不同产地艾叶及土壤中矿物元素的测定与分析
2021-12-08李超高丽康利平刘大会王旭崔占虎张超云黄显章
李超 高丽 康利平 刘大会 王旭 崔占虎 张超云 黄显章
摘要：为建立不同产地艾叶及土壤中矿物元素的分析方法和评价体系，采用电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）对国内5个主产区75份艾叶样品及土壤中钾、纳、钙、镁、磷、铁、锰、锌、钼、镍、铜、铅、砷、镉、汞等元素的含量进行测定，并借助方差分析、主成分分析等计量学方法进行统计和分析。结果表明，不同产地艾叶中有12种元素的含量存在显著差异（P<0.05），镉、钼、砷、钠等元素变异系数较高，铜元素含量超出规定限度;不同产地土壤中有6种元素的含量存在显著差异，钼、汞、钙、镁等元素的变异系数较高，各重金属元素含量符合土壤污染风险管控标准;各产地艾叶均对磷、钠、镉等元素富集能力较强，对铁、锰、铅、镍、砷等元素相对贫化;在艾叶规范化种植生产中，应注意磷肥的减施，且应控制土壤及周围环境中镉的含量，避免艾叶对镉过度富集引起重金属超标。本研究为探索艾叶与土壤中矿物元素的分布态势和作用规律提供科学依据，也为艾叶药材道地性评价和种植适宜区选择提供有益参考。
关键词：艾叶;土壤;矿物元素;分布特征;富集特征
中图分类号： S567.23+9.01;S567.23+9.06 文献标志码： A
文章编号：1002-1302（2021）22-0186-06
收稿日期：2021-05-26
基金项目：国家自然科学基金（编号：81803661）;河南省科技攻关项目（编号：202102310512、182102110361）。
作者简介：李 超（1987—），男，河南南阳人，博士，讲师，主要从事中药资源学方向的研究。E-mail：lichaotcm@126.com 。
通信作者：黄显章，博士，教授，主要从事中药品质评价方向的研究。E-mail：nylgzyx@126.com。
药用植物中矿物元素的种类和含量是中药材质量评价的重要指标，与中药材的生长发育、药用物质的形成以及临床疗效的发挥密切相关，矿物元素对药效发挥的协同作用不容忽视[1-5]。土壤矿物元素是药用植物生长最主要的环境因子之一，能够直接影响根系营养及生理代谢，并对药材的品质产生较大影响[6-7]。因此，开展中药材及土壤中矿物元素特征分析对药材品质评价及种植适宜区的选择具有重要意义。
艾叶为菊科植物艾（Artemisia argyi Levl.et Vant.）的干燥叶，性温，味苦、辛，归肝、脾、肾经，具有散寒止痛、温经止血、理气安胎等功效，是我国传统常用中药材之一[8-11]。艾叶既可内服，也可外洗，以所含艾绒为原料制成的灸条是中医灸法的主要原材料，临床应用十分广泛[12]。历代本草中明确记载“蕲艾”“北艾”“海艾”及“祁艾”为道地药材，即现在湖北省蕲春县、河南省汤阴县、浙江省宁波市及河北省安国市等地所产艾叶[13]。现如今，河南省南阳市已成为国内最大的艾叶生产和集散地，产业规模居全国之首。因此，开展以上产区艾叶及土壤中矿物元素的研究能够涵盖我国目前艾叶主产区的整体情况，具有一定的指导意义。
到目前为止，国内外学者对艾叶的研究主要集中在化学成分及药理作用方面[14-18]，而对不同产地艾叶及土壤中矿物元素的分布特征、富集特性、环境安全性评价等方面的研究尚未见报道。本研究旨在分析不同主产区艾叶及土壤中矿物元素的吸收特性及变异规律，进而探讨艾叶与土壤中矿物元素的作用关系，研究结果可为艾叶药材的道地性评价及种植适宜区的选择提供有益参考。
1 材料与方法
1.1 样品采集
艾叶及土壤样品于2019年5—6月在河南省南阳市、湖北省蕲春县、河南省安阳市、浙江省宁波市及河北省安国市等地采集，经南阳理工学院黄显章教授鉴定为菊科蒿属植物艾。将艾叶样品去杂、干燥、剪碎、混匀后备用。土壤样品取自对应种植区 0～20 cm耕作层，设置3個平行，每个产区土壤样品采集1 kg，除杂、风干、研磨后过100目筛备用。
1.2 仪器与试剂
ICP-MS仪（Thermo X-Ⅱ，购自美国Thermo Fisher Scientific公司）;微波消解系统（Mars-5，购自美国CEM公司）;硝酸（优级纯，购自德国Merk公司）;元素标准溶液（单标/混标，购自美国Spex公司）;超纯水（自制）。
1.3 工作参数
射频收发核心电路射频（RF）功率为1 200 W，雾化器压力为1.0 bar，辅助气（氩气）流量为 0.7 L/min，等离子气（氩气）流量为13.0 L/min，蠕动泵转速分析为30 r/min、冲洗为70 r/min。
1.4 样品消解
植物样品：精确称取艾叶样品约0.4 g于消解内罐，加65%浓HNO3 5 mL浸泡过夜，160 ℃保持 6 h，冷却至室温，赶酸，移入25 mL容量瓶中，洗液合并后定容，混匀备用，同时做试剂空白试验。土壤样品：精确称取土壤样品约0.1 g于消解内罐，加65%浓HNO3 5 mL浸泡过夜，加H2O2 2 mL及HF 2 mL，于200 ℃消解4 h，冷却至室温，赶酸，移入 25 mL 容量瓶中，洗液合并后定容，混匀备用，同时做试剂空白试验。以上程序完成后上机测定各元素含量，以待测元素质谱信号与内标元素质谱信号的强度比进行定量分析。
1.5 标准曲线
1% HNO3介质配制不同浓度梯度的混标溶液及空白试剂，建立标准曲线。以元素质量浓度为横坐标（x），以待测元素峰值与内标元素峰值的比值为纵坐标（y）进行回归，并绘制标准曲线。结果显示，各待测元素线性关系良好，线性相关系数均不低于0.997 6，线性范围及定量限均符合分析要求，详见表1。
1.6 方法学考察
在精密度试验中，取各标准溶液连续进样6次并测定，RSD值均小于2.28%，表明精密度良好。在稳定性试验中，取同一供试品溶液，每隔1 h测定，重复6次，RSD值均小于2.72%，表明6 h内稳定性良好。在重复性试验中，取同一供试品溶液6份，测定后计算RSD，结果显示均小于3.06%，表明重复性较好。在加样回收率试验中，取已测定的样品5份，测定后计算平均加样回收率，RSD值在98.66%～102.17%之间。
2 结果与分析
2.1 不同产地艾叶中矿物元素含量分析
不同产地艾叶中矿物元素含量的分析结果见表2。由表2可知，各元素含量整体呈现出K>Ca>P>Mg>Fe>Mn>Na>Zn>Cu>Pb>Ni>As>Cd>Mo>Hg的规律，元素数量级在10-5～102 g/kg之间。K、Ca、P、Mg、Fe、Mn、Na、Zn、Cu、Ni、Mo是植物生长所必需的元素，具有调节细胞生理功能、酶活性及信号转导等功能。其中，K含量最高的是祁艾，平均含量为39.297 g/kg，显著高于海艾（P<0.05）;Ca含量最高的是蕲艾，平均含量为 12.261 g/kg，显著高于海艾;Mg含量最高的是祁艾，平均含量为3.710 g/kg，显著高于蕲艾和海艾;Fe、Zn及Na含量最高的分别是祁艾、海艾和祁艾，平均含量分别为1.818 g/kg、130.161、199.485 mg/kg，均显著高于其他4个产区;Ni含量最高的是南阳艾，平均含量为2.983 mg/kg，显著高于蕲艾、海艾和北艾;Mo含量最高的是祁艾，平均含量为 0.536 mg/kg，显著高于海艾和南阳艾;P和Mn含量最高的是蕲艾，平均含量分别为3.682、0.253 g/kg，在产地间未达到显著水平。以上述结果可见，不同产地艾叶中矿物元素含量各具特征且差异较大，这可能与产地间气候、土壤、水文等生态因子不同有直接关系。
Pb、Cd、Hg、Cu、As为重金属元素，其蓄积量是中药材及饮片安全性评价的重要指标。其中，Pb含量最高的是蕲艾，平均含量为3.912 mg/kg，显著高于南阳艾和北艾;Cd含量最高的是海艾，平均含量为0.787 mg/kg，显著高于祁艾;As含量最高的是祁艾，平均含量为1.594 mg/kg，显著高于其他4个产区;Hg含量最高的是蕲艾，平均含量为54.598 μg/kg，显著高于其他4个产区;Cu含量最高的是南阳艾，平均含量为44.104 mg/kg，产地间差异不显著。在2019年国家药典委发布的《药材和饮片检定通则公示稿》中，明确以上5种重金属元素的限度检查：Pb含量≤5 mg/kg，Cd含量≤1 mg/kg，As含量≤2 mg/kg，Hg含量≤0.2 mg/kg，Cu含量≤20 mg/kg。对照上述标准分析发现，各产地艾叶中Cu含量均超出限度，这可能与艾叶有选择地吸收和积累Cu元素有关，也可能与该元素在土壤中的赋存状态有关，须要重视和进一步的探索。
从各元素的变异系数（表2）可以看出，艾叶中K、Ca、Mg、Cu、Ni等元素的变异系数在23.12%～32.64%之间，表明这些元素在4个产区艾叶中的含量比较接近，在其生长过程中需要一定量的蓄积，且易于成为影响艾叶生长的最小限制因子。Cd、Mo、As、Na等元素的变异系数较高（75%以上），说明以上元素在艾叶中离散程度较高，原因可能是产地间的立地条件差异较大，也可能是部分产地受到污染，从而导致艾叶中Cd、As等元素的含量较高。
2.2 艾叶主产区土壤质量评价
由表3可知，与中国土壤（A层）化学元素背景值相比，艾叶主产区土壤中Cd元素的平均值明显高于背景值（2倍以上）;K、Fe、Mn、Zn、Pb、Cu的平均含量略高于背景值;Mg、Na、Ni、As、Hg的平均含量略低于背景值;Ca的平均含量明显低于背景值。在所测元素中，Mo、Hg、Ca、Mg的变异系数相对较高（87%以上），属于中至强变异性;而其他元素变异系数相对较低（6.77%～50.25%），属于弱至中变异性。根据GB 15618—2018《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准（试行）》对土壤污染风险最低筛选值规定：Pb含量≤70 mg/kg，Cd含量≤0.3 mg/kg，As含量≤20 mg/kg，Hg含量≤0.5 mg/kg，Cu含量≤50 mg/kg，艾叶主产区土壤样本均符合国家标准，土壤整体质量较高，在规范化、规模化种植方面具有较为广阔的发展前景。
2.3 艾叶土壤矿质元素含量的差异分析
对不同产地艾叶土壤中矿质元素的含量进行方差分析和多重比较，结果详见表4。可以看出，艾叶土壤中矿物元素的含量在产地间差异较大，各元素含量整体呈现出Fe>K>Na>Ca>Mg>P>Mn>Zn>Cu>Pb>Ni>As>Cd>Mo>Hg的规律，元素数量级在10-5～102 g/kg之间。其中，K含量最高的产区是浙江宁波， 平均含量为28.013 g/kg，显著高于湖北蕲春和河南南阳;Ca含量最高的产区是河北安国，平均含量为17.993 g/kg，显著高于湖北蕲春、浙江宁波和河南南阳;Ni含量最高的是湖北蕲春，平均含量为30.930 mg/kg，显著高于浙江宁波;Mo含量最高的是河北安国，平均含量为 0.592 mg/kg，显著高于湖北蕲春、河南南阳和河南安阳;Pb含量最高的产区是浙江宁波，平均含量为46.754 mg/kg，显著高于河北安国、河南南阳和河南安阳;As含量最高的产区是湖北蕲春，平均含量为9.556 mg/kg，显著高于河南南阳;Fe、Na、Mg、P、Mn、Zn、Cu、Cd、Hg等9种元素的含量在各产区间的差异均未达到显著水平。
2.4 艾叶及其土壤中矿物元素特征分析
主成分分析是利用降维的方式从原始变量中寻求少数的几个主成分，但尽可能多地保留原始变量的信息，该方法具有信息损失少、相关最优和回归最优等特点。为探索艾叶及其土壤中的特征性矿物元素，以15种矿物元素的含量为变量进行主成分分析和特征元素识别，结果详见表5和表6。表5阐释了艾叶及土壤中矿物元素的主成分对原有变量的总体描述情况，即两者分别提取了4个和5个主成分，分别解释了原始变量的71.135%和86.490%。表6是主成分旋转后的因子载荷矩阵，由表6可知，第1主成分中，艾叶样品的K、Ca、Mg、Fe、Mo、Na、As等元素载荷系数较大，而土壤样品的P、Mg、Zn、Pb、Cd、Hg、 Cu等元素载荷系数较大。因此，可以认為K、Ca、Mg、Fe、Mo、Na、As是艾叶的特征性元素，而P、Mg、Zn、Pb、Cd、Hg、Cu是产区土壤的特征性元素。
2.5 富集特征分析
富集系数可直接体现植物从土壤中摄取元素的能力，即反映土壤-植物系统中元素迁移的难易程度。富集系数越大，表明植物对某元素的富集能力越强，当C≤0.1时表示元素在植物中强烈贫化，0.1
3 讨论与结论
本研究采用电感耦合等离子（ICP-MS）法测定和分析了不同主产区艾叶及土壤中15種元素的含量，研究内容能够涵盖我国目前艾叶主产区的整体情况，为探索艾叶与土壤中矿物元素的相互关系提供研究基础，具有重要的现实意义。
通过对艾叶及土壤矿物元素分析发现，不同主产区艾叶中矿物元素的分布存在较大差异，各元素含量呈现出K>Ca>P>Mg>Fe>Mn>Na>Zn>Cu>Pb>Ni>As>Cd>Mo>Hg的规律，其中K、Ca、Mg、Fe、Na、Zn、Pb、Ni、As、Cd、Mo、Hg等12种元素在产区间差异显著;K、Ca、Mg、Cu、Ni等元素的变异系数较低，Cd、Mo、As、Na等元素变异系数较高，以上结果可能与艾叶对无机离子的选择性吸收和积累的差异较大有关，使得同一药材中元素含量明显不同。土壤矿物元素的含量呈现出Fe>K>Na>Ca>Mg>P>Mn>Zn>Cu>Pb>Ni>As>Cd>Mo>Hg的规律，其中K、Ca、Pb、Ni、As、Mo等6种元素在产区土壤中间差异显著;与中国土壤（A层）化学元素背景值相比，Cd明显高于背景值，Ca明显低于背景值，其他元素背景值在同一水平。艾叶主产区土壤样本均符合国家标准，土壤整体质量较高，在规范化、规模化种植方面具有较为广阔的发展前景。
通过对特征性元素筛选发现，K、Ca、Mg、Fe、Mo、Na、As是艾叶的特征性元素，P、Mg、Zn、Pb、Cd、Hg及Cu是艾叶产地土壤的特征性元素，这为艾叶的产地溯源和基于矿物元素的品质评价提供了关键因子。通过对各元素的富集特征分析可知，不同产地艾叶中各元素的富集水平各具特点，其中，P、Na、Cd、Fe、Mn、Pb、Ni、As等元素在产地间的富集水平较为相似，P、Na、Cd等元素均表现为相对富集或强烈富集，Fe、Mn、Pb、Ni、As等元素均表现为相对贫化或强烈贫化，鉴于以上结果，在艾叶规范化种植生产中，应注意P肥的减施，且应控制土壤及周围环境中Cd的含量，避免艾叶对Cd的过度富集导致药材中重金属含量超标，影响药材安全。K、Ca、Mg、Zn、Cu、Mo、Hg等元素在产地间的富集水平差异较大，如海艾中Ca和Mg的富集系数高达13.33和7.63，分别约是祁艾的20倍和25倍;蕲艾中Mo的富集系数高达7.07，约是海艾的15倍;K、Zn、Cu、Hg等元素的富集系数在产地间也存在不同程度的差异。推测以上结果的原因可能是由于艾叶对矿质元素的吸收除了与土壤中的矿质元素总量相关外，还与土壤理化性质、灌溉施肥、降水量、元素的存在形态以及艾叶对矿质元素的选择性吸收有关。由于立地条件的差异性，即使遗传背景相同的药用植物，也会使体内代谢机制有选择地吸收和积累无机元素，致使其元素含量和富集水平明显不同，这也是道地药材形成的原因之一。另外，本研究还发现，各产地艾叶对P、Na、Cd等元素有较强的富集作用，而Fe、Mn、Pb、Ni、As等元素的富集水平贫化，但土壤中P、Na的含量远低于Fe，Cd的含量远低于Mn、Pb、Ni、As，这表明植物从土壤中富集无机元素的能力不完全取决于某一元素在土壤中的含量，还可能与植物生理特征和元素在土壤中的赋存形态有关。因此，富集系数只能在一定程度上反映植物对土壤元素的吸收富集能力，为更深入地阐释植物对元素的富集特性及累积规律，后期本课题组将对不同产区艾叶及土壤中矿物元素的动态存在形式及有效性进行持续探索。
总体来看，艾叶对各元素吸收能力的大小不仅与艾叶对该元素的需求量和吸收特点有关，也与艾叶产区的土壤背景关系密切。本研究为探索艾叶及土壤中矿物元素的分布态势和作用规律提供数据支撑，也为艾叶的品质评价及道地性研究提供有益参考。
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