毕业设计（论文）-作物抗倒伏的力学机理研究.doc

湖南农业大学东方科技学院全日制普通本科生毕业论文 作物抗倒伏的力学机理研究 on the mechanical principle of crop lodging 学生姓名： 学 号： 年级专业及班级：2008级机械设计制造及其自 动化（5）班 指导老师及职称： 学 部： 提交日期：2012年5月 全日制普通本科生毕业论文诚信声明本人郑重声明：所呈交的本科毕业论文是本人在指导老师的指导下，进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体在文中均作了明确的说明并表示了谢意。同时，本论文的著作权由本人与湖南农业大学东方科技学院、指导教师共同拥有。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 毕业论文作者签名： 年 月 日 目 录 摘要 1关键词 11 前言2 1.1 研究的目的与意义2 1.2 国内外研究相关进展31.3 论文的主要内容42 作物茎秆的力学分析52.1 茎秆稳定分析5 2.2 倒伏内力分析7 2.2.1 弯曲强度7 2.2.2 弯曲刚度7 2.3 倒伏相关力学指标的确定73 同期作物茎秆力学特性实验的方案设计73.1 实验目的83.2 设备及试样8 3.2.1 实验设备8 3.2.2 试样选取83.3 实验原理及方法8 3.3.1 实验原理8 3.3.2 实验方法 104 不同时期作物茎秆力学特性实验的方案设计 11 4.1 实验目的 114.2 材料及试样 114.3 实验原理及方法 11 4.3.1 实验原理 11 4.3.2 实验方法 125 建立倒伏系数评定作物抗抗倒伏机能的方案设计 135.1 实验目的 135.2 材料及试样 135.3 实验原理及方法 136 数据采集与分析 14 6.1 同期作物茎秆力学指标沿高度的变化 14 6.2 茎秆生物力学性质与形态特性的相关性分析 17 6.3 作物生长期对作物抗倒伏能力的影响 20 6.3.1 惯性矩 20 6.3.2 弹性模量 21 6.3.3 抗弯刚度 22 6.3.4 结论 226.4 倒伏系数评价根倒伏抗性的准确性 23 6.4.1 抗倒伏评价方法 23 6.4.2 大麦根倒伏的倒伏系数与其构成因素的通径分析 257 抗倒伏的措施 26 7.1 抗倒育种 26 7.2 混作防倒 26 7.3 栽培措施 26 7.3.1 播种时期 26 7.3.2 种植密度 26 7.3.3 肥水运筹 278 研究结论 27参考文献 28致谢28 作物抗倒伏的力学机理研究摘 要：倒伏是由外界因素引发的作物植株茎秆从自然直立状态到永久错位的现象，不同学者对倒伏的类型划分不同。一般意义上讲，倒伏主要划分为根倒和茎倒。根倒是直立茎秆由根茎的倾斜而产生的歪倒，茎倒是指基部茎节的弯曲或折断，主要是在表层土壤紧实的情况下，发生暴风雨引起，也可能由病虫害引发。从力学机理上讲，根倒是茎秆弯曲刚度问题，茎倒是茎秆受压屈曲问题。本课题旨在建立农作物茎秆倒伏的力学模型，利用力学理论和方法，对于弯曲刚度问题分析其影响因素。对于屈曲问题，给出适用于多种农作物如：油菜、亚麻、玉米、水稻、小麦、屈曲失稳临界力的表达式，临界力越大，抗倒伏能力越强。研究临界力的影响因素，结合作物的生理与栽培，提出提高作物抗倒伏能力的措施。 关键词：根倒；茎倒；弯曲刚度；临界力；力学模型。 on the mechanical principle of crop lodging abstract:lodging is a crop plant stalk caused by external factors to the phenomenon of permanent dislocation from the natural upright position, different scholars on the type of lodging is divided into different. general sense, the lodging is mainly divided down for root and stem down. against the failure of the root touches upright stalk produced by the tilt of the roots, stem touches the bending or breaking of the base of the internode, mainly in the surface soil compaction, the storm caused, may also be caused by pests and diseases. mechanical mechanism speaking, the root touches stalk bending rigidity of the stem touches stalk compression buckling. this project aims to establish the mechanical model of crop stalk lodging, use of mechanical theory and methods to analyze the influencing factors for the bending stiffness. for the buckling problem, given expression in a variety of crops such as: rape, flax, corn, rice, wheat, buckling critical force, the greater the critical force, the stronger lodging resistance. critical force influencing factors, combined with the physiology and cultivation of crops, proposed measures to improve crop lodging resistance.key words：root down;stalk;bending stiffness;critical;critical force;mechanical model.1 前言1.1 研究的目的与意义倒伏是由外界因素引发的植株茎秆从自然直立状态到永久错位的现象。作物倒伏是一个综合的、复杂的现象，它受到外界风雨、栽培技术、植物本身特性以及支持土壤系统等的多重影响。 图1 水稻倒伏症状 fig.1 rice lodging symptoms 倒伏是作物生产中普遍存在的问题，已成为影响作物高产、稳产、优质的重要限制因素之一，在作物高产育种中，提高作物茎秆的抗倒性是一个重要的育种目标。倒伏的严重性和对产量品质所造成的损失与作物生长环境和倒伏的发生时期有关。一般来说，适宜的生长环境、促进作物生长和产量提高的措旋会引发倒伏或使倒伏程度加重1。作物倒伏后，打乱了叶片在空间的正常分布秩序，破坏了植物的群体结构使叶片的光合效率锐减，阴角秕粒量增加，有效角果减少；茎折则破坏了茎秆的输导系统，影响根系向叶片输送水分和养分：影响叶片向果穗输送光合产物，病虫害加剧；如果茎折严重则造成伤口以上部分死亡，导致光合作用和籽粒灌浆停止，产量大减，甚至造成绝产。倒伏的发生，增加了作物收割难度，会极大地影响了作物收获产量和品质。倒伏引起籽粒皱缩而降低容重，减少穗粒数和粒重，减低含油量等，也还会出现沤黄和穗上发芽，倒伏的严重性和对产量以及收获品质所造成的损失与作物生长环境和倒伏的发生时期有关2。针对上述问题，本文根据力学理论和方法对农作物茎秆的倒伏机制进行研究。旨在弄清与农作物倒伏有关的内在因素，为作物抗倒品种的选育、收获机械的设计、桔秆的综合利用提供参考。 1.2 国内外研究相关进展倒伏不但给收割造成很大的困难，也造成籽粒产量和质量的巨大损失。据报道，美国玉米因倒伏造成的产量损失在525，大麦可达40(dyson，1984)3。在日本，按佐本启智(1960)报告，1958年日本的东北，北陆地方约有40的水田发生倒伏，关东、东山近二成水稻倒伏，总计达49万，减产稻谷21 4万t。进入20世纪80年代后，倒伏的困扰越趋严重，据日本植物调节剂研究会的小照氏报告，1984年度倒伏发生的面积约占播种面积的20，达到40万。鉴于倒伏的严重影响，国内外学者对作物的抗倒性进行了诸多方面的研究。 作物茎秆抗倒伏性能的试验研究主要使用茎秆弯折力(抗折力)来评价茎秆的抗倒伏性能。该方法早期被濑古秀生1962年在水稻抗弯折性能的研究中所倡导。茎秆弯折力(抗折力)通过三点弯曲试验的方法获得。对茎秆的抗倒伏性能，有的学者从力学角度出发，使用力学理论进行了研究。孙凡1994年做了作物茎秆抗倒伏的力学研究，他将茎秆简化为匀质等粗的弹性杆，使用能量原理推导出了茎秆高度与直径受力学规律制约，欲使作物受风雨侵袭而不倒伏，其高度与半径的关系应在之间4。王晖等观察麦秸秆折倒部位大多发生在穗下第三、四节的下部，对麦杆穗下第三节加以研究，将其受风作用时的振动简化为等直截面粱的弯曲振动，给出了在简谐载荷作用下的动力反应分析方法。袁志华等建立了农作物茎秆的力学模型，把穗重量看作集中力作用在作物茎秆上；作物茎秆看作一端固定，一端自由的均质长细杆；水稻茎秆横截面为空心椭圆截面，玉米茎秆横截面为圆截面，茎秆重力均匀分布。通过势能驻值原理，推导出了农作物茎秆临界力和秆长、穗位、截面尺寸、弹性模量有关的表达式印。袁志华利用力学理论和方法，分析了典型风荷载对小麦茎秆倒伏的影响，假设小麦茎秆在典型荷载爆炸荷载作用下的受追振动。在国外作物抗倒伏性能的研究中，安全因子和倒伏模型一直是研究热点。crook和ennos通过分析茎秆强度和根结构提出了抗倒伏的安全因子。baker等建立了考虑气候，植株形态和土壤情况的小麦倒伏模型。baker假定影响小麦倒伏的主要因数是由风载造成的茎秆基部的弯距。弯距的值与茎秆的破坏弯距相关，而且茎，根的破坏弯距可以判断倒伏是否发生。单株基部的弯距可以通过作用在穗上的风速，作用区域和单株自然频率，中心高度和衰减率得导5。sterling等研究了小麦倒伏的过程。建立了一个风洞，将不同品种小麦和不同土壤置于其中，使用六个风扇模拟自然条件下风吹倒伏的情况。根倒和茎倒的情况均可观察到，茎倒是瞬时发生的，根倒则要在一定时间之后发生。作者还研究了倒伏过程中植株的阻力系数，阻尼率，目的得到标准化的倒伏模型。berry等认为倒伏发生在小麦收获前2至3个月，是植株与风，雨和土壤交互作用的结果。风载使小麦植株弯曲或茎秆基部破坏(茎倒)，还可能改变植株根在土壤中的位置(根倒)雨能够降低土壤强度，增加倒伏的可能性。berry提出了一种冬小麦倒伏的标准模型，通过输入小麦参数，土壤特性，风速和降雨量来判断小麦倒伏的时问和数量。其判别倒伏的标准是整株基部的弯距和根部失效弯距。berry还进一步考虑了小麦苗的阻力系数和阻尼率，进行植物特性的时间和空间不一致性的计算。植物时间不一致的计算。意味着正确预测收割之前不断增加的倒伏危险。植物空间不一致性计算能够预测不同区域的倒伏6。farquhar等研究了小麦抵抗整体屈曲，根部翻转和组织破坏的安全因子。在研究中考虑不同育种，矮化基因，土壤类型和施肥四种情况，并通过实验的方法获得了小麦茎秆的刚度和振动频率。实验装置包括了一个线性振动电动机，装载在与之垂直的可调节滑杆上。通过锯齿型装置将盆栽的小麦苗与电动机相连。farquhar等研究了一定范围内的最佳麦秆几何形态，即麦秆的外形和组成成分固定的话，在一定的风力和重力条件下，要想支持固定重量的谷物，怎样的麦秆外形是最好的。麦秆被理想化为五节连在一起的弹性圆柱，对外激励频率作用下最优化麦秆共振频率进行研究。1.3 论文的主要内容本文对作物的抗倒伏力学性能进行了研究，通过调查文献获得资料，理论计算数值，模拟作物抗倒伏的力学原理，来进行探讨，主要做了以下几个方面的工作。研究几种优良作物茎秆的生物力学性质，并对文献的数据进行相关性分析，研究主要集中在作物茎秆材料生物力学性质试验测定，生物力学抗倒伏评价以及作物形态特性指标与倒伏性的相关性研究，对试验测试的数据进行了相关性分析，在此基础上对影响关系进行理性探讨。对不同时期作物茎秆的力学特性进行了一些试验和研究，分别测试了两个品种各节间在不同生长期的弹性模量e和惯性矩以及各节间抗弯特性的变化。根据文献数据建立根倒伏系数，对作物的抗倒伏能力进行评定。利用力学理论和方法，对于弯曲刚度问题分析其影响因素，对于屈曲问题，建立农作物茎秆倒伏的力学模型，给出适用于多种农作物的屈曲失稳临界力的表达式，研究临界力的影响因素，结合作物的生理与栽培，提出提高作物抗倒伏能力的措施。2 作物倒伏的力学分析 作物的穗长与株高相比很小，把穗重量看作集中力作用在茎秆上； 茎秆的受力情况可以看作是一个下端固定，上端自由的压杆。茎秆重力均匀分布，为茎秆单位长度的自重，茎秆的自重。玉米茎秆的力学简化模型如图1所示，l为株高，h为穗位高，p为穗重。2.1 茎秆稳定分析 玉米茎秆通常可视为直线生长，当重力较小时，横向作用力(如风雨等)使茎秆发生弯曲，作用力消失后，恢复直线生长状态随着植株重力的增加，横向作用力虽消失，但茎秆仍保持弯曲的形状，而不能再恢复其原有的直线状态，使直线平衡变为不稳定平衡，即进入倒伏的临界平衡状态，如图，qcr为临界状态时茎秆单位长度的自重,pcr为临界状态时的穗重。 图2 玉米茎秆的简化模型 图3 玉米倒伏的临界平衡状态 fig.2 a simplified model of corn stalk fig.3 maize critical equilibrium state茎秆在临界力qcr、pcr作用f，在微弯状态f处于不稳定平衡，其挠曲线近似方程可按下式来表达: （1）此茎秆在微弯状态下的应变能为： （2）式中，e为茎秆的弹性模量,i为截面惯性矩，,d为横截面的直径。设杆任意x截面处的轴下移量为，它为： 设作用点处的轴向下移量为，它为： 由此可得：均布力所作的功为： （3） 集中力作的功为 （4） 因此，杆的势能为： （5）由势能驻值原理可得： 由（5）求偏导得： 令=,称为茎粗系数，为茎秆的横截面面积，称为穗高系数代入(5)式可得： (6)此式表示了茎秆在倒伏的临界状态下，茎秆自重、穗重、茎粗茎高、穗位高茎高所应满足的关系。由(6)式可得：（1），随的增大，也增大； ，随的增大，也增大，也就是说茎粗系数值越大，临界力.越大, 因此，杆越不易倒伏。 （2),随的减小，增大；，随的减小，增大；由可得，即减小，也减小，因此，穗高系数值越小，临界力.越大，杆越不易倒伏。 （3),弹性模量值越大，临界力.越大，杆越不易倒伏。2.2 倒伏内力的分析 由于外力的作用与作物自身重力的增大，引发了作物茎秆的弯曲，也就是说，作物的倒伏，归结起来就是作物的弯曲问题，因此，也就要就作物弯曲时应力以及变形，来分析作物倒伏的力学机理，选取考量作物抗倒伏的能力。2.2.1 弯曲强度 由材料力学有关知识知，弯曲正应力是控制梁的主要因素。从弯曲正应力的强度条件 可以看出，要提高粱的承载能力，也就是作物茎秆的弯曲强度，应从两方面考虑，一方面是合理安排梁的受力情况，以降低mmax的数值；另一方面则是采用合理的截面形状，以提高w的数值。2.2.2 弯曲刚度从绕度曲线的近似微积分方程及其积分可以看出，弯曲变形与弯矩大小、跨度长短、支座条件、梁截面的惯性矩i、材料的弹性模量e量有关。所以要提高弯曲刚度，就应该考虑从以上各因素入手。2.3 倒伏相关力学指标的确定通过对作物倒伏现象内外力的论证，我们发现，影响倒伏的力学指标主要有弯矩大小m、茎秆截面形状、惯性矩i、弹性模量e。3 同期作物茎秆力学特性实验的设计方案3.1 实验目的 检测植物茎秆主要力学指标，推测指标随生物特性变化的规律。3.2 设备及试样3.2.1 实验设备 利用美特斯工业系统（中国）有限公司深圳分公司提供的sans-cmt6104微机控制电子万能试验机进行试验。试验过程中，该机实时动态显示力的大小、位移、加载速度和试验曲线。试验结束后，即可打印出完整的试验报告。 精度5的200n传感器，加载速率为10mmmin；感量为001g的电子天平；游标卡尺。3.2.2 试样选取 试验材料于试验田选育的优种作物中选取不同品种，分别于作物易倒伏期即成熟期进行采样，每个品种采6株。将采回的整株茎秆去除根、叶及叶鞘后，测取株高、节问距、茎秆重、含水率等形态特性指标，试样从茎秆基部第二节起从节部截开依次向上取(其中大豆试样取两节间长)，量取原始几何参数。其中，如若是谷子测定其外径和壁厚；大豆、高梁测定其外径；因玉米茎秆横截面近似椭圆，故测定其长轴和短轴值。3.3 实验原理及方法3.3.1 实验原理 由于作物茎秆的材料组织结构差异很大，生物力学性质指标在试验测定值基础上运用何种力学模型计算需要针对性地选择，为此从宏观力学层面进行如下分析。首先分析弹性模量试验和计算的依据。该常数反映了材料在弹性范围内的固有特性，是表达材料受力时应力与应变关系的重要参量。对于茎秆材料来说，若采用复合材料力学模型进行强度分析，则三点弯曲对应的弯曲强度计算公式如下： （1）式中：弯折极限载荷，n；弯曲挠度，mm；、分别为矩形试件的宽度和高度，mm。 弹性模量为 （2） 式中 弯曲载荷增量；弯曲挠度增量； ,为剪切修正系数，其中主方向1、3相交平面上的剪切模量，mpa； 标距，mm。这样的试验需要制作标准矩形梁试件，且针对纤维层增强型复合材料来构造较为合理。本研究针对的茎秆作物玉米、高粱茎秆虽属于复合材料(表皮呈木质纤维，中间为多孔泡沫状材料)，但整体受力时材料常数可处理为当量弹性模量，因此本文在玉米、高粱弹性模量计算时应用了较简单的关系，其中，i茎秆截面惯性矩，。谷子、大豆一般如文中看成单一材料来处理即可。 另外，茎秆材料严格说具有各向异性性质，若采用较精确的正交各向异性材料力学模型，表示材料弹性特性要用工程弹性常数(指广义的弹性模量，泊松比和剪切弹性模量)，试验测定还应在已知载荷下，测取试样的位移和应变而完成，测得的工程弹性常数与柔度系数的关系为式 （3）式中、 材料对应3个主应力或主应变方向上的弹性模量；单独在方向作用正应力而无其他应力分量时方向应变与方向应变之比的负值，即泊松比；、分别为3个主方向两两相交平面内的剪切弹性模量。 对于正交各向异性材料，有9个独立的弹性常数，因，故工程弹性常数之间有maxwell关系： （4） 此式一般还用来检验试验结果可靠性或材料是否正交各向异性，但由于工程弹性常数要有一定限制范围，如各向同性材料中，其中，,且的取值范围为0。而正交各向异性材料弹性常数之间有很复杂的关系，运用应力功为正提供的热力学限制原理，可导出工程常数的限制范围如下式所示： （5） 同理，也有类似表达式。可看出各向异性力学模型非常复杂，从评价应用角度把茎秆按各向同性材料处理是简便实用的，因此在计算力学性质指标时也没有考虑各向异性的影响。鉴于如上分析，本文在计算弯曲强度、弹性模量等力学性质指标时均采用了实用的材料力学算式。但上述分析思路还是为研究作物茎秆材料横向变形时提供了一种方法。3.3.2 实验方法 图4 弯曲加载原理图 fig.4 rice lodging symptoms 试验在如上力学性质指标简化计算分析基础上采用常规材料力学性能试验测试方法进行三点弯曲试验，测取弯折极限载荷及力-变形关系对应的试验值，试验中，讲作物茎秆放在支座上，在茎秆外皮与支撑块接触涂抹一层石蜡，以减小摩擦阻力。 4 不同时期作物茎秆力学特性实验的方案设计4.1 实验目的 检测作物不同生长时期各力学特性的变化,得出作物抗倒伏能力在不同时期的表现。4.2 设备及试样 万能材料试验机、游标卡尺、球铰引伸仪。 分别采集小麦开花期、半仁期、乳熟期、蜡熟期试样，每个生长期从田中随机选取株高相差不多、有5个节间的小麦植株1020株进行试验。4.3 实验原理及方法4.3.1 实验原理 拉伸实验是用拉力拉伸试样，一般拉至断裂，以测定材料的一项或几项力学性能。常温下的拉伸实验室测定材料力学性能的基本实验。可用以测定弹性常数和（泊松比），屈服强度（上屈服强度或下屈服强度），固定非比例延伸强度，如，抗拉强度，断后伸长率和断面收缩率等。这些力学性能指标都是工程设计的重要依据。 弹性模量的测定，弹性模量是应力低于比例极限时应力与应变的比值，即： （6） 可见，在比例极限内，对试样施加拉伸载荷f，并测出标距的响应伸长，即可求得弹性模量。在弹性变形阶段内试样的变形很小，测量变形需用高放大倍数的机械式引伸仪，例如放大倍数为2000倍（分度值为）的球铰引伸仪，或用数显电子引伸计。 为检查载荷与变形的关系是否符合符合定律，减少测量误差，试验一般用等增量法加载，即把载荷分成若干相等的加载等级，然后逐级加载。为保证应力不超出比例极限，加载前应先估算出试样的屈服载荷，以屈服载荷的70%80%作为测定弹性模量的最高载荷15。此外，为使试验机夹紧试样，消除引伸仪和试验机机构的间隙，以及开始阶段引伸仪刀刃在试样上的可能滑动，对试样应施加一个初载荷,可取为屈服载荷的10%，从到将载荷分成级，且不小于5，于是 （5） （7） 实验时，从到逐级加载，载荷的每级增量为。对应着每个载荷（=1,2，），记录下相应的伸长，的差值即为变形增量（），它是引起的伸长增量。在逐级加载中，若得到的各级基本相等，就表明与成线性关系，符合胡可定律。完成一次加载过程，将得到和的一组数据，安线性拟合法求得 （8） 除用线性拟合法确定外，还可用下述弹性模量平均法。对应于每一个，由公式（2.3）可以求得相应的为 （=1,2，） （9） 个的算术平均值 （10） 如能精确绘出拉伸曲线，即曲线，也可在弹性直线段上确定两点，测出和计算。 惯性矩的表达式： （11） 其中为茎秆平均外径；为茎秆壁厚。4.3.2 实验方法 将所采集试样带回实验室，量取株高及各节间长度，由基部向上截取14节(考虑到倒伏主要发生在下部，第5节间没做测试)，去鞘、测量直径、标号，放入密封袋中保存。茎秆的壁厚可在弯曲试验结束后剖开茎秆用游标卡尺量取。在万能材料试验机上做茎秆拉伸试验。 （1）测量试样尺寸 在标距的两端及中部三个位置上，沿两个相互垂直的方向，测量试样直径，以其平均值计算各截面面积，再以三者的平均值作为公式（6），（8）和(9)中的a。 （2）试验机准备 按使用的液压万能机、屏显液压万能机或电子万能机的操作规程进行准备进入试验状态。 （3）安装试样及引伸仪。 （4）进行预拉 为检查机器和仪表是否处于正常状态，先把载荷预加到测定的最高载荷，然后卸载到0之间。当引伸仪读数不正常时应重新安装。 （5）加载 测时，先加载至,记下引伸仪的初读数。加载按等增量法进行，应保持加载的均匀、缓慢，并随时检查载荷与试样变形关系是否符合胡克定律。载荷增加到后卸载。试验过程中，计算机通过应力传感器来采集数据，并绘出茎秆弯曲时的载荷挠度曲线(图1一a)。当试样发生断裂后停止试验，取下试样，剖开茎秆测其壁厚，利用公式(2)求得惯性矩。对载荷挠度曲线上的初始直线段通过线性拟合求得其斜率(见图1一b)，利用公式(1)求出试样的弹性模量e。 图5 不同生长期惯性矩均值沿节间的变化 fig.5 in different growth period of moment of inertia means along the internode changes5 建立倒伏系数评定作物抗倒伏机能的方案设计5.1 实验目的 通过相关分析建立倒伏系数，作为衡量标准，客观、准确地评价作物材料的抗倒性。5.2 材料及试样抗性不同的2o个同种作物材料。5.3 实验原理及方法测定并计算下列6项指标：根量（）,每份材料随机取样30穴(地下0-30cm)总根量洗净后烘干并称重，计算出每茎所占根量()。茎秆抗折力()：每份材料随机测量30根茎秆，取基部第2节，两端分别绑在一起并架在(间隔距离固定的)两张实验台两支架之间，在其正中部挂一沙袋，不断向沙袋内缓慢地加沙直到茎秆折断为止。所用沙及沙袋的重量除以30即为该材料的抗折力()。第二茎节长度()：每份材料随机取30根茎秆，基部第二节长度的平均值即为该材料的第二节长度()。茎秆机械强度()：所用沙和沙袋的重量与第二节间12长度的乘积即是基部第2节所承受的最大力矩()，求30根茎的平均值，以此代表茎秆机械强度。 株高()：每份材料随机取30株，测其株高，取其平均值，即为该份材料的株高()。 单茎鲜重()：带穗、叶和叶鞘的完整地上部分单茎鲜重，随机取30根平均()。依据小麦根倒伏原理推测，大麦是否发生根倒伏也取决于致倒伏力与植株抵抗和缓冲致倒伏力的能力之间的对比致倒伏力包括内力(植株自身的重量使植株向下弯曲的力)和外力(包括风、雨等)。而且，早在1964年lelley就研究发现，作用于茎秆的力与茎秆长度成比例。说明致倒伏力与株高和鲜重的关系密切。作物茎秆具有硬度和弹性，茎秆机械强度则是2种属性的综合体现。研究表明，根倒伏大麦茎秆在致倒伏力作用下，基部节间所承受的压力相对较大，其机械强度对致倒伏力的抵抗和缓冲至关重要。因而用基部第二节间所承受的最大力矩()表示茎秆的机械强度。根据上述分析，实验以株高()和单茎鲜重()的乘积与根量()和茎秆机械强度的乘积之比作为作物根倒伏系数，以此来表示大麦的抗倒性，即作物倒伏系数。倒伏系数越大，表示该材料的抗倒伏能力越弱；反之，抗倒伏能力越强，越不易发生倒伏。6 数据采集与分析6.1 同期作物茎秆力学指标沿高度的变化 通过查找文献茎秆作物抗倒伏生物力学评价研究及关联分析的数据，绘制了不同作物同期茎秆弹性模量、弯曲强度、抗弯刚度、惯性矩力学指标沿高变化的图表。 图6 高粱茎秆生物力学性质指标沿高度变化趋势 fig.6 relationship between biomechanical properties and plant height of broomcorn 图7 玉米茎秆生物力学性质指标沿高度变化趋势fig.7 relationship between biomechanical properties an d plant height of corn图8 大豆茎秆生物力学性质指标沿高度变化趋势fig.8 relationship between biomechanical properties and plan t height of soybean图9 谷子茎秆生物力学性质指标沿高度变化趋势fig.9 relationship between biomechanical properties and plant height of mille 从各指标的比较结果中可看出，不同作物茎秆弹性模量沿茎秆高度的变化不同，谷子、大豆茎秆的弹性模量沿高度变化较小，而玉米、高粱则变化较大，表明不同部位材料力学性质是不同的。弯曲强度、抗弯刚度是评价作物抗倒伏优种特性的两个重要指标，因为作物茎秆在自然生长各时期主要承受弯曲载荷(特别是由风载、雨载引起的载荷)，研究各生物力学性质指标沿高度的变化，目的是从生物力学角度了解作物茎秆不同节间材料性质究竟有无明显差异，抗弯折能力有无明显薄弱部位。从图中可看出各品种间弯曲强度沿茎秆高度的变化趋势基本相同，但不同品种间弯曲强度有较大差别。以基部第3节为例，高粱晋杂l2是品种v4ax0697301-2的223倍，晋谷21是吨谷的3.17倍，大豆晋大73基部第2节间是晋大78的2.42倍。表明不同品种间材料性质确有较大差别，而同一品种茎秆弯曲强度沿高度变化趋势总体不大，但个别品种沿高度有较大变化，如高粱晋杂l2号、玉米郑单958、谷子晋谷21。由以上分析综合考虑在后边的相关性分析中选取了茎秆易发生倒伏折断的第3节为研究对象。由各向同性弹性力学理论进一步分析知弯曲强度的计算式可作为应力精准解(细长秆忽略剪力影响)，因而可知弯曲强度关系曲线中反映的一些变化不是由算式精度引起的，而是受与截面形状有关的惯性矩变化影响的。对于惯性矩沿高度的变化从图36中看出有比较明显的差别，特别是玉米茎秆，反映出了生物适从自然的优势形态特性。从力学角度分析，在工作应力最大部位或惯性矩大、或截面局部加强(如同结构工程中构件局部采用了加强筋)，如基部第3节节间短，关节粗实。玉米结穗部位(一般为第8节间)截面形状长成异性，如同槽型截面实现了不增加材料面积而达到了惯性矩。在结穗部位以上受力较小，从力学角度需减轻自重，实际中惯性矩也明显变小，从抗弯折能力角度实现了整株截面参数的优化。大豆由于果实豆荚沿株高均布，特殊的株枝条分叉形态使其承受压缩、扭转、弯曲等组合载荷，而大豆茎秆长成节间短而关节粗壮形态，由弹性柱理论可知此形态大大提高了茎秆抵抗变形和失稳能力，从抗弯强度和刚度以及弹性模量沿株高分布较一致也说明其能适应相应外载作用而不发生失稳弯折。谷子从作物生长形态指标穗重、穗形等决定其主要承受弯曲载荷，空心圆截面正好具有惯性矩大、抗弯折能力强的截面力学特性，从谷子试验结果看，优良品种显示出的特性在整个株高范围都好，如吨谷各生物力学性质指标沿高度变化基本一致，无明显薄弱节间段。试验中还发现晋杂17号高粱由于株高、节间从力学稳定性及临界载荷分析理论知，该品种抗倒性差，而实际也如此。6.2 茎秆生物力学性质与形态特性的相关性分析 表1 高粱形态特性指标均值 table 1 means of sorghum morphology characteristics indexes 品种株高/cm节间距/cm穗长/cm穗柄长/cm穗柄粗/cm穗重/g含水率/%干质量/g直径/mm晋大78号246.814.026.946.812.67148.183.0033.1619.28晋大73号226.311.628.149.310.35139.481.5422.8516.59高粱v4a06-97-301-2214.313.025.147.79.5892.773.2315.4516.30v4a04-23223.214.324.650.69.4582.979.8419.0114.90 表2 玉米形态特性指标均值 table 2 means of corn morphology characteristics indexes 品种株高/cm节间距/cm穗长/cm穗重/g穗位高/cm茎含水量/%节干重/g长轴/mm 玉米强盛49239.611.528.6556.6116.876.5443.229.64郑单958221.010.920.3410.991.785.3742.329.43表3 大豆形态特性指标均值 table 3 means of soybean morphology characteristics indexes 品种株高/cm节间距/cm株荚数/个茎重/g株重/g株粒重/g含水率/%干质量/g直径/mm晋大70号63.08.697.631.199.9104.356.882.57.70大豆晋大78号103.58.9100.070.4150.747.958.653.59.98晋大73号81.97.388.241.893.232.352.291.57.54 表4 谷子形态特性指标均值 table 4 means of millet morphology characteristics indexes 品种株高/cm节间距/cm穗径长/cm穗长/cm穗重/g含水率/%干质量/g外径/mm壁厚/mm吨谷112.75.818.420.520.665.79735.741.64谷子大赶牛鞭192.98.042.535.729.955.4411.55.81.00晋谷21168.610.030.221.132.951.7511.15.431.22 表5 偏相关系数及显著性检验结果table 5 partial correlation coeficients and significance test results名称变量xi1xi2xi3xi4xi5xi6xi7xi8xi9y11-0.33466-0.618680.11840.2