秸秆倒伏(收割前秸秆或茎的机械故障)是粮食生产中的主要问题，严重影响产量。改善茎秆倒伏的努力由于对茎秆倒伏的决定因素了解有限而受到阻碍。研究了玉米(Zea mays L.)秸秆的结构弯曲特性和材料弯曲特性。首先，利用田间表型装置DARLING(稻谷抗倒伏测定装置)测定玉米秸秆的结构特性。茎秆然后受到一个外壳穿透协议和形态测量获得。最后，从茎上切除小条的皮组织，并进行微三点弯曲试验，以确定皮组织的材料性能。结果表明，在现场试验中，当发生破坏时，外壳组织的材料抗弯强度大约是外壳组织中存在的弯曲应力的两倍。这表明茎秆最终由于某种形式的屈曲(即结构失效)而不是材料失效而倒伏。这一结果与寻求解决茎秆倒伏问题的遗传和育种研究有关。特别是，这些结果表明，提高茎秆抗倒伏能力应侧重于茎秆的几何特征，如皮厚与直径的比值，而不仅仅是提高材料强度。对于本研究中的样品，材料强度范围在64至197 MPa之间，而材料刚度范围在4至12 GPa之间。研究发现，抗剥皮穿透性是材料性能的良好预测指标，但不能很好地预测结构性能。

图1  a.现场和实验室测试程序流程图。b. DARLING测试演示图像。c.轮胎穿刺测试设置图像。d.示意图显示了如何为微三点弯曲实验获取样本。e.微三点弯曲试验装置。

图2  刺穿试验荷载-位移曲线上的关键点及其在车轴截面上相应的物理特征。A -初始接触点，B -中点，C -再接触点，D -退出(零)平面。直径由A到D的距离确定，而厚度由C到D测量。

图3  材料抗弯强度(上)和材料抗弯刚度(下)的箱形图，由第一个节间的材料抗弯强度或材料抗弯刚度归一化。

图4  结构弯曲性能(左列)和材料弯曲性能(右列)与外壳穿透阻力的相关性。左列为每根秸秆(n=12根秸秆)的平均穿透阻力与结构弯曲性能的相关性。右列显示了在节间水平(n=63节间)测试的与材料弯曲性能的相关性。正如假设的那样，数据清楚地表明，外壳穿透阻力与材料性能呈正相关，但对结构性能的预测效果很差/不显著。

图5  以第一节间稻穗穿透阻力归一化的稻穗穿透阻力箱形图。

图6 结构弯曲性能(左列)和材料弯曲性能(右列)与综合穿刺评分的相关性。左列显示了结构弯曲性能与综合穿刺评分的相关性。图中显示的综合穿刺评分是每根茎(n=12根茎)中所有节间的平均综合穿刺评分。右列显示了在节间水平(n=63节间)测试的与材料弯曲性能的相关性。正如假设的那样，数据显示，与材料性能相比，综合穿刺评分与结构性能的相关性更强。

图7  材料抗弯强度的箱形图(σ失效)。每个箱线图表示在单个节点间获得的10个微三点弯曲试验结果。结果表明，当归一化材料强度大于1时，所有秸秆均因屈曲而失效。

图8  结构抗弯强度(使用DARLING测量)和材料抗弯强度(从微三点弯曲试验获得)之间的相关性。