小麥莖稈典型彎曲形態(tài)模型致倒力分析

劉水利，宋瑜龍，高峰崗

(1.西北農(nóng)林科技大學 場站管理中心，陜西楊凌 712100；2西北農(nóng)林科技大學 農(nóng)學院，陜西楊凌 712100)

倒伏不僅是小麥高產(chǎn)的主要限制因素之一，也是小麥減產(chǎn)的重要原因，倒伏還影響小麥籽粒品質和機械收獲。小麥因倒伏一般減產(chǎn)20%～30%，倒伏越早減產(chǎn)幅度越大，最高減產(chǎn)可達40%左右[1-2]。據(jù)有關部門統(tǒng)計，中國每年因倒伏造成產(chǎn)量損失達20億kg?？沟狗仁切←溣N的主要目標，也是高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的重要保障。因此，深入研究小麥抗倒性能對于抗倒育種和抗倒栽培都具有重要意義。

在小麥高產(chǎn)進程中，特別是由低產(chǎn)到中產(chǎn)，中產(chǎn)到高產(chǎn)的跨越，矮桿抗倒新品種的應用起到顯著作用[3]。在黃淮麥區(qū)的育種實踐中，一般認為小麥株高在75～85 cm較為理想，莖稈過矮，會影響田間通風透光，病蟲害加重，株高雖然與抗倒性高度負相關，但株高既不是越低越好[4-5]，也不是決定抗倒性的唯一因素，前人大量研究肯定莖稈基部強度也是小麥抗倒伏特性的一個重要指標[6-8]。一般情況下，隨著莖稈強度的增加，其抗倒性能越強，但是莖稈強度也不是越大越好，莖稈強度過大則會出現(xiàn)分蘗力差和株型過于緊奏等問題。大穗是小麥的重要經(jīng)濟性狀，穗子越大受風面積越大，大穗與抗倒性具有顯著負效應。 總之，小麥倒伏的問題相當復雜，倒伏類型不但分為莖倒伏和根倒伏，倒伏的原因既有品種原因，也有栽培和土壤、氣象等原因。因此，要實現(xiàn)小麥高產(chǎn)和超高產(chǎn)，必須提高小麥的綜合抗倒性能。

小麥倒伏與否根本原因在于致倒力與抗倒性能的大小對比。小麥的抗倒性能主要包括株高、莖稈強度、穗子大小和莖稈彈性等。小麥的致倒力一般主要指質量重力和持風力。關于小麥倒伏性的研究，前人在莖稈高度[6-8]、機械強度[7-8]、解剖結構和生理特征[9-11]、以及抗倒評價[12-13]、抗倒遺傳[14]等方面做了廣泛深入研究，關于莖稈抗倒模型[15-17]方面也做了不少探討，這些模型主要是為抗倒性評價建立的用于計算抗倒指數(shù)的數(shù)學方程。本文不同的是模型為莖稈彎曲形態(tài)模型，根據(jù)實際觀察，分析不同莖稈彎曲形態(tài)模型中重力矩和風力矩大小及變化，依據(jù)綜合致倒力矩大小，篩選最佳抗倒模型，探討最佳抗倒模型彎曲特性，或可為小麥抗倒育種和抗倒栽培提供一定借鑒。

1 材料與方法

莖稈模型用樹脂薄壁硬質空心管制作，主要由管體、穗下節(jié)間和穗3部分膠粘而成。

1.1 試驗材料

體外徑4.0 mm，長度400 mm ，穗下節(jié)外徑2.5 mm，長度為300 mm，穗子為蠟熟期‘小偃22’麥穗，穗長80 mm，質量3.7 g，莖稈模型基本長度780 mm。設計不同長度處理時，可根據(jù)需要在基部加減，用管體內填充實物的辦法調整質量和質心高度，莖稈模型質量15 g，質心高度480 mm。制作莖稈彎曲形態(tài)模型時先在紙上按照曲線方程劃好模型圖形，對照所畫的曲線形狀加熱定型。試驗于2017-2018年在西北農(nóng)林科技大學農(nóng)作一站進行。

風源風速由風洞試驗臺模擬提供。測量時氣象條件：風速為2 m/s，風向偏東，氣溫為29 ℃，空氣相對濕度為51%。力矩測量方法同文獻[18]。將莖稈模型插入小麥持風力測量儀的插孔內，無風時測得為重力力矩，有風時測得為綜合致倒力矩(以下簡稱致倒力矩)。

力矩計算公式：

風力矩=綜合致倒力矩-質量重力矩

1.2 試驗方法

1.2.1 穗不同傾斜度持風力矩 莖稈模型直立， 穗傾斜度(與水平面夾角)處理設為7個，依次為：0°、15°、30°、45°、60°、75°和90°。不同穗長處理依次為：6 cm、8 cm和10 cm，風速定為13 m/s，取3次平均數(shù)為觀測值。

1.2.2 莖稈不同彎曲形態(tài)模型致倒力矩 風速設6個處理，依次為：無風(0 m/s)、4級和風(6 m/s)、5級勁風(9 m/s)、6級強風(12 m/s)、 7級疾風(15 m/s)、8級大風(18 m/s)。以莖稈最大彎曲曲率的部位不同，莖稈彎曲形態(tài)模型設為4個處理，如圖1。模型長度均為78 cm，莖稈彎曲形態(tài)模型處理Ⅰ：直立稈型；Ⅱ：上部橢圓弧彎曲型，曲線方程為x2/302+y2/602=1(x≤0,y≥0)，莖稈長度等于1/4橢圓弧長，焦點在Y軸上；Ⅲ：圓弧彎曲型，曲線方程為x2+y2=502 (x≤0,y≥0)，莖稈長度等于1/4圓弧長；Ⅳ：下部橢圓弧彎曲型，曲線方程為x2/602+y2/302=1 (x≤0,y≥0)，莖稈長度等于1/4橢圓弧長，焦點在X軸上。 取3次平均數(shù)為觀測值。

圖1 莖稈彎曲模型形態(tài)Fig.1 The form of stem bending models

1.2.3 小麥不同株高彎曲形態(tài)模型致倒力矩差異 不同株高處理設為5個，即：65 cm、70 cm、75 cm、80 cm和85 cm，每一長度分別制作4種彎曲形態(tài)模型，測定在風速為9 m/s 和15 m/s 時的致倒力矩。

2 結果與分析

2.1 穗不同傾斜度持風力矩試驗結果

測得不同穗長及不同傾斜度的模型在風速為13 m/s 情況下的持風力矩(表1)。結果表明，穗的持風力矩大小與其長度呈正相關，同時與傾斜度也呈正相關。穗傾斜度每差15°，其中10 cm穗長的持風力矩差異達極顯著水平；8 cm穗長的持風力矩差異達顯著水平；6 cm穗長的持風力矩除穗傾斜度75°與穗傾斜度90°差異不顯著外，其他傾斜度處理間均達到顯著水平。風速為13 m/s，穗傾斜度為0°時，穗持風力矩最小,且不同穗長之間持風力矩差異不顯著。此外，風速為13 m/s，除0°傾角外，不同穗長之間持風力矩差異均達極顯著水平。不同穗長與穗傾斜角持風力矩變化研究表明，穗傾斜度從0～60°，隨著穗傾斜度增加其持風力矩增速較快；穗傾角從60°～90°，隨著穗傾角增加而持風力矩增速變緩(圖2)。

2.2 小麥莖稈不同彎曲形態(tài)模型致倒力矩試驗結果

小麥莖稈彎曲形態(tài)模型致倒力矩試驗結果(表 2)表明，同一風速小麥不同模型處理間綜合致倒力矩差異均達極顯著水平，處理Ⅱ致倒力矩在不同風速時均最小。風速為6 m/s 和9 m/s 時處理Ⅳ致倒力矩最大，處理Ⅰ次之；風速為12 m/s、15 m/s 和18 m/s 時處理Ⅰ致倒力矩最大，處理Ⅳ次之；小麥不同莖稈彎曲形態(tài)模型各處理 間重力力矩差異也均達到極顯著水平，處理Ⅳ重力矩最大，處理Ⅲ次之，處理Ⅱ重力力矩大于處理Ⅰ，小于處理Ⅲ和Ⅳ。此外，小麥不同莖稈彎曲模型處理間風力矩差異結果表明，風速為18 m/s和 15m/s 時小麥不同莖稈彎曲模型處理間風力矩差異均達極顯著水平；風速為12 m/s 時達顯著水平，風速為9 m/s 和6 m/s 時，處理Ⅰ與Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ差異極顯著，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ間差異不顯著。

表1 小麥穗彎曲度致倒力矩檢測Table 1 The lodging moment tested in different bending degree of wheat spike

注：小寫字母不同表示差異顯著(P<0.05),大寫字母不同表示差異極顯著(P<0.01)。下表同。風速13 m/s。

Note:Different lowercase letters showd significant difference (P<0.05 ),meanwhile different uppercase letters indicated a extremely significant difference (P<0.01).The same below.At a wind speed of 13 m/s.

圖2 3種穗長下不同傾斜度風力矩變化趨勢Fig.2 Varation trend of wind torque at differnt inclinations in wheat spike

表2 小麥莖稈彎曲形態(tài)模型致倒力矩檢測Table 2 The lodging moment tested in different wheat stalk bending models

注Note:WM.Wind moment abbreviated； RM.Resultant moment abbreviated.

2.3 小麥不同株高模型致倒力矩差異

由表3可知，在風速9 m/s 和15 m/s 時，彎曲形態(tài)模型Ⅰ和Ⅳ不同株高處理間致倒力矩差異均極顯著；彎曲形態(tài)模型Ⅲ不同株高處理間致倒力矩差異均顯著；彎曲形態(tài)模型Ⅱ，在風速9 m/s 時，株高相差5 cm致倒力矩差異不顯著，株高相差10 cm致倒力矩差異顯著。模型Ⅰ在風速9 m/s 和15 m/s 時不同株高處理間致倒力矩差異顯著。根據(jù)莖稈彎曲形態(tài)模型曲線方程計算，莖稈長度每增加5 cm，不同彎曲形態(tài)模型處理重力臂有效長增加值不同，處理Ⅱ增加0.3 cm，處理Ⅲ增加2.1 cm，處理Ⅳ增加3.4 cm。

3 結論與討論

小麥穗不同傾斜度和長度持風力差異顯著。小麥穗具有較大的受風面積和較長的作用力臂，是風力矩的主要來源。大穗是小麥的重要經(jīng)濟性狀，一般大穗與單穗產(chǎn)量呈正相關，是育種的選擇目標。盡可能地降低穗的傾斜度，減小穗的受風面積是提高小麥抗倒性的有效方法，特別是穗傾角在60°之前的控制對于減小持風力效果更佳。

本研究中，曲線方程為x2/302+y2/602=1(x≤0,y≥0)的上部橢圓弧彎曲型在不同風速和不同莖稈長度中與其他模型比較持風力矩和重力矩差異顯著，綜合致倒力矩最小，為最佳抗倒模型。小麥倒伏與否，根本在于致倒力與抗倒力的 大小對比，有效降低致倒力與提高抗倒性具有同等效用。當穗的傾斜度為0° 時，不同穗長的有效受風面積等于其橫截面積。上部橢圓弧彎曲型最大限度地控制了穗的傾斜度，穗的持風力最小，又較好地控制了重力力臂有效長度，重力力矩較小，所以綜合致倒力矩最小。曲線方程x2+y2=492 (x≤0,y≥0)的圓弧彎曲型雖然綜合致倒力矩大于上部橢圓弧彎曲型，卻小于下部橢圓弧彎曲型和直立稈型，且致倒力矩差異極顯著。綜上分析比較：上部橢圓弧彎曲型為最佳抗倒模型，圓弧彎曲模型為次佳抗倒模型。

表3 小麥不同株高彎曲形態(tài)模型致倒力矩檢測Table 3 The lodging moment tested in different plant height stalk bending models

以最佳抗倒模型或次佳抗倒模型的莖稈彎曲形狀作參照，在小麥抗倒育種中，田間選擇相似于本模型的植株產(chǎn)生的綜合致倒力矩較小，既有利于抗莖倒伏，也有利于抗根倒伏。作為抗倒評價與數(shù)學方程模型比較雖然不夠具體，卻具有綜合的性質和簡單實用的特點。每年5月份氣溫上升較快，氣壓不穩(wěn)定，5、6級風力的強對流天氣時有發(fā)生，局部還可能出現(xiàn)7、8級風力的雷暴天氣。本研究在陜西省楊凌區(qū)進行(E：108°4′，N：34°16′)，據(jù)近10 a氣象資料統(tǒng)計，5月份5級以上風3 a發(fā)生4次，其中雷暴天氣2次。本試驗風源風速設計為4～8級5個有效處理，對于黃淮麥區(qū)和北部冬麥區(qū)都具有一定參考價值，但未考慮雨水重力的致倒作用。

本研究中的莖稈彎曲形態(tài)模型來自于一勻質彈性圓環(huán)的變形，莖稈長度為圓環(huán)周長的1/4。將圓環(huán)從左右兩側同時向內擠壓，當長半軸2倍于短半軸時，得上部橢圓弧彎曲模型；將圓環(huán)從左右兩側同時向外拉至長半軸2倍于短半軸時，得下部橢圓弧彎曲模型；當長半軸等于短半軸時為圓弧彎曲模型。受多因素影響，小麥莖稈在風中實際彎曲形態(tài)不但多姿多樣，而且并不很規(guī)則，但總會與其中一種模型相似。小麥莖稈在風中實際彎曲形態(tài)可視為該模型的過渡形態(tài)，也可視為莖稈倒伏前臨界形態(tài)。因此，該模型雖然具有典型性，但也具有一定代表性。小麥彎曲形態(tài)與其強度和彈性有關，根據(jù)不同模型的最大曲率部位初步推測：上部橢圓弧彎曲型莖稈上部強度較小，莖稈下部強度較大；圓弧彎曲型從上至下莖稈強度均勻減??；下部橢圓弧彎曲型莖稈強度上部與下部比較，差異應該較小。各模型處理的莖稈應該都具有較好彈性。本研究再次驗證莖稈下部強度與抗倒性呈正相關，莖稈上部彎曲度也與抗倒性呈正相關。至于不同節(jié)間強度和彈性大小對彎曲形態(tài)的影響，問題比較復雜，有待以后進一步研究。