薄殼山核桃青皮分解及養(yǎng)分釋放規(guī)律

侯 婷，袁 軍，周文君，李 俊，周乃富

（1.中南林業(yè)科技大學(xué) 林學(xué)院，湖南 長沙 410004；2.湖南省水資源研究和利用合作中心，湖南 長沙 410031）

【研究意義】植物殘體是植物在生長發(fā)育過程中新陳代謝的產(chǎn)物，其分解是生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)的重要環(huán)節(jié)，也是維持土壤肥力的基礎(chǔ)。在分解過程中逐漸把養(yǎng)分歸還給土壤，對增強(qiáng)土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，減少水土流失，改善微生物活性等方面發(fā)揮重要作用[1-3]。由于不同植物殘體的化學(xué)組成不同，影響分解過程的因素又復(fù)雜多樣，與其本身的理化性質(zhì)以及外界條件等因素密切相關(guān)，因此不同分解物分解過程的研究結(jié)果存在差異[4-7]。【前人研究進(jìn)展】薄殼山核桃（Carya illinoensis）又名長山核桃、美國山核桃、碧根果，原產(chǎn)美國和墨西哥，于1900 年左右引入我國，是國內(nèi)外廣泛種植的一種優(yōu)良的果材兼用樹種[8]。通過上百年的引種栽培及示范推廣，目前薄殼山核桃在我國生產(chǎn)發(fā)展較為迅速[9]。近年來，薄殼山核桃種植面積和區(qū)域不斷增加，據(jù)統(tǒng)計，目前薄殼山核桃種植面積約20 萬hm2，盛產(chǎn)期薄殼山核桃青皮產(chǎn)量將達(dá)18 萬t，同時栽培繁育手段的發(fā)展也促進(jìn)了薄殼山核桃的品質(zhì)和產(chǎn)量，隨之而來的是薄殼山核桃外果皮廢棄物的問題。薄殼山核桃外果皮現(xiàn)如今雖利用程度不高，但通過前人的研究表明，它可以被用于多個方面。Novak 等[10]研究了薄殼山核桃的外果皮在700 ℃下熱解，可以形成生物炭，能有效提高土壤中的碳含量，并且對土壤的聚合、滲透和持水能力有一定的改善作用。Vaghett等[11-12]采用動力學(xué)模型研究了薄殼山核桃外殼作為生物吸收劑吸收溶液中Cr3+、Fe3+、Zn2+、Cu2+、Mn2+、Pb2+等的作用，發(fā)現(xiàn)其對這些有毒重屬物質(zhì)均具有較好的吸收作用。梁瓊[13]研究表明，從薄殼山核桃外果皮中提取出的酚類化合物對植物炭疽病菌、腐爛病菌等具有良好的抑制作用?！颈狙芯壳腥朦c】薄殼山核桃外果皮又叫做青龍衣、青皮[14]，通常情況下薄殼山核桃廢棄青皮通過焚燒或堆棄的方式處理，處理方法極不科學(xué)，造成資源浪費。不僅造成環(huán)境的巨大壓力，對人體的健康問題也產(chǎn)生一定程度的威脅[15]。目前有大量文獻(xiàn)研究山核桃的生長發(fā)育規(guī)律，而對薄殼山核桃青皮分解的研究卻鮮見報道?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究以粉碎后的薄殼山核桃青皮為試驗材料，采用尼龍網(wǎng)袋原位分解法研究青皮的干物質(zhì)分解和養(yǎng)分釋放規(guī)律，分析不同還田位置對青皮分解的影響。如能充分利用薄殼山核桃青皮分解規(guī)律，對薄殼山核桃青皮的再利用不僅能變廢為寶，更利于生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，以期為緩解環(huán)境壓力和能源危機(jī)提供參考資料。

1 材料與方法

1.1 樣地概況

試驗地點位于中南林業(yè)科技大學(xué)春暉山（28°8′N，112°59′E，海拔110 m）。該地為典型的亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，年平均氣溫17.2 ℃，冬季平均氣溫4.6 ℃，無霜期年平均279.3 d，平均總降水量1 422.4 mm，冬春季節(jié)多雨，夏秋季節(jié)高溫少雨，日照年平均1 726 h。土壤類型為第四紀(jì)酸性紅壤，原生植被為亞熱帶常綠闊葉林。

1.2 試驗材料

試驗材料為薄殼山核桃‘金華’青皮，于2020 年12 月采集于云南省林業(yè)科學(xué)院漾濞核桃研究院。采集后首先將薄殼山核桃進(jìn)行剝殼處理，將剝離的青皮放入高速粉碎機(jī)進(jìn)行粉碎，得到的粉碎物再使用20 目篩網(wǎng)進(jìn)行過篩，之后放入大小11 cm×17 cm，孔徑0.178 mm 大小的尼龍網(wǎng)分解袋中，每袋準(zhǔn)確稱取30.0 g。表1 為薄殼山核桃青皮初始養(yǎng)分含量。

表1 薄殼山核桃青皮的初始化學(xué)組成Tab.1 Initial chemical composition of Carya illinoensis husks

1.3 試驗設(shè)計

在春暉山選取一塊較為平整的試驗地，向下挖掘30 cm，將24個內(nèi)徑20 cm，高30 cm的pvc管隨機(jī)放入試驗地，確保在試驗地中分布均勻，且與地表平行，每個管子之間間隔20 cm，回填原土。將之前粉碎過篩處理的薄殼山核桃青皮分為24個尼龍網(wǎng)袋，樣地劃分為2個處理組，第1個處理組將12個網(wǎng)袋直接放置在pvc 管土柱的上層，即地表處理，用網(wǎng)紗覆蓋，橡皮筋固定。第2 個處理組將另外12 個網(wǎng)袋放入pvc管子中部10 cm，即覆土處理。

2020 年12 月21 日，將樣品置于樣地。試驗地中尼龍網(wǎng)袋的收集始于2021 年3 月21 日，為第1 次收集，此后每90 d收集1次。試驗開始后分別于第3、6、9、12個月共4次進(jìn)行對角線收集，取樣時抖落尼龍網(wǎng)袋上附著的土壤和雜物，每次每處理各取3個重復(fù)，共計6袋，帶回實驗室。

1.4 指標(biāo)測定

將取回的分解網(wǎng)袋裝于紙質(zhì)信封袋中置于60 ℃烘箱中烘干至恒重，用精度到萬分之一的分析天平稱量網(wǎng)袋中剩余青皮的質(zhì)量，計算青皮干物質(zhì)殘留率。青皮總有機(jī)碳（TOC）含量采用重鉻酸鉀氧化-分光光度法測定。將青皮用濃硫酸-雙氧水消解至澄清后用于其他元素含量的測定，氮（N）、磷（P）含量采用全自動間斷式化學(xué)分析儀測定，鉀（K）含量采用火焰光度計測定。

采用Olson負(fù)指數(shù)衰減模型[16]對青皮分解過程進(jìn)行擬合，公式為：

式（1）中，y為青皮干物質(zhì)月殘留率（%）；k為分解系數(shù)；a為擬合參數(shù)；t為分解時間（月）。

青皮干物質(zhì)殘留率計算公式[17]為：

式（2）中，Re為青皮分解干質(zhì)量殘留率（%），Mt為t時刻的青皮剩余干質(zhì)量（g），M0為青皮初始干質(zhì)量（g）。

青皮元素殘留率計算公式[18]為：

式（3）中，Re為元素殘留率（%），Wt為t時刻養(yǎng)分元素含量（%），Mt為t時刻的青皮剩余干質(zhì)量（g）；W0為初始養(yǎng)分元素含量（%），M0為青皮初始干質(zhì)量（g）。

采用SPSS 26.0、MATLAB 2020b和Excel 2016軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，采用Origin 9.8軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理中薄殼山核桃青皮干物質(zhì)殘留率的動態(tài)變化

2個處理中薄殼山核桃青皮分解速率不同，地表處理的青皮在分解到第3 到第6 個月時分解速率最快，覆土處理的青皮在分解到第6到第9個月時分解最快，分別為6.49%和12.14%。地表處理的青皮只有在分解第3 到第6 個月時分解速率大于覆土處理部分，其他時間覆土處理的分解速率均大于地上部分（圖1）。在分解到第6個月后，兩者的干物質(zhì)殘留率產(chǎn)生顯著差異（P＜0.05），在分解到第9 個月后，兩者產(chǎn)生極顯著差異（P＜0.001）。分解到第12個月時，地表處理和覆土處理的薄殼山核桃青皮干物質(zhì)殘留率分別為87.09%和66.25%。

圖1 薄殼山核桃青皮干物質(zhì)殘留率變化Fig.1 Changes of remaining rates of dry matter in Carya illinoensis husks

利用Olson 負(fù)指數(shù)衰減模型對青皮干物質(zhì)殘留率進(jìn)行動態(tài)擬合，R2表明擬合方程可以較好地表示薄殼山核桃青皮的分解速率（表2）。覆土處理的青皮k值大于地表處理的青皮，分解系數(shù)k越大，說明分解速率越快，分解50%和95%所需時間越短。根據(jù)方程預(yù)測，薄殼山核桃青皮兩種處理下分解50%分別需要53.05 個月和19.74 個月，分解95%分別需要228.3 個月和85.72 個月。

表2 薄殼山核桃青皮的Olson分解模型Tab.2 Olson decomposition models of Carya illinoensis husks

2.2 不同處理中薄殼山核桃青皮各元素含量及殘留率的動態(tài)變化

2.2.1 TOC 含量及其殘留率的動態(tài)變化青皮TOC 含量隨著分解時間的增加呈先上升后下降趨勢（圖2）。在分解的前3 個月，TOC 含量迅速上升，分解到第3～6 個月期間迅速下降，6 個月后含量逐漸降低，兩組處理的青皮TOC 含量在整個分解期無顯著差異。青皮TOC 殘留率在分解的12個月期間先增加后減少（圖3）。其中，分解到第3 到第6 個月降低幅度最大。兩組處理的青皮TOC 殘留率在整個分解期無顯著差異。

圖2 青皮TOC含量的動態(tài)變化Fig.2 Dynamic changes of TOC content in Carya illinoensis husks

圖3 青皮TOC殘留率的動態(tài)變化Fig.3 Dynamic changes of TOC remaining rate in Carya illinoensis husks

2.2.2 N 含量及其殘留率的動態(tài)變化隨著分解時間的增加，地表處理的青皮N 含量呈“上升-下降-上升”的趨勢，覆土處理的青皮N含量呈逐漸上升的趨勢（圖4）。地表處理的青皮在分解到第3個月時N含量高于覆土處理部分，其余時間覆土處理的青皮N 含量均高于地表處理。當(dāng)分解到第9 個月時，兩組處理N 含量存在顯著差異（P＜0.05）。地表處理的青皮N 殘留率呈“富集-釋放-富集”的趨勢，覆土處理的青皮N 殘留率表現(xiàn)為富集（圖5）。地表處理的青皮N 殘留率波動幅度高于覆土處理。研究結(jié)果表明埋深明顯加快了N元素的積累。

圖4 青皮N含量的動態(tài)變化Fig.4 Dynamic changes of N content in Carya illinoensis husks

圖5 青皮N殘留率的動態(tài)變化Fig.5 Dynamic changes of N remaining rate in Carya illinoensis husks

2.2.3 P 含量及其殘留率的動態(tài)變化隨著分解時間的增加，青皮P 含量呈“降低-增加-降低-增加”的波動趨勢（圖6）。在分解到第3 個月時，兩組處理青皮P 含量無顯著差異，第6 到第9 個月覆土處理的青皮含量高于地表處理，分解到第9～12 個月時兩者無顯著差異。在分解到第3 個月和第12 個月時，地表處理青皮P殘留率略高于覆土處理（圖7），其余時間覆土處理的青皮P殘留率均高于地表處理，2個處理青皮P殘留率無顯著差異（P＜0.05）

圖6 青皮P含量的動態(tài)變化Fig.6 Dynamic changes of P content in Carya illinoensis husks

圖7 青皮P殘留率的動態(tài)變化Fig.7 Dynamic changes of P remaining rate in Carya illinoensis husks

2.2.4 K含量及其殘留率的動態(tài)變化在分解的前3個月，2個處理中青皮K含量急劇下降，分解到第3～6 個月期間后K 含量緩慢增加，分解到第6～12 個月K 含量緩慢降低（圖8），地表處理和覆土處理兩者無顯著差異。青皮K殘留率的變化趨勢和K含量相似（圖9），在分解的前3個月急劇下降，地表處理和覆土處理分別釋放了總量的98.8%和97.91%，隨后緩慢增加后又緩慢降低，2 個處理中青皮K 殘留率無顯著差異，這與國內(nèi)外研究中關(guān)于枯落物中K元素動態(tài)的研究結(jié)果一致。

圖8 青皮K含量的動態(tài)變化Fig.8 Dynamic changes of K content in Carya illinoensis husks

圖9 青皮K殘留率的動態(tài)變化Fig.9 Dynamic changes of K remaining rate in Carya illinoensis husks

3 結(jié)論與討論

3.1 討論

植物殘體分解包括粉碎、淋溶和分解代謝，是一個復(fù)雜的物理、化學(xué)和生物學(xué)過程，受氣候條件、分解物類型、土壤微生物和動物等因素的影響[19]。薄殼山核桃青皮分解先慢后快，是外界環(huán)境條件和青皮成分變化共同作用的結(jié)果。分解前期青皮的質(zhì)量損失主要是通過非結(jié)構(gòu)性化合物的淋溶作用實現(xiàn)，試驗開始時（12 月），薄殼山核桃青皮中易分解物質(zhì)的含量高，但由于此時氣溫低，降水少，淋溶作用弱，微生物活性降低，不利于青皮分解，因此分解速度緩慢；從3 月開始，氣溫回升，降水量增加，雨熱同期，良好的水熱條件使微生物繁殖迅速，青皮分解速率明顯增加。本研究表明，在薄殼山核桃青皮的分解過程中，覆土處理的青皮在整個分解期分解速率比地表處理的青皮快，主要是因為覆土處理的青皮N 含量高于放于地表處理，N 含量越高，微生物可以利用的氮源就越高，且地下水熱條件好，更有利于增加微生物的生物量及活性[20]，且覆土處理青皮與土壤的接觸面積大，因此有利于微生物參與分解，分解迅速。還有研究表明[21]，在5～10 cm 深度的土壤脲酶、多酚氧化酶和過氧化氫酶含量較高，有利于植物殘體分解。

薄殼山核桃青皮分解伴隨著養(yǎng)分元素的變化，這些元素的釋放或富集在循環(huán)過程中起著重要作用。本研究表明，青皮分解過程中的TOC、N、P、K 變化特征不同，這是由于青皮分解及元素自身特性所決定的。薄殼山核桃青皮TOC 的主要成分是木質(zhì)素和纖維素，TOC 含量隨著分解時間的增加逐漸降低。在分解前期，TOC 的損失量小于干物質(zhì)損失量，所以TOC 濃度表現(xiàn)為上升。分解到第3 個月時，隨著木質(zhì)素和纖維素等有機(jī)物的大量分解，TOC濃度開始下降[22]。由于薄殼山核桃青皮在分解過程中主要以C為主導(dǎo)的物質(zhì)循環(huán)模式，易分解碳水化合物的分解以及可溶性物質(zhì)的淋失都會引起青皮TOC 的釋放。青皮在分解中N 的釋放與富集主要取決于分解初期N 含量能否維持微生物活動的需要[23]。覆土處理的青皮在分解期間N 含量一直處于增加狀態(tài)，地表處理的青皮N 含量先增加后降低再增加，這可能是由于土壤的淋溶作用導(dǎo)致有效態(tài)的養(yǎng)分向下淋失，有機(jī)質(zhì)在分解過程中帶有負(fù)電荷，可以吸附陽離子，覆土處理的青皮作為有機(jī)質(zhì)在分解過程中可能吸附了上層土壤淋溶下的養(yǎng)分，2個處理的N 含量在分解第9個月時存在顯著差異。覆土處理青皮N 含量顯著高于地表處理，這是由于地下部分的水熱條件好，微生物大量繁殖，青皮N 含量不能滿足分解的需要，微生物得不到充足的養(yǎng)分來維持自身生長，因此分解者會在周圍環(huán)境中固持N[24]，即青皮N含量增加以促進(jìn)分解。P元素屬于易淋溶元素，主要以硫酸根或化合物的形態(tài)存在[25]，在青皮分解初期，溫度較低，微生物量少，P 可以供微生物的營養(yǎng)需要，所以P 會表現(xiàn)為釋放。到分解第3個月到第8個月，溫度上升，降雨增多，濕度較大，微生物活性增大，微生物對P的需求不足時，會出現(xiàn)累積[26]。分解到第9～12 個月，溫度逐漸下降，微生物數(shù)量減少，青皮腐解P 元素釋放較快。溫度是P 元素的主要限制因子。K 元素在植物體內(nèi)主要以離子狀態(tài)存在，在分解過程中流動性很強(qiáng)，其濃度在分解開始時便急劇下降，后趨于平緩[27-28]。國內(nèi)外研究中關(guān)于枯落物中K元素動態(tài)的研究結(jié)果基本為直接釋放[29]，與本研究結(jié)果一致。綜上所述，覆土加快了薄殼山核桃青皮的分解和N的累積，建議在薄殼山核桃青皮還田時采用深施覆土方式。

分解是一個漫長的過程，本研究中僅探究了薄殼山核桃青皮的分解規(guī)律及埋深對青皮分解的影響，而青皮分解過程對土壤微生物、養(yǎng)分的影響，氮沉降、磷沉降和酸沉降對青皮分解的影響以及薄殼山核桃青皮還田對大田作物的影響等尚需進(jìn)一步研究。

3.2 結(jié)論

薄殼山核桃市場前景廣闊，綜合效益高，是國內(nèi)外廣泛種植的一種優(yōu)良的果材兼用樹種。為給薄殼山核桃青皮的資源化利用提供參考，本研究采用分解網(wǎng)袋法進(jìn)行原位分解試驗，分析不同還田位置處理下薄殼山核桃青皮的分解及養(yǎng)分釋放規(guī)律，主要結(jié)論如下：

（1）不同還田位置處理下的薄殼山核桃青皮分解速率不同。覆土處理的青皮分解速率顯著快于地表處理，分解速率隨分解時間的增加呈增大趨勢，分解時間越久，兩組處理的分解速率差異就越顯著。

（2）薄殼山核桃青皮的干物質(zhì)殘留率符合Olson 負(fù)指數(shù)衰減模型，前期緩慢，后期分解加快，地表處理和覆土處理的青皮半衰期分別為53.05 個月和19.74 個月，分解95%所需時間分別為228.3 個月和85.72個月。

（3）兩組處理的青皮TOC 殘留率均呈富集-釋放趨勢，N 殘留率地表處理的青皮呈“富集-釋放-富集”的趨勢，覆土處理的青皮表現(xiàn)為富集趨勢，P 殘留率均呈釋放-富集-釋放趨勢，K 殘留率均呈釋放趨勢，薄殼山核桃青皮養(yǎng)分元素殘留率與環(huán)境條件和微生物活性密切相關(guān)。