王士林 雷嘵暉 唐玉新 常有宏 呂曉蘭
摘要:近年來,梨樹液體授粉技術(shù)受到了越來越廣泛的關(guān)注,但目前梨樹液體授粉技術(shù)主要授粉機(jī)具為背負(fù)式噴霧器,這在一定程度上仍然沒有徹底改變梨樹授粉勞動(dòng)強(qiáng)度大和作業(yè)效率低的問題,因此提出了基于多旋翼無人機(jī)的液體授粉技術(shù),選用大疆T20型多旋翼植保無人機(jī),對(duì)比不同噴霧量下多旋翼無人機(jī)和背負(fù)式噴霧器噴霧授粉時(shí)梨樹冠層內(nèi)沉積霧滴的粒徑和覆蓋結(jié)果,同時(shí)對(duì)比液體噴霧授粉和人工點(diǎn)授粉時(shí)的坐果率。結(jié)果表明:使用多旋翼無人機(jī)噴霧授粉時(shí),梨樹上層的霧滴粒徑和覆蓋率均明顯高于下層,使用背負(fù)式噴霧器進(jìn)行授粉時(shí)冠層下層霧滴粒徑和覆蓋率大于上層,多旋翼無人機(jī)噴霧授粉時(shí)沉降霧滴的粒徑和覆蓋率均與其噴霧量呈正相關(guān)性;當(dāng)多旋翼無人機(jī)噴霧量為218 L/hm2時(shí),其在梨樹冠層上層的霧滴覆蓋率最高,為46.0%,使用背負(fù)式噴霧器噴霧時(shí)霧滴在梨樹下層的覆蓋率最高,為51.7%;多旋翼無人機(jī)的單位面積噴霧量越高,其授粉效果越好,當(dāng)噴霧量為218 L/hm2時(shí),花序和花朵坐果率分別為37.2%、15.2%。相比于傳統(tǒng)的人工點(diǎn)授粉和目前新興的背負(fù)式噴霧器液體授粉而言,采用低容量噴霧或超低容量噴霧的多旋翼無人機(jī)噴霧授粉的花序和花朵坐果率仍較低。
關(guān)鍵詞:梨樹;噴霧授粉技術(shù);多旋翼無人機(jī);授粉;覆蓋率;霧滴密度
中圖分類號(hào):S252+.3 ??文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A ?文章編號(hào):1002-1302(2020)23-0210-04
梨樹屬于自花不結(jié)實(shí)果樹,絕大多數(shù)的梨品種自花授粉不能結(jié)實(shí),因此在梨園中必須合理配置授粉樹[1-2]。梨樹花粉主要靠風(fēng)力或蜂蟲作為傳粉媒介,但在實(shí)際生產(chǎn)中由于自動(dòng)化農(nóng)業(yè)的發(fā)展、環(huán)境氣候的變化以及農(nóng)藥和化肥等農(nóng)化產(chǎn)品的過度使用對(duì)蜜蜂產(chǎn)生嚴(yán)重的毒害,致使其種群數(shù)量在近些年內(nèi)急劇下降[3]。同時(shí),由于異常天氣的影響,尤其是在開花期前出現(xiàn)連續(xù)低溫、盛花期間高溫或連續(xù)下雨等不良天氣會(huì)影響蜜蜂等昆蟲的活動(dòng),甚至造成主栽梨品種與授粉品種的花期不遇[4]。這些原因都會(huì)使授粉不良,降低坐果率,或造成花而不實(shí)。
因此,在梨的生產(chǎn)過程中果農(nóng)常采用人工授粉的方式提高坐果率,確保梨的產(chǎn)量和品質(zhì)。目前,人工授粉的方式主要有手工點(diǎn)授粉、機(jī)械噴粉和液體授粉等方式[5]。但面對(duì)盛花期的梨樹高大冠型,人工授粉存在嚴(yán)重的作業(yè)效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、授粉效果差等問題,因此亟須開發(fā)一種新型高效的梨樹授粉技術(shù)[6]。
無人機(jī)可通過遙控飛行,靈活性強(qiáng)[7],可克服梨樹果園內(nèi)地形復(fù)雜和冠層高大等問題,因此國(guó)內(nèi)外相繼出現(xiàn)基于無人機(jī)的授粉技術(shù)研究。國(guó)外主要采用微型無人機(jī)先采粉后授粉的方式進(jìn)行授粉,但由于技術(shù)條件和作業(yè)效率的限制目前并沒有真正用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。近2年,國(guó)內(nèi)開始采用植保無人機(jī)進(jìn)行授粉作業(yè),無人機(jī)授粉技術(shù)已被成功用于雜交水稻制種[8-10],該技術(shù)是借助無人機(jī)旋翼氣流將父本的花粉吹向母本進(jìn)行授粉。
隨著梨樹液體授粉技術(shù)的發(fā)展,采用背負(fù)式噴霧器噴霧授粉方式日趨成熟[11],研究人員進(jìn)而開始從事無人機(jī)噴霧授粉技術(shù)研究。與傳統(tǒng)背負(fù)式噴霧器相比,無人機(jī)為超低容量噴霧技術(shù),單位面積噴霧量更低,霧滴粒徑更細(xì),其噴霧霧滴沉積分布特性差異較大[12-13]。因此,為探究無人機(jī)在梨樹噴霧授粉效果,提高梨樹授粉質(zhì)量和作業(yè)效率,本研究對(duì)不同噴霧參數(shù)下的多旋翼植保無人機(jī)液體噴霧授粉質(zhì)量進(jìn)行分析與探討。
1 材料與方法
1.1 液體授粉噴霧液
采用圓黃梨花粉配制花粉噴霧液,花粉采自江蘇省徐州市。梨花粉噴霧液由黃原膠、蔗糖、硝酸鈣和硼酸組成,以配制10 L花粉噴霧溶液為例,各組分的含量如表1所示。配制花粉噴霧溶液時(shí),先將適量去離子水煮沸后緩慢加入提前稱量好的黃原膠并不斷攪拌,使其充分溶解后用紗布過濾倒入定容桶內(nèi)。同樣地,將適量去離子水煮沸后加入提前稱量好的蔗糖使其充分溶解過濾,倒入定容桶內(nèi),進(jìn)而根據(jù)表1所稱量好的硝酸鈣和硼酸溶解后依次倒入定容桶,待各組分溶液均倒入定容桶后加去離子水定容至規(guī)定體積并充分混勻,配制成花粉營(yíng)養(yǎng)液。液體授粉前根據(jù)噴霧體積定量加入花粉,攪拌使其在花粉營(yíng)養(yǎng)液中均勻分散,配制好的花粉噴霧液應(yīng)盡快使用。
1.2 噴霧機(jī)具與試驗(yàn)條件
1.2.1 試驗(yàn)果園條件 試驗(yàn)在安徽省宿州市碭山酥梨試驗(yàn)站(116°20′49″E、34°25′42″N)開展,供試?yán)鏄淦贩N為碭山酥梨,為當(dāng)?shù)毓爬系膬?yōu)良品種,目前主要采取人工點(diǎn)授粉的方式進(jìn)行授粉。試驗(yàn)于2020年3月下旬進(jìn)行,試驗(yàn)期間梨樹開花率高達(dá)70%,試驗(yàn)梨園梨樹行間距為8 m,株距為4 m,樹體株高約4 m,頂部冠幅約6 m。
1.2.2 噴霧機(jī)具及作業(yè)參數(shù) 選用大疆T20型多旋翼植保無人機(jī)進(jìn)行噴霧授粉,該機(jī)最大有效起飛質(zhì)量為47.5 kg,滿載載荷20 L,最大作業(yè)飛行速度可達(dá)7 m/s。其噴霧系統(tǒng)配備了8個(gè)SX111001VS型噴頭,單噴頭最大流量為3.6 L/min,霧滴粒徑130~250 μm,根據(jù)飛行高度,其有效噴幅可達(dá)4~7 m。為對(duì)該多旋翼無人機(jī)的噴霧授粉質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià),分別選用人工點(diǎn)授粉和背負(fù)式噴霧器噴霧授粉進(jìn)行對(duì)照(圖1)。多旋翼無人機(jī)設(shè)定3個(gè)不同噴霧量(分別編號(hào)為A、B和C),背負(fù)式噴霧器參考其日常作業(yè)噴霧量(編號(hào)為D),各處理的田間噴霧量見表2。
1.2.3 田間氣象條件 試驗(yàn)期間分別使用Watch Dog 2000(美國(guó)Spectrum)型氣象站和SP3000型三維風(fēng)速采集系統(tǒng)(意大利LSI-LASTEM)對(duì)田間溫濕度和風(fēng)速進(jìn)行測(cè)定。氣象站和三維風(fēng)速儀固定在試驗(yàn)果園上風(fēng)口方向空曠位置,高度為距離地面3 m處,氣象站和三維風(fēng)速采集系統(tǒng)的采樣頻率均為1 Hz,設(shè)定每隔10 min記錄1次各氣象參數(shù)的平均值。整個(gè)試驗(yàn)期間溫度為15.3~23.0 ℃,相對(duì)濕度為32.9%~40.8%,平均最大風(fēng)速不高于2 m/s。
1.3 樣品處理與檢測(cè)
1.3.1 冠層區(qū)域劃分與霧滴檢測(cè) 由于梨樹冠層高大,將其冠層劃分為上、下2層,分別在其冠層上層和下層部位選取5個(gè)布樣點(diǎn)放置水敏紙(先正達(dá)集團(tuán)股份有限公司),用于接收冠層不同區(qū)域內(nèi)的沉降霧滴。待噴霧完成且霧滴充分干燥后將水敏紙放入干燥信封保存并帶回實(shí)驗(yàn)室使用掃描儀在600 dpi 下進(jìn)行灰度掃描,通過DepositScan 軟件[14]對(duì)水敏紙上的霧滴粒徑、密度和覆蓋率進(jìn)行分析。
1.3.2 坐果率調(diào)查 每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)選取3株梨樹用于坐果率調(diào)查,在每株取樣梨樹上選取50個(gè)花序,授粉試驗(yàn)前對(duì)所選取花序進(jìn)行掛牌并統(tǒng)計(jì)其花朵數(shù)。待授粉結(jié)束10 d后,分別對(duì)各處理下梨樹的花序和花果坐果率進(jìn)行調(diào)查,并計(jì)算各處理下所選的3株梨樹坐果率的平均值。
2 結(jié)果與分析
2.1 噴霧參數(shù)對(duì)霧滴粒徑的影響
為有效評(píng)估水敏紙上霧滴粒徑分布范圍,選取DV10、DV50和DV90對(duì)各處理間的霧滴粒徑進(jìn)行對(duì)比。DV10是指將全部霧滴按照體積從小到大的順序累加,當(dāng)累加值等于全部霧滴體積的10%時(shí)所對(duì)應(yīng)的霧滴直徑,同理DV50和DV90分別為霧滴體積累加至總體積的50%和90%時(shí)所對(duì)應(yīng)的霧滴直徑,DV50又稱體積中值中徑。
對(duì)比霧滴在梨樹冠層上層和下層間的霧滴分布結(jié)果(表3)可知,對(duì)于多旋翼無人機(jī)噴霧授粉的3個(gè)處理,霧滴在上層的霧滴粒徑均明顯高于其在下層的粒徑。以其體積中值中徑(DV50)為例,處理A、B、C在上層的粒徑分別為914.0、742.6、2 223.7 μm,而下層分別為218.7、294.2、944.7 μm。使用背負(fù)式噴霧器進(jìn)行授粉的處理D的霧滴呈現(xiàn)出上層霧滴粒徑小于下層粒徑的趨勢(shì),其在上層霧滴的DV10、DV50、DV90分別為 328.1、600.2、1 048.8 μm,其在下層霧滴的DV10、DV50、DV90分別為596.8、1 417.0、2 155.9 μm。這一結(jié)果與2種噴霧機(jī)具的作業(yè)方式有關(guān),采用旋翼無人機(jī)授粉的3個(gè)處理為空手噴霧,霧滴由梨樹冠層上方向下方沉降,受冠層遮蔽的影響,多數(shù)霧滴沉降到梨樹冠層上部,而下部霧滴相對(duì)較少,上層霧滴較多時(shí)會(huì)出現(xiàn)相互黏連或覆蓋的情況,從而導(dǎo)致霧滴鋪展面積增大;而背負(fù)式噴霧器由操作人員地面進(jìn)行背負(fù)作業(yè),霧滴難以向上運(yùn)動(dòng)到梨樹冠層頂部,其霧滴主要沉積在梨樹冠層的下層部位導(dǎo)致其下層霧滴粒徑大于上層。
對(duì)比多旋翼無人機(jī)噴霧授粉的3個(gè)處理結(jié)果,雖然3個(gè)處理選用同一套噴霧系統(tǒng),其初始霧滴粒徑相同,但由于噴霧量的差異致使最終沉積到水敏紙上的霧滴粒徑有所差異。處理A、B在冠層上層霧滴的體積中值中徑分別為914.0、742.6 μm,兩者間無顯著性差異;同樣地,處理A、B在冠層下層的體積中值中徑分別為218.7、294.2 μm,兩者間也沒有顯著性差異。對(duì)于處理A和B,無論是上層還是下層沉積霧滴的粒徑均明顯小于處理C所對(duì)應(yīng)的霧滴粒徑??傮w而言,多旋翼無人機(jī)噴霧授粉時(shí)沉降霧滴的粒徑與其單位面積噴霧量呈正相關(guān)性。
2.2 噴霧參數(shù)對(duì)霧滴沉積量的影響
由表4可知,使用多旋翼噴霧的3個(gè)處理的霧滴覆蓋率分別為35.3%、28.4%、46.0%,處理A和B間差異不顯著,但2個(gè)處理的霧滴覆蓋率均顯著低于噴霧量最高的處理C。使用背負(fù)式噴霧器噴霧時(shí)霧滴在梨樹上層的覆蓋率為28.2%,與處理A和B差異不顯著,但其覆蓋率也顯著低于處理C。而在梨樹冠層的下層,由于背負(fù)式噴霧器為地面作業(yè)且單位面積噴霧量最高,因此其霧滴的覆蓋率最高,為51.7%,明顯高于使用多旋翼無人機(jī)進(jìn)行噴霧授粉的3個(gè)處理;使用多旋翼無人機(jī)進(jìn)行作業(yè)的3個(gè)處理的霧滴覆蓋率之間均存在顯著性差異,單位面積噴霧量越高其覆蓋率越大。
與霧滴粒徑的分布結(jié)果相似,使用多旋翼無人機(jī)噴霧時(shí),霧滴在梨樹冠層上層的覆蓋率均高于其在梨樹冠層下層的覆蓋率;而使用背負(fù)式噴霧器作業(yè)時(shí),霧滴在梨樹冠層下層的霧滴覆蓋率高于其在梨樹冠層上層的覆蓋率。這一結(jié)果也再次證明多旋翼無人機(jī)噴霧的霧滴主要集中于梨樹冠層的上部,而背負(fù)式噴霧器噴霧霧滴主要集中在梨樹冠層的下部。
與霧滴的覆蓋率相比,各處理間的霧滴在水敏紙上的覆蓋密度并無較大差異,除使用多旋翼無人機(jī)的處理A由于單位面積噴霧量較少且其霧滴主要集中于梨樹冠層上部,致使其在梨樹下層的霧滴密度最低,僅為54.1個(gè)/cm2,而其他處理的霧滴平均覆蓋密度均約為100個(gè)/cm2,無論是在梨樹冠層上層還是下層其霧滴密度均無顯著性差異。
2.3 噴霧參數(shù)對(duì)坐果率的影響
由圖2可知,使用背負(fù)式噴霧器和多旋翼無人機(jī)液體授粉方法的花序和花朵坐果率均低于人工點(diǎn)授粉的方式。人工點(diǎn)授粉的花序和花朵坐果率均最高,分別為76.8%、25.3%,使用背負(fù)式噴霧器液體授粉的處理效果次之,其花序和花朵坐果率分別為51.9%、17.4%。
相比于傳統(tǒng)的人工點(diǎn)授粉和目前新興的背負(fù)式噴霧器液體授粉而言,采用低容量噴霧或超低容量噴霧的多旋翼無人機(jī)噴霧授粉的花序和花朵坐果率仍較低。多旋翼無人機(jī)的單位面積噴霧量越高,其授粉效果越好,即噴霧量為102 L/hm2的處理A的花序和花朵坐果率分別為16.3%、7.8%;噴霧量為165 L/hm2的處理B的花序和花朵坐果率分別為20.3%、10.5%;噴霧量為218 L/hm2的處理C的花序和花朵坐果率分別為37.2%、15.2%。
3 討論與結(jié)論
人工點(diǎn)授粉的坐果成功率高,目前仍然是我國(guó)梨樹授粉最主要的方式[15],但其存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、作業(yè)效率低、生產(chǎn)成本高等問題。為有效解決梨樹授粉難的問題,越來越多的科研人員開始從事梨樹液體授粉技術(shù)研究,目前梨樹液體授粉技術(shù)已在江蘇、甘肅、陜西和新疆等地推廣應(yīng)用[16-17]。但目前所推廣應(yīng)用的梨樹液體授粉技術(shù)主要授粉機(jī)具為背負(fù)式噴霧器,這在一定程度上仍然沒有徹底改變梨樹授粉勞動(dòng)強(qiáng)度大和作業(yè)效率低的問題,因此本研究提出了基于多旋翼無人機(jī)的液體授粉技術(shù)。
相比于人工點(diǎn)粉的授粉方式,液體授粉效果不僅受機(jī)具噴霧質(zhì)量的影響,還受花粉溶液中花粉活性的影響[17]。試驗(yàn)選取的圓黃梨花粉活性在90%以上,為確?;ǚ廴芤褐谢ǚ鄣拿妊柯剩诶婊ǚ蹏婌F液中添加適量醋酸以調(diào)節(jié)其酸堿性,但試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)無論是背負(fù)式噴霧器還是多旋翼無人機(jī)的授粉效果較人工點(diǎn)授粉方式仍有一定的差距。
多旋翼無人機(jī)為超低容量噴霧或低容量噴霧,其單位面積花粉溶液用量較小,而背負(fù)式噴霧器單位面積梨花粉噴霧液用量大,因此多旋翼無人機(jī)的噴霧授粉效果低于背負(fù)式噴霧器。但多旋翼無人機(jī)較背負(fù)式噴霧器大大提高了作業(yè)效率,降低了勞動(dòng)強(qiáng)度和人工成本。有研究表明,梨樹只需5%的花坐果就可以滿足實(shí)際生產(chǎn)需求[18],雖然本研究中使用多旋翼無人機(jī)授粉的3個(gè)處理授粉10 d后的坐果率均大于這一數(shù)值,但在生產(chǎn)后期由于生理落果等進(jìn)一步降低了梨樹的坐果率,致使梨樹產(chǎn)生減產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)。這一現(xiàn)象也可能與授粉后當(dāng)?shù)剡B續(xù)多日的低溫陰雨天氣有關(guān),但為確保多旋翼無人機(jī)授粉的坐果率和作業(yè)效率,一方面應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化無人機(jī)的飛行參數(shù)和噴霧量,另一方面還應(yīng)增加梨花粉噴霧液的花粉萌芽率。
參考文獻(xiàn):
[1]齊開杰,張曉斌,郭成寶,等. 基于S基因型的梨樹授粉品種自動(dòng)配置系統(tǒng)[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué),2016,44(1):396-398.
[2]王 宇. 梨樹不同授粉技術(shù)影響果實(shí)發(fā)育、品質(zhì)形成的機(jī)理研究[D]. 南京:南京農(nóng)業(yè)大學(xué),2014.
[3]何 旭,劉新宇. 中華蜜蜂種群數(shù)量下降的成因分析[J]. 中國(guó)蜂業(yè),2011,62(5):21-23.
[4]馬文會(huì),劉樹海,于利國(guó),等. 不同低溫保存對(duì)雪花梨花粉萌發(fā)的影響[J]. 河北農(nóng)業(yè)科學(xué),2012,16(1):33-35,83.
[5]王 斌,葛 豐,王春強(qiáng). 不同授粉條件對(duì)“南果梨”坐果率的影響[J]. 北方果樹,2011,34(2):12-13.
[6]楊丹丹. 不同授粉方式對(duì)黃金梨座果率的影響[J]. 河南農(nóng)業(yè),2012,23(15):46.
[7]Wang S L,Liu Y J,He X K,et al. Distribution and residues of imidacloprid sprayed with electric multi-rotor unmanned aerial vehicle in paddy[J]. International Agricultural Engineering Journal,2018,27(1):53-63.
[8]吳 輝. 農(nóng)用植保無人直升機(jī)輔助雜交水稻制種授粉效果研究[D]. 長(zhǎng)沙:湖南農(nóng)業(yè)大學(xué),2014.
[9]Liu A,Zhang H Q,Liao C M,et al. Effects of supplementary pollination by single-rotor agricultural unmanned aerial vehicle in hybrid rice seed production[J]. Agricultural Science & Technology,2017,18(3):543-547,552.
[10]陳盛德,蘭玉彬,李繼宇,等. 小型無人直升機(jī)噴霧參數(shù)對(duì)雜交水稻冠層霧滴沉積分布的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2016,32(17):40-46.
[11]胡建芳,李天紅,廖 康,等. 一種適合于果樹液體授粉的花粉懸浮液及其制備方法:CN101617619[P]. 2009-07-31.
[12]Wang S L,Song J L,He X K,et al. Performances evaluation of four typical unmanned aerial vehicles used for pesticide application in China[J]. International Journal of Agricultural and Biological Engineering,2017,10(4):22-31.
[13]楊 帥. 無人機(jī)低空噴霧霧滴在作物冠層的沉積分布規(guī)律及防治效果研究[D]. 北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院,2014.
[14]Zhu H P,Salyani M,F(xiàn)ox R D. A portable scanning system for evaluation of spray deposit distribution[J]. Computers and Electronics in Agriculture,2011,76(1):38-43.
[15]徐 鍇,趙德英,袁繼存,等. 不同授粉品種對(duì)南果梨果實(shí)性狀的影響[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué),2019,47(21):191-194.
[16]齊開杰,陶書田,吳巨友,等. 梨樹省力化液體授粉技術(shù)[J]. 中國(guó)南方果樹,2017,46(3):168-169.
[17]王 鵬,曹 鵬,齊開杰,等. 水質(zhì)對(duì)梨樹液體授粉的花粉萌發(fā)率的影響[J]. 中國(guó)南方果樹,2018,47(2):145-147.
[18]周先章. 翠冠梨人工授粉技術(shù)[J]. 浙江柑橘,2005,22(3):40-41. 彭田田,范燕敏,武紅旗,等. 基于Landsat8 OLI的不同年際尺度玉米估產(chǎn)研究[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué),2020,48(23):214-219.