楊 航， 何介南， 羅 航， 陳 姣， 劉宇娟

(1.中南林業(yè)科技大學(xué)林學(xué)院， 湖南 長沙 410004； 2.湖南華容東湖國家濕地公園管理所， 湖南 岳陽 414200)

植物提取剩余物是植物經(jīng)過物理、化學(xué)分離提取后剩余的固體物質(zhì)[1]，主要包括枝葉渣[2]、果渣[3]、茶渣[4]和草藥渣[5]等，其營養(yǎng)成分以纖維素為主，含有一定的粗蛋白、粗脂肪和糖類物質(zhì)，還含有大量非揮發(fā)性活性成分，如黃酮類、多酚類、有機(jī)酸、生物堿和礦物質(zhì)等[6]。植物提取剩余物的再利用一般包括制作動物飼料[7]、制備食用菌培養(yǎng)基質(zhì)[8]、熱解資源化利用[9]、制作生物綠肥[10]、還田還林[11]等途徑。然而在實(shí)際生產(chǎn)活動中，大量植物提取剩余物被隨意堆棄焚燒或填埋，存在資源嚴(yán)重浪費(fèi)的問題[12]。植物提取剩余物還田還林是一種操作簡單、有效的再利用方式，然而其在林下環(huán)境中的分解過程和養(yǎng)分釋放情況卻鮮有報道。參照其他林業(yè)剩余物分解的有關(guān)研究，除氣候條件、林分類型、剩余物理化特性、剩余物處理方式、土壤理化性質(zhì)、土壤微生物種類和多樣性等是影響林下剩余物分解效率的主要因素外[13-15]，人工活動如物理粉碎、菌劑發(fā)酵、添加氮素等也能影響林下剩余物的分解效率[16-18]。

互葉白千層(Melaleucaalternifolia)為桃金娘科(Myrtales)白千層屬(Melaleucas)植物，原產(chǎn)自澳大利亞東南部，因此得名澳洲茶樹，是一種具有較高觀賞性能和藥用價值的經(jīng)濟(jì)林樹種[19]，上世紀(jì)九十年代引種進(jìn)入國內(nèi)，在我國湘、粵、瓊、閩等東南低山丘陵區(qū)廣泛栽培[20]。取1～2年生互葉白千層新鮮枝葉，通過蒸餾、萃取等工藝后可獲取其精油(TTO，Tea tree oil)[21]，其是一種以松油醇(Terpineol)、桉葉素(Cineole)為主要成分且具有消炎、殺菌等功能的植物提取物[22-23]，可廣泛應(yīng)用于抗癌細(xì)胞[24]、抑菌消炎[25]、食品防腐[26]、抗氧化[27]等多個領(lǐng)域。

互葉白千層提取精油所產(chǎn)生的大量枝葉殘留物被隨意露天堆棄，在擠占空間的同時造成大量資源浪費(fèi)。因此，本研究對互葉白千層精油提取剩余物進(jìn)行了機(jī)械粉碎、添加氮素、菌劑發(fā)酵和添加木醋液4種處理，探究不同處理方式下互葉白千層精油提取剩余物分解速率上的差異，為實(shí)現(xiàn)互葉白千層精油提取剩余物科學(xué)還林提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于湖南省寧遠(yuǎn)縣寧遠(yuǎn)興泰生物科技有限公司的互葉白千層標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)田(112°12′42″E，25°39′51″N)，海拔271 m，為典型亞熱帶季風(fēng)氣候，春夏濕潤多雨，秋冬溫潤少寒，多年平均降雨量超1400mm，年均氣溫19.3℃，日照時數(shù)長，無霜期短；地帶性土壤以紅壤為主，夾雜少量鵝卵石，質(zhì)地黏重，酸性較強(qiáng)，腐殖質(zhì)層薄，土層厚度0.6～2.0m。試驗(yàn)田內(nèi)為2年生互葉白千層人工林，林下植被以禾本科鋪地黍(Panicumrepens)、狗尾草(Setariaviridis)、菊科黃花蒿(Artemisiaannua)、苦苣菜(Sonchusoleraceus)和錦葵科苘麻(Abutilontheophrasti)為主。標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)田基本概況如表1所示。

表1 標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)田林木和土壤概況Tab.1 General situation of trees and soil in standard plots指標(biāo)林木土壤樹高/m胸徑/cm有機(jī)質(zhì)/(g·kg-1)全氮/(g·kg-1)有效磷/(mg·kg-1)速效鉀/(mg·kg-1)數(shù)值2.65±0.383.43±0.2912.40±1.431.29±0.184.36±0.7187.30±10.40

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料與儀器

試驗(yàn)材料為2年生互葉白千層精油提取剩余物(經(jīng)過水蒸氣蒸餾后所剩余的殘留物)，其品種為松油醇-4型。剩余物組成主要為樹葉和樹枝，葉片脫落呈離散狀態(tài)，且大部分?jǐn)嗔哑扑椋瑯渲t不均勻開裂、斷裂，其尺寸多為10～30 cm。剩余物初始化學(xué)性質(zhì)見表2，其中C、N、P、K含量均為全量。

試驗(yàn)輔助材料情況如下： N素為宜化尿素，N含量≥45%，產(chǎn)地為湖北宜昌；菌劑為山東君德EM堆肥菌，產(chǎn)地為山東濰坊；木醋液為俍頊實(shí)業(yè)木醋液，產(chǎn)地為上海；粉碎機(jī)為昆正園林枝葉粉碎機(jī)(型號：YH195F/1)；尼龍網(wǎng)袋規(guī)格為18目，孔徑1 mm。

表2 互葉白千層精油提取剩余物初始化學(xué)性質(zhì)Tab.2 Initial chemical properties of Melaleuca alternifolia residues養(yǎng)分元素C /(g·kg-1)N/(g·kg-1)P/(g·kg-1)K/(g·kg-1)C∶N數(shù)值463.20±5.7012.70±1.640.18±0.041.90±0.2436.50±2.51

2.2 試驗(yàn)設(shè)計

2020年5月，選擇立地條件相同、樹齡和栽培密度相同、生長狀態(tài)良好的2年生互葉白千層人工林標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)田(10 m×10 m)為試驗(yàn)用地，設(shè)計包括對照組在內(nèi)共5個組別，分別為CK組、S組、N組、EM組、V組，每個組別各布設(shè)3塊試驗(yàn)田，共計15塊。試驗(yàn)田基本概況如表1所示。各組均采用分解袋法對互葉白千層精油提取剩余物進(jìn)行分解試驗(yàn)。在林下分解試驗(yàn)開始前，先將互葉白千層精油提取剩余物進(jìn)行風(fēng)干，使含水率≤5%，并按表3的方式分別進(jìn)行處理。試驗(yàn)開始后，每隔30d進(jìn)行一次取樣，每個處理取樣10袋(每個試驗(yàn)田3～4袋)，測定互葉白千層精油提取剩余物質(zhì)量殘留率。

表3 試驗(yàn)設(shè)計Tab.3 Test design代號 處理使用方法質(zhì)量/kg數(shù)量/袋CK對照不做處理1060S物理粉碎長度≤10 cm1060NN添加C∶N=15∶11060EMEM菌劑1∶2 0001060V木醋液1∶5001060

各處理安排如下：CK組，將風(fēng)干后的互葉白千層精油提取剩余物裝入尼龍網(wǎng)袋中，每袋10kg，共計60袋，取5L純水噴灑在每袋剩余物表面，再隨機(jī)平鋪在3塊試驗(yàn)田內(nèi)；S組，將風(fēng)干后的互葉白千層精油提取剩余物用粉碎機(jī)進(jìn)行粉碎，確保樹枝長度≤10 cm，每袋10 kg，共計60袋，取5L純水噴灑在每袋剩余物表面，再隨機(jī)平鋪在3塊試驗(yàn)田內(nèi)；N組，先將風(fēng)干后的互葉白千層精油提取剩余物裝入尼龍網(wǎng)袋中，每袋10 kg，共計60袋，再取尿素4 kg完全溶解在5 L純水中，均勻噴灑在每袋剩余物表面，將剩余物的C∶N比大致調(diào)整為15∶1，再隨機(jī)平鋪在3塊試驗(yàn)田內(nèi)；EM組，將風(fēng)干后的互葉白千層精油提取剩余物裝入尼龍網(wǎng)袋中，每袋10 kg，共計60袋，再取EM菌劑30 g溶解在5 L純水中，均勻噴灑在每袋剩余物表面，自然發(fā)酵48 h后，隨機(jī)平鋪在3塊試驗(yàn)田內(nèi)；V組，將風(fēng)干后的互葉白千層精油提取剩余物裝入尼龍網(wǎng)袋中，每袋10 kg，共計60袋，取120 mL木醋液完全溶解在5 L純水中，均勻噴灑在每袋剩余物表面，自然發(fā)酵48 h后，隨機(jī)平鋪在3塊試驗(yàn)田內(nèi)。

2.3 指標(biāo)計算方法

質(zhì)量殘留率：

(1)

式中：y表示互葉白千層精油提取剩余物分解質(zhì)量殘留率(%)；Mi表示各次取樣時，殘留剩余物的質(zhì)量(kg)；M0表示剩余物的初始質(zhì)量(kg)。

Olson指數(shù)衰減模型：

y=ae-kt

(2)

式中：y表示互葉白千層精油提取剩余物分解t時間后的質(zhì)量殘留率(%)；a為擬合參數(shù)；k為分解系數(shù)(kg·kg-1·a-1)；t為時間(a)。

2.4 數(shù)據(jù)分析和處理

使用Excel 2019軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總、統(tǒng)計和分析；使用Origin 2019b軟件進(jìn)行圖像繪制和剩余物殘留率曲線擬合；根據(jù)擬合所得到的Olson指數(shù)衰減模型，使用Excel 2019軟件預(yù)測剩余物分解50%(T0.5)和95%(T0.95)所需的時間。

3 結(jié)果與分析

3.1 互葉白千層精油提取剩余物質(zhì)量殘留率

由圖1可知，隨著試驗(yàn)時間的增加，5個處理組剩余物質(zhì)量殘留率逐漸下降，而累計分解率和年均分解質(zhì)量如圖2所示。試驗(yàn)至90 d時，5個處理組互葉白千層精油提取剩余物質(zhì)量殘留率依次為：CK(85.8%)>N添加(85.2%)=木醋液(85.2%)>物理粉碎(82.4%)>EM菌劑(75.1%);與對照組相比，S組、N組、EM組和V組的累計分解率分別提升了3.4 %、0.6 %、10.7 %和0.6 %。試驗(yàn)至180 d時，對照組和4個處理組互葉白千層剩余物質(zhì)量殘留率依次為CK(75.2%)>N添加(71.8%)>木醋液(68.3%)>物理粉碎(64.9%)>EM菌劑(53.2%)；與對照組相比，S組、N組、EM組和V組的累計分解率分別增加了10.3 %、3.4 %、22.0 %和6.9 %。此外，CK組、S組、N組、EM組和V組的年均分解質(zhì)量分別為0.468～0.568 kg·kg-1·a-1、0.576～0.737 kg·kg-1·a-1、0.516～0.612 kg·kg-1·a-1、0.936～1.008 kg·kg-1·a-1、0.546～0.653 kg·kg-1·a-1?？梢?5個處理組在不同程度上促進(jìn)了互葉白千層精油提取剩余物的分解速率，其中EM組(EM菌劑)的促進(jìn)分解效果最好，其次為S組(物理粉碎)。

圖1 不同處理下互葉白千層精油提取剩余物質(zhì)量殘留率Fig.1 Mass residue rate of essential oil extraction residues from Melaleuca alternifolia under different treatments

圖2 不同處理下互葉白千層精油提取剩余物累計分解率和年均分解質(zhì)量Fig.2 Cumulative decomposition rate and average annual decomposition quality of Melaleuca alternifolia residues under different treatments

3.2 互葉白千層精油提取剩余物Olson分解速率模型

用Olson分解速率模型對5種處理方式下互葉白千層精油提取剩余物分解情況進(jìn)行了擬合，結(jié)果如表4所示，擬合效果較好，R2≥0.857。根據(jù)擬合方程，計算得到5個處理組剩余物分解50%所需的時間依次為EM菌劑(0.56 a)<物理粉碎(0.81 a)<木醋液(0.88 a)

表4 不同處理下互葉白千層精油提取剩余物Olson分解速率模型Tab.4 Olson decomposition rate model of essential oil res-idues from Melaleuca alternifolia under different treatments處理方程R2T0.5 /aT0.95 /aCKy=100.0 e-0.642 t0.952??1.084.67Sy=99.8 e-0.854 t0.913??0.813.51Ny=99.7 e-0.742 t0.925??0.934.04EMy=100.3 e-1.244 t0.931??0.562.41Vy=99.8 e-0.785 t0.857?0.883.82 注:??表示在0.01水平下雙側(cè)顯著;?表示在0.05水平下雙側(cè)顯著。

4 結(jié)論與討論

4種處理方式(對照除外)均能促進(jìn)互葉白千層精油提取剩余物的分解速率，其中使用EM菌劑促進(jìn)分解的效果最好，分解95%所用時間僅為2.41 a，與對照組相比縮短了2.26 a。在實(shí)踐中，可以在互葉白千層精油提取剩余物表面噴施EM菌劑并稍作發(fā)酵后還林，能夠豐富林地微生物群落，促進(jìn)剩余物養(yǎng)分回歸林地土壤。

研究發(fā)現(xiàn)，大部分情況下，葉、皮分解速率總是快于枝、干，這與前者木質(zhì)纖維少有關(guān)[28]，也與前者單位質(zhì)量表面積大有關(guān)，更利于微生物的附著和分解、粉碎剩余物并促進(jìn)其分解，本研究也證實(shí)了這點(diǎn)。N添加改善了剩余物的C∶N值，同時也改善了微生物繁殖的營養(yǎng)條件。然而，本研究中，互葉白千層精油提取剩余物表面噴灑尿素對于促進(jìn)剩余物分解效果并不明顯，這可能與試驗(yàn)田2年生互葉白千層人工林冠幅小、降水穿透量大而導(dǎo)致N素流失有關(guān)。EM菌劑富含活化的酵母菌、乳酸菌、曲霉菌等，噴灑在剩余物表面，相較環(huán)境所提供的少量自然菌群，其促進(jìn)互葉白千層精油提取剩余物分解的效果明顯[29]。木醋液富含K、Fe、Mg等礦物質(zhì)和維生素B，對于促進(jìn)剩余物發(fā)酵、分解也具有一定作用[30]。

本研究中，互葉白千層精油提取剩余物的分解與許多人工林采伐或撫育剩余物分解有較大差異，在分解95%所用時間上僅需2.41～4.67 a，與桉樹(Eucalyptus)的3.56～11.84 a[14]、杉木(Cunninghamialanceolata)的7.10～10.90 a[28]相比明顯偏低，除了與剩余物本身的理化性質(zhì)、所處的自然環(huán)境有關(guān)外，還可能與加工后的剩余物更加破碎有關(guān)，更有利于剩余物充分接觸空氣、水分、土壤等環(huán)境因子，從而加速其分解[31]。

本研究也存在一些不足，僅大致比較了5種處理方式對互葉白千層精油提取剩余物分解速率的影響。除對照組外，其余4種處理方式，如機(jī)械破碎的程度、C∶N調(diào)節(jié)的比例、EM菌劑類型和使用數(shù)量、木醋液的濃度和使用數(shù)量均可能對互葉白千層剩余物分解造成影響。由于條件限制，以上變化情況均未納入本研究的范圍之內(nèi)，后續(xù)還可以開展更為細(xì)致的研究。