玉米植株抗倒性測量裝置設計與試驗

崔 濤 董佳琪 楊瑞梅 張東興 楊 麗 李克鴻

(1.中國農業大學工學院， 北京 100083； 2.北京聯合大學機器人學院， 北京 100101)

0 引言

隨著現代農業玉米集約化密植栽培增產理念的提出與深入實踐，玉米倒伏已經成為限制玉米高產穩產的重要問題。據統計，玉米倒伏嚴重會減產30%～50%。玉米倒伏不僅直接影響玉米產量和品質，且不利于玉米的機械化收獲，制約了現代農業玉米集約化生產[1-3]。

玉米倒伏主要因素包括玉米莖稈力學性能，如莖稈彎曲強度、根系錨固強度、形態結構和彈性模量等[4-6]，外力影響如風力、種植密度、降水量等[7-8]。研究表明，植株自重彎矩和根系的錨固強度為莖稈倒伏的重要影響因素[9]。因此，通過外力誘導玉米倒伏，研究玉米倒伏的力學機制對于玉米育種和田間管理具有指導意義。

目前，通過測量玉米植株彎曲強度來預測抗倒性應用普遍，國內外學者對莖稈彎曲強度的測量方法與裝置做了大量研究。ALAIN等[10]設計了一種由支架、力傳感器、角度傳感器和控制器組成的便攜式電子設備，人工推動裝置，測量莖稈傾斜時的阻力轉矩和對應的角度，測量得到的數據可以傳輸到計算機，用來測量玉米莖稈的抗倒性。但裝置需人力提供加載，即加載不穩定會導致測量結果的誤差較大。BEERY等[6]研究的手持式測力計可以根據不同株高來調節推桿高度，通過測力傳感器同時檢測多株小麥的力，但因電池組和電子部件的重量阻礙了這種技術的廣泛應用。日本大樹理化工業有限公司研究的DIK-7401型手持裝置將植物壓到相對于地面45°時，與莖稈成直角的方向推動下軸部的電阻進行測定，顯示此時移動的錨固力，可用于小麥和水稻抗倒伏性的測量[11]。卞曉慧[12]設計了一種便攜式玉米抗折性能測定儀，搭建了基于單片機、壓力傳感器和2個傾角傳感器的壓力與角度信息采集系統。測量時在水平和垂直2個方向對莖稈施力，儀器顯示此時的力和角度值，同時上位機軟件實時輸出力-角度曲線。但這2種儀器在測量時難以保證與莖稈垂直或與地面保持水平。呂宗迎等[13]設計了一種測定小麥莖稈力學特性的試驗系統，運用比較精確的數據采集系統技術，可對不同性狀的小麥進行分類試驗。李偉等[14]研究了玉米秸稈抗根倒伏強度檢測方法并設計了相應的檢測儀。將玉米秸稈簡化為懸臂梁力學模型，以植株的最大垂直拔根阻力作為衡量玉米秸稈抗根倒伏強度的參數，但只能實現部分歷史數據的存儲，且沒有對裝置的精確性進行驗證。

上述裝置存在人工施力速度不穩定且未進行裝置精確性驗證等問題。隨著玉米植株抗倒伏研究的深入，抗倒性測量成為玉米品種培育中的重要環節。為解決現有測量裝置存在的問題，本文設計一種玉米植株抗倒性測量裝置，通過電機驅動裝置進行測量，模擬玉米倒伏時的真實情況，獲得倒伏實時數據。通過探究玉米倒伏機理，以更優化的指標來預測玉米的抗倒性，為育種專家培育抗倒性強的玉米品種提供設備支撐。

1 測量原理

將玉米莖稈簡化成一端固定一端自由的懸臂梁力學模型[15-16]。圖1為玉米植株倒伏臨界狀態，假定L1為倒伏時植株頂端橫向偏移位移，Q為莖稈單位長度重力，L2為玉米莖稈垂直高度，G為果穗重力，L3為果穗橫向位移長度，F為施加玉米植株的勻速外力，力F距離地面高度為H。

圖1 玉米倒伏時的臨界狀態Fig.1 Critical state diagram of maize during lodging

倒伏是影響玉米產量的重要因素之一，其中玉米倒伏分為莖倒伏與根倒伏[14]。建立莖倒伏與根倒伏模型，分析兩種狀態下植株倒伏的受力情況，對玉米植株抗倒性測量具有重要意義。

1.1 莖倒伏模型

圖2為玉米莖倒伏時受力分析圖，臨界狀態的平衡方程為

圖2 玉米莖倒伏受力分析Fig.2 Analysis on lodging force of maize stem

∑Fx=F-FXA=0

(1)

(2)

(3)

式中FXA——莖倒伏時土壤、地表根系及莖稈表面張力等對莖稈水平方向作用力，N

FYA——莖倒伏時土壤、地表根系及莖稈表面張力等對植株垂直方向作用力，N

MA——莖倒伏時土壤、地表根系及莖稈表面張力等對植株的力矩，N·m

h——莖倒伏時莖稈折斷處與地表的距離，m

α——莖倒伏時折斷處下方莖稈偏移垂直地表角度，(°)

β——莖倒伏角，(°)

Fx——水平方向分力，N

Fy——垂直方向分力，N

其中FXA、FYA、MA等效作用于莖稈折斷處，式(1)～(3)化簡可得

FXA=F

(4)

(5)

(6)

當α=β或α>β時，可看作玉米莖稈發生根倒伏。

1.2 根倒伏模型

圖3為玉米根倒伏受力分析圖。

圖3 玉米根倒伏受力分析Fig.3 Analysis of root lodging force of maize

臨界狀態的平衡方程為

∑Fx=F-FXB=0

(7)

(8)

(9)

式中FXB——根倒伏時土壤對根系水平方向作用力，N

FYB——根倒伏時土壤對根系垂直方向作用力，N

MB——根倒伏時土壤對根系的力矩，N·m

θ——根倒伏角，(°)

其中FXB、FYB、MB等效作用于根倒伏點，式(7)～(9)化簡可得

FXB=F

(10)

(11)

(12)

由倒伏模型得出Q、G、L2、L3均與植株自身的生理特性相關。外力F的不同，會導致FXA、FXB和MA、MB的不同，進而導致倒伏強度的差異。因此根據不同植株倒伏時所能承受的最大抗推力矩或最大抗拉力來衡量玉米植株的抗倒能力具有理論性依據，且最大抗推力矩或最大抗拉力可同時適用于根倒伏與莖倒伏兩種狀態下的玉米植株抗倒能力的衡量。

2 硬件結構和工作原理

2.1 總體結構

玉米植株抗倒性測量裝置總體結構如圖4所示，主要包括支撐架、驅動裝置、旋轉推動裝置、數據采集顯示系統及移動鋰電池等。測量裝置由電機驅動工作，提供勻速外力F推動玉米莖稈，測量速度及測量高度可調節，且同時適用于玉米植株根倒伏與莖倒伏兩種狀態。

圖4 測量裝置總體結構圖Fig.4 General structure drawing of measuring device1.移動鋰電池 2.數據采集顯示儀 3.藍牙 4.電源轉換器 5.控制器 6.電機驅動器 7.上位機 8.變送器 9.步進電機 10.支撐架 11.行星減速機 12.支架 13.聯軸器 14.扭矩傳感器 15.非調心軸承座 16.連接軸 17.夾頭 18.折彎臂 19.傾角傳感器 20.夾持部件

數據采集顯示系統作為裝置的核心部分，主要包括：扭矩傳感器、傾角傳感器、數據采集顯示儀，數據采集系統結構功能圖如圖5所示。

圖5 數據采集系統結構功能圖Fig.5 Structure and function diagram of data acquisition system

利用扭矩傳感器檢測推力矩，利用傾角傳感器精確地檢測推倒玉米植株過程中角度變化情況，利用數據采集顯示儀接收傳感器傳來的電信號并將其轉化為相應的力矩和角度。數據采集顯示儀包括單片機模塊、AD轉換模塊、液晶顯示模塊、藍牙傳輸模塊等。

驅動裝置由步進電機、減速機和控制器構成，用于勻速推倒莖稈。旋轉推動裝置包括夾頭、折彎臂和夾持部件，將電機輸出的扭矩傳遞給折彎臂，進而推動莖稈，同時折彎臂和夾持部件的設計，使測量時接觸面始終垂直于莖稈軸向，能夠實時保持垂直狀態進行測量。扭矩傳感器與連接軸通過聯軸器相連接，傾角傳感器安裝在折彎臂上。

2.2 旋轉推動裝置

旋轉推動裝置三維模型如圖6所示。夾頭用于穩定地夾住折彎臂，同時傳遞扭矩。夾頭一端通過夾爪夾住折彎臂，確保莖稈偏移角與折彎臂旋轉角一致，避免發生松動，另一端通過螺紋與連接軸連接。夾持部件由夾持單元和管子夾構成，用于夾持玉米莖稈，防止測量時滑脫，管子夾一端夾住折彎臂，一端與夾持單元通過螺紋固定。

圖6 旋轉推動裝置三維模型Fig.6 3D model of rotary propulsion device1.夾頭 2.折彎臂 3.傾角傳感器 4.管子夾 5.夾持單元

玉米植株抗倒性測量裝置工作時，夾頭與折彎臂間產生摩擦力，為便于建立折彎臂受力模型，對夾頭與折彎臂進行簡化，受力分析如圖7所示。

圖7 折彎臂外圓柱面受力分析簡圖Fig.7 Force analysis diagram of cylindrical surface of bending arm1.夾頭 2.折彎臂

圖7中夾頭為三爪型夾頭，3個夾爪施加的夾緊力均等于J，R為折彎臂半徑，R=0.06 m，Mf為裝置工作過程中折彎臂推動玉米莖稈時產生的阻力矩，最大力矩小于等于30 N·m[10]。折彎臂打滑臨界狀態受力公式為

Tf=3FfR

(13)

Ff=Jf

(14)

Tf=Mf

(15)

聯立式(13)～(15)可得

(16)

式中f——夾爪與折彎臂間的摩擦因數

Ff——單個夾爪產生的摩擦力，N

Tf——夾頭與折彎臂之間的摩擦力矩，N·m

由于折彎臂與夾頭之間的摩擦為不銹鋼與金屬靜摩擦，取f=0.3，將數值代入式(16)計算得出J=555 N，而夾爪夾緊力可達4 900 N[17]，因此工作過程中，折彎臂與夾頭之間不會出現滑轉現象。

此外，由于折彎臂為圓柱形，被夾頭夾持時為圓面摩擦，若使用時間較長，受腐蝕、老化等因素的影響，有折彎臂打滑的可能。因此在設計過程中，將折彎臂與夾頭連接部分用機床磨出平面，將圓面摩擦變為平面摩擦，使折彎臂不會出現滑轉現象。

2.3 工作流程

進行測量工作時，打開電源，通過控制器調節電機轉速，打開手機上位機軟件，連接設備，驅動電機，旋轉推動裝置推動玉米莖稈并勻速施力。扭矩傳感器和傾角傳感器檢測到的信號經單片機處理后實時顯示在液晶顯示屏上，同時經藍牙模塊傳輸到手機APP中，顯示推力矩-角度動態曲線。當加載力矩減小為0后停止測量，上位機軟件動態繪制扭矩-角度變化曲線，存儲數據。

3 軟件設計

3.1 數據采集

根據數據采集顯示儀的功能需求，將軟件控制部分設計為3個模塊：單片機初始化模塊、數據采集模塊和無線數據傳輸模塊，其程序流程如圖8所示。

圖8 數據采集顯示儀結構圖Fig.8 Program flow chart of data acquisition instrument

玉米植株抗倒性測量裝置工作時，根據所設計的程序，單片機對各模塊進行初始化(LCD液晶初始化、串口初始化、I2C數據總線初始化)，上位機發送信號啟動A/D轉換命令，進行扭矩與角度數據的采集，同時液晶顯示屏實時顯示扭矩與角度的數據，最后單片機將數據無線傳輸給上位機軟件。

3.1.1扭矩信號采集

扭矩傳感器輸出的毫伏級模擬信號通過變壓器放大為0～5 V電壓輸出。后經AD轉換芯片轉換為數字信號并傳輸到單片機進行處理。

對于數模轉換之后的數據進行標定，通過施加不同力矩，記錄所對應的不同的電壓值，得到扭矩與輸出電壓的關系如圖9所示。

圖9 扭矩標定關系曲線Fig.9 Relationship curve of torque calibration

扭矩傳感器的輸出電壓與實際扭矩關系為

y1=19.844x1+0.429

(17)

式中y1——標定后的扭矩，N·m

x1——實際得到的電壓，V

3.1.2角度信號采集

在玉米莖稈倒伏測量過程中，莖稈以一定速度倒伏，速度較慢，沒有產生加速度，因此選用靜態單軸傾角傳感器。傾角傳感器輸出的信號經數模轉換之后通過I2C數據總線傳輸到單片機進行處理。利用計算機串口和波特率調試標定軟件對傾角傳感器進行調試和標定。使用萬用表測量不同傾角下輸出的實際電壓值。傾角傳感器標定過程如圖10a所示，實際傾角與輸出電壓關系曲線如圖10b所示。

圖10 傾角傳感器標定Fig.10 Calibrations of inclination sensor

傾角傳感器輸出電壓和測量角度關系為

y2=35.511x2-89.451

(18)

式中y2——實際測量角度，(°)

x2——傳感器輸出電壓，V

3.2 上位機軟件

基于Android平臺開發了上位機軟件[18-19]，主要實現Android藍牙數據通信、主界面數據實時顯示、動態曲線繪制以及歷史數據的查詢和導出，能夠實時觀測和便捷獲得測量的數據。軟件流程如圖11所示，上位機軟件界面如圖12所示。

圖11 上位機軟件流程圖Fig.11 Upper computer software flow chart

圖12 上位機軟件界面Fig.12 Upper computer software interface

裝置工作時啟動藍牙，設備被搜索功能找到后與服務器建立上位機與客戶端數據采集顯示儀的藍牙連接。連接成功后，設備之間進行數據的傳輸共享，在顯示屏上進行數據顯示與動態曲線的繪制。數據采集完成后，可以對上位機軟件的歷史數據進行查看和導出，在支持的PC端用Excel方式打開，方便后續進一步分析。

4 試驗設計與結果分析

4.1 角度精確性試驗

4.1.1試驗目的

進行田間試驗前，應校核裝置檢測結果的精確性，即裝置的重復測試精度應滿足檢測要求。

4.1.2試驗方法

2019年9月，在中國農業大學西校區試驗基地，以檢測角度與實際角度偏差為試驗指標，以自制裝置輸出角為試驗因素進行測量角度精確性試驗。在田間通過控制器控制裝置旋轉，每株玉米測量10°、20°、30°共3個角度，每組測試重復10次。記錄自制裝置檢測的角度與數顯角度尺量取的角度。

其中誤差消除采用抵消法，消除誤差示意圖如圖13所示，采用數顯角度尺進行倒伏角的測量。采用上述測量方法可抵消人工操作誤差或儀器誤差。實際角度計算過程為

(19)

式中δ——實際豎直倒伏角，(°)

δ1——玉米莖稈倒伏角第1次測量值，0°<δ1<90°

δ2——第1次測量對側位置測量值，90°<δ2<180°

圖13 實際角度測量誤差消除示意圖Fig.13 Schematic of actual angle measurement error elimination

4.1.3結果與分析

以自制裝置輸出時所測得的實際角度與偏差結果如表1所示。

表1 自制裝置檢測角度與實際角度對比結果Tab.1 Comparison between detection angle of self-made device and actual angle

試驗結果表明，在檢測角度均值為70°和30°時，自制裝置檢測角度與實際角度的實際偏差不超過1°，相對誤差約為3%，可滿足檢測系統檢測角度測量的要求[20]，即所設計裝置測量準確可靠，可以對抗倒性指標進行田間試驗。其中，檢測角度小于10°時的測量誤差較大的原因為，傳感器的安裝穩定性及施力角度會產生檢測結果的滯后現象。因此在實際田間試驗之前應對傳感器進行固定。同時在施力過程中保證施力方向與莖稈軸線方向呈90°夾角，使旋轉推動裝置實時保持垂直狀態進行測量。

4.2 加載速度穩定性驗證試驗

4.2.1試驗目的

進行田間試驗前，通過對裝置旋轉與人工旋轉加載速度穩定性的對比，實現所設計裝置加載速度穩定性的驗證。

4.2.2試驗方法

(1)無負載試驗

以轉動角度隨時間變化平穩性為試驗指標，進行裝置旋轉和人工旋轉對比試驗。無負載試驗，即不對玉米莖稈進行作用時，自制裝置與手持旋轉推動裝置分別轉動50°，測試重復3次。角度采集頻率為10 Hz。

(2)有負載試驗

2019年9月，在中國農業大學西校區試驗基地，利用裝置和人工分別對隨機選取的6株莖稈直徑相似、穗高一致的植株進行推動測量，角度采集頻率為10 Hz，記錄測量角度，并繪制角度-時間關系曲線。

4.2.3結果與分析

(1)無負載試驗

裝置工作時測得的角度與時間關系如圖14a所示，人工測得的角度與時間關系如圖14b所示。

圖14 無負載試驗結果Fig.14 No-load test results

(2)有負載試驗

裝置推動玉米莖稈時測得的角度與時間關系如圖15a所示，采用人工推動玉米莖稈進行測量時測得的角度與時間關系如圖15b所示。

圖15 有負載試驗結果Fig.15 Load test results

由圖14可知，當無負載時，所設計裝置測量轉動角度較人工測量更平穩，且進行重復試驗時，所設計裝置測得的數據波動小，而人工手持旋轉推動裝置由于推力不均勻造成測量數據波動較大。由圖15可知，當有負載時，所設計裝置測得的角度雖有一定波動，但在可接受范圍內，而人工測量轉動角度時由于隨著負載逐漸增加人工推力波動明顯變大，使測量數據波動顯著變大。因此，無論有無負載，玉米植株抗倒性測量裝置較人工手持裝置加載速度更穩定，測量精度更高。

4.3 田間試驗

4.3.1試驗目的

由角度精確性試驗和加速度穩定性驗證試驗可知，裝置運轉平穩，測量準確。為驗證所設計測量裝置工作的有效性以及探究衡量玉米莖稈抗倒性最佳指標，利用自制裝置開展了田間試驗。

4.3.2試驗設計

2019年10月初，在中國農業大學吳橋實驗站使用設計的玉米植株抗倒性測量裝置進行了田間試驗，裝置加載速度為0.2 r/min[21-23]。試驗玉米分為75 000株/hm2與105 000株/hm22個密度，玉米植株的物理特性如表2所示。

表2 不同品種和密度下玉米植株平均直徑和穗高Tab.2 Mean diameter and ear height of maize plants under different varieties and densities cm

4.3.3試驗過程與方法

對植株分別施加推力和拉力，并以最大抗推力矩和最大抗拉力為指標進行田間試驗，試驗測定項目包括測定莖稈最大拉力以及垂直推力矩下的莖稈彎曲強度。為保證測量時試驗材料的一致性，排除玉米植株本身的生理特性對測量結果的干擾，每個小區隨機選5株莖稈直徑相似、穗高一致的植株進行測量，總共有2個小區，即進行10次重復試驗，并調查選取玉米品種的田間倒伏率。

圖18 不同品種和密度下玉米推力矩與角度變化關系圖Fig.18 Relationships between thrust and angle change of corn under different varieties and densities

參考目前以抗拉力作為玉米抗倒性指標的方法[21,24]，莖稈最大抗拉力測定方法為：考慮不同品種、密度、植株間穗高差異以及重心的影響，量取玉米穗下45 cm[25]處做記錄，用拉力計垂直于莖稈拉至折斷，讀取最大力值，使用拉力計垂直拉莖稈的試驗過程如圖16所示。

莖稈彎曲強度的測定方法為：采用玉米植株抗倒性測量裝置，通過更換不同高度的折彎臂，在穗下45 cm處測定從垂直到倒伏的推力矩及傾角變化，以玉米根斷或莖折斷作為玉米倒伏判斷依據。

使用自制裝置垂直測量推動玉米倒伏的試驗過程，如圖17a所示。夾持部件夾持莖稈效果如圖17b所示，夾持單元可保證裝置施力方向與莖稈軸向始終保持垂直。

圖16 拉力計垂直拉玉米試驗過程Fig.16 Test process of vertical pulling corn with tension meter

圖17 自制裝置工作過程Fig.17 Working process of self-made device1.折彎臂 2.管子夾 3.夾持單元

4.3.4試驗結果與分析

使用自制裝置將采集到的樣本數據通過上位機軟件導出Excel表格，并對數據進行分析，對2個密度下6個品種的折斷角和最大折斷推力矩進行統計，所得數據如圖18所示，將不同密度和品種下玉米的平均折斷角及最大推力矩進行分析，得到的數據如圖19、20所示。將不同密度下6個品種的最大抗推力矩、最大抗拉力與田間實際倒伏率進行對比，結果如表3所示。

圖19 不同品種和密度下玉米最大推力矩Fig.19 Maximum pushing moment of corn under different varieties and densities

圖20 不同品種和密度下玉米折斷角Fig.20 Breaking angle of corn under different varieties and densities

表3 不同品種和密度下玉米最大推力矩、抗拉力與 平均倒伏率Tab.3 Maximum pushing moment, pulling force and average lodging rate of corn under different varieties and densities

(1)裝置檢測結果差異性分析

由圖18可得，不同品種下的推力矩達到最大值后變化趨勢不同，京單28和鄭單958在推力矩達到最大值后，絕大部分迅速減小到0，而登海618、登海605、紀元1號和浚單20在推力矩達到峰值后緩慢減小。

通過圖19、20可知，隨著密度的增加，6個玉米品種的折斷角和推力矩均減小。

在試驗過程中觀察到一般折斷推力矩達到最大后緩慢減小，玉米的根會斷，而折斷推力矩從最大很快減到0時，一般玉米會連根拔起，因此推測這種變化可能和玉米根系的錨固強度有關。

為驗證裝置檢測不同玉米品種時工作的有效性，即不同樣本間抗倒性檢測結果的差異性顯著才能滿足檢測要求，分別對表3中不同品種下的植株倒伏率進行了方差分析。方差分析數據如表4、5所示。

表4 75 000株/hm2下不同玉米品種倒伏率顯著性 差異分析Tab.4 Analysis of significant difference in lodging rate of different corn varieties under 75 000 plants/hm2

表5 105 000株/hm2下不同玉米品種倒伏率 顯著性差異分析Tab.5 Analysis of significant difference in lodging rate of different corn varieties under 105 000 plants/hm2

由方差分析結果可知，不同玉米品種的抗倒性具有顯著性差異，同時裝置對選取的6個品種抗倒能力以及2個種植密度下抗倒能力的測量結果與農學玉米專家研究一致[26-30]，即玉米品種抗倒能力由強到弱依次為：京單28、登海618、登海605、紀元1號、鄭單958、浚單20，且105 000株/hm2密度下玉米倒伏率大于75 000株/hm2密度下相應值。驗證了該裝置可以有效區分不同抗倒性的玉米品種。

(2)衡量抗倒特性指標

由表3可知，在密度為75 000株/hm2時，當最大抗推力矩大于18 N·m時，玉米倒伏率小于5%，當最大抗推力矩小于15 N·m時，玉米倒伏率大于20%。在密度為105 000株/hm2時，當最大抗推力矩大于11 N·m時，玉米倒伏率小于5%，當最大抗推力矩小于10 N·m時，玉米倒伏率大于18%。在密度為75 000株/hm2時，當平均最大抗拉力大于30 N時，玉米倒伏率小于5%，當最大抗拉力小于20 N時，玉米植株倒伏率大于20%。在密度為105 000株/hm2時，當平均最大抗拉力大于25 N時，玉米植株倒伏率小于5%，當最大抗拉力小于17 N時，玉米倒伏率大于20%。

為獲得衡量玉米莖稈抗倒性的最佳指標，運用SPSS軟件對試驗結果進行了相關性分析，通過計算得出不同密度下最大抗推力矩、最大抗拉力與倒伏率間的相關系數。相關性分析數據如表6所示。

表6 相關性分析Tab.6 Correlation analysis

由表6可知，玉米植株的最大抗推力矩、最大抗拉力與倒伏率之間存在著較為明顯的負相關性，即玉米植株的最大抗推力矩、最大抗拉力越大，其倒伏發生的概率就越低。由表6可知，在75 000株/hm2和105 000株/hm2的密度下，玉米植株的最大抗推力矩與倒伏率的相關系數分別為-0.971、-0.991，呈極高相關性，同時對比試驗中，75 000株/hm2和105 000株/hm2的密度下，玉米植株的最大抗拉力與倒伏率的相關系數分別為-0.873、-0.927，呈高度相關。其中，高密度田塊由于陽光水分不足，植株倒伏率高于低密度田塊，故種植密度越大，與倒伏率的相關系數越高。

由相關性分析結果可知，最大抗推力矩與實際倒伏率的相關性大于最大抗拉力與倒伏的相關性。因此可將最大抗推力矩作為衡量抗倒性的力學指標。在田間測量試驗過程中，也表明所設計的儀器測量精確、操作簡便。裝置的夾持部件直徑為30 mm，因此也可用于直徑為10～30 mm的莖稈抗倒伏性的測量。

其中，所設計電動裝置最大抗推力矩與倒伏率之間模型的相關系數大于手持裝置的相關系數[13]，進一步驗證了裝置的精確性。

4.4 裝置可靠性驗證試驗

通過田間試驗可知，選用最大抗推力矩作為玉米品種抗倒性指標較最大抗拉力更優。2020年，為驗證不同含水率下測量裝置的可靠性，以不同時期的玉米植株為試驗因素，選取與田間試驗不同的地塊，以植株最大抗推力矩為試驗指標進行了玉米植株抗倒性測量裝置可靠性驗證試驗。

試驗玉米選取鄭單958與浚單20，密度為75 000株/hm2與105 000株/hm2。采用抗倒性測量裝置分別測量植株在灌漿中期與成熟期時的最大抗推力矩，并統計倒伏率。

為保證試驗材料的一致性，排除玉米植株本身的生理特性對測量結果的干擾，每個小區隨機選5株莖稈直徑相似、穗高一致的植株進行測量，共有2個小區，即進行10次重復試驗。測量結果如表7所示。

表7 不同時期的玉米植株倒伏率Tab.7 Lodging rate of corn plants in different periods

由表7可知，在灌漿中期與成熟期，鄭單958的最大抗推力矩均大于浚單20，且75 000株/hm2下植株的最大抗推力矩大于105 000株/hm2下相應值。即品種鄭單958抗倒性優于浚單20，且75 000株/hm2密度下的植株抗倒性優于105 000株/hm2密度下抗倒性，測量結果與農學玉米專家研究一致[26]。驗證了玉米植株抗倒性測量裝置的可靠性。由于裝置可靠性驗證試驗與田間試驗時期、地塊、管理水平的不同，表6與表7中數據出現差異，屬于正常波動。

5 結論

(1)選用扭矩傳感器、傾角傳感器為檢測設備，搭建了以單片機為核心的數據采集系統，可實現數據的采集轉換和顯示。通過藍牙與上位機軟件進行通信可完成數據的傳輸，并實時顯示推力矩、角度和扭矩-角度變化曲線。

(2)施力方向與莖稈軸向呈90°作業時，該裝置檢測角度與實際角度的偏差為1°，可滿足檢測系統檢測角度測量的要求。對裝置工作的加載速度穩定性進行了驗證，由角度-時間關系曲線得知，裝置加載速度平穩。

(3)利用自制裝置在玉米穗下45 cm處測量倒伏最大推力矩的過程中，隨著密度的增加，6個品種的折斷推力矩和折斷角均減小。對于不同的玉米品種，裝置測得植株的抗倒性差異顯著，且結果與現有研究結論一致。

(4)田間試驗表明，玉米植株最大抗推力矩與倒伏率之間存在著較為明顯負相關性。兩個種植密度下，最大抗推力矩與倒伏率間相關系數均大于最大抗拉力，即選用最大抗推力矩為指標，相關性區分較大。在田間試驗基礎上利用最大抗推力矩為評價抗倒性指標進一步開展裝置可靠性驗證試驗，對不同時期的玉米植株進行了抗倒性測量，裝置測得不同時期的植株抗倒性均與現有研究結論一致。以上試驗驗證了玉米植株抗倒性測量裝置的可靠性，且表明最大抗推力矩可作為不同品種抗倒性評價依據。