Physico-Mechanical Properties and Architectonics of Stems as Indicators of Cereal Plants Resistance to Lodding

Толық мәтін

Зерновые культуры претерпевают многочисленные испытания от всходов до урожая. Одно из самых опасных – полегание, которое может привести к масштабным потерям зерна и его качества, а также большим проблемам при уборке.

Полегание – это смещение стеблей или корней от их вертикального размещения в результате воздействия ветра, дождя или росы, ослабляющих прочность крепления корня растения в почве и плотность ткани стебля. [1] Различают две формы полегания: корневое и стеблевое. Полегание повышает восприимчивость растений к вредителям и болезням, что отрицательно воздействует на развитие урожая (уменьшение количества зерна на 1 м² и средний вес зерна). [3] Оно влияет на все виды злаков и многие другие культуры, например, масличные.

Снизить эти потери можно с помощью селекции, создавая растения пониженной высоты (в основном, интрогрессией генов карликовости). [2, 5] Растения с сильным, прочным стеблем, то есть с увеличенным диаметром их оснований и толстыми стенками, могут быть получены также уменьшением нормы высева или внесением меньшего количества азота.

Попытки повышения урожая прибавкой доз органических и минеральных удобрений, создание оросительных систем и другие крупные мелиоративные мероприятия, направленные на улучшение общего агрофона, очень часто не достигают желаемых результатов и экономически не оправданы. Лишь сорт, обладающий устойчивостью против полегания, наряду с другими хозяйственно ценными признаками, может отвечать возрастающим требованиям современного земледелия. Благоприятное сочетание морфологических, анатомических, физиологических и биохимических свойств в сорте обусловливает его устойчивость против полегания и повышение урожая. [2, 5]

В решении проблемы реализации биологического потенциала хлебного злака в сообществе растений важное место занимают исследования полегания. [6–9] Физиологи единодушны во мнении, что полегание – это реакция на условия роста. [10]

Долгое время ученые пытались описать поведение стебля как упругого стержня с точки зрения математики и технической механики. Такие задачи остаются малоизученными, несмотря на их важность для многих биологических процессов. [11]

Существуют два основных метода для определения механических характеристик ткани стеблей злаков, включая упругость и прочность, такие как пределы упругости и текучести. В них заложены испытания на растяжение и изгиб. Однако тесты на сжатие или кручение, направленные на определение модуля упругости и пределов прочности при сдвиге, не имеют большой практической ценности. Это связано с тем, что такие напряжения в стеблях злаков от внешних факторов, как правило, не приводят к значительным деформациям.

При испытаниях на растяжение возникают технические сложности. Концы образцов необходимо зажимать в патроны, что вызывает их деформацию, влияя на точность результатов. Лабораторные установки для проведения таких испытаний часто дорогостоящие и сложные в использовании. С другой стороны, изгиб – наиболее актуальный вид напряжений для стеблей злаков, поскольку именно он чаще всего приводит к полеганию растений. Наибольшие деформации обычно происходят у корня (прикорневое полегание).

Таким образом, исследуя упругость и прочность стеблей растений рационально использовать изгиб, представляющий собой сочетание растяжения на одной стороне стебля и сжатия на другой, что позволяет моделировать реальные условия полегания. Для таких испытаний можно применять простое оборудование, включающее штативы с зажимами, нити и линейку для измерения прогиба, что делает процесс исследования доступным и экономически оправданным (рис. 1).

Цель работы – определить физико-механические свойства и параметры архитектоники стеблей злаков, которые можно использовать для построения модели полегания.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Многолетние (1997–2020 годы) наблюдения и эксперименты проводили на опытных полях в учхозе «Кубань» ФГБОУ ВО КубГАУ имени И.Т. Трубилина, ФГБНУ «НЦЗ имени П.П. Лукьяненко», ФГБНУ «ФНЦ РИСА», на почвах, соответствующих южной климатической зоне Краснодарского края (слабовыщелоченные и выщелоченные малогумусные черноземы). Растения бамбука рода Phyllostachys выращивали в естественных условиях г. Сочи. Климат зоны – умеренно-мягкий. Метеорологические условия были близки к многолетней норме.

В опытах использовали мочевину, аммиачную селитру, двойной суперфосфат и хлористый калий, которые вносили стандартными дозами. Растения десяти сортов озимой и яровой пшеницы, тритикале, озимого и ярового ячменя, сорго, десяти гибридов кукурузы, четырех сортов ржи, риса собирали вручную, случайным образом в фазы вегетации, опасные с точки зрения полегания (цветение, молочно-восковая и полная спелость).

На специально сконструированной лабораторной установке при изменяющейся поперечной силе для растений пшеницы сделали 19700 замеров прогибов стеблей, ржи – 2700, тритикале – 9000, ячменя – 18000, кукурузы – 8100, сорго – 3600, бамбука – 2500, риса – 2824 (рис. 1).

Рис. 1. Установка для определения прогиба пробы стебля: 1 – штативы; 2 – лапки; 3 – груз; 4 – проба стебля; 5 – нить; 6 – стол; f – прогиб пробы стебля в середине под действием силы Р.

Осуществляли замеры «напряжение-деформация» для стеблей злаков, применяя различные расстояния между зажимами штативов (0,2 … 1,0 м), что обеспечивало отсутствие масштабного эффекта. Повторность – от трех до десяти раз, прогиб в середине стебля, относительно натянутой нити, измеряли штангенциркулем с точностью до миллиметра. Давление на образцы – от 0,1 … 0,2 Н до 20 … 40 Н, пробы подвергали нагрузке 10 … 20 раз.

При подготовке образцов стеблей замеры диаметров концов выполняли с точностью до десятых долей миллиметра. Формулы для вычисления диаметров стебля учитывали средние наружные (D) и внутренние (d) диаметры на концах стебля.

На основании полученных данных были построены диаграммы «напряжение-деформация» для разных культур, сортов и гибридов в различные фазы вегетации. Их использовали для определения важных механических характеристик, таких как модуль Юнга, пределы упругости и текучести. Пробы вырезали из различных частей стебля.

Диаметры проб стебля вычисляли по формулам:

$D=\sqrt[4]{\mathrm{0,5}\left(D_1^4+D_2^4\right)}; d=\sqrt[4]{\mathrm{0,5}\left(d_1^4+d_2^4\right)}$,

где D₁, d₁ и D₂, d₂ – средние наружные (D) и внутренние (d) диаметры пробы концов стебля.

По результатам строили диаграммы напряжения-деформации для всех культур, сортов и гибридов в три фазы вегетации.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Проанализировав диаграммы «напряжение-деформация» была разработана схема оценки устойчивости растений злаков к полеганию. Применение математического моделирования и технической механики помогло объяснить как растения, за исключением кукурузы и риса, сохраняют целостность стеблей при воздействии неблагоприятных природных факторов (ветер, дождь, роса) (рис. 2).

Рис. 2. Общая диаграмма «напряжение-деформация» для стеблей ржи (все фазы, полевой опыт, 2011–2019 годы).

Длина стеблей растений варьирует от 53 см (яровой ячмень) до 187 см (кукуруза). Диаметры корней изменяются от минимального значения у яровой пшеницы (2,5 мм) до максимального у кукурузы (24 мм). Мокрые растения кукурузы, риса и сорго могут сохранять вертикальную устойчивость при заданных параметрах архитектоники, в отличие от ячменя, пшеницы, ржи и тритикале.

Определены изменения, которые необходимы для поддержания вертикальной устойчивости растений. Например, для озимой пшеницы потребуется увеличение диаметра колоса на 8 … 33% и сокращение длины стебля – 12 … 21%. Для других злаков (яровая пшеница, рожь, тритикале, ячмень) были рассчитаны аналогичные изменения в параметрах стебля и колоса (рис. 3).

Рис. 3. Алгоритм подбора оптимальных параметров устойчивости к полеганию злаковых растений. L – длина стебля, D₀ – наружный диаметр стебля у корня, D – наружный диаметр стебля у колоса (метелки).

Например, для увеличения массы метелки среднерослых и длинностебельных сортов сорго методами селекции на 50% следует уменьшить длину стебля на 17 … 28%, увеличивая диаметр стебля у метелки на 4 … 9%.

Для сохранения устойчивости к полеганию необходимо увеличение диаметра стебля у корня на 10% для кукурузы, в 1,4 … 1,5 раза предела текучести ткани стебля для риса.

Нами определены, в зависимости от фазы вегетации изменяющиеся величины модуля Юнга, пределы упругости и текучести тканей стеблей растений злаков.

Модуль Юнга: для риса – 1250 МПа, кукурузы, тритикале, ячменя, пшеницы – 1865 … 2243, ржи и сорго – 2915 … 3022, бамбука – 14722 МПа. Для древесины бука – 12200 МПа, лиственницы – 14000 МПа, это в 14 раз меньше данного показателя для низкосортной стали (200000 МПа) (рис. 4). Пределы упругости для риса – 4,4 МПа, тритикале, ячменя, кукурузы, пшеницы – 13,3 … 17,7 ржи, сорго – 19,1 … 22,7, бамбука – 112,2 МПа. Для древесин бука – 95,3 МПа, лиственницы – 98,7 МПа, в 1,8 раза меньше этого показателя для низкосортной стали (200 МПа).

Рис. 4. Средние по фазам вегетации физико-механические свойства ткани стеблей злаковых растений.

Пределы текучести по фазам вегетации: у риса – 6,6 МПа, тритикале, ячменя, кукурузы, пшеницы, ржи – 16,1 … 25,8, сорго – 30,4, бамбука – 138,7 МПа.

Выводы. На основе многолетних исследований растений десяти важнейших культурных злаков, охватывающих 82 контрастных сорта в трех фазах их вегетации и при разных уровнях применения удобрений, определили ключевые параметры их архитектоники и физико-механических свойств. Результаты были получены с использованием научно обоснованных подходов, включая математическое моделирование и методы технической механики.

Некоторые параметры архитектоники и прочности стеблей злаков

Ключевыми достижениями стали точные и статистически значимые показатели (модули Юнга, пределы упругости и текучести тканей стеблей). Выявлено, что конструктивные особенности архитектоники растений влияют на обеспечение равномерного сопротивления стебля воздействию внешних сил и моментов в каждом его сечении. Эти теоретические результаты позволяют не только количественно оценивать действие природных факторов на деформацию и полегание стеблей злаков, но и формулировать перспективные направления их селекции, для улучшения устойчивости к неблагоприятным условиям.

Авторлар туралы

I. Arinicheva

Хат алмасуға жауапты Автор.
Email: loukianova7@mail.ru

Grand PhD in Biological Sciences, Professor

V. Griguletsky

Email: loukianova7@mail.ru

Grand PhD in Technical Sciences, Professor

Әдебиет тізімі

Қосымша файлдар

Қосымша файлдар

Әрекет

1. JATS XML

Жүктеу

2. Fig. 1. Installation for determination of stem sample deflection: 1 - tripods; 2 - legs; 3 - weight; 4 - stem sample; 5 - thread; 6 - table; f - stem sample deflection in the middle under the influence of force P.

Жүктеу (1KB)

Метадеректер

3. Fig. 2. General stress-strain diagram for rye stems (all phases, field experiment, 2011-2019).

Жүктеу (28KB)

Метадеректер

4. Fig. 3. Algorithm of selection of optimal parameters of resistance to lodging of cereal plants. L - stem length, D0 - stem outer diameter at the root, D - stem outer diameter at the ear (panicle).

Жүктеу (15KB)

Метадеректер

5. Fig. 4. Average physical and mechanical properties of cereal stem tissue by vegetation phases.

Жүктеу (30KB)

Метадеректер