Способ определения устойчивости злаковых культур к полеганию

 

Изобретение предназначено для использования в области сельского хозяйства. Способ включает вычисление изгибающего момента в зависимости от веса метелки. При этом степень устойчивости стебля к полеганию вычисляют с учетом модуля упругости при испытании на изгиб и по зависимости изгибающего момента от коэффициента закрепления корня растения в почве по формуле: где h - длина метелки; k=d_м/D_м≈0,5; D_м - наружный диаметр стебля у метелки; d_м - внутренний диаметр стебля у метелки; В - вес метелки, зависящий в основном от веса зерна; Е - модуль упругости ткани стебля. Изобретение позволяет увеличить урожайность при сохранении устойчивости стебля растения к полеганию с помощью определения физико-механических свойств тканей стебля. 2 табл., 2 ил.

Изобретение относится к сельскому хозяйству и предназначено для использования в области селекции злаковых культур, в частности риса.

Известен способ определения "коэффициента полегаемости" риса (К) по соотношению (см. Тр. Куб. СХИ, вып. 91 (119), 1973 г., с. 19): K=L•B/R, где L - длина стебля; В - масса метелки; R - показатель "сопротивляемости излому".

С уменьшением К полегаемость риса уменьшается.

Также известен способ определения стеблевого полегания растения при условии, что момент изгиба превышает механическую прочность стебля (см. Бюллетень ВИР, вып. 18, 1971 г., с. 40): П_с>=М/Р>1, где П_с - показатель стеблевого полегания; М - момент изгиба стебля; Р - механическая прочность стебля.

Сравнение сортов по степени их устойчивости к корневому полеганию предложено производить по критерию (см. Бюллетень ВИР, вып. 18, 1971 г., с. 41): П_к=(Q/М), где П_к - показатель корневого полегания; Q - сухая масса корня, приходящаяся на единицу момента изгиба стебля М.

Недостатком известных предложений является отсутствие в формулах для оценки устойчивости растений к полеганию общепринятых объективных показателей физико-механических свойств тканей стебля, например модуля упругости.

Техническим решением задачи является увеличение урожайности при сохранении устойчивости стебля растения к полеганию с помощью определения показателей физико-механических свойств тканей стебля.

Задача достигается тем, что в способе определения устойчивости стебля растения злаковых культур, например риса, к полеганию, включающем вычисление изгибающего момента от веса метелки, степень устойчивости стебля к полеганию вычисляют с учетом модуля упругости ткани стебля при испытании на изгиб и по зависимости изгибающего момента от коэффициента закрепления корня растения в почве по формуле:
где h - длина метелки; k-d_м/D_м≈0,5; D_м - наружный диаметр стебля у метелки; d_м - внутренний диаметр стебля у метелки; В - вес метелки, зависящий, в основном, от веса зерна; Е - модуль упругости ткани стебля.

Новизна заявляемого предложения обусловлена тем, что оптимизация параметров архитектоники растений и направлений их селекции с целью получения максимально возможного урожая, при сохранении устойчивости стебля растения к полеганию, осуществляются с учетом зависимости сложной биологической конструкции растения от реальных числовых величин физико-механических свойств, определенных при испытании стебля на изгиб.

По данным патентной и научно-технической литературы не обнаружена аналогичная заявляемой совокупность признаков, что позволяет судить об изобретательском уровне предложения.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 схематично изображена установка для определения прогиба образцов стебля, на фиг.2 - схема упругой оси стебля растения риса при потере устойчивости.

Способ определения устойчивости злаковых культур к полеганию осуществляется следующим образом.

Определение напряжений в стеблях риса, условий потери устойчивости и полегания стеблей риса невозможно без знания физико-механических свойств ткани растений: модуля упругости при растяжении-сжатии, весовых характеристик (вес единицы длины стебля, изменение этого веса по длине, средний вес листьев, отнесенный к длине стебля, вес метелки). Необходимы сведения о детальных геометрических характеристиках архитектоники растения: диаметрах стебля и его длине, размерах метелки и листьев.

Отбор стебельного материала для лабораторных опытов в трех характерных для полегания растений риса фазах вегетации (выметывание - цветение, молочно-восковая спелость, полная спелость) производят случайным образом, в различных частях делянки (но придерживаясь ее диагоналей) в количестве 8-10 растений (30-40 стеблей с корнями).

Свежесрезанные растения в указанном виде перевозятся в лабораторию. Эксперименты по определению физико-механических свойств ткани стеблей должны начинаться не позднее 1,5-2 часов после их срезки.

Общая длина стебля от узла кущения до верхнего узла измеряется вдоль его оси с точностью до одного сантиметра.

Наружные и внутренние диаметры стебля у корня и у метелки замеряются штангенциркулем, точность измерений до десятых долей миллиметра. Оказалось, что внутрисортовых различий в диаметрах и длинах стеблей в фазах цветения, молочной и полной спелости растения практически нет.

Образцы стеблей и метелки взвешиваются на весах с точностью отсчета до десятых долей ньютона.

Общая длина метелки определяется как расстояние от верхнего узла стебля до ее верхушки с точностью до миллиметра.

Перед отделением от стебля на каждом стебле фиксируется количество листьев. Общий вес листьев, отделенных от одного стебля, измеряется с помощью весов с точностью до десятых долей ньютона. Вес одного листа определялся как частное деления общего веса стеблей на их количество.

Сведения об основных элементах архитектоники растений риса, числовые характеристики которых влияют на устойчивость растений к полеганию, приведены в таблице 1.

Для определения упругих и прочностных свойств ткани стеблей риса использовалась лабораторная установка из двух штативов с зажимными лапками, фиг. 1. Штативы располагаются на массивном столе с горизонтальной крышкой. Прижатые к стойкам штативов лапки устанавливаются на одинаковой высоте от поверхности стола. Между лапками натягивается тонкая лавсановая нить, горизонтальное положение которой контролируется путем замера высот от стола до мест ее соединений с лапками. Длины образцов стеблей должны превышать расстояние между лапками на 0,05 - 0,15 м с целью обеспечения устойчивого положения образца. Образец располагается свободно на лапках двух штативов без зажима. Прогиб образца стебля в середине относительно натянутой между лапками нити замеряется штангенциркулем, полученные результаты измерений округляются до ближайшего целого числа миллиметров. Почти все образцы имеют начальный прогиб, который перед началом нагружения фиксируется. Нагружение осуществляется пошагово, гирьками, подвешиваемыми в середине образца с помощью крючка из тонкой пластинки, весом которой можно пренебречь. Испытания прекращаются в случае самопроизвольного увеличения прогиба при какой-то максимальной нагрузке ("течение" ткани стебля) или изломе сильно деформированного образца. Повторность опытов 7-10-ти кратная.

Образцы вырезаются в основном из средней части стебля, а также из нижней и верхней. В целях разумного упрощения задачи при обработке результатов экспериментов оперируют со средними диаметрами образца. Поскольку жесткость стебля при изгибе зависит от его диаметров в четвертой степени, средние наружный (D) и внутренний (d) диаметры стебля вычисляются по формулам:
D = [(D₁ ⁴ + D₂ ⁴)/2]^1/4; d = [(d₁ ⁴ + d₂ ⁴)/2]^l/4,
где D₁, d₁ и D₂, d₂ - наружные и внутренние диаметры образца стебля у его концов. Замеры показали, что отношение k = d/D достаточно устойчиво и в среднем составляет величину k = 0,65, за исключением верхнего междоузлия стебля длиной порядка 0,15 м, где это отношение примерно равно k = 0,5.

Прогиб шарнирно опертого стержня при действии сосредоточенной в центре и распределенных по его длине сил находится по формуле:
f_k = f_e + 5qL⁴/(384EI) + РL³/(48EI), (1)
где f_e - начальный естественный прогиб образца; q, L - соответственно вес погонного метра стебля и расстояние между шарнирами; I - осевой момент инерции сечения стебля, I = (π/64)(D⁴ - d⁴); E - модуль упругости первого рода (модуль Юнга) для ткани растения; Р - вес подвешиваемого в середине образца груза.

Величина начального прогиба образца при Р = 0, замеренного на лабораторной установке f_o, представляет собой сумму начального естественного прогиба _e и прогиба под действием распределенных сил q, т.е.

f_о=f_e+5qL⁴/(384EI).

Тогда изменение прогиба при увеличении веса гирьки от нуля до Р при постоянстве остальных величин в формуле (1) определится из соотношения:
f=(f_k-f_o)=PL³/(48EI)
Расчеты указывают на возможность игнорирования прогиба стебля от распределенных сил, поскольку он на порядок и более меньше составляющей прогиба под действием сосредоточенной силы Р и принимается f_e ≈ f_о.

Практически все стебли риса имеют начальный прогиб f_o, который замерялся после помещения образца в лабораторную установку. На основании этих замеров определяются естественные величины кривизны (в градусах/1 м) стебля по формуле:
К = 57,3/(0,5f_o + 0,125L²/f_о).

Естественная кривизна косвенно характеризует степень устойчивости стебля к полеганию: чем меньше кривизна, тем более прямолинейный стебель и, следовательно, его ось меньше отклонена от вертикали.

При обработке первичных результатов экспериментов с целью придания им общности введены безразмерный относительный прогиб ξ и изгибающее напряжение σ по формулам:
ξ=12•I•f(WL²); σ=PL/(4W),
где (PL/4) - изгибающий момент (максимальный) в середине испытуемого образца;
W - осевой момент сопротивления сечения тела стебля, W=(π/32)(D³-d³).

Получена линейная зависимость между деформацией и напряжением:
σ = Eξ.
Строятся типичные диаграммы "напряжения - деформация", на основании которых для каждого сорта риса определяются числовые значения модуля упругости.

Численная величина постоянного коэффициента Е в линейной зависимости между деформацией и напряжением σ = Eξ находится методом наименьших квадратов; теснота связи оценивается с помощью коэффициента корреляции и критерия надежности Р:
P = abs(r)•N^1/2/1-r²),
где r - коэффициент корреляции; N - число данных для построения графической зависимости σ = E(ξ) в ее линейной области.

При Р > 2,6 с вероятностью 0,95 можно утверждать о значимости найденного коэффициента корреляции.

Найденные описанным образом числовые значения модуля упругости для ткани стеблей приведены в таблице 2.

Статическая устойчивость стеблей риса исследуется на основе решения соответствующей системы дифференциальных уравнений при адекватных реальности граничных условиях.

Изгиб стебля описывается системой безразмерных уравнений:
y_i ^IV (x) + у_i ^II(x) = 0, (2)
где у, х - безразмерные координаты точек на оси стебля (ось х направлена горизонтально, у - вертикально из центра стебля у почвы); i = 1, 2, 3 - номера участка снизу - вверх; первый участок стебля длиной L₁≈0,2 м находится в воде; третий L₃≈0,15 м - последнее междоузлие; второй L₂ - оставшаяся часть стебля.

Наряду с условиями неразрывности используются граничные условия:
y₁(0)= 0; у''₁(0)-Θу'₁(0); у''₃(l_i)-μу'₃(l₃)= 0; у'''₃(l₃)+у'₃(l₃)= 0, где Θ = Θ_pm₁/(EI₁);
m₁ - масштаб длины, m₁ = (EI₁/p₁)^0,5; EI₁ - жесткость первого участка стебля при изгибе; p₁ - осевая сжимающая сила в середине 1-го участка; Θ_p - размерный коэффициент защемления, Нм/1; l₃ = L₃/m₃;
μ=0,5Вhm₃/(ЕI₃), (3)
где m₃ - масштаб длины, m₃ = (EI₃/p₃)^0,5; ЕI₃ - жесткость третьего участка стебля при изгибе; p₃ - осевая сжимающая сила в середине 3-го участка.

Критические условия изгиба стебля, в частности величина μ_кр, определяются путем приравнивания нулю главного определителя системы трансцендентных уравнений, полученных после подстановки граничных условий и условий неразрывности в решения уравнений (2).

Для обеспечения общности решения и его анализа введены безразмерные параметры:
1. Параметр Θ, характеризующий степень закрепления корня растения в почву и его способность противодействовать угловому смещению стебля непосредственно у почвы. Если Θ = ∞, то имеет место жесткая заделка корня в почву и стебель у корня жестко зафиксирован в своем положении. Если Θ = 0, то имеет место шарнирная заделка и стебель у корня приобретает возможность свободного углового перемещения. Фактически величина Θ занимает некоторое промежуточное значение между ∞ и 0, т.е. имеет место упругое защемление корня в почву, когда угловому смещению стебля у корня противодействует некоторый момент сил, величина которого в безразмерном виде и определяется параметром Θ - безразмерным моментом сил, фиг. 2.

2. Параметр μ характеризует момент сил от веса метелки на верхнем конце стебля. Величина этого параметра зависит от веса и длины метелки, жесткости верхнего конца стебля (у метелки) при изгибе, фиг.2.

Таким образом, исследуя зависимость критических (при которых стебель теряет продольную устойчивость) значений μ_кр от главнейших, влияющих на потерю устойчивости факторов μ_кр = μ_кр(Θ) и μ_кр = μ_кр(L), можно оценить влияние качества сцепления корня с почвой, длины стебля от корня до последнего узла L, его диаметров, погонного веса, жесткости, веса листьев на величину критического параметра метелки μ_кр (т. е. на ее критические вес и длину). При μ ≥ μ_кр стебель потеряет устойчивость и изогнется, т.е. будет полегать. В качестве целевой функции оптимизации параметров архитектоники растений риса может быть принята масса (вес) метелки и задача селекции "идеального растения" формулируется следующим образом: подобрать такие желательные параметры архитектоники растения (длину, диаметры, жесткость стебля, параметр закрепления корня в почве), чтобы при условии устойчивости растения вес метелки был наибольшим из возможных.

Одновременно с увеличением Θ следует искать пути снижения величины μ (без уменьшения веса зерна). Пути такого снижения видны из преобразованной формулы (3) для μ:

где h - длина метелки; к=d_м/Dм≈0,5; D_m - наружный диаметр стебля у метелки; d_м - внутренний диаметр стебля у метелки; В - вес метелки, зависящий, в основном, от веса зерна; Е - модуль упругости ткани стебля.

Из последней формулы следует, что снижение величины μ эффективней всего достигается путем увеличения наружного диаметра стебля в его верхней части и особенно у метелки D_м, а также за счет уменьшения длины метелки h (и, несомненно, увеличения диаметра ости метелки), увеличения модуля упругости ткани стебля Е, толщины стенки (уменьшения k) при сохранении на прежнем уровне или даже увеличении веса зерна в метелке. Перечисленные возможности снижения μ и могут служить целями селекционной работы, направленной на создание высокоурожайного растения риса, максимально устойчивого к полеганию.

Формула изобретения

Способ определения устойчивости стеблей растений злаковых культур, например риса, к полеганию, включающий вычисление изгибающего момента от веса метелки, отличающийся тем, что степень устойчивости стебля к полеганию вычисляют с учетом модуля упругости ткани стебля при испытании на изгиб и по зависимости изгибающего момента от коэффициента закрепления корня растения в почве по формуле

где h - длина метелки;
k= d_м/D_м≈0,5;
D_м - наружный диаметр стебля у метелки;
d_м - внутренний диаметр стебля у метелки;
В - вес метелки, зависящий, в основном, от веса зерна;
Е - модуль упругости ткани стебля.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4