大麦穗部形态变异对空气阻力系数的影响及其抗倒伏育种意义

本研究通过风洞实验量化了大麦(Hordeum vulgare L.)穗部不同表型（包括芒刺角度、穗型、籽粒排列等）对阻力系数(CD)的影响，揭示芒刺角度减小会显著增加CD和压力中心高度，而籽粒角度(β)增大可降低穗部力矩。研究为抗倒伏(lodging)育种提供了关键参数，建议育种中增加籽粒角度以平衡产量与茎秆机械强度。

　　

大麦穗部空气阻力特性的系统研究

大麦作为重要的禾谷类作物，其穗部形态特征直接影响茎秆抗倒伏能力。本研究通过精密风洞实验，系统量化了不同表型大麦穗部的空气阻力系数(C_D)，揭示了形态参数与空气动力学特性的内在关联。

实验设计与方法
实验在阿德莱德大学闭式回流风洞中进行，工作段尺寸500×300×2400 mm，湍流强度仅0.5%。采用3D打印技术精确复现不同表型的穗部结构，包括两棱/六棱大麦、有芒/无芒品种等。通过三轴力传感器(K3D40)测量阻力，雷诺数(Re)范围覆盖1.5×10³-1.8×10⁴，对应田间5-9 m/s风速条件。

穗部取向与阻力特性
研究发现两棱大麦穗部阻力系数显著受取向角(α)影响：当穗部正对气流(α=π)时C_D最高(约1.0)，侧向(α=π/2)时降至最低。六棱大麦因对称性表现出取向不敏感性。值得注意的是，所有表型在Re>4×10³时C_D趋于稳定，而在低Re区域因层流分离提前导致阻力升高，这与圆柱体绕流特性相似。

形态参数的定量影响
芒刺特征：小角度芒刺(与穗轴夹角<30°)使C_D比无芒穗提高18%，尤其低Re时更显著。随着芒角增大，芒刺进入超临界流态，C_D可低于无芒品种。但芒刺会抬高压力中心，增加茎基部弯矩。

籽粒排列：籽粒角度(β)从25°增至45°可使C_D降低15-20%。较大的β增加了籽粒间距，促进流动分离。特别重要的是，β增大虽不改变压力中心位置，但能显著降低穗部力矩。

穗型参数：扇形穗(taper ratio=0.6)与直筒形穗(TR=1)的C_D差异不足5%，说明基部籽粒角度增大与顶部角度减小的效应相互抵消。3D扫描验证了几何简化模型的可靠性。

尺寸效应：穗长径比(AR)6-7.9或放大比例(SR)1-1.5对C_D影响有限(<8%)，但会增加穗部质量力矩。这表明高产育种需同步强化茎秆机械性能。

育种启示与应用
研究建议在高产育种中优先选择：1)籽粒角度β>35°的基因型；2)适度增大的芒刺角度；3)维持合理的穗部紧凑度。对于易发生"断颈"(necking)的品种，可通过增加β角降低30%穗部力矩，这对Schooner等易折品种尤为重要。

与既往研究的对比显示，当前C_D测量值(0.86)与Susko(2019)数据吻合，但显著高于Graham(1983)报告的0.3。这种差异可能源于湍流条件不同，提示需进一步研究田间湍流(强度可达33%)对穗部载荷的影响。

该研究首次建立大麦穗部表型-阻力参数的定量关系，为抗倒伏模型提供了关键输入参数。未来可结合计算流体力学(CFD)模拟，优化穗部形态设计，实现产量与抗倒伏性的协同提升。