不同土壤因子对中药牛蒡子品质的影响.pdf不同土壤因子对中药牛蒡子品质的影响.pdf

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收稿日期20090820基金项目国家科技支撑资助项目(2006BAI09B026)作者简介李宗梅1985,女,山东日照人,在读硕士生,主要从事中药材适宜性划分和景观生态学研究。通讯作者TEL02483970350,EMAILCHANGYUIAEACCN不同土壤因子对中药牛蒡子品质的影响李宗梅1,3,李秀珍1,常禹1,刘淼1,胡远满1,陈宏伟1,窦德强2,康廷国2,徐亮2,杜天明4(1中国科学院沈阳应用生态研究所,辽宁沈阳110016;2辽宁中医药大学药学院,辽宁沈阳110032;3中国科学院研究生院,北京100049;4浙江自然博物馆,浙江杭州310012)摘要牛蒡子为菊科2年生草本植物牛蒡(ARCTIUMLAPPAL)的成熟果实。牛蒡的生长情况与环境之间有密切的联系,其品质是由多种因子决定的,主要包括气候因子、地形因子、土壤因子等。本文采用双变量相关和偏相关分析相结合,因子分析和逐步回归法相结合的方法,对牛蒡子品质与土壤因子之间的关系进行了充分研究,结果表明牛蒡子的品质受气候因子与土壤因子(特别是一些微量元素)影响,选取气候因子中的年均温作为控制变量,对牛蒡子品质指标与土壤因子进行偏相关分析,得到气候因子影响土壤因子与牛蒡子品质指标的相关性程度;进行因子分析之后,可以发现土壤因子对牛蒡子的品质指标有显著的影响,且各个土壤因子影响不同,其中发现牛蒡子的生长虽然受到N、P、K等主要生长元素的影响,但微量元素如AS、HG、CA、ZN、PB等对牛蒡子的生长影响也较大。因此在引种栽培过程中,注意根据实际情况增减微量元素。关键词偏相关分析;相关分析;因子分析;逐步回归分析;重金属元素;气候因子中图分类号Q1423;S56723文献标识码A文章编号05643945(2011)01010606土壤通报CHINESEJOURNALOFSOILSCIENCEVOL42,NO1FEB,2011第42卷第1期2011年2月牛蒡子又名大力子、鼠粘子、恶实,为菊科广布种2年生草本植物牛蒡(ARCTIUMLAPPAL)的成熟果实,主要生于沟谷林边、荒山草地中。功能主治疏散风热,宣肺透疹,解毒利咽,用于风热感冒、咳嗽痰多、麻疹、风疹、咽喉肿痛、痄腮丹毒、痈肿疮毒1,2。主产于吉林、辽宁、黑龙江、浙江等地区3,4。国内外学者针对牛蒡子的研究主要是牛蒡成分提取和药效的研究包括不同产地的的牛蒡成分比较研究57。牛蒡的生长情况与环境之间有密切的联系,是由很多因子决定的,其生境因子主要有气候因子、地形因子、土壤因子等,很多学者对中药成分含量与生态因子的关系进行了大量研究810,结果发现土壤因子对中药有效成分的影响较大11,12。因此有必要研究中药成分与土壤因子的相关程度以及起主要作用的土壤因子。研究中药品质与环境因素关系的方法较多,如相关分析、偏相关分析、回归分析、因子分析等13。相关分析可以研究2个变量之间的关系,而偏相关分析主要用于除去一些因子的影响14,进而单纯考虑一种因子的影响,这2种方法可以充分地显示两两之间的关系。因子分析可以充分考虑所有因子的贡献;逐步回归法可以用来筛选最相关的因子,形成回归模型,便于预测分析和量化多因子的相关关系。在中药科学中有很多利用相关分析1517、因子分析18以及逐步回归法19进行的分析研究,但是结合在一起的却很少。尤其是偏相关分析在中药科学中的应用更少。本研究主要通过相关分析与偏相关分析结合来排除海拔因子、气候因子的影响单独研究牛蒡子品质与土壤因子之间的相关程度,利用因子分析和逐步回归分析的方法确定影响牛蒡子品质的主要土壤因子,从而为牛蒡的引种栽培提供科学指导。1材料与方法11野外调查和采样方法2007年9月中旬至10月上旬期间,在中国东北、华北、华中和南方地区(采样点分布见图1),采用随机取样的方法,对牛蒡子和土壤样品进行了采集,样方大小为2M2M。在样方内及其周围附近采集成熟的果实(至少500G),用GPS记录高程、经纬度、坡度等。在2M2M的牛蒡样方内,取四角处与中心处挖取共5点,每点祛除表面的腐殖土层、杂质等,深挖25CM左右,取土,5点土样混匀,采集1KG土壤,记录土层深度。作者共调查样方55个,从中选取了30个用于本研究。采用HPLC法测定30个产地牛蒡子的牛蒡苷和牛蒡苷元含量,牛蒡子千粒重用分析天平进行称重;采用国标或行业标准测定土壤PH值(NY/T1337)、有1期李宗梅等不同土壤因子对中药牛蒡子品质的影响机质含量(GB983488)、全氮(GB717387)、P(GB983788)、K(GB983688)、NA(NY/T2961995)、CA2(NY/T2961995)、MG2(NY/T2961995)、SO42(硫酸钡比浊法)、CO32(双指示剂法)、NO3(酚二磺酸比色法)、CL硝酸银滴定法,微量元素和重金属MN(感耦等离子体原子发射光谱方法)、ZN(火焰原子吸收分光光度法,GB/T171381997)、FE(感耦等离子体原子发射光谱方法)、CU(火焰原子吸收分光光度法,GB/T171381997)、AS(二乙基二硫代氨基甲酸银分光光度法,GB/T171341997)、PB(石墨原子吸收分光光度法,GB/T171411997)、HG(冷原子吸收分光光度法,GB/T171361997)、CD(石墨原子吸收分光光度法,GB/T171411997)等。13空间数据来源海拔数据、地形数据如坡度来自于调查样方时用GPS记录。气候因子数据,选取湿度、日照、年均温、1月多年平均最低温MINT1、1月平均温MEANT1、7月最高温MAXT7、7月平均温MEANT7、年降水量,数据来源于中国自然资源数据库(1000M1000M)。14牛蒡子品质指标的选取作者从千粒重THOUSANDSEEDWEIGHT,简称TSW、重量百分数(WEIGHTPERCENT,简称WP)、粒数百分数、苷和苷元总量(ARCTIGENINANDARCTINCONCENTRATION,简称AGAC)、牛蒡苷含量ARCTIGENINCONCENTRATION,简称AGC、牛蒡苷元含量ARCTINCONCENTRATION,简称AC6各方面来表述牛蒡子的品质。其中,千粒重为1000粒种子随机样本的重量;重量百分比为饱满种子重量占总重量的百分数;粒数百分比为饱满粒数占总粒数的百分数;15数据处理采用SPSS130软件相关分析进行双变量相关(BIVARIATECORRELATIONSANALYSIS)和偏相关分析(PARTIALCORRELATIONANALYSIS)结合分析的方法、因子分析(FACTORANALYSIS)和多重线性回归采用逐步回归法(STEPWISEREGRESSIONANALYSIS)结合分析的方法20。2结果与讨论21地形、气候因子与牛蒡子品质指标的相关性分析211地形、气候因子的相关通过相关分析表(表1)可以发现,海拔因子(高程)与气候因子中的7月的最高温和平均气温呈极显著负相关,与日照呈显著负相关,与1月均温成显著正相关;通过气候因子之间两两相关分析表明湿度与日照呈极显著负相关,与年均温、年降水量、1月多年平均最低温和平均气温呈极显著正相关;日照与湿度、年均温、年降水量、1月多年平均最低温和平均气温呈极显著负相关;年均温与所有气候因子都显著相关,与日照呈极显著负相关,与其他气候因子湿度、年降水量、7月最高温和平均气温、1月多年平均最低温和平均气温呈极显著正相关。图1牛蒡子采样点分布示意图FIG1SAMPLINGDISTRIBUTIONOFTHEFRUCTUSARCTII05001,0002,000KILOMETERS图例采样点省界N因子FACTOR高程湿度日照年均温年降水MAXT7MEANT7MINT1MEANT1高程ELEVATION100820452004301110754078603260388湿度HUMIDITY008210793056907420259025605660543日照SUNLIGHT045207931069206790053004008320829年均温ANNUALMEANTEMPERATURE004305690692107050645062609210899年降水量ANNUALPRECIPITATION011107420679070510302030706910697MAXT7075402590053064503021099203280265MEANT707860256004006260307099102960233MINT1032605660832092106910328029610995MEANT1038805430829089906970265023309951注正相关,负相关,显著相关(P005);极显著相关P001。表1地形因子、气候因子的相关系数矩阵TABLE1CORRELATIONMATRIXOFTHECLIMATICANDTERRAINFACTORS107第42卷土壤通报212气候、海拔因子与牛蒡子品质指标的相关通过海拔、气候因子与牛蒡子品质指标的两两相关分析(表2),发现只有千粒重与年均温、1月最低气温和平均气温呈极显著负相关。22中药材牛蒡子品质与土壤因子的相关采用SPSS130软件进行双变量相关(BIVARIVATECORRELATIONS)分析,结果表明牛蒡苷实际含量与HG显著负相关;牛蒡苷元实际含量与ZN极显著正相关;苷和苷元的总量与HG、CA显著负相关。衡量种子饱满程度的相关关系为千粒重与HG负相关;粒数百分比与ZN、MG、PB负相关;重量百分比与ZN极显著负相关,与硝态氮含量、硝酸根含量、MG、PB负相关(表3)。23中药材牛蒡子与土壤因子的偏相关通过上面的研究,作者知道气候因子影响牛蒡子品质指标,因此对于牛蒡子含量与土壤因子之间的关系会产生一定影响;因此通过偏相关分析,控制气候因子,减少气候因子的干扰。从上面的研究中可以发现平均气温与所选的气候因子均温显著相关,所以作者选择年均温作为偏相关分析的控制变量。从表3相关系数和偏相关系数的比较,发现牛蒡苷含量与HG的关系有所上升,相关系数由0393变为0401。牛蒡苷元实际含量与ZN的关系有所下降,从极显著正相关下降为显著正相关;但与P的相关关系由原来的不显著正相关变为显著正相关,相关关系上升较大,由0317上升为0446。苷和苷元的总量与HG、CA的关系都有所变化,但变化都较小,依然是负相关。千粒重与HG的关系上升较大,相关系数由0386变为0473,由显著相关变为极显著相关。粒数百分数与ZN、PB的相关关系下降很小,与MG的相关关系下降较大,由显著相关0362变为不显著相关0339;重量百分比与ZN、MG、PB的相关关系下降很小,相关显著程度不变;与硝态氮含量、硝酸根含量的关系下降较大,相关系数由0368下降为0326,由原来的显著相关变为不显著相关。通过偏相关分析的结果表明,HG、CA、MG、PB、P、硝态氮含量、硝酸根含量等土壤因子与牛蒡子品质指标的相关性在一定程度上受到年均温的影响,大多数相关关系下降,与P元素关系变得显著相关。又由于年均温与所有选的气候因子都显著相关,因此气候因子影响土壤因子与牛蒡子品质指标的相关程度。24逐步回归分析由于作者选择的土壤因子较多,作者需要综合提取这些因子的贡献度,因此作者选用因子分析来把得分大小作为权重因子,也就是每个因子的贡献度,再把这些因子作为变量进行逐步回归分析,得到从而得到影响牛蒡子品质的主要土壤因子。用SPSS130对土壤因子进行因子分析,得到8个气候、海拔因子CLIMATE,TERRAINFACTORS高程湿度日照年均温年降水MAXT7MEANT7MINT1MEANT1千粒重1000SEEDWEIGHT000701310341049500560337027604970476粒数百分数NUMBERPERSENT011500370041014201470180014700810091重量百分数WEIGHTPERCENT009600120113019500800189016301470154牛蒡苷含量ARCTIGENINCONCENTRATION028401010146010302490072015402300231牛蒡苷元含量ARCTINCONCENTRATION005400060182034302280226021103010304苷和苷元总量ARCTIGENINANDARCTINCONCENTRATION030301050131006702870102018502040205表2气候、海拔因子与牛蒡子品质指标的相关分析TABLE2CORRELATIONSCOEFFICIENTOFCLIMATE,TERRAINFACTORSANDTHEQUALITYOFFRUCTUSARCTII注正相关,负相关,显著相关(P005),极显著相关P001。牛蒡子品质指标THEQUALITYOFFRUCTUSARCTII牛蒡苷牛蒡苷元苷和苷元千粒重粒数百分数重量百分数土壤因子SOILFACTORSHGZNPHGCAHGZNMGPBZN硝态氮硝酸根MGPB相关分析系数CORRELATIONCOEFFICIENT03930489031704290369038604600362038305560368036804450410偏相关分析系数PARTIALCORRELATIONCOEFFICIENT04010453044604340373047304450339037205370326032604140397表3牛蒡子品质指标与土壤因子的相关系数和偏相关系数TABLE3PARTIALCORRELATIONANDCORRELATIONCOEFFICIENTOFTHEQUALITYOFFRUCTUSARCTIIANDSOILFACTOR注正相关,负相关,显著相关(P005),极显著相关P001;由于土壤因子较多,只列出显著相关的土壤因子。1081期公共因子的得分矩阵(表4),用方差极大法对因子载荷矩阵旋转得到表5,通过旋转载荷矩阵,因子变量在几个变量上有较大载荷,这样可以用来解释这8个公共因子。从表5可以发现第1个因子主要反映的生态意义为硝态氮含量、硝酸根含量、PB等;第2个因子主要反映的生态意义为MG、K、NA;第3个因子主要反映的生态意义为有机质、MN、FE;第4个因子主要反映的生态意义为土壤沙粒含量和粘粒含量;第5个因子主要反映的生态意义为AS、HG、CA;土壤因子SOILFACTORS土层厚度土壤沙粒土壤粘粒PH全氮有机质硫酸根氯离子含量硝态氮硝酸根ASHGCAMNFECUZNMGKPNAPB100130035004500270155005202310016030803080014000300580100099000000650011006400500100024820039003900170071014100630032003400120012000001430136007900700079001903240310007502750333300920055002202150145021901360058000800080058011800410399034400280010000601190095004900644006604270424002301550090013700530030003000310018006700140154002800330000013700350081005950090001000590042025600700047008900490049029904900310009300870068001200240114005400730028601950116006203200098005803060207008000800017010900840018003004720187007702050111022301507000000320035001000320052014900710012001201410031010200870039000504360244013004940070002080448009200780066011701610113051500270027022100210109001501250035002900690030007100650001公共因子COMPONENTS表4土壤因子得分矩阵TABLE4FACTORSCOREMATRIXOFSOILFACTORS土壤因子SOILFACTORS土层厚度土壤沙粒土壤粘粒PH全氮有机质硫酸根氯离子硝态氮硝酸根ASHGCAMNFECUZNMGKPNAPB100830024002200620542025604120058090609060057002502800108008602530409023102450165005206852005101070013034803070156003600110140014002620099046000510275006500480706070901250731055030138002701570480003706330344011900660066005500520208089507390217024500860334011300060210403080922092002030344031101450160003700370173001201000148031901380010001301780074000200915001000480027040003490268051010401100110067108530702008600590006001501790160012301240056603730084008305510144002603460225006500650269002300430053022307590334004800710247044802707001200850039014100930030023801520034003402700027010200330108001107750334025908480260012080759017601010056013302350096080000930093039100650180000201380023007701260007010301350010公共因子COMPONENTS表5方差极大法旋转后的因子负荷矩阵TABLE5ROTATEDFACTORMATRIXAFTERVARIMAX李宗梅等不同土壤因子对中药牛蒡子品质的影响109第42卷土壤通报第6个因子主要反映的生态意义为CU、PH;第7个因子主要反映的生态意义为P、ZN;第8个因子主要反映的生态意义为土层厚度、氯离子含量。用这个得分矩阵做权重系数,得到8个公共因子的变量,对其进行逐步回归分析,得到结果(表6)。通过逐步回归和上述因子的解释,发现苷和苷元总量与牛蒡苷实际含量都与第5个因子负相关,这也就是说,与AS、HG、CA等相关,这与上述的相关分析相对应;蒡苷元实际含量与第7个因子正相关,也就是与P、ZN等相关;重量百分数与第1、7个因子负相关,也就是与P、ZN、硝态氮含量、硝酸根含量、PB等相关;粒数百分数与第7个因子相关,也就是与P、ZN相关。由此可见,牛蒡子的生长受到综合土壤因子的显著影响,且各个土壤因子影响不同,其中受N、P、K等主要生长元素的影响最大,但微量元素如AS、HG、CA、ZN和PB等对牛蒡子的生长影响也较大。因此在施肥过程中注意增减微量元素的含量。3讨论本研究表明,利用相关分析与偏相关分析来讨论牛蒡子品质指标与土壤因子的相关关系,结合因子分析和回归分析得到的回归模型,可以充分说明牛蒡子品质指标与土壤因子的关系。这种方法适用于变量较多、变量之间影响错综复杂的情况。这种综合的方法在中药品质的研究中还不多见。利用这种方法应注意分析选择偏相关分析的控制变量与对因子分析得到的公共因子生态意义的解释。31相关分析与偏相关分析结合的优势利用相关分析和偏相关分析的综合分析,可以发现气候因子与土壤因子(特别是一些微量元素)与牛蒡子品质指标相关;气候因子影响土壤因子与牛蒡子品质指标的相关程度;偏相关分析的应用在中药中较少,可以用来去除其他因子的影响,只进行土壤因子的相关分析。本研究研究土壤因子与牛蒡子品质指标的相关关系,而气候变量、海拔因子与牛蒡子品质指标也是相关的,需要对气候因子与海拔因子进行两两相关分析,得到有代表性的因子作为控制变量,进行土壤因子与牛蒡子品质指标的偏相关分析,得到的结果与两者的相关分析结果进行比较,从相关系数以及显著程度的变化进行分析。文中发现排除气候因子,土壤因子与牛蒡子品质指标相关程度下降,这也就说明了植物的生长对土壤和气候的依赖,偏相关分析显著的因子也就是对牛蒡子品质指标影响最为显著的土壤因子;而偏相关分析之后不显著的因子也就是对牛蒡子品质指标影响显著的气候因子(因为海拔因子与牛蒡子品质指标两两不相关)。32因子分析和回归分析结合的优势由于文中土壤因子较多,如果想尽可能的利用所有的土壤因子,进行因子分析之后可以压缩成8个公共因子,最大方差极大法旋转得到的矩阵也可以很好地解释公共因子的生态意义。再利用这8个公共因子做逐步回归分析,得到回归模型,模型中的公共因子和其意义可以用来说明土壤因子与牛蒡子品质指标的定量关系。这样才可以充分解释牛蒡子品质指标与土壤因子的关系。33牛蒡子品质与土壤因子的关系在研究中药材与土壤因子的关系时,很容易受到气候因子的影响,这种气候因子与土壤因子的交互作用对结果的影响较大,而大多数文章并没有考虑如何排除21,这在研究植物与土壤因子的关系中也有体现22,23。文中选用的这两种方法可以充分研究土壤因子对牛蒡子品质的影响,既可以避免一些土壤因子的丢失,又避免了气候生态因子的干扰,结果充分表明土壤因子对牛蒡子的品质具有很大的影响,重金属元素和生长元素的影响最大。4结论本研究选用2种方法进行了综合分析,充分研究了牛蒡子品质与土壤因子之间的关系。用相关分析和偏相关分析结合的方法定性的研究了牛蒡子品质与土壤因子的关系,可以发现排除气候与海拔因子对于牛蒡子品质的影响,土壤因子的影响是变化的。其中HG、CA、MG、PB、P、硝态氮含量、硝酸根含量等土壤因子对牛蒡子品质的影响较大,而且易受气候因子和海拔因子的影响而变化。运用逐步回归方法和因子分析的方法定量研究了土壤因子和牛蒡子品质的关系,得到了牛蒡子品质与公共因子的定量关系,这在一定程度牛蒡子品质指标THEQUALITYOFFRUCTUSARCTII苷和苷元总量牛蒡苷实际含量牛蒡苷元实际含量千粒重重量百分数粒数百分数逐步回归模型THESTEPWISEREGRESSIONMODELGGY66870654X5NG63770622X5NGY03100066X7不相关WP05490108X70085X1LB04810090X7F值THEVALUEOFF93217339616771285544P值THEVALUEOFP00050011001900030026表6牛蒡子品质指标与土壤因子的逐步回归统计模型TABLE6STEPWISEREGRESSIONMODELSOFTHEQUALITYOFFRUCTUSARCTIIANDSOILFACTORS1101期THEINFLUENCEOFDIFFERENTSOILFACTORSONTHEQUALITYOFACHINESEMEDICINE,FRUCTUSARCTIILIZONGMEI1,3,LIXIUZHEN1,CHANGYU1,LIUMIAO1,HUYUANMAN1,CHENHONGWEI1,DOUDEQIANG2,KANGTINGGUO2,XULIANG2,DUTIANMING41INSTITUTEOFAAPPLIEDECOLOGYCHINESEACADEMDYOFSCIENCES,SHENYANG110162,CHINA;2MEDICINECOLLEGEOFLIAONINGUNIVERSITYOFTRANDITIONALCHINESEMED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