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竹材是一种高效再生的绿色资源，具有生长面积广、生长速度快、经济价值高等优势，是木材的优质替代品，目前已广泛应用在车厢底板、制浆造纸、工程家具等不同领域[1−2]。第九次全国森林资源清查结果表明：中国竹材年产量占世界总量的1/3，位居全球之首[3]。近20 a来竹资源的利用及人造板行业的发展，使得竹资源的利用集中在以毛竹Phyllostachys edulis为主的大径级竹材，使毛竹成为工业应用中最普遍的竹种[4−6]。然而毛竹材具有梯度特性，各个部位的纤维形态不相同，在生产中利用率低。如何优质高效的利用竹材，已成为行业内亟待解决的突出问题。深入了解毛竹的梯度结构，分析各部位纤维形态差异，对毛竹的高效利用具有重要价值。
蔡燚等[7]对3~5年生毛竹纤维形态及化学成分进行测试分析发现：毛竹的纤维形态优于一般的阔叶材，属于长纤维类，是优良的制浆造纸原料。李荣荣等[8]研究认为：毛竹不同部位的纤维形态和部分物理性能存在一定差异，毛竹竹黄、竹肉与竹青的纤维长度和宽度存在显著差异，且不同长度的纤维占比和纤维长宽比亦存在差异。夏旭光等[9]对不同部位的竹材进行力学测试表明：单层竹青与单层竹黄的弹性模量有极大差异，两者模量比值最大可达201%，最小为173%。综上所述，梯度结构决定了毛竹材各部位纤维形态及力学特性，直接影响竹纤维的生产工艺及成品性能。鉴于此，本研究选用不同竹龄的毛竹为研究对象，探究不同竹龄不同取样部位的纤维形态和结晶度差异，为毛竹材的合理高效利用提供理论依据。
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在安徽省六安市金寨县青山镇分别选取竹龄为2、4、6 a的毛竹各3株。根据GB/T 15780—1995《竹材物理力学性质试验方法》选取适合的毛竹材。如图1所示：将选好的毛竹材沿根部截断，去枝备用。在距离地约1.00 m的整竹节处向上截取1.50 m为第1段(离地1.75 m)，标记为1，后每1.20 m截取第2段(离地3.25 m)、第3段(离地4.30 m)，标记为2、3，去除竹节，气干至含水率为12%~15%，备用。样株取样信息见表1。
图 1 取样部位示意图
Figure 1. Schematic diagram of sampling position
表 1 采集试样的基本情况
Table 1. Basic information of sample collection
取样部位 不同竹龄取样位置/竹节 不同竹龄取样壁厚/mm 2 a 4 a 6 a 2 a 4 a 6 a 1 6~12 6~11 6~12 11.07 11.29 12.02 2 13~17 12~16 13~17 10.47 9.06 10.32 3 18~21 17~20 18~21 8.91 8.85 9.58 说明：取样部位1、2、3表示竹材由下至上不同部位，具体见图1 冰乙酸购于江苏省强盛功能化学股份有限公司，质量分数为30%的过氧化氢溶液购于上海振企精细化学品有限公司。
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制样流程如图2所示：将气干状态的竹材用砂盘砂带机砂去除试样的竹黄和竹青部分，随后用破篾机将竹材径向均分为5等份，依次标记为A (近竹黄)、B、C、D、E (近竹青)。再将分好类的竹片切成小火柴棒状，大小为1 mm (长)×1 mm (宽)×30 mm (高)。
图 2 纤维形态测试取样流程
Figure 2. Sampling process for fiber morphology test
采用富兰克林离析法获取不同竹龄和不同部位的竹纤维。具体步骤：将不同竹龄和部位的竹片劈成火柴棒状，取制备好的试样3根放入小试管中，倒入配好的冰乙酸和过氧化氢(体积比1∶1)溶液10 mL，用水浴锅加热，温度为60~70 ℃；加热至试样呈白色后，用蒸馏水反复冲洗至小木棒上的药品完全干净，在试管中到入适量蒸馏水，用玻璃棒搅拌至纤维分离，保鲜膜封闭试管口备用。利用正置荧光显微镜测量纤维形态特征，测定毛竹材的纤维长度、宽度、腔径和壁厚，并计算纤维长宽比及壁腔比[10]。每组样品随机测量50根纤维。
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取不同竹龄和部位的毛竹试样，研磨，筛选大于100目的粉末，置于烘箱(103±2) ℃烘至绝干备用。采用XD6多晶X射线衍射仪进行测定。测试参数：Cu-Ka靶，管电压40 kV，管电流30 mA，波长λ为1.540 566 nm，样品扫描角度为5°~40°，扫描速率为4°·min−1。通过Segal法计算相对结晶度[11]。每组样品制备15个结晶度样品，各扫描3次，取平均值。相对结晶度(Cr)计算公式为Cr=(Im−Ix)/Im×100%。其中：Im为晶体衍射角的极大强度；Ix为2
$ \theta $ =18°时非结晶背景衍射时的强度。 -
由图3可知：竹材纤维壁腔比随竹龄增长而增加，在竹龄6 a时达到峰值。竹龄2 a的毛竹82.1%纤维壁腔比集中在6.00，仅有不到0.8%的纤维壁腔比大于12.00；竹龄4和6 a的毛竹纤维壁腔比均在7.00附近达到顶峰，其中竹龄4 a的毛竹纤维壁腔比极值为16.97，而竹龄6 a的毛竹壁腔比极值为20.33。纤维细胞壁厚是影响纤维壁腔比的1个重要因素，竹纤维细胞和基本薄壁组织的细胞存在多层结构，由厚层与薄层相互交织而成，其中次生壁在细胞壁结构中占比最多[12−13]。毛竹纤维细胞通常在出笋至1 a内，壁层数量明显增加，形成3~6层次生壁；1~6 a间，壁层增加速度减缓，6 a时达到顶峰，形成6~11层次生壁；随后壁层数量随竹龄的增长逐渐回落[14]。因此，竹龄6 a的毛竹壁腔比明显大于其他年份。
图 3 不同竹龄毛竹的纤维壁腔比
Figure 3. Wall cavity ratio of Ph. edulis in different ages
纤维长度主要影响纤维的交织能力，纤维长度越长，其纠缠其他纤维的节点就越多，纤维交织能力越好，纤维间结合力越强。纤维长度是衡量纸浆造纸品质的重要指标，在一定范围内，纤维越长，纸张撕裂度、抗张强度、耐破度和耐折度就越大[15−16]。而对竹纤维水泥基材料而言，短纤维在水泥基材料中较长纤维分布更均匀，密实性高，孔隙率低，干表观密度更大，则更宜选取壁腔比小、纤维长度较短的原竹纤维[17]。纤维可以分为长度≤900 µm的短纤维，长度为900~1 600 µm的中等纤维，长度＞1 600 µm的长纤维[18]。在工业生产中应选择相对应的纤维长度，以提高产品质量与材料利用率。
由图4可知：毛竹纤维长度在竹龄为2~6 a时相对稳定，随着竹龄的增长，纤维细胞缓慢发育，纤维长度呈现小幅增长。其中，竹龄2 a的毛竹纤维长度分布在1 600 µm附近最多，占比22.13%；竹龄4 和6 a 的毛竹纤维长度分别在1 700、2 000 µm达到峰值；竹龄2 a的毛竹纤维有3%的样本纤维长度小于1 000 µm，而竹龄4 和6 a 的仅为1.8%与0.8%。
图 4 不同竹龄毛竹的纤维长度
Figure 4. Fiber length of Ph. edulis in different ages
细而长的纤维能增加纸张的强度，而长宽比低于45则不适用于造纸原材料[19]。竹龄2和6 a的毛竹纤维长宽比频数峰值均在120 (图5)，分布相对集中稳定，而竹龄4 a的毛竹纤维长宽比多集中于160，这表明竹龄为2~6 a的毛竹纤维均可用于制浆造纸行业。
图 5 不同竹龄毛竹材的纤维长宽比
Figure 5. Fiber length width ratio of Ph. edulis in different ages
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由表2可知：竹龄2 a毛竹的第3段纤维形态与第1段、第2段有明显差异。其中，第3段的纤维长度更长，长宽比更大，但其纤维壁腔比也随之增加，综合比较并无明显的制浆优势。竹龄4和6 a的毛竹纤维壁腔比均在第2段取样处最大，竹龄4 a毛竹的第2段纤维长度最短，竹龄6 a的毛竹第2段纤维长宽比最小，总体并未呈现明显变化规律。马灵飞等[20]研究表明：竹材纤维长宽比在轴向上并未存在显著关系，且竹龄的影响很小。蔡燚等[7]认为毛竹的纤维长宽比在轴向高度上呈现先减小后增加再减小的趋势，并在5.5 m处达最大值。以上研究与本研究在取样重合区间和测定数据等方面相符。
表 2 毛竹轴向纤维形态差异
Table 2. Differences of Ph. edulis in axial fiber morphology
取样
部位竹龄2 a 竹龄4 a 竹龄6 a 纤维壁腔比 纤维长度/µm 纤维长宽比 纤维壁腔比 纤维长度/µm 纤维长宽比 纤维壁腔比 纤维长度/µm 纤维长宽比 1 4.90±0.15 a 1 787.04±34.14 AB 114.29±2.82 a 6.30±0.16 a 1 810.21±28.98 a 133.62±2.98 A 7.91±0.18 A 1 854.00±27.22 a 146.71±3.05 a 2 4.90±0.16 a 1 754.41±29.25 A 117.58±2.99 a 7.31±0.13 b 1 769.81±33.86 a 149.43±3.83 B 8.70±0.18 B 1 884.01±29.88 a 134.47±3.00 b 3 5.69±0.14 b 1 864.93±29.80 B 133.02±3.01 b 7.11±0.14 b 1 852.12±32.62 a 158.67±3.69 B 8.10±0.14 A 1 894.12±31.17 a 143.75±3.35 ab 平均值 5.16 1 802.13 121.63 6.91 1 810.71 147.24 8.24 1 877.38 141.64 说明：数据为平均值±标准误。取样部位1、2、3所表示的具体位置见图1。小写字母表示数据符合方差齐性检验，两两比较为邦弗伦尼法；大写字母表示数据不符合方差齐性检验，两两比较为塔姆黑尼法。同列不同字母表示不同取样部位差异显著(P＜0.05) -
影响纤维强度即纤维力学性能的主要因素是纤维壁腔比。纤维壁腔比越小，表示纤维细胞壁越薄，胞腔越大，纤维柔韧性越好，但过小的纤维壁腔比会导致纤维的力学性能变差，在工业加工过程中，纤维细胞易产生塌陷或弯折，降低力学强度与交织能力。
由表3可知：随着竹龄的增加，毛竹径向上各部位的纤维壁腔比均有所增加；各竹龄毛竹径向部位由A~E纤维壁腔比变化不显著。除竹龄4 a毛竹A、B的2个取样部位之间，其他竹龄相邻取样部位的纤维长度之间差异均不显著，而纤维长度在径向上的变化明显，但趋势相对缓和；竹材纤维长度在径向上存在显著变异规律(P＜0.05)，竹龄4和6 a毛竹均在B~D部位最大，这与王鹏程等[21]的研究结论一致。竹龄2 a毛竹的纤维长度总体呈增加趋势，在D部位处小幅下降。竹龄4和6 a竹材的各部位纤维长宽比均为130~180，符合纺织行业对于日用纤维制品选材的标准。
表 3 毛竹径向纤维形态差异
Table 3. Differences of Ph. edulis in radial fiber morphology
取样部位
(竹黄~竹青)竹龄2 a 竹龄4 a 竹龄6 a 纤维壁腔比 纤维长度/µm 纤维长宽比 纤维壁腔比 纤维长度/µm 纤维长宽比 纤维壁腔比 纤维长度/µm 纤维长宽比 A 5.07±0.18 A 1 694.74±36.84 a 123.87±3.61 ab 6.93±0.20 a 1 714.09±43.21 a 142.49±4.29 a 9.09±0.23 a 1 863.92±36.82 ab 147.69±4.27 ac B 6.49±0.19 B 1 712.21±40.33 a 112.47±3.94 a 7.02±0.18 a 1 935.47±40.85 b 153.03±4.97 a 7.63±0.19 b 1 884.41±38.23 ab 144.30±3.84 abc C 4.84±0.22 A 1 852.63±41.17 ab 129.04±3.79 b 7.11±0.21 a 1 822.00±42.29 ab 153.07±5.00 a 7.84±0.22 b 1 973.08±36.44 a 151.02±4.28 c D 4.49±0.16 A 1 824.75±39.29 ab 125.15±4.20 ab 6.81±0.16 a 1 765.08±38.28 ab 145.83±4.59 a 7.83±0.20 b 1 865.71±38.70 ab 133.26±3.57 ab E 4.93±0.19 A 1 926.29±41.19 b 117.60±3.60 ab 6.67±0.19 a 1 817.60±39.88 ab 141.76±4.11 a 8.13±0.23 a 1 799.77±38.56 b 132.32±4.09 b 说明：数据为平均值±标准误。取样部位A~E表示的具体位置见图2。小写字母表示数据符合方差齐性检验，两两比较为邦弗伦尼法；大写字母表示数据不符合方差齐性检验，两两比较为塔姆黑尼法。同列不同字母表示不同取样部位差异显著(P＜0.05) 由表4可知：在影响毛竹纤维形态的不同因子中，竹龄占比最大，贡献率为34.004%。因此，在工业生产过程中建议优先考虑竹龄因素，以达到高效合理的原竹利用。
表 4 主成分各因子提取载荷平方和
Table 4. Each factor extracts the sum of squares of the load
成分 方差百分比/% 累计贡献率/% 竹龄 30.004 30.004 轴向取样部位 22.431 52.435 径向取样部位 16.757 69.192 -
结晶度作为描述纤维素分子结构的重要参数，与木质素、纤维素和半纤维素(简称三大素)密切相关。在毛竹生长过程中结晶度的变化规律和三大素含量的变化是一致的，随竹龄增加呈现波动趋势[22]。由图6可知：不同竹龄毛竹的纤维素晶型一致，无明显差异。竹龄2、4、6 a毛竹的结晶度相似，分别为39.48%、39.72%、39.59%(表5)。
图 6 不同竹龄毛竹的X射线衍射图谱
Figure 6. X-ray diffraction patterns of Ph. edulis in different radial directions
表 5 不同竹龄毛竹轴向纤维结晶度差异
Table 5. Relative crystallinity of Ph. edulis in the axial direction under different ages
竹龄/a 不同轴向高度纤维素结晶度/% 1 2 3 平均值 2 38.75 40.23 39.46 39.48 4 38.66 39.99 40.51 39.72 6 38.52 40.52 39.68 39.59 说明：1、2、3表示取样部位，具体位置见图1 -
不同竹龄毛竹纤维结晶度在轴向上的变化规律也不相同。由表5可知：竹龄2和6 a毛竹的纤维结晶度从大到小依次为第2段、第3段、第1段，而竹龄2 a毛竹的纤维结晶度从大到小依次为第3段、第2段、第1段。
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由表6可知：3个竹龄毛竹的径向纤维结晶度的变化均为由A到E递增。这是由于纤维细胞数量从竹黄到竹青呈增加趋势，形成纤维素结晶区的比例也随之增加；近竹黄A部位比近竹青E部位的细胞壁更薄且胞间层较多，细胞壁主要由纤维素构成，而胞间层主要由木质素构成。因此，近竹青E处比近竹黄A处有更多的纤维素和更少的木质素，故毛竹从近竹黄A到近竹青E纤维结晶度呈增大趋势。
表 6 不同竹龄毛竹径向纤维结晶度差异
Table 6. Relative crystallinity of Ph. edulis in radial direction under different ages
竹龄/a 竹壁径向位置纤维素结晶度/% A B C D E 2 36.69 38.32 38.81 40.07 42.50 4 33.47 37.89 39.46 42.91 44.88 6 35.70 37.39 39.07 42.42 42.84 说明： A~E表示取样部位，具体位置见图2 -
毛竹材纤维长度随竹龄的增加呈增大趋势，纤维形态的各项指标在轴向上无显著变化规律，径向上，4和6 a毛竹近竹黄处纤维最短，竹肉纤维最长，近竹青处纤维长度介于两者之间；纤维壁腔比和长宽比径向上变化规律不明显，竹龄对纤维结晶度的影响不显著，取样部位对纤维结晶度的影响显著。这说明在不同领域的应用过程中，竹龄是毛竹材纤维形态最显著的影响因素，在筛选原材料时，应优先考虑竹龄。
Effects of different ages and positions on fiber morphology and crystallinity of Phyllostachys edulis
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摘要:
目的 研究竹龄与部位对毛竹Phyllostachys edulis纤维形态及结晶度的影响，为实现毛竹在制浆造纸、竹纺织品等工业生产中的高效选材利用提供基础数据。 方法 采用纤维离析法，借助普通光学显微镜，测定纤维形态；通过Segal法计算相对结晶度。 结果 竹龄主要影响竹材的纤维长度，纤维长度随竹龄的增长而增大，且80%的纤维长度为1 000~2 500 µm，属长纤维。轴向高度对毛竹材纤维形态的影响较小，纤维壁腔比、长宽比在3个取样部位间差异显著(P＜0.05)，但未有明显变化规律；轴向上，不同位置纤维长度未见显著差异。径向纤维长度从大到小依次为竹肉、近竹青、近竹黄；结晶度与竹龄无明显关系，径向上由近竹黄到近竹青呈现递增趋势。在影响竹材纤维形态的因子中，竹龄贡献率最大，影响最为明显。 结论 毛竹纤维形态受竹龄影响最大，受径向取样部位影响明显，轴向高度影响较小，所有部位纤维可用于工业生产，建议将竹龄作为原材料筛选的优先指标。图6表6参22 Abstract:Objective This study, with an investigation of the influence of bamboo age and position on the morphology and crystallinity of Phyllostachys edulis fiber, is aimed to provide basic data for the the reasonable selection and efficient utilization of Ph. edulis in the production of pulp, paper, bamboo textile and other industrial products. Method With fiber segregation method and common optical microscope measurement method employed, the fiber morphology was determined whereas the relative crystallinity was calculated by Segal method. Result Bamboo age was postively correlated with the fiber length of bamboo, 80% of which was between 1 000 and 2 500 µm, belonging with long fiber. The shape of bamboo fiber was less affected by the axial height of bamboo, and the fiber wall cavity ratio and length width ratio had significant differences among the three sampling positions (P＜0.05), but there was no obvious change rule, and the fiber length had no significant difference. In radial direction, the fiber length displayed a significant change rule, which was generally reflected as bamboo medium＞bamboo green＞bamboo yellow. There was no significant relationship between crystallinity and bamboo age, and there was an increasing trend from near yellow to near green in radial direction. Among the factors affecting bamboo fiber morphology, bamboo age had the largest contribution rate and the most obvious influence. Conclusion The fiber morphology of Ph. edulis was most affected by the bamboo age, significantly affected by the radial sampling position, and less affected by the axial height. All samples could be used in industrial production, and it is recommended to take the bamboo age as the priority index for raw material screening. [Ch, 6 fig. 6 tab. 22 ref.] -
Key words:
- Phyllostachys edulis /
- fiber morphology /
- wall cavity ratio /
- fiber length /
- fiber length width ratio /
- crystallinity
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生物质炭基肥是一种以生物质炭为基质，根据不同区域土地特点、不同作物生长特点以及科学施肥原理，添加有机质或无机质配制而成的生态环保型肥料。生物质炭具有微观孔隙结构、较大的比表面积和高吸附性等特点，这使得生物质炭基肥在优化土壤理化性质和调节土壤微生物群落及数量等方面效果显著[1]。研究表明：施用生物质炭基肥可以显著改善土壤的物理性状[2]，降低土壤容重[3]，增加田间持水量和透气性[4]，提高土壤pH和养分有效性[5]。在生产实践中，施用生物质炭基肥可实现化肥减施，提高当地烟农收益的目的[6−7]。根据不同用途，研究人员相继开发出多种生物质炭基肥类型，并已在北方壤土、砂土麦田和南方烟田进行应用[8]。
尽管生物质炭基肥在烤烟Nicotiana tabacum种植中已经得到一定的推广，但相关研究多集中在施用生物质炭基肥对烤烟地上部生长及养分积累方面[9−10]，而对烤烟根系发育及其与烤后烟化学品质关系的研究鲜有报道。重庆植烟区烟叶品质和地方性香韵特色突出，是中国烟叶的重要产区。近年来，随着有机肥的使用比例过少和土壤连作效应的增加，重庆植烟区土壤有效养分严重失衡，土壤酸化、黏化、贫瘠以及微生物群落结构恶化已经成为丞待解决的问题[11]。研究显示：重庆植烟土壤在2005年已经出现了严重的酸化现象[12]，有一半以上的土壤严重酸化，其中黔江县、丰都县的酸化土壤面积均达65%以上[13]，酸碱度适宜的土壤不到35%。因此，在生产中应采取增施生物质炭基肥、种植绿肥等措施加强对酸化土壤的治理，为优质烟叶的生产提供保障。本研究选用‘云烟116’N. tabacum ‘Yunyan 116’为材料，在重庆彭水县设置常规施肥、生物质炭基有机肥和生物质炭基复混肥大田试验，研究生物质炭基肥对烤烟根系发育、产量产值和化学品质的影响，以期为指导当地烤烟生产和提高烟农收益提供理论依据和技术支持。
1. 材料与方法
1.1 研究区概况
于2020年和2021年3—10月，在重庆市彭水县润溪镇重庆烟草科学研究所彭水试验站(29.14°N，107.96°E)开展研究。烟草种植制度为1年1熟，冬季休闲。该区属亚热带湿润季风气候，年均气温为17.5 ℃，年均降水量为1 241.0 mm。土壤类型为黄壤土，pH 5.4，有机质和有机碳质量分数分别为24.1和14.0 g·kg−1，碱解氮、速效磷、速效钾质量分数分别为88.8、12.8、147.8 mg·kg−1。
1.2 试验设计
大田试验选择肥力中等、地势平坦、无严重病害史的田块，采取完全随机设计，共设3个处理：①常规施肥(T1)。按照当地农户习惯，施农家肥2 250 kg·hm−2和烟草复合肥750 kg·hm−2；②生物质炭基有机肥(T2)。在T1处理基础上增施生物质炭基有机肥1 350 kg·hm−2；③生物质炭基复混肥(T3)。在农家肥2 250 kg·hm−2的基础上增施生物质炭基复混肥750 kg·hm−2。其中T1和T2处理中的烟草复合肥氮磷钾质量比为6∶12∶25，生物质炭基复混肥中的氮磷钾和生物质炭的质量比为8∶10∶20∶18，生物质炭基有机肥发酵原料含质量分数为85%的杏鲍菇渣和15%的生物质炭。各处理分别用尿素、过磷酸钙和硫酸钾补充配平，保证各处理氮磷钾肥用量相同。每个处理重复3次，共9个小区。生物质炭基有机肥和生物质炭基复混肥均由贵州金叶丰农业科技有限公司提供。供试品种为‘云烟116’，由重庆市烟草公司彭水县分公司提供。烟苗采用漂浮育苗，于5月上旬移栽，移栽密度为16 492 株·hm−2，移栽行距为120 cm，株距为50 cm，垄高为40 cm。其他田间管理按照规范化栽培技术进行。
1.3 样品采集与处理
1.3.1 根系样品采集与处理
分别在移栽后的30、60、90和120 d，选取每个处理具有代表性的烤烟3株，取烟株根系20 g在超低温冰箱−80 ℃内保存，用于测定生理指标，余下部分，在105 ℃下杀青15 min，65 ℃烘干至恒量后用粉碎机进行粉碎，过60目筛，装入封口袋保存，用于测定根系氮钾和烟碱质量分数。
1.3.2 烤后样品采集与处理
将移栽后120 d的烟叶从下部叶自下而上进行采收，采收后按照小区进行统一编杆烘烤。依据GB 2635—92对烘烤后的烟叶样品进行分级，每处理分别取上部叶、中部叶和下部叶烟叶各2.5 kg，置于65 ℃烘箱烘至恒量，粉碎过60目筛，用于测定烤后烟叶的化学成分。
1.4 测定项目及方法
1.4.1 根系生理活性指标
根系活力采用改良氯化三苯基四氮唑法测定[14]；根系氮质量分数采用凯氏定氮法测定，根系钾质量分数采用火焰光度计法测定，根系烟碱质量分数采用提取脱色法测定[15]。
1.4.2 经济性状指标
各处理小区烟叶单独采收编杆，单独计产量。待烟叶全部采收烘烤完毕后，依照GB 2635—1992对烤后烟叶进行分级，计算产值、产量与上等烟比例。
1.4.3 化学品质指标
分别测定分析各处理烤后烟叶的常规化学成分(质量分数)[16]。全氮采用凯氏定氮法测定；总糖和还原糖采用3,5-二硝基水杨酸(DNS)比色法测定；烟碱采用提取脱色法测定；氯离子采用浸提法(热蒸馏水法)测定；全钾采用火焰光度计法测定。
1.5 数据统计与分析
使用Excel整理数据，采用SPSS 22.0对烤烟的根系活力、根条数、根系氮、钾和烟碱质量分数以及烤后烟的经济性状和化学品质等进行多重比较和相关分析，其中多重比较采用Duncan的SSR检验法(显著性水平为0.05)，相关分析采用Pearson相关系数中的双尾检验，采用Origin 2021绘图。
2. 结果与分析
2.1 不同生物质炭基肥对烤烟根系性状的影响
2.1.1 不同生物质炭基肥对烤烟根系活力的影响
由图1可知：随着烟株移栽时间的延长，3个处理的根系活力均呈先上升后下降的抛物线式变化，以移栽后60 d时最高，移栽后120 d时最低。在移栽后30 d时，3个处理的烟株根系活力无显著差异。在移栽后60 d时，T2处理的根系活力较T1处理显著提高(P＜0.05)。在移栽后90 d时，T2与T3处理的根系活力无显著差异，但较T1处理分别显著提高了46.8%和34.4%(P＜0.05)。在移栽后120 d时，T2处理的根系活力与T3和T1处理差异显著(P＜0.05)。生物质炭基肥可以提高烟株根系活力，总体上以T2处理效果最好。
图 1 移栽后不同生物质炭基肥处理下烤烟根系活力的变化Figure 1 Change of root activities of flue-cured tobacco under different biochar-based fertilizers after transplantation2.1.2 不同生物质炭基肥对烤烟根条数的影响
如表1所示：烟株的侧根条数在移栽后的30 d时，3个处理间无显著性差异。在移栽后60 d时，T2和T3处理的侧根条数显著高于T1处理(P＜0.05)。在移栽后90 d时，3个处理侧根条数从大到小依次为T3、T2、T1，T3处理相比T1处理增加了17.5% (P＜0.05)。在移栽后120 d时，T2和T3处理比T1处理提高14.7%和26.4% (P＜0.05)。
表 1 移栽后不同生物质炭基肥处理下烤烟根条数的变化Table 1 Change of root number of flue-cured tobacco under different biochar-based fertilizers after transplantation移栽后时间/d 处理 侧根/条 不定根/条 30 T1 13.8±4.1 a 62.4±1.3 b T2 14.3±1.2 a 74.9±2.6 a T3 15.4±0.8 a 76.6±3.1 a 60 T1 17.5±1.4 b 89.2±1.5 c T2 22.7±2.9 a 117.2±1.9 b T3 24.7±1.6 a 136.6±2.0 a 90 T1 25.7±3.8 b 59.0±4.8 c T2 26.3±1.0 ab 68.6±0.5 b T3 30.2±2.4 a 75.0±3.3 a 120 T1 23.1±1.3 b 44.8±0.8 b T2 26.5±1.6 a 54.7±1.5 a T3 29.2±1.7 a 53.3±1.9 a 说明：不同字母表示同时间不同处理间差异显著(P＜0.05)。 移栽后30 d时，T2和T3处理烟株的不定根条数均高于T1处理，且与T1处理呈显著差异(P＜0.05)。移栽后60和90 d时，3个处理的不定根条数从大到小依次为T3、T2、T1，且3个处理间均存在显著差异(P＜0.05)。移栽后120 d时，以T2处理的不定根条数最多，其次为T3处理，最后为T1处理，且T2、T3与T1处理差异达显著水平(P＜0.05)。总体上，烟株的侧根条数和不定根条数以T3处理最多。
2.1.3 不同生物质炭基肥对烤烟根系钾、氮和烟碱质量分数的影响
由图2可以看出：3个处理根系钾质量分数随烟株的生长呈逐渐下降趋势。移栽后30和60 d时，T2和T3处理的烟株根系钾质量分数均高于T1处理，其中T3处理显著高于T1处理(P＜0.05)。移栽后90和120 d时，3个处理的烟株根系钾质量分数无显著差异。
图 2 不同生物质炭基肥对根系钾质量分数的影响Figure 2 Effects of different biochar-based fertilizers on potassium contents in roots从图3可见：在移栽后的30~90 d，T3和T1处理的烟株根系氮质量分数均高于T2处理。其中在移栽后30 d时，T3与T2处理烟株根系氮质量分数差异显著(P＜0.05)，在移栽后60 d时，3个处理之间的根系氮质量分数差异不显著。在移栽后90 d时，T1和T3处理根系氮质量分数均显著高于T2处理(P＜0.05)，而在移栽后120 d时，T2处理根系氮质量分数最高，且与T1处理差异显著(P＜0.05)。
图 3 不同生物质炭基肥对根系氮质量分数的影响Figure 3 Effects of different biochar-based fertilizers on nitrogen contents in roots图4表明：3个处理的烟碱质量分数均在移栽后90 d时达最高值。移栽后30 d时，3个处理的根系烟碱质量分数无显著差异。移栽后60 d时，以T3处理烟株根系的烟碱质量分数最高，且显著高于T1与T2处理(P＜0.05)。移栽后90 d时，仍以T3处理最高，且与T2处理间差异显著(P＜0.05)。移栽后120 d时，T1和T3处理降幅较大，以T2处理烟碱质量分数最高，且与T1处理间差异显著(P＜0.05)。
图 4 不同生物质炭基肥对根系烟碱质量分数的影响Figure 4 Effects of different biochar-based fertilizers on nicotine contents in roots2.2 不同生物质炭基肥对烤后烟产量和品质的影响
2.2.1 对烤后烟经济性状的影响
从表2可见：T2处理的烟叶产量最高，比T1处理高16.9% (P＜0.05)。T3与T1处理差异不显著，但比T1处理增加了11.4%。3个处理的产值与产量从大到小依次为T2、T3、T1。3个处理间的均价差异不显著(P＞0.05)，其中T2和T3处理的均价高于T1处理。各处理间的上中等烟比例差异显著(P＜0.05)，其中以T2处理最高，其次为T3处理，最后为T1处理。总体上，与T1处理相比，T2和T3处理的产量、产值、均价和中上等烟比例均呈增加趋势，整体以T2处理效果最佳，说明施用生物质炭基肥对烤后烟的产量产值及上中等烟比例均有明显的促进作用。
表 2 不同生物质炭基肥处理下烤后烟经济性状的比较Table 2 Comparison of economic traits of different biochar-based fertilizer treatments处理 产量/
(kg·hm−2)产值/
(万元·hm−2)均价/
(元·kg−1)上中等烟
比例/%T1 1 933 b 5.3 b 27.4 a 83.1 c T2 2 260 a 6.5 a 28.5 a 86.0 a T3 2 153 ab 6.0 ab 28.0 a 84.6 b 说明：同列不同字母表示差异显著(P＜0.05)。 2.2.2 对烤后烟化学品质的影响
烟叶内在化学成分及其协调性是衡量烤烟品质的重要指标[17]。由表3可知：T2处理烤后烟上部叶中的氯离子、还原糖、烟碱质量分数最高，且糖碱比高于其他2个处理。但T3处理的烤后烟叶的钾和总氮质量分数较为突出，在3个处理中钾氯比和氮碱比最高。T1处理的总糖质量分数占比最高，与T2、T3处理差异显著(P＜0.05)。T2处理烤后烟中部叶的氯离子、还原糖、总糖和烟碱质量分数仍然最高，其中，3个处理的上部叶和中部叶的氯离子质量分数均差异显著(P＜0.05)，且T2和T3处理的还原糖质量分数均差异显著(P＜0.05)。T3处理的钾和总氮质量分数最高，与T1处理差异显著(P＜0.05)，T3处理的钾氯比和氮碱比最高，与其他2个处理差异显著(P＜0.05)，糖碱比则以T1处理最高。烤后烟下部叶中3个处理的氯离子、烟碱和总氮质量分数及钾氯比差别不显著，但钾、还原糖和总糖质量分数均以T2处理最高，且与T1或T3处理差异显著(P＜0.05)，氮碱比则以T1处理最高。
表 3 烤后烟叶化学成分比较Table 3 Comparison of chemical composition of flue-cured tobacco等级 处理 氯/% 钾/% 钾氯比 还原糖/% 总糖/% 烟碱/% 糖碱比 总氮/% 氮碱比 上部叶 T1 0.24 c 1.51 b 6.43 b 19.82 ab 27.35 a 2.44 a 8.12 a 2.73 a 1.07 a T2 0.28 a 1.51 b 5.41 c 20.73 a 25.61 b 2.55 a 8.13 a 2.57 b 0.97 b T3 0.26 b 1.90 a 7.32 a 17.74 b 23.17 c 2.61 a 6.80 b 2.89 a 1.11 a 中部叶 T1 0.35 c 1.65 b 4.75 b 21.84 a 28.01 a 2.18 b 10.02 a 2.31 b 0.93 b T2 0.40 a 1.70 b 4.23 b 22.39 a 28.64 a 2.56 a 8.75 b 2.46 ab 0.96 b T3 0.37 b 2.09 a 5.63 a 20.58 b 27.66 a 2.17 b 9.48 ab 2.74 a 1.11 a 下部叶 T1 0.31 a 1.91 b 6.12 a 20.87 b 31.21 ab 1.86 a 11.22 b 2.15 a 0.92 a T2 0.33 a 2.53 a 7.57 a 24.66 a 32.43 a 1.89 a 13.05 a 2.02 a 0.87 b T3 0.34 a 2.18 b 6.53 a 21.39 b 28.89 b 1.93 a 11.08 b 2.10 a 0.87 b 说明：不同字母表示同等级不同处理间差异显著(P＜0.05)；氯、钾、还原糖、总糖、烟碱、总氮均为质量分数。 2.3 烤烟根系生长指标与烟叶化学品质指标的相关分析
相关分析(表4)可知：移栽后30 d时，根系钾与烟叶氯离子呈显著正相关(P＜0.05)；移栽后60 d时，烟叶钾与根系活力呈显著正相关(P＜0.05)，与氮碱比呈显著负相关(P＜0.05)，根系氮与烟叶总氮呈显著正相关(P＜0.05)，但与烟叶钾呈显著负相关(P＜0.05)；移栽后90 d时，根系烟碱与烟叶总氮呈显著负相关(P＜0.05)，与烟叶钾氯比呈显著正相关(P＜0.05)，而根系氮与烟叶还原糖呈显著负相关(P＜0.05)；移栽后120 d时，根系烟碱与烟叶钾呈显著正相关(P＜0.05)。根系钾与烟叶总糖呈显著正相关(P＜0.05)，根系氮与烟叶钾氯比呈极显著正相关(P＜0.01)。
表 4 烤烟根系性状与烟叶化学品质的相关分析Table 4 Correlation analysis of flue-cured tobacco root traits and chemical properties移栽后时间/d 根系性状 烟叶化学成分 还原糖 总糖 总氮 钾 烟碱 糖碱比 氮碱比 钾氯比 氯离子 30 根系活力 0.395 −0.410 −0.621 0.665 0.936 0.213 0.970 0.528 0.996 烟碱 −0.835 −0.970 0.663 −0.618 0.512 −0.924 0.068 −0.743 0.262 钾 0.252 −0.543 −0.496 0.545 0.978 0.064 −0.923 0.394 0.998* 氮 −0.899 −0.930 0.754 −0.714 0.397 0.966 0.196 −0.823 0.135 60 根系活力 0.919 0.332 −0.99 0.997* 0.434 0.828 −0.870 0.968 0.660 烟碱 −0.075 −0.785 −0.188 0.245 0.993 −0.263 −0.748 0.076 0.924 钾 0.573 −0.216 −0.767 0.803 0.844 0.407 −0.999* 0.690 0.957 氮 −0.955 −0.428 0.999* −0.999* 0.339 −0.882 0.814 −0.989 −0.579 90 根系活力 0.789 0.081 −0.922 0.943 0.649 0.658 −0.967 0.872 0.830 烟碱 0.976 0.499 −0.999* 0.995 0.262 0.917 −0.765 0.998* 0.512 钾 −0.858 −0.201 0.962 −0.976 −0.552 −0.745 0.929 −0.925 −0.756 氮 −0.999* −0.698 0.957 −0.939 −0.015 −0.987 0.582 −0.984 −0.284 120 根系活力 0.958 0.860 −0.849 0.817 −0.245 0.995 −0.350 0.903 0.024 烟碱 0.922 0.339 −0.991 0.997* 0.427 0.832 −0.866 0.970 0.655 钾 0.616 0.997* −0.389 0.335 −0.759 0.754 0.254 0.491 −0.556 氮 0.989 0.562 −0.993 0.984 0.189 0.944 −0.715 0.999** 0.446 说明：*表示P＜0.05；**表示P＜0.01。 综合来看，根系性状与化学品质之间在移栽后存在不同的相关关系，且在移栽后60、90和120 d时更为突出，根系钾和氮与烤后烟的化学品质指标相关性均达到显著水平(P＜0.05)。在移栽后90和120 d时，根系烟碱与化学品质指标相关性同样也达到显著水平(P＜0.05)。
3. 讨论
根系不仅是作物吸收水分和养分的重要器官，也是激素、氨基酸和有机酸等生物大分子的合成器官，其形态建成和生理功能将直接影响作物地上部分的生长发育、产量和品质[18]。不仅如此，对于烤烟来说烟株根系还是次生代谢产物烟碱的重要合成器官，其生长发育状况对烤烟品质有直接影响。在烤烟的生产实践中，烟株的主根长度、须根条数、根总体积和根尖数等根系形态指标与烤烟农艺性状表现出显著正相关[19]。本研究表明：T2和T3处理烟株的根系活力相比常规施肥均有所提升，其中T2处理的根系活力最高，这与韩毅等[20]的研究结果一致；另外，也有研究表明：添加生物质炭可以有效提高烟株的根系活力[21]。这说明生物质炭和生物质炭基肥本身具有的多孔和大比表面积结构有利于土壤通气性的增加，这对烟株根系活力的提高起到重要的调控作用。与此同时，施用生物质炭基肥能够显著增加烟株的不定根条数与侧根条数，这表明生物质炭基肥能够对烟株根系发育提供良好的生态环境[22−23]。根系钾和总氮质量分数均随着烟株的生长而逐渐降低，生物质炭基肥处理相比T1处理的降幅较小，可能是生物质炭具有缓释氮肥的作用，从而保证了烤烟各生长期所需的氮肥量，但要注意与氮肥的配施比例[24]。根系烟碱质量分数则在移栽后90 d达到峰值，可能与打顶后烟株体内的激素平衡状态被破坏有关，这与范江等[25]的研究结果一致。烟株的根系生长受到刺激，其生物量显著高于未打顶的烟株，发达的根系可促进烟株对养分的吸收。根系是合成烟碱的主要部位，打顶后烟株合成烟碱的能力大幅提升，进而提高烟株的烟碱积累量[26]。除了能够改善土壤的通透性之外，生物质炭基肥还含有丰富的大量元素与微量元素，从而为烟株根系的生长发育、后期烤烟产量和品质提供了保障[27]。
生物质炭基肥对常见农作物的生长具有促进作用，可达到增产的目的[28]。本研究结果表明：施用生物质炭基肥显著增加了烤烟产量、产值、均价和上中等烟比例，其中以施用生物质炭基有机肥处理烟株的产量、产值最佳。王晓强等[29]研究表明：生物质炭基肥与氮肥配施可提高烟叶产量和中上等烟比例，从而提高烟叶的均价及产值。同时施用生物质炭基肥可减少氮素化肥的施用量，从而改善烟叶内在化学成分的协调性，增加中性致香物质[30]。从不同生物质炭基肥对烤后烟常规化学成分的影响来看，T2和T3处理对烤烟内在常规化学成分有显著的影响。其中T2处理能显著提高上中下部叶的还原糖质量分数及中下部叶的总糖质量分数，这与李青山等[31]的研究结果一致。上中部叶的氯质量分数高于其他处理，减低总氮和烟碱质量分数处于适中稳定的范围，从而提高糖碱比。糖碱比高，有助于提高烟叶的安全性，柔和烟气。中上部叶钾质量分数差异不明显，钾氯比变化不大；T3处理可提高上中部叶的钾质量分数、钾氯比、氮碱比和总氮质量分数，T3处理的全氮、烟碱质量分数较高，可能由于施用生物质炭基复混肥可减少土壤养分的淋溶损失有关。T3处理的氯离子质量分数高，可能与淋溶损失能力与生物质炭基复合肥的施用成正比有关。据烟叶采收后对中部烟叶化学成分的分析表明：T2和T3处理烟叶在各指标上都符合优质烟叶的标准，T1处理在优质烟叶协调性方面略差。这表明施用生物质炭基肥不但能够促进烤烟生长，而且能提高烟叶内在化学成分的协调性，改善烟叶品质。
4. 结论
施用生物质炭基肥能促进烤烟根系发育，有效提升烟株的根系活力，增加侧根和不定根条数，延缓根系钾、氮质量分数流失，提高烟株根系的烟碱积累量。同时，施用生物质炭基肥可增加烤烟的产量产值，提升烤后烟的化学品质。本研究的生物质炭基有机肥更有利于促进烤烟根系的生长发育，改善烤后烟叶化学成分质量分数，提高烤烟产量、产值、均价和中上等烟比例。
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图 6 不同竹龄毛竹的X射线衍射图谱
Figure 6 X-ray diffraction patterns of Ph. edulis in different radial directions
表 1 采集试样的基本情况
Table 1. Basic information of sample collection
取样部位 不同竹龄取样位置/竹节 不同竹龄取样壁厚/mm 2 a 4 a 6 a 2 a 4 a 6 a 1 6~12 6~11 6~12 11.07 11.29 12.02 2 13~17 12~16 13~17 10.47 9.06 10.32 3 18~21 17~20 18~21 8.91 8.85 9.58 说明：取样部位1、2、3表示竹材由下至上不同部位，具体见图1 
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表 2 毛竹轴向纤维形态差异
Table 2. Differences of Ph. edulis in axial fiber morphology
取样
部位竹龄2 a 竹龄4 a 竹龄6 a 纤维壁腔比 纤维长度/µm 纤维长宽比 纤维壁腔比 纤维长度/µm 纤维长宽比 纤维壁腔比 纤维长度/µm 纤维长宽比 1 4.90±0.15 a 1 787.04±34.14 AB 114.29±2.82 a 6.30±0.16 a 1 810.21±28.98 a 133.62±2.98 A 7.91±0.18 A 1 854.00±27.22 a 146.71±3.05 a 2 4.90±0.16 a 1 754.41±29.25 A 117.58±2.99 a 7.31±0.13 b 1 769.81±33.86 a 149.43±3.83 B 8.70±0.18 B 1 884.01±29.88 a 134.47±3.00 b 3 5.69±0.14 b 1 864.93±29.80 B 133.02±3.01 b 7.11±0.14 b 1 852.12±32.62 a 158.67±3.69 B 8.10±0.14 A 1 894.12±31.17 a 143.75±3.35 ab 平均值 5.16 1 802.13 121.63 6.91 1 810.71 147.24 8.24 1 877.38 141.64 说明：数据为平均值±标准误。取样部位1、2、3所表示的具体位置见图1。小写字母表示数据符合方差齐性检验，两两比较为邦弗伦尼法；大写字母表示数据不符合方差齐性检验，两两比较为塔姆黑尼法。同列不同字母表示不同取样部位差异显著(P＜0.05)
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表 3 毛竹径向纤维形态差异
Table 3. Differences of Ph. edulis in radial fiber morphology
取样部位
(竹黄~竹青)竹龄2 a 竹龄4 a 竹龄6 a 纤维壁腔比 纤维长度/µm 纤维长宽比 纤维壁腔比 纤维长度/µm 纤维长宽比 纤维壁腔比 纤维长度/µm 纤维长宽比 A 5.07±0.18 A 1 694.74±36.84 a 123.87±3.61 ab 6.93±0.20 a 1 714.09±43.21 a 142.49±4.29 a 9.09±0.23 a 1 863.92±36.82 ab 147.69±4.27 ac B 6.49±0.19 B 1 712.21±40.33 a 112.47±3.94 a 7.02±0.18 a 1 935.47±40.85 b 153.03±4.97 a 7.63±0.19 b 1 884.41±38.23 ab 144.30±3.84 abc C 4.84±0.22 A 1 852.63±41.17 ab 129.04±3.79 b 7.11±0.21 a 1 822.00±42.29 ab 153.07±5.00 a 7.84±0.22 b 1 973.08±36.44 a 151.02±4.28 c D 4.49±0.16 A 1 824.75±39.29 ab 125.15±4.20 ab 6.81±0.16 a 1 765.08±38.28 ab 145.83±4.59 a 7.83±0.20 b 1 865.71±38.70 ab 133.26±3.57 ab E 4.93±0.19 A 1 926.29±41.19 b 117.60±3.60 ab 6.67±0.19 a 1 817.60±39.88 ab 141.76±4.11 a 8.13±0.23 a 1 799.77±38.56 b 132.32±4.09 b 说明：数据为平均值±标准误。取样部位A~E表示的具体位置见图2。小写字母表示数据符合方差齐性检验，两两比较为邦弗伦尼法；大写字母表示数据不符合方差齐性检验，两两比较为塔姆黑尼法。同列不同字母表示不同取样部位差异显著(P＜0.05)
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表 4 主成分各因子提取载荷平方和
Table 4. Each factor extracts the sum of squares of the load
成分 方差百分比/% 累计贡献率/% 竹龄 30.004 30.004 轴向取样部位 22.431 52.435 径向取样部位 16.757 69.192
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