Biomechanical design of cereal crops steams resistance to lodging: integration of mathematics methods and experimental investigations
DOI:
https://doi.org/10.7868/S3034519726010017Keywords:
cereal lodging, stem biomechanics, mathematical modeling, wind load resistance, critical deformation, selection of resistant varietiesAbstract
The paper presents a comprehensive study of the resistance of grain crop stems to lodging using mathematical modeling and experimental analysis. Lodging, which occurs in two forms (root and stem), is a critical factor that reduces crop yields by 30–50% and worsens grain quality. The study focuses on the biomechanical aspects of resistance, considering the stem as a vertical elastic rod of variable cross-section subject to distributed (own weight) and concentrated (ear weight) loads, as well as wind effects. An original mathematical model has been developed based on the differential equations of elasticity theory, including the modified Euler–Bernoulli and Bessel equations for analyzing critical loads. The physicomechanical parameters of stems (elastic modulus, tensile strength) have been experimentally determined for five key crops (wheat, barley, rye, triticale, rice) using the author's bending test technique. It was found that maximum stresses are localized in the middle part of the stem and at the base, which correlates with field observations. The practical significance of the work lies in the creation of tools for predicting lodging risks, optimizing breeding programs (emphasis on short-stemmed genotypes) and agricultural technologies (fertilizer dosing, application of retardants). The need for an interdisciplinary approach combining biomechanics, genetics and precision farming is emphasized. The results show that climatic and agronomic factors affect quantitative, but not qualitative patterns of stability loss, which confirms the universality of the model for different cultivation regions.
References
1. Ариничева И.В., Григулецкий В.Г. Физико-механические свойства и архитектоника стеблей как индикаторы устойчивости злаковых растений к полеганию // Вестник российской сельскохозяйственной науки. 2025. № 1. С. 42-46. https://doi.org/10.31857/S2500208225010096. EDN CSUPSW.
2. Дивашук М.Г., Васильев А.В., Беспалова Л.А., Карлов Г.И. Идентичность генов короткостебельности RHT-11 и RHT-В1Е // Генетика. 2012. Т. 48. №7. С. 897.
3. Лукьянова И.В. Исследование устойчивости к полеганию стебля риса // Аграрная наука. 2004. № 12. С. 28-29. EDN PLRHVX.
4. Лукьянова И.В. Математическое моделирование изгиба стеблей злаковых культур под действием природных факторов // Труды Кубанского государственного аграрного университета. 2008. № 11. С. 123-126. EDN JUHAOT.
5. Лукьянова И.В. Полегаемость различных злаковых культур // Нива Поволжья. 2007. № 4(5). С. 28-31. EDN VAKYLN.
6. Лукьянова И.В. Сортовые особенности устойчивости стеблей риса к полеганию с учетом их физико-механических свойств: специальность 06.01.05 "Селекция и семеноводство сельскохозяйственных растений": Автореф. дис. … канд. биол. наук. Краснодар, 2000. 24 с. EDN ZLFHMJ.
7. Мустакимов В.Р. Проектирование высотных зданий : учебник для вузов / В.Р. Мустакимов. 3-е изд. М.: Изд-во Юрайт, 2025. 291 с. (Высшее образование). ISBN 978-5-534-19488-3. Текст: электронный // Образовательная платформа Юрайт [сайт]. URL: https://urait.ru/bcode/580744 (дата обращения: 05.12.2025).
8. О проведении комплекса весенне-полевых работ с использованием научных достижений и рекомендаций Центра в 2023 году / А. А. Романенко, Л. А. Беспалова, И. Н. Кудряшов [и др.]; Национальный центр зерна имени П. П. Лукьяненко. Краснодар: Издательство "ЭДВИ", 2023. 148 с. ISBN 978-5-906563-50-7. EDN BDUTSG.
9. Патент № 2189729 C2 Российская Федерация, МПК A01G 7/00. Способ определения устойчивости злаковых культур к полеганию: № 2000116830/13: заявл. 26.06.2000: опубл. 27.09.2002 / И.В. Лукьянова; заявитель Кубанский государственный аграрный университет. EDN YOZPNB.
10. Черноок А. Г., Баженов М.С., Крупина А.Ю. и др. Перспективы включения генов GRF в селекцию короткостебельных злаков // Биотехнология. 2024. Т. 40. № 7. С. 102. https://doi.org/10.56304/S0234275824071712. EDN VVPUFG.
11. A comparative extent of lodging of various cereal crops / I. Arinicheva, I. Arinichev, O. Popova, E. Marinkin // 19th International Multidisciplinary Scientific GeoConference SGEM 2019: Conference proceedings, Albena, Vol. 19. 2019. P. 499-506. https://doi.org/10.5593/sgem2019/6.1/S25.065. EDN YMWHWT.
12. Arinicheva I.V., Arinichev I.V., Darmilova Z.D. Construction of a mathematical model of cereal lodging // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, Yekaterinburg, IOP Publishing Ltd, 2021. Vol. 699. P. 012046. https://doi.org/10.1088/1755-1315/699/1/012046. EDN PECXXI.
13. Arinicheva I.V., Sergeeva I.O., Arinichev I.V. Application of elastic stability of flat and spatial shapes of rods in agriculture // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, Yekaterinburg, 2022. P. 012050. https://doi.org/10.1088/1755-1315/949/1/012050. EDN DNPPFZ.
14. Brune P.F., Baumgarten A., McKay S.J. et al. A biomechanical model for maize root lodging. Plant and Soil 422. 2018. P. 397-408.
15. Cadalen T., Sourdille P., Charmet G. et al. Molecular markers linked to genes affecting plant height in wheat using a doubled-haploid population. Theor. Appl. Genet. 1998. №96. Р. 933-940.
16. Chen X., Shi Y., Wang C. et al. Effects of nitrogen and PP333 application on the lignin synthesis of stem in relation to lodging resistance of wheat. Zhongguo Nong Ye Ke Xue, 2011. №44. Р. 3529-3536.
17. Kamran M., Cui W., Ahmad I. et al. Effect of paclobutrazol, a potential growth regulator on stalk mechanical strength, lignin accumulation and its relation with lodging resistance of maize. Plant Growth Regulation. 2018. № 84. С. 317-332.
18. Law C.N., Snape J., Worland A.J. The genetic relationship between height and yield in wheat. Heredity 40. 1978.
19. Ganeva G., Korzun V., Landjeva S. et al. Identification, distribution and effects on agronomic traits of the semi-dwarfing Rht alleles in Bulgarian common wheat cultivars // Euphytica. 2005. V. 145. No. 3. P. 305-315. EDN: XOUAIJ
20. Shah L., Yahya M., Shah S.M.A. et al. Improving lodging resistance: using wheat and rice as classical examples. Int J Mol Sci 20, 2019. Р. 4211.