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竹子具备高强度、高韧性等优点，并且生长速度快，可快速成材，被广泛应用于建筑、家具和造纸等领域[1−3]。作为21世纪最具开发潜力的生物质资源，竹材具有不可比拟的生态、经济以及社会效益[4]，对促进碳达峰、碳中和具有极大的意义。竹材被认为是以薄壁组织为基体，嵌入维管束作为增强相的纤维增强生物复合材料[5−6]。维管束起着承担力学强度的骨架作用，基本组织填充其余部分，起着传递载荷的作用[7]。竹材优异的力学性能主要与纤维鞘组织比量密切相关[8]。目前，竹产业主要生产传统竹胶合板、竹席/竹帘胶合板、竹集成材和重组竹等或新型工程竹复合材料[9]、复合吸波材料[10]和竹缠绕复合管[11]等，大多以毛竹Phyllostachys edulis等大径级的竹材为原料[12−13]，小径级的竹材应用较少。竹材的力学性能决定其利用价值与领域[14]，竹材顺纹抗压强度作为评估竹材不同用途的适用性的重要指标[15−16]，具有测试方便快速等优点[17]。小径级竹材物理力学性能测试并无相关标准，相关科学研究较少，基本上都参照GB/T 15780—1995《竹材物理力学性质试验方法》[18−19]，缺乏评价小径级竹材的系统的物理力学实验方法。
本研究对不同长径比试件进行顺纹抗压试验，探索适合测试小径级竹材顺纹抗压强度的方法，为发掘小径级竹材工业应用提供科学依据[20]。同时利用基于YOLO深度学习算法开发的维管束识别模型对小径级竹材纤维鞘的组织比量和维管束密度作出统计并对其与抗压强度的关系进行线性拟合。通过引入人工智能用于竹材基础性质的研究，不仅可以解决人工处理耗时费力以及容易出错等问题，相较于传统图像处理方法还能提高处理精度和准确性。
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样品采自安徽省六安市金寨县。随机选取健康、完好无缺陷的3~4年生处于成熟期的竹株，采集胸径在50 mm以下的苦竹Pleioblastus amarus、篌竹Phyllostachys nidularia、水竹Phyllostachys heteroclada和早园竹Phyllostachys propinqua各5株，平均直径分别为12.04、30.44、19.92、33.02 mm，平均壁厚分别为2.38、3.90、3.24、4.58 mm。从离地约0.5 m处向上截取2.0~4.0 m竹段作为试样，并对试样进行标号带回实验室待用。
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用游标卡尺测量试样同一点在相互垂直的2个方向的直径，求其平均值。沿顺纹方向按上述平均直径的1.0、1.5和2.0倍长度截制不同长径比试件，试件两端面平整并相互平行，端面应与顺纹方向垂直(图1)。参照 GB/T 15780—1995《竹材物理力学性质试验方法》[18]调整试样含水率。
图 1 试件
Figure 1. Samples
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对截断后的横截面用不同目数的砂纸砂光处理，最后一次精砂目数为320目，直至触摸手感光滑，既保证精确识别纤维鞘和薄壁细胞之间的分界线，又可以利用砂光产生的碎屑填充维管束中的大导管及韧皮部等孔隙，避免大导管等干扰计算机识别[21]。利用高清扫描仪对符合要求的试件横截面进行扫描，用局部聚类算法对图片进行二值化处理，采用经过训练的模型进行识别，检测维管束并统计纤维鞘总面积[22](图2)。
图 2 高清灰度图(A)、识别每个维管束的检测图(B)和利用局部聚类算法获得的二值化图(C)
Figure 2. HD grayscale image (A), detection image identifying each vascular bundle (B) and binarized image obtained using local clustering algorithm (C)
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①尺寸测量。如图3所示：在扫描计算完的试件两端用游标卡尺测其相互垂直的2个方向长轴(D1)和短轴(D2)，以同样方法测定试件两端竹壁厚(t1、t2、t3、t4)取其均值(t)，准确至0.01 mm，计算试件两端面横截面面积均值。将横截面近似为椭圆计算。②顺纹抗压试验。将试件垂直放置于万能力学试验机球面滑动支座中心位置，调整下支座，从相互垂直的2个方向观察，使试件横截面与压头表面平行，施压方向和纤维方向平行。施加预荷载不大于10.0 N，调整放好试件。沿试件轴向以1 mm·min−1的速度均匀加载，在(90±30) s内破坏，记录试件破坏的最大载荷，精确至0.1 N。③含水率测定。抗压性能试验结束后，立即清理试件上易剥落物，进行称量，准确至0.001 g。测定含水率。测定方法依据GB/T 15780—1995《竹材物理力学性质试验方法》。④计算。顺纹抗压强度按近似椭圆管状件计算。采用$ \sigma_{\text{12}}\text{=}\sigma_{{w}}\left[\text{1+0.045}\left({w}-\text{12}\right)\right] $将含水率为w的顺纹抗压强度$ \sigma_{{w}}$换算为试件含水率为12%的顺纹抗压强度$\sigma_{{12}} $，准确至0.01 MPa。$ \sigma_{{w}}\text{=}\dfrac{\text{2}{{F}}_{\text{max}}}{\text{π}t\left({{D}}_{\text{1}}\text{+}{{D}}_{\text{2}}{-}{2t}\right)} $。其中：$ {{F}}_{\text{max}} $为试件破坏最大载荷(N)；$ {t} $为试件平均壁厚(mm)；$ {{D}}_{\text{1}} $为试件横截面长轴(mm)；$ {{D}}_{\text{2}} $为试件横截面短轴(mm)。
图 3 尺寸测量示意图
Figure 3. Dimension measurement schematic
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由表1可见：4种小径级竹材的顺纹抗压强度较为优异，采用2.0倍长径比试件测试，早园竹顺纹抗压强度最大，为82.91 MPa，水竹顺纹抗压强度最小，为67.01 MPa。在不同长径比的试件中，顺纹抗压强度测试结果平均值相差不大。方差齐性检验表明：4种小径级竹材的不同长径比试件的顺纹抗压强度差异不显著(P＞0.05)，故进行单因素ANOVA检验。检验结果显示：除苦竹外，其余3种小径级竹材的不同长径比试件对顺纹抗压强度没有产生显著影响(P＞0.05)。然而，苦竹不同长径比试件对顺纹抗压强度产生显著影响(F=3.342，P=0.040＜0.05)。进行LSD多重比较分析苦竹不同长径比试样之间的差异是否显著，结果显示：苦竹的1.0倍长径比试件与其他2种试件之间差异不显著，而1.5与2.0倍试件之间产生显著差异(P=0.012＜0.05)。这可能是由于苦竹平均直径仅为12.04 mm，直径太小并且制备设备落后，对试件造成了不同程度的破坏。
表 1 顺纹抗压测试结果
Table 1. Test results of compressive strength
竹种 长径比 顺纹抗压强度 方差齐性
检验P单因素
ANOVA检验平均值/
MPa标准差/
MPa变异系
数/%F P 苦竹 1.0 71.64 ab 3.80 5.30 0.456 3.342 0.040 1.5 70.27 b 3.20 4.55 2.0 72.65 a 3.89 5.35 篌竹 1.0 74.57 a 8.02 10.76 0.989 0.239 0.788 1.5 74.01 a 7.68 10.38 2.0 73.19 a 7.59 10.37 水竹 1.0 67.09 a 5.75 8.57 0.776 0.222 0.801 1.5 67.78 a 6.01 8.87 2.0 67.01 a 5.12 7.64 早园竹 1.0 83.29 a 9.52 11.43 0.528 0.010 0.990 1.5 83.06 a 8.19 9.86 2.0 82.91 a 7.76 9.36 说明：不同小写字母表示同一竹种不同处理之间LSD检验差异显著(P＜0.05)。 除去由于试件制备中引起的破坏而产生的测量误差，不同长径比的试样对顺纹抗压强度没有产生显著影响。根据表1结果所示：除苦竹外，其他3种竹材均是2.0倍长径比的试件测试的顺纹抗压强度的变异系数最小。其中，篌竹、早园竹和水竹2.0倍长径比试件的顺纹抗压强度变异系数分别为10.37%、9.36%和7.64%。苦竹的3种试件变异系数均较小，1.5倍长径比试件变异系数为4.55%。变异系数越小，说明数据越稳定。早园竹和篌竹的标准差在一定范围内随着长径比的增加而减少。具体而言，2.0倍长径比试件的标准差分别为7.76和7.59 MPa。水竹的2.0倍长径比试件最小，为5.12 MPa。苦竹标准差是1.5倍长径比试件最小，为3.20 MPa。标准差越小，试验数据的离散程度越小。综上所述，2.0倍长径比的试件测试的数据比较稳定，可靠性较好，变异系数小，意味着需要准备的最小试件数量就最少，整个试验的操作就相对容易，试验数据更加准确。因此，2.0倍长径比的试件用于测试小径级圆竹顺纹抗压强度最好。
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从长径比为2.0的试样的维管束参数 (表2) 可以看出：4种竹材的纤维鞘组织比量的标准偏差均较小，说明同一竹种不同竹株不同部位的纤维鞘组织比量相差不大。其中篌竹纤维鞘组织比量最大，为35.64%，最小的是水竹，为33.05%。苦竹的维管束分布密度最大，达7.94 个·mm−2，早园竹最小，为5.77 个·mm−2。
表 2 4种小径级竹材长径比为2.0试样的维管束参数
Table 2. Vascular bundle parameters of four species of small diameter bamboo at the length-to-diameter ratio of 2.0
竹种 纤维鞘体积分数/% 维管束分布密度/(个·mm−2) 平均值 标准偏差 平均值 标准偏差 苦竹 34.61 2.18 7.94 0.73 篌竹 35.64 1.51 6.32 0.92 水竹 33.05 2.15 7.01 0.31 早园竹 34.65 5.53 5.77 1.07 如图4所示：纤维鞘体积分数 (y) 与顺纹抗压强度 (x) 之间呈线性正相关，即纤维鞘体积分数越大，顺纹抗压强度越大。基于最小二乘法对其进行线性拟合，得到线性方程：y = 260.44x−18.26，R2=0.60，r=0.778，P＜0.001。维管束分布密度和顺纹抗压强度之间的相关性并不强，可能原因是不同竹种的维管束面积以及类型不同。换而言之，不同的竹种即使维管束分布密度相同，也有可能单位面积内所含的纤维含量不同。
图 4 顺纹抗压强度与纤维鞘体积分数和维管束分布密度之间的分布规律
Figure 4. Distribution pattern between the compressive strength and the fiber volume fraction and distribution density of vascular bundles
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本研究结果发现：4种竹材的顺纹抗压强度较为优异，高于同为圆竹形态测试的4年生毛竹的基部试件的顺纹抗压强度 (48.54 MPa)[23]。 竹子之所以具有轻质且高强度的特性，是由于其薄壁中空和功能梯度结构等优势。竹壁的构造包括表皮、维管束和基本组织等3种组织[24]，其中富含二氧化硅的表皮起着保护竹子抵御外界环境破坏的作用，维管束则承担提供力学强度的骨架作用，基本组织则填充其余部分并起着传递载荷的作用[7]。竹材作为一种典型的单向纤维增强的生物质复合材料，其机械性能主要取决于呈梯度结构分布的维管束的机械特性，如纤维鞘的体积分数和维管束的分布密度等[21, 25]。纤维密度是表征竹子强度性能的良好指标[26]，纤维鞘体积分数正是纤维密度的定量化表述。已有研究对不同纤维鞘体积分数的毛竹进行了顺纹抗压测试，发现顺纹抗压强度和模量随纤维鞘体积分数增加而线性增加的规律[27]。同样，具有梯度结构的竹材在抗弯强度和模量中随着纤维体积分数的增加而增加[28]。此外，针对不同纤维鞘体积分数的毛竹样品的拉伸测试发现，纤维鞘体积分数和拉伸强度之间存在明显的线性关系，并且根据混合定律得出的纤维和基本组织的拉伸强度和MOE分别为581.7 MPa、40.40 GPa、19.0 MPa和0.22 GPa[29]。纤维的力学性能远高于薄壁细胞，纤维在毛竹的抗拉性能中起着决定性作用[29]。这可以归因于纤维和薄壁细胞在结构和化学成分等方面的不同，竹纤维的细胞壁几乎呈实心状，而薄壁细胞则具有较大的细胞腔和较薄的细胞壁[30]，竹纤维和薄壁细胞在化学组成和晶体结构也有一定的差异[31]。因此，纤维鞘体积分数是影响竹材的顺纹抗压强度的重要因素之一。然而，竹子的维管束类型是多样的，包括双断腰型、断腰型、紧腰型、开放型和半开放型等5种维管束类型[32]，不同竹种维管束的面积各异，即使同一类型维管束在不同位置或者不同竹种中的面积也不尽相同[33]，因此，在研究不同种竹材的力学性能中探究维管束分布密度对力学性能的影响意义不大。综上所述，了解竹材结构的影响因素是非常必要的，这有助于掌握竹材的材料特性，充分发挥机械性能。
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基于YOLO深度学习算法开发的竹材维管束模型应用于小径级竹材维管束数量和纤维鞘面积的测定，可以达到快速且准确的效果。小径级竹材的顺纹抗压性能不亚于大径级的竹材，早园竹顺纹抗压强度高达82.91 MPa，因此，小径级竹材具有较高的开发潜力。纤维鞘体积分数极显著地正向影响顺纹抗压强度。纤维鞘体积分数(x)与顺纹抗压强度(y)关系表述为一元一次方程：$ {y}\text{=260.44}{x}-\text{18.26} $。而维管束密度与顺纹抗压强度相关性较小。对于胸高直径50 mm以下的竹材，测试顺纹抗压强度时，建议采用纵向长度为平均外径2.0倍的试件，采用上述试验方法操作并控制试件在(90±30) s内压溃。另外，对于较小直径竹材制备试件时需避免对竹材造成损伤。
Compressive strength of small-diameter bamboo and its influencing factors
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摘要:
目的 探究测试小径级圆竹顺纹抗压强度的方法，以及纤维鞘体积分数和维管束分布密度对顺纹抗压强度的影响。 方法 以苦竹Pleioblastus amarus、篌竹Phyllostachys nidularia、水竹Phyllostachys heteroclada和早园竹Phyllostachys propinqua 等4种小径级竹材(胸高直径50 mm以下)为研究对象，采用圆竹形式的试件探究小径级竹材的顺纹抗压性能测试方法，测试不同长径比(试件长度与直径的比值)试件对顺纹抗压强度的影响。同时，利用基于YOLO深度学习算法开发竹材维管束检测模型对维管束数量和纤维鞘面积进行测定，以探索其对顺纹抗压强度的影响。 结果 不同长径比试件测试结果并无显著性差异，以数据稳定性为准，则2.0倍长径比试件测试结果较为合理。采用该长径比试件测试，早园竹顺纹抗压强度最大，为82.91 MPa，水竹顺纹抗压强度最小，为67.01 MPa。篌竹纤维鞘组织比量最大，为35.64%，水竹最小，为33.05%。苦竹的维管束分布密度最大，达7.94 个·mm−2，早园竹最小，为5.77 个·mm−2。将不同种竹材作为整体对象的研究表明：纤维鞘体积分数正向影响顺纹抗压强度，而维管束分布密度对顺纹抗压强度的影响较小。 结论 小径级竹材顺纹抗压强度的测试宜采用2.0倍长径比试件，控制试件在(90±30) s内压溃。该试验选用的小径级竹材的顺纹抗压性能较为优异，纤维鞘体积分数(y)与顺纹抗压强度(x)之间存在$ {y}\text{=260.44}{x}{-}\text{18.26} $线性相关性。图4表2参33 Abstract:Objective This study is aimed to investigate the testing method for determining the compressive strength of small-diameter bamboo culms as well as the impact of fiber sheath volume fraction and distribution density of vascular bundles on it. Method Four species of small-diameter bamboo, namely Pleioblastus amarus, Phyllostachys nidularia, Phyllostachys heteroclada, and Phyllostachys propinqua, with a diameter at breast height of less than 50 mm, were selected as research subjects before bamboo culm samples were utilized to investigate the compressive strength testing method for small-diameter bamboo and to examine the impact of varying length-to-diameter ratios on compressive strength. At the same time, a bamboo vascular bundle detection model based on the YOLO deep learning algorithm was employed to determine the number of vascular bundles and fiber sheath area so as to investigate their influence on compressive strength. Result There were no significant differences in the test results among specimens with different length-to-diameter ratios and the test results for the specimen with a length-to-diameter ratio of 2.0 were more reasonable. Of specimens at the length-to-diameter ratio of 2.0, Phyllostachys propinqua exhibited the highest compressive strength at 82.91 MPa while Phyllostachys heteroclada demonstrated the lowest strength at 67.01 MPa. The volume fraction of fiber sheath was highest in Phyllostachys nidularia at 35.64% and lowest in Phyllostachys heteroclada at 33.05%. The density of vascular bundles in Pleioblastus amarus was highest at 7.94 pieces·mm−2, while that of Phyllostachys propinqua was the lowest at 5.77 pieces·mm−2. Studies that treated various species of bamboo as a unified entity have shown that the positive effect of the volume fraction of fiber sheath on compressive strength was significant while the influence of vascular bundle distribution density on compressive strength was relatively minor. Conclusion A specimen with a length-to-diameter ratio of 2.0 is an ideal choice for testing the compressive strength of small-diameter bamboo and the specimen should be controlled for a period of (90±30) seconds before it collapses. Furthermore, the small-diameter bamboo selected for this experiment exhibited excellent compressive performance while there was a direct correlation between the volume fraction of fiber sheath (y) and compressive strength (x), as shown in the equation y=260.44x−18.26. [Ch, 4 fig. 2 tab. 33 ref.] -
随着经济和工业化的发展，酸雨污染日益成为中国重要的环境问题[1]。ZHAO等[2]和杨东贞等[3]发现：1999-2006年浙江省杭州市临安地区降水中除硫酸根离子（SO42-）外，硝酸根离子（NO3-）亦明显增加，尤其是2001年后NO3-对降水酸度的贡献逐步加大，降雨属于硫酸与硝酸混合型酸雨[4]。研究认为：酸雨抑制植物养分、水分的吸收和运输，导致植物无法正常生长[5-7]。酸雨可直接破坏叶肉细胞结构，使叶片细胞膜通透性增大，细胞膜保护酶的活性下降，膜脂过氧化作用加剧，植物体内清除活性氧平衡被打破，从而影响光合、呼吸以及代谢等生理生化进程而使植物受害[8-10]。秃瓣杜英Eleocarpus glabripetalus系杜英科Elaeocarpaceae杜英属Elaeocarpus常绿乔木，适于中性或微酸性的山地红壤、黄壤上生长，是亚热带地区常见树种，常在评价酸雨对亚热带地区森林系统影响时作为试材。研究发现：模拟酸雨处理下秃瓣杜英的生物量积累[11-12]、PSⅡ原初光能转化效率和PSⅡ潜在活性均有所上升[11]。俞飞等[13]则发现：不同酸雨处理下，杜英应对酸雨胁迫的途径不同。目前，有关酸雨影响植物生理与养分的研究较多，但对酸雨影响杜英生理和养分元素分配的协同探索较少，因此，本试验在研究不同酸雨梯度影响秃瓣杜英幼苗PSⅡ反应中心和幼苗养分分配的基础上，进一步探索秃瓣杜英幼苗响应酸雨胁迫的机制，为生物响应酸雨胁迫研究提供依据和参考。
1. 材料与方法
1.1 实验地概况
试验地位于浙江省杭州市临安区浙江农林大学平山试验基地大棚（30°16′N，119°44′E）。属于中亚热带季风气候，温暖湿润，四季分明，年平均降水量约1 400.0 mm，全年平均气温为16.4 ℃，年无霜期250.0 d左右。区域森林覆盖率为76.5%。土壤类型为红壤。
1.2 试验方法
1.2.1 试验材料
选取高度为40~60 cm的1年生秃瓣杜英幼苗，于2011年1月移栽到高40 cm，直径30 cm的塑料花盆中，采用试验地红黄壤作为栽培土。幼苗随机分成10组，7株·组-1，苗木编号、挂牌后置于智能温室大棚内，保持棚内温度23~33 ℃，湿度55%~75%。缓苗期间用自来水浇灌，常规管理，2011年3月开始模拟酸雨喷洒[14]。模拟酸雨采用喷雾法，隔3 d喷洒1次，处理期间植物不浇水。
1.2.2 试验设计
参照该地区酸性降水中平均离子组成和试验通用配比，按V（H2SO4）:V（HNO3）＝8:1配制母液，再用蒸馏水稀释成pH 2.5，pH 4.0及pH 5.6的酸雨水溶液，作为重度酸雨处理（T2.5），中度酸雨处理（T4.0）和轻度酸雨处理（T5.6）[15]。根据临安区近10 a平均降水量统计数据[13]，计算每个酸雨等级所需的酸雨量，同时以等量的清水浇灌幼苗作为对照组（ck）。
1.3 测定方法
1.3.1 叶绿素荧光参数测定
2015年7月晴朗天气的9：00-11：00采用便携式叶绿素荧光仪（PAM-2100，Walz，德国）测定初始荧光值（Fo），黑暗中最大荧光值（Fm），实时荧光值（Ft），最大光化学量子产量光系统Ⅱ（PSⅡ）的最大光化学效率（Fv/Fm），实际光化学量子产量（Yield），光化学猝灭系数（qP）等叶绿素荧光参数。随机选取5株·处理-1，并在每株不同方位中上部随机选取5片成熟叶片进行测定。所得数据为3 d的平均值。
1.3.2 叶绿素相对含量的测定
选取进行荧光测定相同的叶片，用便携式叶绿素含量测定仪（SPAD-502，日本）测定叶绿素相对含量，测定3次·叶片-1，以5个叶片作为各组的平均值。
1.3.3 植物矿质元素的测定
2015年8月初，选择之前进行荧光实验的5株植株，各植株上中下各部位采集秃瓣杜英叶3片。幼苗叶氮元素质量分数用半微量凯式定氮法测定，磷元素质量分数用钼锑抗比色法测定[16-17]；钾、镁元素利用电感耦合等离子体发射光谱仪（PerkinElmer Inc.，美国）进行测定[18]。
1.3.4 生物量的测定
2015年11月全株收获，将黏附于秃瓣杜英幼苗上的泥土和污物用水冲洗干净，105 ℃下杀青5 min后，60 ℃下于烘箱中烘至恒量，分别称量地上部分和地下部分的生物量。
1.3.5 土壤元素的测定
将取回来的土样自然风干后磨碎，过100目筛。取各处理的土壤样品0.15 g预消解过夜，移入微波消解仪中消解至变色。得到的澄清、透明溶液摇匀静置待测，同时制备空白[19]。用电感耦合等离子体发射光谱仪测定金属铜和金属锌的质量分数，重复3次·样品-1。
1.3.6 转移系数和生物富集系数
转移系数（TF）可以表征植物地上部分金属与根部中金属质量分数的比值[20]，表示如下：转移系数＝地上部分金属质量分数/根部金属质量分数。生物富集系数（BCF）是植物体内某种金属元素的质量分数与土壤内该种金属元素的总质量分数之比[20]，表示如下：富集系数＝植物体内金属元素质量分数/土壤内金属元素质量分数。
1.4 数据处理
用SPSS 16.0软件统计秃瓣杜英幼苗的生长参数、叶绿素相对含量、荧光参数以及植株和土壤元素，对所有数据进行正态性与齐性检验后，利用单因素方差分析（one-way ANOVA）和最小显著差法（LSD）比较不同数据组间的差异，用Excel软件作图。
2. 结果与分析
2.1 不同酸雨梯度对幼苗叶绿素参数的影响
由图 1可知：酸雨处理组的叶绿素相对含量均高于对照组，且叶绿素相对含量随着酸雨pH值的降低而升高，但是各处理组与对照组间差异不显著（P＞0.05）。Fv/Fm的变化跟叶绿素相对含量一致，也是随着酸雨pH值的降低而升高的，但各处理组与对照组之间均有显著差异（P＜0.05），T5.6，T4.0和T2.5分别较对照组升高4.22%，6.07%和6.86%，说明酸雨有利于叶片PSⅡ原初光能转化效率的提高。同样地，Yield和qP也是随着酸雨pH的降低而升高，其中重度酸雨处理组Yield显著高于对照组（P＜0.05），重、中度酸雨处理组qP显著高于对照组（P＜0.05）。
图 1 不同酸雨处理下秃瓣杜英幼苗叶绿素参数Figure 1. Changes of chlorophyll fluorescence parameters of Eleocarpus glabripetalus seedlings with different acid rain treatments2.2 不同酸梯度对幼苗生物量的影响
由图 2可知：地上部生物量最高的是对照组，随着酸雨pH值的降低，各处理组的地上部生物量相比对照组分别降低了29.27%，4.88%和26.83%；根系生物量最低的是对照组，随着酸雨pH值的降低，各处理组的根系生物量相比对照组分别提高了22.22%，5.56%和33.33%。但无论地上部或根系，各处理组与对照组之间差异均不显著（P＞0.05）。
图 2 不同酸雨处理下秃瓣杜英幼苗各组织生物量变化Figure 2. Changes of each tissue biomass of Eleocarpus glabripetalus seedlings with different acid rain treatments2.3 不同酸雨梯度对幼苗器官中元素的影响
由图 3A可知：秃瓣杜英幼苗中氮元素主要存在于叶片；与对照组相比，各处理组叶片氮质量分数均有所提高，但差异不显著（P＞0.05）；各处理组茎中氮质量分数与对照组相比，均无显著性差异（P＞0.05）；轻度酸雨处理组根氮质量分数显著大于其他组（P＜0.05）。
图 3 不同酸雨梯度下秃瓣杜英幼苗器官中的元素质量分数变化Figure 3. Changes of N, P, K and Mg in the organs of E. glabripetalus seedlings with different acid rain treatments图 3B显示：所有器官磷质量分数总和最高的是对照组；对照组与处理组叶中的磷质量分数均无显著性差异（P＞0.05）；茎中磷质量分数从大到小依次为对照组，T4.0，T2.5和T5.6，除中度酸雨组外，其他处理组与对照组差异显著（P＜0.05）；根中磷质量分数表现为重、中度酸雨组显著高于对照组（P＜0.05）。
各处理组与对照组叶片中钾质量分数无显著差异（P＞0.05）；茎中钾质量分数最高的是对照组，显著高于重、轻度酸雨组（P＜0.05）；根中钾质量分数最低的是中度酸雨组，与对照组差异显著（P＜0.05）。
各器官中镁质量分数各组之间均无显著差异（P＞0.05），总量最高的是对照组。叶片中镁质量分数从大到小依次为T4.0，T5.6，T2.5和对照，在根中排序为对照，T5.6，T2.5和T4.0，在茎中排序为T4.0，对照，T5.6和T2.5。
2.4 幼苗对重金属的吸收特征
由表 1可知：处理组幼苗组织中铜元素和锌元素主要集中在地上部分。重、中度酸雨处理下，幼苗地上部铜质量分数显著高于对照组（P＜0.05）；根系铜质量分数低于对照组，其中重度酸雨组与对照组差异显著（P＜0.05）。各处理组秃瓣杜英幼苗的地上部锌质量分数均高于对照组，其中，重度酸雨组与对照组之间差异显著（P＜0.05）。重、中度酸雨组根系锌质量分数显著小于对照组（P＜0.05）。
表 1 秃瓣杜英幼苗在不同酸雨酸度下各组织中铜和锌质量分数Table 1. Heavy metal Cu and Zn concentrations in different tissues of Eleocarpus glabripetalus seedlings with different acid rain treatments试验组 w铜/（mg·kg-1） w锌/（mg·kg-1） 地上部 根系 地上 根系 T2.5 13.50 ± 0.55 a 5.93 ± 0.03 c 177.16 ± 6.28 a 13.50 ± 0.77 b T4.0 15.66 ± 1.80 a 13.71 ± 1.01 b 99.55 ± 7.33 ab 6.12 ± 0.76 b T5.6 11.14 ± 1.39 ab 27.15 ± 3.38 a 138.87 ± 6.85 ab 72.07 ± 6.71 a ck 11.41 ± 0.91 b 14.83 ± 2.04 b 23.49 ± 2.21 b 68.35 ± 7.46 a 说明：表内数据为平均值±标准误。同列不同字母表示差异显著（P＜0.05） 幼苗在酸雨处理下的转移系数值由表 2所示。幼苗中铜转移系数随酸雨pH值的降低而升高，重度酸雨处理下幼苗中铜转移系数最高，为2.27。各处理组锌转移系数均高于对照组，其中重、中度酸雨处理与对照组差异显著（P＜0.05），中度酸雨处理下锌转移系数最高，为16.79。说明酸雨处理增加了秃瓣杜英幼苗对重金属的转移能力。
表 2 不同酸雨酸度下秃瓣杜英幼苗中铜、锌的转移系数和生物富集系数Table 2. Translocation factor and bioconcentration factor of Cu and Zn with different acid rain treatments试验组 转移系数 生物富集系数 铜 锌 铜 锌 T2.5 2.271 ± 0.112 a 10.837 ± 0.483 a 0.014 ± 0.001 ab 0.712 ± 0.025 a T4.0 1.169 ± 0.203 b 16.790 ± 0.240 a 0.019 ± 0.002 a 0.420 ± 0.035 a T5.6 0.423 ± 0.072 c 2.033 ± 0.081 b 0.011 ± 0.002 b 0.546 ± 0.026 a ck 0.792 ± 0.081 bc 0.409 ± 0.011 b 0.020 ± 0.002 a 0.093 ± 0.003 b 说明：表内数据为平均值±标准误。同列不同字母表示差异显著（P＜0.05） 酸雨处理后铜元素的生物富集系数为0.011~0.019，均小于对照组，说明酸雨处理不利于秃瓣杜英幼苗对重金属铜的积累；处理组锌的生物富集系数均显著高于对照组（P＜0.05），说明酸雨处理提高了秃瓣杜英幼苗对重金属锌的积累能力。
3. 结论与讨论
测定植物叶片的叶绿素相对含量可以间接反映植物叶片叶绿素的情况[21-24]，叶绿素荧光动力学技术可以获得植物耐受环境胁迫的能力和各种胁迫已经损害光系统的程度等信息[25]。研究发现：重度酸雨下，杨梅Myrica rubra叶绿素各荧光参数均降低[26]；在pH 2.5条件下，水稻Oryza sativa叶片质膜（H+-ATPase）活性，细胞渗透势和钾离子（K+）和镁离子（Mg2+）明显下降[27]；五爪金龙Ipomoea cairica叶片净光合速率随酸雨pH值的下降而降低[28]。也有得出相反结论。田大伦等[29]发现：pH 3.0和pH 4.0的酸雨提高了樟树Cinnamomum camphora最大净光合速率和表观量子效率；在pH 2.5的酸雨强度下，青冈Quercus glauca幼苗的光合参数、叶绿素荧光参数与对照组相比，明显增加[30]。
本研究发现秃瓣杜英幼苗叶绿素参数随不同酸雨变化而变化。随着酸雨pH值降低，叶绿素相对含量，Fv/Fm，Yield和qP均升高，说明酸雨提高了幼苗的叶绿素含量，增强秃瓣杜英幼苗的光合能力。
对各试验组幼苗组织生物量的测定可知：所有酸雨处理组地上部生物量均小于对照组，而根系生物量大于对照组，说明酸雨导致植物生物量重新分配，使秃瓣杜英幼苗根系更加健壮；根系通过吸收土壤中的矿质元素，使植物的生长效能提高，植物对环境胁迫的抵抗力增强，由此认为：秃瓣杜英具有一定的抗酸特性，即酸雨促进秃瓣杜英幼苗的生长，提高幼苗适应不良环境的能力。
氮是构成蛋白质的重要元素，对植物的光合作用起着重要的影响。研究发现：秃瓣杜英幼苗中氮元素主要存在于叶片，酸雨处理组叶片中氮质量分数均高于对照组，说明酸雨促进秃瓣杜英叶片对氮元素的吸收，有利于秃瓣杜英的光合作用，与WOOD等[31]在北美乔松Pinus strobus的模拟酸雨试验中发现pH 4.0以下的模拟酸雨可促进幼苗生长的结论一致，并指出是由于酸雨中硝酸根（NO3-）的施肥作用的效果，即酸雨处理后对秃瓣杜英幼苗起到一定的氮补给作用。磷、钾作为植物各种生理代谢活动的重要参与者，对植物同化力的形成非常重要。酸雨处理组茎、叶部磷钾质量分数均小于对照组，而重、中度酸雨处理组根部磷钾质量分数大于对照组，表明酸雨抑制秃瓣杜英茎、叶对磷钾元素吸收的同时促进根系对磷钾元素的吸收，这可能是导致酸雨处理组的地上部生物量小于对照组，而酸雨组根部生物量大于对照组的原因。镁是组成叶绿素的重要成分，对植物光合作用非常重要，酸雨组叶片镁质量分数均大于对照组，但酸雨组与对照组各器官中镁质量分数无显著差异，这与段小华等[32]研究模拟酸雨对茶树根茎和叶中镁含量没有明显影响的结果是一致的。
铜和锌是植物正常生长和发育所必需的元素，但土壤中过量的锌和铜会抑制植物的生长。LEVY等[33]报道称，植物中铜质量分数正常范围为3~30 mg·kg-1，锌为10~150 mg·kg-1；本试验发现：各组织中铜质量分数的变化为5.93~27.15 mg·kg-1，锌为6.12~177.16 mg·kg-1，说明铜没有对秃瓣杜英产生毒害，而是作为必要元素用以构成铜蛋白，参与植物光合作用和氮素代谢，提高了叶绿素的稳定性。重度酸雨处理后，植物中铜转移系数增大，说明叶片获得了更多铜元素，从而提高叶片叶绿素含量。相比之下，酸雨处理后秃瓣杜英幼苗叶片锌质量分数超出了正常范围，根部尽管属于正常范围内，但转移系数和富集系数均高于对照组，说明秃瓣杜英通过迅速转移根部的锌到地上部分来避免根系受到锌的毒害，秃瓣杜英在酸雨刺激下对重金属锌的忍耐作用得到了提高。王菊等[34]和严明理等[35]研究均发现：酸雨促进重金属的转移和释放，但地下部重金属含量较地上部多，与本研究结果相反，说明重金属的转移和释放不仅取决于酸雨pH值，可能还与植物本身有关。
综上所述：模拟酸雨处理秃瓣杜英幼苗后，幼苗没有受到酸雨的极度危害；随着酸雨pH值的降低，酸雨各叶绿素荧光参数有所增加，说明酸雨提高了秃瓣杜英幼苗的光合能力。幼苗对酸雨的忍耐性主要表现在：浇酸之后，酸雨进入土壤，受土壤本身理化特性的缓冲作用，未对根系造成直接危害；其中的氮元素被植物逐渐吸收，使得幼苗叶片氮质量分数增加。酸雨对土壤中某些元素的活化作用，使得酸雨处理增加了幼苗叶片镁元素和地上部铜元素，对植物生长有利。随着酸雨pH值的降低，秃瓣杜英幼苗地上部生物量积累下降，根系生物量积累增加，与对照组存在显著差异；其原因首先是叶片磷、钾元素的减少，对幼苗的新陈代谢造成影响，其次则可能是为避免锌对秃瓣杜英根系产生毒害，部分能量用于转移根系锌元素。这也是秃瓣杜英耐酸的一种机理，因此，今后可加强对秃瓣杜英耐酸性机制的研究。
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图 2 高清灰度图(A)、识别每个维管束的检测图(B)和利用局部聚类算法获得的二值化图(C)
Figure 2 HD grayscale image (A), detection image identifying each vascular bundle (B) and binarized image obtained using local clustering algorithm (C)
图 4 顺纹抗压强度与纤维鞘体积分数和维管束分布密度之间的分布规律
Figure 4 Distribution pattern between the compressive strength and the fiber volume fraction and distribution density of vascular bundles
表 1 顺纹抗压测试结果
Table 1. Test results of compressive strength
竹种 长径比 顺纹抗压强度 方差齐性
检验P单因素
ANOVA检验平均值/
MPa标准差/
MPa变异系
数/%F P 苦竹 1.0 71.64 ab 3.80 5.30 0.456 3.342 0.040 1.5 70.27 b 3.20 4.55 2.0 72.65 a 3.89 5.35 篌竹 1.0 74.57 a 8.02 10.76 0.989 0.239 0.788 1.5 74.01 a 7.68 10.38 2.0 73.19 a 7.59 10.37 水竹 1.0 67.09 a 5.75 8.57 0.776 0.222 0.801 1.5 67.78 a 6.01 8.87 2.0 67.01 a 5.12 7.64 早园竹 1.0 83.29 a 9.52 11.43 0.528 0.010 0.990 1.5 83.06 a 8.19 9.86 2.0 82.91 a 7.76 9.36 说明：不同小写字母表示同一竹种不同处理之间LSD检验差异显著(P＜0.05)。 
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表 2 4种小径级竹材长径比为2.0试样的维管束参数
Table 2. Vascular bundle parameters of four species of small diameter bamboo at the length-to-diameter ratio of 2.0
竹种 纤维鞘体积分数/% 维管束分布密度/(个·mm−2) 平均值 标准偏差 平均值 标准偏差 苦竹 34.61 2.18 7.94 0.73 篌竹 35.64 1.51 6.32 0.92 水竹 33.05 2.15 7.01 0.31 早园竹 34.65 5.53 5.77 1.07
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