引用本文
谢放, 张亚军, 常黎明, 刘帅, 陈晨. 甘肃省宽叶羌活品质对比及其与土壤因子的相关性. 草业学报, 2017,26(9): 75-82
XIE Fang, ZHANG Ya-Jun, CHANG Li-Ming, LIU Shuai, CHEN Chen. Relationship between Notopterygium forbesii quality and soil factors in Gansu Province . Acta Prataculturae Sinica,2017,26(9): 75-82  
Doi:10.11686/cyxb2016444
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甘肃省宽叶羌活品质对比及其与土壤因子的相关性
谢放*, 张亚军, 常黎明, 刘帅, 陈晨
兰州交通大学化学与生物工程学院,甘肃 兰州 730070
*通信作者Corresponding author.

作者简介:谢放(1962-),男,甘肃兰州人,副教授。E-mail:xfrankf@163.com

收稿日期: 2016-11-29
基金项目:甘肃省中药材产业科技攻关“羌活人工繁殖技术研究与示范”项目(GYC11-04)资助
摘要

为了评价甘肃省栽培羌活主产区药材品质的优劣及土壤因子对羌活药材品质的影响情况,对甘肃宽叶羌活主产区的栽培宽叶羌活及土壤进行调查采样,采挖两年生宽叶羌活鲜样,测定其羌活醇、异欧前胡素含量。同时采集土壤样品,分析测定土壤有机质、全氮、全磷、有效磷、速效钾的含量,测定了土壤容重、pH、土壤中粘粒、粉粒、砂粒的比重。通过Pearson相关、冗余分析(RDA)方法分析化学成分与土壤因子间的相关性。结果表明,各产区宽叶羌活中羌活醇与异欧前胡素总含量均达到《中华人民共和国药典》要求;不同产地宽叶羌活中羌活醇和异欧前胡素含量相差较大,药材品质呈现区域性,武都地区、康乐县和卓尼县样品中羌活醇和异欧前胡素总量较高。羌活醇与有机质、全氮、全磷呈显著正相关,与速效钾呈显著负相关;异欧前胡素与容重、有效磷呈极显著正相关,与全氮、有机质呈显著正相关,与速效钾呈显著负相关。因此,土壤容重、全氮、有机质、有效磷、速效钾是影响羌活化学成分积累的主要因素,土壤容重大有利于化学成分的积累。在一定范围内,全氮、有机质含量越高,越能促进化学成分积累,同时还需合理控制速效钾的含量。研究结果可对甘肃省栽培羌活的推广及种植提供借鉴。

关键词: 宽叶羌活; 羌活醇; 异欧前胡素; 土壤因子; 冗余分析; 相关分析
Relationship between Notopterygium forbesii quality and soil factors in Gansu Province
XIE Fang*, ZHANG Ya-Jun, CHANG Li-Ming, LIU Shuai, CHEN Chen
Chemical and Biological Engineering Institute of Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China
Abstract

Notopterygium medicine is the dried rhizome and root of Notopterygium incisum or Notopterygium forbesii, which are members of the Umbelliferae. The aim of this study was to evaluate the quality of cultivated N. forbesii in Gansu Province and its relationship with soil factors. Samples of N. forbesii were collected from cultivation areas in Gansu Province biennially, and the fresh samples were analyzed to determine notopterol and isoimperatorin contents. Soil samples were also collected and the following 10 factors were analyzed: the contents of organic matter, total nitrogen, total phosphorus, available phosphorus, available potassium; volume weight; pH; the contents of cosmids, silt, and grit. The relationships between chemical compounds and ecological factors were analyzed by Pearson’s correlation analysis and redundancy analysis (RDA). The results showed that, in all samples, the contents of notopterol and isoimperatorin met the requirements of the Chinese Pharmacopoeia. The contents of notopterol and isoimperatorin in N. forbesii differed among different cultivation areas, and N. forbesii samples showed certain regional characteristics. The highest total contents of notopterol and isoimperatorin were in samples from Wudu District, Kangle County, and Zhuoni County. Organic matter, total nitrogen and total phosphorus were significantly and positively correlated with notopterol, available potassium was significantly and negatively correlated with notopterol content. Volume density and vailable phosphorus were the most important soil factor and were extremely positively correlated with isoimperatorin content, total nitrogen and organic matter were positively correlated with isoimperatorin. Isoimperatorin content was significantly negatively correlated with available potassium. Therefore, the soil volume weight, total nitrogen, organic matter, available phosphorus and available potassium were identified as the main factors influencing the accumulation of chemical compounds in N. forbesii, and soil volume weight enhanced the accumulation of chemical composition. Wthin a certain range, the higher the soil organic matter and total nitrogen contents, the higher the notoptetol and isoimperatorin content in N. forbesii. The mount of available potassium in soil should be controlled to ensure high-quality N. forbesii. These results can be used to promote the cultivation and quality of N. forbesii in Gansu Province.

Keyword: Notopterygium forbesii; Notopterol; Isoimperatorin; soil factor; redundancy analysis; correlation analysis

羌活药材来源于伞形科(Umbelliferae)植物羌活(Notopterygium incisum)或宽叶羌活(Notopterygium forbesii)的干燥根茎和根[1], 其基源植物主要分布在我国青藏高原东缘的川西北、青海、甘肃、藏东等高海拔山地[2, 3, 4]。近年来, 随着羌活需求量的逐年增加, 野生羌活资源面临枯竭, 人工栽培代替野生药材已成发展趋势。诸多学者对此开展了研究[5, 6, 7, 8, 9]。但是, 目前栽培羌活仍无法完全替代野生羌活, 主要原因是栽培羌活药效成分低于野生羌活, 因此, 中药材有效成分的形成与哪些因素相关?如何在栽培中提高中药材有效成分含量?这些问题对于栽培羌活品质提升至关重要。近年来, 越来越多的学者认识到, 土壤因素在中药材有效成分形成和积累过程中具有重要作用。

研究发现, 土壤物理组成及理化性质能够影响药材品质[10], 古一帆[11]研究表明华细辛(Asarum sieboldii)中甲基丁香油酚含量与土壤中粉粒比例、碱解氮和速效钾含量相关, 榄香脂素含量与土壤中粉粒比例、碱解氮和有机质含量相关, 黄璋醚含量与土壤中粉粒比例、速效钾和有机质含量相关。顾志荣[12]对当归(Angelica sinensis)的研究得到了相似的结论。因此, 系统研究土壤因子与中药材有效成分的关系, 对于揭示有效成分积累的机理, 并应用于生产实践, 提高中药材质量意义重大。目前, 关于羌活有效成分与土壤特性关系的系统研究较为缺乏。

甘肃的陇南、甘南及定西渭源是羌活药材的传统道地产区, 长期的无序采挖, 使得该地区的野生羌活资源储量急剧下降[13]。近年来, 以上地区均已实现宽叶羌活的人工栽培, 栽培面积逐年扩大, 是我国栽培羌活药材供应的主要产区之一。同其他产区一样, 该地区栽培羌活存在品质不一、有效成分含量低的问题。因此, 本研究拟通过对以上地区栽培羌活进行调查采样, 通过分析栽培羌活中羌活醇、异欧前胡素含量与土壤因子的关系, 明确羌活醇、异欧前胡素含量与土壤因子相关性, 为羌活的品质提升及中药材规范化生产(GAP) 提供重要的理论基础。

1 材料与方法
1.1 样地概况

研究样地分别位于甘肃省定西市渭源县、甘南州临潭县和卓尼县、陇南市武都区、临夏州康乐县(表1)。境内大部分区域气候属高寒山区, 寒冷、四季不分明, 具有冬长夏短、春季回暖慢、秋季降温快、冬干秋湿的高原气候特色。中药材是该地区主要经济作物。该地区也是甘肃乃至我国较早实现羌活人工栽培的地区, 羌活种植面积大, 已达667 hm2以上。

表1 采样地点及地理位置 Table 1 Sampling locations and geographical location
1.2 调查采样

于2015年10月下旬(采挖期)在同一样点选取3块样地(3个重复), 每个样地采用五点取样法选择生长良好、无病虫害的两年生栽培羌活对称取样, 并采集其根际土壤, 采集后将样品置于无菌容器中密封保存低温运输回实验室供理化性质测定。

1.3 样品预处理

用流水冲洗根系残渣, 除去表面水分, 放入鼓风干燥箱中60 ℃烘干待测。土壤样品风干后过1~2 mm筛, 待测土壤理化性质[14]。

1.4 羌活中羌活醇、异欧前胡素含量测定

羌活醇、异欧前胡素含量按照《中华人民共和国药典》(2015年版)高效液相色谱法测定[15]。

1.5 土壤理化性质测定

测定预处理后的土壤样品的理化性质, 包括有机质、全氮、全磷、有效磷、速效钾、pH、容重、粘粒、粉粒、砂粒。

有机质采用重铬酸钾硫酸外加热法; 全氮采用半微量凯氏定氮法; 全磷采用钼锑抗比色法; 有效磷采用碳酸氢钠浸提法; 速效钾采用四苯硼钠比浊法[16]; pH用PHS-3C型pH测定计(上海)测定; 容重采用环刀法[14]采样, 根据含水量进行计算; 粘粒、粉粒、砂粒采用马尔文2000型激光粒度仪(苏州)测定土壤粒度, 然后根据国标(GBSBYT1995)计算粘粒、粉粒、砂粒的比例[14]。

1.6 数据处理及分析

采用Excel 2013对实验数据进行整理与处理, 采用SPSS 17.0进行统计分析, 采用Duncan新复极差法进行多重比较, Pearson相关进行相关性分析, 采用OrginPro 8.5.1作图, Canoco进行冗余分析。

2 结果与分析
2.1 羌活醇和异欧前胡素含量

羌活醇和异欧前胡素是羌活药材两种主要的有效成分, 羌活药材中两种组分的含量在很大程度上反映羌活药材的品质。

图1、图2分别表示不同样地宽叶羌活中羌活醇和异欧前胡素的含量, 所有宽叶羌活中两种成分的总量均达到《中华人民共和国药典》[15]的标准, 并与地理位置相关, 呈现一定的地域性。各样点间羌活醇含量, 碌坝、甘布塔差异不大, 哈地窝村下山社和大地滩社、高庄、岗沟、中寨相近, 与其他样点均存在显著差异, 具体关系如下:枉子沟(H2)> 陈塄坎(H9)> 马营(H7)> 碌坝、甘布塔(H8、H10)> 哈地窝村下山社、高庄、岗沟、中寨哈地窝村大地滩社(H1、H3、H4、H5、H6); 各样点间异欧前胡素含量, 高庄、中寨相近, 岗沟、甘布塔相近, 与其他样点均存在显著差异, 具体关系如下:陈塄坎(H9)> 马营(H7)> 枉子沟(H2)> 高庄、碌坝(H3、H8)> 岗沟、中寨、甘布塔(H4、H5、H10)> 哈地窝村下山社(H1)> 哈地窝村大地滩社(H6)。陇南(H7、H8、H9)、甘南高原(H2、H10)各样点羌活醇、异欧前胡素总含量较高, 两地区栽培羌活的品质较优。

图1 各样品羌活醇含量Fig.1 Notopterol content of each sample

图2 各样品异欧前胡素含量
图中不同字母表示各样品间差异显著(P< 0.05), 含有相同字母则表示差异不显著(P> 0.05)。Fig.2 Isoimperatorin content of each sample
In Figure different letters mean significant difference of various samples property (P< 0.05), with the same letter indicates no significant difference (P> 0.05).

2.2 土壤酶活性及理化性质

植物的生长与土壤条件密切相关, 土壤条件影响植物对矿质元素、水分和空气的利用, 土壤的物理化学性质及矿物质元素的含量能够对植物的生长及有效成分的积累产生影响。本研究分析了各样地土壤理化性质(表2、表3)。

表2 各样地土壤营养元素含量 Table 2 Soil nutrient elements content of each sample
表3 各样地土壤物理组成 Table 3 Soil physical components of each sample

如表2所列, 研究所选样点测定土壤指标中, 部分指标变化有明显的规律性, 且呈现地域性, 如H7、H8、H9、H10样点均为有机质、全氮、全磷、有效磷含量整体相对较高, 而速效钾含量整体相对较低, 且除个别指标(如H7、H8、H10全氮、有效磷含量差异不显著), 大部分指标含量均呈现显著差异(P< 0.05)。H1、H6样点有机质、全氮、有效磷含量整体较低, 速效钾含量整体较高, 且除有机质、有效磷外, 各指标含量差异均显著(P< 0.05)。H2、H3、H4、H5样点速效钾含量整体相对较高, 有机质含量处于中间水平, 且均差异显著(P< 0.05)。对比各样点羌活中羌活醇和异欧前胡素含量的变化规律与各样点土壤的所测指标含量的变化规律, 发现羌活药材品质与土壤养分关系密切。此外, 各样点土壤pH未呈现地域性, 均存在显著差异(P< 0.05)。

如表3所列, 各样点土壤容重和粒径分布均呈现出一定的地域性, H7、H8、H9土壤容重、粘粒、粉粒比重整体较大, H10土壤容重、粘粒、粉粒比重均较小, H2、H3四种指标在10个样地中处于中间水平, H1、H4、H5、H6砂粒比重、容重差别不大, 粘粒、粉粒比重存在显著性差异(P< 0.05)。

2.3 宽叶羌活中羌活醇、异欧前胡素含量与土壤因子的关系

2.3.1 羌活醇、异欧前胡素含量与土壤酶活性及质地的关系 对不同产地栽培宽叶羌活中羌活醇、异欧前胡素含量与样地土壤物理结构进行相关性分析, 结果如表4所列, 羌活中羌活醇、异欧前胡素含量与土壤物理结构存在一定的相关性。在宽叶羌活中, 容重与羌活醇含量呈正相关, 且相关系数最大, 其次为粉粒、砂粒; 容重与异欧前胡素含量呈极显著正相关(P< 0.01), 其次为粉粒、砂粒。综合比较几种因子与羌活醇、异欧前胡素的关系, 可知土壤容重对羌活醇、异欧前胡素积累的影响较大, 其次为土壤物理组成。

表4 宽叶羌活中羌活醇、异欧前胡素含量与土壤物理组成的相关性分析 Table 4 Correlation analysis between content of notopterol and isoimperatorin in N. forbesii and soil physical components

2.3.2 羌活醇、异欧前胡素含量与土壤化学性质的关系 如表5所列, 在宽叶羌活中, 羌活醇含量与有机质、全氮、全磷含量呈显著正相关(P< 0.05), 与速效钾呈显著负相关(P< 0.05); 异欧前胡素含量与有效磷呈极显著正相关(P< 0.01), 与有机质、全氮含量呈显著正相关(P< 0.05), 与速效钾呈显著负相关(P< 0.05), 与pH呈现较好的负相关。综合来看, 全氮、有机质、有效磷、速效钾是影响羌活醇、异欧前胡素积累的主要因素。

表5 宽叶羌活中羌活醇、异欧前胡素含量与土壤化学性质的相关性分析 Table 5 Correlation analysis between content of Notopterol and Isoimperatorin in N. forbesii and soil chemical properties

2.3.3 不同产地宽叶羌活羌活醇、异欧前胡素含量与土壤因子的RDA双向排序图 如图3所示, 图中蓝色箭头代表羌活醇、异欧前胡素, 红色箭头代表土壤因子。以羌活醇为例, 羌活醇与容重、砂粒的夹角分别为锐角和钝角, 其相应的余弦值代表之间的相关性。羌活醇与容重呈现较好的正相关, 与砂粒呈现较好的负相关。粉粒、有机质、全磷、有效磷与羌活醇呈现较好的正相关, 速效钾与羌活醇呈现较好的负相关, 与上述相关性分析结果有细微的差异, 可能是由于不同分析方法所致, Canoco软件先对模型进行去趋势对应分析, 选择合适的分析模型, 随后进行冗余分析排序, 主要采用排列方法学的生态模型。异欧前胡素与容重、粉粒、有机质、全氮、有效磷呈现了较好的正相关, 与砂粒、速效钾呈现较好的负相关, 与上述相关性分析结果有细微差别。两种分析方法中, 虽然结果有差异, 但是对羌活醇、异欧前胡素影响的主导因子均为全氮、有机质、有效磷、速效钾、土壤容重。

图3 羌活醇、异欧前胡素含量与土壤因子的RAD双向排序
Notopter: 羌活醇Notopterol; Isoimper: 异欧前胡素Isoimperatorin; OM: 有机质Organic matter; TN: 全氮Total nitrogen; TP: 全磷Total phosphorus; AP: 有效磷Available phosphorus; AK: 速效钾Available potassium; Cosmid: 粘粒; Silt: 粉粒; Grit: 砂粒; VW: 容重Volume weight.Fig.3 RDA two-way rank on content of Notopterol, Isoimperatorin and soil factor in N. forbesii

3 讨论
3.1 土壤因子对中药材有效成分的作用机理

本研究结果显示, 栽培羌活中羌活醇和异欧前胡素两种活性成分含量与土壤速效钾、有效磷的含量显著相关。研究者在其他中药材中也发现了相似的规律, 如温随超[17]发现钾素营养对当归中阿魏酸的含量有显著的影响; 刘伟[18]研究发现pH、速效磷、全钾对金露梅(Potentilla fruticosa)叶片中芦丁、单宁、黄酮等有效成分有明显的影响。通过这些研究都能看出土壤理化性质对中药材有效成分有强烈而明显的影响。近些年有学者对其机理进行研究, 温随超[17]的研究认为, 土壤钾素营养会影响当归 (Angelica sinensis) 咖啡酸-O-甲基转移酶基因(COMT)、4-香豆酸辅酶 A 连接酶基因(4CL) 和阿魏酸-5-羟基化酶基因(F5H)等基因的表达, 从而对当归中阿魏酸的含量产生影响。而在羌活中, 尚缺乏关于机理的研究, 本研究的发现将为进一步机理的研究奠定一定的基础。

3.2 不同产地栽培羌活中羌活醇和异欧前胡素含量的关系

不同产地样品中羌活醇和异欧前胡素的含量相差较大, 与地理位置密切相关, 呈现一定的区域性。本研究中康乐县枉子沟村样品较为特殊, 枉子沟村在地理位置上与冶力关镇和八角乡距离较近, 但两种成分含量明显高于以上两地, 分析其原因, 可能是气候因子和土壤因素综合影响的结果, 蒋舜媛等[19]、黄林芳等[20]、孙洪兵等[21] 的研究表明, 降水量、湿度、海拔和土壤物理性质、肥力是影响羌活醇和异欧前胡素积累的重要因素, 在本研究采样过程中, 发现枉子沟村位于大山深处, 采样地点气候湿润、土壤肥沃, 有利于羌活醇和异欧前胡素的积累。

3.3 羌活醇、异欧前胡素含量与土壤因子的关系

本研究中, 宽叶羌活中羌活醇、异欧前胡素含量与土壤容重呈现较好的正相关, 这与野生宽叶羌活分布区土壤容重较大相符; 土壤物理性质是影响羌活生长和分布的主要因素之一, 一般来讲, 粘土保肥保水能力强, 但通透性差, 不利于根茎类药用植物的生长, 砂土通透性好, 但保肥保水能力差。粉砂质壤土通透性和保肥保水能力较优, 是根及根茎类药材种植理想的选择[22]。从野生羌活的分布来看, 土壤以粉砂质壤土为主, 容重较大, 粉粒占比较大, 而本研究也得出, 有效成分积累与粉粒呈正相关, 粘粒、砂粒则为负相关。

两种成分含量与全氮、有机质、有效磷呈现良好的正相关, 此结果与蒋舜媛等[19]对野生宽叶羌活适宜区土壤因子研究结果相似。土壤有机质中含有植物生长所需的几乎所有营养元素, 尤其是有机态磷, 而磷又参与多种代谢过程, 是核蛋白、磷脂、辅酶的主要成分, 各种因子通过调节植物生长, 进而影响有效成分的积累。全氮、有机质在为植物生长提供充足的营养元素的同时, 对土壤的微环境影响不大, 有利于羌活的生长和次级代谢产物的积累。

土壤中的速效养分有利于羌活有效成分的积累, 而本研究羌活醇、异欧前胡素与速效钾含量呈现良好的负相关, 可能是钾肥施加过量或比例不适, 这在何尤等[5]、田丰等[7]、方子森等[8]的研究中得以印证, 钾肥施肥过量及配比不适会降低羌活有效成分的积累。分析其原因, 速效钾是速效养分, 植物可直接吸收, 如速效养分过量, 会对植物及土壤微环境产生影响, 速效钾过量会影响土壤渗透压, 影响植物对其他营养物质的吸收, 进而影响羌活的生长和次级代谢产物的积累。人工栽培过程中, 一定要合理控制施肥量和配比。此外, 结合不同样地中羌活醇、异欧前胡素含量与速效钾、硝态氮、有效磷含量的关系, 进行曲线拟合分析, 推测出羌活适宜生长的速效钾含量范围为220~280 mg/kg。

4 结论

综上可得, 甘肃省各主产区宽叶羌活中羌活醇与异欧前胡素含量较高, 均达到《中华人民共和国药典》标准。不同地区栽培羌活的品质差异较大, 武都、康乐、卓尼样品中两种成分含量较高, 陇南地区、甘南高原是宽叶羌活推广种植理想选址。羌活有效成分受土壤环境中多种理化因素的影响, 特别是土壤容重、全氮、有机质、有效磷、速效钾等, 调节土壤中全氮、有机质、速效钾、有效磷含量以及适当改良土壤质地, 对提高羌活药材品质有重要意义。研究结果可为甘肃省宽叶羌活人工栽培的推广区域及种植提供科学依据。

The authors have declared that no competing interests exist.

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