小麥持風力及風力緩沖作用的研究

劉水利，宋瑜龍，李夠霞，王新剛，劉社農

(1.西北農林科技大學 場站管理中心，陜西楊凌 712100；2.西北農林科技大學 農學院，陜西楊凌 712100；3.西北農林科技大學水土保持研究所，陜西楊凌 712100)

小麥持風力及風力緩沖作用的研究

劉水利1，宋瑜龍2，李夠霞3，王新剛1，劉社農1

(1.西北農林科技大學 場站管理中心，陜西楊凌 712100；2.西北農林科技大學 農學院，陜西楊凌 712100；3.西北農林科技大學水土保持研究所，陜西楊凌 712100)

為了研究小麥的抗風倒能力，設計小麥持風力測驗儀，利用風洞提供風源，測試不同品種穗、旗葉和上部莖段的持風力差異，分析不同莖稈強度的品種對風力的緩沖效果。結果表明：旗葉的持風力與上部0.30 m長的莖段持風力相當，穗的持風力是旗葉持風力的2～3倍。穗長差超過0.02 m，其持風力差異顯著(P<0.05)。不同強度莖稈對風力緩沖效果不同，較小的莖稈強度品種‘周麥18’，對于強風(風速大于11 m/s)具有較大的緩沖效果，其抗倒風力與‘AT15’同為15 m/s。因此，穗的持風力是主要致倒力，莖稈強度較小的品種風力緩沖效果優于莖稈強度較大的品種。

小麥；穗；莖稈強度； 持風力；緩沖作用

倒伏不僅是小麥減產的重要原因，還是小麥高產的瓶頸。倒伏程度不同，最高減產幅度可達50%[1]左右，抗倒伏是小麥育種的主要目標之一[2]，倒伏還影響小麥的品質和機械收割。因此，研究小麥的抗倒性能對于抗倒栽培和抗倒育種都具有重要意義。

小麥倒伏的原因比較復雜。影響小麥倒伏既有自然因素，又有品種因素和栽培因素；倒伏類型既有莖倒伏又有根倒伏。矮稈是小麥抗倒的重要標志，研究[3-5]普遍認為：株高或重心高度與抗倒性高度相關。降低株高對于實現小麥產量由低產到高產的跨越有著重要作用。但是莖稈不是越低越好，莖稈過低會帶來抗旱性能降低，通風透光變差，病害嚴重等諸多負面效應[6-7]。選育超級高產小麥品種，在適宜莖稈高度條件下，必須提高小麥綜合抗倒性能。王勇等[4,6]提出抗倒指數的概念，開始較早利用株高，基部莖稈剛度，單莖質量等幾個重要因素綜合評價小麥抗倒性能。閔東紅等[8]研究了一些亞性狀對抗倒性的影響。袁志華等[9]還研究了小麥的風荷載。但是有關小麥持風力和莖稈對于風力緩沖作用的研究報道較少。風力是小麥致倒的主要外因，研究小麥持風力及不同強度莖稈對風力緩沖效果，對于提高小麥綜合抗倒性能具有一定的參考價值。

1 材料與方法

1.1 小麥持風力分析

氣流對受體作用力的大小，與受體的迎風面大小有關，受體迎風面積越大，持風力越大，受體迎風面積越小，持風力越小。小麥穗、莖、葉是持風力的主體，小麥穗、莖、葉的有效受力面影響其持風力大小。由于小麥群體密集莖稈的風障作用，氣流在小麥群體上層流速較快，中下層風速較小，因此穗、旗葉和穗下莖段是持風的主要部位，中下部莖、葉持風力也較小。小麥葉片和莖稈具有一定彈性，在風力作用下，有效持風面有一定變化。穗、莖、葉受風姿態的改變總是朝著受力減小的方向變化，這種變化使小麥對于風力具有一定的緩沖作用。緩沖作用的大小與莖稈強度有關，緩沖作用的結果不但減小了持風力，同時減小了作用力臂。小麥對風力的緩沖作用是小麥處于應激狀態的自我調整。

1.2 測定方法

1.2.1 持風力矩與抗倒風力 持風力矩和抗倒風力用自制的小麥莖稈力矩測量儀測量，風源風速由風洞試驗臺模擬提供，氣象條件：氣溫27 ℃，空氣相對濕度54%。小麥莖稈力矩測量儀其原理和結構如圖1。測量時將小麥莖稈插入測量儀的莖稈插孔內，若莖稈插入后間隙較大會影響測試結果，需進行蠟封固定。測量儀放置的軸向與風向垂直。

1.2.2 莖段強度和彎曲限度 將莖段一端插入小麥莖稈力矩測量儀的莖稈插孔內，在莖稈另一端的施力點上橫向施力，莖稈折曲的最大力矩為莖段強度，莖稈折曲時的最大偏轉角為莖段彎曲限度。

1.力矩表 Torque meter ；2.小麥莖稈 Wheat stalk；3. 風力方向 Wind direction；4.架體 Stent

1.3 試驗方法

1.3.1 試驗材料 試驗材料為‘周麥18’、‘小偃22’和‘AT15’的主莖或主莖莖段，取樣時間為小麥蠟熟期，取樣密度600×104～675×104hm-2。于2015年陜西楊凌國家小麥區域試驗點(東經108°4′，北緯34°16′)取樣。

1.3.2 穗莖葉持風力測驗 取穗下部莖長0.30 m，保留旗葉和穗，從莖稈的空腔內插入一根粗0.003 m，與莖段等長的鋼絲，測量莖稈直立時的穗莖葉持風力矩，去掉穗測量所得為莖葉持風力矩，去掉穗和旗葉葉片所得為莖的持風力矩。計算穗持風力矩、莖持風力矩和葉片持風力矩。重復3次，取平均值為觀測值。

旗葉持風力矩=莖葉持風力矩-莖持風力矩

穗持風力矩=穗莖葉持風力矩-莖葉持風力矩

1.3.3 不同穗長持風力矩測驗 測量部位、長度和處理方法同“1.3.2”，去除旗葉葉片。穗長設5個處理：0.08 m、0.07 m、0.06 m、0.05 m、0.04 m。穗長超出設計長度的用剪刀從頂部剪掉，每個小穗只保留基部3個籽粒，多余的籽粒從頂部用鑷子去掉，使穗質量控制在同一水平。測量比較莖稈直立時不同穗長的持風力矩，重復3次，觀測值為3次平均數。

1.3.4 不同強度莖稈抗倒性試驗 試驗材料為3種不同強度莖稈的品種，取莖稈高度為0.75 m，穗長均為0.08 m，穗質量控制方法同“1.3.3”，只保留旗葉葉片。測量時在莖稈前豎立1個高0.45 m的擋風板，莖稈上部露出0.30 m。記錄莖稈倒伏時的風速。取3次平均數為觀測值。

1.3.5 不同強度莖稈對風力緩沖效果試驗 試驗材料和測試方法同“1.3.4”，試驗風速為5個水平：5 m/s、 7 m/s、9 m/s、11 m/s、13 m/s。分別記錄3個品種不同處理下的株高、穗傾角和致倒力矩，取3次平均數為觀測值。穗傾角測量方法：用角度測量儀測量不同風速時穗的縱向軸線的傾斜角度。

2 結果與分析

2.1 穗莖葉持風力矩測驗分析

穗、莖、葉持風力矩測驗結果如表1。穗的持風力矩最大，冠莖的持風力矩次之，旗葉持風力矩最小，穗的持風力矩是旗葉與冠莖的2～3倍。不同品種間，穗持風力矩差異顯著，冠莖間和旗葉間持風力矩差異不顯著。說明穗差異是品種持風力差異產生的主要原因，穗持風力是致倒力的主要來源。

2.2 不同穗長持風力矩測驗分析

不同穗長持風力矩測驗結果如表2。3個小麥品種不同穗長之間差異顯著性結果一致，2個相鄰處理間差異不顯著，2個相間處理間差異顯著，即穗長相差0.01 m持風力矩差異不顯著，當穗長相差0.02 m以上時持風力矩差異顯著。

2.3 不同強度莖稈抗倒性試驗分析

由表3可知，品種‘AT15’莖稈強度最大，‘小偃22’次之，‘周麥18’莖稈強度較小。‘周麥18’莖稈彎曲限度最大，‘小偃22’次之，‘AT15’最小。3個不同品種抗倒風力均達15 m/s左右,最大致倒風力差異不顯著，莖稈強度較小、彎曲限度卻較大的品種‘周麥18’與莖稈強度較大、彎曲限度卻較小品種‘AT15’具有相同的抗倒性能。說明較大的莖稈彎曲限度能夠彌補莖稈強度的不足，莖稈彎曲限度是抗倒的重要因素。

表1 不同品種不同部位持風力矩

注：風速13 m/s，同列小寫字母不同表示差異顯著(P<0.05)。下同。

Note: The wind speed is 13 m/s,values within a column followed by different letters are significantly different(P<0.05). The same below.

表2 小麥不同穗長持風力矩

表3 不同小麥品種抗風倒性比較

注：Ⅰ.莖稈強度；Ⅱ.莖稈彎曲限度。

Note：Ⅰ.Stem strength；Ⅱ.Stem bending limit.

2.4 不同強度莖稈品種對風力緩沖效果分析

不同強度莖稈品種對不同風力緩沖效果測驗結果如表4。隨著風速增大3個品種致倒力矩表現不同的增加態勢。風速小于9 m/s，‘周麥18’的致倒力矩大于‘AT15’。風速大于11 m/s，‘周麥18’的致倒力矩小于‘AT15’。說明‘周麥18’對強風的緩沖效果大于‘AT15’。風速由5 m/s增加到13 m/s，‘周麥18’持風高度降低22.6%，而穗迎風角度減小88.8%，說明穗迎風角度減小是‘周麥18’對強風具有較好緩沖效果的主要原因。不同強度莖稈品種在不同大小風速作用下致倒力矩變化過程對比如圖2。

表4 不同強度莖稈對風力緩沖作用試驗

3 結論與討論

穗部的持風力矩是風力矩主要來源，較大穗長差異持風力矩差異顯著。由于小麥群體密集莖稈的風障作用，在小麥群體下部風的流速較小，上部流速較大。下部莖、葉持風力較小，產生的力矩也較小。上部的穗、莖、葉持風力較大，是風力作用的主要部位。穗的迎風面積和作用力臂大于冠莖和旗葉，穗的持風力矩是冠莖及旗葉的2～3倍，因此，穗的持風力矩是小麥風力矩主要來源。不同穗長持風力矩大小不同，穗長差異超過0.02 m，其持風力矩差異達顯著水平。

小麥對風力的緩沖作用大小與莖稈強度有關，強度較小的緩沖效果較大，強度較大的緩沖效果越小。風力矩主要來源于穗部的持風力矩，莖稈強度越小的，莖稈越易彎曲，莖稈彎曲度越大，穗的有效持風長度越小，穗部持風力矩越小，所以莖稈對風力矩的緩沖效果與莖稈強度有關。

圖2 不同風速下不同小麥品種持風力矩

莖稈強度較小的品種不一定抗倒性差。小麥致倒力矩是重力力矩與持風力矩之和。重力力矩隨著莖稈傾斜度的增加而增加。穗的持風力與穗部有效持風長度和風力大小有關，隨著風力增加，單位穗長持風力矩增加，隨著風力增加穗的傾斜度增加，穗的有效持風長度卻減小。較小風速時，莖稈強度較小的品種其致倒力矩大于莖稈強度較大的品種。當風力超過11 m/s，莖稈強度較小的品種致倒力矩反而小于莖稈強度較大的品種。小麥莖稈倒伏與否取決于莖稈強度與致倒力矩的對比，致倒力矩大于莖稈強度時倒伏發生，致倒力矩小于莖稈強度時倒伏不發生。有的品種莖稈強度雖然較小，較大風力時，產生的致倒力矩也較小，因此，不能簡單的用莖稈強度判定品種的抗倒性大小，莖稈強度較小的品種不一定抗倒性差。不同強度莖稈抗倒性試驗結果，‘周麥18’與‘AT15’具有相近的抗倒性，主要因為‘周麥18’的莖稈具有較大的彎曲限度，穗部可傾斜85°，具有較大彎曲限度的莖稈倒伏時傾斜程度大，傾斜程度越大風力緩沖作用越大。因此，在小麥育種中，注重加強莖稈彎曲限度的選擇，強度較小的莖稈也能獲得較好的抗倒性能。

小麥倒伏分為莖倒伏和根倒伏。對于根倒伏來說，品種抗性大小，主要取決于根系的錨定力大小[3]，適宜的莖稈強度和較大莖稈彎曲限度的品種，由于具有較好的風力緩沖效果和較小的致倒力矩，不論對于抗莖倒伏，還是抗根倒伏都是有利的。本試驗結果與莖稈強度越大抗倒性越強[2，4]的觀點并不矛盾。該試驗旨在分析不同莖稈強度對風力的緩沖效果，提高莖稈彎曲限度對于抗倒性的作用，探討提高小麥綜合抗倒力的方法。既有較大強度又有較大彎曲限度的莖稈，或是理想的抗倒類型。至于小麥莖稈彎曲限度與抗倒性的相關度，彎曲限度與莖稈強度關系，影響莖稈彎曲限度的因素等還有待于進一步研究。

小麥穗長是重要的經濟性狀，不可能采用減小穗長的辦法提高抗倒性。大穗品種產生的風力矩較大，若能加強莖稈彎曲限度的選擇，對于提高小麥綜合抗倒性能或有較好效果。

小麥穗的大小與穗長和穗寬有關，因穗長的變異范圍較大，本試驗處理的設計主要以穗長為主。小麥莖稈強度與密度和生育期有關，取樣密度600×104～675×104hm-2，是一般品種高產栽培密度[10-11]，蠟熟期是小麥穗期中時間最長的時期，楊凌是國家小麥重要育種基地，也是國家重要的小麥區域試驗點，該試驗設計具有一定的代表性。

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(責任編輯：成 敏 Responsible editor:CHENG Min)

Upright-keeping and Wind Cushioned Abilities of Wheat

LIU Shuili1,SONG Yulong2,LI Gouxia3,WANG Xingang1and LIU Shenong1

(1.Station Management Center,Northwest A&F University,Yangling Shaanxi 712100,China;2.College of Agronomy,Northwest A&F University,Yangling Shaanxi 712100,China;3.Institute of Soil and Water Conservation, Northwest A& F University, Yangling, Shaanxi 712100, China)

The wind-induced lodging of wheat is not only related to both of wind force and wheat ability of withstand wind. To study windthrow resistance of wheat,a wheat ability of withstand wind tester was designed in this study. The wind was supplied by wind tunnel,the ability of withstand wind of the spike,flag leaf and distal part of stem were tested in different cultivated varieties. In addition,the cushioning effect of different stalk strength on the wind was analyzed. The result showed that the ability of withstand wind of both flag leaf and its distal part of stem were about 0.30 m. The ability of withstand wind of spike was 2-3 times than that of flag leaf. The difference of the ability of withstand wind was significant (P<0.05),only when the difference of spike length would be more than 0.02 m. There were different cushioning effects on wind because of the different stalk strength.‘Zhoumai 18’ with a relatively small stalk strength performed larger of cushioning effect on strong wind (wind speed>11 m/s). Identical as ‘AT15’,the level of lodging resistance of ‘Zhoumai 18’ was 15 m/s. Therefore,the ability of withstand wind of spike was the main lodging ability of the wind. Cushion of the ability of withstand wind,stem strength smaiier varieties is superior to the stem strength larger varieties.

Wheat; Spike; Stalk Strength; The ability of withstand wind; Cushioning

LIU Shuili,male,agronomist. Research area:wheat breeding and agricultural mechanization research. E-mail:sui87083081@163.com

2016-04-12

2016-07-14

國家自然科學基金(31171611)；西北農林科技大學唐仲英育種基金(2015)。

劉水利，男，農藝師，從事小麥育種和農機化研究。E-mail:sui87083081@163.com

日期：2016-12-12

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1220.S.20161212.1114.014.html

S512.1

A

1004-1389(2016)12-1787-05

Received 2016-04-12 Returned 2016-07-14

Foundation item The National Science Foundation of China(No.31171611)；Tangzhouying Breeding Foundation of Northwest Agriculature and Forestry University(No.2015).