套作大豆共生后期彎曲力學特性的研究

楊 錦，楊 歡，涂婭欣，王 瑞，張黎驊*，楊文鈺*

（1四川農業大學機電學院，雅安625014；2四川農業大學農學院，成都611130）

大豆是我國重要的糧食和經濟作物，隨著國內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展，成為增加大豆總產量的有效途徑，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業的發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，導致莖稈變得細長，主莖柔弱，容易倒伏，產量下降［2］。抗倒伏性是一個由多種性狀構成的綜合性狀，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，實現高產穩產，國內外學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系，探明了光環境對不同基因型大豆莖稈纖維素代謝的影響機制。劉衛國等［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個因子來反應抗倒性。向達兵等［5］研究了磷鉀營養對套作大豆莖稈形態和抗倒性的影響。羅玲等［6］對莖稈形態、解剖結構、赤霉素含量、赤霉素代謝相關基因表達等進行了分析，發現在套作模式下，莖稈的內源赤霉素GA4含量較低，會抑制大豆節間過度伸長，減少倒伏發生。目前，針對玉米-大豆套作體系，國內外對大豆苗期的抗倒伏性都是從農藝的角度來研究的，還未見從莖稈的彎曲力學特性方面來解釋。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特性進行研究，并測定莖稈的各項指標，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、抗彎剛度之間的關系，以期得出莖稈的彎曲力學特性與作物抗倒伏的關系，為篩選合適的套作大豆品種提供相應的生物力學性能指標。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗材料為四川農業大學仁壽現代農業研發生產基地種植的耐陰型‘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。采集當天在實驗室里挑選莖稈完好且節間長較長的莖稈，去除莖稈葉鞘，分節間切割好并貼上標簽，節間序號從地面起始向上取1—5節。用游標卡尺量取節間長l1—l5、相應外徑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性能試驗，將力位移傳感器的加載速度設置為10 mm/min，計算機通過力位移傳感器采集數據，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，莖稈開始發生彈性形變，到達B點后彈性形變階段結束，塑性形變階段開始。通過觀察曲線發現，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、二節節間長明顯大于第三、四、五節，各節間外徑和壁厚差異不明顯；‘C103’節間長、外徑以及壁厚隨節間順序增大變化趨勢不明顯，但‘南豆12’的第一、二節節間長明顯大于‘C103’的第一、二節節間長，而‘C103’各節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’的節間長、外徑和壁厚在各節間的變化趨勢與單作模式基本相同，但各節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性能的變化

根據表1的測定數據，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’莖稈前四節節間的慣性矩均大于‘南豆12’。在套作模式下，‘C103’的慣性矩由低位節向高位節有下降趨勢，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間最大，且由低位節向高位節遞減，低部節間彈性模量較大，有利于抗倒伏。‘南豆12’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節間的彈性模量高于‘C103’，而第四節和第五節相差不大。此結果表明，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，莖稈在第一節間具有最大抗彎剛度且抗彎剛度由低位節向高位節呈下降趨勢，這可能是由于莖稈底部木質化嚴重造成的，隨著木質化程度減小，抗彎剛度減小。‘南豆12’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’。‘C103’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 彈性模量沿節間的變化Fig.4 The change of elasticmodulus along the internode

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

3 結論與討論

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，大豆所處的光環境與單作大豆不同，從而影響其形態建成和產量形成。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，使苗期大豆出現典型的避蔭反應［17］，即節間伸長、主莖節數減少等現象。但不同大豆材料表現出的避蔭反應程度存在顯著差異。前人研究表明，植株過高，莖稈細長柔弱，易倒伏，不利于產量形成［18-19］。篩選耐陰型大豆品種，有利于提高套作大豆產量，而通過測定莖稈的生物力學特性，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則的圓柱形，節間處直徑較大而中部較小，因此，測量莖稈外徑時應分別測量每一節間的最大外徑和最小外徑，并求其平均值作為該節間的外徑；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間最大，且由低位節向高位節遞減。

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］得出的試驗結果一致，進一步證明了‘南豆12’的耐陰抗倒伏優良特性。

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