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定向刨花板(oriented strand board, OSB)是以大片木质刨花为原料，经施胶并定向铺装后热压而成。OSB是一种生物基材料，水分会软化木纤维并影响OSB的力学强度[1-3]。木纤维的干缩湿胀易造成OSB内部结构变化[4-5]。已有研究[6-7]表明：相较于65%相对空气湿度(relative humidity, RH)，85％RH条件下OSB的弹性模量、静曲强度更低，且变异性增加。通过开展循环吸放水实验，LI等[8]发现多次吸放水会导致OSB变形，并降低其弹性模量。HODOUSEK等[9]研究表明：吸水及含水率增加均会降低OSB的透气性。提高OSB的耐水性和力学强度是拓展其应用范围的重要途径。木材材性在很大程度上决定了OSB的物理力学性能[10]，疏水化改性木材刨花可以极大提高OSB的耐水性[11]，石蜡等耐水添加剂的使用也能够改善OSB的尺寸稳定性[12]。吸湿影响OSB物理性能的直观表现是厚度膨胀，尺寸稳定性也是衡量OSB耐水性的重要指标，厚度方向上的尺寸变化会直接影响OSB的抗压强度，理解OSB抗压强度变化的发生机制有助于提高OSB的耐水性。数字散斑相关分析技术是一种动态记录材料面内应变分布的可靠手段[13]。该技术通过分析由高速相机捕捉的一系列照片来获得材料的表面变形，并进一步量化面内应变分布[14]。数字散斑相关分析技术可以有效记录载荷作用下木质材料的破坏过程和探索力学损失的发生机制[15-17]。本研究旨在系统探索水分对OSB抗压强度的影响规律，并基于应变分布分析影响规律的发生机制，研究结果可以为优化OSB加工工艺提供必要的理论支撑。
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2类OSB购自加拿大Norbord公司，分别采用杨木Populus euramericana刨花和异氰酸酯胶黏剂为原料生产，气干条件下厚度和密度分别为13.0 mm、594.4 kg·m−3和19.0 mm、605.1 kg·m−3。每种OSB制备36个截面尺寸为(35.1±0.2) mm×(35.1±0.2) mm的试件，将每种厚度的试件均分为6组，对应不同的水分条件。水分条件包括对照组，(65±3)%相对湿度(RH)；A，(83±3)%RH；B，(95±3)%RH；C，1次吸放水循环；D，2次吸放水循环；E，8次吸放水循环。1次吸放水循环将试件置于(20±1) ℃水中1 h，后取出放在40 ℃的烘箱中干燥2 h，之后在(65±3)％RH和(20±1) ℃条件下陈放2 d。这一干燥条件旨在模拟实际应用环境下的风干条件。每次吸放水循环前后，采集试件质量和厚度信息。将3组试件分别在(20±1) ℃和3种不同空气湿度条件下陈放4周，采集陈放前后试件质量和厚度信息。力学测试完成后，记录所有试件的绝干质量。
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压缩试验对试件质量的影响忽略不计，计算试件含水率: CM=[(m−m0)/m0]×100%。其中：CM是试件的含水率(％)，m是试件的质量(g)，m0是试件的绝干质量(g)。不同水分条件下试件的厚度变化CT=(T−T0)×100%/T0。其中：CT是试件的厚度变化(％)，T是不同水分条件下试件的厚度(mm)，T0是对照条件下试件的厚度(mm)。试件压缩强度SC=F/S。其中：SC是试件的压缩强度(N·mm−2)，F是加载载荷(N)，S是试件的接触面积(mm2)。
试件沿厚度方向变形时，应变正值和负值分别表示拉伸应变和压缩应变。剪切应变是试件发生倾斜滑移产生的变形，剪切应变的正值和负值分别表示顺时针剪切和逆时针剪切。试件沿厚度方向每毫米的应变分布，根据
${{S}}=\left(\displaystyle \sum_{{i}}^{{{i}} + 1} {{{P_{{\rm{S}}i}}}} \right)/{{n}}$ 计算获得。试件沿厚度方向的剪切应变分布，根据${{{{S}}_{{{{{\rm{S}}}}}}}}=\left(\displaystyle \sum_{{i}}^{{{i}} + 1}\left| {{{P_{{\rm{SS}}i}}}} \right| \right)/{{n}}$ 计算得出。其中：S是厚度方向的平均压缩应变，$P_{{\rm{S}}i} $ 是厚度i和 (i+1) 间的压缩应变，SS是厚度i和 (i+1) 间的平均剪切应变，PSSi是厚度i和 (i+1) 间的剪切应变，n是单位厚度间的应变值个数。 -
使用细砂纸轻轻砂光OSB试件一个侧面，后用0.5 mm黑色中性笔绘制散斑。为防止吸放水过程影响散斑质量，C、D、E组试件的散斑是在吸放水过程后绘制。A、B组试件的散斑是在陈放前绘制。
本研究聚焦于试件的压缩强度测试，使用Instron万能力学试验机对试件平面加压。加载过程中压头以0.2 mm·min−1匀速位移，每100 ms记录1次压头高度(±0.001 mm)和载荷(±0.001 N)。加载流程：手动调整压头初始载荷至980.0 N (0.8 N·mm−2)，之后开始匀速自动加载，载荷达到8 575.0 N (7.0 N·mm−2)时加载结束。自动加载过程中，使用数字散斑相关分析技术同步记录试件表面应变分布。具体为使用高速摄像机(M2514-MP2)每100 ms拍摄1张试件表面照片，并使用Correlated Solutions软件计算散斑位置变化和应变分布。
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如图1所示：相较于C组试件，E组试件的厚度变化更大，这说明多次吸放水会引起试件内部结构变化。刨花的干缩湿胀会释放固定在OSB内部的热压应力，并使得刨花间孔隙扩大[4]。吸放水循环8次后，E组试件13.0和19.0 mm的含水率分别升高4.38％和3.81％，这归因于吸湿滞后现象。含水率升高是造成多次吸放水循环后试件厚度增加的另一重要原因。吸放水循环会增加样品的厚度，循环次数与厚度变化正相关。相较于其他试件，B组试件的含水率最高，厚度变化也最大。
图 1 不同水分条件下试件的厚度变化和含水率
Figure 1. Thickness change and moisture content of samples at different water situations
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表1显示不同水分条件下试件变形的差异性，试件变形(加压头位移)越大代表试件压缩强度越低。其中，B组试件的变形显著增加(P＜0.05)，说明(95±3)%RH条件下OSB的压缩强度下降显著(P＜0.05)。E组试件也发生显著变形，说明多次吸放水循环同样会明显降低OSB的压缩强度。相较于19.0 mm试件，13.0 mm试件更易受环境湿度和吸放水循环影响。试件厚度变化比例大是13.0 mm试件位移显著增加的重要原因。具体表现为(83±3)％RH条件下和1个吸放水循环后，位移已经有显著性增加。较大的原始厚度使得19.0 mm试件厚度变化比例较小，因此仅在(95±3)％RH条件下和8个吸放水循环后位移会有显著性增加。
表 1 各组试件在 7 MPa载荷条件下变形的t检验结果
Table 1. T-test results of the displacement at 7 MPa
厚度/mm P 对照组/A 对照组/B 对照组/C 对照组/D 对照组/E 13.0 7.87E−03* 6.91E−06* 2.56E−02* 7.32E−02 3.05E−04* 19.0 1.26E−01 1.47E−05* 4.53E−01 9.36E−01 9.39E−03* 说明：*表示差异显著(P＜0.05) 图2表明：7 MPa载荷条件下，B组试件的最终厚度最小。这说明含水率增加软化了木材刨花，并造成载荷条件下木材刨花的大幅变形。吸放水循环后，厚度为13.0 mm试件的最终厚度均比对照组低。吸湿会软化刨花纤维，吸放水循环可以引起刨花间孔隙放大和扩散，这均会降低OSB试件的压缩强度[18]。以上理论可以解释13.0 mm试件的最终厚度结果，但并不能完全解释19.0 mm试件的最终厚度变化。与对照试件相比，吸放水循环后，载荷条件下试件的最终厚度甚至小幅增加。该现象的原因是吸放水循环释放了热压时聚集在试件内部的应力，这使得试件压缩变形困难。厚OSB加工成型往往需要更大的压力，因此吸放水循环释放出的内部应力也更大。
图 2 7 MPa载荷时试件的厚度
Figure 2. Thickness of samples at 7 MPa compressive strength
以厚度为19.0 mm试件为例，相较于对照组，B组试件压缩变形增加约70%，E组试件压缩变形增加约30%。为进一步探索试件压缩强度的发生机制，需要分析试件压缩强度与厚度方向变形(加压头位移)之间的关系(图3)。不同水分行为下，试件发生了内部结构变化和刨花软化，这会影响强度与变形关系曲线。吸放水循环和高含水率均弱化了曲线的拐点，这说明试件的弹性形变区间变窄，更多变形是由塑性形变造成。循环吸放水使得刨花间孔隙放大，刨花的完整形态被破坏，刨花在负载条件下的承载能力随之降低。高含水率条件下[(95±3)％RH]，B组试件极易发生变形，变形曲线没有明显拐点，这表明水分使刨花软化，降低了刨花刚度，使刨花更易于压缩变形[19]。
图 3 不同水分条件下试件压缩载荷与变形之间的关系
Figure 3. Relationship between compressive strength and displacement of samples at different water conditions
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2种厚度试件的应变分布相似，以13.0 mm试件为分析对象。图4和图5结果显示：压缩应变主要集中在沿试件厚度方向的中心区域，这归因于OSB中心区域低密度和表层区域高密度[20]。木质复合材料的密度和刚度往往正相关[21]。因此，应变容易发生在试件沿厚度方向上的中心区域。吸放水循环次数增加，试件内应变增加，但应变分布变化较小。含水率升高会使试件内应变增加，同时改变应变分布。木材刨花会因为含水率升高而软化，这会降低木材刚度。OSB中心区域密度低，单位体积内刨花数量少，因此含水率对该区域应变的影响被弱化。此外，胶黏剂分布对试件内的应变分布也有重要影响，胶黏剂往往可以改善木材的力学性能和尺寸稳定性[22]。OSB表层施胶量通常比中心层多，因此试件表层区域力学性能受吸放水或含水率影响较小，具体体现为B组和E组试件表层区域的应变普遍较小。
图 4 不同压缩载荷(1、 3、 5、 7 MPa)下13.0 mm试件沿厚度方向的压缩应变分布
Figure 4. Compression strain distribution along the thickness direction of the 13.0 mm samples under four compression strengths(CS=1, 3, 5, 7 MPa)
图 5 不同压缩载荷下(1、3、 5、 7 MPa)13.0 mm试件沿厚度方向的剪切应变分布
Figure 5. Shear strain distribution along the thickness direction of the 13.0 mm samples under four compression strengths (CS=1, 3, 5, 7 MPa)
为进一步探索试件内应变的动态迁移过程，区分B组和E组试件的应变分布，由图6和图7结果显示：载荷低于3 MPa时，2组试件内均未出现明显应变，且应变均匀分布。载荷增加时，试件内部结构持续变化，部分区域出现明显的应变集中(图6蓝色区域）。结合图3可知：压缩应变随压缩强度的增大而增加，且主要集中在试件的中心区域。B组试件的应变始于中心区域，但E组试件的应变则从下表面开始。自由水易积聚在近OSB试件侧面和上下表面的孔隙中，或者沿着长刨花向试件内部迁移[4]。多次吸放水循环使得E组试件下表面的结构不再密实，载荷作用下，这一区域容易被再次压缩变形，并产生应变集中。该区域密实化后，应变集中则更多发生在试件中心区域。
图 6 不同压缩载荷下13.0 mm试件B(左列)和E(右列)的压缩应变分布
Figure 6. Compression strain distribution of 13.0 mm sample B (left) and sample E (right) under four compressive strengths
图 7 不同压缩载荷下13.0 mm试件B(左列)和E(右列)的剪切应变分布
Figure 7. Shear strain distribution of 13.0 mm sample B (left) and sample E (right) under different compression strengths
图7所示：剪切应变分布不连续且主要集中于中心区域。剪切应变往往造成试件内部结构变化，具体表现为木材刨花间相对位置滑移。多孔的内部结构使刨花在载荷状态下易发生开胶和错位，并产生剪切应变。由于MDI胶黏剂的耐水性和稳定性，水分吸着很难将胶黏着的木材刨花分离[23]，因此试件上下表面紧凑的内部结构和充分的胶黏剂渗透，可以有效避免水分行为对内部结构的影响，这表现为上下表面区域剪切应变较小。
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本研究结果表明：①含水率的升高和吸放水循环会使OSB厚度增加和压缩强度降低。薄OSB的厚度和压缩强度更容易受含水率和吸放水循环影响。②含水率增加会使木材刨花软化润胀，含水率20%时，较未吸湿试件，OSB试件压缩变形增加约70%。含水率增加使试件厚度方向上的应变增加且应变分布改变，具体表现为试件厚度中心区域的应变集中现象弱化。③较未吸放水试件，8次吸放水后，OSB压缩变形增加约30%。试件厚度方向上的应变增加，但应变分布变化不明显。④压缩载荷作用下，压缩和剪切应变均多始于OSB试件厚度方向上的中心区域。吸放水循环会释放OSB表层内应力，这引起试件表层区域结构疏松和载荷作用下表层压缩应变集中。
Effect of water on the mechanical performance of OSB in compression tests
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摘要:
目的 旨在深入研究水分对定向刨花板(oriented strand board, OSB)力学性能的影响规律。 方法 选取13和19 mm共2种厚度的OSB为研究对象，调整试件含水率及对试件进行吸放水循环处理，使用万能力学试验机压缩试件，同步使用数字散斑相关分析技术记录试件的面内应变分布。 结果 含水率和吸放水循环次数增加，均会增加试件厚度和压缩变形。压缩载荷作用下，压缩和剪切应变均多始于OSB试件厚度方向上的中心区域。吸放水循环会释放OSB表层内应力，造成试件表层区域结构疏松和载荷作用下表层压缩应变集中。含水率为20%时，试件压缩变形增加70%，且面内应变分布规律改变，具体表现为试件中心区域应变集中现象弱化。吸放水循环使试件面内应变增加，但对应变分布规律影响较小。8次吸放水循环后，试件压缩变形增加约30%。 结论 含水率和吸放水循环次数的增加均使OSB的抗压强度下降和厚度方向上的应变增加，含水率增加会造成应变分布改变但吸放水循环对应变分布影响不明显。图7表1参23 Abstract:Objective Oriented strand board (OSB) is an environmental- and eco-friendly material produced with renewable, mainly fresh wood from logs with either small or large diameter logs. Composed of cross-oriented layers consisting of thin and rectangular wooden flakes or strands that are compressed and bonded together with synthetic resins, it is an important engineered wood product widely applied in load bearing situations and its mechanical performance is largely dependent on the moisture content (MC) and water sorption/desorption. Therefore, with an investigation of the compressive strength (CS) of samples at different MC and water sorption/desorption cycles, this study is aimed to research the effect of water on mechanical performances of OSB. Method With samples selected from two types of OSB panels with different thicknesses, conditioned to three different MCs and treated with multiple water sorption/desorption cycles, supervision was conducted of the dimensional changes, CS and strain distribution of samples were monitored. Then the CS was measured using an Instron universal testing machine with the strain distribution recorded using digital image correlation (DIC) simultaneously. Result (1) An increase in both MC and water sorption/desorption cycle could lead to an increase in thickness and compressive deformation; (2) The CS of the samples was significantly decreased when they were conditioned with a relative humidity of 95% and a MC of approximately 20%; (3) High MC could reduce the final thickness of OSB after compressing whereas water sorption/desorption cycles could slightly decrease the final thickness of OSB after compressing; (4) High MC and multiple water sorption/desorption cycles were able to change the relationship between CS and displacement from two domains linear to almost linear which attributed to the disappearance of the samples’ plastic deformation domain; (5) High MC can soften wood strands and enlarge internal voids, which could lead to strain increase and the change of strain distribution profile while water sorption/desorption cycles degraded the internal structure of samples and (6) Water sorption/desorption cycles might cause compression strain accumulation in surface layers. Conclusion Water affects the CS of OSB in various aspects including the softening of wood strands, enlargement of voids among wood strands, diminishing of trapped stress from hot-pressing with different MCs. Such findings will help with the generation of effective manufacturing strategies that aim at good mechanical performance of OSB at different water conditions as well as optimizing the application methods and extending the application fields of OSB. [Ch, 7 fig. 1 tab. 23 ref.] -
农田杂草与作物竞争，影响作物生长发育，导致作物产量下降，是农业生产面临的主要危害之一[1]。中国每年的杂草发生面积超过
9000 万hm2，造成的主粮作物损失超过300万t[2]。传统的杂草管理方式，如物理拔除和化学除草剂等，并不能彻底解决农田中的杂草问题，且存在诸多弊端[3]。因此，农作物栽培等领域可以结合生态学理论(如作物-杂草竞争、物种共存等方向)进行学科交叉研究，寻找可持续的综合性杂草管理策略。例如，通过施肥[4]、调控种植密度[5]和杂草种类[6]来调控作物-杂草群落的结构和群落内植物的功能性状，进而影响杂草与作物的资源竞争，从而达到提升作物产量的目的[7−8]。小麦 Triticum aestivum是支撑全球粮食产量的主要作物之一，中国小麦种植面积约2 400万 hm2，占全球总产量的17%[9]，麦田杂草主要以禾本科Poaceae植物为主，造成的小麦产量损失每年超过15%，高达150万 t[10]。麦田杂草约200多种，以安徽巢湖农业示范基地小麦田为例，其优势杂草主要为野燕麦Avena fatua和稗草Echinochloa crus-galli，共占杂草总丰度的86%[11]。野燕麦是常见的恶性杂草。稗草原本是水稻Oryza sativa田中的典型杂草[12]，偏好温暖阴湿的生长环境，但随着多地区推广稻麦轮作耕作制度，稗草也开始在水分充足的稻茬麦田中出现[11]。
合理的种植密度和施肥是调节作物生长发育的重要栽培措施之一，直接关系到作物的表型和产量[13−14]。适宜的种植密度和施肥可以提高资源利用率，形成优良的农田群落结构[14]。此外，杂草密度和类型也是影响作物产量的主要因素之一[15]。通过改变作物和杂草密度、比例和类型，使群落内出现多种低竞争能力的杂草，进而提升作物产量[7−8]。
植物的功能性状决定了植物对资源的竞争能力[16]，是植物适应环境变化的关键生态策略，反映了植物在特定环境中生存和繁衍的能力[17]。其中，株高和叶片性状是光合活动的重要指标[18−19]，这些性状不仅与植物的生物量积累和光资源的吸收利用有关，还能够揭示植物的养分供应状态和生存策略[20]。而根系作为植物吸收水分和矿质元素的主要器官，其形态特征与植物吸收利用、生长发育和籽粒产量密切相关。如更高的株高、更大的叶、根面积和体积等，均有助于作物获取光、水、氮等资源并提高利用效率，进而促进生物量的积累[21]。但目前针对小麦-杂草体系中种植密度、比例和施肥对小麦功能性状影响的研究相对较少。因此，本研究以冬小麦为目标作物，研究优势杂草野燕麦和稗草在不同密度和施肥条件下对小麦的生物量和功能性状的影响，旨在为小麦杂草管理和生产提供理论依据。
1. 材料与方法
1.1 材料选取与培养
本研究选择在安徽省合肥市庐阳区大杨镇的合肥高新技术农业园内(31°55′28.17″N，117°12′12.85″E)的温室大棚中进行。研究区属于亚热带湿润季风气候，年平均气温为14~22 ℃，全年降水充沛且多集中在夏季，光照充足。供试小麦品种为‘烟农19’‘Yannong 19’，野燕麦和稗草种子采集于合肥高新技术农业园内。挑选均匀饱满、无虫眼和霉坏的小麦、野燕麦和稗草种子，清洗消毒后置于培养皿中，在25 ℃光照培养箱内育苗，待幼苗长至2~4 cm，选取长势基本一致的幼苗移栽进行盆栽试验。
1.2 试验设置
冬小麦于2021年11月13日播种，2022年5月开始收割。所用花盆上口直径为24.5 cm，下口直径为18.5 cm，高为25.0 cm。设置3种种植方式(表1)：小麦单播(W)、小麦与野燕麦混播(W-O)、小麦与稗草混播(W-B)。氮肥施用量为小麦田常规施肥量(210.000 kg·hm−2)，对应每盆施加2.182 g尿素，在移栽前作为基肥溶于水后一次性施入盆栽土壤中[11]。植物栽种参考响应曲面法，在设置密度梯度的同时，嵌套小麦和杂草的种植比例详见表1。盆栽总计128盆，采取随机区组设计摆放，降低光照和温度等环境差异对植株生长的影响。在移栽后的2周内对盆栽中死亡的幼苗进行替补移栽，并去除来自于土壤库中的植株幼苗。
表 1 小麦和杂草的种植方式Table 1 Planting pattern for wheat and weeds种植方式 种植密度
(株·盆−1)种植比例(小麦∶杂草) 施肥处理 盆数 小麦单播(W) 4、8、12、16 100%∶0 未施肥 16盆(4种种植密度各4盆) 施肥 16盆(4种种植密度各4盆) 小麦-稗草混播(W-B) 4、8、12、16 25%∶75%、50%∶50%、75%∶25% 未施肥 24盆(4种种植密度各6盆，内含3种种植比例各2盆) 施肥 24盆(4种种植密度各6盆，内含3种种植比例各2盆) 小麦-野燕麦混播(W-O) 4、8、12、16 25%∶75%、50%∶50%、75%∶25% 未施肥 24盆(4种种植密度各6盆，内含3种种植比例各2盆) 施肥 24盆(4种种植密度各6盆，内含3种种植比例各2盆) 1.3 指标测定
将植株从土壤中完整采集，分为地上和地下部分，用蒸馏水冲洗干净后置于65 ℃烘箱内48 h至恒量，利用天平(精度
0.0001 g)称取植株生物量。对于地上性状，收样前使用直尺测量植物地上部分的最大拉伸高度，记为最大株高；从每株植物中随机选择不少于总数四分之一的健康完整叶片测量叶片性状，包括叶片鲜质量、叶面积和叶片干质量。叶面积使用Digimizer统计软件测量，叶片质量由天平称量。利用叶面积/叶片干质量计算比叶面积，叶片干质量/叶片鲜质量计算叶片干物质相对含量。对于地下性状，利用根系扫描仪(Expression 12000XL, EPSON) 和WinRHIZO根系分析软件测量植株根长、根表面积和根体积。利用根表面积/根干质量计算比根面积，根长/根干质量计算比根长，根体积/根干质量计算比根体积，根干质量/根体积计算根组织密度。1.4 数据分析
所有数据采用R 4.2.3软件进行分析和绘图。利用ggplot2包绘图[22]；将原始数据进行以10为底的对数转化以使数据总体符合正态分布，进而利用stats包对取对数后的数据进行线性回归、方差分析及多重比较，分析种植密度、种植比例、施肥对小麦生物量和功能性状的影响；利用vegan包对原始数据进行冗余分析[23]。
2. 结果与分析
2.1 种植密度和施肥对单播小麦生长特征的影响
在单播小麦条件下，无论是否施肥，随着种植密度增大，小麦生物量显著降低(P＜0.05)；施肥显著增加了生物量，种植密度为8株·盆−1时增幅最大，达58.8% (图1A，P＜0.05)。在功能性状方面，对于地上性状，小麦的最大株高在种植密度为4株·盆−1时最大，施肥对最大株高无显著影响(图1B)。小麦叶面积在未施肥时随着种植密度增大逐渐降低，而施肥显著增加叶面积，且在种植密度为8株·盆−1时增幅最大，达143.4% (图1C，P＜0.05)。小麦的比叶面积在种植密度改变时并未发生显著变化，与未施肥相比，种植密度为8株·盆−1时，施肥仅显著增加了比叶面积，从111.90 cm2·g−1增大至168.60 cm2·g−1 (图1D，P＜0.05)。小麦叶片干物质相对含量在未施肥时随着种植密度增大呈驼峰形变化趋势，而在施肥情况下随着种植密度增大呈U形的变化趋势(图1E)。对于根性状，施肥和种植密度均未改变根长、根表面积、比根体积和根组织密度(图1F~K)。整体而言，种植密度和施肥会影响单播小麦的生物量和地上性状，而对根性状作用不明显。
图 1 种植密度和施肥对单播小麦生长特征的影响Figure 1 Changes of wheat biomass and functional traits with N addition and planting density treatments in monoculture单株小麦的生物量、最大株高和叶面积之间呈正相关，它们与叶片干物质相对含量呈负相关(图2A)；单株小麦的根长与根表面积呈正相关，比根面积和比根长呈正相关，两类根性状呈负相关，比根体积与其余4个性状相关性较小(图2B)。
图 2 种植密度和施肥与小麦生长特征之间的相关性分析Figure 2 Redundancy analysis between wheat biomass and functional traits with N addition and planting density treatments in monoculture2.2 与野燕麦混播时不同处理对小麦生长特征的影响
当小麦与野燕麦混播时，无论小麦种植比例如何，随着种植密度增大，小麦生物量显著降低(P＜0.05)；当种植密度相同时，随着小麦种植比例增大，生物量整体呈下降趋势；当种植密度为8株·盆−1，且小麦与野燕麦种植比例为25%∶75%时，施肥仅显著增加了生物量，未施肥时为4.23 g，施肥时为15.65 g，增加了270.3% (图3A，P＜0.05)。在功能性状方面，当小麦与野燕麦种植比例为25%∶75%和50%∶50%时，施肥、种植密度和小麦种植比例均未改变最大株高；当小麦与野燕麦种植比例为75%∶25%时，未施肥时最大株高随种植密度增大显著降低(P＜0.05)，从密度为4株·盆−1时的最大值(59.41 cm)降低至密度为16株·盆−1时的最小值(39.56 cm)；施肥时株高的密度依赖性消失(图3B)。对于叶片性状，施肥、种植密度和小麦种植比例均未改变小麦平均叶面积、比叶面积和叶片干物质相对含量(图3C~E，P＞0.05)。对于根性状，施肥、种植密度和种植比例均未改变根长、根表面积、比根长、比根体积和根组织密度(图3F~K，P＞0.05)。
图 3 与野燕麦混播时不同处理下小麦生长特征的变化Figure 3 Changes of wheat biomass and functional traits of wheat in W-O mixture with N addition, planting density and proportion2.3 与稗草混播时不同处理对小麦生长特征的影响
从图4可见：当小麦与稗草混播时，无论小麦种植比例如何，随着种植密度增大，小麦生物量显著降低(P＜0.05)；当种植密度相同时，随着小麦种植比例增大，生物量整体呈下降趋势；施肥并未改变小麦生物量。在功能性状方面，施肥、种植密度和种植比例均未改变小麦地上性状和根性状。施肥、种植密度和种植比例的交互作用会改变根长和根表面积。在未施肥时，当种植密度为4株·盆−1，且小麦与稗草种植比例为25%∶75%时，小麦根长和根表面积最大，而当种植密度为16株·盆−1，且小麦与杂草种植比例为75%∶25%时，小麦根长和根表面积最小。
图 4 与稗草混播时不同处理下小麦生长特征的影响Figure 4 Changes of biomass and functional traits of wheat in W-B mixture with N addition, planting density and proportion3. 讨论
3.1 种植密度对小麦生长的影响
本研究中，无论是单播还是混播，小麦的单株生物量随着种植密度的增大而显著下降，不依赖于小麦邻体杂草的物种类型。这与以往的研究结果一致，这是因为在高种植密度下，个体可用资源减少[24]。当小麦与野燕麦混播种植比例为75%∶25%，且未施肥时，小麦的最大株高随种植密度增大而显著降低，而此时小麦与稗草混播中的小麦最大株高无明显变化。这表明在相同种植密度和种植比例下，小麦与野燕麦共存时承受着更为激烈的光竞争压力。这可能是因为冬季和早春气温较低，导致原本在温暖潮湿地区常见的稗草发芽和生长较慢[25−26]。相比之下，野燕麦耐旱耐冷、适应性强，拔节后生长迅速，能对小麦构成更大的竞争。此外，野燕麦种子成熟时间较早，这也增大了其对土壤资源的占据[27]，体现了杂草生长过程中的权衡策略[28]，即通过缩短生育期来获取在资源竞争中的优势[29]。
3.2 施肥对小麦生长的影响
施肥是提高土壤肥力的常用手段[30−31]。本研究发现：在小麦单播时，施肥可以增大单株小麦的生物量和叶面积，表明施肥能通过缓解氮受限来增强光合作用和呼吸作用，从而促进生物量的积累[32]。然而，在混播系统中，施肥与否对小麦的生长并无显著改变，这可能是因为当前施肥量对小麦生长的增益不足以弥补种植密度对小麦生长的制约[32]，也可能是因为邻体杂草的竞争作用抵消了施肥对小麦生长的促进[33]。
3.3 种植密度、种植比例和施肥的交互作用对混播小麦生长的影响
当小麦与野燕麦混播时，施肥显著增加了种植密度为8株·盆−1，种植比例为25%∶75%时的单株小麦生物量。这可能是因为施肥后土壤中的可利用氮素增加，在一定程度上缓解了对小麦株高和根系生长的密度制约效应，从而有利于小麦生物量的积累。同时，土壤中可利用氮素的增加也会促进杂草的生长[34]，而野燕麦的生长能力和养分吸收能力优于小麦[35]，因此施肥处理可能会加剧野燕麦对小麦产量的密度制约效应。而当小麦与稗草混播时，施肥对其影响相对较小。这表明种植密度、种植比例和施肥的交互作用对小麦与杂草混播时单株小麦生长的影响可能具有杂草依赖性。种植密度和施肥的交互作用对根长和根表面积的影响较大，即在低密度施肥时最高而高密度未施肥时最低，而对株高和叶片性状的影响较小。这可能是因为与大田环境相比，盆栽不同植株获得光资源的差异较小，而土壤资源和空间受限，使得小麦根系需要发生比地上性状更大的表型可塑性以获取养分和生长。
本研究采用容易获得的形态性状进行分析，并未对叶片光合作用、根呼吸和根系分泌物特征等生理性状进行研究，这些性状能更准确地反映植物对不同环境因子的响应[36]，但难以快速大量测量[37−38]，所以相关研究仍然较少。为了能进一步揭示植物地上、地下性状的权衡机制并将其运用到农业生产和杂草管理之中，应在不同作物、不同耕作方式和不同的田间配置条件下进行有关植物生理属性的研究，并平衡多个功能性状间的权衡关系提高作物适合度。
4. 结论
种植密度、种植比例和施肥的交互作用对小麦与杂草混播系统中小麦的生物量、根长和根表面积产生较大影响，而对株高和叶片性状的影响相对较小。在相同的种植条件下，野燕麦对小麦生长的不利影响超过稗草。施肥则根据混播的杂草种类而表现出不同的效果。因此，在农业生产实践中，应合理调控种植密度、杂草比例和施肥量。同时，在进行杂草管理时应选择合适的杂草种类，以发挥作物和杂草多样性在调控产量中的潜在价值。
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图 1 不同水分条件下试件的厚度变化和含水率
Figure 1 Thickness change and moisture content of samples at different water situations
图 3 不同水分条件下试件压缩载荷与变形之间的关系
Figure 3 Relationship between compressive strength and displacement of samples at different water conditions
图 4 不同压缩载荷(1、 3、 5、 7 MPa)下13.0 mm试件沿厚度方向的压缩应变分布
Figure 4 Compression strain distribution along the thickness direction of the 13.0 mm samples under four compression strengths(CS=1, 3, 5, 7 MPa)
图 5 不同压缩载荷下(1、3、 5、 7 MPa)13.0 mm试件沿厚度方向的剪切应变分布
Figure 5 Shear strain distribution along the thickness direction of the 13.0 mm samples under four compression strengths (CS=1, 3, 5, 7 MPa)
图 6 不同压缩载荷下13.0 mm试件B(左列)和E(右列)的压缩应变分布
Figure 6 Compression strain distribution of 13.0 mm sample B (left) and sample E (right) under four compressive strengths
图 7 不同压缩载荷下13.0 mm试件B(左列)和E(右列)的剪切应变分布
Figure 7 Shear strain distribution of 13.0 mm sample B (left) and sample E (right) under different compression strengths
表 1 各组试件在 7 MPa载荷条件下变形的t检验结果
Table 1. T-test results of the displacement at 7 MPa
厚度/mm P 对照组/A 对照组/B 对照组/C 对照组/D 对照组/E 13.0 7.87E−03* 6.91E−06* 2.56E−02* 7.32E−02 3.05E−04* 19.0 1.26E−01 1.47E−05* 4.53E−01 9.36E−01 9.39E−03* 说明：*表示差异显著(P＜0.05) 
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链接本文:
https://zlxb.zafu.edu.cn/article/doi/10.11833/j.issn.2095-0756.20210291
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