玉米抗倒伏能力評價方法研究進展

楊今勝 張曉龍 鄭培峰 徐文華 呂艷杰 王立春,* 王永軍,*

(1.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，長春 130118； 2.吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所/玉米國家工程實驗室，長春 130033)

1 研究意義

我國人多地少，提高單產(chǎn)是增加糧食產(chǎn)量的有效途徑。玉米作為我國種植面積最大、總產(chǎn)量最高的農(nóng)作物，生育期內(nèi)發(fā)生倒伏是大面積密植高產(chǎn)的主要限制因素。除了造成不同程度的減產(chǎn)外，還導(dǎo)致霉變等影響籽粒品質(zhì)，也不利于機械化作業(yè)，從而大大增加了收獲的勞動力成本。因此，預(yù)測作物倒伏的可能性并采取相應(yīng)的措施進行處理，有利于選育優(yōu)良品種，提高機械收割效率，增加玉米產(chǎn)量和質(zhì)量，對保障國家糧食安全具有重要意義。

近幾十年來，玉米抗倒伏能力越來越受到關(guān)注，其研究論文和專利申請文件數(shù)量逐年增加。以“玉米+抗倒伏”為關(guān)鍵詞檢索中國知網(wǎng)，截止2020年12月31日，共收錄2 352篇研究論文，國家知識產(chǎn)權(quán)局公開490件專利申請，論文和專利年申請量均呈大幅增長趨勢(圖1)。

圖1 玉米抗倒伏研究論文和專利數(shù)量(截至2020-12-31)Fig.1 Number of research papers and patents on maize lodging resistance (as of December 31 st, 2020)

已有國內(nèi)外學(xué)者總結(jié)了玉米抗倒伏的試驗方法和研究進展，但是對玉米抗倒伏能力評價方法和儀器設(shè)備進行分類評述的文獻相對較少。因此，本研究基于田間實際倒伏情況對玉米抗倒伏力的評價方法進行了系統(tǒng)梳理，分析了目前玉米抗倒伏研究常用儀器設(shè)備的相對優(yōu)勢和缺陷，展望玉米抗倒伏能力評價的未來研究方向，以期為相關(guān)領(lǐng)域的研究者提供參考。

2 玉米抗倒伏能力評價方法

玉米在遭遇臺風(fēng)降雨后會出現(xiàn)倒伏現(xiàn)象，根據(jù)倒伏發(fā)生的部位可將倒伏分為莖倒伏和根倒伏。對于玉米倒伏，現(xiàn)有多種方法進行測定，玉米抗倒伏能力評價方法比較見表1。主要包括：1)莖稈質(zhì)量評價，包括外皮穿刺強度、彎曲強度和橫向折斷強度。莖稈外皮穿刺強度是用探針垂直刺穿莖稈表皮所得到的最大力；莖稈彎曲強度，用三點折彎法測試玉米不同節(jié)間的彎曲力，獲取莖稈被拉(壓)斷時的力值。2)根系評價，包括根系構(gòu)型與根拔力測定兩個方面。根系構(gòu)型指根系在土壤中的三維空間分布和根系沿根軸的二維平面分布，包括根系的長度、直徑、數(shù)量、表面積、體積等直接測定指標和通過X光照射等技術(shù)得到的空間三維構(gòu)型。根拔力是指將玉米根茬從土壤中垂直拔出所需的力，可以反映抗根倒情況。3)田間風(fēng)洞測試，利用大型風(fēng)洞制造不同級別的大風(fēng)，在大田環(huán)境下實時進行倒伏測試分析。4)田間原位測試，是指在田間通過推力或拉力使玉米莖稈傾斜，與地面呈不同大小的夾角，用不同角度模擬風(fēng)力的大小，此時測得推力或拉力值來判斷玉米抗倒伏性。

早期研究主要是田間調(diào)查臺風(fēng)過后的玉米倒伏情況，多為育種者評價品種抗倒伏性能的指標，玉米品種審定中的玉米抗倒伏能力一票否決制也采用此種方法。對于莖倒伏研究，大多應(yīng)用莖稈質(zhì)量評價方法進行研究，由于設(shè)備價格便宜、簡單易行、評價效果突出而成為主流的研究方法，后來加入莖稈成分分析，評價莖稈中纖維素、木質(zhì)素等莖稈質(zhì)量的影響，兩者結(jié)合進行玉米抗倒伏能力評價。對于根倒伏研究，多采用根系評價方法，由于根系位于地下，需要挖根、沖根等步驟，根拔力測試的儀器較少，操作復(fù)雜、測試效率低而沒有得到廣泛應(yīng)用。

表1 玉米抗倒伏能力評價方法比較
Table 1 Comparison for evaluating lodging resistance of maize

測試方法Test method測試指標Test index優(yōu)勢Advantage缺陷Disadvantage莖稈質(zhì)量評價Stem qualityevaluation外皮穿刺強度彎曲強度橫向折斷強度1)儀器便攜,價格便宜,測試過程中無額外費用2)測試玉米莖稈強度指標,結(jié)合田間調(diào)查可以間接反映玉米莖倒、莖折情況3)測試結(jié)果重復(fù)性好1)測試過程需要將植株砍斷離體測試,植株不能繼續(xù)生長2)玉米抗倒伏能力是一種綜合能力,莖稈質(zhì)量僅僅是其中的一個指標,不能反映田間倒伏實際情況3)需要與田間調(diào)查和其他指標結(jié)合起來分析評價4)測試過程環(huán)節(jié)多,測試效率低根系評價Root evaluation根系構(gòu)型根拔力根系構(gòu)型評價根系發(fā)育情況,結(jié)合根拔力可以間接評價根倒情況1)測試過程需要將植株砍斷離體測試,植株不能繼續(xù)生長2)專用測試儀器少3)田間操作過于復(fù)雜,測試效率低風(fēng)洞試驗Wind tunnel test不同風(fēng)速下的倒伏率,包括莖倒、莖折、根倒等情況1)利用人為制造大風(fēng)模擬臺風(fēng)造成倒伏現(xiàn)象,與田間倒伏實際情況最相符2)可以結(jié)合土壤含水率進行莖倒、莖折和根倒評價1)測試成本高,制造高速風(fēng)需要非常大的動力,需要有專門的設(shè)備2)場地受限,固定式風(fēng)洞需要留出一定的操作空間3)測試后倒損率高,對植株造成影響田間原位測試Field in-situtesting彎曲角度彎曲強度彎曲剛度1)不同傾斜角度下的力能夠反映不同風(fēng)速下田間倒伏的情況2)在同一次測試中獲得彎曲強度和剛度,實現(xiàn)了莖稈質(zhì)量的田間評價3)部分儀器可以實現(xiàn)無損測試4)操作簡單,測試效率高1)應(yīng)用時間較短,研究相對較淺,沒有形成研究體系2)大多以單株為測試樣品,不能有效反映群體抗倒伏性3)沒有形成定量評價指標體系

對于風(fēng)洞的研究，國外以杜邦先鋒公司(DuPont Pioneer)為代表的種業(yè)公司應(yīng)用大型移動風(fēng)機在田間測試評價篩選抗倒伏玉米品種，由于設(shè)備價格高昂，最近才在我國科研單位應(yīng)用。田間原位測定方法2010年開始有測試裝置申請專利。采用風(fēng)洞、田間原位測定儀器在田間測定抗倒伏力，能夠更加真實反映玉米抗倒伏情況。

3 玉米抗倒伏力測試儀器

3.1 莖稈質(zhì)量測試儀器

莖稈強度是玉米抗倒伏能力的一個評價指標，常采用室內(nèi)實驗儀器進行莖稈力學(xué)特性參數(shù)測定。主要方法是取莖稈的局部試樣在室內(nèi)測定莖稈的彎折性、抗壓強度和穿刺強度，其中對于三點彎曲原理下的抗折力測定較多，例如浙江托普云農(nóng)公司生產(chǎn)的YYD-1莖稈強度儀，AWOS-SL04莖稈強度儀和萬能實驗機等。在采用莖稈外皮穿刺強度測試方面，檢索到4個專利。山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院玉米研究所在專利申請文件CN201310130512.5中設(shè)計了鋼針護環(huán)，用于消除了慣性力對力傳感器的影響，保證了測量結(jié)果的可靠性和重復(fù)性。CN201820153705.0發(fā)明了測量玉米莖稈彎曲強度和彈性模量的兩參數(shù)抗倒伏力測試儀。CN202020491065.1公開了一種電機驅(qū)動的玉米抗倒伏力測試裝置，自動化程度高，大大降低了勞動強度，節(jié)省了人力，提高了測試效率。CN202010213802.6公開了一種便捷操作的針刺式玉米莖稈倒伏強度快速測定儀，包括直接接觸玉米莖稈的夾持操作機構(gòu)、與夾持操作機構(gòu)相連接的壓力測試機構(gòu)和封裝在壓力測定機構(gòu)中的控制機構(gòu)，能夠控制探針刺入深度，滿足不同直徑及品種的玉米莖稈倒伏強度評價。

國外科研工作者亦開發(fā)了專用儀器進行玉米莖稈穿刺強度的研究。Cook等研究了探針幾何形狀對玉米莖稈抗穿刺性的影響，在這項研究中使用了兩種直徑不同的探針。倒角的探頭直徑為2 mm，而尖頭探頭直徑為1.5 mm。直徑2 mm的倒角探頭優(yōu)于直徑1.5 mm的尖頭探頭。Seegmiller等使用專用設(shè)備測試玉米莖稈樣品的外皮厚度和直徑，發(fā)現(xiàn)莖稈外皮穿刺測量與卡尺測量(

R

>0.97)和攝影圖像分析測量(

R

>0.84)密切相關(guān)，使用外皮穿刺技術(shù)進行高通量測量的能力要超過卡尺測量和圖像分析技術(shù)的能力。Sibale等應(yīng)用兩種外皮滲透儀測量玉米莖稈強度。

3.2 玉米根拔力測試儀器

由于操作復(fù)雜、效率低，根拔力測試儀報道較少。根拔力測試儀的核心測試部件為S型拉力計，根據(jù)研究需要，可配套制作固定和垂直排出根系的輔助工具用于提取根拔力。CN201911111215.X公開了一種測量玉米莖稈抗根倒伏強度的測量裝置，包括支撐架、驅(qū)動裝置、數(shù)據(jù)采集顯示裝置和旋轉(zhuǎn)推動裝置，可采集速度、角度信號，測量精度高。李偉等研究了玉米抗根倒伏強度檢測方法，設(shè)計了玉米抗根倒伏強度檢測儀，包括螺旋機構(gòu)、便攜式三角架平臺、自適應(yīng)夾具和數(shù)顯儀等組成部分。李景安等研制了3YC-1型玉米根茬拔出測力儀，并應(yīng)用于玉米根拔力測試。

3.3 玉米抗倒伏力測試風(fēng)洞

玉米抗倒伏力測試風(fēng)洞分為固定式測試風(fēng)機和移動式測試風(fēng)機兩種類型。國內(nèi)風(fēng)洞多為固定測試型風(fēng)機，北京農(nóng)林科學(xué)院信息中心應(yīng)用大型風(fēng)力機對不同玉米品種的莖稈抗倒伏性進行原位評估，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所應(yīng)用小型風(fēng)機進行玉米單株抗倒伏力測試。國外多為大功率移動式風(fēng)機，能在田間移動進行評價玉米品種的抗倒伏能力。杜邦先鋒公司自主創(chuàng)新的Boreas Mobile Wind Machine移動風(fēng)機擁有專利權(quán)，最新款產(chǎn)品具有持續(xù)穩(wěn)定輸出80英里/小時大風(fēng)的能力。Boreas Mobile Wind Machine可以在不同生育時期對玉米抗倒性進行人工測試，已成為杜邦先鋒公司產(chǎn)量速增技術(shù)體系(Accelerated Yield TechnologySystem)的重要組成部分。

3.4 玉米抗倒伏力田間原位測試儀器

對于原位測定莖稈在不同倒伏角度下的推力，包括浙江托普云農(nóng)公司生產(chǎn)的YYD-B型植物莖稈強度儀，以及一些莖稈抗倒伏鑒定輔助器等。

近年來，基于研究的需要，國內(nèi)外科研單位研制了田間測定的儀器，檢索到5個中國專利。此類儀器多以推力或拉力提取為研究焦點，這些關(guān)于抗倒伏強度測定裝置除了結(jié)構(gòu)組成上有差異，其核心重點也有不同。CN200620135138.3發(fā)明了一種農(nóng)作物莖稈強度測試儀，將探頭、傳感器集成到一起，用單片機系統(tǒng)控制電路獲取莖稈承受的最大壓力；CN201310076963.5設(shè)計了一種群體作物莖稈強度測量裝置，解決了單株測量難以代表群體抗倒伏特征的難題；CN201410417667.1立足于快速空間定位和測力姿態(tài)的維持，重點解決玉米抗倒伏強度測定過程中測力裝置固定的問題；CN201510711172.4設(shè)計了一種固定拉力方向的抗倒伏儀，有利于消除拉力方向?qū)y試結(jié)果的影響；CN201820505617.2設(shè)計了一種玉米莖稈原位穿刺和彎折力測試兩參數(shù)測量裝置，保證了測試結(jié)果準確可靠。美國科學(xué)家Cook等發(fā)明了一種評估谷物玉米抗倒伏能力的設(shè)備，已經(jīng)應(yīng)用于科研工作。上述產(chǎn)品采用的方法大多是將玉米莖稈折斷得到的最大抗倒伏力，據(jù)此評價玉米抗倒伏能力。這種破壞性測試對玉米有損傷，測試后植株不能繼續(xù)生長，而玉米不同的生育時期均可能倒伏，破壞性測試難以解決這個問題。

對同一植株在不同生育時期進行抗倒伏能力評價需要進行無損檢測，目前已有相關(guān)產(chǎn)品申請專利。北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心發(fā)明了田間活體植株莖稈測量儀，CN201010237712.7專利申請文件顯示，它提出了傾斜角度和力的同步測量方法，通過傾角傳感器和懸臂梁傳感器分別獲取玉米莖稈不同角度下的受力情況或同一標準作用力下的不同傾斜角度，結(jié)合抗倒伏強度決策模型實現(xiàn)抗倒伏力的原位無損測試。Guo等使用應(yīng)變傳感器和兩個單軸角度傳感器的無損方向性檢測方法，用于評估玉米莖稈的抗倒性。Cook等發(fā)明的谷物玉米抗倒伏能力的設(shè)備“Darling”也可用于玉米莖稈的無損評估。韓東等建立了基于Sentinel-1雷達圖像的玉米倒伏監(jiān)測模型。現(xiàn)有技術(shù)大多應(yīng)用推力模擬玉米倒伏情況，由于推桿與玉米莖稈接觸面積小，難以固定，并且不能較好的模擬自然風(fēng)力對玉米莖稈的吹壓過程，楊雙源在CN201510176119. 9專利申請中應(yīng)用拉力代替推力解決了這個問題。該發(fā)明專利采用索套套在玉米重心位置(莖稈或玉米果穗偏上位置)，通過人力拉動豎桿帶動玉米植株傾斜實現(xiàn)玉米莖稈抗倒伏力測試。在此發(fā)明專利的基礎(chǔ)上開展的后續(xù)研究先后獲得中國和德國實用新型專利(CN201720355104.3、Nr.202017106298)，制作了田間原位抗倒伏力測試儀，實現(xiàn)了玉米抗倒伏力的田間原位評價(表2)。

表2 部分田間原位抗倒伏力測試儀性能比較
Table 2 Instrument performances of different field in-situ lodging resistance testers

儀器Equipment測試項目Test item優(yōu)點Advantage缺點DisadvantageDarling[54]破壞強度彎曲剛度簡單便攜;交互人機界面;連續(xù)測定力和位移;測定速度快破壞性測定;推桿角度在20 °后,測定精度下降;測定高度固定Guo[29]的儀器Guo’s[29] instrument拉力等效力無損測定;數(shù)字顯示;數(shù)據(jù)存取便捷;拉動方向靈活測試時拉力方向不固定,只能測試0～45 °拉力田間原位倒伏力測定儀Field in-situ measuring tester彎曲強度拉力等效力無損測定;測定位置可調(diào)節(jié);交互人機界面;連續(xù)測定力和位移;測試速度快測定時受田間環(huán)境影響,如土壤質(zhì)地松緊程度

田間原位抗倒伏力測試儀主要由測試主機、豎桿、轉(zhuǎn)動軸、踏板和叉頭5部分組成，主機集成角度儀、測距儀和拉力計，可以實時采集不同角度下的拉力和位移(圖2)。測試時將儀器與待測植株呈平行狀態(tài)，踩下踏板將叉頭插入地面固定，移動主機，將拉力計固定到玉米穗上位置(玉米植株的重心)，一只手放到儀器豎桿的上端，一只手按下測試鍵，然后用手拉動儀器帶動豎桿緩慢轉(zhuǎn)動，設(shè)備帶動玉米植株傾斜，同時儀器會實時采集角度、拉力和位移數(shù)據(jù)并自動記錄(圖3)。測試過程中，根據(jù)傾斜角度

θ

采集拉力

F

和拉力計離轉(zhuǎn)動軸的位移

L

，通過計算

F

和

L

得到彎矩

M

，用

F

和

M

可以評價植株的抗倒伏能力和莖稈強度。

圖2 抗倒伏力測定儀結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of lodging resistance tester

圖3 抗倒伏力測定儀測試過程受力情況Fig.3 Stress analysis of lodging resistance tester

4 玉米抗倒伏力測試存在的問題

目前，各種檢測方法在技術(shù)上均已成熟，且在生產(chǎn)上廣泛應(yīng)用，但都存在需要改進之處。

對于莖稈質(zhì)量測試儀器而言，莖稈強度只是玉米抗倒伏能力的一個評價指標，玉米倒伏還受植株形態(tài)結(jié)構(gòu)、莖稈韌性等因素的影響。根拔力測試儀器只能反映根系的抓地力，玉米根倒伏還受土壤條件、根系構(gòu)型等因素影響。風(fēng)洞的主要問題是難以精準模擬自然風(fēng)，主要原因在于：第一，風(fēng)速不恒定，農(nóng)田的大風(fēng)多為陣風(fēng)，時疾時緩；第二，農(nóng)田的風(fēng)多為湍流，風(fēng)速瞬間變化大；第三，玉米的迎風(fēng)面積難以確定，不便于計算風(fēng)壓。田間測試儀器能夠模擬田間情況，問題在于大多采用單株測試且具有破壞性，測試后植株不能繼續(xù)生長。雖然此類型的測試儀能夠獲取莖稈在折斷極限狀態(tài)下所承受的最大壓力，并通過單片機編程實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的自動獲取，但是這種方式獲取的最大抗倒伏力會造成莖稈折斷，破壞莖稈的正常生長狀態(tài)。這種破壞性測試試驗不具有可重復(fù)性，不符合非破壞性測量趨勢。

玉米倒伏是受外界風(fēng)力與植株自身重力的綜合影響而發(fā)生的。鑒于前期定性和粗略的定量分析中發(fā)現(xiàn)的問題，莖稈質(zhì)量評價和根拔力測試反映的是植株自身的特性，其測定結(jié)果可作為評價玉米植株抗倒伏能力的參考依據(jù)，不能系統(tǒng)評價玉米植株抗倒伏能力。移動風(fēng)機可以較為系統(tǒng)評價田間玉米植株抗倒伏能力，美國杜邦先鋒公司已經(jīng)將Boreas Mobile Wind Machine移動風(fēng)機應(yīng)用于玉米抗倒伏育種，但由于其造價高昂、專利所有權(quán)受限等原因，短期內(nèi)難以在我國玉米生產(chǎn)中應(yīng)用。

5 未來發(fā)展

玉米抗倒伏能力評價貫穿于玉米整個生育期，在玉米生產(chǎn)由人工收獲、機收果穗向機收籽粒轉(zhuǎn)變的過程中，抗倒伏性評價期則會由此延長至玉米生理成熟之后。現(xiàn)有的大多數(shù)方法基于離體植株進行測試和分析評價，難以與田間實際倒伏情況吻合。因此，在田間實現(xiàn)對玉米品種抗倒伏性的定量評價，田間原位無損玉米抗倒伏能力評價將會成為未來的發(fā)展方向。要實現(xiàn)田間原位無損玉米抗倒伏能力評價，需要將力學(xué)指標與風(fēng)速指標相關(guān)聯(lián)，單株與群體抗倒伏相結(jié)合，通過單株的抗倒伏力的實時動態(tài)變化去反映群體抗倒伏力。在多點、多生態(tài)區(qū)、多氣候條件田間測試，結(jié)合現(xiàn)有的測試技術(shù)，研制田間無損抗倒伏力測試儀，確定定量評價指標體系，制定技術(shù)規(guī)程，形成技術(shù)標準。