杉木種子園無人機輔助授粉效果分析

王邦富，黃云鵬，范繁榮，李恩佳，葉代全，林峰銘，沈瓊桃

(1.福建三明林業學校，福建 三明 365001； 2.福建省洋口國有林場，福建 順昌 353200)

杉木(Cunninghamialanceolata(Lamb.) Hook.)因其花枝結構特殊，雌雄同株，雄花主要集中在樹冠的中下部，雌花主要集中在樹冠的中上部，在自然授粉條件下，主要依靠風力進行傳粉，但因重力作用的影響，授粉部位主要集中在雌花較少的樹冠中下部，而樹冠中上部的雌花授粉不足，座果率低，產量和質量受到較大影響[1-4]。傳統的杉木人工輔助授粉方法主要是采用花粉裝入紗布袋綁掛于竹竿頂端手工振動授粉(簡稱振粉法)[5]，或采用風力滅火機把樹冠下部的雄花粉吹到樹冠中上部授粉[1]；但振粉法和風力滅火機吹風授粉對樹體較高的杉木樹冠中上部雌花較多的花枝難以授粉，而且工作效率低，需要大量的人力，延長了授粉時間。據福建閩西、閩北地區杉木種子園授粉的歷年觀測記載，杉木授粉時期一般為每年2月中旬—3月上旬[2]，要求天氣晴朗。在天氣條件和授粉時間的雙重限制影響下，致使杉木種子園自然授粉和人工授粉很難達到預期的效果；因此，尋求一種杉木種子園高效授粉的方法一直是個尚未突破的難點。

近幾年來，國內無人機以其高效、安全、環保、節水、節藥、成本低等諸多優勢越來越多地應用于農林作業生產，起到良好的應用效果。經查閱相關研究，目前在農業生產中應用無人機開展了雜交水稻制種輔助授粉效果顯著[6-10]；在林業生產中，中國林科院亞林所應用無人機開展了山核桃、香榧無人機授粉技術攻關試驗，效果顯著[11]；應用無人機進行山地杉木種子園輔助授粉國內研究未見報道。為提高山地杉木種子園的授粉效率及種子產量，本試驗于2018年3月上旬，應用無人機在福建省洋口國有林場杉木第3代種子園開展輔助授粉試驗，取得較好效果，現予總結，旨在為無人機山地杉木種子園輔助授粉提供技術參考。

1 試驗地概況

選擇福建省洋口國有林場道坪工區的“國家級良種基地杉木第3代種子園”為無人機輔助授粉試驗地。杉木種子園位于順昌縣建西鎮際會村4林班2大班2小班，東經117°90′23″—29″、北緯26°84′72″—81″，坡向東南，平均坡度20°～25°，海拔165～224 m。種子園為2003年嫁接，嫁接植株生長、開花結實良好。試驗地面積3.3 hm2。

2 試驗方法

2.1 試驗設計

試驗所用花粉為洋口國有林場杉木第3代種子園內采集調制的當年新鮮雄花粉。于2018年3月9—10日，采用六軸旋翼無人機(型號SH-X6-10B)，平臺配備粉劑噴灑掛件、液體噴灑掛件。

①不同飛行高度授粉試驗：飛行高度分別為距樹梢4～6、6～8、8～10 m進行授粉效果比較；②不同飛行速度授粉試驗：飛行速度分別為2～3、3～4、4～5 m·s-1進行授粉效果比較；③不同授粉介質授粉試驗：采用滑石粉(800目)、面粉、清水，配比為花粉∶介質(重量)=1∶50進行授粉效果比較；④不同花粉∶介質(滑石粉)配比授粉試驗：花粉∶介質(滑石粉)配比分別為1∶50、1∶100、1∶200進行授粉效果比較；⑤不同授粉方法授粉試驗：采用無人機輔助授粉、人工輔助授粉(振粉法)、自然授粉(CK)進行授粉效果及作業效率比較。設置30 m×30 m的正方形樣地進行無人機輔助授粉試驗，人工輔助授粉(振粉法)、自然授粉(CK)分別在上坡、中坡、下坡隨機設置樣地。每個試驗處理重復授粉3次。

2.2 座果率調查與統計分析

于2018年4月上旬，對授粉樣地的杉木座果率進行調查。采用六軸旋翼無人機(機型KWT—X6M)，平臺配備高清變焦圖傳云臺吊艙/YT-PL-B30(野外型地面觀測站)，機身配備30倍變焦高清攝像頭進行近距離(2～3 m)拍攝雌球花授粉情況。采用抽樣調查方法，在不同試驗處理樣地的上、中、下部位各隨機抽取3株授粉杉木進行座果率調查，通過無人機把授粉杉木植株不同部位(上、中、下)不同方向枝條的雌球花分段拍攝成高清影像圖片，雌球花苞鱗完全閉合為授粉成功，在高清影像圖片上清點統計不同部位(上、中、下)不同方向枝條的苞鱗完全閉合與未閉合的雌球花數量，累加統計整株座果率，同一樣地內所有調查的授粉杉木座果率平均值為該樣地平均座果率。試驗數據分析比較采用dpsv 9.50版軟件進行統計分析和檢驗。

3 結果與分析

3.1 無人機飛行高度、飛行速度對杉木座果率的影響

經調查比較，距樹梢飛行高度以6～8 m飛行授粉的效果最好，杉木座果率達65.0%；距樹梢飛行高度4～6、8～10 m的授粉效果稍低，杉木座果率分別為59.3%、61.0%(表1)。飛行速度以2～3、3～4 m·s-1的授粉效果較好，杉木座果率分別達67.2%、65.4%；4～5 m·s-1飛行速度的授粉效果次之，杉木座果率為61.7%(表2)。無人機不同飛行高度、飛行速度授粉的杉木座果率經方差分析及顯著性檢驗，差異均達顯著水平(表6)。

3.2 授粉介質及花粉濃度對杉木座果率的影響

經調查比較，授粉介質與花粉在相同的配比濃度下，以滑石粉為介質的授粉效果最好，杉木座果率達66.0%；面粉、清水的授粉效果較低，杉木座果率分別為47.8%、38.2%(表3)；花粉與介質(滑石粉)配比濃度以1∶50的授粉效果較好，杉木座果率達66.1%；1∶100、1∶200配比的授粉效果較低，杉木座果率分別為53.2%、41.3%(表4)。不同授粉介質、花粉與介質配比濃度的杉木座果率經方差分析及顯著性檢驗，差異均達極顯著水平(表6)。

3.3 不同授粉方法對杉木座果率及作業效率的影響

經調查比較，授粉方法以無人機輔助授粉的效果最好，杉木座果率達65.7%；人工輔助授粉的效果次之，杉木座果率為45.0%；自然授粉的杉木座果率最低，為30.2%(表5)；經比較，無人機輔助授粉的山地作業效率是人工輔助授粉的33倍。無人機輔助授粉、人工輔助授粉、自然授粉的杉木座果率經方差分析及顯著性檢驗，差異達極顯著水平(表6)。

表1 杉木種子園授粉不同飛行高度的座果率

表2 杉木種子園授粉不同飛行速度的座果率

表3 杉木種子園授粉不同授粉介質的座果率

表4 杉木種子園授粉不同花粉∶介質(滑石粉)配比的座果率

表5 杉木種子園授粉不同授粉方法的座果率及作業效率

表6 杉木種子園授粉不同試驗處理的座果率指標方差分析及顯著性檢驗

*：F0.05(2，24)=3.40，F0.01(2，24)=5.61；*為差異顯著；**為差異極顯著。

4 結論與討論

1)無人機授粉飛行高度、飛行速度對杉木座果率具有顯著影響。經分析比較，無人機以距樹梢6～8 m高度飛行授粉的杉木座果率最高，達65.0%，飛行高度(距樹梢)4～6、8～10 m授粉的杉木座果率均有降低。主要原因：距樹梢4～6 m的飛行高度的花粉在樹冠層覆蓋面較窄小，花粉較集中于樹冠局部位置，不同方向樹冠層的花粉分布不均勻，降低了授粉效果；飛行高度8～10 m的花粉在樹冠層的覆蓋面雖然較寬，但由于飛行高度距樹梢較高，因空中自然風力的影響，致使部分花粉隨風飄移到授粉區域外，也降低了授粉效果；飛行高度6～8 m的花粉覆蓋面較寬，飛行高度適宜，受自然風力的影響較小，花粉在不同方向樹冠層灑落均勻，授粉效果較好。飛行速度以2～3、3～4 m·s-1的授粉效果較好，杉木座果率分別達67.2%、65.4%；4～5 m·s-1飛行速度授粉的杉木座果率稍低；飛行速度過快，飄移灑落在樹冠層的花粉量較少，降低授粉效果。

2)無人機授粉介質及花粉濃度對杉木座果率具有極顯著影響。經分析比較，授粉介質與花粉在相同的配比濃度下，以滑石粉為授粉介質的杉木座果率最高，達66.0%，面粉、清水的授粉效果均較低。主要原因：以面粉為介質進行無人機授粉時，因面粉比重較輕，在空中不易下沉灑落，致使大量花粉隨風飄移到授粉區域外，降低了授粉效果；清水比重大，無人機授粉時在空中迅速下沉，花粉在樹冠層覆蓋面較窄小，分布不均勻，降低了授粉效果；滑石粉的比重適中，無人機授粉時在空中的飄移灑落效果好，花粉在樹冠層覆蓋面大，分布均勻，授粉效果好。花粉與介質(滑石粉)配比濃度以1∶50的授粉效果較好，杉木座果率達66.1%；1∶100、1∶200的花粉配比濃度降低，杉木座果率也隨之降低。

3)授粉方法對杉木座果率具有極顯著影響。經分析比較，無人機輔助授粉的效果最好，杉木座果率達65.7%，比人工輔助授粉提高46.0%，比自然授粉提高117.5%。無人機輔助授粉的山地作業效率高，是人工輔助授粉的33倍。