.16%。N、K含量在叶片生长初期（4月6日）最高，分别为23.19 g/kg和16.87 g/kg，此后N含量下降至15.55 g/kg、K含量下降至9.09 g/kg，这可能是由于植株开花结果消耗养分所导致；N、K含量分别在7～9月、5～9月呈现波动趋势，这与此阶段雨热不同期有关；之后N、K含量开始增加，至11月23日分别达到21.44 g/kg、8.49 g/kg。Ca含量在叶片生长初期（4月6日）最低（2.18 g/kg），此后其含量呈波动上升趋势，在11月23日达到最高（11.62 g/kg），是4月6日的5.3倍。P、Mg含量在整个生育期内变化较小，但存在显著差异，Mg元素在9月8日含量最高（2.80 g/kg），5月23日含量最低（1.35 g/kg）；P元素在4月6日含量最高（1.92 g/kg），此后，其含量下降至最低（0.62 g/kg），这可能与植株开花结果有关，见表1。

表1 不同采收时间叶片中大量元素含量比较Table 1 The comparison of contents of macroelements in leaves at different harvest time 单位：g/kg

2.2 不同采收时间叶片中微量元素含量变化

叶片中微量元素含量表现为Fe＞Zn＞Cu＞Mn，质量分数分别为114.62～233.05mg/kg、16.06～25.26mg/kg、2.53～8.91 mg/kg和0.21～1.89 mg/kg，平均值分别为168.64 mg/kg、20.16 mg/kg、4.01 mg/kg和1.25 mg/kg，变异系数分别为20.09%、13.87%、35.47%和40.72%。叶片中Fe含量较高，可能是由于叶绿素的合成需要Fe，使得大部分的Fe存在于叶片中，随着生育期的后延，Fe在5月8日、7月23日和9月23日出现高峰期，分别为193.15mg/kg、233.05mg/kg和207.53mg/kg，在6月23日含量最低（114.62 mg/kg）。Zn含量在4月6日（25.26 mg/kg）显著高于其他生长期，随后开始降低，至5月23日达到最低（16.06 mg/kg），这可能与此阶段植株开花结实有关，生殖生长结束后，Zn含量在5月23日至6月23日呈上升趋势，6月23日至7月23日含量为20.45～23.26 mg/kg，在8月呈下降趋势，而后又开始上升。Cu元素在5～6月含量较低，为2.53～3.70mg/kg，在7月8日含量最高（8.91 mg/kg）且显著高于其他生长期。Mn元素在4月6日含量最低（0.21 mg/kg），总体呈现波动上升的趋势，至11月23日含量达到最高（1.89 mg/kg），见表2。

2.3 不同采收时间叶片中重金属元素含量变化

《药用植物及制剂进出口绿色行业标准》中重金属及砷盐限量指标为重金属总量≤20.0 mg/kg、Pb≤5.0 mg/kg、Cd≤0.3 mg/kg、Hg≤0.2 mg/kg、Cu≤20.0 mg/kg、As≤2.0 mg/kg。‘黔藿1号’叶片中重金属元素含量Cd＞Pb＞As＞Hg，质量分数分别为74.02～327.83g/kg、5.99～15.42g/kg、5.62～17.96g/kg和0～7.21g/kg，平均值分别为195.95g/kg、9.80g/kg、8.93g/kg和3.77g/kg，变异系数分别为32.23%、30.35%、38.99%和178.61%。随着生育期的后延，Cd元素在4月6日含量最低（74.02g/kg），在5月8日最高（327.83g/kg）。Pb含量呈现波动下降趋势，在4月6日含量最高（15.42g/kg），11月23日最低（5.99g/kg）。As元素在6月8日含量达到最高（17.96g/kg），此后含量相对较低，为5.62～9.06g/kg。Hg含量在4月、6月和11月均未检测出，在8月23日最高（7.21g/kg），10月23日次之（6.68g/kg），见表3。综上所述，除Cd在5月8日采收不达标外，各采收时间‘黔藿1号’叶片中Cu、Cd、Hg、As和Pb等5种重金属元素含量均符合《药用植物及制剂进出口绿色行业标准》规定。

表3 不同采收时间叶片中重金属元素含量比较Table 3 The comparison of heavy metal contents in leaves at different harvest times 单位：g/kg

2.4 ‘黔藿1号’叶片中矿质元素分析

‘黔藿1号’叶片中各矿质元素间存在一定的相关性。N与P，K与Pb，Mg与Mn，Ca与Mg、Mn呈极显著正相关；K与Ca、Mn，Pb与Ca、Mn，Zn与Cd呈极显著负相关；Pb与As，Zn与P、K，Ca与Cd呈显著正相关；Ca与Zn、Mg与Pb，Mn与As，Cd与P、K呈显著负相关，其余元素间不存在显著相关性，见表4。

将16批次‘黔藿1号’叶片样品中的矿质元素进行主成分分析，根据特征值＞1确定主成分个数，前4个成分的方差贡献率分别为36.95%、21.32%、11.58%和10.56%，当主成分个数为4时，累计贡献率已达到80.41%，即4个主成分代表了16批次‘黔藿1号’叶片矿质元素的80.41%的信息含量，见表5。

第1主成分的特征值为4.80，累计贡献率为36.95%，Ca、Mg、Fe和Mn等元素呈正向分布，Ca、Mn元素的特征向量最大，分别为0.43和0.42，说明第1主成分主要反映Ca、Mn等元素的信息；第2主成分的特征值为2.77，累计贡献率为58.27%，N、P、K、Mg、Zn和Cu等元素呈正向分布，P元素的特征向量最大（0.55），说明第2主成分主要反映P元素的信息；第3主成分的特征值为1.51，累计贡献率为69.85%，Fe、Cu、As和N等元素呈正向分布，Fe元素的特征向量最大（0.58），说明第3主成分主要反映Fe元素的信息；第4主成分的特征值为1.37，累计贡献率为80.41%，N、P、Cd等元素呈正向分布，N元素的特征向量最大（0.59），说明第4主成分主要反映N元素的信息（表6）。综上所述，根据各元素在不同因子上的载荷，可认为‘黔藿1号’叶片中的特征元素为N、P、Ca、Fe和Mn。

表6 主成分分析下各项指标的特征向量Table 6 Characteristic vectors of each index under principal component analysis

利用4个主成分对‘黔藿1号’药材进行综合评价，可得综合评价函数（F）表达式为：

F=4.80 F1+2.77 F2+1.51 F3+1.37 F4，

将标准化的数据代入上述函数表达式中，根据函数计算不同采收时间‘黔藿1号’药材矿质元素各主成分得分、综合得分及排名（表7）。结果表明，在16批次‘黔藿1号’药材中，7～11月采收的药材排名均在前10名，前3名分别是11月23日、10月23日和11月8日，此时N、P、Ca、Fe和Mn元素含量较高；4～6月采收的药材排名均靠后，最后3名分别是4月6日、4月23日和5月23日，此时N、P、Ca、Fe和Mn元素含量较低，这可能是由于N、P、Ca、Fe和Mn等元素与‘黔藿1号’药材质量有一定的相关性。

表7 不同采收时间‘黔藿1号’药材矿质元素主成分得分、综合得分及排名情况Table 7 The main component score,comprehensive score and ranking of'Qianhuo 1'at different harvest times

3 讨论

矿质元素是植物生长的物质基础，又可作为植物体内某些有机物合成反应的催化剂，同时矿质元素还参与植物有效成分的结构功能而影响植物化学成分的形成和积累[19]。研究发现，‘黔藿1号’叶片中N、K、Ca、Mg、P、Fe、Zn和Mn元素含量丰富，这与陈惠玲等[20]的结果一致，而Zn、Mn、Ca、Mg与“肾”功能有着密切关系[21]，表明淫羊藿补肾阳的功效可能与此有关。Cu、Cd、Pb、As和Hg 5种重金属元素质量分数分别为2.53～8.91 mg/kg、74.02～327.83g/kg、5.99～15.42g/kg、5.62～17.96g/kg和0～7.21g/kg，除Cd在5月8日质量分数不达标外，其余均符合《药用植物及制剂进出口绿色行业标准》规定。从矿质元素角度对不同采收时间‘黔藿1号’进行综合评价，认为11月23日采收药材质量较好。‘黔藿1号’生产中主要施用N、P和K肥，而叶片中K与Pb呈极显著正相关，Cd与P、K呈显著负相关，说明当K肥施用量过大，可导致药材中Pb含量增加；当P、K肥施用量较低时，可导致药材中Cd含量增加。

矿质元素是植物体生长发育的基础，矿质元素的含量和分布在植物体内存在一定规律，可用于区分植物不同种、同一种不同品种和不同产地类型样品，被广泛应用于中药材的产地和品种鉴别分析及种质资源评价[22]。罗莉[23]通过主成分分析发现Ca、Na、Mg 3种元素与第一主成分因子高度正相关，认为Ca、Na、Mg元素是四川淫羊藿属植物特征元素。本文对‘黔藿1号’不同采收时间叶片矿质元素进行主成分分析，提取出4个成分，累计方差贡献率为80.41%，第1主成分以Ca、Mn元素贡献最大，第2主成分以P元素贡献最大，第3主成分以Fe元素贡献最大，第4主成分以N贡献最大，可确定‘黔藿1号’药材的特征元素为N、P、Ca、Fe和Mn，这与罗莉的结果不一致，这可能与材料和生境不同有关。此外，Ca、Mn在第1主成分上有较高的载荷，参与生长和代谢，能提高抗逆性和品质，可能是‘黔藿1号’药材产量、品质形成的关键元素。