張麗, 趙博, 龍治堅(jiān), 王曉娟, 徐剛, 王準(zhǔn), 胡尚連, 馬光良, 孫鵬*, 林志強(qiáng)

1. 四川省林業(yè)科學(xué)研究院，四川 成都 610081；

2. 西南科技大學(xué)，四川 綿陽(yáng) 621010；

3. 瀘州市林業(yè)科學(xué)研究院，四川 瀘州 646000

麻竹（Dendrocalamus latiflorusMunro），稈高20～25 m，直徑15 cm～30 cm，是我國(guó)南方栽培最廣的大型合軸叢生竹種[1]。麻竹筍、材、葉兼用，在廣東、廣西、福建、四川等省區(qū)形成了優(yōu)勢(shì)筍竹產(chǎn)區(qū)。竹林年年擇伐利用，老竹和筍株采伐后產(chǎn)生大量竹蔸，因其須根繼續(xù)吸收土壤中的水分、養(yǎng)分，并通過(guò)地下莖與分株共享資源，保持著生理活性難以自行腐爛分解[2]，持續(xù)占據(jù)竹叢地下生長(zhǎng)空間，影響新筍質(zhì)量和數(shù)量。隨著竹林經(jīng)營(yíng)的延續(xù)，叢蔸逐年高抬，形成低效竹林。

傳統(tǒng)竹林經(jīng)營(yíng)采用物理方法人工挖取老竹蔸。為探索人工促進(jìn)竹蔸消退輕便技術(shù)，顧小平等人通過(guò)將KOH和/或生石灰的固態(tài)物質(zhì)或水溶液灌入竹蔸內(nèi)加速竹蔸腐爛的技術(shù)，已獲得了國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利[3]；且朱顏等人用此法篩選最佳藥劑處理濃度，驗(yàn)證此法經(jīng)濟(jì)有效[4]。李超等分離篩選腐朽竹蔸中的微生物，獲得降解毛竹木質(zhì)素和纖維素的優(yōu)良菌株，但未能用于實(shí)踐推廣[5]；另有通過(guò)在竹蔸內(nèi)施肥促進(jìn)竹蔸腐爛的方法，但需要3～4年時(shí)間[6,7]等。既有清除竹蔸的研究中，多以散生竹毛竹為研究載體[3-11]。而針對(duì)叢生竹叢蔸高抬和密集竹蔸的人工促進(jìn)消退的輕便技術(shù)鮮有研究。

相關(guān)研究表明，竹子是一種典型的非均質(zhì)結(jié)構(gòu)，木質(zhì)素、半纖維素和果膠組分把中空的薄壁細(xì)胞和近似實(shí)心的竹纖維束粘結(jié)在一起。強(qiáng)堿溶液會(huì)打斷植物細(xì)胞壁中纖維素、半纖維素與木質(zhì)素之間連接的酯鏈，將竹材細(xì)胞角隅區(qū)域和復(fù)合胞間層中的木質(zhì)素與膠質(zhì)組分選擇性脫除，增加纖維素之間的空隙度[12,13]，此法可使竹蔸結(jié)構(gòu)疏解，加速其腐爛消退。本文通過(guò)適度鉆通蔸腔，施放不同濃度的氫氧化鉀溶液，測(cè)定強(qiáng)堿浸蝕后竹蔸理化性狀表現(xiàn)，為竹蔸消退“物理+化學(xué)”人工促進(jìn)技術(shù)研發(fā)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)麻竹林位于四川省隆昌市界市鎮(zhèn)王家寺村，105°18′E，29°28′N(xiāo)。地貌為低丘上坡，海拔352 m，紫色土，pH值7.74。亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，氣候較溫和，四季變化較明顯。最高氣溫為45℃，最低氣溫-2.5℃，多年平均氣溫為17.2℃。多年平均降雨量1 055.4 mm，年最大降雨量為1 560 mm，5—9月為雨季。筍用純林林齡20年以上，林相整齊，長(zhǎng)勢(shì)一般，叢蔸高抬，老竹擇伐期為6年。

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用化學(xué)藥劑：工業(yè)用KOH（純度≥85.0%）。試驗(yàn)對(duì)象：麻竹竹蔸，蔸齡：0.2年～8年，直徑：5.2 cm～16.2 cm，壁厚：2 cm～5.2 cm。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用完全隨機(jī)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，于麻竹林內(nèi)選取根系發(fā)達(dá)、具有生理活性的竹蔸/筍蔸300個(gè)，用竹蔸鉆孔機(jī)適度鉆通節(jié)隔，蔸腔內(nèi)施放藥液促腐。為防止降水對(duì)浸蝕液的稀釋?zhuān)⒈ＷCKOH與空氣中CO2反應(yīng)，在蔸口套袋并扎透氣孔。試驗(yàn)共設(shè)置4種處理：T1僅鑿?fù)ㄖ褫鷻M隔；T2鑿?fù)ㄖ褫鷻M隔后添加0.33 g·mL-1KOH溶液；T3鑿?fù)ㄖ褫鷻M隔后添加0.43 g·mL-1KOH溶液；T4鑿?fù)ㄖ褫鷻M隔后添加0.50 g·mL-1KOH溶液；以未處理竹蔸為對(duì)照（CK）。每處理重復(fù)60次。期間每隔15 d測(cè)一次竹蔸腔體溶液pH值直至穩(wěn)定（pH計(jì)法）。

在處理250d后，選取代表性處理T2、T4、CK各3個(gè)竹蔸，用鏟蔸機(jī)完整挖取、密封帶回拍攝表征照片，鋸開(kāi)后測(cè)刺深，切小塊測(cè)定烘干前后密度，烘后切薄片拍微觀照片，研磨過(guò)100目篩測(cè)木質(zhì)素、纖維素、半纖維素、灰分。刺深用標(biāo)準(zhǔn)美工刀片（尖角為60°、寬9 mm、厚0.4 mm）沿竹壁紋路以60N左右力量刺進(jìn)竹壁，測(cè)量刺入深度；竹蔸密度用重量及排水法測(cè)體積計(jì)算；微觀照片用Leica M205 C實(shí)體解剖顯微鏡拍攝；木質(zhì)素參照GB/T 20805-2006，纖維素、半纖維素參照GB/T20806-2006、NT/T1459-2007，使用JC-18003馬弗爐測(cè)定；灰分參照GB5009.4-2016測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)分析

使用IBM SPSS Statistics 22.0（IBM，USA）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，Origin Pro 2021（Originlab，USA）軟件制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 竹蔸內(nèi)KOH溶液的pH值變化

KOH可以和木質(zhì)素發(fā)生反應(yīng)，破壞木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)[4]。部分KOH與空氣中的CO2發(fā)生反應(yīng)變成K2CO3，使得溶液堿性逐步降低。由圖1可知，KOH溶液施放時(shí)的pH均值為14，在竹蔸內(nèi)經(jīng)過(guò)30d的反應(yīng)均值變?yōu)?.77左右，平均降幅達(dá)37.14%，之后微量波動(dòng)變化。

pH值未持續(xù)降至中性的原因可能與反應(yīng)產(chǎn)生的膠黏性樹(shù)脂狀混合物粘附于內(nèi)壁，阻隔了KOH進(jìn)一步蝕腐溶解竹蔸外壁有關(guān)[12]。同時(shí)蔸口套袋未敞開(kāi)，CO2與KOH溶液反應(yīng)有限，使溶液堿性未持續(xù)下降，一般在pH值穩(wěn)定后拆除套袋即可降至中性。通常來(lái)說(shuō)pH值8.5以下對(duì)動(dòng)植物和土壤不會(huì)有太大不良影響，已適宜多數(shù)環(huán)境微生物的生長(zhǎng)[4]。反應(yīng)生成的碳酸鉀是植物可吸收的鉀肥，加之施放于蔸腔內(nèi)，避免了林地面源污染。

2.2 不同濃度KOH溶液蝕腐后竹蔸的表征變化

堿處理會(huì)導(dǎo)致木質(zhì)素發(fā)生縮合反應(yīng)及其他物質(zhì)的結(jié)構(gòu)變化，使一部分木質(zhì)素形成無(wú)定型結(jié)構(gòu)，破壞原有的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，使材料顏色變深[4,14]。從圖2可以看出，林分環(huán)境下的對(duì)照CK外形完整，顏色灰綠。與對(duì)照相比，強(qiáng)堿浸蝕過(guò)的竹蔸顏色已發(fā)生明顯變化，處理濃度越高結(jié)構(gòu)破壞越強(qiáng)。0.33 g·mL-1KOH處理竹蔸僅內(nèi)壁變軟，0.5 g·mL-1處理竹蔸部分內(nèi)外壁同時(shí)開(kāi)裂破碎。

圖 1 竹蔸內(nèi)KOH溶液pH值變化Fig. 1 Changes of pH value of KOH solution in bamboo stumps

圖 2 林分環(huán)境下和試驗(yàn)室環(huán)境下不同濃度KOH蝕腐后竹蔸的表征變化Fig. 2 Characterization changes of bamboo stumps corroded by different concentrations of KOH in stand environment and laboratory environment

強(qiáng)堿溶液隨著pH值降低僅能進(jìn)行短期蝕腐，使竹蔸生理滅活，顏色變深，內(nèi)壁變軟，但對(duì)外壁及硬度改變不大。圖2顯示腐蝕效果除了強(qiáng)堿蝕腐作用還包括溶液降至中性后的浸泡、自然微生物促腐的共同作用。

2.3 不同濃度KOH溶液蝕腐后竹蔸的微觀形態(tài)變化

從實(shí)體解剖顯微鏡（見(jiàn)圖3）可以看出，KOH溶液處理竹蔸與CK相比，薄壁細(xì)胞皺縮明顯，大面積粘連；顏色逐漸碳化變黑；維管束逐漸剝離坍塌。其中0.33 g·mL-1處理中薄壁細(xì)胞皺縮成團(tuán)，維管束因連接不緊密切片時(shí)脫出形成空洞；0.50 g·mL-1處理微觀結(jié)構(gòu)已完全改變，薄壁細(xì)胞幾乎消失殆盡，維管束嚴(yán)重粘連成絲。這些變化的原因是因?yàn)榧?xì)胞之間的連接物質(zhì)（半纖維素、木質(zhì)素等）減少，造成細(xì)胞間連接強(qiáng)度降低[14,15,16]。

2.4 不同濃度KOH溶液浸蝕后竹蔸的密度變化

堿處理會(huì)增加纖維素之間的空隙度，使細(xì)胞壁膨脹疏松，從而變得松散[4]。從圖4可看出，烘干前，CK結(jié)構(gòu)致密，0.33 g·mL-1處理和0.50 g·mL-1處理因KOH溶液浸蝕結(jié)構(gòu)已變松散，密度分別比CK降低13.04%和8.70%，0.50 g·mL-1處理密度大于0.33 g·mL-1處理可能與薄壁細(xì)胞減少更多，維管束重新緊密黏合有關(guān)。

烘干后，CK因水分流失密度比烘前減少69.57%，而0.33 g·mL-1處理和0.50 g·mL-1處理分別比各自烘前減少23.75%和26.19%，說(shuō)明CK細(xì)胞內(nèi)水分含量更高，被KOH浸蝕后竹蔸的生理活性降低或滅活，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)水分減少，烘干后影響不大。0.33 g·mL-1處理和0.50 g·mL-1處理烘后密度高于CK可能與圖3顯示的處理后竹蔸細(xì)胞重新緊縮排列有關(guān)。0.33 g·mL-1和0.50 g·mL-1處 理 密 度 相 差 不 大，0.50 g·mL-1處理高0.01。

圖 3 林分環(huán)境下不同濃度氫氧化鉀蝕腐后竹蔸的微觀形態(tài)變化Fig. 3 Morphological changes of bamboo stumps corroded by different concentrations of KOH in stand environment

2.5 不同濃度KOH溶液蝕腐后竹蔸的木質(zhì)素、纖維素、半纖維素和灰分變化

酸性洗滌木質(zhì)素（干重占竹蔸23.07%～33.1%）、纖維素（干重占竹蔸21.57%～31.87%）、半纖維素（干重占竹蔸21.43%～25.67%）、灰分（干重占竹蔸6.07%～6.17%）是竹蔸主要化學(xué)成分，堿蝕處理可以使大部分木質(zhì)素和半纖維素溶解析出。同時(shí)破壞細(xì)胞間弱相胞間層，使部分纖維和薄壁細(xì)胞間產(chǎn)生裂縫[17]，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)強(qiáng)度改變，實(shí)現(xiàn)蝕腐效能。

從圖5中可看出，0.33 g·mL-1處理和0.50 g·mL-1處理竹蔸的酸性洗滌木質(zhì)素比CK少30.91%和24.86%，說(shuō)明KOH在減少木質(zhì)素方面起明顯作用。其中0.33 g·mL-1處理蝕腐去除的木質(zhì)素低于0.50 g·mL-1。

纖維素具有低反應(yīng)活性能夠有效避免嚴(yán)重解聚[13]，所以纖維素受KOH影響較小。圖5顯示，隨著處理濃度的增大，被處理竹蔸的纖維素未降反升，都比CK更高，0.33 g·mL-1處理的纖維素含量最高。

堿處理可大量釋放半纖維素[16,18]。分析認(rèn)為，竹蔸中半纖維素受KOH溶液影響較大，0.33 g·mL-1處理和0.50 g·mL-1竹蔸的半纖維素比CK減少72.94%和69.81%，其中0.33 g·mL-1l處理減少最多。

植物在高溫時(shí)會(huì)發(fā)生一系列物理和化學(xué)變化，使有機(jī)成分揮發(fā)逸散，無(wú)機(jī)成分殘留下來(lái)形成灰分[19]。如圖所示，被KOH溶液浸蝕的竹蔸灰分值都明顯增高，其中0.33 g·mL-1處理和0.50 g·mL-1處理竹蔸的灰分分別比CK增高171.15%、225.77%，說(shuō)明KOH對(duì)竹蔸中碳、氫、氧、氮等元素的滅失作用顯著。

3 結(jié)論及討論

林分環(huán)境下KOH溶液蝕腐竹蔸的效能明顯，經(jīng)過(guò)處理的竹蔸腐爛加速、結(jié)構(gòu)疏松，木質(zhì)素及半纖維素含量降低。試驗(yàn)條件下，0.50 g·mL-1KOH溶液處理蝕腐效果最好。

基于穩(wěn)妥原則，本次試驗(yàn)氫氧化鉀溶液濃度最高設(shè)置為0.50 g·mL-1。因堿性降低較快、堿液濃度較低等原因，強(qiáng)堿的短期浸蝕僅加速了竹蔸生理滅活，軟化了蔸腔內(nèi)壁硬度，對(duì)竹蔸外壁的結(jié)構(gòu)及硬度改變不大，竹蔸腐爛消退尚待林地微生物對(duì)其進(jìn)行降解。若開(kāi)展KOH濃度水平和內(nèi)外壁均用堿液處理的室內(nèi)試驗(yàn)，可進(jìn)一步探索竹蔸蝕腐效率的最佳處理組合。此外，尚需開(kāi)展林分條件下的蔸齡水平處理，叢蔸結(jié)構(gòu)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)破解等試驗(yàn)。堿液浸蝕蔸腔，KOH通過(guò)與木質(zhì)素、半纖維素、CO2反應(yīng)中和了堿性，反應(yīng)產(chǎn)物K2CO3等亦可滿足竹叢生長(zhǎng)的鉀肥需求，規(guī)避了面源污染，呈現(xiàn)環(huán)境友好狀態(tài)。若林地酸化，用堿液噴施竹蔸外壁可加速竹蔸瓦解，并在一定意義上改良土壤。此外，利用適量堿液初步蝕腐竹蔸，在蔸腔內(nèi)繼續(xù)施用木質(zhì)素降解菌[20]或生物菌肥或生產(chǎn)食用菌，形成更為綠色環(huán)保的“物理+化學(xué)+生物”的叢生竹叢蔸高抬消退技術(shù)，無(wú)疑對(duì)低效叢生竹竹林復(fù)壯、竹林復(fù)合經(jīng)營(yíng)有著科學(xué)和現(xiàn)實(shí)的意義。