不同处理方式对互叶白千层精油提取剩余物分解的影响

杨 航， 何介南， 罗 航， 陈 姣， 刘宇娟

(1.中南林业科技大学林学院， 湖南 长沙 410004； 2.湖南华容东湖国家湿地公园管理所， 湖南 岳阳 414200)

植物提取剩余物是植物经过物理、化学分离提取后剩余的固体物质[1]，主要包括枝叶渣[2]、果渣[3]、茶渣[4]和草药渣[5]等，其营养成分以纤维素为主，含有一定的粗蛋白、粗脂肪和糖类物质，还含有大量非挥发性活性成分，如黄酮类、多酚类、有机酸、生物碱和矿物质等[6]。植物提取剩余物的再利用一般包括制作动物饲料[7]、制备食用菌培养基质[8]、热解资源化利用[9]、制作生物绿肥[10]、还田还林[11]等途径。然而在实际生产活动中，大量植物提取剩余物被随意堆弃焚烧或填埋，存在资源严重浪费的问题[12]。植物提取剩余物还田还林是一种操作简单、有效的再利用方式，然而其在林下环境中的分解过程和养分释放情况却鲜有报道。参照其他林业剩余物分解的有关研究，除气候条件、林分类型、剩余物理化特性、剩余物处理方式、土壤理化性质、土壤微生物种类和多样性等是影响林下剩余物分解效率的主要因素外[13-15]，人工活动如物理粉碎、菌剂发酵、添加氮素等也能影响林下剩余物的分解效率[16-18]。

互叶白千层(Melaleucaalternifolia)为桃金娘科(Myrtales)白千层属(Melaleucas)植物，原产自澳大利亚东南部，因此得名澳洲茶树，是一种具有较高观赏性能和药用价值的经济林树种[19]，上世纪九十年代引种进入国内，在我国湘、粤、琼、闽等东南低山丘陵区广泛栽培[20]。取1～2年生互叶白千层新鲜枝叶，通过蒸馏、萃取等工艺后可获取其精油(TTO，Tea tree oil)[21]，其是一种以松油醇(Terpineol)、桉叶素(Cineole)为主要成分且具有消炎、杀菌等功能的植物提取物[22-23]，可广泛应用于抗癌细胞[24]、抑菌消炎[25]、食品防腐[26]、抗氧化[27]等多个领域。

互叶白千层提取精油所产生的大量枝叶残留物被随意露天堆弃，在挤占空间的同时造成大量资源浪费。因此，本研究对互叶白千层精油提取剩余物进行了机械粉碎、添加氮素、菌剂发酵和添加木醋液4种处理，探究不同处理方式下互叶白千层精油提取剩余物分解速率上的差异，为实现互叶白千层精油提取剩余物科学还林提供理论依据。

1 试验地概况

试验地位于湖南省宁远县宁远兴泰生物科技有限公司的互叶白千层标准试验田(112°12′42″E，25°39′51″N)，海拔271 m，为典型亚热带季风气候，春夏湿润多雨，秋冬温润少寒，多年平均降雨量超1400mm，年均气温19.3℃，日照时数长，无霜期短；地带性土壤以红壤为主，夹杂少量鹅卵石，质地黏重，酸性较强，腐殖质层薄，土层厚度0.6～2.0m。试验田内为2年生互叶白千层人工林，林下植被以禾本科铺地黍(Panicumrepens)、狗尾草(Setariaviridis)、菊科黄花蒿(Artemisiaannua)、苦苣菜(Sonchusoleraceus)和锦葵科苘麻(Abutilontheophrasti)为主。标准试验田基本概况如表1所示。

表1 标准试验田林木和土壤概况Tab.1 General situation of trees and soil in standard plots指标林木土壤树高/m胸径/cm有机质/(g·kg-1)全氮/(g·kg-1)有效磷/(mg·kg-1)速效钾/(mg·kg-1)数值2.65±0.383.43±0.2912.40±1.431.29±0.184.36±0.7187.30±10.40

2 材料与方法

2.1 试验材料与仪器

试验材料为2年生互叶白千层精油提取剩余物(经过水蒸气蒸馏后所剩余的残留物)，其品种为松油醇-4型。剩余物组成主要为树叶和树枝，叶片脱落呈离散状态，且大部分断裂破碎，树枝则不均匀开裂、断裂，其尺寸多为10～30 cm。剩余物初始化学性质见表2，其中C、N、P、K含量均为全量。

试验辅助材料情况如下： N素为宜化尿素，N含量≥45%，产地为湖北宜昌；菌剂为山东君德EM堆肥菌，产地为山东潍坊；木醋液为俍顼实业木醋液，产地为上海；粉碎机为昆正园林枝叶粉碎机(型号：YH195F/1)；尼龙网袋规格为18目，孔径1 mm。

表2 互叶白千层精油提取剩余物初始化学性质Tab.2 Initial chemical properties of Melaleuca alternifolia residues养分元素C /(g·kg-1)N/(g·kg-1)P/(g·kg-1)K/(g·kg-1)C∶N数值463.20±5.7012.70±1.640.18±0.041.90±0.2436.50±2.51

2.2 试验设计

2020年5月，选择立地条件相同、树龄和栽培密度相同、生长状态良好的2年生互叶白千层人工林标准试验田(10 m×10 m)为试验用地，设计包括对照组在内共5个组别，分别为CK组、S组、N组、EM组、V组，每个组别各布设3块试验田，共计15块。试验田基本概况如表1所示。各组均采用分解袋法对互叶白千层精油提取剩余物进行分解试验。在林下分解试验开始前，先将互叶白千层精油提取剩余物进行风干，使含水率≤5%，并按表3的方式分别进行处理。试验开始后，每隔30d进行一次取样，每个处理取样10袋(每个试验田3～4袋)，测定互叶白千层精油提取剩余物质量残留率。

表3 试验设计Tab.3 Test design代号 处理使用方法质量/kg数量/袋CK对照不做处理1060S物理粉碎长度≤10 cm1060NN添加C∶N=15∶11060EMEM菌剂1∶2 0001060V木醋液1∶5001060

各处理安排如下：CK组，将风干后的互叶白千层精油提取剩余物装入尼龙网袋中，每袋10kg，共计60袋，取5L纯水喷洒在每袋剩余物表面，再随机平铺在3块试验田内；S组，将风干后的互叶白千层精油提取剩余物用粉碎机进行粉碎，确保树枝长度≤10 cm，每袋10 kg，共计60袋，取5L纯水喷洒在每袋剩余物表面，再随机平铺在3块试验田内；N组，先将风干后的互叶白千层精油提取剩余物装入尼龙网袋中，每袋10 kg，共计60袋，再取尿素4 kg完全溶解在5 L纯水中，均匀喷洒在每袋剩余物表面，将剩余物的C∶N比大致调整为15∶1，再随机平铺在3块试验田内；EM组，将风干后的互叶白千层精油提取剩余物装入尼龙网袋中，每袋10 kg，共计60袋，再取EM菌剂30 g溶解在5 L纯水中，均匀喷洒在每袋剩余物表面，自然发酵48 h后，随机平铺在3块试验田内；V组，将风干后的互叶白千层精油提取剩余物装入尼龙网袋中，每袋10 kg，共计60袋，取120 mL木醋液完全溶解在5 L纯水中，均匀喷洒在每袋剩余物表面，自然发酵48 h后，随机平铺在3块试验田内。

2.3 指标计算方法

质量残留率：

(1)

式中：y表示互叶白千层精油提取剩余物分解质量残留率(%)；Mi表示各次取样时，残留剩余物的质量(kg)；M0表示剩余物的初始质量(kg)。

Olson指数衰减模型：

y=ae-kt

(2)

式中：y表示互叶白千层精油提取剩余物分解t时间后的质量残留率(%)；a为拟合参数；k为分解系数(kg·kg-1·a-1)；t为时间(a)。

2.4 数据分析和处理

使用Excel 2019软件对数据进行汇总、统计和分析；使用Origin 2019b软件进行图像绘制和剩余物残留率曲线拟合；根据拟合所得到的Olson指数衰减模型，使用Excel 2019软件预测剩余物分解50%(T0.5)和95%(T0.95)所需的时间。

3 结果与分析

3.1 互叶白千层精油提取剩余物质量残留率

由图1可知，随着试验时间的增加，5个处理组剩余物质量残留率逐渐下降，而累计分解率和年均分解质量如图2所示。试验至90 d时，5个处理组互叶白千层精油提取剩余物质量残留率依次为：CK(85.8%)>N添加(85.2%)=木醋液(85.2%)>物理粉碎(82.4%)>EM菌剂(75.1%);与对照组相比，S组、N组、EM组和V组的累计分解率分别提升了3.4 %、0.6 %、10.7 %和0.6 %。试验至180 d时，对照组和4个处理组互叶白千层剩余物质量残留率依次为CK(75.2%)>N添加(71.8%)>木醋液(68.3%)>物理粉碎(64.9%)>EM菌剂(53.2%)；与对照组相比，S组、N组、EM组和V组的累计分解率分别增加了10.3 %、3.4 %、22.0 %和6.9 %。此外，CK组、S组、N组、EM组和V组的年均分解质量分别为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。可见,5个处理组在不同程度上促进了互叶白千层精油提取剩余物的分解速率，其中EM组(EM菌剂)的促进分解效果最好，其次为S组(物理粉碎)。

图1 不同处理下互叶白千层精油提取剩余物质量残留率Fig.1 Mass residue rate of essential oil extraction residues from Melaleuca alternifolia under different treatments

图2 不同处理下互叶白千层精油提取剩余物累计分解率和年均分解质量Fig.2 Cumulative decomposition rate and average annual decomposition quality of Melaleuca alternifolia residues under different treatments

3.2 互叶白千层精油提取剩余物Olson分解速率模型

用Olson分解速率模型对5种处理方式下互叶白千层精油提取剩余物分解情况进行了拟合，结果如表4所示，拟合效果较好，R2≥0.857。根据拟合方程，计算得到5个处理组剩余物分解50%所需的时间依次为EM菌剂(0.56 a)<物理粉碎(0.81 a)<木醋液(0.88 a)

表4 不同处理下互叶白千层精油提取剩余物Olson分解速率模型Tab.4 Olson decomposition rate model of essential oil res-idues from Melaleuca alternifolia under different treatments处理方程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水平下双侧显著;∗表示在0.05水平下双侧显著。

4 结论与讨论

4种处理方式(对照除外)均能促进互叶白千层精油提取剩余物的分解速率，其中使用EM菌剂促进分解的效果最好，分解95%所用时间仅为2.41 a，与对照组相比缩短了2.26 a。在实践中，可以在互叶白千层精油提取剩余物表面喷施EM菌剂并稍作发酵后还林，能够丰富林地微生物群落，促进剩余物养分回归林地土壤。

研究发现，大部分情况下，叶、皮分解速率总是快于枝、干，这与前者木质纤维少有关[28]，也与前者单位质量表面积大有关，更利于微生物的附着和分解、粉碎剩余物并促进其分解，本研究也证实了这点。N添加改善了剩余物的C∶N值，同时也改善了微生物繁殖的营养条件。然而，本研究中，互叶白千层精油提取剩余物表面喷洒尿素对于促进剩余物分解效果并不明显，这可能与试验田2年生互叶白千层人工林冠幅小、降水穿透量大而导致N素流失有关。EM菌剂富含活化的酵母菌、乳酸菌、曲霉菌等，喷洒在剩余物表面，相较环境所提供的少量自然菌群，其促进互叶白千层精油提取剩余物分解的效果明显[29]。木醋液富含K、Fe、Mg等矿物质和维生素B，对于促进剩余物发酵、分解也具有一定作用[30]。

本研究中，互叶白千层精油提取剩余物的分解与许多人工林采伐或抚育剩余物分解有较大差异，在分解95%所用时间上仅需2.41～4.67 a，与桉树(Eucalyptus)的3.56～11.84 a[14]、杉木(Cunninghamialanceolata)的7.10～10.90 a[28]相比明显偏低，除了与剩余物本身的理化性质、所处的自然环境有关外，还可能与加工后的剩余物更加破碎有关，更有利于剩余物充分接触空气、水分、土壤等环境因子，从而加速其分解[31]。

本研究也存在一些不足，仅大致比较了5种处理方式对互叶白千层精油提取剩余物分解速率的影响。除对照组外，其余4种处理方式，如机械破碎的程度、C∶N调节的比例、EM菌剂类型和使用数量、木醋液的浓度和使用数量均可能对互叶白千层剩余物分解造成影响。由于条件限制，以上变化情况均未纳入本研究的范围之内，后续还可以开展更为细致的研究。