不同種植年限白芨塊莖微量元素含量、富集特征及其影響因素研究

熊鵬飛 周穎 孫超 張家春 王永 鄭聽 周鑫偉 韓見宇

摘要：以不同種植年限白芨塊莖及土壤為研究對象，分析不同種植年限白芨塊莖微量元素及土壤氮磷鉀、微量元素含量特征，探討其吸收關系。結果表明，根據全國第二次土壤普查養分分級標準，種植白芨土壤氮素營養低，磷素營養適中，鉀素營養較高;種植2年時白芨塊莖各微量元素含量最高，而土壤中各微量元素含量較低;不同種植年限白芨塊莖、土壤微量元素含量均表現為Fe>Mn>Zn>Ni;白芨塊莖對土壤微量元素富集能力隨種植年限先增強后減弱;白芨塊莖微量元素與土壤營養元素之間具有一定的相關性。

關鍵詞：種植年限;白芨;土壤;微量元素;富集特征;相關性

中圖分類號： S567.23+9.06? 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2021）21-0165-05

收稿日期：2021-03-25

基金項目：貴州省科技計劃（編號：黔科合支撐[2016]2860、黔科院SY字[2017]06、黔科合支撐[2017]2827）;貴州省林業科研項目（編號：黔林科合[2016]07號）;貴州省高層次創新型人才培養項目（編號：黔科合平臺人才[2016]5666）;貴州省科技創新人才團隊建設項目（編號：黔科合人才團隊[2015]4012號）;貴州科學院青年基金（編號：黔科院J字[2019]05號）;貴陽市聯合基金（編號：筑科合同[2017]30-41號）;農業部海藻類肥料重點實驗室開放基金（編號：MAKLSF1817）。

作者簡介：熊鵬飛（1988—），男，貴州思南人，碩士，助理研究員，主要從事藥用植物栽培研究。E-mail：395128558@qq.com。

通信作者：張家春，碩士，高級工程師，主要從事農業資源與環境研究。E-mail：zhangjiachun198806@163.com。

微量元素作為中藥材的重要組分，其種類與含量直接影響中藥材的品質及療效[1]。微量元素可以直接參與植物體內的各種生理生化反應而影響植物化學成分的形成與累積，進而影響中藥材的藥理活性與品質，同時與中藥活性成分在人體內的相互作用可以促進機體自身調節[2]。其中，鐵直接參與植物體內多種生理活性蛋白質的形成[3];鋅是植物體內多種代謝反應所必需的微量元素，既是酶的重要組分，同時也是參與各種酶促反應輔助因子[4];作為葉綠體的組成成分之一，錳直接參與光合作用的光反應過程，有助于植物光合能力的提高，從而促進植物生長發育[5];作為植物體內脲酶的必需元素，有研究表明，低濃度的鎳可以促進植物生長，達到增產效果，而高濃度鎳卻抑制植物的生長[6]。有研究發現，半夏、魚腥草等鐵元素和黃酮類化合物的含量均較高，且總黃酮量與鐵元素的含量具有正相關關系[7];增施鋅肥有利于提高菊花總黃酮和綠原酸含量[8];對丹參施用鐵、銅、錳、鋅肥，高丹參素含量顯著提高[9]。氮、磷、鉀是中藥材所必需的大量營養元素，在影響中藥材根系營養的同時，也可以促進中藥材的生長發育及代謝，因此任何元素的缺失都會影響中藥材的產量及品質[10-12]。

白芨[Bletilla striata （Thunb.） Reichb. f.]為蘭科植物白芨的干燥塊莖，是我國傳統大宗藥材。白芨味苦、甘、澀，微寒，入歸肺、肝、胃經，有止血收斂、消腫生肌的功效[13]。關于白芨的礦質營養元素特別是微量元素含量的研究，對白芨的藥用價值研究具有十分重要的意義。但是，目前關于白芨的研究主要集中在種質資源[14-15]、繁育[16-17]、栽培[18-19]、成分及藥理研究[20-22]、礦質元素吸收規律[23]、野生生境無機元素含量情況及無機元素與藥效成分的關系[24-25]等，而關于不同種植年限白芨塊莖微量元素及其富集的影響因素鮮有報道。本研究測定不同種植年限白芨塊莖微量元素與土壤營養元素、微量元素的含量，探究土壤營養元素對白芨塊莖中微量元素含量的影響，討論白芨塊莖對土壤微量元素的富集特征，從而為栽培高品質白芨提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 樣地概況

樣地位于貴州省施秉縣雙井鎮與楊柳塘鎮（108°09′30″～108°18′36″E，26°30′18″27°13′48″N），海拔890～950 m，平均氣溫14～16 ℃，無霜期 250～300 d，年降水量1 060～1 200 mm。樣地土壤以黑色石灰土較多，兼黃棕壤、黃壤等，種植1年的白芨生長土壤為中性，種植2年為弱酸性，種植3年為弱堿性。白芨生長土壤有機質種植1年為 14.31 g/kg、種植2年為28.31 g/kg，種植3年為 19.61 g/kg[24]。

1.2 樣品采集

種植面積共26.67 hm2，其中種植1年12 hm2，種植2年10 hm2，種植3年4.67 hm2。以梅花形布點方法采集土壤樣品，采集深度為0～20 cm，充分混勻后用四分法反復取舍后保留1 kg作為該樣區土壤樣品。采集不同種植年限白芨生長土壤樣品共9個，其中種植1年、2年、3年白芨土壤樣品分別3個。同時在采集土壤樣品時，在對應點采集不同種植年限白芨塊莖作為樣品，共采集白芨塊莖樣品9個，不同種植年限白芨塊莖樣品各3個。

1.3 樣品制備

將采集的土壤樣品裝入干凈的編號布袋帶回，均勻平鋪于干凈塑料膜上，晾至半干后壓碎，去除雜物，置于通風陰涼處自然風干。待樣品風干后充分混勻，采取四分法分一半保存備用，另一半研磨后先過2 mm尼龍網篩，取20 g左右用瑪瑙研缽細研后過0.15 mm尼龍網篩，混合均勻待用。白芨塊莖先清洗除雜、去除須根，然后洗凈，后用沸水煮至無白心，取出自然風干后粉碎，過60目篩，充分混合均勻后待用。

1.4 樣品測定方法

白芨塊莖與土壤微量元素Fe、Mn、Zn、Ni的測定方法[26]：準確稱取試樣2.5 g，采用HNO3-HClO4加熱消解，以ICP-MS 測定，測定過程嚴格按照國家標準進行。

1.5 富集系數的計算及統計分析

富集系數（BCF）是評價白芨塊莖對土壤中無機元素富集能力的指標[27]，其公式為BCF=Ci/Si。式中，BCF為無機元素i的富集系數，Ci為無機元素i在植物中的含量，Si為無機元素i在生長介質（如土壤）中的含量。

試驗數據采用Excel 2013和SPSS 21軟件進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 不同種植年限白芨土壤氮磷鉀含量

由圖1可知，不同種植年限白芨土壤全氮、全磷、全鉀含量差異不顯著。種植2年白芨土壤堿解氮、有效磷含量顯著高于種植1年、2年，種植1年、2年土壤速效鉀含量顯著高于種植3年。不同種植年限白芨土壤堿解氮、有效磷含量變化規律為種植2年>種植3年>種植1年，速效鉀含量變化規律為種植2年>種植1年>種植3年。以全國第二次土壤普查養分分級標準為參照，不同種植年限白芨生長土壤全氮含量很低，均為6級;全磷含量較高，其中種植2年為2級，種植1年及3年為3級;全鉀含量高，均為2級。不同種植年限白芨土壤堿解氮含量很低，均為5級;有效磷含量較低，其中種植2年為3級，種植1年、3年僅為4級;種植1年、2年速效鉀含量較高，其中種植2年最高，為2級，種植1年為3級，種植3年為4級。

2.2 不同種植年限白芨塊莖微量元素特征

由表1可知，不同種植年限白芨塊莖微量元素Fe、Mn、Ni、Zn含量之間存在顯著性差異，均表現為種植第2年含量最高。微量元素Fe在種植2年含量顯著高于種植1年、3年，分布特征表現為種植2年>種植3年>種植1年。微量元素Mn在種植2年含量顯著高于種植1年、3年，分布特征表現為種植2年>種植1年>種植3年。微量元素Ni在種植2年白芨塊莖中的含量顯著高于種植1年、3年（P<0.05），種植1年、3年含量之間差異不顯著，分布特征表現為種植2年>種植3年>種植1年，變化規律與Fe相同。微量元素Zn在種植2年含量顯著高于種植1年、3年（P<0. 05），分布特征表現為種植2年>種植1年>種植3年，變化規律與Mn相同。不同種植年限白芨塊莖微量元素含量均表現為Fe>Mn>Zn>Ni。

2.3 不同種植年限白芨土壤微量元素特征

由表2可知，不同種植年限白芨土壤各元素含量均表現為種植2年含量最低，變化規律均表現為先降低后增加趨勢，不同元素間表現為Fe>Mn>Zn>Ni。其中，微量元素Fe、Ni在種植1年、3年含量顯著高于種植2年（P<0.05），分布特征表現為種植3年>種植1年>種植2年;微量元素Mn、Zn在種植3年含量顯著高于種植1年、2年（P<0.05），種植1年顯著高于種植2年（P<0.05），分布特征與Fe、Ni含量相同，表現為種植3年>種植1年>種植2年。

2.4 不同種植年限白芨塊莖對微量元素富集特征

植物的富集系數通常用來表示植物對無機金屬元素吸收能力的強弱。由表3可知，不同種植年限白芨塊莖對土壤微量元素富集能力表現為隨著種植年限的增加呈先增強后減弱趨勢，說明白芨在種植2年時對Fe、Mn、Ni、Zn等4種無機微量元素的富集能力較強。其中，種植2年Fe、Mn、Ni元素與種植1年、3年差異顯著（P<0.05），種植1年與3年無顯著差異，種植2年、1年、3年間白芨塊莖Zn元素存在顯著差異（P<0.05）。

2.5 白芨塊莖與土壤氮磷鉀及微量元素相關性分析

對白芨塊莖微量元素與土壤微量元素之間進行相關性分析，結果見表4。由表4可知，塊莖Mn含量與塊莖Ni、土壤堿解氮、速效鉀含量，塊莖Ni含量與土壤有效磷含量，土壤Fe含量與土壤Mn含量，土壤Mn含量與土壤Ni含量，土壤全氮含量與土壤全磷含量，土壤堿解氮含量與土壤有效磷、速效鉀含量呈顯著正相關（P<0.05）。土壤Fe含量與土壤有效磷，土壤Mn含量與土壤速效鉀含量，土壤Ni含量與土壤有效磷含量，土壤Zn含量與土壤堿解氮、速效鉀含量呈顯著負相關（P<0.05）。塊莖Fe含量與塊莖Ni含量，塊莖Mn含量與塊莖Zn含量，塊莖Ni含量與土壤堿解氮含量，土壤Fe含量與土壤Ni、Zn含量，土壤Mn含量與土壤Zn含量，土壤Ni含量與土壤Zn含量呈極顯著正相關（P<0.01）。白芨塊莖Mn、Zn含量與土壤Fe、Mn、Ni、Zn含量，白芨塊莖Ni含量與土壤Fe、Ni、Zn含量，土壤Fe、Ni含量與土壤堿解氮含量呈極顯著負相關（P<0.01）。白芨塊莖Fe含量與土壤Fe含量，塊莖Mn含量與土壤Mn含量，塊莖Zn含量與土壤Zn含量，塊莖Ni含量與土壤Ni含量均呈負相關，但相關性不顯著。

3 結論與討論

土壤是高品質藥材種植的基礎，土壤中的營養成分是其最重要的組成部分[28]。土壤中氮磷鉀的含量是土壤肥力評價的重要指標[29]。本研究表明，貴州不同種植年限白芨生長土壤氮素營養與磷素營養相對較低，鉀素營養相對較高。林茂祥等報道白芨對氮磷鉀3種養分的吸收量的順序是氮>鉀>磷[23]，張家春等報道貴州野生白芨生長土壤的全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷、速效鉀平均含量分別為6.04 g/kg、0.70 g/kg、7.60 g/kg、340.00 mg/kg、6.84 mg/kg、97.00 mg/kg[25]。結合本研究，在貴州地區白芨大田種植氮肥缺乏，磷肥適中，鉀肥較高，應適當增加氮肥施用與減少鉀肥施用。

微量元素作為中藥材有效成分之一，在不同藥材的分布特征不同[30]。張家春等對貴州野生白芨生長土壤的土壤微量元素研究[25]結合本研究結果表明，貴州地區白芨大田種植土壤Fe、Mn元素豐富，種植不同種植年限的白芨塊莖及土壤中均Fe元素平均含量約是貴州白芨野生環境的134倍、Mn元素約是2.5倍，Zn元素較為適中，約是貴州白芨野生環境的0.85倍。在4種微量元素中，貴州白芨大田種植Fe元素含量最高，其次是Mn，再次是Zn，最后是Ni。

Fe、Mn、Ni、Zn元素對中藥材的生長發育和品質都有著重要的影響，直接參與植物生長發育過程中多種生理代謝活動，影響其根系營養及有機體的正常代謝，對中藥材活性成分的形成和累積有著關鍵作用。白芨是多年生草本植物，人工栽培過程中，一般采收種植3年的白芨。本研究表明，隨著種植年限的增加，白芨塊莖中Fe、Mn、Ni、Zn元素含量的平均值均表現為先增加后降低趨勢，第2年最高;土壤中Fe、Mn、Ni、Zn元素含量的平均值均表現為先降低后增加趨勢，第2年最低。原因是白芨種植第1年由于根系生長情況未達到穩定狀態，對Fe、Mn、Ni、Zn元素吸收較少;種植第2年，由于白芨生長發育旺盛，對Fe、Mn、Ni、Zn元素吸收量出現顯著性增加;種植第3年，由于白芨生長空間變小，影響其生長發育，造成Fe、Mn、Ni、Zn吸收降低。

植物對某種重金屬的富集系數大于 1時，認為該植物對該重金屬具有富集作用[31]。在本研究中，種植2年白芨塊莖Mn、Ni，種植1年、2年Zn的富集系數大于1，說明白芨種植2年對Mn、Ni，種植1年、2年對Zn的富集能力較強。同時本研究得出白芨在種植2年時對Fe、Mn、Ni、Zn等4種無機微量元素的富集能力較種植1、3年時強。

關于元素間的互作效應，已有研究形成了許多不同的結論，植物體內的微量元素之間、土壤營養元素之間及植物中微量元素與土壤營養元素間具有不同程度的相關性，作物對微量元素的吸收受到作物品種、生境條件、土壤環境條件、土壤營養因子交互作用、施肥方式方法、栽培技術等多種因素的影響[32]。本研究表明，白芨塊莖中的Ni含量對白芨塊莖吸收Fe有顯著的促進作用，塊莖Ni、Zn含量、土壤堿解氮、速效鉀含量對白芨塊莖吸收Mn有顯著的促進作用，而土壤Fe、Mn、Ni、Zn元素含量對白芨塊莖吸收Mn有顯著的抑制作用，土壤堿解氮、有效磷含量對白芨塊莖吸收Ni有顯著的促進作用，土壤中Fe、Ni、Zn含量對白芨塊莖吸收Ni有顯著的抑制作用，土壤中Fe、Mn、Ni、Zn含量水平對白芨塊莖吸收Zn有顯著的抑制作用。

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