雜交水稻機(jī)械化制種輔助授粉技術(shù)研究現(xiàn)狀與設(shè)想

吳輝，熊朝，劉愛民2*，肖層林，唐啟源

（1湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，長(zhǎng)沙410128；2湖南隆平種業(yè)有限公司，長(zhǎng)沙410006）

雜交水稻機(jī)械化制種輔助授粉技術(shù)研究現(xiàn)狀與設(shè)想

吳輝1，熊朝1，劉愛民2*，肖層林1，唐啟源1

（1湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，長(zhǎng)沙410128；2湖南隆平種業(yè)有限公司，長(zhǎng)沙410006）

介紹了國(guó)內(nèi)外雜交水稻制種輔助授粉技術(shù)和機(jī)械化授粉技術(shù)研究現(xiàn)狀，概述了雜交水稻制種人工輔助授粉的幾種方法及其不足之處。結(jié)合我國(guó)航空植保無人直升機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀，提出了利用小型農(nóng)用無人直升機(jī)輔助制種授粉實(shí)現(xiàn)全程機(jī)械化制種的設(shè)想和研究思路。

雜交水稻；機(jī)械化制種；輔助授粉

水稻是主要糧食作物，全世界有50%以上的人口以稻米為主食，我國(guó)更高達(dá)60%以上。據(jù)研究分析，2030年我國(guó)人口可能增至16億，屆時(shí)糧食需求總量將達(dá)7.4億t［1］。據(jù)聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織預(yù)測(cè)，世界人口在2050年將上升至91億人，全球糧食產(chǎn)出需增長(zhǎng)70%才有可能滿足迅速增長(zhǎng)的人口需求［2］。由此可見水稻生產(chǎn)作為主要糧食來源不僅關(guān)系到我國(guó)糧食安全而且直接影響到世界糧食安全。水稻是一種適應(yīng)性廣的高產(chǎn)作物，而雜交水稻更是一項(xiàng)先進(jìn)的糧食增產(chǎn)技術(shù)。2000年、2004年、2011年我國(guó)相繼實(shí)現(xiàn)了超級(jí)稻第一期畝產(chǎn)700 kg、第二期800 kg、第三期900 kg的目標(biāo)，由此可見雜交水稻在糧食增產(chǎn)中的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，雜交水稻的推廣應(yīng)用將是解決世界糧食危機(jī)的最有效途徑。而目前雜交水稻制種仍采用勞力密集型的生產(chǎn)技術(shù)，機(jī)械化程度低，已不適應(yīng)社會(huì)和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的需求，如何實(shí)現(xiàn)雜交水稻制種全程機(jī)械化將成為近期水稻產(chǎn)業(yè)中最重要的技術(shù)突破。

1 雜交水稻制種輔助授粉技術(shù)現(xiàn)狀

水稻是自花授粉作物，而雜交水稻制種是異花授粉的異交栽培過程，不育系自身花粉完全敗育，必須依靠父本的花粉受精結(jié)實(shí)。母本異交結(jié)實(shí)率的高低決定制種產(chǎn)量的高低，而母本異交結(jié)實(shí)率的高低取決于父本可提供的有效花粉數(shù)量。因水稻花粉靠風(fēng)傳播，飄散距離小，且自然風(fēng)力又不穩(wěn)定，所以雜交水稻制種需要人工輔助授粉。水稻的花期約10 d，且日開花時(shí)間短，約在每天10：00～12：00開花，晴好天氣時(shí)一般每天授粉3～4次，每次授粉間隔20～30 min。因此，雜交水稻制種輔助授粉是一項(xiàng)時(shí)間緊、勞動(dòng)強(qiáng)度大的工作。目前在我國(guó)及東南亞國(guó)家主要采用的是以繩索或竹木桿為工具的人工輔助授粉方法，在美國(guó)采用有人駕駛的小型直升機(jī)輔助授粉的方法。

1.1 人工輔助授粉方法及父母本配套種植方式［3］

中國(guó)的雜交水稻制種技術(shù)是建立在20世紀(jì)70年代中后期的人工作業(yè)的勞力密集型技術(shù)。在制種實(shí)踐過程中，各地根據(jù)實(shí)際和習(xí)慣形成了不同的輔助授粉方法和父母本配套種植方式，大體可歸納為繩索趕粉法、單桿趕粉法、雙桿趕粉法3種授粉方法。

（1）繩索趕粉法。此法是制種上應(yīng)用最多、效率較高的輔助授粉方法。授（趕）粉時(shí)需2人使用一條50 m左右的長(zhǎng)繩同時(shí)作業(yè)，繩索平行父本行向放置，2人在垂直父本行向田埂上快速行走拉動(dòng)繩索，繩索滑動(dòng)父本，使花粉飄散到母本廂中，完成授粉。此法2人每天可完成授粉面積0.7～1.3 hm2，配套父母本相間種植行比為1～2∶10～12，父本行種植寬度約為60 cm（單行）、75 cm（雙行），母本廂種植寬為160～185 cm。

（2）單桿授粉法。此法又可分為單桿掃動(dòng)父本授粉法和單桿推震父本授粉法。單桿掃動(dòng)授粉法是作業(yè)者手持4～6 m長(zhǎng)桿的一端，在父母本行間行走，將授粉桿左右掃動(dòng)父本穗層，使父本花粉散出并傳播到母本廂實(shí)現(xiàn)授粉。單桿推震父本授粉法是作業(yè)者手握8～10 m長(zhǎng)桿中部，與父本行垂直方向行走，將長(zhǎng)桿置父本中上部，推震父本2次，使父本花粉向母本廂散播完成授粉。此2種方法每個(gè)作業(yè)者每天可授粉面積在0.2～0.3 hm2，作業(yè)效率較低。此授粉方法父母本種植方式與繩索趕粉法相同。

（3）雙桿趕粉法。趕粉時(shí)，操作者雙手各握一約2m的短桿，從兩行父本間行走，雙桿置于父本植株的中上部，快速用力向兩邊振動(dòng)父本2～3次，使父本花粉飄散至母本廂中完成授粉。該法雖能使父本花粉傳播較遠(yuǎn)、充分散出且較均勻，但作業(yè)效率低，每個(gè)作業(yè)者每天可授粉面積僅0.07～0.13 hm2。配套的父母本相間種植行比為2∶14～16，父本行種植寬度為80 cm，密度為17 cm×（20-30-20）cm，母本種植寬度和密度同繩索和單桿趕粉法。

采用人工輔助授粉的方法，因父本花粉傳播的距離短，限制了父母本相間種植行比和廂寬。試驗(yàn)研究和實(shí)踐結(jié)果表明，父母本種植寬度一般為200～240 cm，其中父本種植寬度為60～75 cm，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)父本的機(jī)械化種植和機(jī)械化分收，成為實(shí)現(xiàn)雜交水稻全程機(jī)械化制種的技術(shù)瓶頸。

1.2 美國(guó)雜交水稻全程機(jī)械化制種的授粉方法及父母本配套種植方式

作為高度工業(yè)化、城市化的美國(guó)從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)人口只占3%，而每個(gè)農(nóng)場(chǎng)主擁有幾百至上千公頃的土地，勞力又昂貴，水稻制種只能采用機(jī)械化［4］。美國(guó)圓環(huán)種子公司（Rice Tec前身）在1980年代從中國(guó)引進(jìn)雜交水稻技術(shù)后，開始研究探索雜交水稻機(jī)械化制種技術(shù)［5］。歷經(jīng)15年的試驗(yàn)研究，通過采用小型有人駕駛直升飛機(jī)進(jìn)行輔助授粉，配套制種父母本按（8～10）∶（30～40）的行比相間種植，小型直升飛機(jī)在父本廂上飛行，飛行速度為37 km／h左右，飛行高度距離地面2～3 m，每天飛行授粉2～3次，利用旋翼高速轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的風(fēng)力將父本花粉傳播到母本完成授粉作業(yè)［6］。同時(shí)因父本廂寬度達(dá)200～240 cm，母本廂達(dá)到900～1 200 cm，父本和母本能機(jī)械化種植和收割，從而實(shí)現(xiàn)了制種從田塊機(jī)械干耕干整、父母本分開機(jī)械旱直播、農(nóng)用飛機(jī)噴施農(nóng)藥和赤霉素、小型直升機(jī)輔助授粉、機(jī)械分收父本和母本、種子干燥再配套化學(xué)除草等的雜交水稻制種全程機(jī)械化。

2 中國(guó)雜交水稻制種機(jī)械輔助授粉技術(shù)的研究探索

我國(guó)20世紀(jì)90年代就開始了雜交水稻制種授粉機(jī)械設(shè)備和技術(shù)的研究［7～9］，主要有機(jī)械采粉集中授粉法、授粉風(fēng)機(jī)及授粉裝置、背負(fù)式授粉機(jī)等，但大多停留在理論或?qū)＠A段，經(jīng)田間試驗(yàn)均難以應(yīng)用。目前生產(chǎn)上尚沒有一種能大面積應(yīng)用的授粉機(jī)械及配套授粉技術(shù)。為此中國(guó)水稻育種家們又提出了父母本混植法的機(jī)械化制種技術(shù)。其要點(diǎn)是通過選育在穎殼顏色或胚乳熒光顏色、谷粒大小、對(duì)某種除草劑敏感致死等方面有顯著差異而生育期基本一致的父本和母本，父母本在制種田按一定比例混合種植，成熟期混合收割，混收種子再經(jīng)特定的色選、篩選設(shè)備、或在授粉后噴施某種特定除草劑殺死父本，從而將雜交種子分選出來的方法。此法目前尚在研究探索之中，但如何進(jìn)行輔助授粉，尚沒有報(bào)道。

2.1 機(jī)械采粉集中噴粉的授粉法

1982年，湖南師范大學(xué)生物系開始進(jìn)行水稻花粉貯存研究，并衍生出了機(jī)械采粉集中噴粉的輔助授粉技術(shù)。這種輔助授粉方法的父母本可以集中分片種植，在父本盛花期機(jī)械采粉、低溫貯藏，在母本盛花期將花粉取出回醒8～12 h，然后連同花粉培養(yǎng)基一起稀釋后噴霧授粉［7］。這種方法雖能有效的解決父母本花期、花時(shí)不遇的問題，但花粉低溫貯藏易喪失活力且萌發(fā)率較低，難以實(shí)際應(yīng)用。

2.2 輔助授粉風(fēng)機(jī)

風(fēng)機(jī)輔助授粉制種的父母本種植方式與傳統(tǒng)人工輔助授粉的父、母本種植方式一樣。1995年，湖北農(nóng)學(xué)院研究發(fā)明了一種主要由風(fēng)機(jī)、導(dǎo)粉膜、固膜板、卷膜筒、撼粉繩、授粉管和手柄組成的授粉器，后經(jīng)改進(jìn)，2002年成功研制了“雜交水稻制種授粉機(jī)”，授粉管長(zhǎng)20 m，機(jī)組操作人員2人，作業(yè)人員可攜帶授粉機(jī)在制種田間行走完成授粉作業(yè)［10］。2011年湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)湯楚宙等發(fā)明了一種背負(fù)式風(fēng)機(jī)的授粉機(jī)械，經(jīng)試驗(yàn)，授粉效果好。但作業(yè)人員背負(fù)風(fēng)機(jī)在田間行走困難，制種父本噴施赤霉素后植株均在120 cm左右，操作不便，授粉效率低，因而未能得到推廣。

3 微型農(nóng)用無人直升機(jī)輔助授粉的設(shè)想

我國(guó)農(nóng)用航空植保技術(shù)應(yīng)用始于1951年［11］，但發(fā)展很慢，幾乎沒有在水稻植保上應(yīng)用。近年來，隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化技術(shù)的快速發(fā)展，利用微型或小型遙控操作的無人直升機(jī)進(jìn)行農(nóng)用航空植保技術(shù)的研究和應(yīng)用發(fā)展迅猛，目前已研制有多種機(jī)型的無人直升機(jī)進(jìn)行田間植保作業(yè)的示范應(yīng)用。農(nóng)用無人直升機(jī)按動(dòng)力分有電池動(dòng)力和燃油動(dòng)力兩種，按旋翼分有單軸、八軸、十八軸、二十四軸等，按負(fù)荷分有3 kg級(jí)、5 kg級(jí)、10 kg級(jí)、15 kg，現(xiàn)有研發(fā)30 kg級(jí)的，一些小型的無人直升機(jī)可負(fù)載100 kg。

我國(guó)南方雜交水稻制種生態(tài)優(yōu)勢(shì)基地多分布在丘陵和山區(qū)，基地田塊小，地勢(shì)多不平坦，而即使在平原湖區(qū)的制種基地，也有防風(fēng)林帶所限制，因此美國(guó)的雜交水稻全程機(jī)械化制種技術(shù)難以在中國(guó)制種基地直接應(yīng)用。但借鑒美國(guó)的直升機(jī)輔助授粉方法，利用目前中國(guó)所研發(fā)的農(nóng)用航空無人直升機(jī)用于雜交水稻制種輔助授粉，同時(shí)改變父母本現(xiàn)有種植模式，大幅擴(kuò)大父母本種植行比和寬度，達(dá)到父母本均能進(jìn)行機(jī)械種植和收割，從而可實(shí)現(xiàn)雜交水稻全程機(jī)械化制種。

微型農(nóng)用無人直升機(jī)飛行作業(yè)相對(duì)比較安全，具有以下優(yōu)勢(shì)［12～14］：（1）地形適應(yīng)性好，對(duì)于復(fù)雜的田間環(huán)境具有更好的適應(yīng)性，適合我國(guó)制種基地；（2）無需專用起降場(chǎng)地，低空作業(yè)，不受航空管制；（3）小巧輕便，操控靈活。

因此，很有必要開展微型農(nóng)用無人直升機(jī)用于雜交水稻機(jī)械化制種輔助授粉技術(shù)的研究。主要可從以下四個(gè)方面開展：

（1）不同類型農(nóng)用無人直升機(jī)輔助授粉效果研究，配套設(shè)計(jì)不同的父母本相間種植大行比處理。

（2）不同類型農(nóng)用無人直升機(jī)輔助授粉時(shí)適宜輔助授粉的飛行參數(shù)（高度、速度等）匹配試驗(yàn)，試驗(yàn)分析輔助授粉的效率和成本。

（3）適宜以農(nóng)用無人直升機(jī)輔助授粉的機(jī)械化制種親本選育研究。

（4）適宜不同農(nóng)用無人直升機(jī)輔助授粉父母本群體構(gòu)成及機(jī)械化種植技術(shù)研究。

根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果形成不同農(nóng)用無人直升機(jī)輔助雜交水稻制種授粉的新技術(shù)。

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Research Situation and Proposals on Supp lem entary Pollination Techniques in Hybrid Rice Mechanized Seed Production

WU Hui1，XIONG Chao1，LIU Ai-m ing2*，XIAO Ceng-lin1，TANG Qi-yuan1

（1 College of Agronomy，Hunan Agricultural University，Changsha，Hunan 410128，China；
2 Hunan Longping Seed Industry Co.，Ltd，Changsha，Hunan 410006，China）

The research situation on techniques for supplementary pollination and mechanized pollination in hybrid rice seed production at home and abroad was introduced，and severalmethods for artificial supplementary pollination in hybrid rice seed production and their shortcom ingswere summarized.Combined the current situation of unmanned helicopter used for plant protection in China，the proposals and research approaches for realizing the full-mechanized operation of hybrid rice seed production by using farm-oriented unmanned helicopter in supplementary pollination were brought up.

Hybrid rice；Mechanization of seed production；Supplementary pollination

S511.038

A

1001-5280（2014）03-0321-03 DOI：10.3969／j.issn.1001-5280.2014.03.25

2014 03 02

吳 輝（1987-），男，湖南永州人，碩士研究生，Email：dawh111＠126.com。*通信作者：劉愛民，研究員，從事雜交水稻種子生產(chǎn)，Email：lam＠lpht.com.cn。

國(guó)家科技支撐課題（2014BAD06B07）。