林業廢棄物基質配方特性及其對柚木生長的影響

艾娟娟，厚凌宇，邵國棟，李智超，盧立華，李朝英，孫啟武

（1.中國林業科學研究院 林業研究所 國家林業局森林培育重點實驗室，北京 100091；2.中國林業科學研究院 熱帶林業實驗中心，廣西 憑祥532600）

林業廢棄物亦稱林業剩余物，包括森林采伐剩余物、木材加工剩余物及育林剪枝剩余物，統稱林業“三剩物”，具有種類多、易獲取、可再生、可生物降解并且含有一定養分等優點。長期以來，對于林業廢棄物的處理方式多為丟棄或焚燒，這不僅造成了資源的浪費而且造成了環境的嚴重污染［1－3］。草炭因具有持水保水力強、通氣性良好、保肥力高等優點，是育苗常規基質的主要原料。草炭是一種不可再生資源。開采草炭對環境破壞很大，并且現階段由于草炭資源大量減少，中國已逐步禁止開采草炭［4－5］。因此開發利用當地成本低、容易獲得的林業廢棄物替代草炭作為育苗基質，既可以促進林業廢棄物資源的循環再利用，又降低了育苗基質成本，并且還起到保護環境的作用［6］。研究表明，大部分林業廢棄物類型均可通過基質化開發技術實現資源的循環再利用［7－8］。柚木Tectona grandis屬馬鞭草科Verbenaceae落葉或半落葉大喬木，是著名的熱帶地區珍貴闊葉用材樹種，素有 “萬木之王”的美譽，原產于緬甸、泰國、老撾等東南亞地區［9－11］，其材質堅硬、紋理美觀、加工性能好，是高級家具、貼面板、裝飾、雕刻、樂器、軍需、橋梁、建筑、船舶等珍貴優良用材樹種之一［12］。柚木具有生長快，材質優良，用途廣和投資回報率高等特點，在熱帶、南亞熱帶地區廣為種植［13］。育苗基質的選擇是否恰當關系到育苗效果的好壞。目前，柚木傳統育苗常以黃心土為主要基質，依靠手工裝袋其育苗效果好，運輸成本高，但環保性有待進一步改善［14］，而將林業廢棄物用于柚木育苗栽培的研究，目前尚未見報道。鑒于此，本研究以木纖維、椰糠、鋸末、樹皮等林業廢棄物替代草炭作為柚木育苗基質主料，進行不同基質配方試驗研究，分析各基質配方特性及其對柚木幼苗生長和生理特性的影響，通過對不同基質的育苗效果進行綜合評價，以期篩選出育苗效果較好、易獲取、可持續再生的經濟環保型基質，為培育柚木優質容器苗提供技術保障及理論依據，也為林業廢棄物資源化探索新途徑。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗地點位于廣西壯族自治區憑祥市中國林業科學研究院熱帶林業實驗中心苗圃，地處中國南亞熱帶（21°57′N， 106°47′E）， 海拔為 250 m， 屬于季風氣候， 終年溫暖濕潤， 年降水量為 1 200～1 400 mm，集中在4－9月，空氣相對濕度80%，年平均氣溫為21.5℃，全年日照時數為1 218～1 620 h，氣候適宜柚木生長。

1.2 試驗材料

1.2.1 試驗苗木 選擇生長健壯且長勢一致，苗高為（3±1）cm的柚木種苗。育苗容器采用直徑20 cm×高25 cm黑色營養袋。

1.2.2 基質組成 以林業廢棄物木纖維、椰糠、鋸末、樹皮為主要基礎基質，其中木纖維為進口壓縮木纖維，使用前用專用機器進行松散均一化處理；樹皮為馬尾松Pinus massoniana樹皮，經粉碎并充分腐熟處理；椰糠為市場購買成品；鋸末為當地木材加工廠購買后進行碳化處理。以上林業廢棄物與珍珠巖、蛭石以不同的體積比混合而成，其中以當地常用黃心土為主料的基質配方（T1）作為對照，16種基質組成配方見表1。

1.3 試驗方法

1.3.1 基質理化性質測定 栽培試驗開始前，對上述16種基質的理化性質進行測定，參照TIAN等［15］的方法測定總孔隙度、通氣孔隙度、持水孔隙度和容重；參照程斐等［16］的方法測定pH值和電導率；有機質質量分數測定采用重鉻酸鉀氧化外加熱法；堿解氮測定采用LY/T 1229－1999《森林土壤水解性氮的測定》堿解擴散法；有效磷測定采用鹽酸-硫酸浸提法；速效鉀采用LY/T 1236－1999《森林土壤速效鉀的測定》乙酸銨浸提-火焰光度法測定。各指標均重復測定3次。

表1 基質配方表Table 1 Treatments of matrix formula

1.3.2 苗期栽培管理 于2016年12月25日將供試柚木幼苗根系附著基質洗凈后，分別栽入配置好的16種基質中，各處理重復3個，各重復10盆，1株·盆－1，即每個處理共計30株幼苗。試驗期間進行遮陽處理，遮陽率為80%，不做任何施肥處理，僅做定期噴水維護。

1.3.3 生長指標的測定 從2016年12月25日至2017年3月25日期間，隔30 d調查1次，用直尺（精度1 mm）測株高（基質表面到頂芽底部的高度），用游標卡尺（精度0.1 mm）測地徑（貼于基質表面），及植株生長狀況，共測4次。于2017年3月25日，每處理抽取3株完整標準植株（株高、地徑接近于平均株高、地徑的苗木），測量每株的苗高、地徑，并計算高徑比。每個單株分成地上部分和地下部分，用電子天平測定各處理的地上鮮質量和根部鮮質量，分別裝入信封中，置于烘箱內經105℃殺青15min，再在80℃烘至恒量，稱取單株各部分的干質量，并計算根冠比單株總生物量和苗木品質指數，計算公式為：單株總生物量=莖葉干質量+根干質量；根冠比=根干質量/莖葉干質量；高徑比=株高/地徑；苗木品質指數（IQ） =苗木總干質量（g）/{［苗高（cm）/地徑（mm）］+［莖葉干質量（g）/根干質量（g）］}［17］。

1.3.4 生理指標的測定 每處理抽取3株平均株，采集植株自上而下的第3片和第4片葉進行相關生理指標的測定。用無水乙醇法［18］測定葉綠素質量分數；用蒽酮比色法［19］測定可溶性糖質量分數；用考馬斯亮藍G-250比色法［20］測定可溶性蛋白質質量分數。每個指標均重復3次，結果取平均值。

1.4 數據處理與分析

使用Excel 2010和SPSS 20.0軟件進行相關實驗數據的整理和統計分析，包括對基質理化性質及幼苗生長指標的Duncan多重比較進行顯著性檢驗。單一指標比較并不能準確地反映各處理苗木的綜合性狀差異，因此，采用模糊數學中隸屬函數值法［21］對各處理植株幼苗的生長發育狀況做出較為準確的綜合評價，通過綜合評價指數篩選出最佳配方基質。采用以下公式求各個指標的隸屬函數值：R（xi）=（xi－xmin）/（xmax－xmin）。其中：R為所選取的苗木質量評價指標的隸屬度值，xi為某一指標測定值，xmin和xmax為該指標的最小值和最大值，將植株不同指標的隸屬函數值進行累加后求其平均值。植株綜合評價指數值越大，說明植株生長越好。

2 結果與討論

2.1 不同配方基質的理化特性分析

2.1.1 不同配方基質的物理特性 基質的理化性質是衡量基質特性的重要指標，直接影響植物的生長發育［22］。由表2可看出：16種不同基質的容重差異顯著（P＜0.05），其中T1和T2容重最大，為0.8 g·cm－3左右；T9，T10，T11，T12容重較小， 均為0.4 g·cm－3以下。 李婧等［23］研究表明： 植物適宜生長的基質容重應在 0.1～0.8 g·cm－3。因此，除T1和T2配方基質外，其他所有配方基質的容重均處于理想范圍。理想基質總孔隙度應為 54%～96%［24］， 16 種基質中除對照 T1和 T2， T10， T11， T13， T14， T15， T16外， 其余均在在此范圍內，其中T9總孔隙度最高，顯著高于其他15種基質，且與對照T1差異顯著。基質的通氣孔隙影響著植物根系的呼吸作用。由表2可看出：16種基質中T9和T12的通氣孔隙度較高，顯著高于T1配方基質。李婧等［23］認為：理想基質通氣孔隙度應為15%～30%。因此，僅T6，T9和T11的通氣孔隙度處于理想通氣孔隙度范圍內，其余都低于理想范圍，其中T1的總孔隙度和通氣孔隙度明顯低于理想基質栽培要求，而通氣孔隙過低可能在栽培過程不利植物根系生長和根際微生物活動［25］。T14的總孔隙度和通氣孔隙度較低的原因可能是椰糠未完全打碎形成較多細小團聚顆粒。持水孔隙的大小可以反映基質保水能力的強弱，對栽培過程植物是否受干旱有影響。16種基質的持水孔隙度為T3最高，明顯高于對照組T1，持水孔隙度的大小順序： T3＞T5＞T12＞T8＞T15＞T7＞T6＞T4＞T2＞T16＞T9＞T13＞T10＞T1＞T14＞T11， T11的持水孔隙度最低，但其總孔隙度和通氣孔隙度均較高。可能木纖維未經過發酵處理，導致其吸水性和保水性相對較差，而T8保水性強的原因可能是其漚制過的松樹皮內含有的大量腐殖質物質作用引起［26］。

表2 不同配方基質的物理性質比較Table 2 Physical property of different treatments

2.1.2 不同配方基質的化學特性 不同基質配方對基質的化學性質影響顯著。表3所示：不同處理基質的 pH值差異明顯，16種基質的pH值范圍為5.29～7.43。除以木纖維為主料的配方基質（T9，T10，T11，T12）為偏酸性，pH 5.29～5.73外，其余均近中性，pH 6.72～7.43。不同習性植物對pH值要求不同。理想基質的pH值應控制在pH 6.0～7.5范圍內為宜［27］，否則不利于根系生長發育，并且會影響根系對營養元素的吸收。而這些以木纖維為主料的配方基質的pH值較低但仍具有較好的育苗效果，主要原因可分為2個方面：一方面可能柚木是南方樹種，適宜在酸性環境下生長，另一方面也可能是此配方其堿解氮和有機質較高。

電導率（EC）是基質水溶液中離子總濃度的指標，可以反映基質當中可溶性養分總量，電導率過高會造成鹽害和燒根，電導率過低，則植物礦質營養不足［28］，T2～T16配方基質的電導率均顯著高于T1（對照），以T8，T15和T16最高，其他配方基質次之。理想基質的電導率應小于0.25 S·m－1［29］。本試驗中16種基質的電導率均在理想范圍內，其中以林業廢棄物為基料的配方基質電導率顯著高于對照（T1）。可能的原因是相比黃心土，林業廢棄物中存在有機物質在微生物作用下降解釋放出大量的可溶性礦質營養。

基質中較高的堿解氮、有效磷、速效鉀及有機質質量分數有利于根系發育和苗木生長。配方基質T2～T16的有機質質量分數顯著高于對照組（T1），其中以林業廢棄物為主要基質原料的基質配方（T5～T16）有機質質量分數均較為豐富，其中T11，T13和T14有機質質量分數最高，顯著高于其他配方基質。16種基質中除T2和T4堿解氮質量分數和T1差異不顯著外，其他配方基質均顯著高于對照組（T1），其中以木纖維和漚制樹皮為基料的基質堿解氮質量分數較高。16種基質中有效磷質量分數除T4，T5，T8，T11，T13和T14高于對照組T1外，其他均低于對照組（T1），其中T8和T11有效磷質量分數最高。T3～T16速效鉀質量分數均顯著高于T1。T2和T1處于同一水平，其中以林業廢棄物為主要基質原料的配方基質速效鉀較高。有研究表明，在選擇栽培基質時，碳氮比（C/N）應低于50∶1或更少，否則在有機體分解過程與植株生長相互競爭氮源，往往會導致植株缺氮，生長失調。本試驗中16種基質中T13，T14和T15的C/N最高，且隨著鋸末成分的增加C/N也增加，可能的原因是基質配方中鋸末中的質量分數較高。有研究數據顯示，鋸末的 C/N 達 160.00∶1.00。 T9， T10， T11和 T12最低， 均小于 50， 顯著低于對照組 T1（60.14∶1.00）和其他配方基質。

16種配方基質中以黃心土為主料的配方基質（T1～T4）的理化性質除pH值和持水孔隙適宜外，其他理化性質指標均表現較差，可能是黃心土澆水時間久后易板結，使基質的通氣孔隙的降低，導致根系長勢不良［30］。

表3 不同配方基質的化學性質比較Table 3 Chemical property of different treatments

綜上所述，物理性質方面，T6，T8，T9，T10，T11，T12，T15和T16各項指標都比較好。化學性質方面，T19，T10，T11和T12的pH值偏低，T9的有效磷較低，T10的速效鉀較低，其余各處理的各項指標都表現良好。 綜合各配方基質的理化性質， 考慮到基質中的磷元素和鉀元素可以通過后期施肥加以補充，初選出T8，T9，T10，T11，T12，T15和T16配方基質作為栽培柚木的試驗基質。

許多研究者采用菜薹的帶柄子葉、原生質體、游離小孢子等進行培養，均取得了一定的成果[2-4]。張鵬等[5]研究認為菜薹以子葉-子葉柄為外植體，不定芽誘導率最高。而何曉明等[6]則認為菜薹再生能力在不同品種間差異很大，Zhang等[7]指出大白菜的基因型對它的再生能力影響極大，雖然一些菜薹品種已經可以進行再生，但是由于材料的專一性強，許多未研究過的品種在基因工程技術方面的應用還是會受到限制。因此，筆者以未報道的紅菜薹為研究對象，以帶柄的子葉為外植體，探討TDZ、NAA等不同激素濃度對再生體系的影響，旨在為其在生物技術育種層面上的研究奠定基礎。

2.2 不同配方基質對柚木幼苗生長的影響

2.2.1 對柚木幼苗形態指標的影響 植株生長指標是能夠反映植株長勢強弱的重要指標，在一定程度上可反映植株的健壯程度，可直觀判斷不同配方基質對植物的效果差異，其中苗高、地徑是評價容器育苗的主要形態指標［31］。由圖1可知：不同基質中柚木幼苗的株高增長量、地徑增長量均存在一定的差異，其中以木纖維為基料的配方基質（T9～T12）苗高和地徑增長量均顯著（P＜0.05）高于對照組（T1）和其他配方基質，表現出明顯的生長優勢。除T2的苗高和地徑外，其他配方基質均高于對照組（T1），可能的原因是林業廢棄物中存在適宜柚木生長所需的營養元素，能促進柚木生長。高徑比可以反映苗木地上部伸長生長與加粗生長之間的協調關系以及地上部生長的健壯程度。由表3可見：16種基質中栽培中的柚木幼苗的高徑比除T11顯著大于T8外，其他無顯著差異。

圖1 不同基質栽培下柚木幼苗的苗高和地徑增長量狀況Figure 1 Height and stem diamete increment of Tectona grandis seedlings under different substrate cultivation

表4表明：不同基質中柚木幼苗的單株莖葉面積、主根長、側根數、單株葉片數、高徑比均存在一定的差異。T10，T11和T12柚木幼苗的單株葉面積均顯著高于T1配方基質，而T2和T3配方基質與T1差異不顯著，T9，T11和T12柚木幼苗的葉片數高于T1，但差異不顯著。主要原因可能是因為基質中含有較高的氮素等葉生長所需營養，且營養元素有效性高，從而更有利于幼苗葉片的生長。

T2～T16基質中柚木的主根長均大于對照組（T1），其中T7，T8，T10，T11和T12柚木幼苗的主根長顯著大于對照組（T1）。T6，T7，T9，T10，T11和T12的側根數顯著大于對照組（T1），可能的原因是以木纖維為主料的配方基質（T9～T12）的孔隙度和保水性等物理性質適宜，其自身的養分供應能滿足柚木幼苗根系的發育所需，因此可以促進根系的生長。

總體來看，不同配方基質對柚木幼苗株高、地徑、主根長、單株側根數和單株葉面積的影響均較大，且主要影響株高、單株葉面積和側根數，而對高徑比的影響卻較小，其中以木纖維為基料的配方基質（T9～T12）的單株葉面積、主根長、側根數、單株葉片數均高于以其他林業廢棄物為基料的配方基質，且顯著高于對照組（T1）表現出良好的生長狀況。因此，再次選出T9，T10，T11和T12配方基質作為栽培柚木的試驗基質。

2.2.2 對柚木幼苗生物量及苗木品質的影響 表5表明：不同基質中柚木幼苗的單株莖葉干質量、單株根干質量、總生物量、根冠比、苗木品質指數存在一定差異。T12配方基質的單株莖葉干質量和單株根干質量最高，顯著高于其他配方基質，其次是T10和T11，顯著高于對照組T1。干物質質量是衡量植物營養和生長狀況的重要指標［32］。苗木的生物量是反映物質積累狀況的主要指標［33］。由表5可見：T4～T16基質的生物量均顯著高于對照組（T1），其中T9，T10，T11和T12的生物量顯著高于其他配方基質。可能的原因是這4種配方基質的養分含量較高，促進了植株葉片和根系的生長。根冠比反映植物的生長狀況，以及環境條件對地上部與地下部生長的影響。表5可看出：除T12的根冠比最高外，其他配方基質的根冠比差異不顯著，表明本研究中柚木生長環境對柚木的地上部與地下部生長的影響較小。

表4 不同配方基質中對柚木形態指標的影響Table 4 Effects on morphological index of seedling of Tectona grandis in different treatments

表5 不同配方基質中對柚木生物量和苗木品質的影響Table 5 Effects on biomass and seedling quality of seedling of Tectona grandis in different treatments

苗木品質指數是綜合分析了數個指標計算得出的，能更加全面地反映被測苗木的品質優劣，其他指標，如高徑比和冠根比等越小，總干質量數值越大，品質指數就會越高，苗木的品質也就越好。由表5可見：不同基質的柚木幼苗的品質指數差異顯著。其中T9，T10和T12配方基質苗木品質指數較大，顯著大于對照組（T1），而其他配方與T1差異不顯著。

綜上可見，不同基質中柚木幼苗的單株莖葉干質量、單株根干質量、總生物量、根冠比、苗木品質指數影響較大，其中苗木品質指數、總生物量、單株莖葉干質量、單株根干質量對柚木幼苗生長影響最大，而對根冠比影響較小，但這些以林業廢棄物為基料的配方基質的生物量和苗木品質指數均高于對照組，總體來說對柚木的生長具有很明顯的促進作用。

2.3 不同配方基質對柚木幼苗生理的影響

表6 不同配方基質中對柚木生理指標的影響Table 6 Effects on physiological index of seedling of Tectona grandis in different treatments

綜合不同基質對柚木幼苗生理指標的影響，可看出T10，T11，T12和T15表現較好，T3，T5，T8和T9次之。通過對不同基質的柚木形態和生理指標的分析可以看出，與對照相比，T10，T11和T12配方基質在整體上表現突出，可以初步確定這3種基質配方作為柚木幼苗育苗基質較為適宜。為了進一步確定最佳選擇，下面將通過對基質各指標的綜合評價進行分析，做出進一步篩選。

在對苗木生長效果評價時，雖然苗木質量指數是較常用的評價育苗效果的參考指標，但僅通過單一指標比較并不能準確地反映各處理苗木的綜合性狀差異，需要由幾個參數共同來確定［39］。本研究采用模糊數學中隸屬函數的方法，求出15個主要指標（株高、地徑、單株莖葉面積、主根長、側根數、單株葉片數、高徑比、單株莖葉干質量、單株根干質量、總生物量、根冠比、總葉綠素、葉綠素a/b、可溶性糖、可溶性蛋白質）的隸屬函數值平均值，進行綜合評價。 結果表明（表7）：T12配方基質的育苗效果最佳，綜合得分最高，為0.68；T10和T11育苗效果次之，均為0.42。其中對照組T1的綜合得分最低，其育苗效果最差，而除T9和T16外，其他林業廢棄物為基料的基質的育苗效果一般，因此，可選木纖維為基料的配方基質作為柚木幼苗育苗的最佳基質配方。

3 結論

試驗表明：以林業廢棄物為基料的配方基質大部分均適宜作為柚木育苗基質，其中以T10［V（木纖維）∶V（草炭）∶V（珍珠巖）∶V（蛭石）=5∶3∶1∶1］， T11［V（木纖維）∶V（草炭）∶V（椰糠）=4∶3∶3］， T12［V（木纖維）∶V（草炭）∶V（椰糠）=3∶4∶3］配方基質最佳。這3種配方基質均具有利于柚木生長適宜的理化性狀，基質質量較輕，易運輸，且容重小，基質原料方便易得。T11具有較高的有效磷、速效鉀和有機質，容重較低，有利于根系的生長和固定。T12具有良好的總孔隙度、通氣孔隙度和持水孔隙度，利于基質對植物固持能力和保水能力。

T10和T12的柚木幼苗生長指標方面優于T11。在生理指標上，T11和T12配方基質優于T10，理化性質三者相當。由于T12配方基質中草炭質量分數過高，成本高，其實用性和環保性有待改善。因此，根據上述研究結果，T10和T11配方基質均可作為柚木幼苗的育苗基質。由該基質培育的柚木幼苗的株高、地徑、主根長側根數、單株葉面積、葉片數、地上部分干質量、地下部分干質量、總生物量以及葉片的可溶性糖、可溶性蛋白質和葉綠素質量分數等均顯著優于對照組。

表7 不同基質對柚木的生長發育綜合評價Table 7 Comprehensive evaluation on growth and development of Tectona grandis in different substrates

T10和T11配方基質的綜合評價指數高于對照組和其他配方基質，以T10和T11配方基質替代草炭應用于柚木栽培育苗基質配方具有良好的育苗效果，建議在柚木育苗生產上應用。但研究結果只反映柚木的栽培配方篩選方面上，是否適用于其他植物的配方栽培有待進一步研究。