方詩(shī)倫，湯楚宙*，羅海峰

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410128；2.湖南省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備工程技術(shù)研究中心，湖南 長(zhǎng)沙410128)

充足適量的授粉能大大提高雜交水稻的結(jié)實(shí)率，從而提高制種產(chǎn)量?，F(xiàn)階段雜交水稻的授粉主要依靠人工趕粉、繩索拉粉等方式，授粉效率低且授粉不均勻，嚴(yán)重制約了雜交水稻制種產(chǎn)量的提高[2]。機(jī)械化、高效率的授粉是雜交水稻制種發(fā)展的必然趨勢(shì)。近年來(lái)，美國(guó)主要采用直升飛機(jī)進(jìn)行人工輔助授粉，實(shí)現(xiàn)了雜交水稻制種全程機(jī)械化[3]。2012年4月9日，中國(guó)首次在海南三亞海棠灣水稻制種基地成功實(shí)施無(wú)人直升機(jī)輔助授粉；同年8月26日和9月4日無(wú)人駕駛直升機(jī)授粉在湖南岳陽(yáng)君山育種基地和揚(yáng)中油坊生態(tài)示范園取得成功。飛機(jī)授粉面積每天可達(dá)133 hm2，每hm2成本僅300 元[4–7]。無(wú)人機(jī)輔助授粉最大的優(yōu)勢(shì)是花粉傳播距離變大后，可以實(shí)現(xiàn)2 m 寬父本和7 m寬母本大間隔栽插，不僅保證母本植株的優(yōu)良，也可使父本植株實(shí)現(xiàn)機(jī)械化插秧、收割，保留授粉后父本，從而增加糧食產(chǎn)量。羅錫文等 對(duì)無(wú)人直升機(jī)輔助授粉進(jìn)行的試驗(yàn)與研究發(fā)現(xiàn)，直升機(jī)飛行的高度決定了風(fēng)場(chǎng)范圍的大??；直升機(jī)順風(fēng)飛行授粉效果比逆風(fēng)飛行的效果好；平行于飛行方向的風(fēng)力最大，有利于更遠(yuǎn)地傳播水稻花粉。由直升機(jī)產(chǎn)生的下吹氣流授粉具有效率高、自動(dòng)化程度高、效果良好且節(jié)約成本的優(yōu)點(diǎn)。

為了明確下吹氣流速度對(duì)雜交水稻授粉的影響，筆者在室內(nèi)采用吊扇模擬產(chǎn)生下吹氣流，固定吊扇距離植株的高度及吊扇水平方向的移動(dòng)速度，考察下吹氣流速度對(duì)花粉總量、花粉的水平分布和垂直分布的影響，以期為下吹式氣力授粉機(jī)械的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 下吹氣力式授粉原理

氣力式授粉是指利用吊扇或風(fēng)機(jī)產(chǎn)生氣流，將父本花粉吹送到母本雌蕊上，完成授粉過(guò)程。氣流作用的方式主要有2 種：一種是氣流直接將花粉吹起使其落在柱頭上；另一種是氣流作用在植株的莖稈，使植株發(fā)生彎曲形變將花粉拋灑出去[10–11]。研究表明，2 種方式花粉傳播的距離都與氣流的初速度有關(guān)，氣流初速度越大，花粉脫離植株獲得的動(dòng)能就越大，花粉沿風(fēng)力方向傳播距離越遠(yuǎn)[12]。吊扇產(chǎn)生的氣流是由上往下的氣流，氣流向下達(dá)到植株時(shí)，一方面使植株發(fā)生彈性變形，揚(yáng)起花粉；另一方面氣流受到植株的阻礙而向四周傳播，吹動(dòng)花粉沿氣流傳播方向運(yùn)動(dòng)。已有研究表明，吊扇產(chǎn)生的氣流為一墻壁射流，下方任意一點(diǎn)的速度與其距離吊扇運(yùn)動(dòng)圓周的距離成反比[13]。根據(jù)Wallis的理論，風(fēng)速流量正比于轉(zhuǎn)速，吊扇產(chǎn)生的氣流速度也應(yīng)正比于吊扇的轉(zhuǎn)速[13]。室內(nèi)用風(fēng)速儀測(cè)得的吊扇距植株不同高度、不同轉(zhuǎn)速檔位對(duì)應(yīng)的氣流速度見(jiàn)表1。

表1 不同吊扇 轉(zhuǎn)速和距植株高度下的氣流速度Table 1 Airflow velocities under different rotational speeds of the fan and different distances between the fan and the plant

2 材料與方法

2.1 材 料

雜交水稻父本R608， 3月中下旬播種， 7月中旬至8月初抽穗揚(yáng)花。開(kāi)始抽穗時(shí)，將水稻植株移至直徑0.25 m 的塑料培養(yǎng)缽內(nèi)。每組15 株，共45 株。試驗(yàn)期間室內(nèi)平均溫度約為25.5 ℃，最高溫度34 ℃，最低溫度21 ℃。保持室內(nèi)清潔。

主要儀器設(shè)備包括鉆石牌56 cm 大功率吊扇、XSP–6C 生物顯微鏡。自制水平采樣板和豎直采樣板(根據(jù)田間父母本插秧的寬度的要求設(shè)計(jì)，由木條和有機(jī)玻璃條拼接成3 塊1.2 m×1 m 的采樣板，采用均分法劃分采樣點(diǎn)，采樣點(diǎn)間距為120 mm)。

保持3 塊采樣板通風(fēng)率(即采樣板中透風(fēng)的面積與采樣板總面積的比)80%左右。采樣板如圖1 所示。

圖1 水平采樣板和豎直采樣板Fig.1 Horizontal and vertical sampling boards

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

45 株父本分成3 組，分別在下吹氣流速度1.12、1.85、2.47、3.23、4.17 m/s 下進(jìn)行試驗(yàn)。每組試驗(yàn)取3 株樣本重復(fù)3 次，取平均值作為試驗(yàn)數(shù)據(jù)。在水稻植株處于旺花期進(jìn)行試驗(yàn)(10:00 至12:00)將其移到試驗(yàn)室內(nèi)，減小自然風(fēng)的影響。試驗(yàn)裝置如圖2 所示。水稻植株處于2 塊水平采樣板的中間，水稻植株靠近采樣板，豎直采樣板位于水稻植株其中一側(cè)距離植株1 m 處，底端比植株穗頭低0.3~0.4 m。上方是可調(diào)速且能水平移動(dòng)的吊扇。試驗(yàn)中，將吊扇保持在同一高度，調(diào)至試驗(yàn)所需檔位，并使其充分轉(zhuǎn)動(dòng)，再使吊扇以恒定的速度由右至左從植株上方通過(guò)，完成1 次試驗(yàn)。以植株中心為原點(diǎn)，垂直植株方向?yàn)閆 軸，以沿吊扇前進(jìn)方向?yàn)閄 軸正向，垂直吊扇移動(dòng)方向?yàn)閅 軸，將涂有凡士林的載玻片放置在采樣點(diǎn)上進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，試驗(yàn)結(jié)束后，觀察載玻片上花粉數(shù)量。每個(gè)載玻片采用均分法，沿玻片軸線(xiàn)劃分上、下、左、右、中5 個(gè)采樣點(diǎn)，分別為對(duì)稱(chēng)中心和距離對(duì)稱(chēng)中心上下15 mm、左右30 mm 處。取5 個(gè)視野平均值為單個(gè)視野面積花粉數(shù)量。各張載玻片單視野花粉數(shù)量相加作為水平分布量或豎直分布量。

圖2 試驗(yàn)裝置Fig.2 Arrangement diagram of the test device

第1 組樣本進(jìn)行水平分布試驗(yàn)。吊扇距地面高度固定為0.5 m，水平移動(dòng)速度固定為30 m/min；將采集到花粉的涂有凡士林的載玻片置于放大倍數(shù)10×10 的生物顯微鏡下觀察，記錄花粉值、花粉最大值、花粉最大值坐標(biāo)、有效作用面積占總面積的百分比(花粉值大于1 為有效采樣點(diǎn))。第2 組樣本，將豎直采樣板置于植株一邊距離植株0.6 m 處，進(jìn)行豎直分布試驗(yàn)。第3 組樣本，將2 塊水平采樣板置于植株兩側(cè)且靠近植株，豎直采樣板置于植株一邊距離植株0.6 m 處，進(jìn)行花粉總量測(cè)定。

采用Excel 和Malab 軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，繪制等高線(xiàn)圖和分布三維圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 下吹氣流速度對(duì)花粉分布總量的影響

隨著氣流速度的增大，花粉總量呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢(shì)。在氣流速度較低時(shí)，豎直采樣板上的花粉量幾乎為0；隨著氣流速度的增大，豎直采樣板上的花粉緩慢增多。在氣流速度從2.47 m/s 增大到3.23 m/s 時(shí)，豎直采樣板上花粉總量增長(zhǎng)最大(圖3)。當(dāng)氣流速度較低時(shí)，主要靠植株的振動(dòng)使花粉脫落，風(fēng)力不足以將花粉帶到豎直采樣板的位置，因而豎直采樣板上花粉很少。隨著氣流速度越來(lái)越大，能達(dá)到豎直采樣板位置的花粉越來(lái)越多，豎直采樣板上的花粉隨之增多。由于花藥上的花粉大部分已經(jīng)被吹出且有部分花粉被吹出采樣范圍，當(dāng)氣流速度大于3.23 m/s 時(shí)，花粉總量增長(zhǎng)較之前明顯下降。水平方向上花粉總量增長(zhǎng)較為明顯，隨著氣流速度的增大，水平采樣板上的花粉量呈迅速增加趨勢(shì)，當(dāng)氣流速度達(dá)到一定值后，由于部分花粉超出水平采樣板，花粉總量增長(zhǎng)開(kāi)始下降。

圖3 不同下吹氣流速度的花粉總量Fig.3 Pollen quantity under different katabatic airflow velocities

3.2 下吹氣流速度對(duì)花粉豎直分布的影響

花粉在不同氣流速度下的豎直分布如表2 所示。分析得知，在氣流速度較小時(shí)，只在1~2 個(gè)視野內(nèi)觀測(cè)到花粉，且觀測(cè)到花粉的的載玻片分布在風(fēng)力直接作用面的下方。這主要是氣流速度較小時(shí)，風(fēng)力不足以將花粉從花藥上吹落，花粉間的振動(dòng)作用只能將花粉振落在離植株很近的位置 。隨著氣流速度增大，花粉總量小幅增多，但觀測(cè)到花粉的視野依然很少，主要集中在風(fēng)力作用的下方。當(dāng)氣流速度達(dá)到2.47 m/s 后，豎直采樣板上可觀測(cè)到花粉的視野量、花粉總量、花粉密度均明顯增加；隨著氣流速度的增大，花粉分布的位置越來(lái)越高，表現(xiàn)為三維圖像(圖4–左)越來(lái)越陡峭，呈單峰形狀，花粉分布越來(lái)越集中，且主要集中在風(fēng)力作用的平面上。主要是因?yàn)闅饬鞒跛俣仍龃螅艿竭_(dá)豎直采樣板的花粉增加，部分沒(méi)有直接吹到豎直采樣板的花粉也由自身的平拋運(yùn)動(dòng)，落在風(fēng)力作用面下方的載玻片上。當(dāng)氣流速度達(dá)到3.23 m/s 后，絕大多數(shù)的花粉都能直接達(dá)到豎直采樣板，花粉在風(fēng)力作用的水平面上越來(lái)越集中，等高線(xiàn)圖(圖4–右)的特點(diǎn)是隨著Z 坐標(biāo)的變化，呈現(xiàn)出明顯的階梯性。

表2 不同下吹氣流速度下花粉的豎直分布Table 2 Vertical distribution of pollens under different katabatic airflow velocities

3.3 下吹氣流速度對(duì)花粉水平分布的影響

花粉在不同氣流速度下的水平分布狀況如表3 所示。分析得知，隨著氣流速度的增大，水平采樣板上單個(gè)視野的花粉數(shù)增加，花粉總量增加。當(dāng)氣流速度小于2.47 m/s 時(shí)，三維圖像為以植株位置為中點(diǎn)的兩邊單峰，當(dāng)氣流速度增大到3.23 m/s 時(shí)，花粉總量增大，單個(gè)視野內(nèi)的花粉數(shù)也增大，三維圖呈現(xiàn)以植株位置為中點(diǎn)兩邊雙峰圖像(圖5–左)，前鋒離植株近，后峰離植株較遠(yuǎn)。

表3 不同氣流速度下花粉的水平分布Table 3 Horizontal distribution of pollens under different katabatic airflow velocities

前鋒形成的主要原因是氣流速度較小時(shí)，只有一小部分的花粉被吹落，且花粉所獲得的初速很小，很快就作平拋運(yùn)動(dòng)，落在離植株不遠(yuǎn)處。另外在風(fēng)力作用下植株莖稈、枝葉間的相互作用將花粉振落，也落在離植株不遠(yuǎn)處。后峰的形成主要是隨著花粉傳播距離的增大，風(fēng)力逐漸衰減，達(dá)到某一位置后花粉在自身重力作用下沉降，花粉在這一位置的周?chē)小５雀呔€(xiàn)(圖5–右)隨X 軸的變化呈現(xiàn)明顯的階梯性。

圖5 下吹氣流速度為3.23 m/s 時(shí)的花粉水平分布的三維圖(左)和等高線(xiàn)(右)Fig.5 Three-dimension graph (left) and contour map (right) for horizontal distribution of pollens when the katabatic airflow velocity is 3.23 m/s

4 小 結(jié)

下吹氣流速度越大，花粉總量越大，花粉傳播的距離和范圍也越大。當(dāng)氣流速度為1.12 m/s 時(shí)，花粉傳播距離為0.42 m，主要分布在植株周?chē)x植株較近的地方。

氣流速度為3.23 m/s 時(shí)，花粉總量和分布范圍增加，在水平采樣板上尤為明顯。此時(shí)花粉總量的增大、花粉分布范圍的擴(kuò)大最為明顯。

下吹氣流速度是影響授粉的重要因素。由于受限于室內(nèi)試驗(yàn)條件，在氣流速度更大時(shí)花粉的分布未能驗(yàn)證。本試驗(yàn)結(jié)果表明，僅控制下吹氣流的速度，花粉分布的不均勻性依然明顯。

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