Анализ видовых и сортовых особенностей устойчивости стеблей злаковых культур к полеганию с учетом их физико-механических свойств и архитектоники для использования в селекции

Размещено на http://www.allbest.ru/

37

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора биологических наук

Специальность 06.01.05 - Селекция и семеноводство

АНАЛИЗ ВИДОВЫХ И СОРТОВЫХ ОСОБЕННОСТЕЙ УСТОЙЧИВОСТИ СТЕБЛЕЙ ЗЛАКОВЫХ КУЛЬТУР К ПОЛЕГАНИЮ С УЧЕТОМ ИХ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ И АРХИТЕКТОНИКИ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В СЕЛЕКЦИИ

ЛУКЬЯНОВА ИРИНА ВЛАДИМИРОВНА

Краснодар - 2008

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Зерновое хозяйство, основанное на выращивании таких главнейших культур, как пшеница, рожь, тритикале, ячмень, кукуруза, рис и сорго, является главной отраслью земледелия, обеспечивающей население продовольствием, промышленность сырьем, животноводство кормами. Для увеличения в России объемов производства и качества зерна необходимо восстановление и увеличение посевных площадей, рост урожайности за счет стимуляции отечественного производителя, интенсивных технологий возделывания, эффективной селекции и снижения потерь зерна при уборке.

Одна из основных причин недобора урожая - полегание посевов, которое приводит к нарушению фотосинтетической деятельности растений, ухудшению налива зерновок и затрудняет уборку. Из-за нарушения технологического процесса работы комбайнов при уборке полеглых растений значительно возрастают механические потери, производительность уборочной техники снижается на 25 - 80 %, увеличивается расход горючего. В целом, при раннем и интенсивном полегании, теряется до 60 % урожая; это обстоятельство резко снижает эффективность любых мероприятий по повышению биологической урожайности, особенно если учитывать, что полеганию, в той или иной степени, подвержены все зерновые культуры, в том числе, при неблагоприятных условиях (сильный ветер, осадки), такие устойчивые растения, как сорго, кукуруза и даже бамбук.

Важную роль в увеличении производства зерна и повышении его качества призвана сыграть селекция неполегающих сортов и гибридов растений как наиболее экономичный и экологически безвредный метод.

Очевидно, что такая работа должна иметь четкие, научно-обоснованные направления селекции на основе изучения архитектоники растений, физико-механических свойств и условий вертикальной устойчивости и изгиба их стеблей.

Представляет определенный интерес, для сопоставления с остальными злаковыми растениями, изучение физико-механических свойств и условий устойчивости растений бамбука.

Сверхнормативные потери зерна при уборке полеглых растений во многом определяются недостатками конструкций используемых жаток, совершенствование которых также является насущной задачей.

Предлагаемая диссертационная работа посвящена решению названных выше проблем, поэтому ее тема является актуальной и перспективной.

Цель и задачи исследований. Цель исследований - определение направлений селекции для повышения устойчивости к полеганию высокоурожайных сортов (гибридов) пшеницы, ячменя, ржи, тритикале, риса, кукурузы и сорго с учетом их архитектоники и физико-механических свойств стеблей. В задачи исследований входило:

1. Проведение полевых и лабораторных исследований характеристик злаковых растений в трех фазах вегетации - цветение, молочно-восковая и полная спелость.

2. Разработка новой конструкции жатки к комбайну, позволяющей снизить потери зерна при уборке полеглых растений.

3. Создание информационной базы данных - совокупности табулированных числовых характеристик архитектоники (биометрики) злаков и физико-механических свойств ткани их стеблей, необходимой для исследования вертикальной устойчивости, изгиба и полегания растений.

4. Изучение вертикальной устойчивости и напряжений при изгибе стеблей злаковых растений, формулировка целевых функций селекции устойчивых к полеганию сортов пшеницы, ржи, тритикале, ячменя, риса, сорго и гибридов кукурузы.

5. Вычисление оптимальных параметров архитектоники, упругих и прочностных свойств растений из условий их устойчивости к полеганию.

6. Определение направлений селекции неполегающих высокоурожайных сортов и гибридов злаковых культур путем достижения оптимальных числовых характеристик архитектоники, упругих и прочностных свойств растений.

Научная новизна. Диссертация имеет характер научно-обоснованной разработки, обеспечивающей решение важных прикладных задач устойчивости злаковых растений к полеганию. Предложен новый, обоснованный с позиций фундаментальных наук, подход к определению направлений селекции устойчивых к полеганию сортов (гибридов) злаковых растений; при этом получены следующие новые научные результаты:

1. Впервые обоснована необходимость и создана информационная база данных архитектоники злаков и физико-механических свойств их стеблей для селекции новых сортов (гибридов), устойчивых к полеганию растений.

2. На уровне изобретения предложена конструкция жатки к комбайну, в которой положение мотовила оперативно регулируется по высоте таким образом, чтобы его планка входила в хлебостой, в том числе полегший, параллельно наклоненным к вертикали колосьям, уменьшая, тем самым, выбивание из них зерен.

3. Впервые проведены масштабные, систематические исследования архитектоники и физико-механических свойств (79-ти сортов и гибридов) всех основных злаковых растений в фазах цветения, молочно-восковой и полной спелости.

4. На уровне изобретения создана лабораторная установка и способ определения упругих и прочностных свойств стеблей растений при изгибе.

5. Впервые построены и проанализированы диаграммы "напряжение - деформация" при изгибе стеблей растений и найдены статистически достоверные величины модуля упругости, пределов упругости и текучести.

6. Изучены вертикальная устойчивость, напряжения при изгибе стеблей при ветровой нагрузке и определены целевые функции селекции и оптимальные параметры архитектоники злаковых растений.

7. Впервые определены числовые диапазоны требуемых изменений характеристик растений при селекции устойчивых к полеганию высокоурожайных сортов и гибридов злаковых культур (уменьшение, в зависимости от вида и сорта, на 11- 41 % их высоты, увеличения на 4 - 57 % диаметра и, для риса, в 1, 4 -1, 5 предела упругости стеблей).

Теоретическая и практическая значимости. Разработана теория полегания растений злаков, на основе которой реализован комплекс исследований по определению направлений селекции неполегающих сортов злаковых культур, а также научно-обоснованный подход к выбору технических средств уборки полеглых растений:

1. Для уборки полегших злаковых растений рекомендована к применению жатка к комбайну, новой, разработанной автором (с соавторами) конструкции и технология уборки с ее использованием (патент 2189729 РФ).

2. Разработаны лабораторная установка и методика исследований физико-механических свойств и архитектоники растений (патент 2222137 РФ).

3. Созданы информационная база данных архитектоники и физико-механических свойств злаковых растений, методы оценки их устойчивости к полеганию, необходимые при подборе родительских пар для гибридизации, отборе ценных генотипов из гибридных популяций, при выведении новых сортов, устойчивых к полеганию.

4. Определены основные направления селекции неполегающих высокоурожайных сортов и гибридов злаковых культур с оптимальными числовыми характеристиками архитектоники растений (конкретные числовые величины уменьшения длины, увеличения диаметров и предела упругости ткани стеблей).

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Систематическая и полная база данных архитектоники и физико-механических свойств растений для проведения исследований по определению числовых характеристик направлений селекции устойчивых к полегании высокоурожайных сортов и гибридов злаковых культур.

2. Оптимальные параметры архитектоники и физико-механических свойств "идеальных" сортов (гибридов) злаковых растений и формулировка целевых функций их селекции путем анализа вертикальной устойчивости и изгиба их стеблей.

3. Предложенные и ранжированные, по степени важности, направления селекции устойчивых к полеганию злаковых культур с позиций биологии, математики и технической механики, состоящие (в зависимости от вида и сорта растений) в уменьшении длины стебля, увеличения его диаметра и прочностных свойств в обозначенных разработанной теорией пределах.

Реализация результатов исследований. Результаты настоящей работы отражены в 3-х монографиях, 5-ти учебных пособиях (с грифом Минсельхоза России), используемых в научно-исследовательских и учебных целях учеными, аспирантами и студентами в вузах Минсельхоза России. Результаты исследований, защищенные Патентами Российской Федерации "Способ определения устойчивости злаковых культур к полеганию" и "Жатка" реализованы, соответственно, при проведении НИР в КГАУ и внедрены в производство ЗАО АФП "Нива" Белореченского района и ООО "Хопер-Агропродукт" Тихорецкого района Краснодарского края (соответствующие акты даны в приложении к диссертации).

Апробация работы и публикация результатов исследований. Основные положения настоящей диссертационной работы докладывались, обсуждались и были одобрены на 43-х региональных, всероссийских и международных научных и научно-практических конференциях, симпозиумах по проблемам научного обеспечения сельского хозяйства, экологии, производства и образования в городах: Краснодаре (1998 - 2007 гг.); Ростове-на-Дону (1999, 2002, 2006 гг.); Ухте (1999 г.); Дубне (2000, 2004 гг.); Астрахани (2000, 2003 гг.); Пущино (2001, 2003 гг.); Алуште (2001, 2004 гг.); Москве (2003, 2007 гг.); Симферополе (2003, 2007 гг.); Владикавказе (2003, 2006, 2008 гг.); Харькове (2003 г.); Пензе (2007 г.); Чебоксарах (2007 г.); Волгограде (2008 г.) и в Майкопе (2008 г.). Всего автором, в результате научных исследований в области селекции, биологии, технической механики и математики опубликовано 130 печатных работ, в том числе по теме диссертации 87 печатных работ, включая 7 статей в изданиях, реферируемых ВАК РФ, 3 монографии и 2 патента на изобретения.

Объем и структура работы. Диссертация изложена на 554 страницах машинописного текста, включает всего 563 рисунка и 56 таблиц, 2 приложения на 196 страницах (515 рисунков). Работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов и предложений для селекции, списка литературы, включающего 540 наименований, в том числе 38 на иностранных языках.

Условия, исходный материал и методика проведения исследований. Исследования проведены в 1998-2007 годах на селекционных полях Краснодарского НИИ сельского хозяйства им. П.П. Лукьяненко и на рисовых чеках учебного хозяйства "Кубань" (КубГАУ) при обычной агротехнике возделывания. Постановка полевых и вегетационных опытов осуществлялась по общепринятым методикам. Климатические условия были обычными.

В качестве исходного материала использованы возделываемые на Кубани злаки (79 сортов и гибридов), - озимая и яровая пшеница, рожь, тритикале, озимый и яровой ячмень, кукуруза, рис, сорго, а также бамбук рода листоколосник в возрасте 7 - 8 лет (г. Сочи, Адлеровский район). Почвенный покров опытных участков представлен выщелоченным малогумусным сверхмощным среднесуглинистым черноземом.

В качестве минеральных удобрений использовались мочевина, аммиачная селитра, двойной суперфосфат и хлористый калий.

Отбор растений для лабораторных опытов в трех характерных для полегания фазах вегетации (цветение, молочно-восковая, полная спелость) производили вручную в различных частях делянки. Эксперименты по определению физико-механических свойств ткани стеблей в лаборатории начинались не позднее 1, 5 - 2 часов после их сбора.

Вегетационные опыты с рисом осуществлялись на вегетационной площадке кафедры генетики, селекции и семеноводства растений КГАУ. Использовали лугово-черноземную почву с рисового поля учхоза "Кубань"; перед посевом почву в сосудах по уровню минерального питания подразделяли на контрольный опыт и два варианта. В качестве азотных удобрений в опытах применяли мочевину, фосфорных - двойной суперфосфат, калийных - хлористый калий.

Растущий в естественных условиях бамбук срезался в январе 2007 года на плантации в Адлеровском районе г. Сочи.

Создана лабораторная установка и методика определения с ее помощью физико-механических свойств растений. При анализе экспериментальных данных и изучении вертикальной устойчивости, изгиба растений использованы фундаментальные принципы математики, физики твердого тела и технической механики.

Вклад автора. Автор работы принимала непосредственное участие в разработке программ, закладке и проведении полевых и вегетационных опытов в период 1998 - 2007 годов в качестве ответственного исполнителя и руководителя. Доля личного участия автора в получении и обработке их результатов не менее 80 %. Исследования архитектоники и физико-механических свойств стеблей, их вертикальной устойчивости и изгиба, определение направлений селекции растений и др. автор провела самостоятельно. Автор выражает искреннюю благодарность д.с-х.н, профессору Зеленскому Г.Л., д. т. н, профессору, Григулецкому В.Г. и д.б.н, профессору Дзюбе В.А. за ценные советы и замечания при подготовке диссертации; сотрудникам Краснодарского НИИ сельского хозяйства им. П.П. Лукьяненко - д.с-х.н, профессору Беспаловой Л.А., д.с-х.н, профессору Толорая Т.Р., д.с-х.н, профессору Салфетникову А.А., к.с-х.н, Грицай Т.И., Филобок В.А., Дудко Л.Ф., Серкину Н.В., Малакановой В.П. за активную помощь и непосредственное участие в проведении полевых опытов и исследований на вегетационной площадке.

Содержание работы

Во введении обоснованы актуальность, цель и задачи работы, охарактеризованы методика исследований, научная новизна полученных результатов, указаны основные положения, выносимые на защиту и практическая ценность работы, приведены сведения о реализации результатов работы, ее апробации, о публикациях по теме диссертации, об объеме и структуре работы; отражен вклад автора в проведенные исследования.

1. Причины полегания растений и уборка полеглых злаковых культур

Изучены негативные последствия и причины полегания растений, сложности уборки полеглых злаковых культур.

Приведены результаты изучения растений пшеницы, ржи, тритикале, ячменя, кукурузы, риса, сорго и бамбука в России и за рубежом; их краткие ботаническая, биологическая и хозяйственная характеристики, где даны ботаническая классификация, изменчивость признаков, описание сортовых разнообразий, хозяйственной ценности, биологические и анатомические особенности злаков, необходимые для систематизации и конкретизации предмета проводимых исследований.

Показана необходимость рассматривать стебель как единую механическую конструкцию, понимая, при этом, под "тканью стебля растения" физически неразрывное единство всех образующих его тканей, поскольку определение упругих и прочностных свойств отдельно "механической ткани" - склеренхимы, невозможна; в любом случае испытанию подвергается образец стебля, имеющего сложное строение.

Приведены история изучения и негативные последствия полегания злаковых растений; проанализированы существующие представления о влиянии на устойчивость растений к полеганию кремнезема, азотных, фосфорных и калийных удобрений, а также содержания в почве и растениях таких микроэлементов, как марганец и медь. Отмечена необходимость сбалансированного их содержания в питании растений.

Описаны физико-химические процессы в тканях растений в период их вегетации и роль в полегании растений лигнификации стеблей, распада компонентов клеточных оболочек - раздревесневения. Упоминается о возможности паразитарного полегания растений.

Большинство исследователей выделяет три вредных последствия полегаемости зерновых культур (снижение биологической урожайности, ухудшение качества зерна и потери при уборке) и три вида полегания: корневое, вследствие слабого сцепления корней с почвой, стеблевое и поникание (у колоса). Отмечено, что до настоящего времени отсутствует общепринятая формулировка понятия "полегшее растение". Предложено понимать полегание как безвозвратное смещение изогнутой оси стебля от своего первоначального ("привычного") состояния и вертикали в степени, препятствующей удобной уборке зерновых культур существующими уборочными агрегатами. По всей видимости, такой изгиб оси стебля выходит за пределы упругой деформации или предела выносливости, растение не возвращается в свое первоначальное положение, т.е. полегает. "Привычное" расположение - это форма оси стебля, сформировавшаяся в период роста растения под влиянием обычного комплекса действовавших на него усилий, факторов. Стебель постепенно "приспосабливается" к природным условиям, и напряжения изгиба в нем находятся в пределах упругости.

Полегание может наступить в любое время вегетации, причем данные по определению периода полегания растений, опасного с точки зрения недобора урожая, противоречивы, но наиболее вероятным временем полегания считается конец цветения - молочно-восковой спелость.

Предыдущие (Н.Е. Алешина, Н.В. Воробьева, А.Х. Шеуджена и др.) и наши исследования показывают, что полегание растений зависит от шести основных факторов: 1) диаметров стебля растения у корня и колоса; 2) длины и степени конусности стебля; 3) длины и веса колоса; 4) величин модуля упругости, пределов упругости и текучести ткани стебля растения; 5) жесткости заделки корня растения в почве; 6) площади ветровой нагрузки (парусности растений). Числовые значения этих факторов получены нами и приведены в диссертации.

К настоящему времени предложено несколько эмпирических показателей устойчивости растений к полеганию, представляющих собой комбинацию величин длины стебля, массы колоса, сухой массы корня и прочности стебля ("сопротивляемость излому"). Такой подход к определению условий полегания нам представляется упрощенным, но качественно верным, поскольку увеличение устойчивости здесь связано, прежде всего, с уменьшением длины стебля и веса колоса, увеличением массы корня. Имеются и другие показатели (например, "стройность" растения, т.е. отношение длины стебля к его среднему диаметру).

Приводятся существующие балльные оценки устойчивости растений к полеганию по пятибалльной шкале и по 9-ти балльной шкале (классификатор ВНИИ растениеводства): 1 балл - растения полностью лежат на земле; 9 баллов - стоят вертикально. Классификаторы Международного и Всероссийского институтов риса имеют аналогичную, но обратную шкалу.

Отмечается важность комплексных критериев устойчивости растения к полеганию (например, способность сохранять вертикальную устойчивость, упругость и прочность при максимальной скорости ветра), учитывающих все основные факторы, влияющие на деформацию растений, для чего необходимо изучение закономерностей их изгиба.

Как известно, основным направлением борьбы с полегаемостью является уменьшение длин растений за счет внедрения в зерновое производство их низкорослых форм с большим количеством первичных и вторичных корней. Однако, введенный показатель "корнеобеспеченности" не позволяет, в количественном плане, оценивать его влияние на вертикальную устойчивость, изгиб или полегаемость растений.

Выявлена недостаточная изученность биометрических особенностей стеблей растений, связанных с их устойчивостью. В известных работах нет данных о реально действующих на стебель нагрузках, прочности его ткани и, как следствие, об устойчивости растений к полеганию не по визуальным оценкам, а по таким показателям, как давление ветрового потока, масса метелки, плотность ткани соломины, жесткость при изгибе, предел упругости, предел и т.д.

Из анализа литературных данных о причинах полегания растений злаковых культур можно сделать вывод о многочисленности эмпирических представлений (на основе анализа полевых данных), малообоснованных теоретически и об отсутствии работ, где полегание злаковых растений, рассматривалось бы с известных позиций технической механики, поскольку стебель растения можно считать упругим, весомым стержнем.

Анализ литературы по злаковым культурам свидетельствует о недостаточности в ней систематических данных о физико-механических свойствах ткани их стеблей, к числу важнейших из которых относятся модуль упругости, определенный для условий изгиба стебля; плотность ткани стеблей; пределы упругости и текучести.

Отдельные механические свойства (модуль упругости, предел прочности) свежеубранных стеблей злаковых растений, определенные с помощью экстензометра ЭТ-5 и динамометров-работомеров, приведены в книгах и статьях Н.Г. Ковалева, Г.А. Хайлиса, Б.А. Воронюка, А.И. Пьянкова, М.Ф. Бурмистровой, Т.К. Комолькова, Г.М. Гинько, В.Ф. Дорофеева и других. В работе дан подробный анализ полученных авторами результатов; сделан вывод о целесообразности использования при расчетах не "физической", а "геометрической" площади сечения стебля, проведена оценка полноты и степени достоверности опытных величин модуля упругости и предела прочности (текучести). Отмечается большая вариация величин модуля упругости у исследованных растений, причем некоторые из этих величин выходят за рамки реальных значений. Например, числовые значения модуля упругости для риса (70-130 МПа) и для кукурузы (92-110 МПа) малы и не соответствуют другим определениям. Такое положение, возможно, связано с недостатками конструкций лабораторных установок и методов обработки результатов испытаний.

Показано, что селекция неполегающих сортов опирается на выборочные и, зачастую, сомнительные по величине, физико-механические свойства стеблей растений, хотя отсутствие комплексного подхода к определению этих свойств снижает эффективность селекционной работы.

Наиболее негативными последствиями полегаемости хлебов являются механические потери при их уборке, когда снижается производительность комбайнов и увеличивается расход горючего. Для уменьшения потерь зерна нами, на уровне изобретения, предложена новая конструкция жатки к комбайну, позволяющая управлять положением мотовила по высоте.

2. Материал, условия и методика проведения опытов по выращиванию растений пшеницы, ржи, тритикале, ячменя, кукурузы, риса, сорго и бамбука

Описаны условия и методика проведения опытов по выращиванию 10 видов злаковых растений с целью изучения архитектоники и физико-механических свойств ткани их стеблей: модулей упругости при изгибе; напряжений, соответствующих пределам упругости и текучести; плотности ткани стеблей; вес единицы длины стебля, изменение этого веса по длине, средняя масса листьев, отнесенная к длине стебля, масса метелки, колоса, початка, площади ветровой нагрузки и др. Обоснована необходимость детальных сведений об архитектонике растений - диаметрах и длинах стеблей, размерах колоса и листьев.

Для этого, в 1998-2007 годах были проведены специальные систематические полевые, лабораторные наблюдения и исследования растений. В общей сложности исследовано 10 видов растений и 79 их сортов (гибридов) при трех фазах вегетации.

Такой большой объем исследований позволил получить статистически достоверные результаты, таблица 2.1.

Таблица 2.1. Сведения о полевых исследованиях свойств злаковых растений

№ п/п	Вид злакового растения	Количество и перечень сортов и гибридов	Годы	Количество образцов стеблей	Число замеров f - P
1	Озимая пшеница (Triticum L)	10 сортов: Безостая 1, Дельта, Дея, Краснодарские 6, 57, 99, Купава, Победа 50, Скифянка, Юна	3 года: 2001-2003	190	1443
2	Яровая пшеница (Triticum L)	13 сортов: Альбидум 188, Будимир, Валерия, Вилен, К-80 (Ласточка), Курская 2038, Прохоровка, Саратовская 62, Терция, Тулайковская белозерная, Тулайковская степная, Новодонская, Эгида	3 года: 2001-2003	243	1771
3	Рожь (Secale cereale L)	3 сорта: Альфа, Pandanhomil, Haruichiban	3 года: 2002-2004	72	615
4	Тритикале (Triticosecale WITTM. & A. CAMUS)	10 сортов: Д-5 КСИ - I 93-77t36-9, АД Зеленый, Гренадер, Толчиако, Конвейер, КСИ 1Д-24Д-549, Мудрец, Руслан, Союз, Хонгор	3 года: 2002-2004	239	1762
5	Озимый ячмень (Hordeum L)	12 сортов: Михайло, Омега, Соната, 329-1/Секрет, Cармат, Премьер, Павел, Добрыня 3, Скороход, Н-2, Горизонт, РА 8444-78	3 года: 2001-2003	326	2289
6	Яровой ячмень (Hordeum L)	13 сортов: Стимул, Рубикон, Виконт, Мамлюк, Каскад, 632-3 НЭМ, 666-3-1, 615-1/2401-6//1/3/Перелом С, АСS АД176/6/3, Realm/331-1, Одесский 100, Риск, Рахат	3 года: 2001-2003	228	1339
7	Кукуруза (Zea mays L)	9 гибридов: РОСС 229, Краснодарский 290 МВ, 295 МВ, 382 МВ, 385 МВ, 389 МВ, 410 МВ, 415 МВ, 507 АМВ.	3 года: 2003-2005	241	3783
8	Рис (Oryza sativa L)	4 сорта: Славянец, Курчанка, Снежинка, Павловский	2 года: 1998-1999	113	1139
9	Сорго (Sorghum MOENCH)	4 сорта: Аист, Зерноградский янтарь, Зерноградское 53, Хазине 28	3 года: 2004-2006	125	1473
10	Бамбук (Bambusa Schreb.)	1 вид: Филостахис	1 год: 2007	26	1221
Всего, в течение 10 лет (1998 - 2007 годы)	1803	16835

Примечание. Получено еще 1685 пар значений f - P для сортов риса, при трех различных фонах минеральных удобрений на вегетационной площадке.

Даны характеристики объектов исследования - сортов и гибридов злаковых растений, в том числе, оценки их склонности к полеганию.

Метеорологические условия были стабильными и незначительно отличались от средних многолетних.

Почвенный покров опытных участков представлен выщелоченным, малогумусным, сверхмощным среднесуглинистым черноземом. Под бамбук более пригодны богатые гумусом красноземные и желтоземные почвы склонов, слабо- и среднеподзолистые почвы долин.

Постановка полевых опытов с растениями осуществлялась по общепринятой методике П.Н. Константинова, Н.Ф. Деревицкого, В.Г. Вольфа, Б.А. Доспехова, П.Г. Найдина и методическим указаниям, разработанных в КНИИСХ им. П.П. Лукьяненко и ВНИИ риса.

Полевые опыты проводились при обычной агротехнике возделывания. В качестве минеральных удобрений использовались, в обычных дозах, мочевина, аммиачная селитра, двойной суперфосфат и хлористый калий.

Для лабораторных опытов в трех, характерных фазах вегетации (цветение, молочно-восковая и полная спелость), производился отбор 8 - 10 растений в различных частях делянки (придерживаясь ее диагоналей). Их снопы упаковывались в полиэтиленовый пакет с биркой, где указывались сорт (гибрид), фаза вегетации, дата и время сбора. Эксперименты с пробами стеблей начинались не позднее 1, 5 - 2 часов после их сбора.

Опыты с рисом проводились и на вегетационной площадке кафедры генетики, селекции и семеноводства растений КГАУ. Использовали лугово-черноземную почву с рисового поля учхоза "Кубань". Для оценки влияния различных сочетаний удобрений на физико-механические свойства ткани стеблей риса, перед посевом почву в сосудах по уровню минерального питания подразделяли на контрольный опыт и два варианта.

Образцы 10 растений бамбука с ветками и листьями были срезаны на бамбуковой плантации г. Сочи в январе 2007 года. Их стебли разрезались на куски длиной 1-1, 3 м, нумеровались по порядку их расположения в растении, связывались в пучки с бирками с номером растения, датой и временем сбора. Через 5-10 часов они доставлялись в лабораторию г. Краснодара, где проводилось определение физико-механических свойств их стеблей.

3. Разработка методики экспериментальных исследований архитектоники злаковых растений и физико-механических свойств ткани их стеблей

В диссертации описаны разработанные автором методики экспериментальных исследований архитектоники и физико-механических свойств злаковых растений, которые состоят в следующем:

Длина стебля от его основания (узла кущения) до верхнего узла измерялась вдоль его оси с помощью рулетки с точностью до одного сантиметра; наружные и внутренние диаметры стебля у корня и у колоса замерялись штангенциркулем с точностью до десятых долей миллиметра.

Пробы стеблей, листья, колосья и початки взвешивались на весах ВЛКТ-500 и торсионных весах РН-10ц13у с точностью до сотых долей грамм-силы.

Определялась масса сырых колосьев, которая сопоставлялась с массой сухих. После взвешивания сухого колоса он на 2-3 минуты помещался в мерный цилиндр с водой, где встряхивался, после чего также взвешивался.

Длина h и поперечные размеры колоса в трех местах: нижней (а_н), средней (а_с) и верхней (а_в) определялись с точностью до миллиметра. Площадь колоса (метелки) вычислялась по формуле S_м = h(а_н + а_с + а_в)/3.

Определялись число листьев на стебле и, после их отделения, с помощью линейки, размеры листа: ширина у влагалищного узла (b_o), в средней части (b_с) и длины от влагалищного узла до средней части (с_о), от средней части до верхушки (с_в). Площадь листа рассчитывалась по формуле S_ло = 0, 5_*[с_o(b_о + b_с)/2 + с_вb_с]. Площадь ветровой нагрузки определялась исходя из геометрии поперечного сечения листьев: S_л = 0, 25S_ло.

С точки зрения полегания, изгибающие напряжения являются основными для стеблей злаковых растений. Были созданы установка и методика экспериментов по определению упругих и прочностных свойств стеблей злаковых культур при их изгибе, рисунок 1, дающие хорошую точность и воспроизводимость результатов.

Большая часть экспериментов проводилась при расстоянии между лапками 0, 3-0, 5 м; в ряде опытов оно или уменьшалось до 0, 2 м (для риса) или увеличивалось до 75-100 см (для кукурузы и бамбука), что позволило удостовериться в отсутствии масштабного эффекта. Имитировалось шарнирное соединение пробы стебля с лапками штативов, - стебель располагался свободно на лапках без зажима. Прогиб пробы стебля в середине относительно натянутой между лапками нити замерялся штангенциркулем с точностью до миллиметра. Нагружение в середине пробы осуществлялось гирями с шагом от 0, 1-0, 2 Н до 20-40 Н (в зависимости от вида растения, расстояния между шарнирами и диаметра пробы стебля). Наибольшая нагрузка изменялась от 2 Н (для риса) до 1000 Н (для бамбука). Число нагружений - 10-20; повторность опытов - от 3-х до 10-ти кратной.

Пробы вырезались из средней, нижней и верхней частей стебля. Диаметры у их концов замерялись штангенциркулем с точностью до десятых долей миллиметра. При обработке результатов оперировали со средними наружным (D) и внутренним (d) диаметрами пробы ; , где D₁, d₁ и D₂, d₂ - диаметры пробы у концов.

Использована известная зависимость деформация - напряжение :

, (3.1)

где ; ; E - модуль упругости стебля; Р - вес груза; L - расстояние между шарнирами; I = (/64)(D⁴-d⁴) - осевой момент инерции сечения пробы; W = (/32)(D⁴-d⁴)/D - осевой момент сопротивления; f - замеренный прогиб в середине пробы от силы P.

Начальная (естественная) кривизна оси стебля (град./1 м) вычислялась по прогибу f_o пробы при Р = 0: К = 57, 3/(0, 5f_o + 0, 125L²/f_o).

Плотность ткани стеблей определялась как частное от деления массы m_п на объем V_п тела пробы стебля длиной L_п: , причем .

4. Видовые и сортовые особенности архитектоники и физико-механических свойств злаковых растений

Определены и проанализированы видовые и сортовые особенности архитектоники и физико-механические свойства стеблей злаковых растений.

Дана характеристика архитектоники растений по видам растений и группам их сортов (гибридов). Все сорта и гибриды растений (кроме бамбука), были условно разделены на 3 группы: короткостебельные, среднерослые и длинностебельные. Полученные данные о внутривидовых различиях растений в длинах и диаметрах стеблей приведены в таблице 4.1.

Таблица 4.1. Классификация злаковых культур по длинам и диаметрам их стеблей (фрагмент информационной базы данных)

Растение	Наименование сортов и гибридов	Характеристика сорта
		Длина, см	Наружный диаметр (мм) у
			корня	колоса
1. Озимая пшеница ko = 0, 54 kк = 0, 47	Кс: Краснодарская 99, Купава, Победа 50, Скифянка, Юна	73 2	3, 90, 2	2, 10, 1
	Ср: Безостая 1, Дельта, Дея	85 3	3, 70, 2	2, 10, 1
	Дс: Краснодарские 6, 57	106 4	4, 00, 2	1, 90, 2
2. Яровая пшеница ko = 0, 53 kк = 0, 47	Кс: Будимир, Валерия, К-80	56 3	2, 50, 2	1, 50, 1
	Ср: Вилен, Тулайковская степная, Курская 2038	78 4	2, 80, 2	1, 70, 1
	Дс: Альбидум 188, Новодонская, Прохоровка, Тулайковская белозерная, Саратовская 62, Терция, Эгида	83 3	2, 80, 1	1, 80, 1
3. Рожь ko = 0, 60 kк = 0, 48	Кс: Альфа	133 6	4, 30, 7	1, 30, 3
	Ср: Pandanhomil	145 10	4, 60, 3	1, 10, 1
	Дс: Haruichiban	148 10	4, 70, 2	1, 10, 1
4. Тритикале ko = 0, 58 kк = 0, 47	Кс: АД Зеленый, Д-549, Мудрец, Руслан, Хонгор	92 3	5, 20, 2	2, 00, 1
	Ср: 93-77t36-9, Tolchiako, Конвейер, Союз	100 4	5, 10, 2	1, 90, 1
	Дс: Гренадер	123 22	5, 30, 3	1, 90, 3
5. Озимый ячмень ko = 0, 56 kк = 0, 46	Кс: Добрыня -3, Павел, Михайло, Омега, Премьер, Соната, 329-1/Секрет, Сармат	70 3	4, 20, 1	1, 40, 1
	Ср: Скороход, Н-2	78 3	4, 10, 2	1, 20, 1
	Дс: РА-8444-78, Горизонт	106 6	4, 30, 4	1, 20, 1
6. Яровой ячмень ko = 0, 55 kк = 0, 46	Кс: 666-3-1, Каскад, Мамлюк, Стимул, Рахат, Риск, Realm	53 2	2, 80, 1	1, 20, 1
	Ср: Виконт, Рубикон, Одесский-100	60 4	2, 90, 1	1, 30, 1
	Дс:ASCAD 176/613-1, 615, 632-3НЭМ	73 5	3, 00, 2	1, 30, 1
7. Кукуруза ko = 0, 86 kк = 0, 70	Кс: Краснодарская 295	170 9	23, 61, 3	6, 90, 6
	Ср: Краснодарские 290, 382, 385, 410, 415	180 5	23, 80, 5	7, 00, 3
	Дс: Краснодарские 389, 507, РОСС 299	187 8	24, 01, 0	7, 40, 7
8. Рис ko = 0, 65 kк = 0, 50	Кс: Курчанка	82 7	7, 70, 2	2, 50, 2
	Ср: Снежинка	85 7	7, 70, 2	2, 40, 2
	Дс: Славянец, Павловский	89 8	8, 10, 2	2, 60, 2
9. Сорго ko = 0, 83 kк = 0, 66	Кс: Хазине 28	78 4	15, 30, 9	6, 40, 5
	Ср: Аист, Зерноградское 53	117 5	13, 20, 9	6, 20, 4
	Дс: Зерноградский янтарь	168 9	13, 71, 1	6, 30, 7

Сорта: Кс - короткостебельные; Ср - среднерослые; Дс - длинностебельные.

Доверительный интервал изменения признаков рассчитывался при высокой, 90 %, вероятности. Коэффициенты k_o и k_к - замеренные отношения внутренних диаметров к наружным у корня и колоса. Из таблицы видны значительные различия в диаметрах растений, причем диаметры стеблей у яровых культур на 40-67 % меньше, чем у озимых.

Средние значения длин стеблей и диаметров находятся в пределах границ, определяемых НСР₀₅ (дисперсионный анализ проводился с использованием программы статистических расчетов СТАТПАК). Кроме того, исследования показали, что межсортовые различия в размерах стеблей риса, выращенного на вегетационной площадке качественно соответствуют различиям в полевых условиях. Это свидетельствует о возможности сопоставления результатов опытов для злаковых культур в этих двух обозначенных условиях.

Определены массы и соотношение масс сухих и сырых колосьев (метелок), их длины и площади для всех групп сортов злаков. Эти характеристики, приведенные в реферируемой диссертации, существенно влияют на устойчивость и изгиб злаковых растений.

Средняя масса колоса увеличивается при переходе от фазы цветения к молочно-восковой спелости (кроме кукурузы) и, затем, уменьшается (кроме риса) в фазе полной спелости - за счет обезвоживания ости колоса и зерновок, а также осыпания зерна и склевывание его птицами; средние значения этих масс по фазам вегетации находятся в пределах НСР₀₅.

Отмечено сравнительное постоянство среднего отношения весов сырого и сухого колосьев (28 - 36 %). Можно предположить, что вес стебля с листьями при намокании увеличиваются в таком же соотношении.

Длины колоса по мере созревания растений изменяются мало; в фазе молочно-восковой спелости по группам сортов они варьируют от 10 - 20 см (пшеница, рожь, тритикале, ячмень и рис) до 17, 4 - 46, 6 см (кукуруза, сорго).

Средние, по фазам созревания и сортам, площади колосьев (метелок) изученных видов злаковых растений составляют 12, 1-24, 8 см² и только для сорго и кукурузы они возрастают, соответственно, до 190, 0-674, 2 см². По мере созревания растений эта площадь, как правило, увеличивается.

В диссертации определены, по фазам вегетации и группам сортов, веса и площади ветровой нагрузки листьев на единицу длины стебля. За исключением риса, вес листьев уменьшается по мере созревания растений. Его числовые значения в фазе молочно-восковой спелости изменяются от 0, 0050-0, 0182 Н/м (пшеница, рожь, ячмень) до 0, 0155-0, 0360 Н/м (тритикале, рис), 0, 773-0, 990 Н/м (сорго), 0, 93 Н/м (бамбук) и 2, 96-3, 18 Н/м (кукуруза с учетом веса початков).

Погонная площадь ветровой нагрузки листьев по фазам вегетации растений практически не изменяется - за исключением кукурузы и сорго, где по мере созревания растений она несколько уменьшается за счет высыхания листьев. Ее числовые значения в фазе молочно-восковой спелости изменяются от 0, 0014-0, 0047 м²/м (пшеница, рожь, тритикале, ячмень и рис) до 0, 012 Н/м (бамбук), 0, 027-0, 056 Н/м (сорго) и 0, 09-0, 10 Н/м (кукуруза); средние значения погонных веса и площади находятся в пределах НСР₀₅.

В диссертации приведены величины начальной (естественной) кривизна стеблей растений, выращенных в полевых условиях, которая косвенно характеризует степень устойчивости стебля к полеганию: чем меньше кривизна, тем более прямолинейный стебель (кроме ржи, которая при достаточно прямой оси стебля весьма склонна к полеганию), рисунок 2.

Проведенные экспериментальные работы позволили определить плотность, упругие и прочностные свойства ткани стеблей злаковых растений, выращенных в условиях полевых и вегетационного опытов.

Внутривидовых различий в плотности стеблей растений не выявлено. Плотность ткани стеблей растений по фазам вегетации даны в таблице 4.2.

Таблица 4.2. Плотность ткани свежесрезанных стеблей в зависимости от фазы вегетации (фрагмент информационной базы данных)

Растение	Число замеров	Среднее значение плотности , кг/м3
		Цветение	Молочно- восковая спелость	Полная спелость	В среднем по фазам
1. Озимая пшеница	63	714	710	362	595
2. Яровая пшеница	89	713	668	364	582
3. Рожь	30	749	710	348	602
4. Тритикале	61	724	667	425	605
5. Озимый ячмень	156	730	725	380	612
6. Яровой ячмень	106	715	710	360	595
7. Кукуруза	150	770	770	540	693
8. Рис	113	650	631	568	617
9. Сорго	92	750	732	530	671
10. Бамбук	7	-	-	-	920
НСР05		0, 44	0, 43	0, 01	0, 01

Из таблицы 4.2 видна близость значений в фазах цветения и молочно-восковой спелости. В фазе полной спелости разброс данных несколько больше - 348-568 кг/м³, что связано с разной степенью обезвоживания растений перед уборкой: пшеница, рожь, ячмень - больше, тритикале, сорго, кукуруза и, особенно, рис - меньше. Таким образом, плотность стеблей злаковых растений уменьшается по мере их созревания, высыхания и "разрыхления" ткани. Плотность ткани стеблей бамбука больше, чем у других злаков и приближается к плотности воды.

Определения модуля упругости Е, пределов упругости _у и текучести _т производились в соответствии с методиками главы 3 диссертации. В координатах - получали точки, по которым строился график зависимости _к = - a_*² + b_*, где a, b - рассчитываемые коэффициенты. В начале графика = () выбирался массив точек с практически линейной зависимостью от , где проводилась аппроксимирующая прямая = E_* и Е рассчитывался как тангенс угла наклона этой прямой относительно оси .

Пример построения описываемых диаграмм дан на рисунке 4.2, где, для удобства, величины увеличены в 1000 раз; и Е измеряются в МПа.

С использованием описанной в работе процедурой определены: предел упругости , где _y - безразмерный прогиб, соответствующей пределу упругости, k = 1, 1 - эмпирический коэффициент; предел текучести , где _х - безразмерный прогиб при максимуме напряжений _к.

Результаты определения _у и _т представлены в таблице 4.3. Графики зависимостей = () для всех обследованных растений приведены в Приложении 1 к работе. Коэффициент детерминации при обработке данных 0, 87 - 0, 98 (высокая и весьма высокая сила связи).

Таблица 4.3. Средние модули упругости, пределы упругости и текучести ткани стеблей злаковых растений по фазам созревания (фрагмент информационной базы данных)

Вид злакового растения	Модуль упругости, МПа	Предел упругости, МПа	Предел текучести, МПа
	CрЗ	Ц	МВС	ПС	CрЗ	Ц	МВС	ПС	CрЗ	Ц	МВС	ПС
1. Озимая пшеница	2099	1791 29	212726	2380 35	17, 6	16, 7 0, 4	18, 5 0, 4	17, 6 0, 4	23, 8	22, 1 0, 3	25, 1 0, 3	24, 0 0, 3
2. Яровая пшеница	2243	1961 126	2242 35	2526 36	17, 7	17, 1 0, 3	19, 0 0, 5	17, 0 0, 9	25, 8	24, 2 0, 5	27, 1 0, 5	26, 0 0, 5
3. Рожь	2915	2716 54	2844 66	3185 126	19, 1	17, 1 0, 6	19, 7 0, 9	20, 4 0, 6	24, 7	22, 2 0, 7	26, 2 0, 7	25, 7 1, 0
4. Тритикале	1996	1852 41	1961 55	2174 63	13, 3	12, 4 0, 4	13, 9 0, 4	13, 4 0, 4	16, 1	15, 1 0, 4	17, 0 0, 4	16, 2 0, 5
5. Озимый ячмень	2023	1720 17	2039 28	2309 26	14, 9	14, 0 0, 5	16, 1 0, 4	14, 4 0, 5	22, 7	20, 8 0, 4	24, 1 0, 3	23, 0 0, 3
6. Яровой ячмень	2156	1867 26	2193 24	2408 24	15, 7	15, 1 0, 4	16, 0 0, 5	16, 1 0, 6	22, 6	21, 3 0, 3	23, 7 0, 3	22, 9 0, 3
7. Кукуруза	1865	1666 17	1811 9	2117 22	16, 7	14, 5 0, 3	16, 9 0, 5	18, 7 0, 3	21, 5	18, 3 0, 4	22, 0 0, 4	24, 2 0, 3
8. Рис	1250	1420 29	1222 24	1108 22	4, 4	4, 9 0, 2	4, 4 0, 1	4, 0 0, 1	6, 6	7, 2 0, 1	6, 4 0, 1	6, 0 0, 1
9. Сорго	3022	2838 48	296485	3184 104	22, 7	21, 5 1, 1	23, 5 0, 9	22, 5 1, 2	30, 4	28, 8 0, 5	31, 3 0, 8	30, 5 0, 9
10. Бамбук	147221005	112, 27, 8	138, 712, 3

Примечание. Доверительный интервал определялся при вероятности 90 %.

Из таблицы видно, что величины модуля упругости изменяются от наименьшего у риса (1250 МПа) до весьма высокого у бамбука (14722 МПа). Модуль упругости бамбука соответствует величинам модуля упругости древесинам бука и лиственницы и почти в 14 раз меньше этого показателя для низкосортной стали (равный 200000 МПа).

Пределы упругости в среднем по фазам вегетации также изменяются от наименьшего у риса (4, 4 МПа) до очень высокого у бамбука (112, 2 МПа), что ненамного выше, чем у бука и лиственницы и только в 1, 8 раза меньше _у для низкосортной стали (200 МПа). Характер изменения, по фазам вегетации, предела текучести аналогичен изменению предела упругости.

Во всех случаях (кроме риса) по мере созревания растений Е увеличивается (на 17-33 %), т.е. стебель становится жестче.

Что касается _у и _т, то всегда (кроме риса) эти величины увеличиваются (на 9-15 %) при переходе из фазы цветения в фазу молочно-восковой спелости, а затем, в фазе полной спелости - немного снижаются.

Модуль упругости Е, _у и _т риса имеют тенденцию к снижению (на 28, 23 и 20 %) при переходе от фазы цветения к фазе полной спелости.

Приведенные в работе величины Е, _у и _т по сортам (гибридам) внутри видов растений имеют значения и тенденции изменения как в таблице 4.3. Различий в них (кроме риса) для каждой группы сортов по годам и между самими группами не установлено.

Тенденции изменения , Е, _у и _т по фазам вегетации и по сортам риса, выращенного в полевых условиях и на вегетационной площадке одинаковые, что подтверждает их достоверность и свидетельствуют об устойчивости величин Е, _у и _т внутри каждого вида злаков.

5. Направления селекции устойчивых к полеганию сортов и гибридов злаковых растений на основе исследования устойчивости и изгиба их стеблей

Селекция - длительный и трудоемкий процесс, поэтому важно знать желательные числовые характеристики признаков создаваемых сортов (длина, диаметры стебля, масса колоса и др.). В этой связи, первостепенное значение имеет изучение вертикальной устойчивости и изгиба стебля.

Определены направления селекции устойчивых к полеганию сортов и гибридов злаковых растений на основе созданной нами информационной базы данных архитектоники и физико-механических свойств злаков, исследования вертикальной устойчивости и изгиба их стеблей.

Принимаются обычные допущения линейной теории упругости, подробно описанные в диссертации.

На рисунке 4 дана расчетная схема устойчивости стебля растения.

Решение задачи дано на основе линейного уравнения:

, (5.1)

причем , где Y, Х - абсцисса и ордината любой точки на упругой оси стебля; EI_o, q_о - жесткость при изгибе и погонный вес стебля с листьями у корня (соответственно EI_к и q_к - у колоса); , - декременты убывания (по длине стебля L) жесткости и погонного веса стебля в формулах , ; В - вес колоса; M, F - постоянные интегрирования; величины EI_o, EI_к, q_o, q_к, , определены в диссертации.

Решение линейного дифференциального уравнения (5.1) имеет вид:

, (5.2)

где ; ; .

Граничные условия для определения 4-х неизвестных M, F, C₁ и C₂:

I. Ось стебля у корня совпадает с началом координат XOY и имеет возможность угловых смещений: 1); 2), где _о - удельный изгибающий момент (отношение момента к угловому смещению стебля), причем 0 _о , т.е. имеет место упругая заделка.

II. На верхнем, свободном к перемещению, конце стебля действует изгибающий момент от веса колоса длиной h:. Следовательно, 3) где - удельный изгибающий момент от веса колоса (отношение момента к угловому смещению) и 4).

Подчиняя решение (5.2) граничным условиям и приравнивая главный определитель полученной системы уравнений нулю, получено соотношение для определения критических условий вертикальной устойчивости стебля:

, (5.3)

где U₁ - U₉ приведенные в работе функции величин EI_o, EI_к, , , L, и _к.

Исследуя зависимости критических значений _ккр = _к(_о, L, D_о, D_к/D_о), оценено влияние сцепления корня с почвой, длины стебля, его диаметров, погонного веса, жесткости, веса листьев на величину критического момента от веса колоса _к. При _{к ккр} стебель теряет устойчивость и изгибается. Очевидно, что чем выше вертикальная устойчивость растения, тем больше его устойчивость к полеганию. Поэтому, в качестве целевой функции оптимизации архитектоники злаков, принята масса колоса и задача селекции "идеального сорта" состоит в достижении таких параметров архитектоники растения (длина, диаметры, степень заделки корня в почве), чтобы при заданной, желательной массе колоса стебель сохранял вертикальную устойчивость. Для кукурузы и бамбука метелка или крона с зерновкой не представляют промышленной ценности; поэтому целью селекции для пищевых гибридов кукурузы является максимальная масса зерна в початках, а для бамбука - прямолинейность ствола и высокое качество древесины.

В диссертации при...