高密度种植玉米的茎秆机械组织结构及力学特性研究

国内外超高产玉米的种植密度一再提高。然而高密度种植的技术瓶颈是倒伏。许多倒伏的因素都与茎秆承载力有关。而茎秆承载力与支撑力的产生、大小及表现依赖于茎秆内部的组织结构。本项目基于玉米高产要高密、高密易倒伏的现实，开展高密度种植玉米茎秆结构及其生物材料力学性质的研究，通过对玉米茎杆最易发生倒伏的基数第三节间组织的显微结构、木质素在表皮及其内侧机械组织、维管束、基本组织中的分布进行显微观察，研究其机械组织的厚度、机械组织细胞层数，纤维、导管的长度和粗度；扫描电镜观察茎秆各主要组织结构，研究机械组织的厚度、细胞层数、纤维细胞壁厚度、后生木质部导管口径，化学方法测定木质素含量、生物材料力学方法测定玉米茎秆的材料强度、弹性模量、刚度、撕裂破坏力等参数，建立茎秆结构与承载力关系的数学模型，结合高密种植下茎秆结构特点、力学性能特点，创新一个确定玉米最大种植密度的茎秆组织结构-材料力学性能的方法。

基于我国玉米大面积高产栽培中，高密度下遇到季节性强风雨等外力的作用，极易出现茎折倒伏而导致大面积减产这样一个共同的现实问题，开展了高密度种植玉米的茎秆机械组织结构及力学性质研究。. 本项目开展了以下5个方面的研究：研究了不同种植密度玉米茎秆生物性状与田间倒伏的关系；探讨了高密度种植玉米茎秆基数三节主要化学成分含量、分布与变化规律；观察了高密度种植玉米茎秆基数三节的组织结构；研究了不同种植密度玉米茎秆生物材料力学性质；建立了玉米茎秆组织结构与生物材料力学模型。.研究发现了在高密度栽培条件下玉米茎秆机械组织结构的疏松，是导致玉米茎秆抗倒伏能力下降的内部原因，进而阐明了高密度种植玉米茎折倒伏的根本原因在于其力学性能的低下。同时对影响玉米茎秆力学性能的环境因素进行了探讨，并获得国家实用新型专利1项（便携式玉米氮肥追施装置（ZL 2014 2 01735605.6），出版《中国北方玉米栽培》专著（副主编）1部。运用材料力学理论，分析了玉米秸秆在强风雨等外力作用下，发生茎折倒伏的基本力学问题。结合玉米植株的生物学性质，推导出悬臂梁模型3种荷载方式下，玉米秸秆处于实心秆和空心秆2种横截面形态时，是否计算迎风面积2个假定条件下的12个数学生物物理力学方程，用以表征玉米植株生物学性状与秸秆力学性质的数量关系，从而确立了玉米茎秆受力的生物力学模型。并从中发现株高和茎粗，尤其是作为其两者之比的柱形指数，是普遍且重要的影响玉米植株茎折倒伏的生物物理学参数；进一步从生物学和数学科学的角度，明确了柱形指数的生物学意义与数学意义，为茎折倒伏的多目标防控和抗倒伏品种的选育奠定了生物力学基础。