雜交水稻機械化制種輔助授粉技術研究現狀與設想

吳輝，熊朝，劉愛民2*，肖層林，唐啟源

（1湖南農業大學農學院，長沙410128；2湖南隆平種業有限公司，長沙410006）

雜交水稻機械化制種輔助授粉技術研究現狀與設想

吳輝1，熊朝1，劉愛民2*，肖層林1，唐啟源1

（1湖南農業大學農學院，長沙410128；2湖南隆平種業有限公司，長沙410006）

介紹了國內外雜交水稻制種輔助授粉技術和機械化授粉技術研究現狀，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。結合我國航空植保無人直升機發展現狀，提出了利用小型農用無人直升機輔助制種授粉實現全程機械化制種的設想和研究思路。

雜交水稻；機械化制種；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，我國更高達60%以上。據研究分析，2030年我國人口可能增至16億，屆時糧食需求總量將達7.4億t［1］。據聯合國糧農組織預測，世界人口在2050年將上升至91億人，全球糧食產出需增長70%才有可能滿足迅速增長的人口需求［2］。由此可見水稻生產作為主要糧食來源不僅關系到我國糧食安全而且直接影響到世界糧食安全。水稻是一種適應性廣的高產作物，而雜交水稻更是一項先進的糧食增產技術。2000年、2004年、2011年我國相繼實現了超級稻第一期畝產700 kg、第二期800 kg、第三期900 kg的目標，由此可見雜交水稻在糧食增產中的絕對優勢，雜交水稻的推廣應用將是解決世界糧食危機的最有效途徑。而目前雜交水稻制種仍采用勞力密集型的生產技術，機械化程度低，已不適應社會和現代農業發展的需求，如何實現雜交水稻制種全程機械化將成為近期水稻產業中最重要的技術突破。

1 雜交水稻制種輔助授粉技術現狀

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實。母本異交結實率的高低決定制種產量的高低，而母本異交結實率的高低取決于父本可提供的有效花粉數量。因水稻花粉靠風傳播，飄散距離小，且自然風力又不穩定，所以雜交水稻制種需要人工輔助授粉。水稻的花期約10 d，且日開花時間短，約在每天10：00～12：00開花，晴好天氣時一般每天授粉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時間緊、勞動強度大的工作。目前在我國及東南亞國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，在美國采用有人駕駛的小型直升機輔助授粉的方法。

1.1 人工輔助授粉方法及父母本配套種植方式［3］

中國的雜交水稻制種技術是建立在20世紀70年代中后期的人工作業的勞力密集型技術。在制種實踐過程中，各地根據實際和習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。此法是制種上應用最多、效率較高的輔助授粉方法。授（趕）粉時需2人使用一條50 m左右的長繩同時作業，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繩索，繩索滑動父本，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父本授粉法和單桿推震父本授粉法。單桿掃動授粉法是作業者手持4～6 m長桿的一端，在父母本行間行走，將授粉桿左右掃動父本穗層，使父本花粉散出并傳播到母本廂實現授粉。單桿推震父本授粉法是作業者手握8～10 m長桿中部，與父本行垂直方向行走，將長桿置父本中上部，推震父本2次，使父本花粉向母本廂散播完成授粉。此2種方法每個作業者每天可授粉面積在0.2～0.3 hm2，作業效率較低。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，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、充分散出且較均勻，但作業效率低，每個作業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。試驗研究和實踐結果表明，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，難以實現對父本的機械化種植和機械化分收，成為實現雜交水稻全程機械化制種的技術瓶頸。

1.2 美國雜交水稻全程機械化制種的授粉方法及父母本配套種植方式

作為高度工業化、城市化的美國從事農業生產人口只占3%，而每個農場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械化［4］。美國圓環種子公司（Rice Tec前身）在1980年代從中國引進雜交水稻技術后，開始研究探索雜交水稻機械化制種技術［5］。歷經15年的試驗研究，通過采用小型有人駕駛直升飛機進行輔助授粉，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，利用旋翼高速轉動產生的風力將父本花粉傳播到母本完成授粉作業［6］。同時因父本廂寬度達200～240 cm，母本廂達到900～1 200 cm，父本和母本能機械化種植和收割，從而實現了制種從田塊機械干耕干整、父母本分開機械旱直播、農用飛機噴施農藥和赤霉素、小型直升機輔助授粉、機械分收父本和母本、種子干燥再配套化學除草等的雜交水稻制種全程機械化。

2 中國雜交水稻制種機械輔助授粉技術的研究探索

我國20世紀90年代就開始了雜交水稻制種授粉機械設備和技術的研究［7～9］，主要有機械采粉集中授粉法、授粉風機及授粉裝置、背負式授粉機等，但大多停留在理論或專利階段，經田間試驗均難以應用。目前生產上尚沒有一種能大面積應用的授粉機械及配套授粉技術。為此中國水稻育種家們又提出了父母本混植法的機械化制種技術。其要點是通過選育在穎殼顏色或胚乳熒光顏色、谷粒大小、對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，混收種子再經特定的色選、篩選設備、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，但如何進行輔助授粉，尚沒有報道。

2.1 機械采粉集中噴粉的授粉法

1982年，湖南師范大學生物系開始進行水稻花粉貯存研究，并衍生出了機械采粉集中噴粉的輔助授粉技術。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、花時不遇的問題，但花粉低溫貯藏易喪失活力且萌發率較低，難以實際應用。

2.2 輔助授粉風機

風機輔助授粉制種的父母本種植方式與傳統人工輔助授粉的父、母本種植方式一樣。1995年，湖北農學院研究發明了一種主要由風機、導粉膜、固膜板、卷膜筒、撼粉繩、授粉管和手柄組成的授粉器，后經改進，2002年成功研制了“雜交水稻制種授粉機”，授粉管長20 m，機組操作人員2人，作業人員可攜帶授粉機在制種田間行走完成授粉作業［10］。2011年湖南農業大學湯楚宙等發明了一種背負式風機的授粉機械，經試驗，授粉效果好。但作業人員背負風機在田間行走困難，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 微型農用無人直升機輔助授粉的設想

我國農用航空植保技術應用始于1951年［11］，但發展很慢，幾乎沒有在水稻植保上應用。近年來，隨著我國農業機械化技術的快速發展，利用微型或小型遙控操作的無人直升機進行農用航空植保技術的研究和應用發展迅猛，目前已研制有多種機型的無人直升機進行田間植保作業的示范應用。農用無人直升機按動力分有電池動力和燃油動力兩種，按旋翼分有單軸、八軸、十八軸、二十四軸等，按負荷分有3 kg級、5 kg級、10 kg級、15 kg，現有研發30 kg級的，一些小型的無人直升機可負載100 kg。

我國南方雜交水稻制種生態優勢基地多分布在丘陵和山區，基地田塊小，地勢多不平坦，而即使在平原湖區的制種基地，也有防風林帶所限制，因此美國的雜交水稻全程機械化制種技術難以在中國制種基地直接應用。但借鑒美國的直升機輔助授粉方法，利用目前中國所研發的農用航空無人直升機用于雜交水稻制種輔助授粉，同時改變父母本現有種植模式，大幅擴大父母本種植行比和寬度，達到父母本均能進行機械種植和收割，從而可實現雜交水稻全程機械化制種。

微型農用無人直升機飛行作業相對比較安全，具有以下優勢［12～14］：（1）地形適應性好，對于復雜的田間環境具有更好的適應性，適合我國制種基地；（2）無需專用起降場地，低空作業，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用無人直升機用于雜交水稻機械化制種輔助授粉技術的研究。主要可從以下四個方面開展：

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

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

（3）適宜以農用無人直升機輔助授粉的機械化制種親本選育研究。

（4）適宜不同農用無人直升機輔助授粉父母本群體構成及機械化種植技術研究。

根據以上實驗研究結果形成不同農用無人直升機輔助雜交水稻制種授粉的新技術。

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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，Email：lam＠lpht.com.cn。

國家科技支撐課題（2014BAD06B07）。