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农作物秸秆具有十分巨大的利用潜力和价值，通过制备复合材料等方式成为生物质资源利用的重点方向之一[1-2]。但秸秆表面由硅和蜡质形成的非极性表层结构会影响胶黏剂在秸秆纤维表面的润湿和吸附，无法形成良好的胶合界面，导致复合材料性能下降[3]。为了获得表面性能良好的秸秆纤维原料，增加秸秆纤维与胶黏剂的相容性，需要对秸秆纤维进行表面改性处理。常用的改性处理方式有物理、化学和生物改性等3种[4]，相比之下，生物改性更加环保，但目前应用较少，发展潜力巨大[5-6]。秸秆纤维的生物改性方法包括酶处理和微生物发酵等[7]，其中酶处理法用到的生物酶较多，如纤维素酶、木聚糖酶、果胶酶以及降解木质素的氧化酶等[8]，但处理过程中释放的糖易被内源性微生物迅速消耗；生物发酵利用某些微生物的消耗分解作用，可得到表面性能良好的秸秆纤维，但通常需要数周，历时较长。QU等[9]使用微生物接种剂，包括枯草芽孢杆菌Bacillus subtilis、地衣芽孢杆菌Bacillus licheniformis、罗氏链霉菌Streptomyces gougerotii和黑曲霉Aspergillus niger，发酵改性小麦Triticum aestivum秸秆，降低了小麦秸秆纤维的长度和宽度，去除秸秆表面蜡质，提高了纤维结晶度。LI等[10]对比了碱处理和酶处理秸秆纤维对秸秆/高密度聚乙烯复合材料的影响，结果表明碱和酶处理均提高了复合材料的界面性能，界面附着力良好。XU等[11]利用不同的酶(纤维素酶、半纤维素酶、漆酶和蛋白酶)及不同的发酵方式(好氧发酵、混合厌氧发酵和浸泡厌氧发酵)对小麦秸秆进行组合处理，结果表明处理之后的小麦秸秆表面蜡质脱落，秸秆纤维的物理结构发生改变，结晶度均大于对照组。可见，生物改性预处理可有效改善纤维与聚酯间的界面相容性，提高秸秆基复合材料的力学性能和热稳定性，在减少环境污染、改善秸秆纤维性能以及提高木质纤维素生物质的综合利用等方面具有广阔的发展前景[12-14]。本研究利用微生物发酵改性秸秆，并将改性秸秆纤维与脲醛树脂混合制备复合材料，探讨了微生物发酵时长对秸秆纤维及制备的复合材料的性能的影响，为秸秆基复合材料的制备应用及发展提供理论依据。
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水稻Oryza sativa秸秆取自江苏省农业科学院农业资源与环境研究所，风干后(含水率9.17%)粉碎至1~2 cm备用；微生物菌剂(秸秆腐熟剂)购买于南京宁粮生物工程有限公司，含有枯草芽孢杆菌、酵母Saccharomyces、粪肠球菌Enterococcus faecalis、蛋白酶、纤维素酶等。
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30 kg水稻秸秆接种545 g微生物菌剂(微生物菌剂质量为秸秆绝干质量的2%)，调节体系的碳氮比(C/N)为30∶1，含水率为65%，混合均匀后均分转移至自制生物发酵箱中(尺寸为1 m×1 m×1 m，3层箱壁结构，内、外壁为铁质，之间填充有保温泡沫)，在30 ℃以上室温环境内静置培养，定期翻动物料以保证充足的新鲜空气。发酵至第5天，从各发酵箱中取出一半物料混合均匀后作为生物改性处理5 d的秸秆纤维，记为S5，剩余物料继续发酵至第10天后全部取出，混合均匀作为生物改性处理10 d的秸秆纤维，记为S10。未生物改性秸秆纤维记为S0。
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采用“碱-酸-碱”三段制备工艺制备脲醛树脂，3个阶段甲醛与尿素的摩尔比分别为2.0∶1.0，1.5∶1.0和1.4∶1.0，第3阶段另加入占尿素总质量20%的聚乙二醇二缩水甘油醚(PEGDGE)进行增韧改性。物料及添加质量见表1。制得的脲醛树脂黏度为315.6 mPa·s，固含量为54.18%，游离甲醛含量(质量分数)为0.38%，pH 8.30。
表 1 脲醛树脂制备过程中物料添加情况
Table 1. Adding quality of materials during the preparation of urea-formaldehyde resin
阶段 37%(质量分数)
甲醛溶液/g尿素/g 聚乙烯
醇-124/g三聚氰
胺/gPEGDGE/g 1 1 000.0 371.0 5.3 2 106.0 10.6 3 53.0 106.0 将脲醛树脂与秸秆纤维按照20%的施胶量混合均匀(施胶量为脲醛树脂固体质量占复合材料总质量的比)，使用平板硫化机(QLB-D 400×400×2，上海第一橡胶机械厂，中国)压制秸秆纤维复合材料，热压工艺为温度130 ℃，时间3 min，压力3.0 MPa，尺寸规格300.0 mm×300.0 mm×3.0 mm (长×宽×厚)，密度为(0.80±0.05) g·cm−3。热压完成后将纤维板陈放48 h以平衡含水率并释放内部应力。秸秆S0、S5和S10制备的复合材料分别记为F0、F5和F10。
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采用范式洗涤纤维测定法[15]测定生物改性秸秆的半纤维素、纤维素、酸不溶木质素以及灰分的变化，将20~40目的秸秆纤维使用纤维测定仪(F800，山东海能科学仪器有限公司，中国)先后经中性洗涤剂和酸性洗涤剂消煮后，使用质量分数为72%硫酸溶液浸没2 h以上，最后使用马弗炉灼烧，测定计算生物改性秸秆纤维组分变化。
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使用XRD-D2PHASER型X射线衍射仪(Bruker AXS，德国)测定样品晶体结构变化，铜靶，衍射范围为5°~80°，测试步长为0.02。结晶度(ICr)计算方法为ICr＝(1−Iam/I002)×100%。其中：I002是纤维素在结晶相的衍射强度(2θ)为22°~23°时结晶强度的最大值；Iam是在非晶相的衍射强度(2θ)为17°~18°时结晶强度的最小值。
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在10 kV加速电压下采用扫描电子显微镜(SEM，EVO-LS10，Carl Zeiss Jena，德国)观察生物改性秸秆样品的表面微观结构变化。
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使用JC2000D5型接触角测量仪(上海中晨数字技术设备有限公司，中国)测量水滴(极性液体)在复合材料表面的接触角变化，每间隔30 s拍照测量1次，测试总时长为10 min；使用相同方法测量二碘甲烷(非极性液体)在复合材料表面的接触角变化，然后利用Owens二液法[16]计算复合材料的表面能。
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参照GB/T 17657—2013《人造板及饰面人造板理化性能试验方法》，采用三点弯曲方法，利用微机控制电子万能力学试验机(CMT4304，深圳新三思计量技术有限公司，中国)测量计算复合材料的抗弯强度(MOR)、弹性模量(MOE)，加载速率 2 mm·min−1。每组测量5个试样。
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参照GB/T 17657—2013《人造板及饰面人造板理化性能试验方法》，使用塑料摆冲击试验机(501J，深圳万测试验设备有限公司，中国)测量计算复合材料的冲击韧性，摆锤能量为2 J。每组测量10个试样。
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由图1A可知：随着生物改性处理时间延长，秸秆纤维的半纤维素相对含量逐渐降低。这是因为半纤维素在天然状态下聚合度低，化学活性较强，在生物改性时更易降解。纤维素相对含量随生物改性处理时间延长先提高后降低，是因为纤维素结构存在不定形区和定形区，定形区结晶度较好不易降解，生物降解速度低于半纤维素[17]。生物改性处理前期，半纤维素快速而大量地降解，纤维素相对含量提高，而后由于半纤维素相对含量较低，微生物消耗纤维素的速率加快，纤维素的不定形区首先开始降解，随后定形区降解，相对含量开始下降。木质素与灰分为相对不易降解的物质[18]，因此在10 d的生物改性处理时间内秸秆纤维的木质素和灰分的相对含量逐渐增加。
由图1B可知：S0、S5和S10的结晶度分别为43.6%、47.8%和41.4%。在微生物作用下，半纤维素及纤维素不定形区在改性处理前期优先降解，纤维素定形区占比增加，聚合度提高，因此在生物改性处理前期S5的结晶度相比于S0有较大幅度提高。随着生物改性处理时间的延长，半纤维素含量逐渐降低，微生物开始大量分解并消耗纤维素，S10的结晶度因此降低，甚至低于S0，可见生物改性处理10 d后秸秆纤维素定形区部分分解。
图 1 生物预处理秸秆组分相对含量变化(A)及X射线衍射图谱(B)
Figure 1. Relative content changes of the components (A) and X-ray diffraction pattern (B) of biologically pretreated straw fiber
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张晖[19]研究发现：随着生物改性处理时间的延长秸秆逐渐由浅黄色变为深褐色，可能是木质素逐渐暴露出来所导致，本研究结果与此一致。未改性的秸秆纤维表面(图2A)存在硅和蜡质层，并含有淀粉等物质，这些结构紧凑的层状结构会影响脲醛树脂在秸秆表面的浸入及渗透，可能导致秸秆纤维/脲醛树脂复合材料力学强度的降低[10]。生物改性处理5 d后，S5表面的淀粉被消耗，硅等无法被微生物消耗的物质逐渐脱落，同时蜡质层被破坏，只在秸秆纤维表面零散分布(图2B)。硅质和蜡质的减少可提高脲醛树脂与秸秆纤维的相容性，形成良好的胶合界面，在一定程度上提高复合材料的力学性能[20]。随着生物改性处理时间的延长，微生物由秸秆纤维表面进入细胞腔内部，消耗秸秆组分，破坏纤维结构，使纤维表面形成裂隙(图2C)。裂隙的形成会造成秸秆纤维自身强度下降，但另一方面，由于这些裂隙的存在，脲醛树脂更容易进入秸秆纤维内部，在胶合过程中可能形成 “胶钉”，提高复合材料强度[21-22]。
图 2 不同秸秆纤维S0(A)、S5(B)和S10(C)的表面微观形貌及其宏观对比(D)
Figure 2. Surface morphology of biologically pretreated straw fiber S0 (A), S5 (B) and S10 (C) and their macroscopic comparison (D)
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水滴在材料表面的接触角是表征材料表面润湿性直观而重要的手段，材料表面接触角越大表明材料疏水性越好，动态接触角则是量化润湿动力学的主要参数[23]。由图3A可知：与F0相比，生物改性处理秸秆纤维制备的复合材料接触角明显变大，在相同的测试时间内，F5的接触角更大，材料的疏水性更好。经过生物改性处理后秸秆纤维表面的蜡质等物质被去除，理论上秸秆纤维的润湿性更趋向于增强，但经过改性后，脲醛树脂更易附着在纤维表面或渗透进纤维内部，填充了纤维间隙，使得复合材料的疏水性增加。经过10 d的生物改性处理，S10表面出现裂隙，在复合材料制备过程中改性脲醛树脂易渗透到秸秆纤维内部，经热压固化后秸秆纤维表面的树脂固体含量低于S5表面， 因而F10的疏水性降低。
表面能是固体表面特征和表面现象形成的主要推动力，是描述和决定固体表面性质的重要物理量[24]。由图3B可知：未改性处理秸秆纤维中的半纤维素及纤维素含有大量的极性基团，F0的表面能因而更高；生物改性处理后秸秆中的半纤维素以及纤维素相对含量降低，极性基团减少，复合材料的表面能降低。另一方面，生物改性亦改变了秸秆纤维原有的表层结构，暴露出更多的木质素，这些木质素当中的羟基等极性基团有助于提高材料的表面能，导致F10的表面能高于F5[25]，较低的表面能能够增加材料的抗污及抗氧化性能[26]，有利于延长材料的使用寿命。
图 3 复合材料的接触角(A)及表面能(B)
Figure 3. Contact angle (A) and surface energy (B) of composites
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由图4A可知：F0、F5和F10的静曲强度和弹性模量依次增强，相比于F0，F5和 F10的静曲强度分别提高30.05%和59.00%，弹性模量分别提高12.24%和50.17%。生物改性处理可以去除秸秆纤维表面的硅和蜡等物质，从而改善脲醛树脂与秸秆纤维的相容性，提高复合材料的抗弯性能。同时，随着生物改性处理时间的延长秸秆纤维表面出现裂隙，脲醛树脂易进入秸秆纤维内部，在增强秸秆纤维的同时，制备的复合材料的胶合界面形成 “胶钉”，提高复合材料的强度。
图 4 复合材料的抗弯强度(A)及冲击韧性(B)
Figure 4. Flexural strength (A) and impact toughness (B) of composites
如图4B所示：在不同生物改性处理时长的秸秆纤维制备的复合材料中， F5的冲击韧性更好，平均值为7 665.64 J·m−2，F10为7 143.26 J·m−2，而F0仅为6 786.40 J·m−2。复合材料的冲击韧性受到原材料自身力学性能、材料之间的相容性等多方面因素的影响[27-28]，生物改性处理提高了秸秆纤维与脲醛树脂之间的相容性，脲醛树脂在秸秆纤维表面更加容易浸润和渗透，从而形成较为优异的胶合界面，提高复合材料的冲击韧性。随着生物改性处理时间的延长，秸秆纤维结构被微生物破坏，秸秆自身的冲击力学性能下降导致复合材料冲击韧性降低，F10的冲击韧性低于F5。
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在特定微生物菌剂作用下，秸秆纤维的半纤维素最先降解，随后纤维素降解，而木质素和灰分则为不易降解物质。随生物改性处理时间延长，秸秆纤维的半纤维素相对含量逐渐降低，木质素和灰分的相对含量逐渐提高。生物改性前期由于半纤维素及纤维素不定形区被降解，纤维素定形区相对含量提高，因此S5的纤维素相对含量更高，结晶度更好。生物改性处理可去除秸秆纤维表面的硅质和蜡质，一定程度上提高了脲醛树脂与秸秆纤维的表面相容性，但随着改性时间的延长，秸秆纤维表面出现裂隙(S10)。生物改性处理减少极性基团，因而复合材料的疏水性更好，表面能更低，材料的耐久性和抗污性更加优良。同时脲醛树脂与秸秆纤维的相容性得以改善，F5和F10的抗弯强度和冲击韧性相比于F0有大幅提高，但因为生物改性处理后秸秆纤维结构被破坏，纤维自身的力学性能下降导致F10的冲击韧性低于F5。综合分析秸秆纤维的结晶度、微观形貌以及复合材料的表面性能和力学性能等，生物改性处理5 d为制备秸秆/脲醛树脂复合材料的适宜改性时长。
Properties of bio-pretreated straw fiber and its composite materials
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摘要:
目的 探究生物预处理对秸秆纤维及其与脲醛树脂制备的复合材料性能的影响，为秸秆基复合材料的制备及发展提供理论依据。 方法 接种微生物菌剂(秸秆腐熟剂)对水稻Oryza sativa秸秆进行好氧发酵处理，测定不同处理时间下水稻秸秆中半纤维素、纤维素、木质素等的变化，测试并对比未经生物改性处理秸秆纤维(S0)、经生物改性处理5 (S5)和10 d (S10)秸秆纤维的结晶度和微观形貌，制备秸秆纤维/脲醛树脂复合材料，分别标记为F0、F5、F10，比较不同生物预处理时间下秸秆基复合材料的表面性能和力学性能。 结果 改性处理后秸秆表面的硅和蜡等物质被去除，但较长的生物改性处理时间(10 d)会破坏秸秆纤维自身结构。相比于S0和S10，S5的纤维素相对含量最高，为37.99%，结晶度也最好，为47.8%。3种秸秆基复合材料中F5疏水性最好，表面能最低，冲击韧性最大(7 665.64 J·m−2)；F10抗弯性能更好，静曲强度和弹性模量分别为27.73和20 354 MPa，相比F0分别提高了59.00%和50.17%。 结论 生物改性处理可以改善秸秆纤维的表面性质，提高秸秆纤维/脲醛树脂复合材料的性能，生物改性处理5 d的秸秆纤维更好，制备的复合材料性能更优良。图4表1参28 Abstract:Objective This study aims to explore the influence of biological pretreatment on the properties of straw fiber and its composites prepared with urea formaldehyde resin, so as to provide theoretical basis for the preparation and development of straw based composites. Method Rice (Oryza sativa) straw was treated with microbial agent for aerobic fermentation. The changes of hemicellulose, cellulose and lignin in rice straw under different treatment time were measured. The crystallinity and microscopic morphology of straw fiber without biological pretreatment (S0), straw fiber bio-pretreated for 5 days (S5) and 10 days (S10) were tested and compared. Straw fiber/urea formaldehyde resin composites (F0, F5, F10) were prepared. Then the surface properties and mechanical properties of straw based composites under different biological pretreatment time were compared. Result Substances such as silicon and wax on the surface of straw fiber were removed after biological pretreatment, but the longer biological pretreatment time (10 d) could destroy the structure of straw fiber itself. Compared with S0 and S10, S5 had the highest relative content of cellulose (37.99%) and best crystallinity (47.8%). In contrast, F5 had the best hydrophobicity, lowest surface energy, and highest impact toughness (7 665.64 J·m−2). F10 had the best flexural performance. The static flexural strength and flexural modulus were 27.73 and 20 354 MPa, respectively, which were 59.00% and 50.17% higher than the composites prepared by S0, respectively. Conclusion Biological pretreatment can improve the surface properties of straw fiber and the properties of straw fiber/urea formaldehyde resin composites. The straw fiber bio-pretreated for 5 days is better, and the properties of the composites are superior. [Ch, 4 fig. 1 tab. 28 ref.] -
Key words:
- straw fiber /
- biological pretreatment /
- composites /
- surface properties /
- mechanical properties
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土壤养分异质性在自然界中普遍存在，主要表现在土壤中包含许多大小不同、形状各异的养分富集区域，且养分含量各不相同[1]。引起养分异质性分布的因素很多，除了土壤自身的异质理化性质外，还包括动物的排泄物、植物凋落物理化性质的差异以及微生物活动等[2]。由于不同植物对养分异质性的响应不同，土壤养分异质性可能会对植物间的竞争关系造成一定的影响[3−5]。研究表明：与本地植物间的竞争关系是决定外来植物能否成功入侵的关键因素之一[6]。与本地植物相比，入侵植物更能从环境异质性中获益[7−8]，因此，土壤养分异质性可能会促进外来植物的入侵[9−10]。
节节麦Aegilops tauschii属于禾本科Poaceae山羊草属Aegilops植物，为世界十大恶性杂草之一。野生节节麦种群广泛分布于欧亚大陆中部的干旱及半干旱地区[11]，在长期的传播及适应过程中，该物种已经扩散至从叙利亚、土耳其北部到中国西部等欧亚大陆中部广泛的地理区域[12]。节节麦作为小麦Triticum aestivum的野生近缘种之一，在出苗时间、苗期特征及生长习性等方面均与小麦接近，不仅会竞争光照、水及肥等资源，还是小麦条锈病的替代宿主，因此极易造成小麦的减产甚至绝收。自1955年在河南省新乡地区首次采集到其标本至今，节节麦已入侵扩散至中国的陕西、河南及山东等小麦主产省[13]，并已严重威胁到小麦的生产安全[13−14]。节节麦具有较强的生存能力，且对土壤养分条件的适应性强[15−16]。目前，有关养分异质性对节节麦和小麦生长及竞争影响的研究尚未见有报道。为此，本研究探讨土壤养分异质性对节节麦与小麦竞争关系的影响，以期为节节麦入侵危害机制研究提供参考。
1. 材料与方法
1.1 材料
2021年6月，供试节节麦及小麦种子来源于河南省新乡农业科学院试验田(35°18′N，113°52′E)，种子晒干后室内保存。试验在河南科技大学科教试验园内进行，该试验园位于河南省洛阳市洛龙区(34°59′N，112°16′E)。该地区属温带季风气候，海拔高度为209 m。年均气温为14.86 ℃，年均降水量为578.2 mm。
1.2 试验设计
2021年9月，将经过筛选的节节麦及小麦种子播种至营养钵内进行育苗，基质为V(珍珠岩)∶V(蛭石)∶V(草炭)=1∶1∶1。待幼苗生长至“两叶一心”时，选取高度及长势基本一致的节节麦和小麦幼苗移栽至种植箱(60 cm×40 cm×20 cm)内。
在种植箱内填入人工制备的均质或异质土壤，为了便于排水，容器底部均铺设约2 cm的略大颗粒砂土。基质填充前，利用聚氯乙烯(PVC)板在种植箱内隔离出所需空间，填充基质后移除PVC板。参照文献[17−18]的处理方式对土壤养分进行定性控制。设置包括高养分[V(草炭土)∶V(砂土)=3∶1]、低养分[V(草炭土)∶V(砂土)=1∶3]及异质性土壤(将种植容器均匀分隔为若干部分，交叉应用等量的高、低养分土壤)3种养分条件。异质养分处理设置20个营养斑块，其中高、低养分斑块各10个(图1)。同质养分处理则是用与异质养分处理中相同数量的高、低养分土壤混合而成。各个处理是由富含营养的草炭土和砂土的不同混合物代表的。因此，同质与异质养分处理中总体营养供应是相同的。此外，结合种植箱面积及大田小麦的种植密度，设计3种种植模式：①12株节节麦均匀种植；②12株小麦均匀种植；③6株节节麦和6株小麦交替均匀种植。异质养分模式中，植株均定植在异质性斑块的交叉点，与同质养分模式中植株定植的位置完全相同，如图1所示。共6个处理，每处理设置4个重复，所有种植箱均随机排列。养护期间维持土壤水分以保证植物正常生长。
试验于2021年10月开始，持续120 d。试验结束时，在单种及混种条件下，从每个处理中随机抽取10株植株。先测量每株植株高度，随后用水冲刷的方法将植株根部从土壤中小心分离出来，并尽量减少细根的损失。使用扫描仪和Photoshop软件来确定叶面积[19]。最后，将植物的叶、茎和根分开，保存在纸袋中。然后将样品在80 ℃的烘箱中烘干至恒量，并测定生物量(精确至0.000 1 g)。
1.3 数据处理
采用单因素方差分析(one-way ANOVA)分析土壤养分异质性对节节麦和小麦单株指标的影响。利用SPSS 19.0进行数据统计分析，Excel软件作图。
根冠比=根生物量/地上部分生物量[20]。
采用相对产量(R)、相对产量总和(T)及竞争平衡指数(Ca)测度节节麦与小麦间的竞争能力强弱[21−23]。公式为：Ra=Yab/Ya；T=(Ra+Rb)/2；Ca=ln(Ra/Rb)。其中，a、b分别表示2个供试物种；Ya表示单种时物种a的单株产量；Ra、Rb分别表示混种时物种a、b的相对产量；Yab表示混种时物种a的单种产量。计算时单株产量为单个植株的干物质量。Ra=1.0，表明物种a与b的种内及种间竞争强度相同，即2个物种的竞争力相同；Ra＞1.0，表明种内竞争力大于种间，即物种a对物种b的竞争力大于其对自身的竞争强度；Ra＜1.0，表明种内竞争力小于种间，即物种a对物种b的竞争力小于其对自身的竞争强度。T=1.0，表明物种a与b需要相同的营养资源，且一种物种可以通过竞争作用将另一物种排除出去；T＞1.0，表明a与b不存在竞争作用；T＜1.0，表明a与b存在竞争作用。Ca=0，表明物种a和b的竞争力相等；Ca＜0，表明物种a的竞争力小于物种b；Ca＞0，表明物种a的竞争力大于物种b，Ca越大，表明物种a的竞争力越强。
2. 结果与分析
2.1 土壤养分异质性下小麦和节节麦的生长发育
与同质性土壤相比，无论种内还是种间竞争，土壤养分异质性均明显促进了小麦和节节麦株高及叶面积的增加(图2)。其中，种内竞争条件下，异质性土壤中小麦的株高和叶面积分别较同质性土壤中增加了29.80%、20.09%，明显小于节节麦的39.29%、39.37%；而种间竞争条件下，异质性土壤中小麦的株高及叶面积分别较同质性土壤中增加了23.88%、21.63%，同样明显小于节节麦的26.58%、25.35%。此外，仅有在种内竞争条件下，异质性土壤中节节麦株高的增加与同质性土壤差异显著(P＜0.05)。
图 2 土壤养分异质性与种间竞争对小麦和节节麦株高及叶面积的影响Figure 2 Effect of soil nutrient heterogeneous and interspecific competition on the plant height and leaf area of T. aestivum and A. tauschii无论是种内竞争还是种间竞争，土壤养分异质性均促进了小麦和节节麦单株分蘖数的增加，但均未达到显著水平(图3)。其中，在种内和种间竞争条件下，异质性土壤中小麦的单株分蘖数分别较同质性土壤中增加了27.78%、24.39%，小于节节麦的41.43%、30.00%。
图 3 土壤养分异质性与种间竞争对小麦和节节麦单株分蘖数的影响Figure 3 Effect of soil nutrient heterogeneous and interspecific competition on the tillers per plant of T. aestivum and A. tauschii如图4所示：无论是种内竞争还是种间竞争，土壤养分异质性促进了小麦和节节麦总生物量的增加，且与同质性土壤相比，均达到了显著水平(P＜0.05)。其中，在种内和种间竞争条件下，土壤养分异质性促使小麦的总生物量分别增加了132.51%、123.81%，小于节节麦的133.06%、131.42%。
图 4 土壤养分异质性与种间竞争对小麦和节节麦总生物量的影响Figure 4 Effect of soil nutrient heterogeneous and interspecific competition on total biomass of T. aestivum and A. tauschii无论是种内还是种间竞争，与同质性土壤相比，异质性土壤中小麦和节节麦的根冠比均略有下降，但均未达到显著水平(图5)。其中，在种内和种间竞争下，土壤养分异质性促使小麦的根冠比分别下降了21.17%、17.74%，大于节节麦的20.53%、25.11%。
图 5 土壤养分异质性与种间竞争对小麦和节节麦根冠比的影响Figure 5 Effect of soil nutrient heterogeneous and interspecific competition on root-shoot ratio of T. aestivum and A. tauschii2.2 土壤养分异质性下节节麦和小麦的竞争关系
从表1可知：无论是在同质性土壤还是异质性土壤中，节节麦和小麦的相对产量及节节麦的相对产量总和均小于1。节节麦的竞争平衡指数值均大于0，且异质性土壤中的竞争平衡指数较同质性土壤中有所增加，但未达到显著水平。
表 1 不同土壤类型下节节麦与小麦的竞争关系Table 1 Competitive relationship between A. tauschii and T. aestivum under soil nutrient heterogeneity土壤类型 Ra Rb 相对产量总和 竞争平衡指数 同质性 0.921±0.022 a 0.901±0.016 a 0.911±0.011 a 0.022±0.001 a 异质性 0.914±0.041 a 0.867±0.014 a 0.891±0.022 a 0.053±0.015 a 说明：数值为平均值±标准误，同列不同小写字母表示不同土壤养分间差异显著(P＜0.05) 3. 结论与讨论
为了最大限度地获取土壤养分资源，植物会通过形态或生理上的调节来适应异质性的土壤斑块环境[24]。也有研究显示：土壤养分异质性对植物生长的影响是由植物自身属性及土壤养分异质性斑块的属性共同决定的[25]。当异质性土壤斑块间差异不明显或斑块较小时，土壤养分异质性并不会对植物生长造成显著影响[26]，这可能是由于养分的空间异质性分布对植物的影响不足以抵消光照、空间或竞争等因素对生长特征的影响[24]。本研究中，土壤养分异质性一定程度促进了节节麦和小麦幼苗的生长发育，并提高了节节麦对小麦的竞争抑制作用。
3.1 土壤养分异质性对节节麦生长发育的影响
株高和叶面积是植物获取光合作用空间及更多光照条件的重要保障，也是决定植物个体间光照资源竞争成功的关键因素之一[27]，对环境变化敏感且可塑性强，并与植物生长发育紧密相关，因此，常被用于植物响应环境变化研究的评价指标[28]。本研究中，无论是种内还是种间竞争，异质性土壤中小麦和节节麦幼苗株高及叶面积均有所增加，表明土壤养分异质性促进了小麦和节节麦地上部分的生长发育。而此结果也证实之前的研究结论，即植物在异质性土壤养分供应的环境中经常表现出较同质土壤养分供应的环境更好，即使2种环境中的养分总量相同[29]，而这可能与其在异质环境中能从资源丰富的斑块中获取更多养分有关[30]。从株高及叶面积的增幅可以看出，土壤养分异质性对节节麦的促进作用较为明显。
外界环境因素通常不会影响植物分蘖芽的分化，但分蘖芽是否会发育成为分蘖则与环境因素密切相关[31]。本研究发现：土壤养分异质性促进了小麦和节节麦单株分蘖数的增加，其中种内竞争条件下节节麦的增幅最大。相同条件下(即竞争模式及土壤状态)，节节麦的单株分蘖数明显高于小麦。而这也证实了房锋[32]的研究结论，即节节麦的分蘖能力与土壤条件等因素有关，且通常情况下多于小麦。此结果再次证实了节节麦具有分蘖能力强、繁殖系数高的特征，而这也可能是节节麦得以大面积入侵扩散并对小麦造成危害的重要原因之一。
生物量是反映植物相对竞争能力的重要性状[33]。研究表明：在可用养分总含量相当的情况，一些植物在异质条件下比在均质条件下积累的生物量更大[34]。无论是否与本土植物莲子草Alternanthera sessilis共生，入侵植物空心莲子草A. philoxeroides的生物量在异质养分处理中明显高于同质养分处理[35]。袁伟影等[36]研究表明：土壤养分异质性增加了南美蟛蜞菊Sphagneticola trilobata和蟛蜞菊S. calendulacea的总生物量。与土壤均匀性相比，土壤异质性明显增加了入侵物种鬼针草Bidens pilosa和薇甘菊Mikania micrantha在竞争条件下的生物量[37]。本研究中，与同质性土壤相比，小麦和节节麦的总生物量均显著提高，其中又以节节麦的增幅最大，表明土壤养分异质性对节节麦幼苗生长的促进作用相对较大。
生物量分配格局的改变被认为是植物应对可变生境的重要策略[38]。植物会通过调节分配地上及地下器官的生物量对资源做出竞争反应，从而保证自身能够最大化的吸收受限资源[39]。在土壤养分充足条件下，植物会通过增加叶面积等形式将更多的生物量分配至碳同化器官[40]；而当养分有限时，植物则会通过增加根冠比的形式加大对根部的投入，从而能更有效地捕获限制性的土壤养分[41]。本研究中，土壤养分异质性造成了小麦和节节麦根冠比的下降，这表明土壤养分并不是两者生长的限制因素，因此，两者均通过增加地上部分的投入以占领资源丰富斑块获得更多资源。其中，种间竞争条件下，节节麦根冠比的降幅较大，表明节节麦将更多的生物量投入至地上部分以加大对小麦的竞争抑制作用。
3.2 土壤养分异质性对节节麦与小麦竞争关系的影响
竞争能力会影响到群落的组成及结构，同时也是决定外来植物入侵的重要因素之一[42]，正确选择判定指标对解释植物间的竞争结果至关重要[43]。生物量是种间竞争的重要衡量指标之一，因此，多数竞争指标均依据混种条件下的生物量变化来反映入侵植物的竞争能力[44]。有研究认为：相邻植物的根系会在营养丰富的区域增殖，因此，土壤养分异质性会增加入侵植物的竞争强度[45]。但也有不同的研究结果，如官玉婷等[1]研究发现：土壤养分异质性削弱了互花米草Spartina alterniflora对芦苇Phragmites australis的竞争优势。本研究中，无论是同质性还是异质性土壤，节节麦的相对产量总和均小于1，表明节节麦和小麦之间存在竞争关系，而节节麦与小麦的相对产量均小于1，表明两者的种内竞争小于其种间竞争。与同质性土壤相比，异质性土壤中节节麦的竞争平衡指数值同样大于0，并呈增加态势，表明土壤养分异质性增强了节节麦对小麦的竞争能力。
土壤养分异质性在较小尺度下可能会通过改变本地植物与入侵植物间的竞争平衡，从而有利外来植物的成功入侵[36]。但GAO等[46]研究认为：土壤养分异质性对入侵植物的生长一般具有积极影响，但不支持土壤养分异质性有利于外来植物在本地植物群落中成功入侵的观点。而本研究结果表明：土壤养分异质性一定程度上促进了节节麦的生长发育，并提高其对小麦的竞争作用，因此认为土壤养分异质性会进一步加剧节节麦对小麦的危害程度。
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图 1 生物预处理秸秆组分相对含量变化(A)及X射线衍射图谱(B)
Figure 1 Relative content changes of the components (A) and X-ray diffraction pattern (B) of biologically pretreated straw fiber
图 2 不同秸秆纤维S0(A)、S5(B)和S10(C)的表面微观形貌及其宏观对比(D)
Figure 2 Surface morphology of biologically pretreated straw fiber S0 (A), S5 (B) and S10 (C) and their macroscopic comparison (D)
图 3 复合材料的接触角(A)及表面能(B)
Figure 3 Contact angle (A) and surface energy (B) of composites
图 4 复合材料的抗弯强度(A)及冲击韧性(B)
Figure 4 Flexural strength (A) and impact toughness (B) of composites
表 1 脲醛树脂制备过程中物料添加情况
Table 1. Adding quality of materials during the preparation of urea-formaldehyde resin
阶段 37%(质量分数)
甲醛溶液/g尿素/g 聚乙烯
醇-124/g三聚氰
胺/gPEGDGE/g 1 1 000.0 371.0 5.3 2 106.0 10.6 3 53.0 106.0 
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