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相关系数算法-小麦发育后期茎秆抗倒伏性的数学模型.pdf
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相关系数算法-小麦发育后期茎秆抗倒伏性的数学模型.pdf
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第
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建
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模
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赛
赛
题 目 小麦发育后期茎秆抗倒伏性的数学模型
摘 要:
本文共 8 章,对小麦发育后期茎秆抗倒伏性提出了数学模型,给出了数值解
及分析,最后提出了建议。
针对问题一,首先对题目所给出的原始抗倒伏指数模型进行量化,得出了
07 年各品种小麦的抗倒伏公式。然后,根据其它年份数据缺失的特点,建立了
基于茎秆密度和机械强度的改进型抗倒伏指数模型。最后,得出了缺失数据 08
年及 11 年抗倒伏指数的数值解。
针对问题二,首先建立了倒伏指数与外部形态的关联性分析模型;进一步,
使用改进后的通径分析法模型,对于抗倒伏指数及外部形态关系进行分析。最后,
用灰色关联分析法进行详细数值运算,并对 08 年两种倒伏原因进行了分析。
针对问题三,提出了理想株型结构的定义,提出了一个双目标优化模型,并
探讨各种穗重情况下的理想模型的数值解。
针对问题四,首先建立了茎秆分布模型,然后对于该模型进行简化,分别从
茎秆线密度线性变化、分节几何性质均匀以及分节物理性质均匀的情况下获得三
个抗倒伏模型。并分别确定了不同条件下的挠曲线方程。通过定义抗折断余量、
抗倒伏余量以及倒伏角,采用物理性质均匀模型,分别刻画了不同品种小麦的抗
倒伏特性,以及发生倒伏的程度。
问题五依据问题四建立的模型,以 07 年数据为基础,分别计算了不同品种
的抗折断余量、抗倒伏余量、倒伏角、最大抗倒伏风速以及临界重力值。结果表
明矮抗具有最优的抗倒伏性能,周麦次之,新麦最差。
问题六,根据前面模型,提出了 7 个需要解决的问题,进一步为 2012 年制
定了试验和数据分析方案,提出了一些建议。
I
目录
1 问题引入 .................................................................................................................................. 1
2 问题一、基于茎秆机械强度的倒伏指数模型 ....................................................................... 2
2.1 符号说明与假设 .............................................................................................................. 2
2.1.1 符号说明 ............................................................................................................... 2
2.1.2 假设 ....................................................................................................................... 2
2.2 模型的准备:现有研究结果与数据预处理 .................................................................. 2
2.2.1 现有研究的局限性 ............................................................................................... 2
2.2.2 数据标准化预处理 ............................................................................................... 3
2.3 原始茎秆倒伏指数模型及对 07 年的数据分析 ............................................................ 3
2.3.1 原始茎秆倒伏指数公式 ....................................................................................... 3
2.3.2 07 年各品种的倒伏指数的数值结果 .................................................................. 4
2.4 改进的倒伏指数模型及对 08 年和 11 年得数据分析 .................................................. 6
2.4.1 影响茎秆机械强度的重要因素:茎秆密度分析 ................................................ 6
2.4.2 影响倒伏指数的重要因素:机械强度模型 ........................................................ 6
2.4.3 倒伏指数模型 ....................................................................................................... 8
2.4.4 08 年倒伏指数的数据分析 .................................................................................. 8
2.4.5 11 年倒伏指数的数据分析 ................................................................................. 10
3 问题二、倒伏指数和茎秆外部形态特征的关系:相关性分析 ......................................... 11
3.1 符号说明与假设 ............................................................................................................ 11
3.1.1 符号说明 ............................................................................................................. 11
3.1.2 假设 ..................................................................................................................... 11
3.2 模型的准备 ................................................................................................................... 12
3.2.1 现有研究情况 ..................................................................................................... 12
3.2.2 最易引起倒伏期的判定 ..................................................................................... 12
3.3 模型 I:基于相关系数的数学模型 ............................................................................. 12
3.4 模型 II:通径分析 ........................................................................................................ 13
3.4.1 通径分析原理 ..................................................................................................... 13
3.4.2 倒伏指数与茎秆形态特征的通径分析.............................................................. 14
3.5 模型 III:灰色关联分析法 ........................................................................................... 15
3.5.1 灰色关联分析原理 ............................................................................................. 16
3.5.2 倒伏指数与茎秆形态特征的灰色关联分析 ...................................................... 16
4 问题三、基于多目标优化的小麦理想株型结构 ................................................................. 18
4.1 符号说明与假设 ............................................................................................................ 18
4.1.1 符号说明 ............................................................................................................. 18
4.1.2 假设 ..................................................................................................................... 18
4.2 什么是理想株型 ............................................................................................................ 18
4.3 理想株型的多目标优化模型 ........................................................................................ 19
4.3.1 目标函数 ............................................................................................................. 19
4.3.2 变量选取与约束条件 ......................................................................................... 20
4.3.3 理想株型多目标优化模型的表述 ..................................................................... 20
4.3.4 多目标优化模型的数值结果 ............................................................................. 21
5 问题四、基于力学、分析、几何的综合抗倒伏模型 ......................................................... 22
5.1 符号说明 ....................................................................................................................... 22
II
5.2 模型的准备对问题的理解与分析 ................................................................................ 22
5.2.1 现有研究情况 ..................................................................................................... 22
5.2.2 理论基础 ............................................................................................................. 22
5.3 小麦茎秆的挠曲线模型 ................................................................................................ 23
5.4 挠曲线模型的简化 ........................................................................................................ 25
5.4.1 简化模型 1:线密度线性减小情况下的抗倒伏模型 ....................................... 25
5.4.2 简化模型 2:几何变换简化下的模型............................................................... 28
5.4.3 简化模型 3:分节均匀弹性情况下的抗倒伏模型 ........................................... 31
5.4.4 基于简化模型 3 的茎秆抗倒伏模型:.............................................................. 33
6 问题五、抗倒伏风速、自重模型及数值解 ......................................................................... 35
6.1 问题分析 ....................................................................................................................... 35
6.2 求解结果 ....................................................................................................................... 37
7 问题六、关于小麦抗倒伏的问题、方案及建议 ................................................................. 38
7.1 从问题 1~5 得出所需解决的问题 ................................................................................ 38
7.2 抗倒伏试验建议 ............................................................................................................ 39
7.2.1 试验对象设计 ..................................................................................................... 40
7.2.2 形态特征信息收集 ............................................................................................. 40
7.2.3 数据统计分析 ..................................................................................................... 40
7.3 小麦育种建议................................................................................................................ 41
8 总结 ........................................................................................................................................ 42
9 参考文献 ................................................................................................................................ 43
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1
小麦发育后期茎秆抗倒伏性的数学模型
——数值分析及建议
1 问题引入
小麦高产、超高产的研究始终是小麦育种家关注的热点问题。随着产量的增
加,小麦的单茎穗重不断增加。但穗重的增加同时使茎秆的负荷增大,导致容易
倒伏。倒伏不但造成小麦减产,而且影响小麦的籽粒品质。因此要实现小麦高产
优质的跨越,就必须解决或尽量减少小麦的倒伏问题。
小麦倒伏从形式上可分为“根倒”和“茎倒”,一般都发生在小麦发育后期。
“根倒”主要与小麦种植区域的土壤品种与结构特性有关,本题不做讨论。“茎
倒”是高产小麦倒伏的主要形式,尤其是发生时间较早的“茎倒”,往往造成大
幅度的减产。“茎倒”的原因是茎秆与穗的自重和风载作用的迭加超过了小麦茎
秆的承受能力。
解决倒伏问题的方法之一就是针对不同的产量,寻找小麦抗倒伏能力最佳的
茎秆性状(包括株高、茎长、各节间长、各节茎外径、壁厚、茎秆自重、穗长、
穗重等)。各方面的专家通过分析影响小麦倒伏的各种因素,目前已经得到了一
些结果,但是对抗倒伏能力最佳的茎秆性状还没有定论。通过物理力学类比研究
小麦抗倒伏性是一个新方向,已有一些成果,值得我们进行深入探讨。
本文现根据已有研究成果和实验数据解决以下几个问题:
(1)依据已有抗倒伏指数公式建立各品种小麦的茎秆抗倒指数公式,并求
解茎秆机械强度与茎秆粗厚的关系。
(2)研究抗倒伏指数与茎秆外部形态特征之间的关系,并判断小麦茎秆性
状的各个因素之间有无相关性。根据前面结论对 2008 年国信 1 号与智 9998 品种
的小麦都发生倒伏,其他品种没有发生倒伏的原因给出判断。
(3)探讨单穗重分别是 1.19g,2.06g,2.46g,2.56g,2.75g,2.92g 时小麦
的理想株型结构。
(4)将茎秆按刚/弹性材料处理,研究小麦茎秆在麦穗自重和风载作用下应
力的基本规律,建立小麦茎秆抗倒伏的数学模型。
(5)应用(4)力学模型中的抗弯刚度 EI,麦穗自重下和风载作用下的公
式计算在 2007 年数据中腊熟期各品种的抗倒伏风速。
(6)总结所建模型及分析结果,提出值得考虑的问题。为 2012 年制定完整
的试验方案及数据分析方法,并给小麦育种家在育种实践中提出合理的建议。
2
2 问题一、基于茎秆机械强度的倒伏指数模型
2.1 符号说明与假设
2.1.1 符号说明
表 2-1 符号预定与含义
d
I
茎秆倒伏指数
G 茎秆鲜重
H 茎秆重心高度
P 茎秆机械强度
i
l 基部第 i 茎节节长
i
g 基部第 i 茎节鲜重
i
D 基部第 i 茎节外径
i
d 基部第 i 茎节壁厚
0
l 穗长
0
g 穗鲜重
ρ
茎节密度(不含穗)
2.1.2 假设
本小节主要解决问题(1),在解决问题前,我们阅读了大量作物抗倒伏方面
的相关文献资料,并进行分类整理和分析,在此基础上初步形成了自己的观点。
基于我们对问题的理解和建模的需要,做如下假设:
1. 只考虑“茎倒”,不讨论“根倒”,也就是假设即使产生“茎倒”小麦的
根系仍然牢牢固定在地下。
2. 抗倒伏性是小麦的内在特性,仅与茎秆自身特征(壁厚、鲜重等)有关,
而不考虑外界环境的影响。
3. 将小麦茎秆等效为空心圆柱体,且内外壁之间的填充物质呈均匀、连续
分布。
4. 本小节研究的对象均为未倒伏小麦植株,因此假设茎秆和麦穗均为竖直
向上生长。
2.2 模型的准备:现有研究结果与数据预处理
2.2.1 现有研究的局限性
小麦在田间的实际倒伏程度和面积是其抗倒伏能力的直接体现,但未发生倒
伏时如何评价作物品种的抗倒伏性,目前尚未有统一的方法或指标。农业工作者
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