雜交水稻制種氣力碰撞組合式授粉的花粉分布

李中秋，湯楚宙,2*，李明,2，羅海峰,2

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，湖南 長沙 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 長沙 410128)

有效授粉是保證雜交水稻制種成功的關(guān)鍵，均勻、充分的授粉能確保種子的結(jié)實率，提高制種的產(chǎn)量和質(zhì)量[1–2]?，F(xiàn)行的雜交水稻制種授粉以“繩索拉花”和“竹竿趕粉”為主，勞動強度較大，授粉效率低，授粉明顯不均，制種產(chǎn)量較低。機械授粉設(shè)備大多停留在理論和專利階段，生產(chǎn)上尚無大面積推廣利用的授粉機械和配套技術(shù)[3]?，F(xiàn)行的人工輔助授粉方式，可分為氣力式和碰撞式2 類。碰撞式授粉是傳統(tǒng)的方式，使用授粉工具高速碰撞父本穗頭或者莖稈，使父本花粉彈離飛散而落到母本區(qū)域。近年來，氣力式授粉裝備的研究進展迅速。汪沛等[4]對無人油動力直升機用于水稻制種輔助授粉的田間風(fēng)場進行了測量；李繼宇等[5–6]對單旋翼和多旋翼電動無人直升機用于雜交水稻輔助授粉的作業(yè)參數(shù)進行了優(yōu)選；丁素明等[7]研制了手持式風(fēng)送授粉機并應(yīng)用于果樹授粉試驗；王慧敏等[8]對氣力授粉參數(shù)進行了優(yōu)選。研究結(jié)果表明，氣力授粉的生產(chǎn)效率高，作用效果較好，但單一的氣力式授粉存在較明顯的花粉分布不均勻的局限[9]。黃震[10]對碰撞授粉參數(shù)進行了優(yōu)選，指出碰撞力能促進父本開花散粉，碰撞授粉時花粉脫離父本較徹底，花粉擴散量和分布均勻性較好，但花粉的空間傳播能力較差，擴散距離較近。

筆者嘗試采用氣力碰撞組合授粉，在碰桿碰撞父本植株的瞬時通過碰桿上方或下方的噴氣管道噴射氣流，使花粉擴散完成授粉。通過設(shè)計5 因素4 水平的氣力碰撞組合授粉試驗，分析對比花粉分布均勻性等授粉效果，以期得到較優(yōu)的氣力參數(shù)與碰撞參數(shù)組合，為進一步研究田間氣力碰撞授粉機械提供理論依據(jù)。

1 氣力碰撞組合式授粉試驗

1.1 試驗材料

試驗所選材料為恢復(fù)系(父本)1356，3月底播種，7月下旬至8月中旬抽穗揚花。幼穗初始分化時，將植株帶土移至培養(yǎng)缽內(nèi)，每缽移植1 株，共48 株，常規(guī)水肥管理。試驗期間，室內(nèi)平均溫度為26℃，最高溫度約35℃，最低溫度約23℃，適合雜交水稻的抽穗開花[11–12]。

1.2 試驗儀器與設(shè)備

風(fēng)機為CZR–52 離心式交流風(fēng)機，功率150 W，全壓490 Pa，最大風(fēng)量3.2 m3/h，為保證每個噴封口氣流速度和氣壓的一致性，整個風(fēng)道通過變徑管相連接，由變頻器改變風(fēng)機葉輪轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)出風(fēng)口風(fēng)速。

顯微鏡為XSP–6C 型生物顯微鏡，光學(xué)放大倍數(shù)為40 ～1 600 倍。

風(fēng)速儀為AVM–07 型風(fēng)速計，其有效測量范圍0 ～45 m/s。

圖1 氣力碰撞組合式授粉裝置 Fig.1 The sketch of test device for pneumatic and collision combined pollination

自制的氣力碰撞組合授粉試驗裝置如圖1 所示，由電機帶動皮帶輪轉(zhuǎn)動，皮帶上安裝橡膠棒制 作的碰桿，電機轉(zhuǎn)速可調(diào)，碰撞速度、碰撞位置、碰撞角度可調(diào)節(jié)。在碰桿上方或下方安裝噴氣管道(直徑40 mm)，噴氣管道面向雜交水稻植株的一側(cè)均勻布置5個噴氣圓孔，靠近碰撞裝置的一端封閉，另一端與調(diào)速風(fēng)機出風(fēng)口通過變徑管連接，風(fēng)機的風(fēng)速可調(diào)節(jié)，噴氣管道外面套有開槽的管道，套管靠近碰撞裝置的一端安裝一根細長螺桿，碰撞裝置中安裝在皮帶輪上的碰桿碰撞父本植株及細長螺桿的瞬時帶動套管轉(zhuǎn)動，至水平位置時，套管的開槽部位與噴氣管道的噴孔重合，噴孔外露，氣流通過噴氣孔吹向雜交水稻父本植株。

采樣板采用單一授粉方式時自制的水平采樣板和豎直采樣板[9–10]?？紤]對稱性，水平采樣板X軸放置3 列載玻片，Y 軸放置8 行載玻片；豎直采樣板X 軸放置5 列載玻片，Z 軸放置7 行載玻片。水平采樣板放置位置比植株穗頭低0.2 m，近端距植株20 cm；豎直采樣板垂直于水平采樣板放置在植株前方1 m 處，底端比植株穗頭低0.4 m。載玻片上涂凡士林用于采集花粉。

1.3 試驗設(shè)計

前期通過碰撞授粉試驗，優(yōu)選出碰撞授粉的最優(yōu)試驗參數(shù)后[10]，加入氣力授粉參數(shù)，即噴氣管道放置相對位置、氣流速度、氣流作用角度、噴孔直徑、噴孔中心距，通過單因素試驗，選取4 水平，進行正交試驗。試驗因素及水平如表1 所示。

表1 試驗因素及水平 Table 1 Factors code table

1.4 測定項目和方法

試驗于雜交水稻父本植株處于旺盛開花期的上午11:00—12:00 進行，將待測試的水稻植株逐株放置于噴氣管道前方40 cm，調(diào)節(jié)氣力碰撞組合授粉試驗裝置達到處理組合要求的工作參數(shù)。每個處理抽選3 株進行3次試驗，以3次試驗的平均值作為最終試驗數(shù)據(jù)，噴氣管道的噴氣孔面向植株穗層，單次試驗風(fēng)機出風(fēng)時間固定為20 s，試驗后把載玻片置于放大100 倍的生物顯微鏡下觀察采樣點花粉的分布，每個載玻片根據(jù)等距取樣方法，沿長軸線的方向劃分成5個視野，分別是對稱中心、左右距對稱中心15 mm 和左右距對稱中心30 mm，用5個采樣點的花粉數(shù)量的平均值作為該載玻片上單個視野的花粉分布量。分別記載水平采樣板和豎直采樣板上花粉最大值、最大值的坐標(biāo)等。統(tǒng)計水平采樣板和豎直采樣板上各個載玻片單個視野的花粉分布量相加，作為水平分布總量和豎直分布總量，兩者之和為花粉分布總量。

選擇水平采樣板上花粉有效分布面積比率y1、花粉平均分布密度y2、花粉分布不均勻度y3為目標(biāo)函數(shù)?；ǚ塾行Х植济娣e定義為單視野內(nèi)花粉平均值大于或等于2 粒的分布面積[12–13]，其采樣點視為有效采樣點，其所占比率由式(1)計算。花粉平均分布密度為所有采樣點花粉量的平均值，由式(2)計算?；ǚ鄯植疾痪鶆蚨葹閱未卧囼炛兴胁蓸狱c花粉數(shù)量的方差，由式(3)計算。

式中：a 為單次試驗中花粉大于或等于2 粒的采樣點個數(shù)；ib 為單次試驗中第i個采樣點的花粉量，1≤i≤24。

利用Matlab 軟件的Surf 函數(shù)生成花粉水平、豎直分布的三維圖，以便于直觀分析花粉分布規(guī)律。利用Spss 和Matlab 軟件對試驗數(shù)據(jù)進行極差分析、方差分析及多指標(biāo)評價模型的建立和分析，得到各因素影響指標(biāo)值的主次順序和最優(yōu)方案。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 正交試驗結(jié)果

正交試驗結(jié)果列于表2。

表2 正交試驗結(jié)果 Table 2 Protocol and result of orthogonal experiment

2.2 花粉分布

不同處理組合下花粉分布總量如圖2 所示。

由圖2 可以看出，1 號、9 號處理，花粉總量及水平分布量較多，3 號、12 號、13 號處理的花粉總量相差不大?；ǚ鬯椒植驾^大(表3)，變化較明顯，豎直分布較少，變化不明顯。

圖2 不同組合處理的花粉量 Fig.2 Pollen distribution under different treatments

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

由表2、表3 可知，9 號處理，花粉量峰值和花粉有效作用面積比率最大，最大花粉量出現(xiàn)在水平采樣板上最靠近植株的位置。11 號處理的有效作用面積比率與9 號處理相同，但花粉量峰值較小。

由于豎直采樣板上采集的花粉數(shù)量顯著少于水平采樣板，為大體分析花粉豎直分布情況，豎直采樣板上的花粉有效分布面積定義為單視野內(nèi)花粉平均值大于或等于0.2 粒的分布面積，其采樣點為有效采樣點，所占比率為有效采樣點與總采樣點數(shù)的比值。不同組合下花粉豎直分布如表4 所示。

表4 不同組合的花粉的豎直分布 Table 4 Vertical distribution of pollens under different treatments

由表4 可以看出，4 號處理豎直采樣板上的花粉總量較多，花粉量峰值最大，采樣點花粉峰值1.8粒位于緊靠植株的第5 列第2 排。9 號處理的有效作用面積比率最大，花粉量峰值最大值為0.8 粒，分別位于第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 正交試驗結(jié)果的極差分析

花粉有效分布面積比率y1極差分析如表5 所示。從表5 可知，對花粉有效分布面積比率y1的影響大小排序依次是噴氣管道放置相對位置、噴孔中心距、氣流速度、噴孔直徑、氣流作用角度。最優(yōu)組合為A1E2B1D1C1，即噴氣管道放置高于碰桿10 cm，噴孔中心距50 mm，氣流速度2 m/s，噴孔直徑6 mm，氣流作用角度20°。

表5 花粉有效分布面積比率的極差 Table 5 Extreme deviation with the distribution area range ratio

花粉平均分布密度y2極差分析如表6 所示。從表6 可知，對花粉平均分布密度y2的影響大小依次是氣流速度、噴氣管道放置相對位置、氣流作用角度、噴孔中心距、噴孔直徑。最優(yōu)組合為B1A1C3E2D4，即氣流速度2 m/s，噴氣管道放置高于碰桿10 cm，氣流作用角度0°，噴孔直徑12 mm，噴孔中心距50 mm。

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

花粉分布不均勻度y3的極差分析如表7 所示。

表7 花粉分布不均勻度的極差分析 Table 7 Extreme deviation with pollen non-uniform distribution

從表7 可知，對花粉分布不均勻度y3的影響大小依次是氣流速度、噴氣管道放置相對位置、氣流作用角度、噴孔直徑、噴孔中心距。最優(yōu)組合為B1A4C3D1E2，即氣流速度2 m/s，噴氣管道放置低于碰桿10 cm，氣流作用角度0°，噴孔直徑6 mm，噴孔中心距50 mm。

2.4 正交試驗結(jié)果的方差分析

花粉有效分布面積比率y1的正交試驗結(jié)果方差分析如表8 所示。噴氣管道放置相對位置、噴孔中心距、氣流速度對花粉有效分布面積比的影響顯著，噴孔直徑、氣流作用角度的影響不顯著。

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

花粉平均分布密度y2正交試驗結(jié)果的方差分析結(jié)果如表9 所示。氣流速度對花粉平均分布密度影響極顯著，噴氣管道放置相對位置對花粉平均分布密度影響顯著，因素氣流作用角度、噴孔中心距、噴孔直徑的影響不顯著。

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正交試驗結(jié)果的方差分析結(jié)果如表10 所示。氣流速度對花粉分布不均勻度的影響極顯著，噴孔直徑、噴氣管道放置相對位置、氣流作用角度、噴孔中心距的影響不顯著。

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

2.5 正交試驗結(jié)果的多指標(biāo)評價模型分析

正交試驗結(jié)果的單指標(biāo)極差、方差分析，僅考慮了多個因素對單一評價指標(biāo)的影響程度，為了分析多因素對多指標(biāo)的綜合影響評價，需要對花粉有效作用面積比率y1、花粉平均分布密度y2、花粉分布不均勻度y3建立多指標(biāo)的評價模型，采用數(shù)理分析方法進行綜合分析和參數(shù)優(yōu)化，以確定多因素各水平對多個指標(biāo)的影響權(quán)重和最優(yōu)方案。

通過借助簡便的矩陣分析法建立評判模型并進行矩陣分析計算[14–15]，得到最優(yōu)方案和各因素影響指標(biāo)的主次順序。建立三層結(jié)構(gòu)模型：第1 層為試驗考察指標(biāo)層；第2 層為因素層；第3 層為水平層。以花粉有效分布面積比率y1越大越好，花粉平均分布密度y2越大越好，花粉分布不均勻度y3越小越好為評價原則，進行綜合分析計算和參數(shù)優(yōu)化。

根據(jù)正交試驗的極差分析結(jié)果，用Matlab 軟件進行矩陣運算，求得各因素4 水平的權(quán)值如表11所示。

表11 試驗因素的權(quán)值 Table 11 Weight of test factors

通過矩陣方法的分析計算，噴氣管道放置相對位置中A1的權(quán)重最大，氣流速度中B3的權(quán)重最大，氣流作用角度中C1的權(quán)重最大，噴孔直徑中D2的權(quán)重最大，噴孔中心距中E4的權(quán)重最大；5個因素對試驗指標(biāo)值影響的主次順序為氣流速度、噴氣管道放置相對位置、噴孔中心距、氣流作用角度、噴孔直徑。正交試驗的最優(yōu)方案為A1B3C1D2E4，即在噴氣管道放置相對位置高于碰桿10 cm，氣流速度6 m/s，氣流作用角度傾斜向上20°，噴孔直徑8 mm，噴孔中心距25 mm 時綜合試驗效果最好。

2.6 組合式授粉與單一授粉方式的對比分析

對比單一授粉方式時花粉分布效果的研究結(jié)果[9–10]，其最大的有效分布面積比率y1分別為58%、61.25%，最小的花粉分布不均勻度y3分別為7.4、10.26 。由表3 數(shù)據(jù)可得，組合式授粉正交試驗的最大花粉有效作用面積比率y1＝70.8%> 61.25%(碰撞授粉)>58%(氣力授粉)，16 種處理組合中有4個處理組合的y1大于58%，占組合數(shù)的25%。組合式授粉正交試驗的最小花粉不均勻度y3＝0.14<7.4(氣力授粉)<10.26(碰撞授粉)，16 種處理組合中有8個處理組合的y3小于7.4，占組合數(shù)的50%，因此，組合授粉相比單一的氣力授粉和碰撞授粉，花粉分布有效分布面積率y1明顯提高，花粉分布不均勻度y3顯著下降。

3 結(jié)論與討論

花粉水平分布數(shù)據(jù)的方差分析表明：噴氣管道放置相對位置、噴孔中心距、氣流速度對花粉有效分布面積比率的影響顯著；氣流速度、噴氣管道放置相對位置對花粉平均分布密度的影響極顯著；氣流速度對花粉分布不均勻度的影響極顯著。

通過三層多指標(biāo)評判模型矩陣分析表明：5個因素對指標(biāo)值影響的主次順序為氣流速度、噴氣管道設(shè)置位置、噴孔中心距、氣流作用角度、噴孔直徑。正交試驗的最優(yōu)方案為A1B3C1D2E4，即氣流速度6 m/s，噴氣管道放置相對位置高于碰桿10 cm，噴孔中心距25 mm，氣流作用角度傾斜向上20°，噴孔直徑8 mm。

組合授粉相比單一的氣力授粉或碰撞授粉，花粉分布有效分布面積率明顯提高，花粉分布不均勻度顯著下降。

[1] 胡建平．淺析雜交水稻制種的產(chǎn)量構(gòu)成與高產(chǎn)制種技術(shù)[J]．種子，2010，29(12)：119–121．

[2] 張紹安，余保生，謝保忠．雜交水稻制種高產(chǎn)的影響因素與對策[J]．現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2010 (24)：86–89．

[3] 吳輝，熊朝，劉愛民，等．雜交水稻機械化制種輔助授粉技術(shù)研究現(xiàn)狀與設(shè)想[J]．作物研究，2014，28(3)：321–323．

[4] 汪沛，胡煉，周志艷，等．無人油動力直升機用于水稻制種輔助授粉的田間風(fēng)場測量[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2013，29(3)：54–61．

[5] 李繼宇，周志艷，胡煉，等．單旋翼電動無人直升機輔助授粉作業(yè)參數(shù)優(yōu)選[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2014，30(10)：10–17．

[6] 李繼宇，周志艷，胡煉，等．圓形多軸多旋翼電動無人直升機輔助授粉作業(yè)參數(shù)優(yōu)選[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2014，30(11)：1–11．

[7] 丁素明，薛新宇，蔡晨，等．手持式風(fēng)送授粉機研制與試驗[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2014，30(13)：20–27．

[8] 王慧敏，湯楚宙，李中秋，等．雜交水稻制種氣力授粉的參 數(shù)試驗及優(yōu)化 [J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2012，28(S2)：101–106．

[9] 王慧敏．雜交水稻制種氣力式授粉機理的試驗研究[D]．長沙：湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)，2012．

[10] 黃震．雜交水稻制種碰撞式授粉機理研究[D]．長沙：湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)，2013．

[11] 易著虎，吳升高，肖層林，等．雜交水稻父本制種特性研究進展[J]．湖南農(nóng)業(yè)科學(xué)，2009(7)：17–19，21．

[12] 張彬，芮雯奕，鄭建初，等．水稻開花期花粉活力和結(jié)實率對高溫的響應(yīng)特征[J]．作物學(xué)報，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，薛冰軍，趙強．基于正交試驗設(shè)計的多指標(biāo)優(yōu)化方案研究[J]．河北工程大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2010，27(3)：75–99．

[15] 周玉珠．正交試驗設(shè)計的矩陣分析方法[J]．?dāng)?shù)學(xué)的實踐與認(rèn)識，2009，39(2)：202–207．