玉米莖稈力學(xué)性狀的邊際效應(yīng)研究

丁山　張兆玉　楊錦忠　姜林平　韓偉　桑素平

摘要：以3個(gè)抗倒性不同的玉米品種為試材，分別設(shè)置施鉀處理，以不施鉀為對(duì)照，測(cè)定南起第1、3、5、7行玉米基部第三節(jié)間的抗彎折力、彎折功、截面慣性矩等力學(xué)性狀，以及纖維素等3種化學(xué)組分，并測(cè)定植株的產(chǎn)量性狀。結(jié)果表明：莖稈截面慣性矩、抗彎折力和彎折功的行序間差異達(dá)到統(tǒng)計(jì)顯著水平，行序的總貢獻(xiàn)率分別達(dá)到19.5%、27.5%和18.7%；鉀肥對(duì)截面慣性矩的作用達(dá)到統(tǒng)計(jì)顯著水平，總貢獻(xiàn)率為4.1%；品種對(duì)抗彎折力和彎折功的作用達(dá)到統(tǒng)計(jì)顯著水平，總貢獻(xiàn)率分別為5.5%和10.5%；行序?qū)︹浐孔饔每傌暙I(xiàn)率最大為9.9%并達(dá)到統(tǒng)計(jì)顯著水平；行序×鉀肥互作對(duì)纖維素含量的作用總貢獻(xiàn)率最大為12.6%并達(dá)到統(tǒng)計(jì)顯著水平；品種對(duì)木質(zhì)素含量作用總貢獻(xiàn)率為10.8%并達(dá)到統(tǒng)計(jì)顯著水平；產(chǎn)量性狀上，品種的作用占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，并達(dá)到統(tǒng)計(jì)顯著水平。綜之，隨行序的增大，玉米莖稈的力學(xué)性能下降，從第3行開始各性狀基本穩(wěn)定，所以，為保證莖稈力學(xué)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和對(duì)群體的代表性，玉米田間小區(qū)試驗(yàn)至少應(yīng)從第3行進(jìn)行取樣。

關(guān)鍵詞：玉米；邊際效應(yīng)；鉀肥；莖稈力學(xué)性狀；彎折功

中圖分類號(hào)：S513.01 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)號(hào)：A 文章編號(hào)：1001-4942（2018）11-0037-06

Study on Marginal Effect of Edge Properties of Maize Stalk

Ding Shan1， Zhang Zhaoyu1， Yang Jinzhong1， Jiang Linping2， Han Wei3， Sang Suping4

Abstract Three maize varieties with different lodging resistance were used as test materials. They were treated with potassium， and no potassium application was used as the control. The mechanical properties of bending resistance， bending work， moment of inertia in the third internode of maize base from the first， third， fifth， seventh rows from the south， and three kinds of chemical components such as cellulose were measured， and the yield characteristics of maize were also measured. The results showed the difference between the moment of inertia， bending force and bending work of stem section reached statistically significant level， and the total contribution rate of the row sequence reached 19.5%， 27.5% and 18.7%， respectively. The effect of potassium fertilizer on the moment of inertia was statistically significant with a total contribution rate of 4.1%. The effect of variety on bending force and bending work reached the statistically significant level with a total contribution rate of 5.5% and 10.5% respectively. The total contribution rate of the sequence to potassium content was 9.9% and reached a statistically significant level. The total contribution rate of interaction between row and K fertilizer to cellulose content was 12.6% and reached a statistically significant level. The total contribution rate of varieties to lignin content was 10.8% and reached a statistically significant level. In terms of yield traits， the role of variety was dominant and reached a statistically significant level. In conclusion， the mechanical properties of maize stalk decreased and the characters of the maize stalk were basically stable from the third lines with the increase of row order. In order to ensure the accuracy of stalk mechanical data and the representative of the population，at least the third lines could be sampled in the maize field plot test.

Keywords Maize； Edge effect； Potassium fertilizer； Mechanical properties of stalk； Bending work

邊際效應(yīng)是作物生長(zhǎng)過程中普遍存在的一種現(xiàn)象。作物邊際效應(yīng)是指作物群體的邊緣地帶由于輻射、通風(fēng)、養(yǎng)分等條件較作物群體內(nèi)優(yōu)越而產(chǎn)生的一種差異生長(zhǎng)現(xiàn)象。試驗(yàn)小區(qū)邊際效應(yīng)的存在對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性與精準(zhǔn)性產(chǎn)生一定影響。準(zhǔn)確把握邊行與群體中株行的差異，探索邊際效應(yīng)的影響范圍，可為玉米田間小區(qū)試驗(yàn)的布局設(shè)計(jì)與試驗(yàn)取樣分析提供理論基礎(chǔ)。

自Beecher提出邊際效應(yīng)（edge effect）的概念以來[1]，研究者對(duì)玉米、大豆、小麥、水稻和棉花等作物的邊際效應(yīng)進(jìn)行過大量研究。徐艷榮等[2]研究了同密度下7個(gè)玉米品種從邊1行至邊5行產(chǎn)量性狀的變化，顯示：從邊1行至邊5行單株產(chǎn)量、穗粒數(shù)、百粒重逐漸減少，不同品種三者隨邊行增加而遞減的速度不同，一般到邊3行時(shí)減速變緩；穗粒數(shù)的減少和百粒重的降低導(dǎo)致單株減產(chǎn)，前者是主因；邊際效應(yīng)較小的品種單株產(chǎn)量降低的主因是百粒重的降低?？紫辂惖萚3]對(duì)玉米品種試驗(yàn)小區(qū)各行實(shí)際產(chǎn)量與行的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行過曲線擬合，得出可用來評(píng)估小區(qū)邊際效應(yīng)的模擬曲線方程，可根據(jù)該方程提供的參數(shù)δ對(duì)小區(qū)邊際效應(yīng)進(jìn)行評(píng)估。王鐵固等[4]以品比試驗(yàn)中的10個(gè)玉米雜交組合為試材，對(duì)玉米產(chǎn)量邊際效應(yīng)曲線進(jìn)行擬合，同時(shí)對(duì)產(chǎn)量邊際效應(yīng)指數(shù)與玉米主要農(nóng)藝性狀進(jìn)行相關(guān)分析，得出：在選育耐密植玉米品種時(shí)，應(yīng)注重穗長(zhǎng)、穗粗、行粒數(shù)、出籽率等性狀的邊際效應(yīng)，可不考慮玉米穗行數(shù)的邊際效應(yīng)。

從以上研究看出，邊際效應(yīng)對(duì)玉米田間小區(qū)試驗(yàn)的邊行植株產(chǎn)生一定的生長(zhǎng)及產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì)，但試驗(yàn)取樣需從哪里開始才能代表群體植株的性狀，特別是玉米莖稈的力學(xué)性狀，目前尚未見到關(guān)于這方面的分析與報(bào)道。因此本試驗(yàn)以3個(gè)抗倒性不同的玉米品種為試材，分別設(shè)置施鉀處理，并通過測(cè)定玉米基部第3節(jié)間的抗彎折力、彎折功、截面慣性矩等力學(xué)性狀，以及纖維素等化學(xué)組分和植株的產(chǎn)量性狀，明確玉米田間小區(qū)試驗(yàn)各行莖稈力學(xué)性狀的變化，為確定代表性樣品采集的邊行距離提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2017年在青島農(nóng)業(yè)大學(xué)山東省膠州示范園進(jìn)行。前茬作物小麥。土壤為砂姜黑土。土壤理化性狀：pH值7.74，有機(jī)質(zhì)含量10.47 g/kg，堿解氮30.46 mg/kg，速效磷28.54 mg/kg，速效鉀117.47 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)材料

本研究采用抗倒性差別大的3個(gè)玉米品種，抗倒性從高到低依次為粒收1號(hào)、鄭單958、浚單20。供試種子全部來自育種單位。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與管理

設(shè)不施和施鉀2個(gè)水平，施鉀（K2O）量169.5 kg/hm2。采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，重復(fù)3次。不同區(qū)組呈南北排列，彼此之間有2 m寬間隔，以形成產(chǎn)生邊際效應(yīng)的條件。小區(qū)為10行區(qū)，區(qū)內(nèi)玉米東西行向種植，行長(zhǎng)6 m，行距60 cm，密度為9.0萬株/hm2。統(tǒng)一施肥量為N：240.0 kg/hm2；P2O5：129.0 kg/hm2。6月28日播種，10月17收獲。麥?zhǔn)蘸竺飧斯ぐ囱úシN，田間管理措施同當(dāng)?shù)匾话愦筇锷a(chǎn)。

1.4 測(cè)定項(xiàng)目與方法

行序從南邊第1行開始計(jì)數(shù)，分別記南1行為S1、南3行S3、南5行S5、南7行S7。每行選取長(zhǎng)勢(shì)一致的代表性植株3株，取莖稈基部第3節(jié)間測(cè)定幾何性狀和力學(xué)性狀。隨后樣品經(jīng)烘干、磨樣，進(jìn)行鉀、纖維素、木質(zhì)素含量測(cè)定。

（1）莖稈力學(xué)指標(biāo)

莖稈抗彎折力：將剝?nèi)ト~鞘后的玉米基部第3節(jié)間莖稈平行置于實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，以節(jié)間兩端作固定支點(diǎn)，距兩支點(diǎn)相同距離處用電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)以5 mm/min的勻速垂直向下壓至中點(diǎn)處被折斷，此時(shí)顯示的力即為對(duì)應(yīng)節(jié)間抗彎折力。

莖稈彎折功：玉米莖稈基部第3節(jié)間采用三點(diǎn)彎曲方法測(cè)試受力斷裂，在發(fā)生斷裂時(shí)的最大抗彎折力之前所有力與橫坐標(biāo)所圍成的面積總和為彎折功。

（2）莖稈化學(xué)組分含量

鉀含量測(cè)定[6]：用Optima 8000電感藕合等離子體發(fā)射光譜（ICP-AES）法測(cè)定。

纖維素、木質(zhì)素含量測(cè)定[7]：采用范式測(cè)定方法。

（3）產(chǎn)量性狀指標(biāo)

成熟時(shí)收獲整行植株，測(cè)定單株產(chǎn)量、籽粒含水率、穗粒數(shù)、千粒重。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

采用SAS 9.4軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析和多重比較。預(yù)分析表明邊行×鉀肥×品種互作未達(dá)到統(tǒng)計(jì)顯著水平（以下簡(jiǎn)稱顯著水平），故不再分析此項(xiàng)效應(yīng)。

各個(gè)因素的作用即為效應(yīng)大小，用因素的貢獻(xiàn)率表示，可以通過得到的方差分析結(jié)果進(jìn)行計(jì)算[8，9]。因素的總貢獻(xiàn)率為：

ω2=dfeffect×（MSeffect-MSerror）SStotal+MSerror；

因素的偏貢獻(xiàn)率為：

ω2p=dfeffect×（MSeffect-MSerror）dfeffect×MSeffect+（N-dfeffect ）×MSerror 。

式中，df表示自由度，MS表示均方，effect表示效應(yīng)項(xiàng)，error表示誤差項(xiàng)，total表示總變異。

總貢獻(xiàn)率表示某個(gè)因素的作用占總作用的比例，偏貢獻(xiàn)率表示某個(gè)因素的作用占總偏作用的比例。總作用包括模型其它因素的作用，總偏作用則不包括模型其它因素的作用。這兩種貢獻(xiàn)率從不同角度反映因素的作用大小情況，并且均是無量綱的純數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 玉米莖稈截面慣性矩

截面慣性矩是衡量截面抗彎能力的一個(gè)幾何參數(shù)，截面的抗彎和抗扭強(qiáng)度與相應(yīng)的截面慣性矩成正比。從表1中可以看出，行序間、施鉀處理間玉米莖稈的截面慣性矩P<0.01，存在極顯著差異；其它變異來源的P值均大于0.05，對(duì)截面慣性矩的作用不顯著。行序和鉀肥對(duì)莖稈截面慣性矩的總貢獻(xiàn)率分別為19.50%、4.09%，前者遠(yuǎn)大于后者，說明行序?qū)孛鎽T性矩影響更大。并且偏貢獻(xiàn)率也是如此。

由圖1可以看出，從邊行第1行到邊行第3行截面慣性矩的變化差異較大，邊3行到邊7行的截面慣性矩變化較小，不存在顯著差異。并且從圖中可以看出，施鉀處理的截面慣性矩均大于無鉀處理。所以，施用鉀肥可以增加玉米莖稈截面慣性矩，增強(qiáng)莖稈強(qiáng)度，提高抗倒伏能力。

2.2 玉米莖稈抗彎折力

莖稈抗彎折力是莖稈發(fā)生折斷前所能承受的最大抗彎折力，抗彎折力越大， 則抗折斷能力越強(qiáng)，植株抗倒伏能力越好。從表2中可以看出，行序間、品種間抗彎折力P<0.01，均存在極顯著差異，其它變異來源的P值大于0.05，對(duì)莖稈抗彎折力的作用不明顯。行序和品種對(duì)莖稈抗彎折力的總貢獻(xiàn)率分別為27.51%和5.46%，行序是品種的5倍之多，說明行序?qū)ηo稈抗彎折力產(chǎn)生顯著效應(yīng)。

從圖2可以看出，抗彎折力大小與玉米品種抗倒性相互對(duì)應(yīng)，抗彎折力從大到小依次為：粒收1號(hào)﹥鄭單958﹥浚單20。從邊行第1行到邊行第3行變化顯著，差異較大，邊3行到邊7行抗彎折力變化不顯著。

2.3 玉米莖稈彎折功

彎折功是反映莖稈結(jié)構(gòu)韌性的重要指標(biāo)之一，其數(shù)值越大，韌性越好；反之韌性越差。從表3中可以看出，彎折功與抗彎折力的方差分析結(jié)果相似，行序間、品種間彎折功P<0.01，存在極顯著差異，其它變異來源的P值均大于0.05，對(duì)莖稈彎折功的作用不明顯。但在總貢獻(xiàn)率上，行序和品種分別為18.69%和10.50%，與抗彎折力間比較，兩者對(duì)彎折功總貢獻(xiàn)率上的影響都較大。

由圖3可以看出，彎折功大小與玉米品種抗倒性也是相互對(duì)應(yīng)，彎折功從大到小依次為：粒收1號(hào)﹥鄭單958﹥浚單20。并且從邊行往群體內(nèi)部變化呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，邊行第3行之后變化不明顯。

2.4 玉米莖稈化學(xué)組分

玉米是需鉀較多的作物，鉀對(duì)玉米的正常生長(zhǎng)發(fā)育和抗倒伏起重要作用。玉米莖稈主要是由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素三種成分組成。纖維素、木質(zhì)素含量對(duì)壓碎強(qiáng)度表現(xiàn)為正效應(yīng)，纖維素在莖稈結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性中有重要作用，是玉米莖稈強(qiáng)度的主要承載物質(zhì)，木質(zhì)素作為粘結(jié)和填充物質(zhì)，使機(jī)械組織排列復(fù)雜，進(jìn)而增加莖稈抗壓強(qiáng)度。

從表4看出，行序、鉀肥和品種對(duì)鉀含量的作用均達(dá)到極顯著水平，而其它二者間的互作效應(yīng)則不顯著，并且三者對(duì)鉀含量的總貢獻(xiàn)率分別為9.86%、7.90%、7.91%，除行序略高外，其它兩者相似。纖維素含量，行序和行序×鉀肥互作對(duì)纖維素含量的作用達(dá)到顯著水平，其它均不顯著，且兩者對(duì)纖維素含量的總貢獻(xiàn)率分別為10.30%和12.59%，行序×鉀肥互作對(duì)纖維素含量的效應(yīng)略大。木質(zhì)素含量，只有品種對(duì)其作用達(dá)到顯著水平，總貢獻(xiàn)率為10.79%，其它因素對(duì)其的作用均未達(dá)到顯著水平。

2.5 玉米產(chǎn)量性狀

從表5中可知，對(duì)單株產(chǎn)量產(chǎn)生極顯著影響的為鉀肥、行序×鉀肥互作和品種，并且三者對(duì)單株產(chǎn)量的總貢獻(xiàn)率分別為5.14%、5.57%和51.41%，品種對(duì)單株產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鉀肥和行序×鉀肥互作，說明品種對(duì)單株產(chǎn)量產(chǎn)生極顯著效應(yīng)。千粒重上，品種和行序×品種互作對(duì)千粒重產(chǎn)生極顯著或顯著作用，兩者的總貢獻(xiàn)率分別為42.93%和6.54%，品種對(duì)千粒重的效應(yīng)最顯著。穗粒數(shù)上，鉀肥、品種和行序×鉀肥互作對(duì)穗粒數(shù)產(chǎn)生極顯著或顯著作用，并且三者對(duì)穗粒數(shù)的總貢獻(xiàn)率分別為13.20%、33.60%和6.06%，品種對(duì)穗粒數(shù)的效應(yīng)最大，鉀肥次之。

3 討論

3.1 彎折功有助于全面評(píng)價(jià)莖稈的力學(xué)性能

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)莖稈的力學(xué)性狀做了大量研究，所研究莖稈的力學(xué)特性主要包括莖稈外皮穿刺強(qiáng)度、壓碎強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度等。莖稈穿刺強(qiáng)度是評(píng)價(jià)莖稈表皮抗穿透能力的綜合指標(biāo)，其與莖稈抗倒伏能力具有高度的相關(guān)性[10-14]。莖稈壓碎強(qiáng)度是將莖稈近地面節(jié)段采回室內(nèi)，自然干燥，再用自動(dòng)水壓機(jī)垂直壓榨，測(cè)定使莖稈破碎時(shí)的壓力值[15]。勾玲等[10，16]研究表明，通過莖稈壓碎強(qiáng)度來評(píng)價(jià)莖稈的抗倒伏能力是有效和可靠的；并用WDW3020 型電子萬能試驗(yàn)機(jī)對(duì)不同抗倒性品種進(jìn)行懸臂梁彎曲試驗(yàn)，結(jié)果表明，莖稈最大抗彎應(yīng)力反映品種莖稈的抗折能力，而莖稈直徑不能作為評(píng)價(jià)莖稈抗彎強(qiáng)弱的主要指標(biāo)。除上述前人研究中提到的作物莖稈力學(xué)特性指標(biāo)以外，本研究仿照材料力學(xué)的方法，采用彎折功這一新指標(biāo)（它表示作物莖稈在塑性變形和斷裂過程中吸收能量的能力），其數(shù)值越大，韌性越好，則發(fā)生脆性斷裂的可能性越小。本研究發(fā)現(xiàn)，隨行序增加彎折功出現(xiàn)下降趨勢(shì)，第3行以后趨向穩(wěn)定。

3.2 利用因素效應(yīng)大小能夠?qū)ηo稈力學(xué)性狀的邊際效應(yīng)進(jìn)行更深入分析

前人研究發(fā)現(xiàn)多個(gè)因素對(duì)莖稈力學(xué)特性具有顯著影響，但沒有進(jìn)一步分析說明哪個(gè)因素作用更大。張芳魁等[17]研究結(jié)果表明，莖稈抗彎折力與雄穗主軸長(zhǎng)呈極顯著正相關(guān)，而與穗下生物鮮重、穗下莖稈長(zhǎng)和莖稈長(zhǎng)粗比等7個(gè)性狀均呈極顯著負(fù)相關(guān)。事實(shí)上，這種顯著性，無論其概率值多么小，僅僅具有統(tǒng)計(jì)意義，即只是表明某因素作用的存在，但是，無法提供作用大小的信息，不能反映因素作用的實(shí)質(zhì)重要性[18]。所以，統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)的顯著性無法提供不同因素重要性的信息，尤其是在它們擁有相同統(tǒng)計(jì)顯著性情形下的相對(duì)重要性。本研究在分析各因素時(shí)，通過計(jì)算因素的效應(yīng)大小（effect size）反映因素作用的實(shí)質(zhì)重要性，總貢獻(xiàn)率和偏貢獻(xiàn)率都是能夠反映效應(yīng)大小的指標(biāo)，偏貢獻(xiàn)率還可以用來比較不同研究的結(jié)果[8，9]。例如在本研究的彎折功上，行序和品種均對(duì)彎折功達(dá)到統(tǒng)計(jì)顯著水平，兩者的總貢獻(xiàn)率分別為18.69%和10.50%，顯然行序?qū)澱酃Φ挠绊懜黠@。因此，通過不同因素效應(yīng)大小比較，能夠提供關(guān)于因素作用的更深入認(rèn)識(shí)。

3.3 玉米莖稈力學(xué)性狀的綜合評(píng)價(jià)是發(fā)展方向

玉米倒伏是限制玉米高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)的重要因素之一，一直是前人研究的熱點(diǎn)問題，同時(shí)也是阻礙我國(guó)玉米機(jī)械化收獲發(fā)展進(jìn)程的關(guān)鍵。有研究表明，玉米的株高、穗位高、近地節(jié)間長(zhǎng)度、莖粗、單位莖節(jié)重量及莖稈的力學(xué)性狀等因素與莖倒有關(guān)[19]。對(duì)于玉米倒伏，本試驗(yàn)主要研究了玉米自身莖稈的力學(xué)性狀因素，除了玉米莖稈力學(xué)性狀對(duì)倒伏的顯著影響外，還應(yīng)考慮外界風(fēng)力環(huán)境。莖稈力學(xué)特性與外界風(fēng)力共同作用才能造成玉米倒伏，因此，我們課題組在前期定義并應(yīng)用抗倒指數(shù)[20]評(píng)價(jià)了種植密度的效應(yīng)?？沟怪笖?shù)計(jì)算公式：k=F0 /F，式中，F(xiàn)0為臨界彎折力，F(xiàn)為等效風(fēng)力，抗倒指數(shù)是一個(gè)無量綱的純數(shù)。臨界彎折力數(shù)值上等于本研究測(cè)定的抗彎折力，屬于玉米的“內(nèi)力”，等效風(fēng)力主要取決于風(fēng)力等級(jí)，以及植株葉面積及其高度的垂直分布，屬于玉米遭受的“外力”。要更加全面地認(rèn)識(shí)玉米莖稈力學(xué)性能，需要同時(shí)考慮內(nèi)外因素的綜合作用，這也是下一步莖稈力學(xué)性狀邊際效應(yīng)的研究方向。

4 結(jié)論

通過貢獻(xiàn)率大小比較，發(fā)現(xiàn)行序相較于鉀肥和品種對(duì)莖稈力學(xué)性狀的影響更大，隨行序的增大，莖稈的力學(xué)性能呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，到達(dá)第3行后各性狀基本穩(wěn)定。行序?qū)︹浐康挠绊懽饔米畲?，行序×鉀肥互作?duì)纖維素的影響作用更大，而木質(zhì)素只在品種上達(dá)到了統(tǒng)計(jì)顯著水平。參試品種的產(chǎn)量及其構(gòu)成因素，沒有表現(xiàn)明顯的邊際效應(yīng)，即行序效應(yīng)不顯著，而是品種作用占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，并達(dá)到統(tǒng)計(jì)顯著水平。玉米小區(qū)試驗(yàn)取樣至少應(yīng)從邊行往群體內(nèi)120 cm處進(jìn)行取樣，以保證玉米莖稈力學(xué)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和對(duì)群體的代表性。

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