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. 浙江省農業機械研究院，浙江金華，321017； 2. 浙江省農業科學院，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%；稻谷總產占全省糧食作物總產的80%左右。有別于常規稻，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。

隨著國內土地流轉率的進一步提升，農業規模化生產成為一種趨勢，同時浙江省開展糧食生產功能區“非糧化”整治的情況下，迫切需要規模化、機械化。提高大田作物生產全程機械化水平是保障國家糧食安全、增強中國農業綜合生產能力、增加農業收入和推進農業現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節還存在較大技術障礙，其主要難點之一就是授粉。在授粉環節，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、成本高的產業。隨著農村經濟的進一步發展，制種過程中雇工難、勞動成本高的問題日益顯現[3]。其制種的機械化對促進雜交水稻生產的發展、提高水稻質量和產量起著先導作用，因此亟需實現秈粳雜交水稻制種機械化作業[4-5]。

1 農用無人機研究現狀

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。無人機按照應用領域分為農業無人機、災難救援無人機、電力巡查無人機等。通過農用無人機作業，能夠有效應對農業發展中各類地形限制，比如山區、丘陵和坡地等，同時不會受到農作物自身高度等要素的影響，能夠有效解決部分偏遠地區大型農業機械無法作業等問題。

1.1 國外研究情況

在農業航空領域，由于地理環境特點，小型無人機航空植保在亞洲地區發展迅速。日本是最早將無人駕駛直升機施藥技術運用于農業生產的國家，也是當今世界上該技術發展最成熟的國家之一。與其他發達國家相比，日本農業經營規模相對較小，常規的大型地面施藥技術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]。日本在農業航空領域經歷了有人直升機空中農藥、化肥噴施和飛機播種到無人直升機空中作業的快速發展階段，以雅馬哈發動機有限責任公司研發并投入使用的植保無人直升機最為著名[7]。2015年以來，日本企業開始從單旋翼無人機的基礎上陸續推出四旋翼、六旋翼、八旋翼等多旋翼植保無人機[6]。

1.2 國內研究情況

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

但農用無人機的應用與研究主要集中在植保環節，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，可實現水稻的輔助授粉。2012—2015年由袁隆平農業高科技股份有限公司牽頭開展單旋翼農用無人機輔助授粉技術研究。配套父母本大行比種植方式的農用無人機輔助授粉制種產量達到了3 t/hm2，與父母本小行比種植方式人工輔助授粉制種的產量相當[14]。

小型農用無人機的優勢在于：便于飛行路線部署，特別是適用于在小地塊、復雜地形等人工或地面作業機具難以作業的情況。而多旋翼無人機與單旋翼無人直升機相比，其結構有很大差異[15-17]，多個旋翼一般采用圓形對稱結構布局，飛行中所產生的氣流是多個旋翼共同作用的結果[18]。對于多旋翼無人機，旋翼的數量越多，平衡作用效果越好，飛行穩定性也越好；震動小；成本低；結構簡單，易維護；自動化程度高，容易操控，對操控員要求較低；場地適應能力好，輕便靈活。由于以上多方面的顯著優勢，預計未來幾年，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，連續作業時間為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 考查內容與方法

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

(a) 無人機輔助授粉

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

由前期研究表明旋翼無人機授粉作業參數中的飛行速度主要影響風場寬度，當飛行速度增大時產生垂直風場變小。旋翼的轉速越大，風場寬度越大，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計性能的限制，例如承載重量等，且受到大環境風向風速的影響。結合試驗的場地、當時的風向風速等因素，將無人機的飛行速度設置為4 m/s。而當旋翼與雜交水稻距離超過一定距離時，旋翼氣場變得復雜，距離過近容易傷到水稻，為了保持無人機的穩定低空飛行，確保花粉像粉塵一樣卷起，保證授粉效果。將此試驗飛行高度設置為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方。但并不是無限長，當達到一定峰值后就逐漸下降。因此應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，母本區內距離父本50 cm設置第一個觀測點，之后每隔50 cm設置一個觀測點，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，并計數正常染色花粉粒數，以及計算每個觀測點的平均正常染色花粉粒數。

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

2.2.2 母本異交結實率考查

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

2.2.3 測產

母本收割前1天，在父母本每個行比試驗區內取3點作為3次重復，每點實收面積為1 m×廂寬的母本，脫粒干燥并風選，并按照母本占地比例，測算制種產量。

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，自然風速在1～2級。一天中花粉源強是不斷變化，趨勢呈現單峰型。相關文獻研究表明，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。

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的花粉數量。如圖3所示，可清晰地看到與底色不同的圓形物質，此為試驗觀測的被染色花粉。通過分類識別與統計，記錄下各區域內捕獲的花粉數。由于在采樣過程中存在壓板手勢等原因，載玻片呈現出了水漬，但總體不影響花粉粒數的統計。

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

從采樣點花粉統計看，無人機授粉和人工拉繩授粉作用下花粉數平均數差不多。同時試驗發現，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越多(東側的觀測點是離父本最近的50 cm母本授粉觀測點)，即在父本區花粉數處于高峰，隨后花粉量迅速下降。根據“有效源強”的相關理論，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，大氣層結只影響風和湍流的大小，并不影響風的輪廓形式，花粉主要受風的影響，隨著風向進行擴散，花粉沉降量會呈現如圖4所示的單峰型。此趨勢也與本試驗數據結果近似。

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，僅為東部數量的一半；無人機輔助授粉時花粉東部和中部花粉數相當，西部較少為平均值以下。可見較人工拉繩，無人機輔助授粉的情況下該規律相對不明顯，花粉分布更均勻，擴散的面積更大。如圖5所示，不同采樣區花粉的分布影響呈非對稱性，無人機飛行過程中風力作用較大，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，受到旋翼風脫離花藥，隨著氣流擴散到更遠的區域。

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計Tab. 1 Pollen counts were performed at sampling sites under two assisted pollination methods

圖5 農用無人機輔助授粉不同采樣區花粉數分布Fig. 5 Distribution of pollen counts in different sampling areas assisted by agricultural UAV pollination

3.2 母本異交結實率考查

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

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

表2 在兩種輔助授粉方式下結實率統計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，可完成至少2 hm2以上的水稻的授粉作業。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個小時內進行輔助授粉，可完成0.67 hm2左右的水稻授粉作業。經過測算，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

通過田間試驗發現：(1)在采樣點花粉統計上，無人機輔助授粉和人工拉繩相比數量上差異不大，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實率有差異，但平均結實率相當，均為27%以上。(3)在產量測算上，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、用時與成本上，無人機比人工輔助授粉更有優勢。

4 結論

由于秈粳雜交稻表現出超強的高產潛力水平和優良的植株形態，抗逆性強，因而是未來雜交水稻發展的主要方向。但秈粳雜交稻的制種是一項費工費時、勞動強度大、成本高的產業，提高機械化水平是產業振興的唯一出路。而實現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節。

依靠無人機輔助授粉能減輕對大氣環境的影響，通過田間花粉密度觀測、母本結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)、母本異交結實率(27%以上)、最終的產量(7.135 kg/hm2左右)上數值差異不大，授粉效果相當，但前者節約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境等困難。利用現有多旋翼農用植保空載無人機實現雜交水稻制種輔助授粉，無需任何改制，續航時間比載重農藥時提高30 min，且授粉效率也提高15%以上。

隨著小型無人機在農業上的迅猛發展，通過無人機作業，能夠有效應對農業發展中各類地形限制，比如山區、丘陵和坡地等，不會受到農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不便于人工拉繩授粉等問題，同時可以代替在高溫下作業的人工授粉，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。