2016, Vol. 52
文章信息
- 陈雷, 孙冰, 汪贵斌, 曹福亮, 封超年
- Chen Lei, Sun Bing, Wang Guibin, Cao Fuliang, Feng Chaonian
- 银杏果用林复合经营模式下种仁品质综合评价
- A Comprehensive Evaluation of Kernel Quality under Agroforestry Models of Ginkgo biloba Plantation for Nut Production
- 林业科学, 2016, 52(11): 63-70
- Scientia Silvae Sinicae, 2016, 52(11): 63-70.
- DOI: 10.11707/j.1001-7488.20161108
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文章历史
- 收稿日期：2016-04-25
- 修回日期：2016-06-12
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作者相关文章
2. 中国林业科学研究院热带林业研究所 广州 510520
2. Research Institute of Tropical Forestry, Chinese Academy of Forestry Guangzhou 510520
银杏(Ginkgo biloba)是珍贵的经济林树种，其种仁不仅营养丰富，还富含药用和保健价值的活性成分如黄酮类和萜类化合物等，对心脑血管疾病具有一定的治疗保健功效(Mahadevan et al., 2008；Mohanta et al., 2014；Cai et al., 2015)，自古以来就被当做养生上品。虽然银杏种仁营养及药用价值突出，但其挂果年限较长，前期收益真空期也较长，因而难以形成专门的种植园对其产品品质进行控制，导致部分银杏种子产区存在产量低、种核小、品质差的问题(郁万文等，2013)。因此，如何通过简单且经济的经营措施提升其产品质量，成为现阶段促进银杏产业发展的关键内容。
林农复合经营作为集林业和农业于一体的经营措施，已经被证实能够提高总产量和农民收入(Rodrigues et al., 2009；Somarriba et al., 2013)。在江苏银杏产区，通过复合经营可以有效地提升农户经营收入，解决银杏挂果周期过长产生的收益真空问题。然而，相关研究证实银杏复合经营会对土壤肥力产生影响(汪贵斌等，2010)，这也可能会导致种仁品质发生变化。如果其品质下降，那么银杏果用林复合经营就失去了意义。因此，本文旨在对不同银杏复合经营模式下种仁品质进行研究，探讨复合经营方式对银杏果用林经营的适用性，为银杏复合经营在果用林中推广应用奠定理论基础。
1 材料与方法 1.1 试验设计及材料试验地位于江苏省泰兴市的银杏实验园(32°6′-32°26′N，120°4′-120°21′E)。本区域属于亚热带季风气候，年均温为14.9 ℃，夏季均温为27.6 ℃，冬季均温为2.0 ℃，年降雨量为1 031.8 mm，无霜期220天。该试验地银杏果用园建立于1994年，银杏行间距为7 m×8 m，试验区1994年开始进行银杏复合经营，并保留相同密度的银杏纯林用于对照，样地中银杏品种为果用品种‘大佛指’(Ginkgo biloba‘Dafozhi’)。从2008年开始，采用随机区组试验设计，小区面积约2 hm2，分别设置5种复合经营模式，并以银杏纯林作为对照(表 1)，每个模式含有3个互不相邻的重复。
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银杏纯林为不进行复合经营的银杏林地，栽植密度与复合经营模式保持一致，并于每年10-11月人工修剪林下杂草。在GM模式中，桑树株行距为0.3 m×1 m，栽植于1994和2005年，并于每年的11月开始修剪，控制高度约1.5 m。在其他复合经营模式中，春季作物小麦、油菜和蚕豆播种于11-12月，于次年5月采收后，开始播种夏秋季作物花生或玉米，并于9月采收。每年种植模式一致，施肥量和施肥方式均保持一致(肥料为复合肥，每年11-12月和5-6月种植农作物时各撒施1次，每次施肥量为375 kg·hm-2)。
2014年银杏种子成熟时，在每个模式中随机挑选10株挂果树，完整采收并现场称质量，获得单株银杏种子产量。取采收后的银杏种子60颗(约500 g)样品装入自封袋中带回实验室，随机抽取30颗样品用于品质指标测定。
1.2 测定方法称量种子质量后人工去皮，称量种核质量，种核去中种皮及膜质内种皮后称量种仁质量，种仁先在105 ℃下杀青30 min，然后80 ℃恒温烘至恒质量(熊壮等，2010)，磨碎过40目筛，存放在干燥器中备用，用于测定营养成分、药用成分及有害成分。
可溶性糖参考蒽酮比色法测定，蛋白质含量采用凯氏定氮法测定，脂肪含量采用索氏抽取法测定，淀粉含量采用旋光法测定(赵世杰等，2002；王启军，2011)；总黄酮参考陈雷等(2013)方法测定，总内酯参考冷平生等(2000)方法测定；银杏酸参考潘红梅等(2011)方法测定，氢氰酸采用硝酸银滴定法(蒋治国等，2005)测定。
1.3 评价方法参考汪贵斌等(2010)和章海波等(2006)的方法，采用改良的层次分析法对不同复合经营模式下银杏种仁品质展开综合评价，并对其评价过程进一步优化。主要优化过程在于判断矩阵的构建。之前的改良层次分析法均采用指标标准差构建判断矩阵，但是由于一些指标的计量标准变化，导致其标准差值也存在差异，这也是标准差法构建标准矩阵的缺陷，因而本次研究在评价前，对数据进行均一化处理，采用均一化处理后各指标的隶属度值的标准差S构造判断矩阵Bn×n。主要步骤如下：
1)隶属度值构建利用公式(1)隶属度函数f(x)计算各评价指标的隶属度值。
| $ f\left( x \right) = \left\{ \begin{array}{l} \;\;\;\;\;\;\;\;\;1.0\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;x \ge {x_2}\\ \frac{{0.9\left( {x - {x_1}} \right)}}{{{x_2} - {x_1}}} + 0.1\;\;\;\;\;\;{x_1} \le x \le {x_2}\\ \;\;\;\;\;\;\;\;\;0.1\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;x < {x_1} \end{array} \right.。 $ | (1) |
式中：x为评价指标，x1和x2分别为评价指标的下限值和上限值，取值参考表 2。
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2)判断矩阵构造采用均一化处理后各指标的隶属度值的标准差S构造判断矩阵Bn×n。判断矩阵元素bij的计算公式如下：
| $ {b_{ij}} = \left\{ \begin{array}{l} \frac{{S\left( i \right) - S\left( j \right)}}{{{S_{\max }} - {S_{\min }}}}\left( {{b_m} - 1} \right),\;S\left( i \right) \ge S\left( j \right)\\ \frac{1}{{\frac{{S\left( i \right) - S\left( j \right)}}{{{S_{\max }} - {S_{\min }}}}\left( {{b_m} - 1} \right) + 1}},\;S\left( i \right) < S\left( j \right) \end{array} \right.。 $ | (2) |
式中：S(i)和S(j)分别为第i个和第j个指标的标准差；Smax和Smin分别为[S(i), i=1~n]的最大值和最小值；bm为相对重要性程度参数值，bm=min[9, int (Smax/Smin+0.5)]。
3)权重计算根据判断矩阵Bn×n，求出最大特征根所对应的特征向量，所求特征向量即为各评价因素重要性排序，即权重分配。
4)判断矩阵一致性检验采用公式CR=CI/RI对判断矩阵一致性进行检验。式中：CI=(λmax-n)/(n-1)，λmax为最大特征根；RI值为一致性指标参数，其中12阶矩阵RI=1.536 6；CR为一致性指标，如果CR＜0.1，则表示该判断矩阵通过一致性检验，其权重分配结果可信。
5)综合评级模型构建利用隶属度矩阵和权重，建立综合评价模型即公式(3)，最终获得银杏种仁品质指数QI。由于银杏酸和氢氰酸为有害成分，因而其权重设置为负值。
| $ QI = \sum\nolimits_{i = 1}^n {{a_{ik}}{w_i}} \left( {k = 1,2,3, \cdots ,m} \right)。 $ | (3) |
式中：QI为第k个模式银杏种仁品质指数；aik为第k个模式的第i个指标的隶属度值；wi为第i个指标的权重值。
1.4 数据分析采用SAS软件对试验数据进行统计分析。
2 结果与分析 2.1 银杏复合经营对种子产量及性状指标影响银杏不同经营模式显著影响银杏种子产量(图 1)。复合经营下种子产量显著高于纯林(P＜0.05)，特别是银杏-桑树(GM)模式下，单株银杏种子产量平均达到了31.07 kg。多重比较显示，在不同复合模式中，银杏-油菜-玉米(GRC)模式下单株银杏种子产量最低，仅为26.88 kg，显著低于GM模式，但与其他模式间并不存在显著差异。与种子产量不同，不同模式下单颗银杏种子质量却并不存在显著差异(P≥0.05)；将种子去除外种皮之后，不同模式中银杏种核质量却存在显著差异(P＜0.05)，其中银杏-蚕豆-花生(GBP)经营模式下种核质量显著高于纯林，平均每颗种核质量达到了2.34 g；而进一步除去中种皮和内种皮之后，纯林模式下种仁质量也较低，仅为1.50 g，但与其他模式并不存在显著差异(P≥0.05)。
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图 1 不同银杏复合经营模式对银杏种子产量及性状的影响 Fig.1 The yields and characteristics of Ginkgo biloba seed in different ginkgo agroforestry systems |
银杏作为一种集食用与保健价值于一体的经济林树种，其种仁中含有丰富的营养物质。从图 2中可以看出，复合经营模式显著影响银杏种仁中淀粉、蛋白质和可溶性糖含量(P＜0.05)，但是种仁中脂肪含量并不存在显著差异(P≥0.05)。纯林模式下种仁中淀粉含量最高，达到了0.68 g·g-1，显著高于银杏-蚕豆-花生(GBP)模式，但是与其他模式间并不存在显著差异。GBP、银杏-小麦-花生(GWP)和银杏-油菜-花生(GRP)模式下银杏种仁蛋白质和可溶性糖含量显著高于纯林模式，特别是GBP模式下，种仁中蛋白质含量达到101.73 mg·g-1，显著高于其他经营模式。值得注意的是银杏-桑树(GM)、银杏-油菜-玉米(GRC)和纯林模式间，银杏种仁蛋白质和可溶性糖含量并不存在显著差异。
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图 2 银杏复合经营模式对种仁营养物质含量的影响 Fig.2 The nutrients of Ginkgo biloba kernel in different ginkgo agroforestry systems |
银杏种仁中除了营养物质外，还含有一些次生代谢产物，如对人体有益的药用成分黄酮类化合物和萜内酯等，以及可能对人体造成危害的有害物质银杏酸及氢氰酸等。测定结果表明，不同复合经营模式下银杏种仁总黄酮、萜内酯、银杏酸及氢氰酸含量具有显著差异(P＜0.05)(图 3)。纯林模式银杏种仁中这4种次生代谢产物含量最高，分别达到了2.69 mg·g-1，7.32 mg·g-1，47.54 μg·g-1和0.44 μg·g-1，显著高于复合经营模式。在不同复合经营模式中，种仁总黄酮含量并不存在显著差异，而银杏-油菜-玉米(GRC)模式中种仁萜内酯含量显著高于银杏-蚕豆-花生(GBP)模式。银杏-油菜-花生(GRP)模式种仁中银杏酸和氢氰酸含量分别仅为28.52 μg·g-1和0.27 μg·g-1，显著低于银杏-桑树(GM)和GRC模式。
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图 3 不同银杏复合经营模式对种仁次生代谢产物含量的影响 Fig.3 The secondary metabolites of Ginkgo biloba kernel in different ginkgo agroforestry systems |
根据不同指标实测数据，采用隶属度函数(公式1)构建指标的隶属度值，并对指标标准差进行计算。结果表明，氢氰酸指标标准差最大，达到了0.329，其次为蛋白质、可溶性糖、总黄酮、银杏酸、种仁质量、淀粉、萜内酯、脂肪、种子质量、种核质量和种子产量。
利用指标隶属度值的标准差，根据公式2构建出不同银杏复合经营模式种仁品质的判断矩阵B12×12如下：
| $ {\mathit{\boldsymbol{B}}_{12 \times 12}} = \left\{ {\begin{array}{*{20}{c}} {1.00}&{1.35}&{1.44}&{2.36}&{3.17}&{5.51}&{5.73}&{6.03}&{6.29}&{7.79}&{8.17}\\ {0.74}&{1.00}&{1.09}&{2.01}&{2.82}&{5.16}&{5.38}&{5.68}&{5.59}&{7.44}&{7.82}\\ {0.69}&{0.92}&{1.00}&{1.92}&{2.73}&{5.07}&{5.29}&{5.59}&{5.85}&{7.35}&{7.73}\\ {0.42}&{0.50}&{0.52}&{1.00}&{1.81}&{4.15}&{4.37}&{4.67}&{4.93}&{6.43}&{6.81}\\ {0.32}&{0.35}&{0.37}&{0.55}&{1.00}&{3.34}&{3.56}&{3.86}&{4.12}&{5.62}&{6.00}\\ {0.18}&{0.19}&{0.20}&{0.24}&{0.30}&{1.00}&{1.22}&{1.52}&{1.78}&{3.28}&{3.66}\\ {0.17}&{0.19}&{0.19}&{0.23}&{0.28}&{0.82}&{1.00}&{1.30}&{1.56}&{3.06}&{3.44}\\ {0.17}&{0.18}&{0.18}&{0.21}&{0.26}&{0.66}&{0.77}&{1.00}&{1.26}&{2.76}&{3.14}\\ {0.16}&{0.17}&{0.17}&{0.20}&{0.24}&{0.56}&{0.64}&{0.79}&{1.00}&{2.50}&{2.87}\\ {0.13}&{0.13}&{0.14}&{0.16}&{0.18}&{0.30}&{0.33}&{0.36}&{0.40}&{1.00}&{1.38}\\ {0.12}&{0.13}&{0.13}&{0.15}&{0.17}&{0.27}&{0.29}&{0.32}&{0.35}&{0.73}&{1.00}\\ {0.11}&{0.12}&{0.12}&{0.13}&{0.15}&{0.22}&{0.23}&{0.25}&{0.27}&{0.45}&{0.55} \end{array}} \right.\;\;\;\left. {\begin{array}{*{20}{c}} {9.00}\\ {8.65}\\ {8.56}\\ {7.64}\\ {6.83}\\ {4.49}\\ {4.27}\\ {3.97}\\ {3.71}\\ {2.21}\\ {1.83}\\ {1.00} \end{array}} \right) $ |
判断矩阵从左到右，从上到下依次为：氢氰酸、蛋白质、可溶性糖、总黄酮、银杏酸、种仁质量、淀粉、萜内酯、脂肪、种子质量、种核质量及种子产量指标。根据判断矩阵，求出特征向量(表 3)。同时对判断矩阵进行一致性检验，计算获得CI=0.044 2，进一步计算获得CR=0.028 8＜0.1，说明该判断矩阵满足一致性要求，因而该特征向量可以作为评价指标的权重值。通过权重值可以看出，银杏种仁中氢氰酸含量对其品质影响最大，达到了0.210 3，其次为蛋白质、可溶性糖、总黄酮、银杏酸，而种仁质量、淀粉、萜内酯、脂肪、种子质量、种核质量及种子产量指标对品质影响较小，均低于0.05。
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根据权重值通过公式3计算获得不同银杏复合经营模式下银杏种仁品质指数(QI)。不同银杏复合经营模式间种仁品质存在差异，其中银杏纯林下，种仁品质指标仅为-0.008 8，银杏复合经营模式下种仁品质指数均高于纯林。在复合经营模式中，品质最高的模式为银杏-蚕豆-花生(GBP)，达到了0.414 8，其次为银杏-小麦-花生(GWP)(0.319 6)、银杏-桑树(GM)(0.229 0)、银杏-油菜-花生(GRP)(0.171 9)和银杏-油菜-玉米(GRC)(0.014 7)模式，其中GRC模式下银杏种仁品质指数与纯林最为接近。
3 讨论林农复合经营模式作为一种经济高效的系统，能够显著提升系统总生产力，但是对于特定目标收获物来说，复合经营可能会降低其产量。李勇美等(2013)发现，林农复合经营会显著降低林下作物产量。但是，本研究却发现银杏复合系统显著提升了银杏种子产量(P＜0.05)，其主要原因在于复合经营能显著提升土壤肥力(汪贵斌等，2010)，进而保证了银杏挂果率，最终实现产量提升；也有研究指出，经济林施肥有助于减少果实生长期因土壤养分不足导致的落果(刘湘林等，2012)，而且种实大小间不存在显著差异也说明复合系统主要通过提高银杏挂果率实现产量的提升。银杏-蚕豆-花生(GBP)模式能够提高银杏种核质量，提升种核外观品质。
果实或种仁中营养成分含量是影响食用品质的关键指标，淀粉含量高低决定其口感，而可溶性糖含量则会影响其风味(林顺顺等，2012；郑丽静等，2015)。本次研究可以看出，复合经营模式，特别是银杏-蚕豆-花生(GBP)模式下银杏种仁中可溶性糖和蛋白质含量更高，这也说明这个模式下产出种仁风味较佳且营养更好；而纯林下银杏种仁中淀粉和脂肪含量偏高，这也说明该模式下银杏种仁口感会更加软糯，但是纯林模式下种仁可溶性糖、蛋白质含量偏低。造成复合经营和纯林模式间营养成分差异的关键在于不同经营模式间土壤肥力的差异。研究证实，果用林施肥有助于提升果实中可溶性糖含量，提升风味(邢英英等，2015)，施用氮肥则有助于果实中蛋白质的积累(郁万文等，2013)。而银杏复合经营模式和纯林模式间土壤肥力的差异，导致了各模式产出的银杏种仁营养物质差异。特别是在GBP模式中，由于双季作物均为固氮植物，因而其土壤氮素营养偏高，最终使其可溶性糖和蛋白质含量显著高于其他复合经营模式。
萜内酯和黄酮类化合物是银杏种仁中关键的药用和保健成分，其含量越高，药用保健价值也越高，但是这些化合物会有一定苦涩味道，特别是银杏苦内酯类化合物(吴岐奎等，2014；张泽生等，2015)，最终影响到种仁食用风味。而银杏酸则是银杏种仁中主要的致敏成分(潘红梅等，2011)，氢氰酸是一类剧毒物质，这2种成分含量高低则会对种仁食用安全性造成影响。本次研究中发现，银杏复合经营模式中这4类次生代谢产物含量均显著低于纯林模式，这很可能是不同复合经营模式间小气候差异导致。通常来说植物次生代谢过程对环境非常敏感，特别是受环境中的光照及温湿度影响较大(陈雷等，2013；Azuma et al., 2012)，而之前研究也证实，复合经营模式能够对系统内小气候产生影响，特别是在银杏生长较为旺盛的夏季，复合经营模式能够降低林内温度(程鹏等，2010)，这会最终影响到银杏种仁中次生代谢产物的含量。此外，土壤养分特别是氮素差异也可能导致次生代谢产物含量变异(Han et al., 2010；Ibrahim et al., 2011)，最终导致GBP模式银杏种仁中这4类化合物含量较低。与纯林相比，复合经营模式中特别是GBP模式银杏种仁中较低的银杏酸和氢氰酸含量，可以有效提升银杏种仁食用安全性，适用于银杏果用林经营，但是其药用价值相对较差，因而并不适用于药用林的建设。
层次分析法作为一种综合评价方法，已经广泛在农林环境及产品质量评价中应用(Zarkesh et al., 2010；Kibria et al., 2015；袁维等，2015；熊亚运等，2015)。但是传统层次分析法是采用专家评分法构建判断矩阵(汪应洛，2008)，因而具有一定的主观性。章海波等(2006)和汪贵斌等(2010)利用指标间的标准差来代替专家评分构建判断矩阵，避免了传统方法的问题，因而其应用范围更加广泛。改进层次分析法评价结果表明银杏复合经营能够提升银杏种仁品质，而对复合经营模式来说，银杏-蚕豆-花生(GBP)模式种仁品质最优，其次为银杏-小麦-花生(GWP)、银杏-桑树(GM)、银杏-油菜-花生(GRP)和银杏-油菜-玉米(GRC)模式。
4 结论银杏复合经营能够显著影响银杏种子产量、种核质量、种仁营养物质和次生代谢产物含量，复合经营模式下银杏种子产量、种核质量、种仁的蛋白质和可溶性糖含量高于纯林模式，而淀粉、总黄酮、萜内酯、银杏酸及氢氰酸含量低于纯林模式。改进层次分析法评价结果表明，复合经营能够提升银杏种仁品质，适用于银杏果用林经营，尤以银杏-蚕豆-花生(GBP)模式最优，适宜在银杏果用林中推广应用。
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