套作大豆共生后期彎曲力學(xué)特性的研究

楊 錦，楊 歡，涂婭欣，王 瑞，張黎驊*，楊文鈺*

（1四川農(nóng)業(yè)大學(xué)機電學(xué)院，雅安625014；2四川農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，成都611130）

大豆是我國重要的糧食和經(jīng)濟作物，隨著國內(nèi)需求不斷增加和種植面積逐年減少，供需矛盾日益加重。近年來，間套作大豆種植得到了充分發(fā)展，成為增加大豆總產(chǎn)量的有效途徑，為緩解我國大豆供需矛盾提供了新方法，同時也對我國大豆產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起到了很大的推動作用［1］。在套作模式下，大豆苗期與玉米共生，大豆屬于低位作物，受高桿作物玉米的影響，大豆處于弱光照強度狀態(tài)，導(dǎo)致莖稈變得細長，主莖柔弱，容易倒伏，產(chǎn)量下降［2］?？沟狗允且粋€由多種性狀構(gòu)成的綜合性狀，其中莖稈的強韌度占最重要的地位。為增強套作大豆莖稈的抗倒伏性，實現(xiàn)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，國內(nèi)外學(xué)者進行了廣泛深入的研究。鄧榆川等［3］研究了套作大豆苗期莖稈纖維素合成代謝與抗倒性的關(guān)系，探明了光環(huán)境對不同基因型大豆莖稈纖維素代謝的影響機制。劉衛(wèi)國等［4］建立了套作大豆苗期抗倒伏性的評價方法，提出由植株主莖長、莖粗、莖稈抗折力和地上部生物量4個因子來反應(yīng)抗倒性。向達兵等［5］研究了磷鉀營養(yǎng)對套作大豆莖稈形態(tài)和抗倒性的影響。羅玲等［6］對莖稈形態(tài)、解剖結(jié)構(gòu)、赤霉素含量、赤霉素代謝相關(guān)基因表達等進行了分析，發(fā)現(xiàn)在套作模式下，莖稈的內(nèi)源赤霉素GA4含量較低，會抑制大豆節(jié)間過度伸長，減少倒伏發(fā)生。目前，針對玉米-大豆套作體系，國內(nèi)外對大豆苗期的抗倒伏性都是從農(nóng)藝的角度來研究的，還未見從莖稈的彎曲力學(xué)特性方面來解釋。本試驗以耐陰型‘南豆12’和不耐陰型‘C103’兩個品種為試材，對大豆莖稈的彎曲力學(xué)特性進行研究，并測定莖稈的各項指標(biāo)，分析比較單作和套作模式下2個大豆品種莖稈的慣性矩、彈性模量、抗彎剛度之間的關(guān)系，以期得出莖稈的彎曲力學(xué)特性與作物抗倒伏的關(guān)系，為篩選合適的套作大豆品種提供相應(yīng)的生物力學(xué)性能指標(biāo)。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗材料為四川農(nóng)業(yè)大學(xué)仁壽現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研發(fā)生產(chǎn)基地種植的耐陰型‘南豆12’和不耐陰型‘C103’2個大豆品種。其中，‘南豆12’為西南地區(qū)套作的耐陰抗倒性大豆主推品種。

1.2 方法

試驗于2016年8月14日開始，在大豆玉米共同生長期，即大豆的V6期，從田間隨機選取兩個品種單作及套作模式下長勢一致、沒有蟲害、株高及主莖均勻的植株各15株。采集當(dāng)天在實驗室里挑選莖稈完好且節(jié)間長較長的莖稈，去除莖稈葉鞘，分節(jié)間切割好并貼上標(biāo)簽，節(jié)間序號從地面起始向上取1—5節(jié)。用游標(biāo)卡尺量取節(jié)間長l1—l5、相應(yīng)外徑D1—D5、壁厚t1—t5。

因大豆莖稈為空心截面圓管，其截面對中性軸的慣性矩 I計算公式［7］為：中：D為莖稈外徑；t為莖稈壁厚。

在WDW-05型微機控制電子萬能試驗機上進行彎曲力學(xué)性能試驗，將力位移傳感器的加載速度設(shè)置為10 mm/min，計算機通過力位移傳感器采集數(shù)據(jù)，并繪制出如圖2所示的莖稈彎曲的實時載荷撓度曲線。在圖2中，A點為力位移傳感器正好接觸莖稈開始試驗，隨著試驗進行，莖稈開始發(fā)生彈性形變，到達B點后彈性形變階段結(jié)束，塑性形變階段開始。通過觀察曲線發(fā)現(xiàn)，在C點時載荷迅速降低，此時試樣斷裂立即停止試驗。對載荷撓度曲線上的彈性變形階段AB進行線性擬合，利用公式求出大豆莖稈的彈性模量 E［8-16］。

圖1 三點彎曲試驗示意圖Fig.1 Sketchmap of three-point bending experiment

圖2 莖稈彎曲試驗實時載荷撓度曲線圖Fig.2 Curve diagram of real-time load deflection in the stem bending experiment

2 結(jié)果與分析

2.1 單作和套作模式下不同大豆品種莖稈生長特性的變化

如表1所示：在單作模式下，‘南豆12’的第一、二節(jié)節(jié)間長明顯大于第三、四、五節(jié)，各節(jié)間外徑和壁厚差異不明顯；‘C103’節(jié)間長、外徑以及壁厚隨節(jié)間順序增大變化趨勢不明顯，但‘南豆12’的第一、二節(jié)節(jié)間長明顯大于‘C103’的第一、二節(jié)節(jié)間長，而‘C103’各節(jié)間的外徑和壁厚值均稍高于‘南豆12’。在套作模式下，‘南豆12’和‘C103’的節(jié)間長、外徑和壁厚在各節(jié)間的變化趨勢與單作模式基本相同，但各節(jié)間的長度明顯大于單作模式，而外徑和壁厚值明顯降低。以上結(jié)果說明套作模式下各品種的莖稈變得細長，主莖變得柔弱，易發(fā)生倒伏。

表1 兩種種植模式下不同大豆品種莖稈的各項指標(biāo)測定值Table 1 Themeasured values of each index of different soybean varieties’stem under two p lanting modes

2.2 單作和套作模式下不同大豆品種莖稈生物力學(xué)性能的變化

根據(jù)表1的測定數(shù)據(jù)，利用公式計算各品種莖稈的慣性矩ˉI、彈性模量ˉE和抗彎剛度ˉEˉI（ˉE×ˉI）。

由圖3可見，在單作和套作模式下，‘C103’莖稈前四節(jié)節(jié)間的慣性矩均大于‘南豆12’。在套作模式下，‘C103’的慣性矩由低位節(jié)向高位節(jié)有下降趨勢，而‘南豆12’變化幅度不大；表明套作模式下大豆莖稈的慣性矩明顯小于單作模式。

圖3 慣性矩沿節(jié)間的變化Fig.3 The change of inertia moment along the internode

由圖4可見，在兩種種植模式下，‘南豆12’和‘C103’的彈性模量均為第一節(jié)間最大，且由低位節(jié)向高位節(jié)遞減，低部節(jié)間彈性模量較大，有利于抗倒伏?！隙?2’在套作模式下的彈性模量明顯高于‘C103’，在單作模式下前三節(jié)節(jié)間的彈性模量高于‘C103’，而第四節(jié)和第五節(jié)相差不大。此結(jié)果表明，套作模式下兩個品種莖稈的彈性模量均明顯大于單作模式。

由圖5可以看出，‘南豆12’和‘C103’在單作和套作模式下，莖稈在第一節(jié)間具有最大抗彎剛度且抗彎剛度由低位節(jié)向高位節(jié)呈下降趨勢，這可能是由于莖稈底部木質(zhì)化嚴重造成的，隨著木質(zhì)化程度減小，抗彎剛度減小?！隙?2’的抗彎剛度在單作模式下明顯小于‘C103’，但在套作模式下明顯大于‘C103’?！瓹103’在單作模式下莖稈的抗彎剛度明顯大于套作模式，而‘南豆12’在兩種種植模式下的抗彎剛度差異不大。

圖4 彈性模量沿節(jié)間的變化Fig.4 The change of elasticmodulus along the internode

圖5 抗彎剛度沿節(jié)間的變化Fig.5 The change of bending rigidity along the internode

3 結(jié)論與討論

3.1 在玉米-大豆套作種植模式中，玉米與大豆以2∶2的行比相間種植，大豆所處的光環(huán)境與單作大豆不同，從而影響其形態(tài)建成和產(chǎn)量形成。大豆苗期與玉米共生，玉米遮陰使得苗期大豆所處的光環(huán)境與自然光相比，總有效光合輻射降低，遠紅光的比例增加，使苗期大豆出現(xiàn)典型的避蔭反應(yīng)［17］，即節(jié)間伸長、主莖節(jié)數(shù)減少等現(xiàn)象。但不同大豆材料表現(xiàn)出的避蔭反應(yīng)程度存在顯著差異。前人研究表明，植株過高，莖稈細長柔弱，易倒伏，不利于產(chǎn)量形成［18-19］。篩選耐陰型大豆品種，有利于提高套作大豆產(chǎn)量，而通過測定莖稈的生物力學(xué)特性，可為篩選及選育耐陰型大豆品種提供一定參考。

3.2 由于大豆莖稈是不規(guī)則的圓柱形，節(jié)間處直徑較大而中部較小，因此，測量莖稈外徑時應(yīng)分別測量每一節(jié)間的最大外徑和最小外徑，并求其平均值作為該節(jié)間的外徑；壁厚同理。同時，考慮植株倒伏主要受下部莖稈的影響，故第五節(jié)間后的莖稈不做試驗。本研究表明：套作模式下，兩個品種各節(jié)間的長度明顯增加，而外徑及壁厚值明顯降低。套作模式下大豆莖稈的慣性矩明顯小于單作模式，而彈性模量明顯大于單作模式。彈性模量均在第一節(jié)間最大，且由低位節(jié)向高位節(jié)遞減。

3.3 莖稈的抗彎剛度為慣性矩與彈性模量的乘積，決定了大豆莖稈的抗彎曲能力，即大豆的抗倒伏能力。‘南豆12’在兩種種植模式下抗彎剛度變化均較‘C103’小，故‘南豆12’在套作模式下具有較好的抗倒伏能力，且明顯強于‘C103’，適合于玉米-大豆套作模式下種植。這與鄒俊林等［20］得出的試驗結(jié)果一致，進一步證明了‘南豆12’的耐陰抗倒伏優(yōu)良特性。

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