道地产区土壤养分对山豆根药材产量和质量的影响

Influence of soil nutrient on the yield and quality of Sophora tonkinensis in producing area

摘要

山豆根是广西“桂十味”道地药材之一，研究道地产区山豆根产量及质量与其产地土壤养分间的关系，为山豆根优质高产栽培提供理论依据。在广西凤山县等7个不同区域采集山豆根药材和土壤样品，测定山豆根苦参碱、氧化苦参碱含量以及相应栽培区土壤养分。研究结果表明，凤山县山豆根植株最高（230.0 cm）、根干重最大（196.16 g）；环江县山豆根植株茎粗值最大（20.19 mm），那坡县山豆根苦参碱含量为0.11%、氧化苦参碱含量为3.56%、生物碱含量为3.67%，均为最高。那坡县、凤山县、环江县山豆根栽培区土壤养分含量较高。相关性分析与多元非线性拟合结果表明，根干重与全镁含量呈显著正相关性；氧化苦参碱和生物碱含量均与土壤全氮、速效氮含量呈显著正相关性。推测，在栽培区适当增加土壤全镁含量，可在一定程度上提高山豆根的产量；土壤全氮含量为0.10%~0.27%，土壤速效氮含量为32.08~103.25 mg/kg，将有利于提高山豆根的生物碱含量。

Abstract

Sophora tonkinensis is one of the Daodi medicinal materials of Guangxi’s “Gui⁃shi⁃wei”. The relationship between the yield， quality of S. tonkinensis and the soil nutrients in its producing area was studied in order to provide theoretical basis for the cultivation of high quality and high yield of S. tonkinensis. The S. tonkinensis and soil samples were collected from different regions of Guangxi Province， and then the contents of matrine and oxymatrine in S. tonkinensis， as well as the soil nutrients in corresponding cultivation areas were determined. The results showed that the S. tonkinensis plant is the highest （230.0 cm） and the root dry weight is the heaviest （196.16 g） in Fengshan County. The stem diameter of S. tonkinensis in Huanjiang County is the largest （20.19 mm）. The contents of matrine （0.11%）， oxymatrine （3.56%） and alkaloid （3.67%） are the highest in Napo County. The soil nutrient contents of cultivation areas in Napo， Fengshan and Huanjiang are higher. The results of correlation analysis and multivariate nonlinear fitting showed that there is a significant positive correlation between root dry weight and total Mg content. In addition， the contents of oxymatrine and alkaloid are positively correlated with the contents of soil total N and available N. It is speculated that the yield of S. tonkinensis can be improved to a certain extent by increasing the total Mg content. The content of total N in soil is 0.10%~0.27%， and the content of available N in soil is 46~103 mg/kg， which will be beneficial to increase the alkaloid content of S. tonkinensis.

Graphical abstract

关键词

山豆根 / 土壤养分 / 农艺性状 / 生物碱含量

Key words

Sophora tonkinensis / soil nutrient / agronomic trait / alkaloid content

0 引 言

山豆根是广西著名的道地药材和常用中药，又称广豆根，为豆科（Fabaceae Lindl.）植物越南槐（Sophora tonkinensis Gagnep.）的干燥根和根茎，味苦，寒，具有清热解毒，消肿利咽的功效^［1］。始载于宋代的《开宝本草》，用药历史悠久，经本草考证：“山豆根生剑南山谷，各处山谷俱有，广西出者独佳”^［2，3］。广西不同区域土壤养分有所不同，土壤是植物生长的主要环境因子之一，其各项理化指标的大小会直接影响药用植物次生代谢产物的产生和积累^［4］。研究土壤养分对山豆根药材产量和质量的影响，为山豆根优质药材的高产栽培提供技术支撑。现代中药研究表明，土壤肥力质量代表土壤生产力的综合能力，是中药材优质高效栽培生产的保证^［5］。产地土壤中的无机元素可影响当归药材根系的营养吸收及生理代谢活动，对当归活性成分的生物合成起关键作用^［6］。丹参药材中丹参酮含量与土壤的关系比与温度的关系更大^［7］。土壤肥力状况也是影响党参^［8］、防风^［9］药材产量和品质的重要因素。山豆根生于石灰岩地区的山顶、山脊和灌丛中，大多岩石裸露，土壤主要存在于岩隙之间，土壤类型为砖红壤、赤红壤、黄棕壤等。不同土壤类型均可种植山豆根，然而不同土壤养分对山豆根品质的影响，以及山豆根品质与土壤养分之间的关系尚未明确。本研究对广西7个不同区域山豆根药材产量以及生物碱含量与相应栽培区土壤全氮、全磷、全钾、全钙、全镁、速效氮、速效磷、速效钾、有效硫、有机质、pH值、土壤水分、土壤温度等进行相关性分析，探明土壤养分对山豆根植株生长及其有效成分生物碱含量积累的影响，找出影响山豆根产量和生物碱含量的关键土壤因子，为栽培生产优质高产山豆根药材及为山豆根药材资源的进一步开发提供数据支撑和理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

① 供试土壤：同一时间采集广西那坡、都安、金城江、凤山、环江、靖西、宜州7个山豆根主要栽培区的3年生山豆根药材生长处土壤样本。土壤样本采集时，避开路边、沟边等边缘特殊地方，每个栽培区采用五点交叉取样法，每个取样点取0~20 cm耕层土壤混合成土样，风干、粉碎、过20目筛后备用，试验设置5个重复。样品采集地基本信息见表1。

② 供试药材：山豆根药材的基原植物越南槐经广西药用植物园韦坤华研究员鉴定。在广西那坡、都安、金城江、凤山、环江、靖西、宜州7个山豆根主要栽培区，采集健康、无病虫害的3年生越南槐植株，每个栽培区选取大小均匀的山豆根样品30株，设置5个重复。

③ 主要仪器和试剂：恒温干燥箱（101⁃1S），火焰光度计（FP6410），往复式振荡器（SHA⁃C），美国热电ICP电感耦合等离子发射光谱仪（ICAP6300）、pH计（Mettler Toledo，FE20）、定氮仪（KDN⁃04C）、消解仪（XJT36⁃20）、酶标仪（JC⁃MB36）、土壤水分/温度速测仪（LZB⁃SW）、高效液相色谱仪（Waters e2695）；土壤速效氮测试盒、土壤全磷含量测试盒、中性/碱性土壤速效磷测试盒、土壤有机质含量测试盒、土壤有效硫测试盒、苦参碱对照品、氧化苦参碱对照品均购于苏州科铭生物技术有限公司，货号分别为SSN⁃2⁃Y、SQL⁃2⁃G、NKSXL⁃2⁃G、SOM⁃1⁃T、SYL⁃2⁃G、Mat⁃4⁃J、Oma⁃4⁃Q。

1.2 试验方法

1.2.1 性状指标测定

测定越南槐株高、茎粗、干重。株高采用卷尺测量，茎粗采用游标卡尺测定，干重用分析天平称量。以上各项指标各做5次重复。

1.2.2 苦参碱和氧化苦参碱的含量测定

山豆根有效成分苦参碱和氧化苦参碱含量参考《中华人民共和国药典》（2020版）^［1］山豆根含量测定项下高效液相色谱法进行测定，本文中生物碱含量指的是苦参碱和氧化苦参碱的总量。

对照品溶液的制备：取苦参碱对照品5.2 mg、氧化苦参碱对照品10.2 mg，精密称定，置于10 mL容量瓶中，分别加无水乙醇稀释至刻度，再吸取0.2 mL、0.75 mL分别置于5 mL容量瓶中，配制苦参碱、氧化苦参碱浓度分别为0.020 8 mg/mL、0.153 0 mg/mL的对照品溶液。

供试品溶液的制备：对已经干燥到恒温的越南槐根部进行研磨，过三号筛，取其粉末0.5 g，精密称定，置具塞锥形瓶中，精密加入三氯甲烷⁃甲醇⁃浓氨试液（体积比为40∶10∶1）混合溶液50 mL，密塞，称定重量，放置30 min，超声处理（功率360 W，频率40 kHz）30 min，再称定重量，用三氯甲烷⁃甲醇⁃浓氨试液（体积比为40∶10∶1）混合溶液补足减失的重量，摇匀，滤过，精密量取续滤液10 mL，40 ℃下减压回收溶剂至干，残渣加甲醇适量使溶解，转移至10 mL量瓶中，加甲醇至刻度，摇匀，滤过，取滤液。

色谱条件：色谱柱：Agilent Polaris NH2 4.6×250 mm，5 μm；流动相：乙腈⁃无水乙醇⁃3%磷酸溶液（体积比为86∶9∶5）；流速：1 mL/min；柱温：35 ℃；波长：210 nm。

1.2.3 土壤基本养分含量测定

采用乙酸铵浸提，火焰光度计测定土壤速效钾含量^［10］；采用硝酸⁃双氧水⁃氢氟酸消解，ICP⁃AES测定土壤全钾、全钙、全镁含量^［11］。采用钼锑抗比色法测定样品中的土壤全磷和速效磷含量，光度法测定土壤中的有机质，利用硫酸钡比浊法测定土壤有效硫含量，碱解扩散法测定土壤速效氮含量，pH计测定土壤pH值。以上各项指标各做5次重复。

1.3 数据处理

采用Microsoft Excel 2016和SPSS 17.0软件对数据进行分析处理，表中数据为平均值±标准差。箱型图、多元非线性拟合绘图使用SigmaPlot 14.0完成，同时在SPSS 17.0中使用独立样本ｔ检验和单因素方差分析检验每组数据之间差异的显著性。

2 结果与分析

2.1 不同区域山豆根药材产量及生物碱含量比较分析

广西不同区域山豆根药材产量及苦参碱、氧化苦参碱、生物碱含量的差异情况如图1所示，7个不同区域的山豆根药材产量以及药用有效成分含量差异明显，其中凤山县山豆根植株最高（230.0 cm），显著高于那坡县、都安县、金城江区、宜州市的植株；环江县山豆根植株茎粗值最大（20.19 mm），显著大于那坡县、都安县、靖西市的植株；凤山县山豆根的根干重最重（196.16 g），显著高于那坡县、都安县、环江县和靖西市的植株。7个区域的山豆根药材有效成分苦参碱、氧化苦参碱含量和生物碱含量也存在显著差异，其中那坡县山豆根苦参碱含量（0.11%）、氧化苦参碱含量（3.56%）、生物碱含量（3.67%）均为最高。这可能与各区域的生态环境以及栽培水平等多种因素相关。

2.2 不同种植区域土壤养分比较分析

广西山豆根不同种植区域土壤养分的差异情况如表2所示，7个不同种植区域土壤全氮、全磷、全钾、全钙、全镁、速效氮、速效磷、速效钾、有效硫、有机质、土壤pH值、土壤水分（土壤绝对含水量）、土壤温度均存在明显差异。其中，那坡县土壤全氮、全磷、速效氮、速效钾、有效硫、有机质含量显著高于其他6个种植区域；凤山县土壤全钾、全镁含量以及土壤pH值均显著高于其他种植区域；环江县土壤全钙、速效磷含量明显高于其他种植区域；可知，那坡县、凤山县、环江县山豆根栽培区土壤养分含量较高，都安县、靖西市土壤养分次之，金城江、宜州市山豆根栽培区土壤养分含量较低。另外，宜州市山豆根栽培区土壤pH值显著低于其他6个区域；金城江土壤绝对含水量最高，宜州市土壤绝对含水量最低，那坡县、都安县、凤山县、环江县、靖西土壤水分适中，其中那坡县、环江县土壤绝对含水量均为17%左右，此栽培区山豆根氧化苦参碱以及生物碱含量明显高于其他区域。

2.3 土壤养分与山豆根产量及其生物碱含量的相关性分析与多元非线性拟合

表3显示了土壤养分与山豆根产量及其生物碱含量相关性系数，结果表明，山豆根植株高度与土壤全钾含量以及pH值呈显著正相关性；山豆根植株茎粗与土壤全氮含量呈显著负相关，与土壤温度呈显著正相关；根干重与全镁含量呈显著正相关，与全磷呈显著负相关；氧化苦参碱和生物碱含量均与土壤全氮、速效氮含量呈显著正相关；苦参碱、氧化苦参碱以及生物碱含量均与土壤绝对含水量呈负相关关系。

分别以山豆根植株高度、茎粗、干重、苦参碱、氧化苦参碱、生物碱为因变量，相关性分析得到的土壤养分主要影响因素为自变量，通过多元非线性拟合得到的山豆根产量及其生物碱含量的表达式如图2所示。结果表明：山豆根植株高度与土壤全钾含量以及pH值呈正相关性；植株茎粗与土壤全氮含量呈负相关，与土壤温度呈正相关；根干重与全镁含量呈正相关，与全磷呈负相关性；苦参碱含量与速效磷、土壤pH值均呈负相关性；氧化苦参碱和生物碱含量均与土壤速效氮含量呈正相关，这与相关性分析所得结果一致。然而，氧化苦参碱和生物碱含量与土壤全氮含量呈负相关性，与表3相关性分析结果相反，推测估计是由于土壤速效氮的影响，使得全氮含量对氧化苦参碱和生物碱含量产生负向影响。

3 讨 论

在中药材栽培过程中，土壤肥力是影响中药材产量和有效成分的重要因素^［12］。随着药材需求量的急剧增加，很多药材产区的土壤环境发生重大改变，导致大量药材的适宜生长区被严重破坏。2005年，研究发现不同种植区域山豆根氧化苦参碱和苦参碱的含量差异很大，其中氧化苦参碱以广西百色山豆根的含量最高^［13］。如今，本课题组研究发现广西河池市凤山县山豆根产量明显高于其他6个种植区域；广西百色市那坡县山豆根生物碱含量明显高于都安县、金城江、凤山县、环江县、靖西市、宜州市6个种植区域。《中华人民共和国药典》（2020版）规定，山豆根含苦参碱和氧化苦参碱的总量不得少于0.70%^［1］。本研究中，所有样品的生物碱含量（苦参碱和氧化苦参碱的总量）均高于0.70%，符合《药典》规定。经测定，百色市那坡县，河池市凤山县、环江县山豆根种植区土壤养分含量较其他区域高，推测土壤养分对山豆根产量以及生物碱含量有显著影响。这与前人研究得出的土壤因子对生物碱的含量有明显影响的结论基本一致^{［14，15］}。

生长特征反映了植物对土壤环境的适应性，是评价植物活力的重要指标^［16］。对于种植药材而言，应同时关注其产量和质量^［17］。土壤水分、温度、速效钾、速效磷含量等理化性质对植物生长、药用植物次生代谢物质积累有着重要作用。氮、磷和钾是植物生长的基本元素^［18］，精确的N、P、K施用可以显著影响植物生长和代谢物积累^［16］。然而，不同的植物需要不同数量和比例的N、P、K，每种元素的水平会影响植物的生长和发育^［19］。山豆根的药用部位主要是根，本研究中凤山县山豆根的根干重最重，其栽培区土壤全钾、全钙、全镁含量均相对较高，其中全镁含量与根干重呈显著相关关系。因此，在实际生产中，建议在栽培区适当增加土壤全镁含量，可在一定程度上提高山豆根的产量。在药材生产中，药用植物有效成分的比例和含量是道地药材的重要指标^［20］。在土壤养分对生物碱类物质积累的影响研究中，速效磷和速效钾与新乌头碱含量存在正相关关系，速效磷与次乌头碱含量存在显著正相关关系^［21］。本研究中速效磷和速效钾与氧化苦参碱同样存在正相关关系。施加0.1 g/kg重过磷酸钙时最有利于浙贝母中生物碱类有效成分含量及产量的提高^［22］，烟草中各生物碱组分含量均随着土壤碱解氮含量的升高而增高^［23］，而黄柏中5种生物碱含量均随速效氮、速效磷、速效钾等土壤因子含量的上升呈下降趋势^［4］。本研究中苦参碱含量与速效氮、速效磷呈负相关关系，而氧化苦参碱与速效氮、速效磷、速效钾均呈正相关关系。此外，本研究中生物碱含量与有机质含量呈正相关性，而浙贝母中总生物碱与有机质含量呈极显著负相关^［24］。可知不同植物中生物碱类物质对土壤养分的响应有所不同。对于种植山豆根药材而言，土壤全氮含量≤0.10%时，显著低于其他区域土壤全氮含量，道地产区土壤全氮含量最高的是0.27%，土壤速效氮含量≤32.08 mg/kg时，显著低于其他区域土壤速效氮含量，道地产区土壤速效氮含量最高的是103.25 mg/kg，推测土壤全氮含量为0.10%~0.27%，土壤速效氮含量为32.08~103.25 mg/kg，有利于提高山豆根中生物碱含量。此外，本研究通过两种不同方法证实氧化苦参碱和生物碱含量均与土壤速效氮含量呈显著正相关关系，这与作者之前的研究得出氮元素对山豆根的生长及氧化苦参碱的合成有明显的促进作用结果类似^［25］，从大田试验以及室内试验两个途径证实了山豆根生物碱类物质与土壤中氮元素的相关性。

4 结 论

生物碱的形成与积累不仅由山豆根自身的遗传特性所决定，而且还与其周围的生态环境密切相关。本研究通过对山豆根不同产区的土壤样品进行检测分析，主要得出：土壤中的Mg元素对山豆根产量的影响较大，适当增加土壤全镁含量，可提高山豆根的产量；氮素对山豆根生物碱含量积累的影响较大，土壤全氮含量为0.10%~0.27%，土壤速效氮含量为32.08~103.25 mg/kg，将有利于提高山豆根的生物碱含量。此外，利用多元非线性回归得到山豆根产量及其生物碱含量与土壤养分主要影响因素的拟合方程，为山豆根规范化种植过程中量化山豆根产量和含量提供理论依据。

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基金资助

广西自然科学基金项目(2020GXNSFBA159018)

广西自然科学基金项目(2020GXNSFBA159006)

国家自然科学基金项目(82060689)

国家自然科学基金项目(82160723)

中央引导地方科技发展专项(桂科ZY20198018)

广西科技计划项目(桂科AD22080012)