杂交水稻制种气力碰撞组合式授粉的花粉分布

李中秋，汤楚宙,2*，李明,2，罗海峰,2

(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)

有效授粉是保证杂交水稻制种成功的关键，均匀、充分的授粉能确保种子的结实率，提高制种的产量和质量[1–2]。现行的杂交水稻制种授粉以“绳索拉花”和“竹竿赶粉”为主，劳动强度较大，授粉效率低，授粉明显不均，制种产量较低。机械授粉设备大多停留在理论和专利阶段，生产上尚无大面积推广利用的授粉机械和配套技术[3]。现行的人工辅助授粉方式，可分为气力式和碰撞式2 类。碰撞式授粉是传统的方式，使用授粉工具高速碰撞父本穗头或者茎秆，使父本花粉弹离飞散而落到母本区域。近年来，气力式授粉装备的研究进展迅速。汪沛等[4]对无人油动力直升机用于水稻制种辅助授粉的田间风场进行了测量；李继宇等[5–6]对单旋翼和多旋翼电动无人直升机用于杂交水稻辅助授粉的作业参数进行了优选；丁素明等[7]研制了手持式风送授粉机并应用于果树授粉试验；王慧敏等[8]对气力授粉参数进行了优选。研究结果表明，气力授粉的生产效率高，作用效果较好，但单一的气力式授粉存在较明显的花粉分布不均匀的局限[9]。黄震[10]对碰撞授粉参数进行了优选，指出碰撞力能促进父本开花散粉，碰撞授粉时花粉脱离父本较彻底，花粉扩散量和分布均匀性较好，但花粉的空间传播能力较差，扩散距离较近。

笔者尝试采用气力碰撞组合授粉，在碰杆碰撞父本植株的瞬时通过碰杆上方或下方的喷气管道喷射气流，使花粉扩散完成授粉。通过设计5 因素4 水平的气力碰撞组合授粉试验，分析对比花粉分布均匀性等授粉效果，以期得到较优的气力参数与碰撞参数组合，为进一步研究田间气力碰撞授粉机械提供理论依据。

1 气力碰撞组合式授粉试验

1.1 试验材料

试验所选材料为恢复系(父本)1356，3月底播种，7月下旬至8月中旬抽穗扬花。幼穗初始分化时，将植株带土移至培养钵内，每钵移植1 株，共48 株，常规水肥管理。试验期间，室内平均温度为26℃，最高温度约35℃，最低温度约23℃，适合杂交水稻的抽穗开花[11–12]。

1.2 试验仪器与设备

风机为CZR–52 离心式交流风机，功率150 W，全压490 Pa，最大风量3.2 m3/h，为保证每个喷封口气流速度和气压的一致性，整个风道通过变径管相连接，由变频器改变风机叶轮转速来调节出风口风速。

显微镜为XSP–6C 型生物显微镜，光学放大倍数为40 ～1 600 倍。

风速仪为AVM–07 型风速计，其有效测量范围0 ～45 m/s。

图1 气力碰撞组合式授粉装置 Fig.1 The sketch of test device for pneumatic and collision combined pollination

自制的气力碰撞组合授粉试验装置如图1 所示，由电机带动皮带轮转动，皮带上安装橡胶棒制 作的碰杆，电机转速可调，碰撞速度、碰撞位置、碰撞角度可调节。在碰杆上方或下方安装喷气管道(直径40 mm)，喷气管道面向杂交水稻植株的一侧均匀布置5个喷气圆孔，靠近碰撞装置的一端封闭，另一端与调速风机出风口通过变径管连接，风机的风速可调节，喷气管道外面套有开槽的管道，套管靠近碰撞装置的一端安装一根细长螺杆，碰撞装置中安装在皮带轮上的碰杆碰撞父本植株及细长螺杆的瞬时带动套管转动，至水平位置时，套管的开槽部位与喷气管道的喷孔重合，喷孔外露，气流通过喷气孔吹向杂交水稻父本植株。

采样板采用单一授粉方式时自制的水平采样板和竖直采样板[9–10]。考虑对称性，水平采样板X轴放置3 列载玻片，Y 轴放置8 行载玻片；竖直采样板X 轴放置5 列载玻片，Z 轴放置7 行载玻片。水平采样板放置位置比植株穗头低0.2 m，近端距植株20 cm；竖直采样板垂直于水平采样板放置在植株前方1 m 处，底端比植株穗头低0.4 m。载玻片上涂凡士林用于采集花粉。

1.3 试验设计

前期通过碰撞授粉试验，优选出碰撞授粉的最优试验参数后[10]，加入气力授粉参数，即喷气管道放置相对位置、气流速度、气流作用角度、喷孔直径、喷孔中心距，通过单因素试验，选取4 水平，进行正交试验。试验因素及水平如表1 所示。

表1 试验因素及水平 Table 1 Factors code table

1.4 测定项目和方法

试验于杂交水稻父本植株处于旺盛开花期的上午11:00—12:00 进行，将待测试的水稻植株逐株放置于喷气管道前方40 cm，调节气力碰撞组合授粉试验装置达到处理组合要求的工作参数。每个处理抽选3 株进行3次试验，以3次试验的平均值作为最终试验数据，喷气管道的喷气孔面向植株穗层，单次试验风机出风时间固定为20 s，试验后把载玻片置于放大100 倍的生物显微镜下观察采样点花粉的分布，每个载玻片根据等距取样方法，沿长轴线的方向划分成5个视野，分别是对称中心、左右距对称中心15 mm 和左右距对称中心30 mm，用5个采样点的花粉数量的平均值作为该载玻片上单个视野的花粉分布量。分别记载水平采样板和竖直采样板上花粉最大值、最大值的坐标等。统计水平采样板和竖直采样板上各个载玻片单个视野的花粉分布量相加，作为水平分布总量和竖直分布总量，两者之和为花粉分布总量。

选择水平采样板上花粉有效分布面积比率y1、花粉平均分布密度y2、花粉分布不均匀度y3为目标函数。花粉有效分布面积定义为单视野内花粉平均值大于或等于2 粒的分布面积[12–13]，其采样点视为有效采样点，其所占比率由式(1)计算。花粉平均分布密度为所有采样点花粉量的平均值，由式(2)计算。花粉分布不均匀度为单次试验中所有采样点花粉数量的方差，由式(3)计算。

式中：a 为单次试验中花粉大于或等于2 粒的采样点个数；ib 为单次试验中第i个采样点的花粉量，1≤i≤24。

利用Matlab 软件的Surf 函数生成花粉水平、竖直分布的三维图，以便于直观分析花粉分布规律。利用Spss 和Matlab 软件对试验数据进行极差分析、方差分析及多指标评价模型的建立和分析，得到各因素影响指标值的主次顺序和最优方案。

2 试验结果与分析

2.1 正交试验结果

正交试验结果列于表2。

表2 正交试验结果 Table 2 Protocol and result of orthogonal experiment

2.2 花粉分布

不同处理组合下花粉分布总量如图2 所示。

由图2 可以看出，1 号、9 号处理，花粉总量及水平分布量较多，3 号、12 号、13 号处理的花粉总量相差不大。花粉水平分布较大(表3)，变化较明显，竖直分布较少，变化不明显。

图2 不同组合处理的花粉量 Fig.2 Pollen distribution under different treatments

表3 不同组合下花粉水平分布 Table 3 Horizontal distribution of pollens under different treatments

由表2、表3 可知，9 号处理，花粉量峰值和花粉有效作用面积比率最大，最大花粉量出现在水平采样板上最靠近植株的位置。11 号处理的有效作用面积比率与9 号处理相同，但花粉量峰值较小。

由于竖直采样板上采集的花粉数量显著少于水平采样板，为大体分析花粉竖直分布情况，竖直采样板上的花粉有效分布面积定义为单视野内花粉平均值大于或等于0.2 粒的分布面积，其采样点为有效采样点，所占比率为有效采样点与总采样点数的比值。不同组合下花粉竖直分布如表4 所示。

表4 不同组合的花粉的竖直分布 Table 4 Vertical distribution of pollens under different treatments

由表4 可以看出，4 号处理竖直采样板上的花粉总量较多，花粉量峰值最大，采样点花粉峰值1.8粒位于紧靠植株的第5 列第2 排。9 号处理的有效作用面积比率最大，花粉量峰值最大值为0.8 粒，分别位于第1 列第6 排，第2 列第5 排，第2 列第6 排，第5 列第5 排。

2.3 正交试验结果的极差分析

花粉有效分布面积比率y1极差分析如表5 所示。从表5 可知，对花粉有效分布面积比率y1的影响大小排序依次是喷气管道放置相对位置、喷孔中心距、气流速度、喷孔直径、气流作用角度。最优组合为A1E2B1D1C1，即喷气管道放置高于碰杆10 cm，喷孔中心距50 mm，气流速度2 m/s，喷孔直径6 mm，气流作用角度20°。

表5 花粉有效分布面积比率的极差 Table 5 Extreme deviation with the distribution area range ratio

花粉平均分布密度y2极差分析如表6 所示。从表6 可知，对花粉平均分布密度y2的影响大小依次是气流速度、喷气管道放置相对位置、气流作用角度、喷孔中心距、喷孔直径。最优组合为B1A1C3E2D4，即气流速度2 m/s，喷气管道放置高于碰杆10 cm，气流作用角度0°，喷孔直径12 mm，喷孔中心距50 mm。

表6 花粉平均分布密度的极差 Table 6 Extreme deviation with the mean pollen density

花粉分布不均匀度y3的极差分析如表7 所示。

表7 花粉分布不均匀度的极差分析 Table 7 Extreme deviation with pollen non-uniform distribution

从表7 可知，对花粉分布不均匀度y3的影响大小依次是气流速度、喷气管道放置相对位置、气流作用角度、喷孔直径、喷孔中心距。最优组合为B1A4C3D1E2，即气流速度2 m/s，喷气管道放置低于碰杆10 cm，气流作用角度0°，喷孔直径6 mm，喷孔中心距50 mm。

2.4 正交试验结果的方差分析

花粉有效分布面积比率y1的正交试验结果方差分析如表8 所示。喷气管道放置相对位置、喷孔中心距、气流速度对花粉有效分布面积比的影响显著，喷孔直径、气流作用角度的影响不显著。

表8 花粉有效分布面积比率的方差分析 Table 8 The variance analysis with the effective distribution area ratio

花粉平均分布密度y2正交试验结果的方差分析结果如表9 所示。气流速度对花粉平均分布密度影响极显著，喷气管道放置相对位置对花粉平均分布密度影响显著，因素气流作用角度、喷孔中心距、喷孔直径的影响不显著。

表9 花粉平均分布密度的方差分析 Table 9 The variance analysis with the mean density

花粉分布不均度y3正交试验结果的方差分析结果如表10 所示。气流速度对花粉分布不均匀度的影响极显著，喷孔直径、喷气管道放置相对位置、气流作用角度、喷孔中心距的影响不显著。

表10 花粉平均不均匀度的方差分析 Table 10 The variance analysis of the pollen non-uniform degree

2.5 正交试验结果的多指标评价模型分析

正交试验结果的单指标极差、方差分析，仅考虑了多个因素对单一评价指标的影响程度，为了分析多因素对多指标的综合影响评价，需要对花粉有效作用面积比率y1、花粉平均分布密度y2、花粉分布不均匀度y3建立多指标的评价模型，采用数理分析方法进行综合分析和参数优化，以确定多因素各水平对多个指标的影响权重和最优方案。

通过借助简便的矩阵分析法建立评判模型并进行矩阵分析计算[14–15]，得到最优方案和各因素影响指标的主次顺序。建立三层结构模型：第1 层为试验考察指标层；第2 层为因素层；第3 层为水平层。以花粉有效分布面积比率y1越大越好，花粉平均分布密度y2越大越好，花粉分布不均匀度y3越小越好为评价原则，进行综合分析计算和参数优化。

根据正交试验的极差分析结果，用Matlab 软件进行矩阵运算，求得各因素4 水平的权值如表11所示。

表11 试验因素的权值 Table 11 Weight of test factors

通过矩阵方法的分析计算，喷气管道放置相对位置中A1的权重最大，气流速度中B3的权重最大，气流作用角度中C1的权重最大，喷孔直径中D2的权重最大，喷孔中心距中E4的权重最大；5个因素对试验指标值影响的主次顺序为气流速度、喷气管道放置相对位置、喷孔中心距、气流作用角度、喷孔直径。正交试验的最优方案为A1B3C1D2E4，即在喷气管道放置相对位置高于碰杆10 cm，气流速度6 m/s，气流作用角度倾斜向上20°，喷孔直径8 mm，喷孔中心距25 mm 时综合试验效果最好。

2.6 组合式授粉与单一授粉方式的对比分析

对比单一授粉方式时花粉分布效果的研究结果[9–10]，其最大的有效分布面积比率y1分别为58%、61.25%，最小的花粉分布不均匀度y3分别为7.4、10.26 。由表3 数据可得，组合式授粉正交试验的最大花粉有效作用面积比率y1＝70.8%> 61.25%(碰撞授粉)>58%(气力授粉)，16 种处理组合中有4个处理组合的y1大于58%，占组合数的25%。组合式授粉正交试验的最小花粉不均匀度y3＝0.14<7.4(气力授粉)<10.26(碰撞授粉)，16 种处理组合中有8个处理组合的y3小于7.4，占组合数的50%，因此，组合授粉相比单一的气力授粉和碰撞授粉，花粉分布有效分布面积率y1明显提高，花粉分布不均匀度y3显著下降。

3 结论与讨论

花粉水平分布数据的方差分析表明：喷气管道放置相对位置、喷孔中心距、气流速度对花粉有效分布面积比率的影响显著；气流速度、喷气管道放置相对位置对花粉平均分布密度的影响极显著；气流速度对花粉分布不均匀度的影响极显著。

通过三层多指标评判模型矩阵分析表明：5个因素对指标值影响的主次顺序为气流速度、喷气管道设置位置、喷孔中心距、气流作用角度、喷孔直径。正交试验的最优方案为A1B3C1D2E4，即气流速度6 m/s，喷气管道放置相对位置高于碰杆10 cm，喷孔中心距25 mm，气流作用角度倾斜向上20°，喷孔直径8 mm。

组合授粉相比单一的气力授粉或碰撞授粉，花粉分布有效分布面积率明显提高，花粉分布不均匀度显著下降。

[1] 胡建平．浅析杂交水稻制种的产量构成与高产制种技术[J]．种子，2010，29(12)：119–121．

[2] 张绍安，余保生，谢保忠．杂交水稻制种高产的影响因素与对策[J]．现代农业科技，2010 (24)：86–89．

[3] 吴辉，熊朝，刘爱民，等．杂交水稻机械化制种辅助授粉技术研究现状与设想[J]．作物研究，2014，28(3)：321–323．

[4] 汪沛，胡炼，周志艳，等．无人油动力直升机用于水稻制种辅助授粉的田间风场测量[J]．农业工程学报，2013，29(3)：54–61．

[5] 李继宇，周志艳，胡炼，等．单旋翼电动无人直升机辅助授粉作业参数优选[J]．农业工程学报，2014，30(10)：10–17．

[6] 李继宇，周志艳，胡炼，等．圆形多轴多旋翼电动无人直升机辅助授粉作业参数优选[J]．农业工程学报，2014，30(11)：1–11．

[7] 丁素明，薛新宇，蔡晨，等．手持式风送授粉机研制与试验[J]．农业工程学报，2014，30(13)：20–27．

[8] 王慧敏，汤楚宙，李中秋，等．杂交水稻制种气力授粉的参 数试验及优化 [J]．农业工程学报，2012，28(S2)：101–106．

[9] 王慧敏．杂交水稻制种气力式授粉机理的试验研究[D]．长沙：湖南农业大学，2012．

[10] 黄震．杂交水稻制种碰撞式授粉机理研究[D]．长沙：湖南农业大学，2013．

[11] 易著虎，吴升高，肖层林，等．杂交水稻父本制种特性研究进展[J]．湖南农业科学，2009(7)：17–19，21．

[12] 张彬，芮雯奕，郑建初，等．水稻开花期花粉活力和结实率对高温的响应特征[J]．作物学报，2007，33(7)：1177–1181．

[13] Hyoji Namai，Hiroshi Kato．The number of pollengrains deposited upon a pistil assuring seed setting of male sterile seed parent in rice[J]．Japanese Journal of Breeding，1987，37(1)：98–102．

[14] 魏效玲，薛冰军，赵强．基于正交试验设计的多指标优化方案研究[J]．河北工程大学学报：自然科学版，2010，27(3)：75–99．

[15] 周玉珠．正交试验设计的矩阵分析方法[J]．数学的实践与认识，2009，39(2)：202–207．