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Effect of phosphorus on copper tolerance in Achyranthes bidentata

磷素对怀牛膝耐铜毒性的影响研究



全 文 :磷素对怀牛膝耐铜毒性的影响研究
王新民1,2,陈士林2,魏志华1,介晓磊1
(1.郑州牧业工程高等专科学校,河南 郑州 450011;
2.中国医学科学院 中国协和医科大学 药用植物研究所,北京 100193)
[摘要] 目的:通过施磷(P)来调控怀牛膝对铜(Cu)的吸收和累积,防止怀牛膝过量吸收重金属Cu。方法:采用2因素
完全设计,用自制PVC管栽培。结果与结论:Cu处理间、P处理间以及Cu,P交互间怀牛膝生物量差异都达到显著水平,土壤
中P,Cu均为100mg·kg-1时生物量最大;低Cu可以增加怀牛膝产量,Cu超过200mg·kg-1后,怀牛膝产量、质量均下降,但
对药材中活性成分齐墩果酸和脱皮甾酮的含量无影响。P的施入可以减轻高Cu对植株的毒害,怀牛膝产量增加,重金属 Cu
含量降低,但是当土壤Cu超过200mg·kg-1后,怀牛膝药材中Cu高于200mg·kg-1的限度,因此要生产出合格的怀牛膝药
材,种植基地土壤中Cu一定要低于200mg·kg-1。
[关键词] 怀牛膝;铜;磷
[收稿日期] 20080904
[基金项目] 河南省杰出青年基金项目(074100510018);中国博士
后科学基金项目(20070410616)
[通信作者] 陈士林,Tel:(010)62899700,Email:kirk123@163.
com
[作者简介] 王新民,博士,副教授,从事药用植物栽培研究,E
mail:wangxinmindr@sina.com.cn
  中药材中重金属含量过高一直是限制我国中药
材出口的一个瓶颈[12]。怀牛膝为苋科牛膝属植物
牛膝AchyranthesbidentataBlume.的根,有补肝肾,
强筋骨,祛瘀通经,引血下行的作用,是河南道地药
材,为著名的“四大怀药”之一,有近千年的种植历
史,然而由于当地药农为了追求产量,又缺乏 GAP
种植方面的知识,在施肥和管理过程中具有很大的
盲目性,生产牛膝的品质往往达不到标准。作者课
题组通过在怀牛膝道地产区2年的调查和取样检
测,发现高铜(Cu)含量的猪粪以及高 Cu杀菌剂的
大量施用,使得本地区耕层土壤中 Cu大量富集,个
别地块全Cu已经达350mg·kg-1;对产区15个点
所产的怀牛膝药材的测定结果中,有8个点的药材
含Cu量超过20mg·kg-1。磷(P)是维持作物生长
的三大要素之一,是许多植物组织结构的重要组成
部分,P肥的大量施用也是当地药农获得高产的一
个措施。有关 P与重金属间的交互作用的研究已
很多[34]。但是关于 P,Cu交互作用对怀牛膝生长
的影响尚未见报道。本实验采用自制 PVC管土培
方法,研究了 P素对怀牛膝耐重金属 Cu毒性的影
响,旨在为通过施 P肥来调控怀牛膝对 Cu的吸收
和累积,以期能够防止怀牛膝过量吸收重金属 Cu,
为建立符合国家及国际标准的怀牛膝生产技术规范
提供理论依据。
1 材料与方法
11 土壤及供试作物 土壤取自河南武陟怀牛膝
道地产区耕层(0~20cm)无污染土壤,母质为黄河
冲积物发育的石灰性潮土,质地轻壤,砂粒326%,
粉粒372%,黏粒302%,有机质108g·kg-1,pH
785(土水比为1∶10),CEC726cmol·kg-1,全 P
16404mg·kg-1,全 K9502mg·kg-1,全 Cu
2882mg·kg-1,OlsenP1195mg·kg-1,可交换性
K10352mg·kg-1,CaCl2提取Cu025mg·kg
-1,供
试作物为当地药农广泛种植牛膝品种风筝棵。
12 试验设计 试验采用2因素完全设计,P取2
个水平(0,100mg·kg-1风干土),分别记为P0,P100;
Cu取5个水平(0,100,200,400,600mg·kg-1风干
土),分别记为 Cu0,Cu100,Cu200,Cu400,Cu600。土壤风
干,过2mm筛。
试验所用 PVC管(内径为110cm,长度为10
m)埋于地下,上端露出地面5cm。PVC管下部分
(0~80cm)装土125kg,上部分(80~95cm)装土
20kg,上部分土壤按照试验设计分别加入相应量的
Cu(CuSO4·5H2O)和P(KH2PO4),每个PVC管中均
加入 240mgN(以尿素形式加入)和 200mgK
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(以K2SO4形式加入),4次重复。沉化15d。2005年
7月22日用精选牛膝种子直接播种,每个PVC管接
近中心点播5粒,15d时间苗至1株/管,生长期间根
据土壤墒情用蒸馏水进行浇灌,2005年11月15日收
获。收获时地上部和地下部分开,先自来水冲洗,再
用蒸馏水冲干净,滤纸吸干,称鲜重,70℃烘干,称干
重。对地上部和地下部分别进行植株分析。
13 试验指标测定 土壤质地分析用比重计法;pH
用酸度计(水土比 10∶1)测定 ;有机质用油浴加
热———重铬酸钾容量法;土壤和植株全 P采用
H2SO4H2O2消化,钼锑抗比色,全 K采用 H2SO4H2
O2消化,火焰光度计测定;速效 P(OlsenP)用 05
mol·L-1NaHCO3浸提,钼锑抗比色;速效 K用10
mo1·L-1NH4Ac和05mol·L
-1HCl混合液浸提,
火焰光度计测定;土壤和植株全 Cu用 HNO3HClO4
消化原子吸收法;活性Cu用001mo1·L-1CaCl2提
取原子吸收法[5]。
14 怀牛膝中齐墩果酸和脱皮甾酮含量的测定[67]
 仪器和试剂:高效液相色谱仪(美国 Waters公
司),齐墩果酸和甾酮对照品(河南省药品检验所,
批号分别为 07399808,16380402,纯度均为 >
98%),甲醇为色谱纯,流动相用水为双蒸馏水,其
余试剂均为分析纯。色谱柱为十八烷基硅胶键合硅
胶柱,流动相为甲醇水(测定齐墩果酸时为90∶10,
测定脱皮甾酮时为45∶35),流速08mL·min-1,柱
温40℃,测定齐墩果酸时检测波长为215nm,测定
脱皮甾酮时检测波长为243nm。供试样品的制备:
精确称取约 2g过 40目筛的牛膝药材细粉,加入
70%乙醇浓盐酸(9∶1)溶液(药材与试剂比例为
20∶1),于85℃水浴中回流提取2h,趁热过滤,洗
涤,合并滤液,回干溶剂,残渣用水溶解,氯仿萃取,
萃取液回干,甲醇溶解,作为供试品。对照品溶液的
制备:分别精密称量齐墩果酸对照品约5mg和脱皮
甾酮对照品约1mg,置于50mL棕色量瓶中,加甲
醇至刻度,摇匀,作为对照品贮备液。取各供试品溶
液和对照品溶液各 5μL,注入液相色谱仪,计算
含量。
样品元素分析质量以全程序空白值、平行样、加
标回收等进行控制,加标回收率为(100±10)%,平
行样最大相对偏差15%以内。数据用 SAS软件进
行统计检验分析。
2 结果与分析
2.1 不同处理对怀牛膝的生物学效应 Cu处理
间、P处理间以及Cu,P交互间怀牛膝地上部干重和
根部干重差异都是显著的。随着施 Cu量的增加,
怀牛膝地上部干重和根部干重均是先增加后减小,2
个磷素水平下均在施Cu量为100mg·kg-1时生物
量最大,然后随着施 Cu量的增加怀牛膝生物量明
显下降(表1)。原因是由于 Cu是植物必需的微量
元素,Cu含量低时可以促进植物叶绿素含量的形
成,而Cu含量高导致叶绿体酶活性失调,降低了叶
绿素含量,植株光合作用减少。这和王文星等[8]在
紫花苜蓿上的研究以及李华等[9]在海洲香薷上的
研究结论是一致的。施入 P后,怀牛膝地上部干重
和根部干重都明显增加,说明 P能够减轻高 Cu对
植株的毒害作用,促进了植株生物量的积累。王海
鸥等[10]报道了施加磷元素后小麦可以有效的阻止
高铜对叶片中叶绿素的破坏。
表1 不同处理对怀牛膝地上部和根部干重的影响
(珋x±s,n=4) g/株 
P处理 Cu处理 地上部干重 根部干重
P0 Cu0 1832±105 1345±116
  Cu100 2122±216 1564±186
  Cu200 1358±134 1048±123
  Cu400 839±127 772±085
  Cu600 245±075 133±066
P100 Cu0 3211±485 2648±336
  Cu100 3826±455 3084±356
  Cu200 3558±404 2589±311
  Cu400 2239±337 1472±203
  Cu600 1245±243 814±112
2.2 不同处理对怀牛膝吸收Cu和P的影响 P处
理间怀牛膝地上部和根部 Cu和 P含量差异都是显
著的,Cu处理间Cu含量差异显著,而P含量差异不
显著,Cu,P交互间 Cu和 P含量差异都不显著(表
2)。P肥的施入使得植株 P含量显著增加,随着土
壤中Cu浓度的增加,植株中 Cu含量增加,这与康
立娟等[11]通过盆栽试验研究水稻和玉米对铜的吸
收累积规律的结论是一致的。不施 P时,土壤 Cu
为200mg·kg-1处理的怀牛膝地上部和根部 Cu分
别达到564,1485mg·kg-1,均超过了我国《药用
植物及制剂进出口绿色行业标准》规定的200mg
·kg-1的限度[12]。当施入 P后,植株中 Cu含量减
少,但当土壤 Cu为200mg·kg-1时怀牛膝地上部
和根部 Cu仍然超过 200mg·kg-1的限度,根据
《中国药典》[13]要求中药材种植基地土壤要符合我
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国土壤环境质量二级标准(Cu低于 200mg·
kg-1),如果土壤中 Cu接近于200mg·kg-1,那么
所生产的怀牛膝药材就很有可能会产生 Cu含量超
标问题。具体结论有待进一步研究。
表2 不同处理对怀牛膝地上部和根部Cu和P质量分数的影响(珋x±s,n=4) mg·kg-1 
P处理 Cu处理
地上部
Cu P
根部
Cu P
P0 Cu0  32±08 13543±2526  72±09 18282±2588
  Cu100 102±16 13266±1553 166±22 18721±2323
  Cu200 564±81 12484±1673 1485±184 17526±2261
  Cu400 800±104 10758±1755 2435±386 18052±2110
  Cu600 1583±215 9684±1243 5267±773 17226±2094
P100 Cu0  30±05 34746±4957  51±09 37259±4353
  Cu100 124±18 37558±3962 171±22 42586±5367
  Cu200 380±65 28367±3498 1074±152 33891±4256
  Cu400 513±94 20676±2848 1493±205 27563±3152
  Cu200 380±65 28367±3498 1074±152 33891±4256
  从表2还可知,在施 P处理中,100mg·kg-1
Cu的加入使得植株中 P含量最高(地上部37558
mg·kg-1,根部42586mg·kg-1),表明Cu含量低
时可以促进植物对 P素的吸收[14];当 Cu超过400
mg·kg-1后,植株含P量明显减少,表明高 Cu抑制
了植株对P的吸收,这和徐加宽等[15]的研究结论是
一致的。
2.3 不同处理对怀牛膝根部齐墩果酸、脱皮甾酮以
及总K含量的影响 齐墩果酸107%~103%,脱
皮甾酮016%~010%,各处理间怀牛膝根部齐墩
果酸含量和脱皮甾酮含量差异都不显著(表3)。P
处理间怀牛膝根部 K含量差异显著,P的施入增加
了植株对K的吸收,而Cu处理和Cu,P交互处理对
怀牛膝根部K含量没有产生影响。
表3 不同处理对怀牛膝根部齐墩果酸、脱皮甾酮
以及总K的影响(珋x±s,n=4)

处理
Cu
处理
齐墩果酸
/%
脱皮甾酮
/%
总K
/mg·kg-1
P0 Cu0 105±009 016±002 245805±33566
  Cu100 105±013 014±002 250164±33725
  Cu200 107±014 012±002 244487±31568
  Cu400 106±014 010±002 251916±36543
  Cu600 106±011 015±003 249853±34625
P100 Cu0 103±012 015±002 685478±93214
  Cu100 105±016 013±003 665825±74536
  Cu200 103±014 016±003 679854±85845
  Cu400 105±016 013±003 674736±77823
  Cu600 105±016 013±003 6814435±75628
2.4 不同处理对怀牛膝 Cu,P专性吸附常数的影
响 怀牛膝Cu,P专性吸附常数表示每克怀牛膝根
干重所吸收的总Cu,P的毫克数,可用下式计算。
Cu专性吸附常数 =怀牛膝吸收的 Cu总量(mg)/怀牛
膝根干重(g)
P专性吸附常数 =怀牛膝吸收的 P总量(mg)/怀牛膝
根干重(g)
整体而言,P专性吸附常数(SPU)要比 Cu专性
吸附常数(SCuU)高出一个数量级,主要是因为处理
中怀牛膝吸收的 Cu要远小于怀牛膝吸收的 P。高
Cu处理施P后SCuU均减小,而在Cu0和Cu100处理时
几乎无差别(表4),说明在高Cu时,增施P减少了植
株对Cu的吸收。施P处理的SPU均大于不施P处
理,表明增施P增加了植株对P的吸收,而P100,Cu100
处理的SPU最大说明了2种元素在此浓度下有协同
作用,这和前面植株生物量最大的结论是一致的。
表4 不同处理对怀牛膝Cu和P专性吸附常数的影响
(珋x±s,n=4)
P处理 Cu处理 Cu专性吸附常数 P专性吸附常数
P0 Cu0 0012±0001 7673±0640
  Cu100 0030±0000 7672±0460
  Cu200 0222±0030 7370±0540
  Cu400 0330±0050 6974±0460
  Cu600 0818±0100 7506±0460
P100 Cu0 0009±0001 11939±0870
  Cu100 0032±0000 12918±0630
  Cu200 0160±0010 11288±0850
  Cu400 0227±0020 9901±0630
  Cu600 0463±0050 9127±0630
3 结论
土壤中低量的 Cu可以增加怀牛膝产量,生产
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出的怀牛膝质量符合标准;Cu超过 200mg·kg-1
后,所生产的怀牛膝不但产量下降,而且药材中重金
属Cu含量也超标,但对药材中活性成分齐墩果酸
和脱皮甾酮的含量没有产生影响。P的施入减轻了
高Cu对植株的毒害作用,怀牛膝生物量明显增加,
药材中重金属含量降低,同时促进了怀牛膝对 K的
吸收,因此,在高Cu土壤中适当供 P对减轻怀牛膝
植株生长过程中受铜毒害的影响有着重要作用。
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EfectofphosphorusoncoppertoleranceinAchyranthesbidentata
WANGXinmin1,2,CHENShilin2,WEIZhihua1,JIEXiaolei1
(1.ZhengzhouColegeofAnimalHusbandryEngineering,Zhengzhou450011,China;
2.InstituteofMedicinalPlantDevelopment,ChineseAcademyofMedicalSciences,ChinesePekingUnionMedicalColege,
Beijing100094,China)
[Abstract] Objective:TostudytheefectofphosphorusoncoppertoleranceinAchyranthesbidentata.Method:APVCpipe
experimentwasconductedtostudytheinteractiveefectsofphosphorus(P)andcopper(Cu),ongrowth,elementalaccumulationand
chemicalconstituentsofA.bidentata.TwolevelsofelementalPwereappliedat0(P0)and100(P100)mg·kg
-1soilwith5levelsof
Cuat0(Cu0),100(Cu100),200(Cu200),200(Cu400),200(Cu600)mg·kg
-1soil,respectively.ResultandConclusion:Thebi
omassproductionbetweendiferentCutreatments,phosphorustreatmentshowedsignificantdiferences.Thebiomassreachedthemaxi
mumvalueastheconcentrationofCuandPwas100mg·kg-1.LowconcentrationofCuimprovedthegrowthofA.bidentata.The
growthwasblockedasCuconcentrationreached200mg·kg-1insoil,howeverthecontentsofoleanolicacidandecdysteroneinroots
ofA.bidentatahadnotinfluencedbyCu.PcouldimprovedthecoppertoleranceinA.bidentataandincreasedrootyield.TheCucon
centrationinsoilofthecultivationbasesmustbebelow200mg·kg-1inordertoproducegoodqualityofmedicinalmaterial.
[Keywords] Achyranthesbidentata;copper;phosphorus
[责任编辑 吕冬梅]
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第34卷第12期
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