玉米茎秆力学性状的边际效应研究

丁山　张兆玉　杨锦忠　姜林平　韩伟　桑素平

摘要：以3個抗倒性不同的玉米品种为试材，分别设置施钾处理，以不施钾为对照，测定南起第1、3、5、7行玉米基部第三节间的抗弯折力、弯折功、截面惯性矩等力学性状，以及纤维素等3种化学组分，并测定植株的产量性状。结果表明：茎秆截面惯性矩、抗弯折力和弯折功的行序间差异达到统计显著水平，行序的总贡献率分别达到19.5%、27.5%和18.7%；钾肥对截面惯性矩的作用达到统计显著水平，总贡献率为4.1%；品种对抗弯折力和弯折功的作用达到统计显著水平，总贡献率分别为5.5%和10.5%；行序对钾含量作用总贡献率最大为9.9%并达到统计显著水平；行序×钾肥互作对纤维素含量的作用总贡献率最大为12.6%并达到统计显著水平；品种对木质素含量作用总贡献率为10.8%并达到统计显著水平；产量性状上，品种的作用占绝对优势，并达到统计显著水平。综之，随行序的增大，玉米茎秆的力学性能下降，从第3行开始各性状基本稳定，所以，为保证茎秆力学数据的准确性和对群体的代表性，玉米田间小区试验至少应从第3行进行取样。

关键词：玉米；边际效应；钾肥；茎秆力学性状；弯折功

中图分类号：S513.01 文献标识号：A 文章编号：1001-4942（2018）11-0037-06

Study on Marginal Effect of Edge Properties of Maize Stalk

Ding Shan1， Zhang Zhaoyu1， Yang Jinzhong1， Jiang Linping2， Han Wei3， Sang Suping4

Abstract Three maize varieties with different lodging resistance were used as test materials. They were treated with potassium， and no potassium application was used as the control. The mechanical properties of bending resistance， bending work， moment of inertia in the third internode of maize base from the first， third， fifth， seventh rows from the south， and three kinds of chemical components such as cellulose were measured， and the yield characteristics of maize were also measured. The results showed the difference between the moment of inertia， bending force and bending work of stem section reached statistically significant level， and the total contribution rate of the row sequence reached 19.5%， 27.5% and 18.7%， respectively. The effect of potassium fertilizer on the moment of inertia was statistically significant with a total contribution rate of 4.1%. The effect of variety on bending force and bending work reached the statistically significant level with a total contribution rate of 5.5% and 10.5% respectively. The total contribution rate of the sequence to potassium content was 9.9% and reached a statistically significant level. The total contribution rate of interaction between row and K fertilizer to cellulose content was 12.6% and reached a statistically significant level. The total contribution rate of varieties to lignin content was 10.8% and reached a statistically significant level. In terms of yield traits， the role of variety was dominant and reached a statistically significant level. In conclusion， the mechanical properties of maize stalk decreased and the characters of the maize stalk were basically stable from the third lines with the increase of row order. In order to ensure the accuracy of stalk mechanical data and the representative of the population，at least the third lines could be sampled in the maize field plot test.

Keywords Maize； Edge effect； Potassium fertilizer； Mechanical properties of stalk； Bending work

边际效应是作物生长过程中普遍存在的一种现象。作物边际效应是指作物群体的边缘地带由于辐射、通风、养分等条件较作物群体内优越而产生的一种差异生长现象。试验小区边际效应的存在对试验结果的准确性与精准性产生一定影响。准确把握边行与群体中株行的差异，探索边际效应的影响范围，可为玉米田间小区试验的布局设计与试验取样分析提供理论基础。

自Beecher提出边际效应（edge effect）的概念以来[1]，研究者对玉米、大豆、小麦、水稻和棉花等作物的边际效应进行过大量研究。徐艳荣等[2]研究了同密度下7个玉米品种从边1行至边5行产量性状的变化，显示：从边1行至边5行单株产量、穗粒数、百粒重逐渐减少，不同品种三者随边行增加而递减的速度不同，一般到边3行时减速变缓；穗粒数的减少和百粒重的降低导致单株减产，前者是主因；边际效应较小的品种单株产量降低的主因是百粒重的降低。孔祥丽等[3]对玉米品种试验小区各行实际产量与行的对应关系进行过曲线拟合，得出可用来评估小区边际效应的模拟曲线方程，可根据该方程提供的参数δ对小区边际效应进行评估。王铁固等[4]以品比试验中的10个玉米杂交组合为试材，对玉米产量边际效应曲线进行拟合，同时对产量边际效应指数与玉米主要农艺性状进行相关分析，得出：在选育耐密植玉米品种时，应注重穗长、穗粗、行粒数、出籽率等性状的边际效应，可不考虑玉米穗行数的边际效应。

从以上研究看出，边际效应对玉米田间小区试验的边行植株产生一定的生长及产量优势，但试验取样需从哪里开始才能代表群体植株的性状，特别是玉米茎秆的力学性状，目前尚未见到关于这方面的分析与报道。因此本试验以3个抗倒性不同的玉米品种为试材，分别设置施钾处理，并通过测定玉米基部第3节间的抗弯折力、弯折功、截面惯性矩等力学性状，以及纤维素等化学组分和植株的产量性状，明确玉米田间小区试验各行茎秆力学性状的变化，为确定代表性样品采集的边行距离提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2017年在青岛农业大学山东省胶州示范园进行。前茬作物小麦。土壤为砂姜黑土。土壤理化性状：pH值7.74，有机质含量10.47 g/kg，堿解氮30.46 mg/kg，速效磷28.54 mg/kg，速效钾117.47 mg/kg。

1.2 试验材料

本研究采用抗倒性差别大的3个玉米品种，抗倒性从高到低依次为粒收1号、郑单958、浚单20。供试种子全部来自育种单位。

1.3 试验设计与管理

设不施和施钾2个水平，施钾（K2O）量169.5 kg/hm2。采用完全随机区组设计，重复3次。不同区组呈南北排列，彼此之间有2 m宽间隔，以形成产生边际效应的条件。小区为10行区，区内玉米东西行向种植，行长6 m，行距60 cm，密度为9.0万株/hm2。统一施肥量为N：240.0 kg/hm2；P2O5：129.0 kg/hm2。6月28日播种，10月17收获。麦收后免耕人工按穴播种，田间管理措施同当地一般大田生产。

1.4 测定项目与方法

行序从南边第1行开始计数，分别记南1行为S1、南3行S3、南5行S5、南7行S7。每行选取长势一致的代表性植株3株，取茎秆基部第3节间测定几何性状和力学性状。随后样品经烘干、磨样，进行钾、纤维素、木质素含量测定。

（1）茎秆力学指标

茎秆抗弯折力：将剥去叶鞘后的玉米基部第3节间茎秆平行置于实验台上，以节间两端作固定支点，距两支点相同距离处用电子万能材料试验机以5 mm/min的匀速垂直向下压至中点处被折断，此时显示的力即为对应节间抗弯折力。

茎秆弯折功：玉米茎秆基部第3节间采用三点弯曲方法测试受力断裂，在发生断裂时的最大抗弯折力之前所有力与横坐标所围成的面积总和为弯折功。

（2）茎秆化学组分含量

钾含量测定[6]：用Optima 8000电感藕合等离子体发射光谱（ICP-AES）法测定。

纤维素、木质素含量测定[7]：采用范式测定方法。

（3）产量性状指标

成熟时收获整行植株，测定单株产量、籽粒含水率、穗粒数、千粒重。

1.5 数据处理与分析

采用SAS 9.4软件对数据进行方差分析和多重比较。预分析表明边行×钾肥×品种互作未达到统计显著水平（以下简称显著水平），故不再分析此项效应。

各个因素的作用即为效应大小，用因素的贡献率表示，可以通过得到的方差分析结果进行计算[8，9]。因素的总贡献率为：

ω2=dfeffect×（MSeffect-MSerror）SStotal+MSerror；

因素的偏贡献率为：

ω2p=dfeffect×（MSeffect-MSerror）dfeffect×MSeffect+（N-dfeffect ）×MSerror 。

式中，df表示自由度，MS表示均方，effect表示效应项，error表示误差项，total表示总变异。

总贡献率表示某个因素的作用占总作用的比例，偏贡献率表示某个因素的作用占总偏作用的比例。总作用包括模型其它因素的作用，总偏作用则不包括模型其它因素的作用。这两种贡献率从不同角度反映因素的作用大小情况，并且均是无量纲的纯数。

2 结果与分析

2.1 玉米茎秆截面惯性矩

截面惯性矩是衡量截面抗弯能力的一个几何参数，截面的抗弯和抗扭强度与相应的截面惯性矩成正比。从表1中可以看出，行序间、施钾处理间玉米茎秆的截面惯性矩P<0.01，存在极显著差异；其它变异来源的P值均大于0.05，对截面惯性矩的作用不显著。行序和钾肥对茎秆截面惯性矩的总贡献率分别为19.50%、4.09%，前者远大于后者，说明行序对截面惯性矩影响更大。并且偏贡献率也是如此。

由图1可以看出，从边行第1行到边行第3行截面惯性矩的变化差异较大，边3行到边7行的截面惯性矩变化较小，不存在显著差异。并且从图中可以看出，施钾处理的截面惯性矩均大于无钾处理。所以，施用钾肥可以增加玉米茎秆截面惯性矩，增强茎秆强度，提高抗倒伏能力。

2.2 玉米茎秆抗弯折力

茎秆抗弯折力是茎秆发生折断前所能承受的最大抗弯折力，抗弯折力越大， 则抗折断能力越强，植株抗倒伏能力越好。从表2中可以看出，行序间、品种间抗弯折力P<0.01，均存在极显著差异，其它变异来源的P值大于0.05，对茎秆抗弯折力的作用不明显。行序和品种对茎秆抗弯折力的总贡献率分别为27.51%和5.46%，行序是品种的5倍之多，说明行序对茎秆抗弯折力产生显著效应。

從图2可以看出，抗弯折力大小与玉米品种抗倒性相互对应，抗弯折力从大到小依次为：粒收1号﹥郑单958﹥浚单20。从边行第1行到边行第3行变化显著，差异较大，边3行到边7行抗弯折力变化不显著。

2.3 玉米茎秆弯折功

弯折功是反映茎秆结构韧性的重要指标之一，其数值越大，韧性越好；反之韧性越差。从表3中可以看出，弯折功与抗弯折力的方差分析结果相似，行序间、品种间弯折功P<0.01，存在极显著差异，其它变异来源的P值均大于0.05，对茎秆弯折功的作用不明显。但在总贡献率上，行序和品种分别为18.69%和10.50%，与抗弯折力间比较，两者对弯折功总贡献率上的影响都较大。

由图3可以看出，弯折功大小与玉米品种抗倒性也是相互对应，弯折功从大到小依次为：粒收1号﹥郑单958﹥浚单20。并且从边行往群体内部变化呈现下降趋势，边行第3行之后变化不明显。

2.4 玉米茎秆化学组分

玉米是需钾较多的作物，钾对玉米的正常生长发育和抗倒伏起重要作用。玉米茎秆主要是由纤维素、半纤维素和木质素三种成分组成。纤维素、木质素含量对压碎强度表现为正效应，纤维素在茎秆结构稳定性中有重要作用，是玉米茎秆强度的主要承载物质，木质素作为粘结和填充物质，使机械组织排列复杂，进而增加茎秆抗压强度。

从表4看出，行序、钾肥和品种对钾含量的作用均达到极显著水平，而其它二者间的互作效应则不显著，并且三者对钾含量的总贡献率分别为9.86%、7.90%、7.91%，除行序略高外，其它两者相似。纤维素含量，行序和行序×钾肥互作对纤维素含量的作用达到显著水平，其它均不显著，且两者对纤维素含量的总贡献率分别为10.30%和12.59%，行序×钾肥互作对纤维素含量的效应略大。木质素含量，只有品种对其作用达到显著水平，总贡献率为10.79%，其它因素对其的作用均未达到显著水平。

2.5 玉米产量性状

从表5中可知，对单株产量产生极显著影响的为钾肥、行序×钾肥互作和品种，并且三者对单株产量的总贡献率分别为5.14%、5.57%和51.41%，品种对单株产量的贡献率远远高于钾肥和行序×钾肥互作，说明品种对单株产量产生极显著效应。千粒重上，品种和行序×品种互作对千粒重产生极显著或显著作用，两者的总贡献率分别为42.93%和6.54%，品种对千粒重的效应最显著。穗粒数上，钾肥、品种和行序×钾肥互作对穗粒数产生极显著或显著作用，并且三者对穗粒数的总贡献率分别为13.20%、33.60%和6.06%，品种对穗粒数的效应最大，钾肥次之。

3 讨论

3.1 弯折功有助于全面评价茎秆的力学性能

国内外学者对茎秆的力学性状做了大量研究，所研究茎秆的力学特性主要包括茎秆外皮穿刺强度、压碎强度和弯曲强度等。茎秆穿刺强度是评价茎秆表皮抗穿透能力的综合指标，其与茎秆抗倒伏能力具有高度的相关性[10-14]。茎秆压碎强度是将茎秆近地面节段采回室内，自然干燥，再用自动水压机垂直压榨，测定使茎秆破碎时的压力值[15]。勾玲等[10，16]研究表明，通过茎秆压碎强度来评价茎秆的抗倒伏能力是有效和可靠的；并用WDW3020 型电子万能试验机对不同抗倒性品种进行悬臂梁弯曲试验，结果表明，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。除上述前人研究中提到的作物茎秆力学特性指标以外，本研究仿照材料力学的方法，采用弯折功这一新指标（它表示作物茎秆在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力），其数值越大，韧性越好，则发生脆性断裂的可能性越小。本研究发现，随行序增加弯折功出现下降趋势，第3行以后趋向稳定。

3.2 利用因素效应大小能够对茎秆力学性状的边际效应进行更深入分析

前人研究发现多个因素对茎秆力学特性具有显著影响，但没有进一步分析说明哪个因素作用更大。张芳魁等[17]研究结果表明，茎秆抗弯折力与雄穗主轴长呈极显著正相关，而与穗下生物鲜重、穗下茎秆长和茎秆长粗比等7个性状均呈极显著负相关。事实上，这种显著性，无论其概率值多么小，仅仅具有统计意义，即只是表明某因素作用的存在，但是，无法提供作用大小的信息，不能反映因素作用的实质重要性[18]。所以，统计检验的显著性无法提供不同因素重要性的信息，尤其是在它们拥有相同统计显著性情形下的相对重要性。本研究在分析各因素时，通过计算因素的效应大小（effect size）反映因素作用的实质重要性，总贡献率和偏贡献率都是能够反映效应大小的指标，偏贡献率还可以用来比较不同研究的结果[8，9]。例如在本研究的弯折功上，行序和品种均对弯折功达到统计显著水平，两者的总贡献率分别为18.69%和10.50%，显然行序对弯折功的影响更明显。因此，通过不同因素效应大小比较，能够提供关于因素作用的更深入认识。

3.3 玉米茎秆力学性状的综合评价是发展方向

玉米倒伏是限制玉米高产、稳产、优质的重要因素之一，一直是前人研究的热点问题，同时也是阻碍我国玉米机械化收获发展进程的关键。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状等因素与茎倒有关[19]。对于玉米倒伏，本试验主要研究了玉米自身茎秆的力学性状因素，除了玉米茎秆力学性状对倒伏的显著影响外，还应考虑外界风力环境。茎秆力学特性与外界风力共同作用才能造成玉米倒伏，因此，我们课题组在前期定义并应用抗倒指数[20]评价了种植密度的效应。抗倒指数计算公式：k=F0 /F，式中，F0为临界弯折力，F为等效风力，抗倒指数是一个无量纲的纯数。临界弯折力数值上等于本研究测定的抗弯折力，属于玉米的“内力”，等效风力主要取决于风力等级，以及植株叶面积及其高度的垂直分布，属于玉米遭受的“外力”。要更加全面地认识玉米茎秆力学性能，需要同时考虑内外因素的综合作用，这也是下一步茎秆力学性状边际效应的研究方向。

4 结论

通过贡献率大小比较，发现行序相较于钾肥和品种对茎秆力学性状的影响更大，随行序的增大，茎秆的力学性能呈现下降趋势，到达第3行后各性状基本稳定。行序对钾含量的影响作用最大，行序×钾肥互作对纤维素的影响作用更大，而木质素只在品种上达到了统计显著水平。参试品种的产量及其构成因素，没有表现明显的边际效应，即行序效应不显著，而是品种作用占有绝对优势，并达到统计显著水平。玉米小区试验取样至少应从边行往群体内120 cm处进行取样，以保证玉米茎秆力学数据的准确性和对群体的代表性。

参 考 文 献：

[1] Beecher W J. Nesting birds and the vegetation substrate[M]. Chicago：Chicago Ornythological Society，1942.

[2] 徐艳荣，孙发明，焦仁海，等. 不同品种的边际效应对玉米产量影响分析[J]. 玉米科学，2010，18（2）：85-87.

[3] 孔祥丽，周新仁. 玉米品种试验的小区边际效应研究[J]. 种子，2002（6）：41-42.

[4] 王铁固，赵新亮，张怀胜，等. 玉米产量的边际效应及与主要农艺性状的相关分析[J]. 中国农学通报，2012，28（18）：122-126.

[5] 滕卫丽，韩英鹏，李文滨. 不同叶形大豆品种产量性状边际效应指数分析[J]. 大豆科学，2008，27（3）：420-422，427.

[6] 吴玉萍，李天飞，李琼珍，等. 超声波提取、ICP-AES法测定烟草中矿物元素[J]. 光谱实验室，2002，19（4）：508-511.

[7] van Soest P J，Robertson J B，Lewis B A. Methods for dietary fiber，neutral detergent fiber，and nonstarch polysaccharides in relation to animal nutrition [J].J. Dairy Sci.，1991，74（10）：3583-3597.

[8] Olejnik S，Algina J. Measures of effect size for comparative studies：applications，interpretations，and limitations[J]. Contemporary Educational Psychology，2000，25（3）：241-286.

[9] Lakens D. Calculating and reporting effect sizes to facilitate cumulative science：a practical primer for t-tests and ANOVAs[J]. Front.， Psychol.，2013，4：863.

[10]勾玲，黃建军，张宾，等. 群体密度对玉米茎秆抗倒力学和农艺性状的影响[J].作物学报，2007，33（10）：1688-1695.

[11]Anderson B，White D G. Evaluation of methods for identification of corn genotype with stalk rot and lodging resistance[J]. Plant Disease，1994，78（6）：590-593.

[12]Dudley J W. Selection for rind puncture resistance in two maize population[J]. Crop Science，1994，34（6）：1458-1460.

[13]Kang M S，Din A K，Zhang Y D，et al. Combining ability for rind puncture resistance in maize[J]. Crop Science，1999，39（2）：368-371.

[14]Martin S A，Darrah L L，Hibbard B E. Divergent selection for rind penetrometer resistance and its effects on European corn borer damage and stalk traits in corn[J]. Crop Science，2004，44（3）：711-717.

[15]Loesch P J，Zuber M S，Grogan C O.Inheritance of crushing strength and rind thickness in several inbred lines of corn[J].Crop Science，1963，3（2）：173-175.

[16]勾玲，赵明，黄建军，等. 玉米茎秆弯曲性能与抗倒能力的研究[J]. 作物学报，2008，34（4）：653-661.

[17]张芳魁，霍仕平，张健，等. 玉米茎秆性状与抗折断力的相关和通径分析[J]. 玉米科学，2006，14（6）：46-49.

[18]杨锦忠，宋希云. 单一响应变量统计分析在烟草学研究中应用的若干问题[J]. 中国烟草学报，2014，20（4）：108-114.

[19]Li Y Z. The survey of study on stem and root system of maize[J]. Agronomy Overseas-Maize，1990，2：5-9.

[20]崔日鲜，张兆玉，曹洪波，等. 抗倒指数在作物抗倒性能评价中应用研究[EB/OL]. 北京：中国科技论文在线.http：//www.paper.edu.cn/releasepaper/content/201709-78.2017-09-15.