天然藥物與土壤環境的藥效學研究
中國藥科大學 黃泰康
我國歷代醫藥學家選用藥材時都十分注重其產地,從《五十二病方》、《黃帝內經》、《神農本草經》、《傷寒論》等著作內即有有關藥材產地的記載和論述,如秦皮、蜀椒、阿膠、吳茱萸、巴戟天、代赭石……等藥名都已包含了產地在內。經過不斷的發展,逐漸形成了“地道藥材”……的理論。如寇宗在《本草衍義》中即曾指出:“凡用藥必須擇州土所宜者,則藥力具,用之有據。”一代名醫李杲從臨床經驗中總結出:“凡諸草木昆蟲,產之有地,失其地則性味少異,若不析究其理,治病徒費其功。”陳嘉謨在《本草蒙荃》中也曾強調:“各有相宜地產,氣味功力自異尋常……一方土地出一方藥也。”著名醫藥學家李時珍在繼承歷代醫藥學家關於“地道”思想的基礎上,對於水土的論述尤為深刻:“性從地變,質與物遷……”,並與氣候因素相聯繫:“生產有南北,節氣有早遲,根苗異採收,制造異法度。”更進而指出:“人乃地產,資稟與山川之氣相為流通,而美惡壽夭亦相關涉,金石草木,尚隨水土之性,而況萬物之靈者乎”。至徐大椿在《藥性變遷論》中所謂:“當時初用之始,必有所產之地,此乃本生之土,故氣厚而力全。以後移種他方,則地氣移而力薄矣……當時所採,皆生於山谷之中,元氣未泄,故得氣獨厚;今皆人工種植,既非山谷之真氣,又加灌溉之功,則性平淡而薄劣矣。”雖顯偏執,因係限於當時的科技水平,其觀點仍屬正確。可見對於藥材的產地與功效之間關係的研究由來已久,只是限於科學技術條件,直到近幾十年來才有所突破,認識到了其中一些所以天然的道理,但是尚未形成系統的理論。
研究天然藥物與地理環境之間的關係,和地理環境的許多方面有關,如氣候、氣象、地勢、地貌、地質、土壤……等等都可以影響天然藥物的生長過程。這些因素之中,最基本的當數土壤為首。因為,土壤是地球陸地表面生長植物的疏鬆層,它以不完全連續的狀況存在於陸地表面,可以稱為土壤圈。土壤的本質特性是土壤肥力,即土壤具有培育植物的能力。因此,土壤是植物生長基地,從而成為動物、人類以及絕大多數微生物棲息、繁衍的場所。
土壤又是獨立的歷史自然體,具有自己的生成發展過程。在土壤的發展過程中,受到人類勞動的深刻影響,所以土壤是生物、氣候、母岩、地形、時間和人類生產等成土因素綜合作用下的產物。由於各成土因素綜合作用的不同,產生出多種類型的土壤,及質量不一的藥物。不同的土壤類型,具有不同的結構、理化性質和固體顆粒空間變化及轉化,因而形成不同的孔隙度、堅實度和穩定性,並直接影響土壤中的水、氣、熱、機械力和養分的活化等。為了徹底弄清動、植物藥的生長規律,所以首先要弄清天然藥物與土壤的關係。現從以下幾個方面談談自己的看法。
一、土壤成分與天然藥物質量的關係
不同的土壤對於天然藥物的生長發育具有不同程度的影響,今以黃為例,分析其在不同類型土壤中的生長情況:
棕色森林土(又稱山地棕色砂礫土),其特點是
土地疏鬆,含腐植質較少,砂性較大,排滲水力
強,透氣性好,水、肥、氣、熱四性協調,PH
值呈微酸性,種植黃的根係長直,分歧甚少,
根皮黃棕色,表面光滑,無鏽斑,無水眼,析斷
面纖維細膩,粉性好,呈鞭杆狀,商品質量最
好。
淋溶黑土(又稱黑砂壤土),其特點是質地鬆散
,滲水力好,保水力強,透氣性好,有團粒結構
,淋溶相明顯,三相協調,PH 值呈中性或微酸
性,種植黃的根較長直,分歧不多,根皮黑褐
色,兼有少量鏽斑,折斷面纖維較粗,粉性較小
,商品質量好。
炭酸鹽黑土(鹽擗g之一),其特點是質地較鬆
,滲水力較好,保水力較差,含有鹽憿APH
值呈撽吽A有明顯反鹽相,種植黃的根係較
長,分歧較少,但因根皮受鹽擃I蝕,鏽斑嚴重
,折斷面纖維木質化,粉性甚小,商品質量次。
沿江沖積砂土,其特點是質地疏鬆,滲水力好,
保水力強,含水量大,腐植質少,PH 值呈微酸
性,種植黃的根係長直,分歧較少,但因土壤
的含水量大,根皮水眼重,爛皮較多,商品質量
較次,特別是地勢低窪或多雨年份,水眼、爛皮
現象更為嚴重。
森林灰化土(又稱白漿土),其特點是表土層腐
植質較多,質地鬆散,保水力強,心土層(稱澱
積層或白漿層)質地黏重緊密,滲水力極差,透
氣性極不好,有石灰菌體繫,三相失調,PH
值呈撽吽A種植黃的主根短曲,伸至澱積層停
止,致使根係變異,分歧甚多,呈雞爪型,且因
表土層保水力強,根皮鏽斑多,水眼重,折斷面
纖維較粗,粉性較小,商品質量最次。
草甸土(又稱草灰土),其特點是因成土地勢低
窪,腐蝕質層深厚,排水力強,保水力強,含水
量大,PH 值呈酸性,種植黃的主根較短,分歧
較多,水眼甚重,爛皮明顯,商品質量低劣。
由此可見,不同的土壤,所生長的天然藥物品質懸殊。實驗證明:黃內含香豆素、黃酮化合物及皂■等是黃的有效成分。但是,由於產地不同,其藥效相去甚遠。經選用同為北黃的兩種產品,其一為產於內蒙東部地區,二連浩特至新廟一帶的黃,另一種是產於內蒙西北部,策克至西廟一帶的黃。給小鼠喂飼以後,雖然兩者皆可提高機體免疫功能,但有明顯差異。而且體外抑菌試驗也表現出前者優於後者。因為內蒙東部地區為棕色土而西部地區有一片草甸土,所以表現出上述結果。可見,土壤類型對於天然藥物質量具有明顯的影響。
2. 土壤所含成分與天然藥物的關係
從生態學觀點看,生物本身就是地殼的不可分割部分,生物的元素組成和地殼的無機成分有著密切關係。因此,了解土壤中元素的組成和含量,對天然藥物的生長,會有一定益處。因為,土壤是植物生活的基地,也是影響植物有機體生長發育的重要生態因子;而無機元素則是植物生命活動的重要物質基礎。今從幾味天然藥物的研究實例,來分析以下這方面的問題:
(1) 吉林大山參我國的長白山地區的土壤為暗棕壤,經元素分析的實驗結果如下:
分析測定 27 種無元素,發現有 Li, B, Na, Mg, Al, P, K, Ca, Ti, V, Cr, Mn, Fe,
Co, Ni, Cu, Zn, AS, Sr, Cd, Ba, La, Hg 共 23 種;未檢出 Se, Mo, Sn, Pb
四種。
在含有的 23 種無機元素中,有從土壤中吸收而植物必需的如 P, K, CA, Mg 等大量營養元素;還有 Fe, Mn, Zn,
Cu, Co, B, Na, V 等微量營養元素。
測出的 23 種無機元素中,含量較多的有 Al, Na, Fe, Ca, K, Mg, B;其次是 Zn, Mn, Ba, P,
As, Sr, Cu, V, Cr, Co, Ni, Li, La, Hg, Cd 含量較少。
以上結果說明:暗棕壤內富含大山參生長時期所必須的大量營養元素和微量元素。此外,另一研究結果也充分說明,土壤所含成分對於天然藥物的影響,如缺鋅的土壤中所生長的人參,質量較差,嚴重者可至枯死。因為,鋅是植物體內必需的微量元素之一,對植物的多種J活性及多種代謝影響較大。人參是多年生宿根植物,對鋅的需求量較大。缺鋅植株不但地上部分的葉面積、株高、鮮重和幹重都比正常株明顯減少,其植株根部的生長也明顯受到嚴重阻礙,主根比正常根減少
33.76%,根粗減少 13.16%,鮮根重減少 37.29%,幹重減少 35.96%,單產降低 43.88%,優質率下降 14%。
(2) 西洋參是從國外引進栽培的植物,關於西洋參參地土壤中各種元素的含量與植物的吸收量等方面所作的研究如下:
土壤中各種營養元素的濃度和相對含量以 Fe, K 的含量最高;以下依次為 Ca, Mg, N, Me, P, Zn, Cu,除
N, P 以外其他元素的濃度均高於植物體內相應元素的濃度。
西洋參在 5 年內吸走的元素總量僅佔 1dm 土層內含量的 0.4 - 6.2%,微量元素僅佔 4 x 105.7 x 10 -
3,因此,當西洋參表現為缺素症時,只能考慮兩種情況:一是內因,西洋參感病或根係弱,吸收範圍小,造成了局部缺素症;二是外因,由於土壤的
PH 值不適,使元素處於難溶狀態,或其他條件不適宜,供應能力受到限制。
西洋參對 10 種營養元素吸收量依次為 N, Ca, K, Mg, P, Fe, Mn, Zn, B, Cu。
西洋參 2, 4 年的元素吸收量最大,所以供肥的重點時期。
土壤中各種營養元素的含量遠大於西洋參的吸收量,因此施肥的重點應放在提高土壤的肥力上,如施有機肥,調節 PH 值等等,有利於提高西洋參的質量。
3. 土壤含水量與天然藥物質量
土壤含水量的多少,對天然藥物的生長發育具有顯著的影響。因為,植物體內水分代謝的動態平衡是植物生命活動過程一種矛盾的統一,涉及植物生理活動的一切重要方面,今就有關這方面的研究結果分述如下:
(1) 對人參生育狀況的影響
不同土壤水分對人參植株生育狀況有一定影響。在適宜的水分要比在水分不足(60% 以下)或過濕 (100%) 條件下,有利於子葉生長,葉面積增大,葉片加寬。此外,在全生期土壤相對含水量為
80% 時,參根生育正常。土壤相對含水量在 60% 以下時,參根大都表現燒須、漿氣不足;土壤過濕 (100%) 則根部病情指數高,爛根現象嚴重。
(2) 對人參幹物質積累的影響
生育期土壤水分大小對人參幹物的積累有重要影響,土壤相對含水量達 80% 以上,有利於人參生長和參根增重,從而幹物質積累快,生物產量高,經濟系數亦大;若生育的全期或中期,土壤相對含水量均達
100% 或在 60 - 80% 之間時,對人參幹物質積累亦有不利影響;土壤相對含水量為 40 - 60% 時,則嚴重影響參根增重,甚至減產。
(3) 對人參熱量指標的影響
人參除含有藥效成分外,尚含有人體必需的熱源質或生熱營養素,如糖類、脂肪油類、氨基酸和餖。據測定,在低水分條件下裁培的人參比在高水分條件下栽培的發熱量高,且差異量顯著,說明不同土壤水分對參根熱源質的形成有一定影響。
(4) 對人參光合速率的影響
人參全生育期土壤相對含水量為 80% 時,其光合速率最高 (4.3CO2mg/dm2.h),有利於幹物質積累;若全生期土壤相對含水量為
40%,或者生育中期或後期土壤相對含水量高於 80% 以上,低於 60% 以下,都使人參光合速率降低而不利於參根增重。
二、土壤的生化作用與天然藥物
1. 腐殖質與天然藥物
土壤腐殖質是土壤固相物質的重要組成部分,其中含有植物所需的各種營養元素,而且有很高的代換吸收能力,能保留大量養分。它們在土壤的累積過程和分解過程中,經常不斷地供應和調節植物所需的養分。在改善土壤物理性質方面,腐殖質可以降低土壤的黏性,使土壤疏鬆,易於耕作,而且間接起著調節土壤水、空氣和熱狀況的作用。
我國東北地區的黑土地帶腐殖質的組成以胡敏酸占顯著優勢,H / F 值(即胡敏酸/富里酸的比值)為 2 - 2.5,而東北其他土壤則為
0.6 - 1.8;至於國內其他地區的土壤,H / F 值大都〈0.5。胡敏酸的大量存在,為黑土團聚體的形成提供良好的膠結物質。
再從黑土自然生態系統的物質循環結構來看,由於每年有大量有機物殘留在土壤中,根係吸收和生物積累作用使營養元素在表層大量富集,而且很少流出系統之外,故而收入大於支出。因此,黑土區自然生態比較穩定,物質循環基本上是封閉型或半封閉型。加上土壤團聚率高達
79.8%,因此生長出的東北人參質量最佳。
2. 土壤中氮、磷、鉀的含量與天然藥物的質量
(1) 土壤中的氮的含量與天然藥物的質量
我們可從浙貝母各生育期對氮的吸收及分配情況看土壤中含氮量對天然藥物質量的影響。浙貝母齊苗後吸氮猛增,到盛花期植株中含氮量接近高峰。從齊苗期之後,株均吸氮量為
54mg,日均吸氮強度達 28.4g/畝。再從生長動態與其含氮量關係來看,前期株幹重的增長與株含氮量有接近平行的關係,表明氮是浙貝母生長的生物基礎。雖然在生長後期氮的吸收有所下降,但氮的總量仍明顯增加,因此說土壤中的含氮量,對植物藥的生長發育起著重要作用。
藥效研究發現:浙貝母所據有的鎮咳作用來自於浙貝母的生物憿A而氮肥正是促成生物擐X成的有利因素。
(2) 土壤中磷、鉀的含量與天然藥物的質量
我們從砂仁根外追肥的研究結果中可以發現,通過對砂仁盛花期和幼果期進行根外追肥,補充土壤中磷、鉀的含量,可使砂仁結果率提高 10.8%,其鮮果產量比對照組增加
26.3%。 經分析:砂仁功能健脾消食的主要成分是砂仁揮發油,而土壤之中磷、鉀含量高者,所產砂仁揮發油的含量也高,反之,則其揮發油的含量明顯低下。其藥效的高低自然涇渭分明。
還有,對浙貝母開花期追施鉀肥,也可取得增產效果。因為鉀也是促進貝母生物擐X成的有利因素之一。
3. 土壤中的微生物
土壤是微生物聚集較多的地方,包含有四種較重要的微生物類群:細菌、真菌、放線菌藻類。在一定地點的土壤中,全部的微生物組成群落。各個群落又和其周圍的土壤環境構成各個土壤微生物生態系統。由於有一些亞顯微生物類的病毒,能引起人和各種生物的疾病,這正是引起天然藥物藥效質量不穩定的因素之一,對此,應當引起足夠的重視。過去,對於老參地的病害嚴重,只知從光照、土質、氣候、地形等生態條件和土壤性質、肥力等方面考慮,往往難於解決問題,今後應該進行有關土壤微生物學方面的深入研究,方足以保證天然藥物有效質量穩定地保持在高水平上。
三、從天然藥物的化學成分含量看土壤與藥效之間的關係
近年來,我國許多藥學工作者進行的研究中,都十分重視天然藥物中化學成分的含量,並且取得可喜的成果。對於藥效學的相關問題,作了有益的探索。證實了許多同種植物,由於產地不同,其他學成分的含量相差十分縣殊。如:艾葉中揮發油的含量,產於湖北蘄春者為
0.83%,而產於河南和四川者僅及蘄艾的一半。還有在微量元素含量測定結果也表明:蘄艾中的 Ca, Mg, Mn, I, Ni 等五種微量元素含量較高;四川產艾葉中
Co, Cr, Se, Fe, Zn 等含量較高;而河南產艾葉中除 Cu 含量較高外,其餘均較低。
其次,具有平喘作用的椒目,其有效成分為檸檬烯,經比較發現:山東臨沂所產椒目中檸檬烯含量為 0.6467%,廣東珠海產的為 0.0291%,雲南昭通產的為
0.1776%,陝西所產則為 0.3401%,河南產者則高達 0.7269%。
再如女貞子的有效成分是齊墩果酸,其含量最高者為河南的 2.93%,其次為湖南的 2.48%,第三則是浙江的 2.10%,第四是江西的
1.62%,第五則為廣西的 1.60%,最低的則為雲南的 1.31%。
這些同種植物而化學成分含量卻有明顯差別的現象,其首要問題,就是因為土壤本身所含化學成分的明顯不同所致。這方面的研究工作還只是剛剛開始,筆者在有關專家的大力支持下,首創了“天然藥物地理學”這門邊緣學科,系統的論述了天然藥物與地理環境的關係,旨在拋磚引玉,望大家共同研究與開發天然藥物資源,盡力保護其藥效的穩定提高。國外目前對天然藥物開發十分重視,已注意到我們所提出的上述問題,作為天然藥物主產國我們必須加速研究步伐。
土壤是影響藥物質量的重要因素之一,不容絲毫忽視。土壤的化學成分含量時刻經受地理環境、光照、氣溫、雨量、水土流失和水土保持以及人為勞動等多因素的影響。進一步明確天然藥物有效含量和土壤化學成分含量之間的有機聯繫,並在此基礎上,研究提高土壤有效肥力,以便進而確保天然藥物有效成分含量的穩定提高,必然是天然藥物研究和土壤研究工作的主要任務之一。願我們攜起手來,為譜寫天然藥物學與土壤學研究的新篇章而共同奮鬥!
主要參考文獻
1. 黃泰康 天然藥物地理學(第一版) 中國醫藥科技出版社 1990 年版
2. 朱祖祥 土壤學 農業出版社 1983 年版
3. 黃泰康 天然藥物地理學(第二版) 中國醫藥科技出版社 1993 年版
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