基于數(shù)量化理論I的冬凌草葉中鉛含量預(yù)測△

孔四新，李?？?，李吉學(xué)，崔建平，王保民，郭玉海*

(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)與生物技術(shù)學(xué)院，北京 100094；2.中國林業(yè)科學(xué)研究院 資源信息研究所，北京 100091；3.世紀(jì)神農(nóng)(北京)國際生物技術(shù)有限公司，北京 100073；4.河南大學(xué) 藥學(xué)院，河南 開封 475004；5.河南省濟(jì)源市水利局，河南 濟(jì)源 454650)

·中藥農(nóng)業(yè)·

基于數(shù)量化理論I的冬凌草葉中鉛含量預(yù)測△

孔四新1，3，李海奎2*，李吉學(xué)4，崔建平5，王保民1，郭玉海1*

(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)與生物技術(shù)學(xué)院，北京 100094；2.中國林業(yè)科學(xué)研究院 資源信息研究所，北京 100091；3.世紀(jì)神農(nóng)(北京)國際生物技術(shù)有限公司，北京 100073；4.河南大學(xué) 藥學(xué)院，河南 開封 475004；5.河南省濟(jì)源市水利局，河南 濟(jì)源 454650)

目的：利用數(shù)量化理論方法篩選影響冬凌草Pb含量的關(guān)鍵因子，為冬凌草Pb污染水平預(yù)測及調(diào)控提供依據(jù)。方法：冬凌草Pb質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用等離子發(fā)射光譜法測定，生態(tài)環(huán)境因子為樣地調(diào)查實(shí)測和收集產(chǎn)地環(huán)境監(jiān)測資料相結(jié)合，采用數(shù)量化方法 I 擬合曲線分析。結(jié)果：經(jīng)多因子篩選，確定影響冬凌草鉛含量(Y)的貢獻(xiàn)值最大的關(guān)鍵因子分別為：土壤Pb含量(X1)，降水pH值(X6)，污染源(X3)，公路距離(X4)。結(jié)論：建立的冬凌草鉛含量預(yù)測模型，可為冬凌草藥源鉛污染程度科學(xué)評估和有效防控提供依據(jù)。

Pb；冬凌草；數(shù)量化理論；預(yù)測模型；關(guān)鍵生態(tài)因子

全球生態(tài)環(huán)境不斷惡化加大了重金屬鉛(Pb)污染風(fēng)險(xiǎn)，鉛污染不僅會阻滯植物生長，而且通過土壤和空氣進(jìn)入植物體并富集，然后進(jìn)入食物鏈系統(tǒng)對人體健康帶來危害[1-4]。近年來，中藥材重金屬鉛(Pb)超標(biāo)問題較為突出：據(jù)趙連華等對30個(gè)藥材產(chǎn)地的調(diào)查統(tǒng)計(jì)，66.7%產(chǎn)區(qū)存在中藥材Pb超標(biāo)現(xiàn)象，其中嚴(yán)重地區(qū)的中藥材Pb超標(biāo)率達(dá)27.27%～31.37%[5]，Pb超標(biāo)已成為當(dāng)前中藥材生產(chǎn)的主要問題之一。藥用植物重金屬Pb含量不僅與土壤鉛、植物種類、灌溉水污染、化肥農(nóng)藥、交通污染等多因子有關(guān)，也與土壤pH值(影響Pb的有效性及吸收蓄積效率)、Pb污染源、公路距離等有關(guān)[6-8]。Vinod Jeda(2012)研究認(rèn)為，土壤和空氣污染是植物中重金屬的主要來源，空氣中的PM10顆粒物的Pb含量高達(dá)100 mg·kg-1，有較大的污染風(fēng)險(xiǎn)[9，10]。近年來，國內(nèi)外藥用植物研究者更加重視在中藥材重金屬含量方面的研究，涉及的內(nèi)容主要包括中藥材重金屬含量的測定，同一功效、不同中藥材重金屬含量的研究，不同產(chǎn)地、同種藥材重金屬含量研究、同種藥材不同藥用部位重金屬含量的研究，原生藥材與炮制品重金屬含量的比較研究等，對藥用植物重金屬污染的主要來源和復(fù)合因子的影響尚缺乏系統(tǒng)性研究。通過多因子變量建立植物Pb蓄積的預(yù)測數(shù)學(xué)模型，對于中藥材生產(chǎn)過程中實(shí)現(xiàn)科學(xué)控鉛，確保原藥材安全標(biāo)準(zhǔn)，具有重要的科學(xué)應(yīng)用價(jià)值。冬凌草Rabdosiarubescens，為唇形科香茶菜屬多年生草本或亞灌木，地上部全草入藥，是20世紀(jì)70年代在河南太行王屋山新發(fā)現(xiàn)的天然抗癌植物，研究發(fā)現(xiàn)其中的冬凌草甲素(Oridonin)具有抗腫瘤活性，并對M2型白血病有獨(dú)特療效[11-14]，引起國內(nèi)、國際醫(yī)藥界的廣泛關(guān)注，市場需求量日益增加。目前，冬凌草野生資源匱乏，亟待進(jìn)一步擴(kuò)大人工栽培，而在冬凌草引種區(qū)的鉛污染現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。因此，研究分析影響冬凌草鉛富集的關(guān)鍵生態(tài)因子對確保冬凌草藥源質(zhì)量安全有重要意義。相關(guān)研究目前國內(nèi)外均未見報(bào)道。

本研究在取得12年間河南冬凌草主產(chǎn)區(qū)濟(jì)源市王屋山區(qū)1932 km2區(qū)域內(nèi)涉及冬凌草野生和種植總面積2000 hm2冬凌草葉鉛(Pb)質(zhì)量分?jǐn)?shù)(富集量)的監(jiān)測值和相應(yīng)生態(tài)因子調(diào)查資料的基礎(chǔ)上，運(yùn)用數(shù)量化理論I方法對定性因子量化分析，通過建立冬凌草葉Pb值(Y)與可能影響因子根際土壤Pb含量、降水pH值、污染源距離、公路距離、土壤pH值、空氣PM10、酸雨頻率間的關(guān)系模型，并篩選出影響冬凌草Pb富集的關(guān)鍵因子，為冬凌草Pb污染水平預(yù)測、種植地選擇及生產(chǎn)調(diào)控提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料

冬凌草Rabdosiarubescens。

2 方法

2.1 數(shù)據(jù)

本研究共取得2001至2012年間129組數(shù)據(jù)(分年測定)。觀測總數(shù)n=129。

獲得冬凌草葉Pb值與相應(yīng)生態(tài)因子變化匯總(略表)：

其中Y為冬凌草葉中Pb質(zhì)量分?jǐn)?shù)(富集量)，mg·kg-1；

X1為冬凌草根際土壤Pb含量，mg·kg-1；

X2為冬凌草生長地0～20 cm 表層土壤pH值；

X3為冬凌草生長地與污染源距離，設(shè)定為：1、2、4 km；

X4為冬凌草生長地與公路距離，設(shè)定為：50、100、200 m；

X5為冬凌草生長地的空氣質(zhì)量(PM10，μg·m-3)，I級和II級(PM10，≤100)賦值為0，III級(PM10，>100)賦值為1；

X6為冬凌草生長地取樣當(dāng)年降水平均pH值；

X7為冬凌草生長地取樣當(dāng)年的酸雨頻率，%。

2.2 測定指標(biāo)與方法

冬凌草葉Pb質(zhì)量分?jǐn)?shù)測定方法：ICP-AES等離子發(fā)射光譜法[15]測定。

土壤Pb含量測定方法：按GB/T 17141土壤質(zhì)量鉛、鎘的測定方法進(jìn)行土樣消解，按《全國土壤污染現(xiàn)狀調(diào)查樣品分析測試技術(shù)規(guī)定》等離子發(fā)射光譜法測定土壤Pb含量[16]。

2.3 生態(tài)環(huán)境因子數(shù)據(jù)來源

生態(tài)環(huán)境因子值采用實(shí)測、樣地調(diào)查和收集產(chǎn)地土壤普查資料、產(chǎn)地環(huán)境監(jiān)測值相結(jié)合的方法，統(tǒng)計(jì)匯總。其中污染源距離、公路距離為樣地調(diào)查實(shí)測值，土壤pH值由濟(jì)源市農(nóng)業(yè)局提供，降水pH值、酸雨頻率、空氣PM10數(shù)據(jù)源自產(chǎn)地環(huán)境監(jiān)測資料。

2.4 計(jì)算分析方法

采用數(shù)量化方法I進(jìn)行計(jì)算分析。

數(shù)量化方法I屬于一般線性模型，既可以處理定性因子，也可以處理定量因子，通過F檢驗(yàn)來篩選對因變量有顯著性影響的因子，建立因變量對自變量回歸模型[17-18]。

3 結(jié)果與分析

3.1 冬凌草鉛(Pb)預(yù)測數(shù)學(xué)模型建立

3.1.1冬凌草葉Pb含量值與相應(yīng)生態(tài)因子變化匯總及定性因子數(shù)量化

根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)資料，將各生態(tài)因子按數(shù)量化方法I進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

表1 冬凌草生長地各生態(tài)因子水平量化賦值表

3.1.2 顯著性因子篩選

1)方差分析

方差分析運(yùn)算結(jié)果為：定性因子X5 和定量因子X2、X7對Y均無顯著影響。

即：土壤pH值、酸雨頻率、PM10三因子對于對冬凌草葉中的Pb含量沒有顯著性影響。

擬合的公式為：

Y=9.988 990+0.107 172X1+0.496 397X2-0.879 539X6+0.000 197X7

-7.758 891(X3=4)-0.088 541(X4=200)-0.590 151(X5=0)

-5.330 132(X3=2)-0.883 408(X4=50)+0(X5=1)

+0(X3=1)+0(X4=100)

模型決定系數(shù) R2=0.993 002

均方誤差 RMSE=1.201 945

2)剔出非限制性因子，進(jìn)一步篩選分析

剔出三個(gè)非限制性因子后，進(jìn)一步方差分析運(yùn)算。結(jié)果為：定性因子X3和X4，以及定量因子X1和X6對Y均有顯著影響。

由此表明：冬凌草根際土壤Pb含量X1、污染源距離X3、公路距離X4、降水pH值X6為關(guān)鍵性因子。

3)確定冬凌草鉛含量預(yù)測模型(解集)

以上分析表明，經(jīng)多因子篩選，確定影響冬凌草鉛含量(Y)的貢獻(xiàn)值最大的關(guān)鍵因子分別為：土壤鉛含量(X1)，降水pH值X6，污染源X3，公路距離X4，由此建立的冬凌草鉛含量預(yù)測擬合模型(解集)為：

Y=13.457 660 +0.106 989X1-0.879 539X6

-8.273 506(X3=4)-0.000 751(X4=200)

-5.811 215(X3=2)-0.756 259(X4=50)

+0(X3=1)+ 0(X4=100)

模型決定系數(shù) R2=0.992 523

均方誤差 RMSE=1.242 399

3.2冬凌草鉛污染關(guān)鍵因子控制點(diǎn)防控分析

按上述預(yù)測模型驗(yàn)證，現(xiàn)行GAP(Good Agricultural Practices)規(guī)定的二級土壤標(biāo)準(zhǔn)(250～350 mg·kg-1)并不能滿足其安全生產(chǎn)的要求。按藥用植物出口標(biāo)準(zhǔn)的鉛的限量標(biāo)準(zhǔn)(5.0 mg·kg-1)以及冬凌草鉛含量預(yù)測模型推算，當(dāng)冬凌草生長地年降水平均pH值=7.0時(shí)，土壤鉛含量上限理論值為55.82 mg·kg-1。

由此，基于《藥用植物及制劑進(jìn)出口綠色行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》及中國《國家食品安全標(biāo)準(zhǔn) 食品中污染物限量》(GB 2762—2012)，即鉛限量(5.0 mg·kg-1)[23-24]要求，冬凌草種植地的土壤鉛含量應(yīng)限制在55.82 mg·kg-1以內(nèi)，距離鉛污染源4 km以上，距離公路200 m以外，空氣質(zhì)量1～2級；或冬凌草種植地土壤鉛含量限制在39.88 mg·kg-1以內(nèi)，鉛污染源2 km以上，距離公路50 m以外，空氣質(zhì)量1～2級。

參照WHO標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)藥用植物鉛限量(10.0 mg·kg-1)要求，冬凌草種植地土壤鉛含量應(yīng)當(dāng)限制在84.37 mg·kg-1以內(nèi)，鉛污染源4 km以上，距離公路200 m以外，空氣質(zhì)量1～2級；或冬凌草種植地土壤鉛含量限制在86.61 mg·kg-1以內(nèi)，鉛污染源2 km以上，距離公路50 m以外，空氣質(zhì)量1～2級。

按照歐盟標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)藥用植物或飲食補(bǔ)充劑鉛限量(3.0 mg·kg-1)要求，冬凌草種植地土壤鉛含量應(yīng)當(dāng)限制在37.14 mg·kg-1以內(nèi)，鉛污染源4 km以上，距離公路200 m以外，空氣質(zhì)量1～2級。

4 討論與結(jié)論

數(shù)量化理論I是日本學(xué)者林知己夫于20世紀(jì)50年代所創(chuàng)立，該理論將定性因子引入統(tǒng)計(jì)分析研究，通過實(shí)現(xiàn)定性數(shù)據(jù)定量化建立要素間的相關(guān)數(shù)學(xué)模型[17-18]，解決相應(yīng)問題。冬凌草中的Pb富集量受多個(gè)生態(tài)因子的影響，本研究采用調(diào)查和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)利用數(shù)量化理論I的方法，建立了各生態(tài)環(huán)境因子均達(dá)到顯著水平的冬凌草中Pb富集量的預(yù)測模型。經(jīng)多因子分析篩選，確定的影響冬凌草鉛富集關(guān)鍵因子為土壤Pb含量、Pb污染源距、公路距離、降水pH值，并提出了關(guān)鍵質(zhì)量控制點(diǎn)。為冬凌草GAP栽培技術(shù)特別是冬凌草的安全標(biāo)準(zhǔn)控制提供了科學(xué)依據(jù)。建立的冬凌草鉛含量預(yù)測模型可有效對冬凌草生長環(huán)境進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測防控，實(shí)現(xiàn)低鉛冬凌草的安全生產(chǎn)?？衫迷摮晒麑Φ豌U冬凌草生產(chǎn)控制區(qū)進(jìn)行區(qū)劃。冬凌草在生長發(fā)育過程中的限制性生態(tài)因子應(yīng)在引種時(shí)充分考慮，特別是土壤的鉛含量及引種地周邊環(huán)境(鉛污染源、降水pH值)。

中藥材重金屬含量超標(biāo)是影響中藥進(jìn)入國際市場的主要制約因素之一。冬凌草作為新開發(fā)的抗腫瘤草藥，其應(yīng)用范圍日益擴(kuò)大，原料和復(fù)方制品出口量逐年增加，重金屬Pb含量超標(biāo)現(xiàn)象會一定程度影響用藥安全和中藥產(chǎn)品出口創(chuàng)匯。研究表明，中藥材重金屬的污染與生長地土壤的地質(zhì)背景、藥材品種及生長環(huán)境等多方面的眾多因子有關(guān)。藥材一方面與其生長的環(huán)境條件如土壤、大氣、水和化肥農(nóng)藥的施用有關(guān)；另一方面與植物本身的遺傳特性，主動吸收功能和對重金屬元素的富集有關(guān)；土壤中的Pb主要積累在表面0～20 cm 的土層，選擇無重金屬污染的土壤可以有效控制中藥材重金屬Pb污染[5-8]。因此，選擇低鉛土壤、遠(yuǎn)離Pb污染源，遠(yuǎn)離公路，特別是遠(yuǎn)離工業(yè)“三廢”污染環(huán)境作為生產(chǎn)基地是控制冬凌草Pb含量超標(biāo)的有效途徑。

冬凌草中Pb質(zhì)量分?jǐn)?shù)與土壤Pb含量密切相關(guān)。土壤鉛污染是藥材Pb超標(biāo)的最主要因素之一，而不同植物對Pb的吸收系數(shù)不同[2，5，8]?，F(xiàn)行的GAP標(biāo)準(zhǔn)屬于通用標(biāo)準(zhǔn)和基本標(biāo)準(zhǔn)，并不一定能滿足所有藥材品種的安全生產(chǎn)要求。酸性土壤和酸雨會加大冬凌草對土壤Pb的吸收率。按本研究建立的預(yù)測模型，現(xiàn)行GAP規(guī)定的國家二級土壤標(biāo)準(zhǔn)(250～350 mg·kg-1)[22]并不能滿足冬凌草安全生產(chǎn)的要求。冬凌草生長地土壤鉛含量應(yīng)當(dāng)限制在55.82 mg·kg-1以內(nèi)。

冬凌草葉的Pb質(zhì)量分?jǐn)?shù)與污染源距離、可吸入顆粒物(PM10)和降水pH值的關(guān)系問題：可吸入顆粒物(空氣動力學(xué)當(dāng)量直徑≤10 μm)，即PM10(inhalable particles)，在現(xiàn)行空氣質(zhì)量等級劃分中列入主要評價(jià)指標(biāo)之一[19-20]，其中包括PM2.5，這些自然界塵粒，易沉降、凝聚、吸附，酸性較強(qiáng)的大氣顆粒物粒子易溶于水可被植物直接吸收，而塵粒中的重金屬Pb遇酸雨可能會加大冬凌草對Pb的吸收率。Vinod Jena(2012)研究認(rèn)為，空氣中的PM10顆粒物的Pb含量達(dá)到或高于100 mg·kg-1，隨PM10濃度增加，藥用植物葉部的Pb含量隨之增高；但本研究的多因子分析中PM10屬于非主要影響因子，其主要原因應(yīng)該是PM10濃度與鉛污染源距離相關(guān)，近距離污染源的PM10超過3級空氣質(zhì)量的對應(yīng)值，即含鉛量會超過10.0 ng·m-3，因此鉛污染源距離對冬凌草Pb含量的貢獻(xiàn)更大。有研究認(rèn)為，土壤pH值影響土壤中的Pb生物有效性；由于土壤pH值、酸雨頻率與降水pH值關(guān)聯(lián)，在本研究區(qū)域現(xiàn)實(shí)條件下，降水pH值對冬凌草Pb含量的影響更大。降雨的酸度越高，不僅會降低土壤pH值提高土壤中的Pb生物有效性，也同時(shí)會使得冬凌草葉片上的粉塵及空氣中PM10中的Pb溶解度和生物有效性提高，從而增加冬凌草葉片對Pb的吸收富集。

本研究建立的冬凌草鉛含量預(yù)測模型，對冬凌草因生長環(huán)境動態(tài)變化帶來藥源鉛污染程度可實(shí)現(xiàn)科學(xué)評估，以確定有效防控方案。應(yīng)針對冬凌草Pb富集的主要生態(tài)因子，對野生區(qū)域和引種生產(chǎn)基地進(jìn)行全面的環(huán)境質(zhì)量評價(jià)，建立一整套綠色基地環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測及其評價(jià)方法、評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和綠色質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，明確于冬凌草SOP生產(chǎn)規(guī)程中?，F(xiàn)行的GAP標(biāo)準(zhǔn)屬于通用標(biāo)準(zhǔn)和基本標(biāo)準(zhǔn)，并不一定能滿足所有藥材品種的安全質(zhì)量要求。可根據(jù)該預(yù)測模型，分別確定基于歐盟標(biāo)準(zhǔn)、國家食品安全標(biāo)準(zhǔn)及藥用植物出口標(biāo)準(zhǔn)、國家藥典和WHO標(biāo)準(zhǔn)的冬凌草種植地環(huán)境因子的關(guān)鍵控制點(diǎn)；而對于非達(dá)標(biāo)的種植地，可以進(jìn)一步研究生產(chǎn)調(diào)控技術(shù)措施，包括施用離子拮抗劑(Se、Ca肥等)、生物炭等鈍化劑等鉛調(diào)控的系列技術(shù)措施。

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[23] 中華人民共和國商務(wù)部.《藥用植物及制劑外經(jīng)貿(mào)綠色行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》[S].中華人民共和國商務(wù)部標(biāo)準(zhǔn) 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2004.

[24] 中華人民共和國衛(wèi)生部.《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)：食品中污染物限量》(GB 2762-2012)，中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2012.

ForecastofPbConcentationinRabdosiarubescensBasedonQuantitativeTheory(I)

KONG Sixin1，3，LI Haikui2*，LI Jixue4，CUI Jianping5，WANG Baomin1，GUO Yuhai1*

(1.CollegeofAgricultureandBiotechnology，ChinaAgriculturalUniversity，Beijing100193；2.Shining-herb(Beijing)InternationalBio-TechCo.，Ltd.，Beijing100073；3.ResearchInstituteofForestResourceInformationTechniques，ChinaAcademyofForestry，Beijing100091；4.SchoolofPharmacy，HenanUniversity，Kaifeng475004；5.WaterResourcesBureauofJiyuanCity，Jiyuan454650)

Objective：To establish the prediction model of Pb concentration at significant level of the ecological environment factors by using quantitative theory，and provide the basis for the prediction and control of the pollution level of Pb inRabdosiarubescens.Methods：The Pb mass fraction ofR.rubescenswas measured by plasma emission spectrometry.The ecological environmental factors were combined using the methods of field investigation and collecting the environmental monitoring data，and the fitting curve of I was analyzed by the method of quantitative analysis.Results：The key factors affecting the contribution of the lead (Pb) content (Y) were：soil lead (Pb) content (X1)，pH value of rainfall (X6)，pollution source (X3)，and road distance (X4).Conclusion：The forecast model of Pb content inR.rubescenscan provide the basis for the scientific evaluation of its pollution degree and effective prevention and control.

Pb；Rabdosiarubescense；quantitative theory (I)；forecast model；key ecological factors

10.13313/j.issn.1673-4890.2016.10.013

2016-02-11)

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(31370634)

*

郭玉海，教授，研究方向：藥用作物栽培；Tel：(010)62733853，E-mail：yhguo@@cau.edu.cn 李?？?，研究員，研究方向：生物藥學(xué)模型；Tel:(010)62889391，E-mail:hk_li@163.com