全 文 ：作物学报 ACTA AGRONOMICA SINICA 2008, 34(4): 653−661 http://www.chinacrops.org/zwxb/
ISSN 0496-3490; CODEN TSHPA9 E-mail: xbzw@chinajournal.net.cn

基金项目: 北京农业育种基础研究创新平台项目; 国家“十一五”科技支撑计划“粮食丰产科技工程”项目(2006BAD02A13)
作者简介: 勾玲(1966−), 女, 副教授, 在职博士生, 研究方向: 作物高产抗逆生理研究。E-mail: glxj8162@sina.com
*
通讯作者(Corresponding author): 赵明(1955−), 男, 博士, 研究员, 博士生导师。Tel: 010-68918752; E-mail: zhaomingcau@163.net
Received(收稿日期): 2007-06-06; Accepted(接受日期): 2007-09-18.
DOI: 10.3724/SP.J.1006.2008.00653
玉米茎秆弯曲性能与抗倒能力的研究
勾 玲 1,3 赵 明 2,* 黄建军 3 张 宾 1 李 涛 1 孙 锐 1
(1 中国农业大学农学与生物技术学院, 北京 100094; 2 中国农业科学院作物科学研究所, 北京 100081; 3 石河子大学新疆兵团绿洲生
态农业重点实验室, 新疆石河子 832003)
摘 要: 为探讨不同玉米品种茎秆抗倒伏相关的力学特点, 选用不同抗倒性品种登海 3719、京科 519和农大 108, 设
置 3.00、5.25、7.50、9.25和 12.00万 hm−2 5个密度, 分别于玉米抽雄前和蜡熟期取样, 用 WDW3020型电子万能试
验机对茎秆第 3、5、7节间进行悬臂梁弯曲试验, 同时测定节间形态特征。结果表明, 随密度的增加, 茎秆基部节间
直径变细、节间长度增长。品种间有一定的差异, 在 3个品种中登海 3719的平均直径和长度均低于其他 2个品种; 品
种间茎秆惯性矩也有较大差异。基部节间弹性模量、最大抗弯应力均随生育进程而增加, 但随群体密度的增加和节
位的上升而逐渐降低, 登海 3719 在两个生育期均为最大, 且随密度增加的下降幅度较小。以京科 519 最低, 其对密
度反应较敏感, 下降幅度大, 易发生倒伏。在玉米抽雄期, 基部节间平均弹性模量为 40.0 MPa, 最大抗弯应力为 2.8
MPa, 可能是茎秆抗折力学指标的下限。茎秆弹性模量与最大抗弯应力极显著相关, 茎秆直径与弹性模量和最大抗弯
应力在抽雄前显著正相关, 而到蜡熟期相关不显著。它们与田间倒伏率呈极显著负相关。茎秆弯曲弹性模量反映茎
秆的耐密能力, 茎秆最大抗弯应力反映品种茎秆的抗折能力, 而茎秆直径不能作为评价茎秆抗弯强弱的主要指标。玉
米抽雄前期与蜡熟期茎秆抗弯性状的变化规律基本一致, 因此利用抽雄前茎秆基部弯曲力学性能鉴定与评价玉米茎
秆抗倒、耐密性是可行的。
关键词: 玉米茎秆; 弯曲试验; 弹性模量; 抗弯强度; 种植密度
Bending Mechanical Properties of Stalk and Lodging-Resistance of Maize
(Zea mays L.)
GOU Ling1,3, ZHAO Ming2,*, HUANG Jian-Jun3, ZHANG Bin1, LI Tao1, and SUN Rui1
(1 College of Agronomy and Biotechnology, China Agricultural University, Beijing 100094; 2 Institute of Crop Sciences, Chinese Academy of Agri-
cultural Sciences, Beijing 100081; 3 Key Laboratory of Oasis Ecology Agriculture of Xinjiang Construction Crops, Shihezi University, Shihezi
832003, Xinjiang, China)
Abstract: High plant density is one of the cultivation measures for high yield in maize production, but may risk lodging during
the growing period. The occurrence of lodging is highly related to stalk mechanical intensity in addition to plant height and stalk
diameter. Some investigators have measured the indices of stalk intensity in maize, but we believe that the knowledge on bending
properties of maize stalk will give more mechanical explanation to lodging-resistance. In the present experiment, we employed
three maize cultivars, Denghai 3719 (high density-tolerant and lodging resistant), Jingke 519 (low density-tolerante and lodging
resistant), and Nongda 108 (moderate density-tolerant), and used universal hydraulic test equipment to investigate the Yong’s
modulus and the bending strength of stalk under five densities (3.00, 5.25, 7.50, 9.25, and 12.00 × 104 plants ha−1, respectively).
The basal 1st to 8th internodes of 3–8 plants from each treatment were sampled at pre-tasselling and dough stages, respectively.
The parameters of stem morphologic trait showed thinned internode diameter and longer internode at basal stem accompanying
with the increasing of maize planting density in all three cultivars, in which Denghai 3719 had the smallest values (internode di-
ameter and length). The moment of inertia of maize stalk varied among cultivars and among internodes, and close related to in-
ternode diameter. The Yong’s modulus and bending strength of maize stalk increased in the process of growth period, but de-
creased significantly with the increasing of planting density and the rising of internode position. The Yong’s modulus and the stalk
654 作 物 学 报 第 34卷

bending strength on the average of the 3rd and 5th internodes were 72.32 MPa and 4.05 MPa in Denghai 3719 at pre-tasselling
stage, while only 42.31 MPa and 2.80 MPa in Jingke 519 which were the stalk broken thresholds in high densities (7.5–12.0 × 104
plants ha−1). They went up by 100.8% and 129.3% in Denghai 3719 and 59.1% and 105.7% in Jingke 419, respectively at dough
stage. The results imply that the probable critical parameters of stalk broken are 40.0 MPa for Yong’s modulus and 2.8 MPa for
maximum bending strength at basal internodes at pre-tasselling stage in maize. The Yong’s modulus of stalk was significantly
correlated (P<0.01) with the bending strength. While the diameter of internodes was positively correlated (P<0.01) with Yong’s
modulus and bending strength of stalk at pre-tasselling stage, but not at dough stage. They were negatively correlated at P<0.01
with field lodging percentage. The Yong’s modulus could reflect the ability of tolerance to high densities of stalk, and the bending
strength of stalk to lodging resistance, however, the diameter of internodes was not a good indicator for evaluating stalk mechani-
cal strength. The bending mechanical properties of different cultivars under different planting densities showed similar trends at
pre-tasselling and dough stages, indicating the possibility of selection and evaluation for lodging-resistant maize cultivars at early
developmental stage.
Keywords: Maize stalk; Bending experiment; Yong’s modulus; Bending strength; Planting density
在玉米生产中, 增加群体密度是获得大面积高
产的关键措施之一[1-3], 但却往往增加茎秆倒伏的风
险。据估计, 由玉米茎秆倒伏而造成的产量损失每
年在 5%~25%左右, 甚至更高[4-6]。玉米从拔节到灌
浆乳熟期间, 均有可能由于大风和降雨的袭击而发
生倒伏; 倒伏发生越早, 减产幅度越大[6]。玉米倒伏
可分为根倒和茎倒(折)[7]。华北平原是我国玉米的重
要产区, 在玉米拔节到开花灌浆的关键时期正值高
温、寡照、多风雨的 7、8月, 易发生倒伏。据本研
究预备试验, 玉米倒伏的 30%~60%以上为茎折。茎
折破坏了茎秆的水分、养分和光合产物的输导系统,
往往造成的产量损失比根倒更为严重[8-9]。
玉米倒伏不仅与株高、茎粗等植株形态性状有
关, 而且与茎秆的机械强度关系密切。关于玉米茎
秆强度指标测定多位学者做了一定的探讨[10-21], 然
而关于玉米茎秆抗倒弯曲性能还缺乏深入试验研
究。本文在茎秆悬臂梁弯曲试验基础上, 考察抗倒
性不同玉米品种的茎秆弹性模量和最大应力的变化
及其对种植密度的响应, 探讨玉米茎秆力学性状和
机械质量的内在联系, 为玉米抗倒品种的选育和抗
倒评价指标的建立提供依据, 对提高玉米产量和品
质具有重要意义。
1 材料与方法
1.1 材料与试验设计
试验于 2005—2006 年在中国农业科学院昌平
实验站(40.13° N, 116.14° E)进行。选用耐密抗倒性强
品种登海 3719(株高 250 cm, 穗高 105 cm)、耐密抗
倒性弱品种京科 519(株高 295 cm, 穗高 140 cm)和
耐密抗倒性中等品种农大 108 (株高 280 cm, 穗高
135 cm)为试验材料。设 5个密度处理, 分别为 3.00、
5.25、7.50、9.25 和 12.00 万株 hm−2。播种时间分
别为 2005年 5月 9日和 2006年 5月 17日, 采用宽
窄行种植, 宽行 80 cm, 窄行 40 cm, 行长为 6 m, 6
行区, 小区面积 21.6 m2。各处理施肥灌水管理一致。
1.2 测定方法
于玉米抽雄前(7月 15—20日)和蜡熟期(9月 13
—17日)抽样测定, 每处理选择有代表性、生长一致
的 3~8 株, 去除叶鞘和穗, 由基部向上截取第 1~8
伸长节间(茎折主要发生在穗下节位), 量取各节间
长度和节间直径, 用塑料薄膜包裹好保鲜样品, 供
测定。两年的测定数据结果较为一致, 故本文主要
对数据较为完整的 2006年资料分析说明。
1.2.1 茎秆的力学模型和受力分析 玉米抽雄前
由于没有果穗的重力 , 可把茎秆看作是一端固定 ,
一端自由的杆或梁。此时可认为玉米群体密度是均
匀的, 群体内部的植株在同一平面上风速是均匀分
布的(图 1)。玉米倒伏与否, 由它所受的倒伏力(主要
是风力)和自身抗倒伏力决定。当倒伏力小于抗倒伏
力时植株不倒伏; 当倒伏力大于抗倒力时, 茎秆发
生弯曲至其最终局部失稳而折断, 这种茎秆悬折的
倒伏过程, 可近似看作悬臂梁弯曲的过程, 以此考

图 1 玉米茎秆的简化模型
Fig. 1 Sample model of maize stem
第 4期 勾 玲等: 玉米茎秆弯曲性能与抗倒能力的研究 655


察茎秆不同节间的弹性模量和最大弯曲应力(图 2)。
在玉米蜡熟期用同样的方法测定, 比较玉米抽雄前
和蜡熟期茎秆力学性状的差异。

图 2 悬臂梁弯曲加载简图
Fig. 2 Bending load of cantilever

1.2.2 茎秆抗弯应力试验方法与设备 试验在清
华大学强度与振动中心材料力学实验室完成, 使用
WDW-3020型电子万能试验机, 0.5级试验机精度。
采用悬臂梁弯曲方法, 将试样一端固定在金属支架
上 , 用曲面夹内垫厚海绵将茎秆被夹持部分包裹 ,
加载端的夹头用胶带固定防滑。加载时以 20 mm
min−1的速度向上运动。由试验机控制软件通过传感
器自动采集数据 , 并绘出茎秆弯曲的载荷位移曲
线。当试样发生明显撕裂曲折时停止试验, 试验机
给出最大应力的荷载(N)和位移(mm)。用公式(1)求
出茎秆截面惯性矩 yI , 对载荷位移曲线上的初始直
线段进行线性拟合得其斜率, 用公式(2)求出试样弹
性模量 E。由公式(3)和公式(4)得出抗弯截面系数
Wy, 进而求出试样的最大应力(弯曲强度)(MPa)。由
于玉米茎折主要发生在穗位下的伸长第 3~7 节间,
因此本试验分别在玉米抽雄前对地上部第 3、5节间
和蜡熟期地上部第 3、5、7 节间进行茎秆弯折力学
性质测定。
圆形惯性矩:
4π
64y
dI = (1)
其中, 将玉米茎秆截面近似为圆形, d 为茎秆的平
均直径。
茎秆的弹性模量:
3
3 y
FlE
fI
= (2)
式中, F表示梁中承受的载荷; l为梁的跨度, 即固
定端到受力点的距离 ; f 为试件中受力点的弯曲
位移。
抗弯截面系数: yy
I
w
d
= (3)
最大应力单位(抗弯强度): maxmax
y
F l
w
σ = (4)
式中, maxF 表示梁中承受的最大载荷; yW 为茎秆抗
弯截面系数。
1.2.3 倒伏调查 在田间分别对玉米抽雄前 3~5 d
(京科 519的大于 7.50万株 hm−2的群体)和蜡熟末期
(农大 108大于 7.50万株 hm−2群体)发生倒伏的小区
倒伏程度进行调查, 测定茎折、根倒(与地面夹角＜
30°)株数、发生折断的高度和节位。
1.3 数据分析
采用 SAS V8 软件包对数据进行差异显著性、
相关性分析。利用 Curve Expert 1.38软件进行回归
模拟, 通过筛选, 建立回归模型。
2 结果与分析
2.1 玉米穗下节间形态性状的变化
2.1.1 节间直径的变化 各品种抽雄前和蜡熟期
的玉米穗下节直径均随群体密度增加、节位上升而
缩小。抽雄前期至蜡熟期穗下节间直径略有增粗(表
1), 平均增加幅度为 0.5~1.5 mm, 植株较高的耐密
性弱品种京科 519 平均节间直径较大, 且增幅较大,
抽雄前第 3、5节间的平均直径为 23.3 mm和 21.0 mm,
比植株较矮且耐密性较强的登海 3719 (21.5 mm和
19.6 mm) 分别高 1.8 mm和 1.4 mm。密度小于 7.50
万株 hm−2时, 京科 519 第 3、5 节间的平均节间直
径分别增加 1.6 mm和 1.3 mm, 登海 3719仅增加 0.5
mm 和 0.8 mm。方差分析表明, 品种间及密度间的
差异均极显著, 其中京科 519 的节间直径极显著大
于农大 108和登海 3719, 后两者差异显著。
2.1.2 茎秆节间长度的变化 节间长度均随群体
密度增加、节位上升而有所增加(表 2)。但不同品种
的节间长度和增幅各不相同。抽雄前期京科 519 的
第 3、5节间长 153.5 mm和 204.7 mm, 较农大 108
分别长 3.0 mm和 10.9 mm; 较登海 3719分别长 31.8
mm和 37.4 mm。蜡熟期相应处理节间长度平均增加
25.2 mm 和 17.7 mm; 耐密抗倒性强品种登海 3719
节间较短, 抽雄前期第 3、5 节间平均长度为 121.7
mm 和 167.3 mm, 到蜡熟期其增幅较小, 仅为 13.9
mm和 12.3 mm。京科 519和农大 108节间长度差异
不显著而极显著长于登海 3719。
2.2 玉米基部节间惯性矩的变化
2.2.1 抽雄前期不同品种惯性矩的变化 品种间
抽雄前期节间惯性矩的变化差异较大(图 3), 以京科
519各处理平均值(12 978 mm4)最高, 比农大 108(平
均为 10 982 mm4)高 15.4%, 比登海 3719(平均值为 9
656 作 物 学 报 第 34卷

表 1 玉米不同生育阶段节间直径的变化
Table 1 The changes of maize stalk diameter at pre-tasselling and dough stages
抽雄前 Pre-taselling stage (mm) 蜡熟期 Dough stage (mm) 品种
Cultivar
密度
Density
(×104 hm-2) 3rd internode 5th internode 3rd internode 5th internode 7th internode
3.00 28.2±0.6 aA 24.2±1.1 aA 29.3±1.6 aA 26.4±0.7 aA 23.9±1.5 aA
5.25 23.7±1.1 bB 22.8±0.8 aAB 26.1±1.1 aAB 24.2±1.1 bA 20.9±0.9 bAB
7.50 22.5±0.8 bcBC 20.5±1.2 bBC 23.9±0.7 bB 20.7±0.8 cB 19.0±0.6 bB
9.75 21.3±1.1 cC 19.4±1.3 bcC — — —
12.00 21.0±0.7 cC 18.3±0.7 cC — — —
京科 519
Jingke 519
平均 Mean 23.3 21.0 — — —


3.00 25.2±0.9 aA 22.7±0.9 aA 25.4±1.5 aA 23.6±1.6 aA 19.8±1.0 aA
5.25 23.0±0.7 bB 21.5±0.5 bA 23.3±1.0 bAB 21.6±0.8 bAB 18.7±0.4 abAB
7.50 21.2±0.6 cC 19.6±0.4 cB 22.2±0.8 bBC 19.9±0.9 bcBC 17.5±0.8 bcBC
9.75 19.7±0.5 dCD 18.0±0.7 dC 20.1±0.4 cCD 18.7±0.7 cC 17.1±1.0 cBC
12.00 18.6±0.6 dD 17.1±0.3 dC 19.2±0.5 cD 18.1±0.9 cC 16.3±0.3 cC
登海 3719
Denghai 3719
平均 Mean 21.5 19.6 22.0 20.4 17.9


3.00 26.4±0.4 aA 23.2±0.7 aA 27.1±0.9 aA 23.8±1.0 aA 21.4±1.4 aA
5.25 23.1±0.7 bB 21.4±0.6 bAB 24.3±1.1 bB 22.5±0.8 aAB 19.0±0.7 bAB
7.50 22.2±0.9 bBC 19.8±0.8 cBC 22.7±1.0 bcB 20.7±0.7 bBC 17.5±1.2 bcBC
9.75 20.9±0.6 cCD 18.9±1.0 cdC 21.9±0.7 cB 19.5±1.1 bcCD 16.8±0.9 cBC
12.00 19.6±0.4 dD 18.0±0.6 dC 18.8±1.0 dC 18.0±0.5 cD 15.9±0.8 cC
农大 108
Nongda 108
平均 Mean 22.4 20.2 23.0 20.9 18.1
“—” 表示因茎折而数据缺失。标以不同小写和大写字母的值分别在每个品种各密度处理间显著和极显著差异。
“—” denotes data missing due to stalk broken. In each cultivar, means followed by a different common or capital letter within a column
are significantly different at 0.05 or 0.01 probability levels, respectively.

表 2 玉米不同生育阶段茎秆节间长度的变化
Table 2 The changes of maize stalk length at pre-tasselling and dough stages
抽雄前 Pre-taselling stage (mm) 蜡熟期 Dough stage (mm) 品种
Cultivar
密度
Density
(×104 hm−2) 3rd internode 5th internode 3rd internode 5th internode 7th internode
3.00 135±5.1 cC 182±8.4 cC 166±9.2 aA 187±11.5 bB 193±8.9 aA
5.25 148±4.7 bC 200±6.2 bBC 170±4.6 aA 218±7.2 aAB 208±5.7 aA
7.50 150±7.2 bBC 207±10.5 bAB 173±12.7 aA 237±13.7 aA 213±18.6 aA
9.75 164±5.6 aAB 210±8.7 abAB — — —
12.00 169±6.7 aA 224±7.3 aA — — —
京科 519
Jingke 519
平均 Mean 153.5 204.7 — — —


3.00 98±8.2 dC 145±6.0 bC 113±9.6 dC 159±16.0 cB 163±11.5 bA
5.25 112±9.2 cdBC 155±9.0 bBC 127±11.8 cdBC 170±9.5 bcAB 168±14.7 bA
7.50 124±8.6 bcAB 173±10.6 aAB 132±9.3 bcBC 182±15.6 abAB 175±11.8 aA
9.75 135±7.5 abA 178±8.9 aA 148±12.5 abAB 190±10.6 abAB 182±16.8 aA
12.00 141±10.2 aA 185±5.7 aA 164±8.2 aA 197±9.7 aA 188±14.0 aA
登海 3719
Denghai 3719
平均 Mean 121.7 167.3 135.6 179.6 175.2


3.00 130±8.7 dC 178±8.4 cC 143±8.9 cB 181±9.3 bB 162±14.6 bA
5.25 140±6.6 cdBC 184±7.7 bcBC 157±16.2 bcAB 207±15.7 aAB 173±10.7 abA
7.50 148±9.8 bcABC 195±5.7 abABC 163±10.5 abcAB 213±8.4 aA 180±17.8 abA
9.75 157±9.3 abAB 205±10.6 aAB 170±9.7 abAB 218±12.5 aA 188±15.8 abA
12.00 168±7.4 aA 207±9.5 aA 180±13.3 aA 220±11.2 aA 197±17.4 aA
农大 108
Nongda 108
平均 Mean 150.5 193.8 162.6 207.7 179
“—” 表示因茎折而数据缺失。标以不同小写和大写字母的值分别在每个品种各密度处理间显著和极显著差异。
“—” denotes data missing due to stalk broken. In each cultivar, means followed by a different common or capital letter within a column
are significantly different at 0.05 or 0.01 probability levels, respectively.

520 mm4) 高 26.6%。节间惯性矩对群体密度的反应
较为敏感, 随种植密度增加呈显著递减趋势。当密
度增大到 7.50万株 hm-2时下降幅度较大, 其中京科
519平均惯性矩较最大值下降 54.2%, 农大 108下降
第 4期 勾 玲等: 玉米茎秆弯曲性能与抗倒能力的研究 657



图 3 不同玉米品种抽雄前茎秆惯性距的变化
Fig. 3 Moment of inertia of maize stalk at pre-tasselling stages under different densities

48.3%, 登海 3719下降 47.7%。各品种茎秆第 3节间
惯性矩极显著高于第 5节间(P<0.01), 第 3节间惯性
矩的变异系数(CV)平均为 17.3%, 明显大于在第 5节
间(CV为 13.6%)。由于节间惯性矩的变化与直径变化
密切相关, 各个处理间差异表现更突出。因而茎秆第 3
节间惯性矩变化一定程度上表现品种间差异。
2.2.2 不同时期节间惯性矩的变化 茎秆第 3
节间茎秆惯性矩 , 蜡熟期略高于抽雄前期(图 4)。
增加幅度以京科 519 较大 , 平均 30.5%; 登海
3719 最小 , 仅 10.1%; 农大 108 居中为 13.4%。
两个时期节间惯性矩均随种植密度的增加呈递减
趋势 , 但不同品种间随密度递减幅度不同。特别
当密度增大到 7.50 万株 hm−2 时下降幅度较大 ,
其中京科 519 平均较最大值下降 59.9%和 55.7%;
而登海 3719 分别为 50.1%和 41.6%。以后降幅逐
渐减小。

图 4 不同时期玉米第 3节间茎秆惯性距的变化
Fig. 4 Moment of inertia of 3rd internode of maize stalk at pre-tasselling and dough stages

2.3 玉米基部节间弹性模量的变化
2.3.1 抽雄前期节间弹性模量的变化 玉米抽雄
前期节间弹性模量随种植密度的增加逐渐下降(图
5), 且地上部第 3节间弹性模量均高于第 5节间。不
同的品种表现不一, 如登海 3719各密度处理的基部
第 3、5节间平均茎秆弹性模量最高, 为 72.32 MPa,
比农大 108高 26.8%, 比京科 519高 70.9%; 而京科
519 最低, 平均仅为 42.31 MPa。3 个品种均表现为
当密度增加到 7.5 万株 hm-2以上时, 弹性模量显著
下降。此时京科 519基部第 3、5节间弹性模量平均
仅为 39.92 MPa, 较其最大值平均下降 31.3%, 农大
108下降 20.1%, 登海 3719仅下降 15.3%。品种间差
异达显著或极显著水平。在抽雄期, 京科 519 大于
7.50万株 hm−2的群体均在第 3~5节位发生了大面积
的茎折。由此推断玉米抽雄前基部第 3~5 节间抗茎
折的临界弹性模量可能为 40 MPa左右。
基部节间弹性模量随群体密度的变化趋势, 符
合回归模型 y = a + bx + cx2, 模拟方程的 R2达显著。
由图 5中方程可以得到, a值即弹性模量的最大估计
值, 以登海 3719 最高, 京科 519 最低; 弹性模量对
658 作 物 学 报 第 34卷


图 5 玉米茎秆弹性模量对密度变化的响应
Fig. 5 Yong’s modulus of maize stalk under different densities at pre-tasselling stage

密度的响应表现为京科 519＞农大 108＞登海 3719。
由此说明耐密抗倒性弱的品种的茎秆弹性模量对密
度反应更为敏感。
2.3.2 不同时期玉米基部节间弹性模量的变化
玉米蜡熟期第 3 节间弹性模量与抽雄前期的变化
规律相似 , 均表现随种植密度的增加而逐渐下降 ,
蜡熟期显著高于抽雄前期(图 6)。品种间弹性模量差
异明显, 以登海 3719＞农大 108＞京科 519。其中耐
密品种登海 3719 两个时期平均弹性模量分别为
80.76 MPa和 162.18 MPa, 明显高于其他两品种, 比
农大 108 分别高 30.0%和 49.4%; 比京科 519 高
76.2%和 66.4%。京科 519 各处理均最低, 在抽雄前
期平均为 52.03 MPa, 蜡熟期低于 7.50万株 hm−2的
处理平均仅为 105.73 MPa。

图 6 不同时期玉米第 3节间茎秆弹性模量的变化
Fig. 6 Comparison of Yong’s modulus of the 3rd internode of maize stalk at pre-taselling and dough stages

两时期玉米第 3 节间弹性模量的变化趋势符合
二次函数模型 y = a + bx + cx2, R2显著, 方程中两时
期玉米基部节间弹性模量 a值, 均以登海 3719最高,
京科 519 最低。而蜡熟期茎秆弹性模量随密度的变
化在品种间差异较大。说明玉米抽雄后, 基部节间
弹性模量的增加程度不同, 可能是不同品种因群体
大小造成茎秆中有机物质的积累和分配不同所致。
2.4 玉米基部节间最大抗弯应力的变化
2.4.1 抽雄前期节间最大应力的变化 玉米抽雄
前期茎秆最大抗弯应力随种植密度增加、节位的升
高而逐渐下降(图 7)。品种间差异极显著, 以登海
3719 基部第 3、5 节间茎秆最大抗弯应力最大(平均
为 4.05 MPa), 比农大 108高 16.1%, 比京科 519(2.90
MPa)高 28.4%。京科 519 大于 7.50 万株 hm-2的群
体在抽雄期发生茎折, 此时基部节间平均最大抗弯
应力为 2.80 MPa, 此值可能是玉米抽雄期茎秆基部
节间发生折断的最大应力临界值。
通过线性回归模型 y = a + bx模拟可见, 茎秆基
部节间最大应力对群体密度反应除品种京科 519 的
回归模拟 R2达显著外, 其余两品种均未达显著。方
程中 a值即最大应力的最大估计值, 以登海 3719最
高, 京科 519最低; 斜率 b值显示各品种最大抗弯应
力对密度的响应程度。其中京科 519 最大应力随密
度增加的递减幅度较大, 群体密度每增加一个单位
下降 0.2290 MPa, 而登海 3719下降仅为 0.1484 MPa;
农大 108下降 0.1601 MPa。这表明耐密抗倒性弱的
第 4期 勾 玲等: 玉米茎秆弯曲性能与抗倒能力的研究 659



图 7 玉米抽雄前期茎秆最大抗弯应力
Fig. 7 Maximum bending strength of maize stalk at pre-tasselling stage

品种基部节间最大抗弯应力对密度反应更为敏感 ,
随密度增加的变化幅度较大, 而耐密抗倒性强的品
种基部节间最大抗弯应力对群体大小反应较迟钝。
2.4.2 不同时期茎秆基部节间最大应力的变化 两
个时期茎秆基部第 3节间最大应力的变化规律相似, 蜡
熟期茎秆最大应力显著高于抽雄前期, 均表现随种植
密度的增加而逐渐下降(图 8)。品种间差异明显, 其中
登海 3719 两个时期茎秆最大应力平均值分别为 4.52
MPa 和 10.36 MPa, 明显高于其他两品种, 较农大 108
分别高 11.5%和 22.3%; 京科 519 各处理均最低, 在抽
雄前期平均为3.36 MPa, 比登海3719低25.5%, 蜡熟期
低于 7.50万株 hm-2的处理平均仅 8.53 MPa。登海 3719
蜡熟期茎秆最大应力增加幅度较大, 平均提高 129.3%;
而京科 519相应处理平均提高 105.7%。

图 8 不同时期玉米第 3节间茎秆最大抗弯应力的比较
Fig. 8 Comparison of maximum bending strength of the 3rd internode of maize stalk at pre-tasselling and dough stages

不同时期茎秆最大应力对群体密度的响应可
用 y = a + bx方程模拟, 可以看出登海 3719在抽雄
前期和蜡熟期第 3节间最大抗弯应力最大估计 a值
虽较高, 但与京科 519 相差不大, 分别为 5.8903、
12.3270 MPa和 5.4326、12.2670 MPa。但两品种对
群体密度反应不同, 由斜率 b值显示登海 3719两个
时期随密度每增加一个梯度分别下降 0.1830 MPa
和 0.2622 MPa, 而京科 519最大应力随密度增加分
别下降 0.2761 MPa和 0.7111 MPa。由此看出登海
3719 不仅两个时期茎秆最大抗弯应力均较高 , 而
且随密度变化变幅较小, 对群体密度反应较为迟钝;
而京科 519 虽在低密度下最大抗弯应力较高, 但其
随密度增加下降幅度较大 , 对群体密度反应较为
敏感。
2.5 玉米倒状和茎秆各个性状间相关性比较
玉米田间倒伏率与两个生育时期弹性模量和
最大抗弯应力均呈极显著负相关(表 3), 相关系数在
−0.8519 ~ −0.9238 之间; 而与节间长度呈显著正相
关, 与节间直径相关不显著。说明提高茎秆弹性模
量和最大抗弯应力 , 有利于增强茎秆的抗倒伏能
力。而茎秆节间长度过长, 不利于茎秆抗倒, 节间直
径不能直接很好反应茎秆抗倒伏能力。
不同时期茎秆弹性模量与最大抗弯应力呈极显
著正相关, 两个生育时期相关系数分别为 0.8649**、
0.8029**; 直径与弹性模量和最大抗弯强度在抽雄前
达极显著正相关, 相关系数分别为0.5479**和0.6696**;
660 作 物 学 报 第 34卷

表 3 玉米倒状和茎秆不同生育阶段各个性状 Person相关系数
Table 3 Correlation analysis of lodging with the traits of maize stalk sizes and mechanics at pre-tasselling and dough stages
抽雄前期 Pre-tasselling stage 生理成熟期 Dough stage
性状
Trait 节间直径
DI
节间长度
LI
惯性矩
MI
弹性模量
YM
最大抗弯
应力
MBS

节间直径
DI
节间长度
LI
惯性矩
MI
弹性模量
YM
最大抗弯
应力
MBS
倒伏率 LP －0.2033 0.8035** －0.2225 －0.8519** －0.8681** －0.0484 0.8871** －0.0198 －0.8581** －0.9238**
节间直径 DI －0.6493** 0.9749** 0.5479** 0.6696** －0.3722* 0.9697** 0.2014 0.3177
节间长度 LI －0.6289** －0.6792** －0.8651** －0.3734* －0.6690** －0.8063**
惯性矩MI 0.5023** 0.6647** 0.1286 0.3231*
弹性模量 YM 0.8649** 0.8029**
LP: lodging percentage; DI: diameter of internode; LI: length of internode; MI: moment of inertia; YM: Yong’s modulus; MBS: maxi-
mum bending strength. * : significant at P<0.05. ** : significant at P<0.01.

而蜡熟期相关性不显著。节间长度与弹性模量、最
大抗弯应力在抽雄前期和蜡熟期均表现较强的负相
关性; 茎秆惯性矩与弹性模量、最大抗弯应力也存
在较强的负相关性。
3 讨论
3.1 茎秆抗倒力学性状测定时间和部位的选择
国外研究茎秆强度力学指标测定时间常在乳熟
期、吐丝盛期后 35 d [4,11-12]至蜡熟期或成熟期进行,
也有在开花期和抽雄前期测定的[13-14]; 测定部位多
取植株茎秆地上第 1~3 伸长节间, 或穗位节[13]; 国
内多选茎基部第 3 伸长节间中部, 在乳熟至腊熟期
测定[15-17]。本试验研究发现, 北京地区玉米抽雄前
1~2 周多因大风和强降雨田间发生大面积倒伏, 茎
折的部位多在地上第 3~4节间, 而生育后期(蜡熟期)
茎秆发生茎折的部位多在第 4~5节间(预另文发表)。
因此本文分别在玉米抽雄前期和蜡熟期, 选取地上
部 3、5、7 节间测定茎秆抗弯力学性状, 旨在探讨
玉米茎秆基部节间抗倒伏力学的变化规律。
3.2 茎秆抗弯力学性状与其形态指标的关系
关于禾本科作物的抗弯力学, 国内外多位学者
进行过探讨[22-26]。Neenan[22]对小麦和大麦的茎秆做
了弯折试验 ,发现茎秆的弹性模量在作物不同生长
期会发生变化; 王勇等[23]用简易方法取小麦基部节
间放置在两端一定间隔的支撑凹槽内 ,利用弹簧秤
向下拉, 测定茎秆折断力; 在水稻上, 段传人等 [24]
选取高、中、矮秆水稻品种通过室内拉伸测定表明
中秆类型水稻茎秆的拉伸强度极限和弹性模量最
高。玉米茎秆是高大实心的生物复合材料, 其力学
测定与稻麦作物不完全相同。有研究表明, 玉米的
株高、穗位高、近地节间长度、茎粗、单位茎节重
量及茎秆的力学性能等因素与茎倒有关 [9], 而茎粗
对植株的抗倒性能影响最大[6]。关于茎秆弯曲抗倒
力学测定方法, 贾志森和白永新[15]通过人为将植株
拉弯, 测定茎秆抗拉弯的最大拉力, 得出茎粗对茎
秆倒伏力的直接效应最大。董学会等[17]在室内将茎
秆一端固定, 距固定端 6 cm处加力测定茎秆弯曲折
断最大力, 得出化控处理后穗下部节间在折断最大
力提高的同时 , 茎节的粗度也增加的结论。
Goodman等[20]用三点弯曲法比较被固定的和自由生
长的玉米茎秆 , 发现前者基部节间直径明显变细 ,
但弯曲强度和抗弯刚度没有显著差异。在此基础之
上, 本文用悬臂梁弯曲的测定得出, 在抽雄前期节
间直径和惯性矩与茎秆弹性模量和最大抗弯应力呈
显著的正相关, 而到蜡熟期则相关不显著或减弱。
同一品种不同密度间比较, 节间直径越大, 弹性模
量和最大抗弯应力越高。但不同类型品种间有一定
差异, 如耐密抗倒性弱的品种京科 519 两个时期均
表现节间平均直径较粗, 惯性矩较高, 而茎秆弹性
模量和最大抗弯应力最低; 而耐密抗倒性强品种登
海 3719 节间平均直径较细, 惯性矩较低, 但茎秆弹
性模量和最大抗弯应力却较高。这可能与茎秆中干
物质的积累和分配、茎秆的结构、紧实度以及茎秆
坚硬度(机械强度)不一致有关 [28], 还有待进一步深
入研究。因此在玉米生产和育种过程中, 不能简单
地以茎秆的直径大小来判断茎秆的抗弯、抗倒能力,
而应结合茎秆的相关力学特性加以综合评价。
3.3 茎秆基部节间弯曲弹性模量与最大抗弯应
力对群体密度的响应
弯曲弹性模量反映茎秆承受的应力与发生应变
(位移)的线性函数关系, 表示茎秆抵抗形变的能力,
弹性模量越大, 抗弯性越强。茎秆最大抗弯应力是
茎秆发生形变前所能承受最大应力, 最大抗弯应力
越大, 则抗折断能力越强。试验结果表明, 茎秆弹性
第 4期 勾 玲等: 玉米茎秆弯曲性能与抗倒能力的研究 661


模量与最大抗弯应力均表现为蜡熟期显著高于抽雄
前期, 下部节间均高于上部节间, 且随种植密度的
增加而下降; 不同品种的茎秆弹性模量与最大抗弯
应力对密度的反应有显著差异。基部节间弹性模量
在两个时期随密度的变化均符合二次函数 y = a + bx
+ cx2的回归模型, 而在蜡熟期品种间茎秆弹性模量
变化差异较大。抽雄前和蜡熟期茎秆基部节间最大
抗弯应力随密度的变化均符合线性 y = a + bx回归
模型。品种间的差异以蜡熟期大于抽雄前期。这可
能与玉米抽雄后茎秆中有机物质的积累和分配及其
结构因品种和群体大小不同有关。茎秆弯曲弹性模量
能较好地反映茎秆的耐密能力; 而茎秆最大抗弯应力
更多受品种本身特征的影响, 反映品种茎秆的抗折能
力, 它们表现品种耐密抗倒伏的不同力学特征。田间
倒伏率与茎秆弹性模量和最大抗弯应力关系密切, 它
们是表现品种耐密抗倒伏的良好力学特征指标。
4 结论
玉米茎秆基部节间的弹性模量和最大抗弯应力
较好地反映了玉米茎秆抗倒伏能力, 在品种间有较
大的差异。耐密抗倒性强品种登海 3719在抽雄前期
和蜡熟期茎秆弹性模量和最大抗弯应力最高, 随群
体密度增加的变化较小。而耐密性弱抗倒性差的京
科 519 对密度反应较为敏感, 当密度增加到 7.50 万
株 hm−2 后二者均迅速降低, 茎秆抗倒伏能力显著
下降。基部节间平均弹性模量为 40.0 MPa, 最大应
力为 2.8 MPa, 可能是玉米抽雄期茎秆抗折力学指
标的下限。抽雄前玉米茎秆直径与弹性模量和最大
抗弯强度呈极显著正相关, 而蜡熟期与此相关不显
著, 因此茎秆直径不能直接作为评价茎秆抗弯能力
的性状指标。玉米抽雄前的茎秆抗弯性状的变化规
律与蜡熟期较为一致, 故抽雄前期的茎秆抗弯力学
性状能在一定程度上反映品种抗倒伏能力, 抽雄前
期(抽雄前 1~2周)进行玉米抗倒性鉴定是可行的。
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