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竹材因孔隙层次多，含有丰富的多糖、蛋白质和水分等营养物质，极易受微生物侵染[1−2]。因此，通过技术手段改良竹材以增强竹材的抑菌性能尤为重要[3]。目前常用的木材、竹材抑菌改性剂有无机抑菌剂和有机抑菌剂2类[4]。无机抑菌剂与纤维之间是物理吸附，相互作用力弱，容易流失；有机抑菌剂虽能与纤维形成化学联接，却容易对环境造成污染，使微生物产生抗药性。植物多酚是天然植物原料中的有效成分，因其种类繁多、生产量大、能抗炎抑菌而备受关注[5]。天然多酚类化合物没食子酸能通过接触微生物造成细胞膜局部破裂成孔，破坏细胞膜完整性，使得细胞膜内物质泄漏，进而杀死细胞[6]，因此，近年来被广泛应用于改良材料的抑菌性能。ZHANG等[7]和ZARANDONA等[8]使用没食子酸制备的乙酰化果胶和壳聚糖膜均表现出优异的抑菌效果。龙竹Dendrocalamus giganteus是滇东南地区广泛分布的特色大型丛生竹材，常被应用于西南少数民族建筑和家具制品，但其抗生物侵害能力不足的特性严重影响了其使用周期和产品质量[9]。本研究基于竹材细胞壁组分多羟基特性和没食子酸的天然抑菌活性，用没食子酸改性龙竹竹粉，并对改性竹粉的结构特性和抑菌性能进行分析表征，可为发展植物源竹材绿色防护技术提供方法借鉴和理论支撑。
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供试竹材为云南省临沧市沧源县3年生无腐朽无霉变龙竹。供试菌种大肠埃希菌Escherichia coli (革兰氏阴性细菌)和金黄色葡萄球菌Staphylococcus aureus (革兰氏阳性细菌)购自北京保藏生物科技有限公司。
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将龙竹去节，去除竹青竹黄，劈成竹片，用粉碎机粉碎后过40~60目筛，将该原料记作DG；用苯醇抽提(体积比为2∶1) 6 h做脱蜡处理，放在60 ℃的烘箱内干燥备用，抽提物料记作DG-E；称取DG-E物料10.00 g，加入质量浓度为5%的氢氧化钠溶液，固液比为1∶20，在80 ℃的恒温水浴锅内磁力搅拌回流2 h，用蒸馏水洗涤至中性，冷冻干燥，制备得到碱处理的竹粉，碱处理物料记作DG-A。
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龙竹改性方法在文献[10]的基础上略有改动：称取10.00 g没食子酸(GA)于烧杯中，加入100 mL N, N-二甲基甲酰胺(DMF)，搅拌完全溶解；加入DG-A 3.50 g、1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐(EDC) 12.00 g和4-二甲氨基吡啶(DMAP) 1.45 g；水浴搅拌反应48 h，反应温度为60 ℃，待反应结束后用蒸馏水和乙醇反复洗涤烘干备用，得到的物料标记为DG-GA。
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参考GB/T 20944.3—2008[11]略有改动制备菌液。将第3代菌液采用10倍稀释法稀释到合适倍数后，取50 μL涂布，培养24 h观察，确定菌液浓度达1×1012~5×1012 CFU·L−1，菌液分别记作SA-1和EC-1。将SA-1和EC-1菌液用10倍稀释法稀释4次，使菌液浓度达3×108~4×108 CFU·L−1，分别记作SA-2和EC-2，作为预接种菌液。
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使用直接红染料(Direct red 28, DR28)对DG、DG-E、DG-A进行可及度测定[12]。称取0.1 g待测样品与10 mL不同质量浓度的染液(0、0.13、0.30、0.60、0.90、1.20、1.80、2.40、2.80和3.00 mg·mL−1)混合。放置于恒温振荡器中，50 ℃，150 r·min−1保持24 h，收集上清液并用紫外可见分光光度计(UV-210 PC)在498 nm条件下测定其吸光度，使用标准曲线计算残液浓度。根据Langmuir吸附等温线拟合分析几种物料对染料的吸附能力，对龙竹竹粉的可及范围做出评估。
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参照美国能源再生实验室NREL法[13]对DG、DG-E、DG-A和DG-GA的化学成分进行分析。用体积分数为72%的硫酸对物料进行酸水解，使用高效液相色谱仪(Agilent 1200S)对4种物料中的碳水化合物成分进行分析；使用紫外可见分光光度计在205 nm处对酸溶木质素进行分析，将剩余固体残渣用G3砂芯漏斗洗净，65 ℃烘干，木质素总量为酸溶木质素与固体残渣的总和。
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分析DG、DG-E、DG-A和DG-GA等4种样品的化学结构，使用傅里叶红外光谱仪(Nexus 670，FTIR)进行扫描，扫描范围为4 000~500 cm−1，分辨率为2 cm−1，扫描次数32次的模式下采集数据。采用X射线衍射分析仪(X Pert Powder，XRD)分析样品的结晶结构，使用铜靶波长为0.154 18 nm，2θ扫描区间为5°~40°，电压40 kV，电流40 mA。其中结晶指数可以根据Segal公式进行计算：$ {{I}}_{\text{cr}}\text{=}\dfrac{\text{(}{{I}}_{\text{002}}{-}{{I}}_{\text{amorph}}\text{)}}{{{I}}_{\text{002}}}\text{×100}\text{}{\%} $。其中，Icr为结晶指数，Iamorph指2θ为18°时无定形区衍射峰的强度，I002为主结晶峰002的最大衍射强度。
使用扫描电子显微镜(Hitachi Regulus 8100，SEM)观察样品的表面形貌，加速电压为2~5 kV，物料表面喷金处理。采用热重分析仪(TG)，分别称取4种样品约3.0 mg于陶瓷坩埚中，利用高纯度氮气作为保护气(气体流量为20 mL·min−1)和吹扫气(气体流量为50 mL·min−1)，样品升温速率为10 ℃·min−1，温度为35~600 ℃。
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参照GB/T 20944.3—2008[11]，探究DG-A和DG-GA对大肠埃希菌和金黄色葡萄球菌的抑菌性能。在三角烧瓶中称取上述2种样品各(0.75±0.05) g，然后在烧瓶中各加入(70.00±0.03) mL 0.03 mol·L−1的PBS缓冲溶液，再加入5.0 mL SA-2菌液，每种样品制备3个平行样，另准备3个不加样品的空白对照；将每个烧瓶盖好透气封口膜，置于恒温振荡器上，在(24±1) ℃，以150 r·min−1，振荡18 h。到规定时间后，将烧瓶中的试液稀释至合适的倍数，取(50.0±0.1) μL移入固体培养基中，每个试液及不同的稀释浓度制作3个平行样，倒置平板，在(37±1) ℃，培养24~48 h。选择30~300 CFU的平板进行计数，对DG-A和DG-GA的活菌浓度进行计数。按下式计算抑菌率(Y)： $ {Y}\text{=}\dfrac{{{W}}_{\text{t}}-{{Q}}_{\text{t}}}{{{W}}_{\text{t}}}\text{×100}\text{}{\%} $。其中，Wt为空白对照组3组平行样菌液浓度的平均值；Qt为每种试样3组平行样菌液浓度的平均值。
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图1表明：经过苯醇抽提处理后的竹粉(DG-E)对染料的吸附量从44.92 mg·g−1增加到78.66 mg·g−1；碱处理竹粉(DG-A)对染料的吸附量从78.66 mg·g−1增加到174.39 mg·g−1，增加了121.7%。可能是由于碱液进入竹纤维束内部，将细胞壁内的部分木质素和半纤维素溶解，同时润胀纤维，增大了竹粉的可及度。选择最大可及度的条件下制备的竹粉样品进行后续酯化改性。
图 1 竹粉样品DG、DG-E和DG-A的Langmuir等温吸附曲线
Figure 1. Langmuir isothermal adsorption curves of bamboo powder samples DG, DG-E and DG-A
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由图2可见：经过苯醇抽提脱蜡处理的竹粉(DG-E)的木质纤维化学成分无明显变化；碱处理竹粉(DG-A)的纤维素相对含量从48.63%增加到61.24%，半纤维素相对含量从15.29%减少到11.39%，木质素相对含量从30.36 %减少到18.81%。该结果表明：碱处理去除了部分碳水化合物和木质素，使得没食子酸与竹材内部的羟基接触反应的可能性变大[14]。DG-A与DG-GA的化学组分比较结果显示：纤维素、木质素和半纤维素的相对含量几乎不变，可见没食子酸与竹粉的酯化反应对其纤维素、木质素和半纤维素的相对含量影响不大。
图 2 竹粉样品DG、DG-E、DG-A和DG-GA的化学组分
Figure 2. Chemical composition of bamboo powder samples DG, DG-E, DG-A and DG-GA
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由图3可知：3 401和2 900 cm−1处分别出现O—H和C—H的伸缩振动峰，在1 592和1 511 cm−1处的苯环伸缩振动峰是木质素的基本特征吸收峰[15]，在1 052 cm−1处是醚键(C—O—C)的吸收峰，894 cm−1是木糖单元之间的β-糖苷键的特征吸收[16]；对比DG-E和DG-A，在1 724 cm−1处的酯键(C=O)消失，这是由于木质素结构单元之间和木质素与碳水化合物之间的联接键是酯键，该键在碱性条件下非常容易被水解[14]，所以在碱处理之后，该峰位置的信号明显减弱；经过GA改性后，1 724 cm−1处的C=O的吸收峰又显著增强，并且在1 150~1 200 cm−1处C—O的伸缩振动也增强，说明竹粉表面可能生成酯键[17]。LIU等[18]用GA改性果胶，证实了在1 749 cm−1处，果胶的羟基基团与GA末端的羧基形成酯键，该结果与GA改性DG的结果相符。
图 3 竹粉样品DG、DG-E、DG-A和DG-GA的FTIR图
Figure 3. FTIR spectra of bamboo powder samples DG, DG-E, DG-A and DG-GA
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由图4可以看出：DG、DG-E、DG-A和DG-GA等4种物料的峰形相似，均表现出纤维素Ⅰ型衍射峰。在2θ为16.0°的峰对应为纤维素(101)晶面衍射峰，在2θ为22.0°的峰对应为纤维素(002)晶面衍射峰[14]。与原竹粉相比较，随着抽提、碱处理和酯化反应的进行，纤维素的结晶度逐渐降低，这是由于碱的润胀作用会在一定程度上破坏纤维素的结晶结构，从而降低结晶度[19]。经过酯化反应后，结晶度由54.93%降至50.73%，这一变化可能是酯基的引入将相对松散的区域破坏，使得结晶度下降。ZHU等[20]在松香酸改性木质纤维素的研究中，也证实了酯化之后的纤维素结晶度有所降低。
图 4 竹粉样品DG、DG-E、DG-A和DG-GA的XRD图
Figure 4. XRD spectra of bamboo powder samples DG, DG-E, DG-A and DG-GA
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如图5所示：天然DG表面有细微颗粒，纤维束之间黏结紧密；经过抽提后，DG-E表面呈鳞状较为粗糙，是因为解除了蜡质的包裹作用；在碱处理后，竹纤维经过润胀，原本连接紧密的竹纤维束变得更加松散，说明碱液有效的浸透到竹材中，DG-A细胞之间的连接物质如木质素和半纤维素等减少，这一现象与龙竹化学组分分析结果一致。由于部分低聚物溶出，让原本致密的竹材变得松散，使得GA更容易浸入到竹材内部发生反应。改性后的物料DG-GA更加光滑，无明显的层次结构，表明纤维素与GA酯化形成的产物可能形成了包裹物包裹在纤维上。
图 5 竹粉样品DG、DG-E、DG-A和DG-GA的SEM图
Figure 5. SEM images of bamboo powder samples DG, DG-E, DG-A and DG-GA
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由图6所示：在初始升温阶段(30~200 ℃)，所有物料均无明显降解，其质量损失主要是由物料中的水等小分子挥发所导致。180~360 ℃阶段为纤维素、半纤维素和部分木质素的降解阶段[21]。对比可知，DG和DG-E的初始降解温度为190 ℃，DG-A的初始降解温度为280 ℃，说明碱处理竹材热稳定性明显增强，这是由于DG-A脱除了部分相对易热解的半纤维素和木质素所致。据报道[22]，GA在260 ℃附近有明显的热化学转变，但本研究在该温度附近并未出现转变，说明GA并非简单吸附在竹粉表面，而是通过与酯键与竹粉形成紧密结合。在纤维热降解最剧烈阶段(320~360 ℃)，DG-GA的初始热解温度和最大降解速率温度均高于DG，说明本研究中所采用的没食子酸改性有助于提高竹材热稳定性。原因可能是由于酯化反应主要发生在竹纤维最外层，包裹在竹纤维表面的酯化产物可以有效地充当物理屏障，进而赋予竹粉较高的热稳定性。
图 6 竹粉样品DG、DG-E、DG-A和DG-GA的TG和DTG曲线
Figure 6. TG and DTG curves of bamboo powder samples DG, DG-E, DG-A and DG-GA
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由图7可见：改性前物料(DG-A)对大肠埃希菌抑菌率为30.70%，改性后的物料(DG-GA)对大肠埃希菌抑菌率为93.24%，抑菌率提高了62.54%；DG-A对金黄色葡萄球菌抑菌率为32.18%，DG-GA对金黄色葡萄球菌抑菌率为75.29%，抑菌率提高了43.11%，抑菌效果明显提升。改性后的竹粉的菌落变得稀少，这是由于没食子酸与竹粉成功接枝，赋予了龙竹没食子酸的抑菌能力。ZHANG等[7]将天然果胶用没食子酸酶法酰化，提高了对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑制率，这与本研究结果相似。
图 7 竹粉样品DG-A和DG-GA对大肠埃希菌和金黄色葡萄球菌的抑菌效果
Figure 7. Antibacterial effect of bamboo powder samples DG-A and DG-GA on E. coli and S. ureus
由图8发现：DG-GA对大肠埃希菌的抑制作用优于金黄色葡萄球菌，这可能与革兰氏阳性菌有较厚的肽聚糖层结构有关[23]，对比革兰氏阴性菌的双膜结构，这种肽聚糖层结构具有更高级的保护屏障，因此改性竹材表现出对大肠埃希菌的抑菌效果优于金黄色葡萄球菌。改性得到的产物对革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌均表现出优异的抑制效果，可能是因为竹粉和没食子酸酯化后，其酚羟基能与细菌细胞上的金属离子螯合，影响细胞膜的通透性，使细菌代谢紊乱而不能正常生长，从而起到抑菌作用[24]。
图 8 竹粉样品DG-A和DG-GA对大肠埃希菌和金黄色葡萄球菌的抑菌率图
Figure 8. Antibacterial rate of bamboo powder samples DG-A and DG-GA on E. coli and S. ureus
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竹材由于含有营养物质易被微生物感染，现存抑菌剂存在易流失和污染环境等问题，本研究使用没食子酸对竹粉进行改性，结果发现竹粉的抑菌效果有明显提升。通过振荡法对改性前后竹材抑菌活性的测试可知：竹材对大肠埃希菌抑菌率为93.24%，对金黄色葡萄球菌抑菌率75.29%。该研究与已有研究结果相似，如HUANG等[25]将没食子酸改性果胶，对大肠埃希菌有11.41 mm的抑菌圈，对金黄色葡萄球菌有12.52 mm的抑菌圈，该产品作为涂层能有效地延长中国鲈鱼Lateolabrax muculatus鱼片的整体质量。ZHANG等[7]用酶法酰化天然果胶，制备得到的样品对大肠埃希菌和金黄色葡萄球菌的抑制率也分别从2.93%和8.92%提高到26.95%和42.18%。 改性后物料红外分析表现出新的吸收峰，结晶度下降，纤维束表面变光滑，最大降解温度增加，抑菌效力显著增强，均表明没食子酸与竹粉成功接枝。近些年，没食子酸及其衍生物与竹材反应机制复杂，反应过程受多因素影响[26]。在后续研究中，可进一步阐明没食子酸与竹材的反应及抑菌机制。
在处理显著提高了龙竹粉可及度的基础上，没食子酸可以与竹粉组分之间通过酯化反应形成接枝共聚物，在竹纤维束表面形成一层包裹物，使其表面变得更加光滑；没食子酸改性后，竹粉的热稳定性不仅没有降低，反而提高约40 ℃；没食子酸改性竹粉的抑菌效力明显提高。
Preparation and antibacterial properties of gallic acid modified bamboo powder
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摘要:
目的 以龙竹Dendrocalamus giganteus竹粉为原料，采用酯化反应制备没食子酸改性竹材，并探究没食子酸对竹材抑菌性能的影响。 方法 通过傅里叶红外光谱仪、X射线衍射仪、扫描电子显微镜和热重分析对改性竹粉特性进行表征，采用振荡法评估改性竹粉的抑菌性能。 结果 没食子酸可以与竹粉形成接枝共聚物，并在竹纤维束表面形成一层包裹物，从而使其表面变得更加光滑；没食子酸改性后，竹粉的热稳定性提高约40 ℃，对大肠埃希菌Escherichia coli抑制率从30.70%提高到93.24%，对金黄色葡萄球菌Staphylococcus aureus抑制率从32.18%提高到75.29%。 结论 没食子酸改性可明显提高龙竹竹粉对革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌的抑制能力，该方法为竹材抑菌性能改良的有效方法。图8参26 Abstract:Objective This study, with gallic acid modified Dendrocalamus giganteus (DG) prepared by esterification reaction, is aimed to investigate the effect of gallic acid (GA) on antibacterial performance of DG. Method The modified products (DG-GA) were characterized by Fourier transform infrared spectrometer, X-ray diffractometer, scanning electron microscope and thermogravimetric analysis before the antibacterial tests were performed by shaking method after modification. Result Gallic acid formed graft copolymer with bamboo powder successfully with a layer of coating formed on the surface of bamboo fiber bundle, making the surface become smoother. After gallic acid modification, the thermal stability of bamboo powder increased by about 40 ℃, the inhibition rate against Escherichia coli increased from 30.70% to 93.24%, and the inhibition rate against Staphylococcus aureus increased from 32.18% to 75.29%. Conclusion The modification of gallic acid can obviously improve the inhibition ability of bamboo powder against gram-negative and gram-positive bacteria, making it an effective method to improve the antibacterial property of bamboo. [Ch, 8 fig. 26 ref.] -
Key words:
- Dendrocalamus giganteus /
- gallic acid /
- modification /
- antibacterial
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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 竹粉样品DG、DG-E和DG-A的Langmuir等温吸附曲线
Figure 1 Langmuir isothermal adsorption curves of bamboo powder samples DG, DG-E and DG-A
图 2 竹粉样品DG、DG-E、DG-A和DG-GA的化学组分
Figure 2 Chemical composition of bamboo powder samples DG, DG-E, DG-A and DG-GA
图 3 竹粉样品DG、DG-E、DG-A和DG-GA的FTIR图
Figure 3 FTIR spectra of bamboo powder samples DG, DG-E, DG-A and DG-GA
图 4 竹粉样品DG、DG-E、DG-A和DG-GA的XRD图
Figure 4 XRD spectra of bamboo powder samples DG, DG-E, DG-A and DG-GA
图 5 竹粉样品DG、DG-E、DG-A和DG-GA的SEM图
Figure 5 SEM images of bamboo powder samples DG, DG-E, DG-A and DG-GA
图 6 竹粉样品DG、DG-E、DG-A和DG-GA的TG和DTG曲线
Figure 6 TG and DTG curves of bamboo powder samples DG, DG-E, DG-A and DG-GA
图 7 竹粉样品DG-A和DG-GA对大肠埃希菌和金黄色葡萄球菌的抑菌效果
Figure 7 Antibacterial effect of bamboo powder samples DG-A and DG-GA on E. coli and S. ureus
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链接本文:
https://zlxb.zafu.edu.cn/article/doi/10.11833/j.issn.2095-0756.20220718
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