下吹气流速度对杂交水稻授粉分布的影响

2014-07-15方诗伦汤楚宙罗海峰

湖南农业大学学报（自然科学版） 2014年4期

方诗伦，汤楚宙*，罗海峰

(1.湖南农业大学工学院，湖南长沙 410128；2.湖南省现代农业装备工程技术研究中心，湖南长沙410128)

充足适量的授粉能大大提高杂交水稻的结实率，从而提高制种产量。现阶段杂交水稻的授粉主要依靠人工赶粉、绳索拉粉等方式，授粉效率低且授粉不均匀，严重制约了杂交水稻制种产量的提高[2]。机械化、高效率的授粉是杂交水稻制种发展的必然趋势。近年来，美国主要采用直升飞机进行人工辅助授粉，实现了杂交水稻制种全程机械化[3]。2012年4月9日，中国首次在海南三亚海棠湾水稻制种基地成功实施无人直升机辅助授粉；同年8月26日和9月4日无人驾驶直升机授粉在湖南岳阳君山育种基地和扬中油坊生态示范园取得成功。飞机授粉面积每天可达133 hm2，每hm2成本仅300 元[4–7]。无人机辅助授粉最大的优势是花粉传播距离变大后，可以实现2 m 宽父本和7 m宽母本大间隔栽插，不仅保证母本植株的优良，也可使父本植株实现机械化插秧、收割，保留授粉后父本，从而增加粮食产量。罗锡文等对无人直升机辅助授粉进行的试验与研究发现，直升机飞行的高度决定了风场范围的大小；直升机顺风飞行授粉效果比逆风飞行的效果好；平行于飞行方向的风力最大，有利于更远地传播水稻花粉。由直升机产生的下吹气流授粉具有效率高、自动化程度高、效果良好且节约成本的优点。

为了明确下吹气流速度对杂交水稻授粉的影响，笔者在室内采用吊扇模拟产生下吹气流，固定吊扇距离植株的高度及吊扇水平方向的移动速度，考察下吹气流速度对花粉总量、花粉的水平分布和垂直分布的影响，以期为下吹式气力授粉机械的设计提供理论依据。

1 下吹气力式授粉原理

气力式授粉是指利用吊扇或风机产生气流，将父本花粉吹送到母本雌蕊上，完成授粉过程。气流作用的方式主要有2 种：一种是气流直接将花粉吹起使其落在柱头上；另一种是气流作用在植株的茎秆，使植株发生弯曲形变将花粉抛洒出去[10–11]。研究表明，2 种方式花粉传播的距离都与气流的初速度有关，气流初速度越大，花粉脱离植株获得的动能就越大，花粉沿风力方向传播距离越远[12]。吊扇产生的气流是由上往下的气流，气流向下达到植株时，一方面使植株发生弹性变形，扬起花粉；另一方面气流受到植株的阻碍而向四周传播，吹动花粉沿气流传播方向运动。已有研究表明，吊扇产生的气流为一墙壁射流，下方任意一点的速度与其距离吊扇运动圆周的距离成反比[13]。根据Wallis的理论，风速流量正比于转速，吊扇产生的气流速度也应正比于吊扇的转速[13]。室内用风速仪测得的吊扇距植株不同高度、不同转速档位对应的气流速度见表1。

表1 不同吊扇转速和距植株高度下的气流速度Table 1 Airflow velocities under different rotational speeds of the fan and different distances between the fan and the plant

2 材料与方法

2.1 材料

杂交水稻父本R608， 3月中下旬播种， 7月中旬至8月初抽穗扬花。开始抽穗时，将水稻植株移至直径0.25 m 的塑料培养钵内。每组15 株，共45 株。试验期间室内平均温度约为25.5 ℃，最高温度34 ℃，最低温度21 ℃。保持室内清洁。

主要仪器设备包括钻石牌56 cm 大功率吊扇、XSP–6C 生物显微镜。自制水平采样板和竖直采样板(根据田间父母本插秧的宽度的要求设计，由木条和有机玻璃条拼接成3 块1.2 m×1 m 的采样板，采用均分法划分采样点，采样点间距为120 mm)。

保持3 块采样板通风率(即采样板中透风的面积与采样板总面积的比)80%左右。采样板如图1 所示。

图1 水平采样板和竖直采样板Fig.1 Horizontal and vertical sampling boards

2.2 试验设计

45 株父本分成3 组，分别在下吹气流速度1.12、1.85、2.47、3.23、4.17 m/s 下进行试验。每组试验取3 株样本重复3 次，取平均值作为试验数据。在水稻植株处于旺花期进行试验(10:00 至12:00)将其移到试验室内，减小自然风的影响。试验装置如图2 所示。水稻植株处于2 块水平采样板的中间，水稻植株靠近采样板，竖直采样板位于水稻植株其中一侧距离植株1 m 处，底端比植株穗头低0.3~0.4 m。上方是可调速且能水平移动的吊扇。试验中，将吊扇保持在同一高度，调至试验所需档位，并使其充分转动，再使吊扇以恒定的速度由右至左从植株上方通过，完成1 次试验。以植株中心为原点，垂直植株方向为Z 轴，以沿吊扇前进方向为X 轴正向，垂直吊扇移动方向为Y 轴，将涂有凡士林的载玻片放置在采样点上进行数据采集，试验结束后，观察载玻片上花粉数量。每个载玻片采用均分法，沿玻片轴线划分上、下、左、右、中5 个采样点，分别为对称中心和距离对称中心上下15 mm、左右30 mm 处。取5 个视野平均值为单个视野面积花粉数量。各张载玻片单视野花粉数量相加作为水平分布量或竖直分布量。

图2 试验装置Fig.2 Arrangement diagram of the test device

第1 组样本进行水平分布试验。吊扇距地面高度固定为0.5 m，水平移动速度固定为30 m/min；将采集到花粉的涂有凡士林的载玻片置于放大倍数10×10 的生物显微镜下观察，记录花粉值、花粉最大值、花粉最大值坐标、有效作用面积占总面积的百分比(花粉值大于1 为有效采样点)。第2 组样本，将竖直采样板置于植株一边距离植株0.6 m 处，进行竖直分布试验。第3 组样本，将2 块水平采样板置于植株两侧且靠近植株，竖直采样板置于植株一边距离植株0.6 m 处，进行花粉总量测定。

采用Excel 和Malab 软件对数据进行分析，绘制等高线图和分布三维图。

3 结果与分析

3.1 下吹气流速度对花粉分布总量的影响

随着气流速度的增大，花粉总量呈现逐渐上升的趋势。在气流速度较低时，竖直采样板上的花粉量几乎为0；随着气流速度的增大，竖直采样板上的花粉缓慢增多。在气流速度从2.47 m/s 增大到3.23 m/s 时，竖直采样板上花粉总量增长最大(图3)。当气流速度较低时，主要靠植株的振动使花粉脱落，风力不足以将花粉带到竖直采样板的位置，因而竖直采样板上花粉很少。随着气流速度越来越大，能达到竖直采样板位置的花粉越来越多，竖直采样板上的花粉随之增多。由于花药上的花粉大部分已经被吹出且有部分花粉被吹出采样范围，当气流速度大于3.23 m/s 时，花粉总量增长较之前明显下降。水平方向上花粉总量增长较为明显，随着气流速度的增大，水平采样板上的花粉量呈迅速增加趋势，当气流速度达到一定值后，由于部分花粉超出水平采样板，花粉总量增长开始下降。

图3 不同下吹气流速度的花粉总量Fig.3 Pollen quantity under different katabatic airflow velocities

3.2 下吹气流速度对花粉竖直分布的影响

花粉在不同气流速度下的竖直分布如表2 所示。分析得知，在气流速度较小时，只在1~2 个视野内观测到花粉，且观测到花粉的的载玻片分布在风力直接作用面的下方。这主要是气流速度较小时，风力不足以将花粉从花药上吹落，花粉间的振动作用只能将花粉振落在离植株很近的位置。随着气流速度增大，花粉总量小幅增多，但观测到花粉的视野依然很少，主要集中在风力作用的下方。当气流速度达到2.47 m/s 后，竖直采样板上可观测到花粉的视野量、花粉总量、花粉密度均明显增加；随着气流速度的增大，花粉分布的位置越来越高，表现为三维图像(图4–左)越来越陡峭，呈单峰形状，花粉分布越来越集中，且主要集中在风力作用的平面上。主要是因为气流初速度增大，能到达竖直采样板的花粉增加，部分没有直接吹到竖直采样板的花粉也由自身的平抛运动，落在风力作用面下方的载玻片上。当气流速度达到3.23 m/s 后，绝大多数的花粉都能直接达到竖直采样板，花粉在风力作用的水平面上越来越集中，等高线图(图4–右)的特点是随着Z 坐标的变化，呈现出明显的阶梯性。

表2 不同下吹气流速度下花粉的竖直分布Table 2 Vertical distribution of pollens under different katabatic airflow velocities

3.3 下吹气流速度对花粉水平分布的影响

花粉在不同气流速度下的水平分布状况如表3 所示。分析得知，随着气流速度的增大，水平采样板上单个视野的花粉数增加，花粉总量增加。当气流速度小于2.47 m/s 时，三维图像为以植株位置为中点的两边单峰，当气流速度增大到3.23 m/s 时，花粉总量增大，单个视野内的花粉数也增大，三维图呈现以植株位置为中点两边双峰图像(图5–左)，前锋离植株近，后峰离植株较远。

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

前锋形成的主要原因是气流速度较小时，只有一小部分的花粉被吹落，且花粉所获得的初速很小，很快就作平抛运动，落在离植株不远处。另外在风力作用下植株茎秆、枝叶间的相互作用将花粉振落，也落在离植株不远处。后峰的形成主要是随着花粉传播距离的增大，风力逐渐衰减，达到某一位置后花粉在自身重力作用下沉降，花粉在这一位置的周围集中。等高线(图5–右)随X 轴的变化呈现明显的阶梯性。

图5 下吹气流速度为3.23 m/s 时的花粉水平分布的三维图(左)和等高线(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