小麦持风力及风力缓冲作用的研究

刘水利，宋瑜龙，李够霞，王新刚，刘社农

(1.西北农林科技大学 场站管理中心，陕西杨凌 712100；2.西北农林科技大学 农学院，陕西杨凌 712100；3.西北农林科技大学水土保持研究所，陕西杨凌 712100)

小麦持风力及风力缓冲作用的研究

刘水利1，宋瑜龙2，李够霞3，王新刚1，刘社农1

(1.西北农林科技大学 场站管理中心，陕西杨凌 712100；2.西北农林科技大学 农学院，陕西杨凌 712100；3.西北农林科技大学水土保持研究所，陕西杨凌 712100)

为了研究小麦的抗风倒能力，设计小麦持风力测验仪，利用风洞提供风源，测试不同品种穗、旗叶和上部茎段的持风力差异，分析不同茎秆强度的品种对风力的缓冲效果。结果表明：旗叶的持风力与上部0.30 m长的茎段持风力相当，穗的持风力是旗叶持风力的2～3倍。穗长差超过0.02 m，其持风力差异显著(P<0.05)。不同强度茎秆对风力缓冲效果不同，较小的茎秆强度品种‘周麦18’，对于强风(风速大于11 m/s)具有较大的缓冲效果，其抗倒风力与‘AT15’同为15 m/s。因此，穗的持风力是主要致倒力，茎秆强度较小的品种风力缓冲效果优于茎秆强度较大的品种。

小麦；穗；茎秆强度； 持风力；缓冲作用

倒伏不仅是小麦减产的重要原因，还是小麦高产的瓶颈。倒伏程度不同，最高减产幅度可达50%[1]左右，抗倒伏是小麦育种的主要目标之一[2]，倒伏还影响小麦的品质和机械收割。因此，研究小麦的抗倒性能对于抗倒栽培和抗倒育种都具有重要意义。

小麦倒伏的原因比较复杂。影响小麦倒伏既有自然因素，又有品种因素和栽培因素；倒伏类型既有茎倒伏又有根倒伏。矮秆是小麦抗倒的重要标志，研究[3-5]普遍认为：株高或重心高度与抗倒性高度相关。降低株高对于实现小麦产量由低产到高产的跨越有着重要作用。但是茎秆不是越低越好，茎秆过低会带来抗旱性能降低，通风透光变差，病害严重等诸多负面效应[6-7]。选育超级高产小麦品种，在适宜茎秆高度条件下，必须提高小麦综合抗倒性能。王勇等[4,6]提出抗倒指数的概念，开始较早利用株高，基部茎秆刚度，单茎质量等几个重要因素综合评价小麦抗倒性能。闵东红等[8]研究了一些亚性状对抗倒性的影响。袁志华等[9]还研究了小麦的风荷载。但是有关小麦持风力和茎秆对于风力缓冲作用的研究报道较少。风力是小麦致倒的主要外因，研究小麦持风力及不同强度茎秆对风力缓冲效果，对于提高小麦综合抗倒性能具有一定的参考价值。

1 材料与方法

1.1 小麦持风力分析

气流对受体作用力的大小，与受体的迎风面大小有关，受体迎风面积越大，持风力越大，受体迎风面积越小，持风力越小。小麦穗、茎、叶是持风力的主体，小麦穗、茎、叶的有效受力面影响其持风力大小。由于小麦群体密集茎秆的风障作用，气流在小麦群体上层流速较快，中下层风速较小，因此穗、旗叶和穗下茎段是持风的主要部位，中下部茎、叶持风力也较小。小麦叶片和茎秆具有一定弹性，在风力作用下，有效持风面有一定变化。穗、茎、叶受风姿态的改变总是朝着受力减小的方向变化，这种变化使小麦对于风力具有一定的缓冲作用。缓冲作用的大小与茎秆强度有关，缓冲作用的结果不但减小了持风力，同时减小了作用力臂。小麦对风力的缓冲作用是小麦处于应激状态的自我调整。

1.2 测定方法

1.2.1 持风力矩与抗倒风力 持风力矩和抗倒风力用自制的小麦茎秆力矩测量仪测量，风源风速由风洞试验台模拟提供，气象条件：气温27 ℃，空气相对湿度54%。小麦茎秆力矩测量仪其原理和结构如图1。测量时将小麦茎秆插入测量仪的茎秆插孔内，若茎秆插入后间隙较大会影响测试结果，需进行蜡封固定。测量仪放置的轴向与风向垂直。

1.2.2 茎段强度和弯曲限度 将茎段一端插入小麦茎秆力矩测量仪的茎秆插孔内，在茎秆另一端的施力点上横向施力，茎秆折曲的最大力矩为茎段强度，茎秆折曲时的最大偏转角为茎段弯曲限度。

1.力矩表 Torque meter ；2.小麦茎秆 Wheat stalk；3. 风力方向 Wind direction；4.架体 Stent

1.3 试验方法

1.3.1 试验材料 试验材料为‘周麦18’、‘小偃22’和‘AT15’的主茎或主茎茎段，取样时间为小麦蜡熟期，取样密度600×104～675×104hm-2。于2015年陕西杨凌国家小麦区域试验点(东经108°4′，北纬34°16′)取样。

1.3.2 穗茎叶持风力测验 取穗下部茎长0.30 m，保留旗叶和穗，从茎秆的空腔内插入一根粗0.003 m，与茎段等长的钢丝，测量茎秆直立时的穗茎叶持风力矩，去掉穗测量所得为茎叶持风力矩，去掉穗和旗叶叶片所得为茎的持风力矩。计算穗持风力矩、茎持风力矩和叶片持风力矩。重复3次，取平均值为观测值。

旗叶持风力矩=茎叶持风力矩-茎持风力矩

穗持风力矩=穗茎叶持风力矩-茎叶持风力矩

1.3.3 不同穗长持风力矩测验 测量部位、长度和处理方法同“1.3.2”，去除旗叶叶片。穗长设5个处理：0.08 m、0.07 m、0.06 m、0.05 m、0.04 m。穗长超出设计长度的用剪刀从顶部剪掉，每个小穗只保留基部3个籽粒，多余的籽粒从顶部用镊子去掉，使穗质量控制在同一水平。测量比较茎秆直立时不同穗长的持风力矩，重复3次，观测值为3次平均数。

1.3.4 不同强度茎秆抗倒性试验 试验材料为3种不同强度茎秆的品种，取茎秆高度为0.75 m，穗长均为0.08 m，穗质量控制方法同“1.3.3”，只保留旗叶叶片。测量时在茎秆前竖立1个高0.45 m的挡风板，茎秆上部露出0.30 m。记录茎秆倒伏时的风速。取3次平均数为观测值。

1.3.5 不同强度茎秆对风力缓冲效果试验 试验材料和测试方法同“1.3.4”，试验风速为5个水平：5 m/s、 7 m/s、9 m/s、11 m/s、13 m/s。分别记录3个品种不同处理下的株高、穗倾角和致倒力矩，取3次平均数为观测值。穗倾角测量方法：用角度测量仪测量不同风速时穗的纵向轴线的倾斜角度。

2 结果与分析

2.1 穗茎叶持风力矩测验分析

穗、茎、叶持风力矩测验结果如表1。穗的持风力矩最大，冠茎的持风力矩次之，旗叶持风力矩最小，穗的持风力矩是旗叶与冠茎的2～3倍。不同品种间，穗持风力矩差异显著，冠茎间和旗叶间持风力矩差异不显著。说明穗差异是品种持风力差异产生的主要原因，穗持风力是致倒力的主要来源。

2.2 不同穗长持风力矩测验分析

不同穗长持风力矩测验结果如表2。3个小麦品种不同穗长之间差异显著性结果一致，2个相邻处理间差异不显著，2个相间处理间差异显著，即穗长相差0.01 m持风力矩差异不显著，当穗长相差0.02 m以上时持风力矩差异显著。

2.3 不同强度茎秆抗倒性试验分析

由表3可知，品种‘AT15’茎秆强度最大，‘小偃22’次之，‘周麦18’茎秆强度较小。‘周麦18’茎秆弯曲限度最大，‘小偃22’次之，‘AT15’最小。3个不同品种抗倒风力均达15 m/s左右,最大致倒风力差异不显著，茎秆强度较小、弯曲限度却较大的品种‘周麦18’与茎秆强度较大、弯曲限度却较小品种‘AT15’具有相同的抗倒性能。说明较大的茎秆弯曲限度能够弥补茎秆强度的不足，茎秆弯曲限度是抗倒的重要因素。

表1 不同品种不同部位持风力矩

注：风速13 m/s，同列小写字母不同表示差异显著(P<0.05)。下同。

Note: The wind speed is 13 m/s,values within a column followed by different letters are significantly different(P<0.05). The same below.

表2 小麦不同穗长持风力矩

表3 不同小麦品种抗风倒性比较

注：Ⅰ.茎秆强度；Ⅱ.茎秆弯曲限度。

Note：Ⅰ.Stem strength；Ⅱ.Stem bending limit.

2.4 不同强度茎秆品种对风力缓冲效果分析

不同强度茎秆品种对不同风力缓冲效果测验结果如表4。随着风速增大3个品种致倒力矩表现不同的增加态势。风速小于9 m/s，‘周麦18’的致倒力矩大于‘AT15’。风速大于11 m/s，‘周麦18’的致倒力矩小于‘AT15’。说明‘周麦18’对强风的缓冲效果大于‘AT15’。风速由5 m/s增加到13 m/s，‘周麦18’持风高度降低22.6%，而穗迎风角度减小88.8%，说明穗迎风角度减小是‘周麦18’对强风具有较好缓冲效果的主要原因。不同强度茎秆品种在不同大小风速作用下致倒力矩变化过程对比如图2。

表4 不同强度茎秆对风力缓冲作用试验

3 结论与讨论

穗部的持风力矩是风力矩主要来源，较大穗长差异持风力矩差异显著。由于小麦群体密集茎秆的风障作用，在小麦群体下部风的流速较小，上部流速较大。下部茎、叶持风力较小，产生的力矩也较小。上部的穗、茎、叶持风力较大，是风力作用的主要部位。穗的迎风面积和作用力臂大于冠茎和旗叶，穗的持风力矩是冠茎及旗叶的2～3倍，因此，穗的持风力矩是小麦风力矩主要来源。不同穗长持风力矩大小不同，穗长差异超过0.02 m，其持风力矩差异达显著水平。

小麦对风力的缓冲作用大小与茎秆强度有关，强度较小的缓冲效果较大，强度较大的缓冲效果越小。风力矩主要来源于穗部的持风力矩，茎秆强度越小的，茎秆越易弯曲，茎秆弯曲度越大，穗的有效持风长度越小，穗部持风力矩越小，所以茎秆对风力矩的缓冲效果与茎秆强度有关。

图2 不同风速下不同小麦品种持风力矩

茎秆强度较小的品种不一定抗倒性差。小麦致倒力矩是重力力矩与持风力矩之和。重力力矩随着茎秆倾斜度的增加而增加。穗的持风力与穗部有效持风长度和风力大小有关，随着风力增加，单位穗长持风力矩增加，随着风力增加穗的倾斜度增加，穗的有效持风长度却减小。较小风速时，茎秆强度较小的品种其致倒力矩大于茎秆强度较大的品种。当风力超过11 m/s，茎秆强度较小的品种致倒力矩反而小于茎秆强度较大的品种。小麦茎秆倒伏与否取决于茎秆强度与致倒力矩的对比，致倒力矩大于茎秆强度时倒伏发生，致倒力矩小于茎秆强度时倒伏不发生。有的品种茎秆强度虽然较小，较大风力时，产生的致倒力矩也较小，因此，不能简单的用茎秆强度判定品种的抗倒性大小，茎秆强度较小的品种不一定抗倒性差。不同强度茎秆抗倒性试验结果，‘周麦18’与‘AT15’具有相近的抗倒性，主要因为‘周麦18’的茎秆具有较大的弯曲限度，穗部可倾斜85°，具有较大弯曲限度的茎秆倒伏时倾斜程度大，倾斜程度越大风力缓冲作用越大。因此，在小麦育种中，注重加强茎秆弯曲限度的选择，强度较小的茎秆也能获得较好的抗倒性能。

小麦倒伏分为茎倒伏和根倒伏。对于根倒伏来说，品种抗性大小，主要取决于根系的锚定力大小[3]，适宜的茎秆强度和较大茎秆弯曲限度的品种，由于具有较好的风力缓冲效果和较小的致倒力矩，不论对于抗茎倒伏，还是抗根倒伏都是有利的。本试验结果与茎秆强度越大抗倒性越强[2，4]的观点并不矛盾。该试验旨在分析不同茎秆强度对风力的缓冲效果，提高茎秆弯曲限度对于抗倒性的作用，探讨提高小麦综合抗倒力的方法。既有较大强度又有较大弯曲限度的茎秆，或是理想的抗倒类型。至于小麦茎秆弯曲限度与抗倒性的相关度，弯曲限度与茎秆强度关系，影响茎秆弯曲限度的因素等还有待于进一步研究。

小麦穗长是重要的经济性状，不可能采用减小穗长的办法提高抗倒性。大穗品种产生的风力矩较大，若能加强茎秆弯曲限度的选择，对于提高小麦综合抗倒性能或有较好效果。

小麦穗的大小与穗长和穗宽有关，因穗长的变异范围较大，本试验处理的设计主要以穗长为主。小麦茎秆强度与密度和生育期有关，取样密度600×104～675×104hm-2，是一般品种高产栽培密度[10-11]，蜡熟期是小麦穗期中时间最长的时期，杨凌是国家小麦重要育种基地，也是国家重要的小麦区域试验点，该试验设计具有一定的代表性。

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(责任编辑：成 敏 Responsible editor:CHENG Min)

Upright-keeping and Wind Cushioned Abilities of Wheat

LIU Shuili1,SONG Yulong2,LI Gouxia3,WANG Xingang1and LIU Shenong1

(1.Station Management Center,Northwest A&F University,Yangling Shaanxi 712100,China;2.College of Agronomy,Northwest A&F University,Yangling Shaanxi 712100,China;3.Institute of Soil and Water Conservation, Northwest A& F University, Yangling, Shaanxi 712100, China)

The wind-induced lodging of wheat is not only related to both of wind force and wheat ability of withstand wind. To study windthrow resistance of wheat,a wheat ability of withstand wind tester was designed in this study. The wind was supplied by wind tunnel,the ability of withstand wind of the spike,flag leaf and distal part of stem were tested in different cultivated varieties. In addition,the cushioning effect of different stalk strength on the wind was analyzed. The result showed that the ability of withstand wind of both flag leaf and its distal part of stem were about 0.30 m. The ability of withstand wind of spike was 2-3 times than that of flag leaf. The difference of the ability of withstand wind was significant (P<0.05),only when the difference of spike length would be more than 0.02 m. There were different cushioning effects on wind because of the different stalk strength.‘Zhoumai 18’ with a relatively small stalk strength performed larger of cushioning effect on strong wind (wind speed>11 m/s). Identical as ‘AT15’,the level of lodging resistance of ‘Zhoumai 18’ was 15 m/s. Therefore,the ability of withstand wind of spike was the main lodging ability of the wind. Cushion of the ability of withstand wind,stem strength smaiier varieties is superior to the stem strength larger varieties.

Wheat; Spike; Stalk Strength; The ability of withstand wind; Cushioning

LIU Shuili,male,agronomist. Research area:wheat breeding and agricultural mechanization research. E-mail:sui87083081@163.com

2016-04-12

2016-07-14

国家自然科学基金(31171611)；西北农林科技大学唐仲英育种基金(2015)。

刘水利，男，农艺师，从事小麦育种和农机化研究。E-mail:sui87083081@163.com

日期：2016-12-12

网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1220.S.20161212.1114.014.html

S512.1

A

1004-1389(2016)12-1787-05

Received 2016-04-12 Returned 2016-07-14

Foundation item The National Science Foundation of China(No.31171611)；Tangzhouying Breeding Foundation of Northwest Agriculature and Forestry University(No.2015).