种植地土壤因子与当归品质相关性的研究

Study on the correlation between soil factors and the quality of Anelica sinensis

摘要

目的 探讨种植地土壤因子与当归无机元素以及指标成分含量之间的相关性。 方法 采用火焰原子吸收法测定土壤和当归药材中8种无机元素的含量，并测定土壤pH值及有机质、有效磷、全氮的含量；采用高效液相色谱法测定当归中绿原酸、阿魏酸、洋川芎内酯Ⅰ、藁本内酯、丁烯基苯酞等的含量。利用Pearson相关性分析土壤因子与药材元素以及药材指标成分之间的关系，并利用主成分分析提取当归种植地12种土壤因子中的特征因子。 结果 当归药材中钠（Na）、钾（K）、锌（Zn）元素含量受土壤因子影响较大；绿原酸含量受土壤中镁（Mg）、Na、K、钙（Ca）、Zn、有机质水平影响；阿魏酸含量受土壤中铁（Fe）、锰（Mn）、Zn水平影响；洋川芎内酯Ⅰ含量受土壤中Na水平影响；藁本内酯受土壤中Fe、有效磷水平影响；丁烯基苯酞含量受土壤中Na水平影响；挥发油含量受土壤中Na、有效磷水平影响。土壤中Mn、Zn、有机质、全氮、Mg、Na、K可能是当归种植地土壤的主要特征因子，影响当归的品质。 结论 为提高当归中各有效成分的含量，可在当归栽培施肥过程中调整相关无机元素的水平。

Abstract

Objective To investigate the correlation between soil factors， inorganic elements and index components of Angelica sinensis. Methods The contents of 8 inorganic elements in soil and Angelica sinensis were determined by flame atomic absorption spectrometry， and the contents of soil pH， organic matter， available phosphorus and total nitrogen were determined. HPLC method was used to determine the contents of chlorogenic acid， ferulic acid， senkyunolide Ⅰ‍， ligustilide and butenylphthalide in Angelica sinensis. Pearson correlation coefficient was used to find out the relationship between soil factors， medicinal material elements and medicinal material index components， and principal component analysis was used to extract the characteristic factors among the 12 soil factors in the planting area of Angelica sinensis. Results The content levels of Na， K and Zn in Angelica sinensis were greatly affected by soil factors. The content of chlorogenic acid was affected by the levels of Mg， Na， K， Ca， Zn and organic matter in the soil. The ferulic acid content was affected by the levels of Fe， Mn and Zn in the soil. The content of senkyunolide Ⅰ was affected by the level of Na in the soil. Pyrolide was affected by the levels of Fe and available phosphorus in soil. The content of butenylphthalide was affected by the level of Na in the soil. The content of volatile oil was affected by the levels of Na and available phosphorus in the soil. Soil Mn， Zn， organic matter， total nitrogen， Mg， Na and K may be the main characteristic factors of soil in Angelica sinensis planting area. Conclusion In order to improve the accumulation of active ingredients in Angelica sinensis， the content level of related inorganic elements can be paid attention to in the process of cultivation and fertilization of Angelica sinensis.

Graphical abstract

关键词

当归 / 有效成分 / 无机元素 / 土壤因子 / 相关性分析

Key words

Angelica sinensis / active ingredient / inorganic elements / soil factors / correlation analysis

当归为伞形科植物当归Angelica sinensis（Oliv.）Diels的干燥根，具有补血活血、调经止痛、润肠通便的功效^［1］。现代药理学研究发现，当归具有抗氧化、抗肿瘤、镇痛抗炎、抗血小板聚集、保肝护肾等药理作用^［2］。其化学成分主要包括黄酮类、氨基酸、有机酸类、维生素和挥发油等^［3］，《中华人民共和国药典》（以下简称《中国药典》）（2020年版）以阿魏酸和挥发油在当归药材中的含量作为当归的质量评价指标之一。当归药用资源主要分布于甘肃、云南、四川、湖北、青海等地，是甘肃省道地药材之一，主产于甘肃岷县、宕昌及周边地区^［4-5］。

自然界复杂的光照、温度、水分、土壤等生态因子可以调节药用植物个体中次生代谢产物的积累，决定药用植物品质的优劣^［6］。土壤是其中重要的生态因子，土壤pH值、有机质以及各种元素的含量等对药用植物的生长发育、代谢产物的积累均有影响。中药材质量的好坏，取决于有效物质含量的高低。此外，中药材中无机元素的含量及种类与中药的性味功效密切相关^［7］。本研究采集45份甘肃省岷县和宕昌县产当归及其种植土壤样品，测定土壤pH值及有机质、有效磷、全氮以及土壤和当归药材中钾（K）、钙（Ca）、钠（Na）、镁（Mg）、锌（Zn）、铁（Fe）、铜（Cu）、锰（Mn）8种无机元素的含量，并测定当归中绿原酸、阿魏酸、洋川芎内酯Ⅰ、藁本内酯、丁烯基苯酞5种有效成分和挥发油、醇溶性浸出物的含量，分析土壤因子与药材元素以及药材指标成分之间的相关性，为当归合理施肥提供参考。

1 仪器与试药

1.1 仪器

ETHOS UP型微波消解仪（意大利MILESTONE公司）；智能数显式电热板（北京科伟永兴仪器有限公司）；Milli-Q型超纯水系统（德国默克生命科学公司）；AA-7000型火焰原子吸收分光光度计（日本岛津公司）；pH-320型智能多功能酸度计（成都世纪方舟科技有限公司）；THZ-82型恒温振荡器（常州金坛恒丰仪器制造有限公司）；kjeltec-8400型全自动凯氏定氮仪（丹麦福斯华公司）；Cary8454型紫外分光光度计、Agilent 1260型高效液相色谱仪，均购自美国安捷伦公司。

1.2 试药

1 000 μg·mL^-1钾（K）、钙（Ca）、钠（Na）、镁（Mg）、锌（Zn）、铁（Fe）、铜（Cu）、锰（Mn）对照品储备液均购于国家有色金属及电子材料分析检测中心；硝酸（国药集团化学试剂有限公司）；盐酸（优级纯，天津市鑫铂特化工有限公司）；氢氟酸（优级纯，西陇科学股份有限公司）；乙腈（色谱纯）、甲醇（色谱纯）均购自山东禹王集团；阿魏酸（批号PS012244，质量分数≥98.5%）、绿原酸（批号PS012785，质量分数≥98.5%）、洋川芎内酯Ⅰ（批号PS011036，质量分数≥98.0%）、丁烯基苯酞（批号PS021016，质量分数≥97%）、藁本内酯（批号PS013777，质量分数≥95%）均购自成都普思生物科技股份有限公司。

当归药材于2023年10月采收于甘肃省岷县和宕昌县，经甘肃中医药大学李成义教授鉴定为伞形科植物当归Angelica sinensis（Oliv.）Diels的干燥根。当归药材和土壤样品自然风干，挑除杂质，捣碎，当归药材过50目筛，土壤过100目筛，备用。样品来源信息见表1。

2 方法

2.1 土壤因子的测定

采用pH酸度计测定土壤酸碱度；采用高温外加热重铬酸钾氧化-容量法测定土壤有机质的含量；采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗分光光度法测定土壤有效磷的含量；采用凯氏定氮法测定土壤全氮的含量。

2.2 无机元素含量的测定

2.2.1 土壤微波消解

取土壤样品约0.1 g，精密称定，置于消解罐中，精密加入6 mL HNO₃、3 mL HCl、3 mL HF进行消解。消解程序：5 min内升至120 ℃，保持10 min；10 min内，由120 ℃升至160 ℃，保持20 min；10 min内，由160 ℃升至210 ℃，保持15 min。待消解结束后，将消解液转移至聚四氟乙烯烧杯中，置于180 ℃电热板上赶酸至透明，冷却后用体积分数为1%的硝酸定容至50 mL，经0.22 μm微孔滤膜滤过后备用，同时做空白对照。

2.2.2 药材微波消解

取药材样品约0.5 g，精密称定，置于消解罐中，精密加入5 mL HNO₃、1 mL HF进行消解。消解程序：3 min内升至120 ℃，保持3 min；2 min内，由120 ℃升至150 ℃，保持10 min；2 min内，由160 ℃升至190 ℃，保持20 min。待消解结束后，将消解液转移至聚四氟乙烯烧杯中，置于180 ℃电热板上赶酸至透明，冷却后用体积分数为1%硝酸定容至50 mL，经0.22 μm微孔滤膜滤过后备用，同时做空白对照。

2.2.3 样品无机元素含量的测定

采用空气-乙炔火焰原子吸收法测定样品中无机元素的含量，仪器工作条件见表2。

精密吸取一定体积的K、Ca、Na、Mg、Zn、Fe、Cu、Mn 8种元素的对照品溶液，用体积分数为1%的硝酸定容至50 mL，以对照品溶液质量浓度为横坐标（x），吸收值为纵坐标（y），绘制标准曲线，见表3。

2.3 当归有效成分的含量测定

2.3.1 混合对照品溶液的制备

取绿原酸、阿魏酸、洋川芎内酯Ⅰ、藁本内酯、丁烯基苯酞对照品适量，精密称定，置于10 mL量瓶中，加体积分数为90%甲醇溶解，定容至刻度线，制成质量浓度分别为0.07、0.09、0.05、1.14、0.63 mg·L^-1的混合对照品溶液，置于4 ℃冰箱中保存备用。

2.3.2 供试品溶液的制备

取当归粉末约1.0 g，精密称定，置于具塞锥形瓶中，精密加入体积分数为90%甲醇50 mL，密塞，称定质量，超声提取1 h，放冷，再称定质量，用体积分数为90%甲醇补足减失的质量，摇匀，静置。上清液用0.22 μm微孔滤膜滤过，取续滤液，即得，置于4 ℃冰箱中保存备用。

2.3.3 色谱条件

采用Shim-pack C₁₈色谱柱（4.6 mm×250 mm，5 μm），流动相为质量分数0.1%磷酸水溶液（A）-乙腈（B），梯度洗脱（0~20 min，10% B~30% B；20~25 min，30% B~46% B；25~45 min，46% B；45~48 min，46% B~95% B；48 min~58 min，95% B；58~60 min，95% B~10% B）；检测波长分别为260（丁烯基苯酞）、280（洋川芎内酯Ⅰ）、320 nm（绿原酸、阿魏酸、藁本内酯）；流速为1.0 mL·min^-1；柱温为30 ℃；进样量为10 μL。记录各有效成分的峰面积，采用外标法计算各有效成分的峰面积。

2.3.4 线性关系考察

取“2.3.1”项下的混合对照品溶液适量，分别用体积分数90%甲醇进行梯度稀释，配制8份不同质量浓度的混合对照品工作溶液。按照“2.3.3”项下的色谱条件进行测定，以对照品质量浓度为横坐标（x），以对照品的峰面积为纵坐标（y），绘制标准曲线。见表4。

2.4 挥发油

按照《中国药典》（2020年版）通则2204乙法中挥发油测定法对挥发油的含量进行测定。

2.5 醇浸出物

按照《中国药典》（2020年版）通则2201醇溶性浸出物测定法项下的热浸法对醇浸出物的含量进行测定，用体积分数为70%乙醇作为溶剂。

2.6 数据分析

利用SPSS Statistics 25软件中的Pearson相关系数法对土壤因子与当归无机元素以及当归有效成分进行相关性分析，并对种植地土壤因子进行主成分分析，筛选土壤特征因子。

3 结果

3.1 当归种植地各土壤因子含量的测定

种植地土壤8种无机元素，土壤pH值，有效磷、有机质以及全氮的含量不尽相同，土壤中Fe、Mg、Na、K、Ca元素的含量最高。所测12种土壤因子变异程度均不相同，其中土壤Fe元素和土壤pH值变异系数分别为8.48%、6.12%，属于弱变异；Ca元素变异系数为126.17%，属于强变异；其余因子均属于中等变异。见表5。

3.2 当归药材指标性成分和无机元素含量的测定

3.2.1 当归指标性成分含量的测定

不同当归样品中5种有效成分，浸出物以及挥发油含量的变异系数范围为12.95%~38.13%，均属于中等变异，其中浸出物含量差异较小，最大值为64.55%，最小值为36.92%，变异系数为12.95%；阿魏酸含量差异较大，最大值为1.36 mg·g^-1，最小值为0.35 mg·g^-1，变异系数为38.13%；此外，不同当归样品中绿原酸和藁本内酯的含量差异也较大，变异系数分别为36.94%、32.11%，表明不同当归样品中阿魏酸、绿原酸、藁本内酯含量存在差异。见表6。

3.2.2 当归无机元素含量的测定

不同当归样品所含8种无机元素含量的变异系数为10.77%~40.98%，均属于中等变异，其中含量差异较大的为Na，最大值为471.50 mg·kg^-1，最小值为85.22 mg·kg^-1，变异系数为40.98%；差异较小的是Mg，最大值为2 449.72 mg·kg^-1，最小值为1 596.95 mg·kg^-1，变异系数为10.77%。8种药材无机元素中K、Fe、Mg的含量最高，Cu的含量符合《中国药典》（2020年版）规定的不得超过20 mg·kg^-1。见表7。

3.3 土壤因子与药材无机元素含量的相关性分析

对当归根际土壤因子与当归指标性成分进行Pearson相关性分析，药材中Cu含量与土壤Na含量呈极显著负相关（P<0.01），与土壤有效磷含量呈显著负相关（P<0.05）；药材中Na含量与土壤中Fe、Na含量呈极显著正相关（P<0.01），与土壤中K、有机质、全氮含量呈显著正相关（P<0.05）；药材中K含量与土壤中Mg、Na、Ca含量呈极显著正相关（P<0.01），与土壤有效磷含量呈显著正相关（P<0.05），与土壤中Fe含量呈极显著负相关（P<0.01）；药材中Zn含量与土壤中Cu、Mn含量呈极显著正相关（P<0.01），与土壤中Fe含量呈显著正相关（P<0.05），与土壤有效磷含量呈显著负相关（P<0.05）。相关性结果显示，药材中Na、K、Zn含量受土壤因子影响较大，其中土壤Fe含量对药材中Na、K、Zn的含量积累均有影响，土壤Na同时影响药材中Na、K的含量，土壤有效磷同时影响药材中K、Zn的含量，可在栽培施肥过程中注重土壤Fe、Na以及土壤有效磷的含量。见表8。

3.4 土壤因子与药材有效成分的相关性分析

采用Pearson相关性分析对土壤因子与当归指标成分进行分析，绿原酸含量与土壤中Na、K的含量呈极显著正相关（P<0.01），与土壤中Mg、Ca的含量呈显著正相关（P<0.05），与土壤中Zn的含量呈极显著负相关（P<0.01），与土壤有机质、全氮的含量呈显著负相关（P<0.05）；阿魏酸与土壤中Fe、Mn、Zn的含量呈显著负相关（P<0.05）；洋川芎内酯Ⅰ与土壤中Na的含量呈极显著正相关（P<0.01）；藁本内酯与土壤中有效磷的含量呈极显著正相关（P<0.01），与土壤中Fe的含量呈显著负相关（P<0.05）；丁烯基苯酞与土壤中Na的含量呈极显著正相关（P<0.01）；挥发油与土壤中Na、有效磷的含量呈显著正相关（P<0.05）。综上，药材中绿原酸、阿魏酸、藁本内酯、挥发油的含量受所测12种土壤因子影响较大；土壤中Na的含量同时影响药材中绿原酸、洋川芎内酯Ⅰ、丁烯基苯酞和挥发油的含量。见表9。

3.5 土壤因子主成分分析

对当归种植地12种土壤因子进行主成分分析，结果见表10、表11。主成分分析构建出4个主成分，特征值均大于1，累积方差贡献率达75.246%，即这4个主成分能反映当归种植地土壤因子的基本特征。第1主成分中，土壤Mn、Zn、有机质、全氮贡献较大；第2主成分中，土壤Mg、Na、K元素贡献较大；第3主成分中，土壤Fe、Cu元素贡献较大；第4主成分中，土元素贡献较大。主成分1和主成分2的方差贡献率相对于主成分3和主成分4较大，分别为28.590%、23.004%，即主成分1和主成分2对当归种植地土壤的影响相对较大，其中包含的土壤因子可作为当归种植地土壤的主要特征因子，分别为土壤Mn、Zn、有机质、全氮、土壤Mg、Na、K。

4 讨论

土壤是中药材与环境进行物质与能量交换的重要介质，能供应和协调药材生长发育所需的水分、养分、温度等^［8-9］。近年来，关于土壤对中药材品质影响的研究报道较多，如甘草、党参、丹参、滇龙胆等^［10-14］。土壤pH值对植物生长发育，土壤微生物活性、土壤养分的存在状态均存在影响^［15］。土壤有机质是保持土壤肥力、维持良好耕地质量的重要因素^［16］。氮磷钾是植物生长的必需营养元素，能促进植物的生长和新陈代谢^［17］。当归种植地土壤样品pH值为6.06~8.29，平均值为7.73，属于中性偏弱碱性土壤。参照全国第二次土壤普查指定的养分分级标准^［18］，土壤样品有机质、有效磷、全氮、全钾水平总体处于丰富水平。

本研究探究了土壤因子与当归药材中无机元素的相关性以及与当归指标性物质之间的相关性，土壤Fe、Cu、Mg、Mn、Na、K、Ca元素、有效磷、有机质、全氮的含量对当归药材中8种无机元素的含量影响显著。当归药材中绿原酸、阿魏酸、藁本内酯、挥发油的含量均与2种或2种以上所测土壤因子具有显著相关性，其中，土壤Na元素同时影响药材中绿原酸、洋川芎内酯Ⅰ、丁烯基苯酞和挥发油的含量，表明当归对Na元素的需求较大。对所测12种土壤因子进行主成分分析，结果显示，当归种植地土壤中Mn、Zn、有机质、全氮、Mg、Na、K可能是土壤中的主要特征因子，这些因子参与当归生长发育过程中有效成分的积累，影响当归的品质。

土壤是中药材栽培过程中的物质基础和主要环境因素之一，提供了药材生长发育所需的水分和营养物质，良好的土壤环境对药用植物中有机成分和无机成分种类和量的积累起着关键作用。在当归种植过程中，应注重药材对Na、K等元素的需求。但当归药材品质的优劣是多种土壤因子综合作用的结果，需进一步通过大田或盆栽实验验证，利用先进技术更深层次地揭示土壤因子影响当归品质的分子机制，以保证源头中药材的品质，确保临床疗效。

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基金资助

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