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(xué) 場(chǎng)站管理中心，陜西楊凌 712100；2西北農(nóng)林科技大學(xué) 農(nóng)學(xué)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(zhì)和機(jī)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(dá)40%左右[1-2]。據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計(jì)，中國(guó)每年因倒伏造成產(chǎn)量損失達(dá)20億kg。抗倒伏既是小麥育種的主要目標(biāo)，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(duì)于抗倒育種和抗倒栽培都具有重要意義。

在小麥高產(chǎn)進(jìn)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(yīng)用起到顯著作用[3]。在黃淮麥區(qū)的育種實(shí)踐中，一般認(rèn)為小麥株高在75～85 cm較為理想，莖稈過(guò)矮，會(huì)影響田間通風(fēng)透光，病蟲害加重，株高雖然與抗倒性高度負(fù)相關(guān)，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(qiáng)度也是小麥抗倒伏特性的一個(gè)重要指標(biāo)[6-8]。一般情況下，隨著莖稈強(qiáng)度的增加，其抗倒性能越強(qiáng)，但是莖稈強(qiáng)度也不是越大越好，莖稈強(qiáng)度過(guò)大則會(huì)出現(xiàn)分蘗力差和株型過(guò)于緊奏等問(wèn)題。大穗是小麥的重要經(jīng)濟(jì)性狀，穗子越大受風(fēng)面積越大，大穗與抗倒性具有顯著負(fù)效應(yīng)。 總之，小麥倒伏的問(wèn)題相當(dāng)復(fù)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(shí)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(duì)比。小麥的抗倒性能主要包括株高、莖稈強(qiáng)度、穗子大小和莖稈彈性等。小麥的致倒力一般主要指質(zhì)量重力和持風(fēng)力。關(guān)于小麥倒伏性的研究，前人在莖稈高度[6-8]、機(jī)械強(qiáng)度[7-8]、解剖結(jié)構(gòu)和生理特征[9-11]、以及抗倒評(píng)價(jià)[12-13]、抗倒遺傳[14]等方面做了廣泛深入研究，關(guān)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(píng)價(jià)建立的用于計(jì)算抗倒指數(shù)的數(shù)學(xué)方程。本文不同的是模型為莖稈彎曲形態(tài)模型，根據(jù)實(shí)際觀察，分析不同莖稈彎曲形態(tài)模型中重力矩和風(fēng)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(shù)脂薄壁硬質(zhì)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(yàn)材料

體外徑4.0 mm，長(zhǎng)度400 mm ，穗下節(jié)外徑2.5 mm，長(zhǎng)度為300 mm，穗子為蠟熟期‘小偃22’麥穗，穗長(zhǎng)80 mm，質(zhì)量3.7 g，莖稈模型基本長(zhǎng)度780 mm。設(shè)計(jì)不同長(zhǎng)度處理時(shí)，可根據(jù)需要在基部加減，用管體內(nèi)填充實(shí)物的辦法調(diào)整質(zhì)量和質(zhì)心高度，莖稈模型質(zhì)量15 g，質(zhì)心高度480 mm。制作莖稈彎曲形態(tài)模型時(shí)先在紙上按照曲線方程劃好模型圖形，對(duì)照所畫的曲線形狀加熱定型。試驗(yàn)于2017-2018年在西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)作一站進(jìn)行。

風(fēng)源風(fēng)速由風(fēng)洞試驗(yàn)臺(tái)模擬提供。測(cè)量時(shí)氣象條件：風(fēng)速為2 m/s，風(fēng)向偏東，氣溫為29 ℃，空氣相對(duì)濕度為51%。力矩測(cè)量方法同文獻(xiàn)[18]。將莖稈模型插入小麥持風(fēng)力測(cè)量?jī)x的插孔內(nèi)，無(wú)風(fēng)時(shí)測(cè)得為重力力矩，有風(fēng)時(shí)測(cè)得為綜合致倒力矩(以下簡(jiǎn)稱致倒力矩)。

力矩計(jì)算公式：

風(fēng)力矩=綜合致倒力矩-質(zhì)量重力矩

1.2 試驗(yàn)方法

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

1.2.2 莖稈不同彎曲形態(tài)模型致倒力矩 風(fēng)速設(shè)6個(gè)處理，依次為：無(wú)風(fēng)(0 m/s)、4級(jí)和風(fēng)(6 m/s)、5級(jí)勁風(fēng)(9 m/s)、6級(jí)強(qiáng)風(fēng)(12 m/s)、 7級(jí)疾風(fēng)(15 m/s)、8級(jí)大風(fēng)(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(shè)為4個(gè)處理，如圖1。模型長(zhǎng)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(zhǎng)度等于1/4橢圓弧長(zhǎng)，焦點(diǎn)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(zhǎng)度等于1/4圓弧長(zhǎng)；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(zhǎng)度等于1/4橢圓弧長(zhǎng)，焦點(diǎn)在X軸上。 取3次平均數(shù)為觀測(cè)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(shè)為5個(gè)，即：65 cm、70 cm、75 cm、80 cm和85 cm，每一長(zhǎng)度分別制作4種彎曲形態(tài)模型，測(cè)定在風(fēng)速為9 m/s 和15 m/s 時(shí)的致倒力矩。

2 結(jié)果與分析

2.1 穗不同傾斜度持風(fēng)力矩試驗(yàn)結(jié)果

測(cè)得不同穗長(zhǎng)及不同傾斜度的模型在風(fēng)速為13 m/s 情況下的持風(fēng)力矩(表1)。結(jié)果表明，穗的持風(fēng)力矩大小與其長(zhǎng)度呈正相關(guān)，同時(shí)與傾斜度也呈正相關(guān)。穗傾斜度每差15°，其中10 cm穗長(zhǎng)的持風(fēng)力矩差異達(dá)極顯著水平；8 cm穗長(zhǎng)的持風(fēng)力矩差異達(dá)顯著水平；6 cm穗長(zhǎng)的持風(fēng)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(dá)到顯著水平。風(fēng)速為13 m/s，穗傾斜度為0°時(shí)，穗持風(fēng)力矩最小,且不同穗長(zhǎng)之間持風(fēng)力矩差異不顯著。此外，風(fēng)速為13 m/s，除0°傾角外，不同穗長(zhǎng)之間持風(fēng)力矩差異均達(dá)極顯著水平。不同穗長(zhǎng)與穗傾斜角持風(fēng)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(fēng)力矩增速較快；穗傾角從60°～90°，隨著穗傾角增加而持風(fēng)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(yàn)結(jié)果

小麥莖稈彎曲形態(tài)模型致倒力矩試驗(yàn)結(jié)果(表 2)表明，同一風(fēng)速小麥不同模型處理間綜合致倒力矩差異均達(dá)極顯著水平，處理Ⅱ致倒力矩在不同風(fēng)速時(shí)均最小。風(fēng)速為6 m/s 和9 m/s 時(shí)處理Ⅳ致倒力矩最大，處理Ⅰ次之；風(fēng)速為12 m/s、15 m/s 和18 m/s 時(shí)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(dá)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(fēng)力矩差異結(jié)果表明，風(fēng)速為18 m/s和 15m/s 時(shí)小麥不同莖稈彎曲模型處理間風(fēng)力矩差異均達(dá)極顯著水平；風(fēng)速為12 m/s 時(shí)達(dá)顯著水平，風(fēng)速為9 m/s 和6 m/s 時(shí)，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(cè)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(fēng)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(zhǎng)下不同傾斜度風(fēng)力矩變化趨勢(shì)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(cè)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(fēng)速9 m/s 和15 m/s 時(shí)，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(fēng)速9 m/s 時(shí)，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(fēng)速9 m/s 和15 m/s 時(shí)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(jì)算，莖稈長(zhǎng)度每增加5 cm，不同彎曲形態(tài)模型處理重力臂有效長(zhǎng)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(jié)論與討論

小麥穗不同傾斜度和長(zhǎng)度持風(fēng)力差異顯著。小麥穗具有較大的受風(fēng)面積和較長(zhǎng)的作用力臂，是風(fēng)力矩的主要來(lái)源。大穗是小麥的重要經(jīng)濟(jì)性狀，一般大穗與單穗產(chǎn)量呈正相關(guān)，是育種的選擇目標(biāo)。盡可能地降低穗的傾斜度，減小穗的受風(fēng)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(duì)于減小持風(fēng)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(fēng)速和不同莖稈長(zhǎng)度中與其他模型比較持風(fēng)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(duì)比，有效降低致倒力與提高抗倒性具有同等效用。當(dāng)穗的傾斜度為0° 時(shí)，不同穗長(zhǎng)的有效受風(fēng)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(fēng)力最小，又較好地控制了重力力臂有效長(zhǎng)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(cè)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(píng)價(jià)與數(shù)學(xué)方程模型比較雖然不夠具體，卻具有綜合的性質(zhì)和簡(jiǎn)單實(shí)用的特點(diǎn)。每年5月份氣溫上升較快，氣壓不穩(wěn)定，5、6級(jí)風(fēng)力的強(qiáng)對(duì)流天氣時(shí)有發(fā)生，局部還可能出現(xiàn)7、8級(jí)風(fēng)力的雷暴天氣。本研究在陜西省楊凌區(qū)進(jìn)行(E：108°4′，N：34°16′)，據(jù)近10 a氣象資料統(tǒng)計(jì)，5月份5級(jí)以上風(fēng)3 a發(fā)生4次，其中雷暴天氣2次。本試驗(yàn)風(fēng)源風(fēng)速設(shè)計(jì)為4～8級(jí)5個(gè)有效處理，對(duì)于黃淮麥區(qū)和北部冬麥區(qū)都具有一定參考價(jià)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(lái)自于一勻質(zhì)彈性圓環(huán)的變形，莖稈長(zhǎng)度為圓環(huán)周長(zhǎng)的1/4。將圓環(huán)從左右兩側(cè)同時(shí)向內(nèi)擠壓，當(dāng)長(zhǎng)半軸2倍于短半軸時(shí)，得上部橢圓弧彎曲模型；將圓環(huán)從左右兩側(cè)同時(shí)向外拉至長(zhǎng)半軸2倍于短半軸時(shí)，得下部橢圓弧彎曲模型；當(dāng)長(zhǎng)半軸等于短半軸時(shí)為圓弧彎曲模型。受多因素影響，小麥莖稈在風(fēng)中實(shí)際彎曲形態(tài)不但多姿多樣，而且并不很規(guī)則，但總會(huì)與其中一種模型相似。小麥莖稈在風(fēng)中實(shí)際彎曲形態(tài)可視為該模型的過(guò)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(qiáng)度和彈性有關(guān)，根據(jù)不同模型的最大曲率部位初步推測(cè)：上部橢圓弧彎曲型莖稈上部強(qiáng)度較小，莖稈下部強(qiáng)度較大；圓弧彎曲型從上至下莖稈強(qiáng)度均勻減小；下部橢圓弧彎曲型莖稈強(qiáng)度上部與下部比較，差異應(yīng)該較小。各模型處理的莖稈應(yīng)該都具有較好彈性。本研究再次驗(yàn)證莖稈下部強(qiáng)度與抗倒性呈正相關(guān)，莖稈上部彎曲度也與抗倒性呈正相關(guān)。至于不同節(jié)間強(qiáng)度和彈性大小對(duì)彎曲形態(tài)的影響，問(wèn)題比較復(fù)雜，有待以后進(jìn)一步研究。