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凋落物分解是调节森林生态系统养分循环的基本生态过程[1],也是控制森林生态系统碳循环的关键决定因素[2]。凋落物分解过程受环境气候、凋落物质量、微生物等多种因素的影响[3-4]。近年来,人类活动引起的全球变化对凋落物分解的影响已成为研究的热点,尤其是酸雨对凋落物分解影响的变化受到国内外学者的普遍关注[4-5]。有研究发现:酸雨对凋落物分解的影响与养分还原、生态系统碳循环和碳平衡、退化生态系统的恢复、生态系统对酸雨的临界负荷等方面具有密切的联系[6],它通过酸解凋落物有机成分而改变凋落物的物理化学结构,从而影响凋落物分解速率,最终改变整个地球碳循环进程[7]。森林凋落物分解速率对环境变化特别是氮沉降和温度增加等[8-9]的研究逐渐丰富,以凋落物分解速率为指标评估酸雨对凋落物分解的影响研究也逐渐开展。目前测定凋落物分解速率的主流方法是分解袋法,即观测分解袋内给定样品量的凋落物的质量损失率,然后根据指数模型来推算分解速率。凋落物分解常数k值是表征凋落物分解速率的常用指标,k值越大,凋落物分解速率越快,反之则越慢[10]。酸雨对凋落物分解会因树种的不同而有明显的差异,酸雨处理下,阔叶树种叶凋落物分解速率比针叶树种的叶凋落物分解速率快[11],马尾松Pinus massoniana凋落物分解比其他树种对酸雨酸碱度更敏感[12]。中国南方是继欧洲和北美以外的世界第三大酸雨区[13]。近几年关于酸雨与凋落物的研究主要集中在单个树种凋落叶上,而对不同林分整体林下凋落物的关注较少[14],同时多侧重于叶凋落物质量所引起的凋落物分解速率的变化,鲜有研究酸雨导致的综合影响。酸雨胁迫对西南地区林分凋落物分解的变化规律尚不明确。因此,本研究选取中国西南酸雨区重庆缙云山的针阔混交林和常绿阔叶林作为研究对象,研究不同酸碱度酸雨处理下凋落物的干质量残留率和分解速率随时间变化的动态过程,分析缙云山针阔混交林与常绿阔叶林凋落物分解在缓解酸雨过程中的特点和规律,以期掌握森林土壤碳库循环,为优化森林管理,指导林分配置提供科学依据。
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研究区位于三峡库区(重庆段)重庆市缙云山国家级自然保护区,嘉陵江小三峡之温塘峡西岸。缙云山位于重庆市西北部的北碚、沙坪坝、壁山3个区县境内(29°41′~29°52′N,106°17′~106°24′E),海拔为175.0~951.5 m,总面积为76 km2。缙云山具有典型的亚热带季风湿润性气候特征,雨量丰富,年均降水量为1 611.8 mm,年均相对湿度为85%以上,年均酸雨pH 4.53,年均日照时数1 293 h。缙云山地形平缓,土层较薄,主要土壤为黄壤和水稻土两大类,土壤pH 3.5~4.5。保护区内植物资源丰富,森林覆盖率高,林分凋落物保护较好,经营性活动如采伐、施肥、抚育等基本停止。主要植被类型为常绿阔叶林、针阔混交林、常绿阔叶灌丛、暖性针叶林、针阔混交林、竹林,以及亚热带灌草丛等。主要树种为马尾松、四川大头茶Gordonia acuminate、杉木Cunninghamia lanceolata、四川山矾Syraplocos setchuanensis、白毛新木姜子Neolitea aurata等。
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选取针阔混交林、常绿阔叶林2种典型林分作为研究对象, 样品采集、保存和测定方法严格参照《土壤理化分析》[15],标准样地概况见表1。分别选取10 m×10 m的采样框并用孔径1 mm尼龙网围栏,于2016年5月在2种样地内随机选取5 m×5 m样方各3个,用凋落物收集器直接收集凋落物,收集主要树种与伴生树种的落叶、枯枝、落果、碎屑等,收集到的凋落物在60 ℃恒温下烘至恒量后称量备用。再将采集的凋落物称量20 g装入由尼龙制成的20 cm×20 cm的分解网袋(网孔1 mm)内,由于实验地点内无径流,无大风天气,故编号挂牌后直接将所有尼龙网袋平放在采集针阔混交林与常绿阔叶林凋落物的样方凋落物层中,使其下方接触矿质土壤,上面用凋落物覆盖,每个5 m×5 m的小样方中设置6个摆放点,对应6次取样时间,模拟凋落物分解的自然状况[16]。
表 1 样地基本情况
Table 1. Basic situation of the sample plot
林分 表层土壤/cm 海拔/m 坡向 坡度/(°) 龄级 郁闭度 主要树种 伴生树种 针阔混交林 4.00 760 西北 16~25 Ⅵ 0.9 马尾松、四川大头茶、 四川山矾 柃木、四川杨桐、光叶 山矾、白毛新木姜子 常绿阔叶林 3.65 825 西北 26 Ⅵ 0.9 四川大头茶、四川杨桐、 白毛新木姜子 小叶栲、贵州鼠李、四 川山矾、柃木 说明:研究区域均为人工林,以10 a为1个龄级,用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ······表示。四川杨桐Adinandra bockiana、柃木 Eurya japonica、光叶 山矾 Symplocos lancifolia、小叶栲 Castanopis carlesii、贵州鼠李Rhamnus esquirolii -
根据重庆缙云山降水化学组成[17],使用去离子水配制模拟酸雨,其中
${\rm{SO}}_4^{2-}$ 和NO−摩尔比为5∶1。针阔混交林、常绿阔叶林2种典型林分内均设置4个处理:对照(按照自然状态降雨年均pH 4.50设置,ck)、pH 4.00、pH 3.25和pH 2.50。其中,按照降雨pH最低值设置pH 3.25,考虑极端状况下降雨pH可能降低,设置pH 2.50处理。每个处理3次重复,共设 24个分解袋。根据重庆缙云山多年平均降水量计算淋溶总量与淋溶频率[9],喷淋酸雨,每月施酸2次,每次每个样品施酸2 L,均匀喷洒覆盖样品周围1 m2范围。分别在样品放置后的第30天(6月2日)、第60天(7月2日)、第94天(8月3日)、第122天(9月2日)、第150天(10月1日)和第185天(11月3日),取回1次凋落物分解袋,每次每个酸雨酸碱度取样3袋,合计24袋。用清水快速洗净残留凋落物表面附着的泥沙,清理外界长入分解袋内的根系杂物,于80 ℃烘箱中烘干称量,测定残留凋落物的质量。 -
凋落物累积分解残留率采用Olson负指数衰减模型[18]计算:
$$ y=\frac{{M}_{t}}{{M}_{0}}=a{{\rm{e}}}^{-mt}\mathrm{。} $$ 其中:y为凋落物残留率(%),t为凋落物分解时间(a),Mt为时间t后凋落物残留质量(g),M0为凋落物样品未分解时质量(g),a为拟合系数,m为分解系数。用凋落物分解常数k值估算凋落物分解的半衰期与全衰期,计算公式如下 [19]:
$$ {t}_{0.5}=\frac{\mathrm{ln}0.5}{-k}\mathrm{;} $$ $$ {t}_{0.95}=\frac{\mathrm{ln}0.95}{-k} 。$$ 其中:t0.5为凋落物分解至50%(半衰期)需要的时间(a),t0.95为凋落物分解至95%(全衰期)需要的时间(a)。
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采用Excel 2019软件整理数据,采用SPSS 26.0软件进行统计分析,采用LSD最小差异显著法多重比较。
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由图1和图2可见:针阔混交林干质量残留率(经历相同分解时间)在pH 4.00、pH 3.25的酸雨处理下小于ck,在pH 2.50的酸雨处理下大于ck,且差异显著(P<0.05)。受控试验表明:凋落物在经过0.5 a的分解后,针阔混交林ck、pH 4.00、pH 3.25和pH 2.50酸雨处理的干质量残留率分别为81.21%、79.14%、81.65%和84.52%,干质量损失率分别为18.79%、20.86%、18.35%和15.48%;常绿阔叶林ck、pH 4.00、pH 3.25和pH 2.50酸雨处理的残留率分别为76.61%、75.36%、77.43%和79.13%,干质量损失率分别为23.39%、24.64%、22.57%和20.87%。在经过0.5 a的分解后,ck、pH 4.00、pH 3.25和pH 2.50酸雨处理后的针阔混交林干质量残留率均高于常绿阔叶林,分别高4.60%、3.78%、4.22%和5.39%。
图 1 2种典型林分凋落物干质量残留率动态
Figure 1. Changes in dry weight remaining of leaf litter decomposition of three typical tree species
在相同pH值酸雨处理下,针阔混交林、常绿阔叶林凋落物在6—7月(即30~60 d)干质量残留率曲线平缓,8—9月(即94~122 d)曲线下降幅度较大,表明在相同pH值处理下,针阔混交林、常绿阔叶林在6—7月分解缓慢,5月、8—9月凋落物分解较为迅速。随着时间的推移,针阔混交林在9月(122 d)后凋落物分解速率降低,呈平缓趋势,常绿阔叶林在9月后凋落物分解速率仍达到较高水平,下降明显。在相同月份下,凋落物干质量残留率在pH 2.50处理下最高,pH 4.00处理最低。
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由表2可见:利用Olson负指数衰减函数模型对针阔混交林和常绿阔叶林的凋落物干质量残留率和分解时间进行拟合,R2均在0.9以上,达极显著水平,拟合效果良好。ck、pH 4.00、pH 3.25和pH 2.50各处理下针阔混交林的k值分别为0.43、0.47、0.40和0.35,而常绿阔叶林则分别为0.54、0.56、0.51 和0.46,k值随pH值的降低呈下降趋势。另外由k值可算得,ck中针阔混交林凋落物质量损失率达50%和95%的时间分别为1.62和6.98 a,常绿阔叶林则分别为1.29和5.56 a;pH 4.00酸雨处理下针阔混交林凋落物干质量损失率分别达50%和95%的时间分别为1.47和6.35 a,常绿阔叶林则分别为1.23和5.33 a;pH 3.25酸雨处理下针阔混交林凋落物干质量损失率达50%和95%的时间分别为1.75和7.56 a,常绿阔叶林则分别为1.37和5.92 a;pH 2.50酸雨处理下针阔混交林凋落物干质量损失率达50%和95%的时间分别为2.00和8.63 a,常绿阔叶林则分别为1.50和6.48 a,且针阔混交林与常绿阔叶林在各酸雨酸碱度下差异显著(P<0.05)。针阔混交林与常绿阔叶林在pH 2.50与pH 3.25酸雨处理下的分解速率均小于ck,半衰期与周转期所需的时间均比ck长;pH 4.00酸雨处理的分解速率较ck大,半衰期与周转期所需的时间比ck短。
表 2 凋落物分解的Olson负指数衰减模型
Table 2. Olson negative exponential decay model of litter decomposition
林分 pH 指数模型 相关
系数R2分解
系数k半衰期
/a
全衰期
/a针阔
混交林4.50 (ck) y = 99.13e−0.43x 0.93 0.43 a 1.62 b 6.98 b 4.00 y = 97.98e−0.47x 0.95 0.47 b 1.47 ab 6.35 ab 3.25 y = 97.20e−0.40x 0.93 0.40 a 1.75 b 7.56 b 2.50 y = 99.60e−0.35x 0.98 0.35 a 2.00 b 8.63 b 常绿
阔叶林4.50 (ck) y = 99.08e−0.54x 0.98 0.54 b 1.29 a 5.56 a 4.00 y = 98.53e−0.56x 0.98 0.56 ab 1.23 a 5.33 a 3.25 y = 98.33e−0.51x 0.97 0.51 b 1.37 a 5.92 a 2.50 y = 98.20e−0.46x 0.97 0.46 b 1.50 ab 6.48 ab 说明:不同小写字母表示不同处理间差异显著(P<0.05)。y为凋落物干质量残留率,x为凋落物分解时间 -
在同一观测阶段,缙云山针阔混交林、常绿阔叶林凋落物随着酸雨pH值的减小,凋落物干质量残留率均表现出先增大后减小的趋势,在pH 4.00时达到最小值,此时分解速率最大。这与程煜等[13]研究得出的不同酸碱度酸雨对凋落物分解速率的影响结果一致。可能是pH 4.00的模拟酸雨酸碱度与ck差距不大,且土壤本身存在酸缓冲能力,同时模拟酸雨中的
${\rm{NO}}_3^- $ 作为氮源添加刺激了土壤微生物,从而提高了分解效率[20]。而pH 2.50和pH 3.25的模拟酸雨酸碱度过低导致微生物活性和功能降低,且在一定范围内随着酸雨淋溶酸碱度的降低[21-22],分解速率愈加减慢,表现为调落物分解被抑制。 -
本研究发现:相同pH值的酸雨处理下,针阔混交林、常绿阔叶林凋落物在6—7月、10—11月凋落物分解缓慢,5月、8—9月分解较为迅速。可能因为:5月属于分解初期,凋落物可溶性成分大量淋失,导致分解速率较高;6—7月,难分解的物质相对增加,温度相对变化不大,分解速率主要受微生物控制;8—9月,由于夏季温度升高,水分充足,针阔混交林、常绿阔阔叶林地表植被活性大,微生物活性提高,分解速率增大;而10—11月,气温降低,地表植被逐渐进入冬寒期,微生物活性受到影响,分解速率减缓。在同一区域内,温度和湿度是众多气候因素中制约凋落物分解的主要外在因素,水分和温度增加,凋落物的分解速率会以指数增加模式呈现[23-24]。HORNSBY等[25]在研究树木凋落物的分解速率时发现:凋落物的分解速度随着分解时温度的升高而加快,分解温度与分解速度呈正相关关系;王其兵等[26]通过测定草地凋落物分解速率的研究中也得出了相同结论。本研究分析随季节温度变化研究地的水热、pH等条件改变,从而影响了部分微生物的活性,甚至是土壤中H+的积累,进而对凋落物的分解速率产生了较大的影响。本研究中由于人工控制降水量,前期不同季节月份中水分条件差异小,湿度因素对分解速率产生的影响差异小,这使得气候变化导致的温度变化影响了2种林分凋落物的分解速率。
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不同酸碱度酸雨淋溶下2种典型林分凋落物干质量损失率达50%和95%的时间总体表现为常绿阔叶林早于针阔混交林。针阔混交林和常绿阔叶林凋落物k对同一酸碱度酸雨胁迫响应不同,说明不同树种的林下凋落物分解速率有差异。在经过0.5 a的分解后,常绿阔叶林凋落物分解速率大于针阔混交林,符合阔叶凋落物比针叶凋落物易于分解的一般规律。阔叶林微生物群落对外部酸的抵抗力高于针叶林[27],其凋落物比针叶凋落物易于分解。植物种类也会影响凋落物的初始化学特性[28-29]。混合凋落物比单一凋落物含有丰富多样的碳源和其他养分物质[30],针叶类凋落物添加阔叶类后碳源种类和数量发生改变[31],导致土壤微生物量和微生物碳代谢强度减少,因此相对降低了凋落物的分解速率,但是这种作用的影响程度是否能够改变酸雨淋溶产生的影响还需要进一步研究。
本研究模拟酸雨喷洒时间较短,尚不能确定西南地区亚热带森林对长期酸雨胁迫如何响应及酸雨的促进或者抑制作用是否已经达到一定阈值。此外,凋落物能缓冲酸雨反应,林下植物对凋落物分解也产生一定联系作用[32]。因此,未来应同步开展多林分凋落物质量、叶片性能和林下植物对酸雨输入响应的长期野外研究,以更好地揭示长期酸雨沉降对亚热带森林的综合影响。
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综上,重庆缙云山针阔混交林和常绿阔叶林凋落物质量残留率、半衰期和全衰期的变化特征受不同酸碱度酸雨影响显著,模拟酸雨pH 4.00处理时凋落物分解速率最大,常绿阔叶林分解速率总体高于针阔混交林。在同一区域范围内,除酸雨酸碱度、凋落物种类之外,凋落物分解速率还受到温度条件的制约。
Effects of simulated acid rain leaching on the litter decomposition of coniferous broad-leaved mixed forest and evergreen broad-leaved forest in Mount Jinyun
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摘要:
目的 探讨缙云山针阔混交林与常绿阔叶林凋落物分解在酸雨过程中的特点和规律,为优化缙云山森林管理,指导林分配置提供科学依据。 方法 以重庆缙云山2种典型林分为研究对象,进行4个不同酸碱度:pH 4.50(对照)、pH 4.00、pH 3.25和pH 2.50的酸雨模拟实验,结合Olson负指数衰减模型,分析针阔混交林与常绿阔叶林的凋落物分解速率并计算分解系数,定量分析模拟酸雨下2种典型林分的凋落物分解变化规律。 结果 ①经过0.5 a的分解,对照、pH 4.00、pH 3.25和pH 2.50处理下针阔混交林质量残留率均高于常绿阔叶林,分别高4.60%、3.78%、4.22%和5.39%。其中,对照针阔混交林凋落物损失率达到半衰期与全衰期的时间为1.62、6.98 a,常绿阔叶林为1.29和5.56 a;不同酸碱度酸雨淋溶下针阔混交林凋落物损失率达50%和95%的时间分别为1.47~2.00 和6.35~8.43 a,常绿阔叶林分别为1.23~1.50和5.33~6.48 a。②对照、pH 4.00、pH 3.25和pH 2.50各处理下针阔混交林的分解常数k值分别为0.43、0.47、0.40 和0.35,常绿阔叶林则分别为0.54、0.56、0.51和0.46,k值随着处理pH的降低呈下降趋势。③研究区pH 4.00的模拟酸雨一定程度上对林内凋落物的分解有促进作用;pH 2.50和pH 3.25的模拟酸雨一定程度上抑制不同林下调落物的分解。 结论 重庆缙云山模拟不同酸碱度酸雨对2种典型林分的凋落物分解速率影响显著,常绿阔叶林分解速率总体高于针阔混交林,温度制约凋落物分解速率。图2表2参32 Abstract:Objective This study, with an investigation of the characteristics and laws of litter decomposition in mixed coniferous and broad-leaved forest and evergreen broad-leaved forest during acid rain in Jinyun Mountain, is aimed to provide scientific basis for the optimization of forest management and the guidance in forest stand allocation. Method With two typical forests of Jinyun Mountain in Chongqing selected, four acid rain simulation experiments with different concentrations were conducted. Then, with the employment of the Olson negative exponential decay model, the decomposition rate of litter of two forest stands was assessed, and the laws of litter decomposition in two typical forest stands under simulated acid rain were analyzed. Result (1) After a six-month decomposition, in comparison, the mass residue rate of the mixed coniferous and broad-leaved forest treated with acid rain of pH 4.50(ck), pH 4.00, pH 3.25, and pH 2.50 was higher than those of the evergreen broad-leaved forest under the same conditions by 4.60%, 3.78%, 4.22% and 5.39%. (2) The time for the control group to reach half-life and full-life of litter decomposition in the coniferous and broad-leaved mixed forest was 1.62 a and 6.98 a whereas that for evergreen broad-leaved forest was 1.29 and 5.56 a; the time for the material loss rate to reach 50% and 95% for the coniferous and broad-leaved mixed forest litter under different concentrations of acid rain is 1.47−2.00 a and 6.35−8.43 a whereas that for the evergreen broad-leaved forest is 1.23−1.50 a and 5.33−6.48 a. (3) The k values of the mixed coniferous and broad-leaved forests treated with ck, pH 4.0, pH 3.25, and pH 2.5 were 0.43, 0.47, 0.40, and 0.35, respectively while those of the evergreen broad-leaved forest were 0.54, 0.56, 0.51, and 0.46, respectively, and the overall k value shows a downward trend as the pH value of the treatment decreases. (4) The simulated acid rain with pH 4.00 in the study area promoted the decomposition of litter in the forest to a certain extent whereas the simulated acid rain with pH 2.50 and pH 3.25 inhibited the decomposition of falling objects in different forests to a certain extent. Conclusion In Jinyun Mountain of Chongqing, simulated acid rain of different concentrations had a significant effect on the decomposition rates of litters in the two typical stands and the decomposition rate of evergreen broad-leaved forest was higher than that of coniferous and broad-leaved mixed forest. [Ch, 2 fig. 2 tab. 32 ref.] -
昆虫广泛分布于自然界中,繁殖迅速,是动物中数量最多的类群。很多昆虫体内含有多种营养成分和活性成分。不同种类昆虫所含有营养成分和活性成分有一定差异,是一类具有良好开发潜力的生物资源。目前,人们对昆虫资源利用的研究主要集中在昆虫营养成分及活性物质分析方面[1−2],对其粪便研究却非常少。已有研究表明:一些鳞翅目Lepidoptera昆虫的幼虫啃食特种植物叶片后排泄的粪便中含有丰富的蛋白质、矿物元素、人体必需氨基酸和脂肪酸,具有清热解毒、健脾养胃、助消化、降血压、降血脂等功效[3−4],已被加工成“虫茶”产品,如弓须亥夜蛾Hydrillodes morosa取食化香树Platycarya strobilacea叶产生的粪便称为化香虫茶,米缟螟Aglossa dimidilata幼虫取食三叶海棠Malus siebodii叶产生的粪便称为三叶虫茶[4]。中国许多学者在这方面作了大量的研究,对一些虫茶如三叶虫茶、紫斑谷螟-白茶虫茶、米仓织蛾-豹皮樟虫茶的营养成分进行了分析和评价[5−7]。这些研究结果表明:不同种类昆虫粪便(虫茶)的营养成分存在一定的差异。中国昆虫资源丰富,约占世界昆虫种类总量的10%,还有很多种类尚未进行相关研究;需要对自然界中更多种类昆虫粪便的营养成分进行系统分析,并进行必要的生物安全性检测、食品卫生指标控制,为更好地开发虫茶资源提供科学依据[4]。金银花尺蠖Heterolocha jinyinhuaphaga为鳞翅目尺蛾科Geometridae昆虫,别名拱腰虫,是金银花主要食叶害虫之一。该虫在安徽省1 a发生3代[8],常将叶片咬成缺刻或孔洞,危害严重的地块金银花叶片被全部吃光,仅剩叶脉和叶柄,常造成金银花的大面积减产,甚至成片死亡,给金银花生产带来严重损失。目前,国内对金银花尺蠖的研究主要集中于其生物学特性及防治方面[8−10],也有对金银花尺蠖蛹粗多糖体外抗氧化活性[11]和金银花尺蠖幼虫消化酶活性[12]的研究,还未见有关其粪便营养成分的研究。金银花尺蠖幼虫的取食量大,排泄的粪便多。笔者在前期研究中发现:金银花尺蠖幼虫粪便提取物具有一定的抑菌活性[13]和抗氧化活性[14],现对其幼虫粪便营养成分进行研究,以期为开发虫茶提供科学依据,从而达到变害为宝的目的。
1. 材料与方法
1.1 供试昆虫
金银花尺蠖幼虫采集于安徽省明光市三界镇,带回放在600 mL的罐头瓶内(10头·瓶−1,龄期一致),在人工气候箱(RXZ-288A型,宁波江南仪器制造厂)中用新鲜的金银花叶片(清水洗干净,自然晾干)饲养。人工气候箱光周期昼(L)︰夜(D)为14 h︰10 h、温度为(25±1) ℃、相对湿度为70%±7%。
1.2 仪器设备
精密烘箱(20011243型,西班牙Selecta公司)、高速万能粉碎机(FW80型,天津市泰斯特仪器有限公司)、索氏提取器(天长市玻璃仪器厂)、气相色谱仪(GC-7806II型,北京华盛谱信仪器有限责任公司)、凯氏定氮仪(Hanon K9840型,济南海能仪器股份有限公司)、氨基酸自动分析仪(L-8900型,日本HITACHI公司)、原子吸收分光光度计(wfx-130型,北京瑞利分析仪器公司)、电子天平(CP224S型,西班牙赛多利斯公司)。
1.3 测定方法和数据处理
1.3.1 含水量测定
参照国家标准GB 5009.3−2010《食品安全国家标准 食品中水分的测定》,采用直接干燥法。每天收集新鲜粪便,称量并记录。将收集的粪便在105 ℃烘箱中烘干4 h,再在60 ℃下烘干直至恒量。按下列公式计算含水量:含水量=(鲜质量−干质量)/鲜质量×100%。试验重复3次。
1.3.2 总糖质量分数测定
参照国家标准GB/T 9695.31−2008《肉制品总糖含量测定》,采用硫酸苯酚法测定。重复3次,取平均值。
1.3.3 脂肪质量分数测定
参照国家标准GB/T 14772−2008《食品中粗脂肪的测定》,采用索氏提取法。称取干燥粪便样品5 g,用干燥的滤纸包住,在索氏提取仪中用石油醚回流提取10 h,旋转蒸发回收溶剂,烘干提取物并称量,计算各样品中脂肪油的质量分数。重复3次,取平均值。
1.3.4 脂肪酸质量分数测定
参照国家标准GB/T 9695.2−2008《肉与肉制品脂肪酸测定》,采用气相色谱仪进行测定。重复3次,取平均值。
1.3.5 蛋白质质量分数测定
参照国家标准GB 5009.5−2010《食品中蛋白质的测定》,采用凯氏定氮法测定。称取干燥粪便样品2 g,经浓硫酸消化,消煮液用容量瓶(100 mL)定容。加入强碱蒸馏逸出,硼酸吸收后,用硫酸滴定,将测得的总氮质量分数乘以6.25,即得粗蛋白质质量分数。每个样品测3份,取平均值。试验重复3次。
1.3.6 氨基酸质量分数测定
参照国家标准GB/T 5009.124−2003《食品中氨基酸的测定》,采用氨基酸自动分析仪测定,测定1次。
1.3.7 维生素质量分数测定
维生素C的测定参照国家标准GB/T 9695.29−1991《肉制品维生素C含量测定》;维生素E的测定参照国家标准GB/T 5009.82−2003《食品中维生素A和维生素E的测定》。
1.3.8 矿物元素质量分数测定
矿物元素(钾、钠、钙、铁、镁、锰、磷、锌、铜)的测定参照国家标准GB/T 5009.91−2003《食品中钾、钠的测定》、GB/T 5009.92−2003《食品中钙的测定》、GB/T 5009.90−2003《食品中铁、镁、锰的测定》、GB/T 5009.87−2003《食品中磷的测定》、GB/T 5009.14−2003《食品中锌的测定》、GB/T 5009.13−2003《食品中铜的测定》,采用原子吸收分光光度计进行分析。重复3次,取平均值。
1.3.9 营养品质分析方法
根据氨基酸的分析结果,计算氨基酸分(AAS)、化学分(SC)及必需氨基酸指数(IEAA)[15−16]。氨基酸分(AAS)=试验蛋白质氨基酸质量分数(mg·g−1)/联合国粮农组织(FAO)评分模式氨基酸质量分数(mg·g−1)。化学分(SC)=试验蛋白质中某种必需氨基酸质量分数(mg·g−1)/鸡蛋蛋白质中同种氨基酸的质量分数(mg·g−1)。
${I_{{\rm{EAA}}}} {\text{=}} \sqrt[n]{{\left[ {\left( {{b_1}/{a_1}} \right) {\text{×}} 100\left] {\text{×}} \right[\left( {{b_2}/{a_2}} \right) {\text{×}} 100\left] {\text{×}} \right[\left( {{b_3}/{a_3}} \right) {\text{×}} 100\left]{\text{×}} { \cdots {\text{×}} } \right[\left( {{b_n}/{a_n}} \right) {\text{×}} 100} \right]}} $ 。其中:b1,b2,b3,$\cdots $ ,bn为试验蛋白质中各种必需氨基酸质量分数(mg·g−1);a1,a2,a3,$\cdots $ ,an为标准蛋白质(FAO评分模式)中相应必需氨基酸的质量分数(mg·g−1);n为参与计算的必需氨基酸的个数。1.3.10 数据处理
所有数据采用SPSS 11.5统计软件进行分析处理。
2. 结果与分析
2.1 金银花尺蠖幼虫粪便水分、总糖、粗脂肪和蛋白质质量分数
从表1可以看出:金银花尺蠖幼虫粪便中蛋白质质量分数最高,为11.89%;其次是含水量,为10.08%;粗脂肪为2.73%;总糖最低,为2.40%。方差分析表明:金银花尺蠖幼虫粪便中的蛋白质、总糖质量分数和含水量均与三叶虫茶、老鹰茶虫酿茶、紫白虫茶、仓樟虫茶、米白虫茶、老鹰茶和贵州名优茶的平均值差异不显著(df=9,F=1.80,P>0.05;df=9,F=0.377,P>0.05;df=7,F=0.262,P>0.05),粗脂肪质量分数与上述几种茶的平均值差异显著(df=9,F=8.742,P<0.05)。
表 1 金银花尺蠖幼虫粪便与常见(虫)茶水分、总糖、粗脂肪和蛋白质质量分数比较Table 1 Comparison and analysis of water, total sugar, crude fat and protein contents between larvae feces of H. jinyinhuaphaga and common (insect) tea2.2 金银花尺蠖幼虫粪便氨基酸组成
由表2可知:金银花尺蠖幼虫粪便中氨基酸丰富,共含有17种氨基酸,其中包括8种人体必需的氨基酸,总氨基酸质量分数为4.326 9 mg·g−1,其中谷氨酸质量分数最高,为0.488 4 mg·g−1,其次是甘氨酸和天冬氨酸,分别为0.428 1和0.415 2 mg·g−1,甲硫氨酸最低,为0.044 1 mg·g−1。必需氨基酸总质量分数为 1.666 2 mg·g−1,必需氨基酸占总氨基酸的比例为38.51%,必需氨基酸与非必需氨基酸的比值为62.62%。方差分析表明:金银花尺蠖幼虫粪便的氨基酸平均质量分数与三叶虫茶、紫白虫茶、仓樟虫茶、米白虫茶之间差异显著(df=87,F=20.547,P<0.05);必须氨基酸的平均质量分数与三叶虫茶、紫白虫茶、仓樟虫茶、米白虫茶之间也差异显著(df=39,F=12.265,P<0.05)。
表 2 金银花尺蠖幼虫粪便与常见虫茶的氨基酸质量分数比较Table 2 Comparison and analysis of amino acid content between larvae feces of H. jinyinhuaphaga and common insect tea氨基酸 氨基酸质量分数/(mg·g−1) 幼虫粪便 三叶虫茶[5] 紫白虫茶[6] 仓樟虫茶[7] 米白虫茶[18] 天氡氨酸 0.415 2 0.427 8 5.35 4.43 5.77 苏氨酸* 0.283 3 0.251 3 4.05 0.91 2.97 丝氨酸 0.207 1 0.513 8 4.36 0.18 4.37 谷氨酸 0.488 4 0.748 7 8.19 − 6.65 甘氨酸 0.428 1 0.859 2 4.38 2.92 5.23 丙氨酸 0.358 2 0.697 8 4.43 1.55 3.51 半胱氨酸 − 0.479 7 0.09 0.46 0.13 缬氨酸* 0.261 1 0.887 2 4.26 1.13 3.68 甲硫氨酸* 0.044 1 0.206 1 0.20 0.14 0.48 异亮氨酸* 0.274 2 0.699 3 3.39 0.97 3.26 亮氨酸* 0.327 3 1.238 1 4.45 1.57 3.54 酪氨酸 0.191 5 0.782 6 1.34 0.34 2.12 苯丙氨酸* 0.279 3 0.7475 3.12 0.70 2.82 赖氨酸* 0.071 4 1.382 0 3.12 0.46 3.33 组氨酸 0.065 2 0.932 1 1.81 2.76 2.61 精氨酸 0.141 2 1.782 9 2.96 1.13 2.05 脯氨酸 0.365 8 0.368 3 5.49 1.09 4.95 色氨酸* 0.125 5 0.873 2 0.58 1.07 0.67 总氨基酸 4.326 9 13.877 6 61.57 21.81 58.14 EAA 1.666 2 6.284 7 23.17 6.95 20.75 NEAA 2.660 7 7.592 9 38.40 14.86 37.39 EAA/(EAA+NEAA)/% 38.510 0 45.29 37.63 31.87 35.69 EAA/NEAA /% 62.620 0 82.78 60.34 46.77 55.50 说明:*表示必需氨基酸,− 表示未检测到,EAA为必需氨基酸,NEAA为非必需氨基酸,EAA/(EAA+NEAA)为必需氨基酸占总氨 基酸的比例,EAA/ NEAA为必需氨基酸与非必需氨基酸的比值 根据测得的氨基酸质量分数与1973年联合国粮农组织模式的质量分数加以比较,分析金银花尺蠖幼虫粪便的氨基酸分(AAS)、化学分(CS)和必需氨基酸指数(IEAA)。由表3可知:金银花尺蠖幼虫粪便的第一限制性氨基酸是赖氨酸和含硫氨基酸(即甲硫氨酸+半胱氨酸),质量分数分别为0.60和0.37 mg·g−1,AAS均为0.01,CS均为0.01,IEAA为1.20;各种氨基酸质量分数均略低于FAO评分模式的氨基酸质量分数。因此,金银花尺蠖幼虫粪便的氨基酸组成不太平衡,有必要进一步强化。
表 3 金银花尺蠖幼虫粪便的氨基酸分和化学分Table 3 AAS and CS of larvae feces of H. jinyinhuaphaga氨基酸 FAO模式*/
(mg·g−1)全鸡蛋*/
(mg·g−1)质量分数/
(mg·g−1)氨基酸分 化学分 异亮氨酸 40 54 2.31 0.06 0.04 亮氨酸 70 86 2.75 0.04 0.03 赖氨酸 55 70 0.60 0.01 0.01 甲硫氨酸+
半胱氨酸35 57 0.37 0.01 0.01 苯丙氨酸+酪氨酸 60 93 3.96 0.07 0.04 苏氨酸 40 47 2.38 0.06 0.05 色氨酸 10 16 1.06 0.11 0.07 缬氨酸 50 66 2.20 0.04 0.03 总氨基酸 360 489 15.63 − − 说明:*数据来自文献[20],−表示未检测,质量分数是根 据表2粪便各氨基酸除以蛋白质质量分数(11.89%) 计算而得 2.3 金银花尺蠖幼虫粪便脂肪酸质量分数
由表4可知:金银花尺蠖幼虫粪便中共含有7种脂肪酸,其中3种(肉豆蔻酸、棕榈酸和硬脂酸)为饱和脂肪酸,4种(棕榈油酸、油酸、亚油酸和亚麻酸)为不饱和脂肪酸,不饱和脂肪酸的质量分数高,为64.05%,不饱和脂肪酸与饱和脂肪酸的比值(P/S)为1.78,必需脂肪酸(亚油酸和亚麻酸)质量分数也很高,为30.49%。
表 4 金银花尺蠖幼虫粪便脂肪酸的质量分数Table 4 Fatty acid content of larvae feces of H. jinyinhuaphaga脂肪酸 质量分数/% 脂肪酸 质量分数/% 肉豆蔻酸(C14:0) 1.71±0.07 亚麻酸(C18:3) 10.86±0.12 棕榈酸(C16:0) 30.35±0.23 饱和脂肪酸 35.95±0.33 硬脂酸(C18:0) 3.89±0.15 不饱和脂肪酸 64.05±0.25 棕榈油酸(C16:1) 4.84±0.21 必需脂肪酸 30.49±0.14 油酸(C18:1) 28.72±0.18 P/S 1.78±0.11 亚油酸(C18:2) 19.63±0.16 说明:P/S表示不饱和脂肪酸与饱和脂肪酸的比值,括号 中比号前的数字表示含碳原子个数,比号后的数字 表示碳碳双键个数 2.4 金银花尺蠖幼虫粪便矿物元素和维生素C、维生素E的质量分数
从表5可以看出:金银花尺蠖幼虫粪便中含有多种矿物元素,其中:钙、钾、镁的质量分数较高,分别为8.126 7、4.955 6和 3.257 3 mg·g−1,铜的质量分数最低,为0.053 8 mg·g−1。金银花尺蠖幼虫粪便中还含有维生素C和维生素E,质量分数分别为0.387 5和0.158 3 mg·g−1。
表 5 金银花尺蠖幼虫粪便矿物元素和维生素C、维生素E质量分数Table 5 Mineral element and vitamin contents of larvae feces of H. jinyinhuaphaga质量分数/(mg·g−1) 钾 钠 镁 钙 磷 铁 4.955 6±0.004 6 0.972 1±0.000 5 3.257 3±0.003 2 8.126 7±0.006 3 1.173 2±0.002 1 1.667 3±0.001 1 质量分数/(mg·g−1) 锰 锌 铜 维生素C 维生素E 0.782 5±0.007 2 0.478 9±0.000 3 0.053 8±0.000 1 0.387 5±0.000 2 0.158 3±0.000 1 3. 讨论
研究昆虫粪便营养成分对开发虫茶资源具有重要意义。笔者对金银花尺蠖幼虫粪便进行分析,发现金银花尺蠖幼虫粪便中含有水分、糖、蛋白质、氨基酸、脂肪酸、矿物元素及维生素等多种营养成分。其中含水量为10.08%,与紫白虫茶相等[6],略高于仓樟虫茶(9.8%)[7]、米白虫茶(10.04%)[17]、老鹰茶(9.57%)[18]和贵州名优茶(7.76%)[19],低于三叶虫茶(15.47%)[5]和老鹰茶虫酿茶(15.95%)[18];总糖质量分数为2.40%,高于紫白虫茶(0.44%)[6]和米白虫茶(0.31%)[17],低于仓樟虫茶(2.8%)[7]、老鹰茶(3.46%)[18]和贵州名优茶(2.75%)[19],三叶虫茶和老鹰茶虫酿茶均未检出总糖[5,18];粗脂肪质量分数为2.73%,略低于仓樟虫茶(2.8%)[7],高于三叶虫茶(1.23%)[5]、老鹰茶虫酿茶(1.02%)[18]、紫白虫茶(1.41%)[6]、米白虫茶(0.87%)[17]、老鹰茶(1.92%)[18]和贵州名优茶(0.67%)[19];蛋白质质量分数为11.89%,高于紫白虫茶(9.3%)[6],低于三叶虫茶(12.63%)[5]、老鹰茶虫酿茶(14.26%)[18]、仓樟虫茶(23.8%)[7]、米白虫茶(22.34%)[17]、老鹰茶(14.26%)[18]和贵州名优茶(27.7%)[19]。
氨基酸的组成和质量分数是评价一种膳食蛋白营养价值的重要依据。金银花尺蠖幼虫粪便中含有17种氨基酸,总氨基酸质量分数为4.326 9 mg·g−1,低于三叶虫茶[5]、紫白虫茶[6]、仓樟虫茶[7]和米白虫茶[17]。按照FAO和世界卫生组织(WHO)的理想模式,质量较好的蛋白质,其必需氨基酸占总氨基酸的比值[EAA/(EAA+NEAA)]在40%左右,必需氨基酸与非必需氨基酸的比值(EAA/NEAA)在60%以上[21]。金银花尺蠖幼虫粪便的必需氨基酸占总氨基酸的比例为38.51 %,接近FAO和WHO理想模式的要求,高于紫白虫茶(37.63%)[6]、仓樟虫茶(31.87%)[7]和米白虫茶(35.69%)[17],但低于三叶虫茶(45.29%)[5],必需氨基酸与非必需氨基酸的比值为62.62%,符合FAO和WHO理想模式的要求,高于紫白虫茶(60.34%)[6]、仓樟虫茶(46.77%)[7]和米白虫茶(55.50%)[17],但低于三叶虫茶(82.78%)[5]。根据相关必需氨基酸指数(IEAA)实用评价标准:IEAA>0.95为优质蛋白源,0.86<IEAA≤0.95为良好蛋白源,0.75≤IEAA≤0.86为可用蛋白源,IEAA<0.75为不适蛋白源[22]。金银花尺蠖幼虫粪便IEAA为1.20,为优质蛋白源,可用于开发虫茶,其IEAA也高于仓樟虫茶(0.763 0)[7]、紫白虫茶(0.655 9)[6]、米白虫茶(0.723 9)[18]。但是,金银花尺蠖幼虫粪便的氨基酸组成不平衡,赖氨酸为其第一限制性氨基酸,在进行虫茶开发时可以加入一定量的赖氨酸,以优化其氨基酸结构,从而提高其营养质量。
脂肪酸组成是评价一种脂肪营养价值的重要依据[20]。金银花尺蠖幼虫粪便中不饱和脂肪酸质量分数高,为64.05%,P/S值为1.78,高于仓樟虫茶(0.63)[7]、紫白虫茶(0.58)[6],低于三叶虫茶(2.54)[5]、老鹰茶虫酿茶(4.54)[18]和遵义毛峰(2.31)[5],必需脂肪酸(亚油酸和亚麻酸)也很高,为30.49%,高于仓樟虫茶(27.06%)[7]、紫白虫茶(17.00%)[6]、老鹰茶虫酿茶(13.76%)[18],低于三叶虫茶(35.25%)[5]和遵义毛峰(64.87%)[5]。可见,金银花尺蠖幼虫粪便中脂肪酸组成合理,可以开发为虫茶,作为脂肪酸的来源之一。
矿物元素对维持生物机体正常生理代谢具有重要作用,金银花尺蠖幼虫粪便中含有多种矿物元素,除钾的质量分数低于仓樟虫茶(28.085 9 mg·g−1),钠、镁、钙、磷、铁、锰、锌和铜的质量分数分别是仓樟虫茶的5.26、1.38、2.50、47.12、6.06、1.60、9.28和3.61倍[7];除钾、镁、钙、铁的质量分数低于紫白虫茶(9.800 0、5.200 0、10.800 0、3.590 0 mg·g−1),钠、磷、锰、锌的质量分数是紫白虫茶的1.52、1.14、1.04、2.28倍[6];除钾、磷的质量分数低于三叶虫茶(20.378 0、1.990 0 mg·g−1),钠、镁、钙、铁、锰、锌和铜的质量分数分别是三叶虫茶的2.76、1.61、1.10、3.69、1.57、3.31、3.16倍[5];除钾、磷的质量分数低于老鹰茶虫酿茶(22.067 0、1.824 0 mg·g−1),钠、镁、钙、铁、锰、锌和铜的质量分数分别是老鹰茶虫酿茶的2.69、1.77、10.45、4.17、1.22、4.45、3.40倍[18];与其他茶叶相比,钾、磷的质量分数低于遵义毛峰(20.922 0、4.700 0 mg·g−1)和都匀毛尖(19.700 0、4.900 0 mg·g−1),钠、镁、钙、铁、锰、锌和铜的质量分数均高于遵义毛峰(0.087 9、1.900 0、2.900 0、0.162 1、0.735 6、0.032 4、0.022 5 mg·g−1)和都匀毛尖(0.045 6、1.600 0、2.800 0、0.042 1、0.550 2、0.033 0、0.014 9 mg·g−1[5]。
维生素对生物体的代谢起调节作用。金银花尺蠖幼虫粪便中维生素C的质量分数低于三叶虫茶(1.325 8 mg·g−1)[5],高于常规茶叶(0.027 0 mg·g−1);维生素E的质量分数也低于三叶虫茶(0.520 6 mg·g−1)[5]。
总之,金银花尺蠖幼虫粪便含有多种营养成分,并且还具有一定的抑菌活性[13]和抗氧化活性[14],具备虫茶的一些生化特征,若开发为虫茶,可为人体提供丰富的蛋白质、必需氨基酸、必需脂肪酸、维生素和必需矿物元素,和普通茶叶混合使用,在营养价值上实现互补,对人类健康有利。因此,在食用、药用保健等方面具有一定的开发价值和利用前景。今后,还需结合食品科学、药理学等对金银花尺蠖幼虫粪便的生物安全性进行分析,以全面评价金银花尺蠖幼虫粪便作为虫茶资源开发利用的可行性。
-
表 1 样地基本情况
Table 1. Basic situation of the sample plot
林分 表层土壤/cm 海拔/m 坡向 坡度/(°) 龄级 郁闭度 主要树种 伴生树种 针阔混交林 4.00 760 西北 16~25 Ⅵ 0.9 马尾松、四川大头茶、 四川山矾 柃木、四川杨桐、光叶 山矾、白毛新木姜子 常绿阔叶林 3.65 825 西北 26 Ⅵ 0.9 四川大头茶、四川杨桐、 白毛新木姜子 小叶栲、贵州鼠李、四 川山矾、柃木 说明:研究区域均为人工林,以10 a为1个龄级,用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ······表示。四川杨桐Adinandra bockiana、柃木 Eurya japonica、光叶 山矾 Symplocos lancifolia、小叶栲 Castanopis carlesii、贵州鼠李Rhamnus esquirolii 表 2 凋落物分解的Olson负指数衰减模型
Table 2. Olson negative exponential decay model of litter decomposition
林分 pH 指数模型 相关
系数R2分解
系数k半衰期
/a
全衰期
/a针阔
混交林4.50 (ck) y = 99.13e−0.43x 0.93 0.43 a 1.62 b 6.98 b 4.00 y = 97.98e−0.47x 0.95 0.47 b 1.47 ab 6.35 ab 3.25 y = 97.20e−0.40x 0.93 0.40 a 1.75 b 7.56 b 2.50 y = 99.60e−0.35x 0.98 0.35 a 2.00 b 8.63 b 常绿
阔叶林4.50 (ck) y = 99.08e−0.54x 0.98 0.54 b 1.29 a 5.56 a 4.00 y = 98.53e−0.56x 0.98 0.56 ab 1.23 a 5.33 a 3.25 y = 98.33e−0.51x 0.97 0.51 b 1.37 a 5.92 a 2.50 y = 98.20e−0.46x 0.97 0.46 b 1.50 ab 6.48 ab 说明:不同小写字母表示不同处理间差异显著(P<0.05)。y为凋落物干质量残留率,x为凋落物分解时间 -
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