多旋翼無人機輔助秈粳雜交稻制種授粉研究*

翁曉星，徐錦大，趙晉，黃赟，邊曉東，王建軍

(1. 浙江省農(nóng)業(yè)機械研究院，浙江金華，321017； 2. 浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，杭州市，310021)

0 引言

目前，水稻是浙江省種植面積最廣，最主要的糧食作物。2017年全省種植面積828.83 khm2，占糧食作物總面積的64.7%；稻谷總產(chǎn)占全省糧食作物總產(chǎn)的80%左右。有別于常規(guī)稻，雜交稻(Hybrid rice)品種約153.33 khm2，其約占稻品種總面積的55%。在雜交稻品種中，秈粳雜交稻(Indica-japonia hybrid rice)品種面積約366.66 khm2，占雜交稻種植面積的80%，占水稻總面積的45%，可見，秈粳雜交稻品種已成為我省的主要水稻種植品種類型。

隨著國內(nèi)土地流轉(zhuǎn)率的進一步提升，農(nóng)業(yè)規(guī)?；a(chǎn)成為一種趨勢，同時浙江省開展糧食生產(chǎn)功能區(qū)“非糧化”整治的情況下，迫切需要規(guī)?；C械化。提高大田作物生產(chǎn)全程機械化水平是保障國家糧食安全、增強中國農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)能力、增加農(nóng)業(yè)收入和推進農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要措施之一[1-2]。浙江省的水稻機械化率在80%以上，但在秈粳雜交稻在制種環(huán)節(jié)還存在較大技術(shù)障礙，其主要難點之一就是授粉。在授粉環(huán)節(jié)，以前常用的兩種方法為拉繩輔助授粉和竹竿輔助趕粉(單竿振動、單竿推壓、雙竿推壓)。雖然竹竿輔助授粉效果較好，但拉繩授粉在效率上比竹竿趕粉高，目前普遍采用拉繩授粉。以上兩種方式均需人工完成。因此現(xiàn)如今雜交水稻制種依舊依靠大量的人工，是一項費工費時、勞動強度大、成本高的產(chǎn)業(yè)。隨著農(nóng)村經(jīng)濟的進一步發(fā)展，制種過程中雇工難、勞動成本高的問題日益顯現(xiàn)[3]。其制種的機械化對促進雜交水稻生產(chǎn)的發(fā)展、提高水稻質(zhì)量和產(chǎn)量起著先導(dǎo)作用，因此亟需實現(xiàn)秈粳雜交水稻制種機械化作業(yè)[4-5]。

1 農(nóng)用無人機研究現(xiàn)狀

無人機(Unmanned aerial vehicle，UAV)是一種無人駕駛的遠程控制的飛行器，利用無線電遙控裝置和自備的程序控制裝置完成各種指定任務(wù)。無人機按照應(yīng)用領(lǐng)域分為農(nóng)業(yè)無人機、災(zāi)難救援無人機、電力巡查無人機等。通過農(nóng)用無人機作業(yè)，能夠有效應(yīng)對農(nóng)業(yè)發(fā)展中各類地形限制，比如山區(qū)、丘陵和坡地等，同時不會受到農(nóng)作物自身高度等要素的影響，能夠有效解決部分偏遠地區(qū)大型農(nóng)業(yè)機械無法作業(yè)等問題。

1.1 國外研究情況

在農(nóng)業(yè)航空領(lǐng)域，由于地理環(huán)境特點，小型無人機航空植保在亞洲地區(qū)發(fā)展迅速。日本是最早將無人駕駛直升機施藥技術(shù)運用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的國家，也是當今世界上該技術(shù)發(fā)展最成熟的國家之一。與其他發(fā)達國家相比，日本農(nóng)業(yè)經(jīng)營規(guī)模相對較小，常規(guī)的大型地面施藥技術(shù)裝備無法滿足實際要求。在無機可用的狀況下，日本引入航空無人直升機[6]。日本在農(nóng)業(yè)航空領(lǐng)域經(jīng)歷了有人直升機空中農(nóng)藥、化肥噴施和飛機播種到無人直升機空中作業(yè)的快速發(fā)展階段，以雅馬哈發(fā)動機有限責(zé)任公司研發(fā)并投入使用的植保無人直升機最為著名[7]。2015年以來，日本企業(yè)開始從單旋翼無人機的基礎(chǔ)上陸續(xù)推出四旋翼、六旋翼、八旋翼等多旋翼植保無人機[6]。

1.2 國內(nèi)研究情況

中國在農(nóng)林應(yīng)用上的飛機主要是以固定翼和直升飛機為主，農(nóng)用無人機的研究和應(yīng)用是在近幾年才開始的[8]。我國植保無人機的應(yīng)用推廣起步于2012年。無人機植保技術(shù)[9]，與傳統(tǒng)的人工施藥和地面機械施藥方法相比，響應(yīng)快，具有作業(yè)效率高、成本低、農(nóng)藥利用率高的特點[10-13]。旋翼植保無人機在水田、高稈作物間進行植保、農(nóng)作物信息采集以及預(yù)防治理爆發(fā)性病蟲害等方面已經(jīng)表現(xiàn)出突出的優(yōu)勢，近年來已經(jīng)逐步在水稻、小麥、玉米、棉花等大田作物上展開應(yīng)用，但與農(nóng)業(yè)航空發(fā)達國家相比差距較大。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前全國植保無人機裝機量達到2.5萬架。

但農(nóng)用無人機的應(yīng)用與研究主要集中在植保環(huán)節(jié)，雜交水稻制種輔助授粉機械化方面的研究比較少。由于無人機具有飛行自由，可全方位穿梭自如的特點，可實現(xiàn)水稻的輔助授粉。2012—2015年由袁隆平農(nóng)業(yè)高科技股份有限公司牽頭開展單旋翼農(nóng)用無人機輔助授粉技術(shù)研究。配套父母本大行比種植方式的農(nóng)用無人機輔助授粉制種產(chǎn)量達到了3 t/hm2，與父母本小行比種植方式人工輔助授粉制種的產(chǎn)量相當[14]。

小型農(nóng)用無人機的優(yōu)勢在于：便于飛行路線部署，特別是適用于在小地塊、復(fù)雜地形等人工或地面作業(yè)機具難以作業(yè)的情況。而多旋翼無人機與單旋翼無人直升機相比，其結(jié)構(gòu)有很大差異[15-17]，多個旋翼一般采用圓形對稱結(jié)構(gòu)布局，飛行中所產(chǎn)生的氣流是多個旋翼共同作用的結(jié)果[18]。對于多旋翼無人機，旋翼的數(shù)量越多，平衡作用效果越好，飛行穩(wěn)定性也越好；震動??；成本低；結(jié)構(gòu)簡單，易維護；自動化程度高，容易操控，對操控員要求較低；場地適應(yīng)能力好，輕便靈活。由于以上多方面的顯著優(yōu)勢，預(yù)計未來幾年，我國植保無人機仍將以多旋翼植保無人機為主。本文試驗選用多旋翼農(nóng)用無人植保機(以四旋翼為例)，與拉繩授粉方式進行輔助雜交水稻制種授粉效果對比試驗。

2 試驗設(shè)計

2.1 試驗對象與場地選擇

本文選用四旋翼植保無人機為例，該機型號為3WD4-10，質(zhì)量為12.3 kg，旋翼直徑736.6 mm，有效栽藥量10 L，最大起飛重量26 kg，連續(xù)作業(yè)時間為6 min。

2020年在浙江省海寧試驗田進行試驗。對于雜交水稻制種，父母本一般能采用1∶(8～10)或2∶(10～12)的小行比相間種植，父母本間距25 cm。

2.2 考查內(nèi)容與方法

雜交水稻制種完全依賴父母本異花授粉來實現(xiàn)產(chǎn)量，而母本異交結(jié)實率的高低，取決于父本花粉散落到母本的情況。通過農(nóng)用無人機和人工拉繩輔助授粉進行對比試驗。在父母本行比為1∶8的試驗區(qū)內(nèi)，選取父母本生長正常、花期相遇較好狀況的區(qū)段作為觀測區(qū)，用于授粉后花粉密度觀測和母本結(jié)實率考查。本試驗選用的四旋翼植保無人機，該型號可通過地面遙控，實現(xiàn)低高度作業(yè)，漂移少，可空中懸停。圖1為面積相等的兩個觀測區(qū)(農(nóng)用無人機輔助授粉區(qū)和人工拉繩區(qū))。

(a) 無人機輔助授粉

(b) 人工拉繩授粉 圖1 現(xiàn)場授粉試驗Fig. 1 Field pollination test

由前期研究表明旋翼無人機授粉作業(yè)參數(shù)中的飛行速度主要影響風(fēng)場寬度，當飛行速度增大時產(chǎn)生垂直風(fēng)場變小。旋翼的轉(zhuǎn)速越大，風(fēng)場寬度越大，散粉的效率也越高，更能達到授粉的效果。但實際飛行時速度不可能無限增大，其不僅受到無人機自身設(shè)計性能的限制，例如承載重量等，且受到大環(huán)境風(fēng)向風(fēng)速的影響。結(jié)合試驗的場地、當時的風(fēng)向風(fēng)速等因素，將無人機的飛行速度設(shè)置為4 m/s。而當旋翼與雜交水稻距離超過一定距離時，旋翼氣場變得復(fù)雜，距離過近容易傷到水稻，為了保持無人機的穩(wěn)定低空飛行，確?；ǚ巯穹蹓m一樣卷起，保證授粉效果。將此試驗飛行高度設(shè)置為2 m。

除了考慮水稻生長狀況外，試驗田的選擇還需考慮田塊的面積。相關(guān)文獻研究表明，由于田塊寬度對花粉擴散率影響不大，主要受到田塊長度的影響，田塊長度越大，越多的雜交稻花粉擴散到下風(fēng)方。但并不是無限長，當達到一定峰值后就逐漸下降。因此應(yīng)選擇合適長度的試驗田，在本次試驗的稻田長度為300 m，寬為60 m。

2.2.1 田間花粉密度觀測

在行間距為25 cm的秈粳雜交稻田中，母本區(qū)內(nèi)距離父本50 cm設(shè)置第一個觀測點，之后每隔50 cm設(shè)置一個觀測點，縱向等間距取三行，母本共計9個觀測點，同時也在父本縱向設(shè)置等間距3個觀測點(圖2)，從左至右將觀測點標記“東”“中”和“西”。每個觀測點立一個樣本采集樁，父本盛花期觀測2次。無人機飛行授粉和拉繩輔助授粉前在每個樁頂端用雙面膠粘1塊涂有凡士林的載玻片(Pollen trap，捕捉花粉載體)。無人機授粉或拉繩輔助授粉后將相應(yīng)的回載玻片取回，利用2%碘-碘化鉀溶液染色，在100倍顯微鏡下觀察授粉分布情況，并計數(shù)正常染色花粉粒數(shù)，以及計算每個觀測點的平均正常染色花粉粒數(shù)。

圖2 試驗田采樣點設(shè)置示意圖Fig. 2 Schematic diagram of sampling point setting in test field

2.2.2 母本異交結(jié)實率考查

母本成熟收割前2天，在試驗田的母本廂內(nèi)每個花粉密度測定點選取異交結(jié)實率好的母本穗，考查異交結(jié)實潛力；同時在每個觀測點連續(xù)取3穴，考查母本群體異交結(jié)實率，并調(diào)查單位面積母本有效穗數(shù)。

2.2.3 測產(chǎn)

母本收割前1天，在父母本每個行比試驗區(qū)內(nèi)取3點作為3次重復(fù)，每點實收面積為1 m×廂寬的母本，脫粒干燥并風(fēng)選，并按照母本占地比例，測算制種產(chǎn)量。

3 田間試驗

3.1 田間花粉密度觀測

授粉期為8月底至9月初，天氣較好，自然風(fēng)速在1～2級。一天中花粉源強是不斷變化，趨勢呈現(xiàn)單峰型。相關(guān)文獻研究表明，上午7:00～9:30水稻開花量較小，此時花粉源強不足總量的10%；隨著光照增強，花粉量突增；10:30～12:00是花粉源強最大的時間段，占整日總量的30%～56%；達到最大值之后，父本的花粉源強開始隨時間逐漸下降，12:30后開花過程基本結(jié)束，花粉源強只占總量0～2%。因此在試驗田父本盛花期前2天，采樣時間選在花粉源最強時段，即中午10:30～12:30，無人機輔助授粉每天需進行2～3次，每次授粉時間控制在30～40 min內(nèi)。

本研究花粉收集是利用自然重力沉降法，即采用涂有凡士林的載玻片捕捉水稻花粉，用花粉沉降量表示花粉濃度，此為沉降到載玻片單位面積內(nèi)的花粉數(shù)量。如圖3所示，可清晰地看到與底色不同的圓形物質(zhì)，此為試驗觀測的被染色花粉。通過分類識別與統(tǒng)計，記錄下各區(qū)域內(nèi)捕獲的花粉數(shù)。由于在采樣過程中存在壓板手勢等原因，載玻片呈現(xiàn)出了水漬，但總體不影響花粉粒數(shù)的統(tǒng)計。

圖3 100倍顯微鏡下載玻片的花粉呈現(xiàn)Fig. 3 Pollen present on the slide downloaded by 100x microscope

從采樣點花粉統(tǒng)計看，無人機授粉和人工拉繩授粉作用下花粉數(shù)平均數(shù)差不多。同時試驗發(fā)現(xiàn)，在父本觀測點收集的花粉均值在196，而參照圖2所示，采用人工拉繩授粉時越靠近父本花粉數(shù)越多(東側(cè)的觀測點是離父本最近的50 cm母本授粉觀測點)，即在父本區(qū)花粉數(shù)處于高峰，隨后花粉量迅速下降。根據(jù)“有效源強”的相關(guān)理論，父本水稻穎殼張開后，里面的花絲迅速伸長，花藥裂開，花粉便從花藥中釋放出來；在水稻近地層中，大氣層結(jié)只影響風(fēng)和湍流的大小，并不影響風(fēng)的輪廓形式，花粉主要受風(fēng)的影響，隨著風(fēng)向進行擴散，花粉沉降量會呈現(xiàn)如圖4所示的單峰型。此趨勢也與本試驗數(shù)據(jù)結(jié)果近似。

如表1所示，人工授粉主要集中在靠近父本的觀測點東部，中部和西部明顯減少，僅為東部數(shù)量的一半；無人機輔助授粉時花粉東部和中部花粉數(shù)相當，西部較少為平均值以下?？梢娸^人工拉繩，無人機輔助授粉的情況下該規(guī)律相對不明顯，花粉分布更均勻，擴散的面積更大。如圖5所示，不同采樣區(qū)花粉的分布影響呈非對稱性，無人機飛行過程中風(fēng)力作用較大，而秈粳雜交水稻種植株距不大，使得花粉克服與花藥的附著力，受到旋翼風(fēng)脫離花藥，隨著氣流擴散到更遠的區(qū)域。

圖4 雜交水稻花粉沉降示意圖Fig. 4 Schematic diagram of pollen deposition in hybrid rice

表1 在兩種輔助授粉方式下采樣點花粉統(tǒng)計Tab. 1 Pollen counts were performed at sampling sites under two assisted pollination methods

圖5 農(nóng)用無人機輔助授粉不同采樣區(qū)花粉數(shù)分布Fig. 5 Distribution of pollen counts in different sampling areas assisted by agricultural UAV pollination

3.2 母本異交結(jié)實率考查

母本成熟收割前，在母本廂內(nèi)每個花粉密度測定點選取20個異交結(jié)實率好的母本穗，考查異交結(jié)實潛力；同時在每個觀測點連續(xù)取3穴，考查母本群體異交結(jié)實率，并調(diào)查單位面積母本有效穗數(shù)。

表2顯示在兩種輔助授粉方式下各觀測點的結(jié)實率有差異，但總體上農(nóng)用無人機授粉的結(jié)實率與人工拉繩輔助授粉相當，結(jié)實率分別為27.01%與27.79%。將表1與表2進行比較，結(jié)實率分布與花粉密度分布存在一定差異。雖在結(jié)實率數(shù)值上也出現(xiàn)從東部、中部、西部依次減少的現(xiàn)象，但相較花粉分布，并沒有呈現(xiàn)明顯的“有效源強”特點，結(jié)實率與離父本距離和風(fēng)向的相關(guān)性不高。

表2 在兩種輔助授粉方式下結(jié)實率統(tǒng)計Tab. 2 Statistics of seed setting rate under two auxiliary pollination methods

3.3 效率對比

在用工時長上，需1人地面遙控完成無人機輔助授粉，飛行速度保持在4 m/s，每天中午10:30～12:30進行2～3次，每次授粉時間控制在30～40 min內(nèi)，可完成至少2 hm2以上的水稻的授粉作業(yè)。人工進行拉繩授粉，則需要2個人配合拉繩，沿田塊不停走動。同樣在一天中花粉源最強時段的2個小時內(nèi)進行輔助授粉，可完成0.67 hm2左右的水稻授粉作業(yè)。經(jīng)過測算，如表3所示，無人機輔助授粉效率是人工的10倍以上，成本上也可減少一半。

表3 在兩種輔助授粉方式下工作情況分析Tab. 3 Analysis of working conditions under two kinds of assisted pollination

通過田間試驗發(fā)現(xiàn)：(1)在采樣點花粉統(tǒng)計上，無人機輔助授粉和人工拉繩相比數(shù)量上差異不大，均在95個/視野左右。在花粉分布上兩者有差別，無人機輔助授粉有效地削弱了“有效源強”的作用，其花粉分布相較人工拉繩更均勻，擴散的面積更大。(2)在母本異交結(jié)實率考查上，無人機授粉與人工拉繩輔助授粉雖然在各觀測點的結(jié)實率有差異，但平均結(jié)實率相當，均為27%以上。(3)在產(chǎn)量測算上，兩塊試驗田均在7.135 kg/hm2左右，差異也不顯著。(4)在作業(yè)效率上，無人機輔助授粉效率是人工的10倍以上。在用工人數(shù)、用時與成本上，無人機比人工輔助授粉更有優(yōu)勢。

4 結(jié)論

由于秈粳雜交稻表現(xiàn)出超強的高產(chǎn)潛力水平和優(yōu)良的植株形態(tài)，抗逆性強，因而是未來雜交水稻發(fā)展的主要方向。但秈粳雜交稻的制種是一項費工費時、勞動強度大、成本高的產(chǎn)業(yè)，提高機械化水平是產(chǎn)業(yè)振興的唯一出路。而實現(xiàn)機械化制種主要難點之一就是授粉。人工授粉是雜交水稻制種中最辛苦的環(huán)節(jié)。

依靠無人機輔助授粉能減輕對大氣環(huán)境的影響，通過田間花粉密度觀測、母本結(jié)實率考察等授粉效果試驗表明無人機輔助授粉與人工拉繩相比，無論在花粉密度(95個/視野左右)、母本異交結(jié)實率(27%以上)、最終的產(chǎn)量(7.135 kg/hm2左右)上數(shù)值差異不大，授粉效果相當，但前者節(jié)約50%的人力成本，輔助授粉效率是人工的10倍以上，同時克服種植地形環(huán)境等困難。利用現(xiàn)有多旋翼農(nóng)用植保空載無人機實現(xiàn)雜交水稻制種輔助授粉，無需任何改制，續(xù)航時間比載重農(nóng)藥時提高30 min，且授粉效率也提高15%以上。

隨著小型無人機在農(nóng)業(yè)上的迅猛發(fā)展，通過無人機作業(yè)，能夠有效應(yīng)對農(nóng)業(yè)發(fā)展中各類地形限制，比如山區(qū)、丘陵和坡地等，不會受到農(nóng)作物自身高度及各類地形要素的影響，能夠有效解決部分偏遠地區(qū)不便于人工拉繩授粉等問題，同時可以代替在高溫下作業(yè)的人工授粉，勞動強度大幅降低，促進秈粳雜交水稻制種授粉機械化水平的提升。