基于數量化理論I的冬凌草葉中鉛含量預測△

孔四新，李海奎，李吉學，崔建平，王保民，郭玉海*

(1.中國農業大學 農學與生物技術學院，北京 100094；2.中國林業科學研究院 資源信息研究所，北京 100091；3.世紀神農(北京)國際生物技術有限公司，北京 100073；4.河南大學 藥學院，河南 開封 475004；5.河南省濟源市水利局，河南 濟源 454650)

·中藥農業·

基于數量化理論I的冬凌草葉中鉛含量預測△

孔四新1，3，李海奎2*，李吉學4，崔建平5，王保民1，郭玉海1*

(1.中國農業大學 農學與生物技術學院，北京 100094；2.中國林業科學研究院 資源信息研究所，北京 100091；3.世紀神農(北京)國際生物技術有限公司，北京 100073；4.河南大學 藥學院，河南 開封 475004；5.河南省濟源市水利局，河南 濟源 454650)

目的：利用數量化理論方法篩選影響冬凌草Pb含量的關鍵因子，為冬凌草Pb污染水平預測及調控提供依據。方法：冬凌草Pb質量分數采用等離子發射光譜法測定，生態環境因子為樣地調查實測和收集產地環境監測資料相結合，采用數量化方法 I 擬合曲線分析。結果：經多因子篩選，確定影響冬凌草鉛含量(Y)的貢獻值最大的關鍵因子分別為：土壤Pb含量(X1)，降水pH值(X6)，污染源(X3)，公路距離(X4)。結論：建立的冬凌草鉛含量預測模型，可為冬凌草藥源鉛污染程度科學評估和有效防控提供依據。

Pb；冬凌草；數量化理論；預測模型；關鍵生態因子

全球生態環境不斷惡化加大了重金屬鉛(Pb)污染風險，鉛污染不僅會阻滯植物生長，而且通過土壤和空氣進入植物體并富集，然后進入食物鏈系統對人體健康帶來危害[1-4]。近年來，中藥材重金屬鉛(Pb)超標問題較為突出：據趙連華等對30個藥材產地的調查統計，66.7%產區存在中藥材Pb超標現象，其中嚴重地區的中藥材Pb超標率達27.27%～31.37%[5]，Pb超標已成為當前中藥材生產的主要問題之一。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、化肥農藥、交通污染等多因子有關，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[6-8]。Vinod Jeda(2012)研究認為，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100 mg·kg-1，有較大的污染風險[9，10]。近年來，國內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合因子的影響尚缺乏系統性研究。通過多因子變量建立植物Pb蓄積的預測數學模型，對于中藥材生產過程中實現科學控鉛，確保原藥材安全標準，具有重要的科學應用價值。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70年代在河南太行王屋山新發現的天然抗癌植物，研究發現其中的冬凌草甲素(Oridonin)具有抗腫瘤活性，并對M2型白血病有獨特療效[11-14]，引起國內、國際醫藥界的廣泛關注，市場需求量日益增加。目前，冬凌草野生資源匱乏，亟待進一步擴大人工栽培，而在冬凌草引種區的鉛污染現象時有發生。因此，研究分析影響冬凌草鉛富集的關鍵生態因子對確保冬凌草藥源質量安全有重要意義。相關研究目前國內外均未見報道。

本研究在取得12年間河南冬凌草主產區濟源市王屋山區1932 km2區域內涉及冬凌草野生和種植總面積2000 hm2冬凌草葉鉛(Pb)質量分數(富集量)的監測值和相應生態因子調查資料的基礎上，運用數量化理論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、酸雨頻率間的關系模型，并篩選出影響冬凌草Pb富集的關鍵因子，為冬凌草Pb污染水平預測、種植地選擇及生產調控提供科學依據。

1 材料

冬凌草Rabdosiarubescens。

2 方法

2.1 數據

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

獲得冬凌草葉Pb值與相應生態因子變化匯總(略表)：

其中Y為冬凌草葉中Pb質量分數(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，設定為：1、2、4 km；

X4為冬凌草生長地與公路距離，設定為：50、100、200 m；

X5為冬凌草生長地的空氣質量(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年降水平均pH值；

X7為冬凌草生長地取樣當年的酸雨頻率，%。

2.2 測定指標與方法

冬凌草葉Pb質量分數測定方法：ICP-AES等離子發射光譜法[15]測定。

土壤Pb含量測定方法：按GB/T 17141土壤質量鉛、鎘的測定方法進行土樣消解，按《全國土壤污染現狀調查樣品分析測試技術規定》等離子發射光譜法測定土壤Pb含量[16]。

2.3 生態環境因子數據來源

生態環境因子值采用實測、樣地調查和收集產地土壤普查資料、產地環境監測值相結合的方法，統計匯總。其中污染源距離、公路距離為樣地調查實測值，土壤pH值由濟源市農業局提供，降水pH值、酸雨頻率、空氣PM10數據源自產地環境監測資料。

2.4 計算分析方法

采用數量化方法I進行計算分析。

數量化方法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 結果與分析

3.1 冬凌草鉛(Pb)預測數學模型建立

3.1.1冬凌草葉Pb含量值與相應生態因子變化匯總及定性因子數量化

根據實測數據和統計資料，將各生態因子按數量化方法I進行數據轉換。

表1 冬凌草生長地各生態因子水平量化賦值表

3.1.2 顯著性因子篩選

1)方差分析

方差分析運算結果為：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 R2=0.993 002

均方誤差 RMSE=1.201 945

2)剔出非限制性因子，進一步篩選分析

剔出三個非限制性因子后，進一步方差分析運算。結果為：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為關鍵性因子。

3)確定冬凌草鉛含量預測模型(解集)

以上分析表明，經多因子篩選，確定影響冬凌草鉛含量(Y)的貢獻值最大的關鍵因子分別為：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 R2=0.992 523

均方誤差 RMSE=1.242 399

3.2冬凌草鉛污染關鍵因子控制點防控分析

按上述預測模型驗證，現行GAP(Good Agricultural Practices)規定的二級土壤標準(250～350 mg·kg-1)并不能滿足其安全生產的要求。按藥用植物出口標準的鉛的限量標準(5.0 mg·kg-1)以及冬凌草鉛含量預測模型推算，當冬凌草生長地年降水平均pH值=7.0時，土壤鉛含量上限理論值為55.82 mg·kg-1。

由此，基于《藥用植物及制劑進出口綠色行業標準》及中國《國家食品安全標準 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限制在55.82 mg·kg-1以內，距離鉛污染源4 km以上，距離公路200 m以外，空氣質量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，鉛污染源2 km以上，距離公路50 m以外，空氣質量1～2級。

參照WHO標準有關藥用植物鉛限量(10.0 mg·kg-1)要求，冬凌草種植地土壤鉛含量應當限制在84.37 mg·kg-1以內，鉛污染源4 km以上，距離公路200 m以外，空氣質量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，鉛污染源2 km以上，距離公路50 m以外，空氣質量1～2級。

按照歐盟標準有關藥用植物或飲食補充劑鉛限量(3.0 mg·kg-1)要求，冬凌草種植地土壤鉛含量應當限制在37.14 mg·kg-1以內，鉛污染源4 km以上，距離公路200 m以外，空氣質量1～2級。

4 討論與結論

數量化理論I是日本學者林知己夫于20世紀50年代所創立，該理論將定性因子引入統計分析研究，通過實現定性數據定量化建立要素間的相關數學模型[17-18]，解決相應問題。冬凌草中的Pb富集量受多個生態因子的影響，本研究采用調查和統計數據利用數量化理論I的方法，建立了各生態環境因子均達到顯著水平的冬凌草中Pb富集量的預測模型。經多因子分析篩選，確定的影響冬凌草鉛富集關鍵因子為土壤Pb含量、Pb污染源距、公路距離、降水pH值，并提出了關鍵質量控制點。為冬凌草GAP栽培技術特別是冬凌草的安全標準控制提供了科學依據。建立的冬凌草鉛含量預測模型可有效對冬凌草生長環境進行動態監測防控，實現低鉛冬凌草的安全生產。可利用該成果對低鉛冬凌草生產控制區進行區劃。冬凌草在生長發育過程中的限制性生態因子應在引種時充分考慮，特別是土壤的鉛含量及引種地周邊環境(鉛污染源、降水pH值)。

中藥材重金屬含量超標是影響中藥進入國際市場的主要制約因素之一。冬凌草作為新開發的抗腫瘤草藥，其應用范圍日益擴大，原料和復方制品出口量逐年增加，重金屬Pb含量超標現象會一定程度影響用藥安全和中藥產品出口創匯。研究表明，中藥材重金屬的污染與生長地土壤的地質背景、藥材品種及生長環境等多方面的眾多因子有關。藥材一方面與其生長的環境條件如土壤、大氣、水和化肥農藥的施用有關；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；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、遠離Pb污染源，遠離公路，特別是遠離工業“三廢”污染環境作為生產基地是控制冬凌草Pb含量超標的有效途徑。

冬凌草中Pb質量分數與土壤Pb含量密切相關。土壤鉛污染是藥材Pb超標的最主要因素之一，而不同植物對Pb的吸收系數不同[2，5，8]。現行的GAP標準屬于通用標準和基本標準，并不一定能滿足所有藥材品種的安全生產要求。酸性土壤和酸雨會加大冬凌草對土壤Pb的吸收率。按本研究建立的預測模型，現行GAP規定的國家二級土壤標準(250～350 mg·kg-1)[22]并不能滿足冬凌草安全生產的要求。冬凌草生長地土壤鉛含量應當限制在55.82 mg·kg-1以內。

冬凌草葉的Pb質量分數與污染源距離、可吸入顆粒物(PM10)和降水pH值的關系問題：可吸入顆粒物(空氣動力學當量直徑≤10 μm)，即PM10(inhalable particles)，在現行空氣質量等級劃分中列入主要評價指標之一[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)研究認為，空氣中的PM10顆粒物的Pb含量達到或高于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，其主要原因應該是PM10濃度與鉛污染源距離相關，近距離污染源的PM10超過3級空氣質量的對應值，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含量的貢獻更大。有研究認為，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值關聯，在本研究區域現實條件下，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測模型，對冬凌草因生長環境動態變化帶來藥源鉛污染程度可實現科學評估，以確定有效防控方案。應針對冬凌草Pb富集的主要生態因子，對野生區域和引種生產基地進行全面的環境質量評價，建立一整套綠色基地環境質量監測及其評價方法、評價標準和綠色質量標準，明確于冬凌草SOP生產規程中。現行的GAP標準屬于通用標準和基本標準，并不一定能滿足所有藥材品種的安全質量要求。可根據該預測模型，分別確定基于歐盟標準、國家食品安全標準及藥用植物出口標準、國家藥典和WHO標準的冬凌草種植地環境因子的關鍵控制點；而對于非達標的種植地，可以進一步研究生產調控技術措施，包括施用離子拮抗劑(Se、Ca肥等)、生物炭等鈍化劑等鉛調控的系列技術措施。

[1] 楊肖娥，李廷強.我國農業環境質量和農產品污染剖析[J].中國食物與營養，2003(10)：22-24.

[2] 顧繼海，林秋奇，胡韌，等.土壤-植物系統中重金屬的治理途徑及其研究進展[J].土壤通報，2005，34(1)：30-34.

[3] Shen Z G，Li X D，Wang C C，Chen H M，& Chua H.(2002).Lead phytoextraction from contaminated soil with high-biomass plant species.JournalofEnvironmentalQuality，31(6)，1893-1900.

[4] John R，Ahmad P，Gadgil K,et al.Effect of cadmium and lead on growth，biochemical parameters and uptake inLemnapolyrrhizaL.PlantSoilEnvironment，2008(54):262-270.

[5] 趙連華，楊銀慧，胡一晨，等.我國中藥材中重金屬污染現狀分析及對策研究[J].中草藥，2014，45(9)：1199-1206.

[6] 馮江，黃鵬，周建民.100 種中藥材中有害元素鉛鎘砷的測定和意義[J].微量元素與健康研究，2001，18(2)：43-44.

[7] 張俊清，劉明生，符乃光.中藥材微量元素及重金屬研究的意義與方法[J].中國野生植物資源，2002，21(3)：48-49.

[8] 陳仕江，金仕勇，張明.淺談中藥材的農藥重金屬污染與防治[J].世界科學技術——中醫藥現代化，2002，4(4)：72-74.

[9] John R.，Ahmad P.，Gadgil K.，et al.Effect of cadmium and lead on growth，biochemical parameters and uptake inLemnapolyrrhizaL.[J].Plant Soil Environment，2008，54：262-270.

[10] Ruiz E，Rodríguez L，Alonso-Azcárate，et al.phytoextraction of metal polluted soils around a Pb-Zn mine by crop plants[J].International Journal of Phytoremediation，2009，11(4)：360-384.

[11] 孔四新.神奇的抗癌冰草-冬凌草[M].鄭州：黃河水利出版社，1997：8-15.

[12] 國家藥典委員會.中華人民共和國藥典：一部[S].北京：中國醫藥科技出版社，2011：106-107.

[13] 孫漢董，林中文，秦崇秋，等.抗癌植物冬凌草化學成分的研究[J].云南植物研究，1981，3(1)：95-100

[14] 鎮濤，陳賽娟.中藥成分靶向治療急性髓系白血病研究進展[J].中國中西醫結合雜志，2009，29(1)：14-18.

[15] 李春香 王玲玲 荊俊杰，等.微波消解/ICP-AES法同時測定中藥中Cd、Hg、Pb含量[J].藥物分析雜志.2009，29(3)：433-436.

[16] 中華人民共和國國家環境保護總局.《全國土壤污染狀況調查樣品分析測試技術規程》[Z].2006.

[17] 林知己夫.質を測る：數量化理論[M].勉誠出版，2004.

[18] 李長虹.關于數量化理論I的一個性質[J].經濟數學，1994(1)：100-104.

[19] 王珩，于金蓮.大氣中PM10濃度的影響因素及其污染變化特征分析[J].上海師范大學學報：自然科學版，2004，33：98-102.

[20] 崔蓉，郭新彪，鄧芙蓉，等.大氣顆粒物PM10和PM2.5中水溶性離子及元素分析[J].環境與健康雜志，2008，25：291-294.

[21] 劉軍，李先恩，王濤，等.藥用植物中鉛的形態和分布研究[J].農業環境科學學報，2002，21：143-145.

[22] 中華人民共和國國家環境保護局，國家技術監督局.《土壤環境質量標準》(GB15618-1995)，中華人民共和國國家標準[S].北京：中國標準出版社，1995.

[23] 中華人民共和國商務部.《藥用植物及制劑外經貿綠色行業標準》[S].中華人民共和國商務部標準 中國標準出版社，2004.

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

國家自然科學基金資助項目(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 李海奎，研究員，研究方向：生物藥學模型；Tel:(010)62889391，E-mail:hk_li@163.com