气力式杂交水稻制种授粉机授粉管结构参数优化

针对当前杂交水稻制种对机械化授粉装备的迫切需求，设计了气力式杂交水稻制种授粉机。首先对其关键部件授粉管建立了计算流体力学模型，进一步以授粉管内径、气流出口长度与宽度为因素，以气流出口流速变异系数、气流覆盖高度为指标，利用Design Expert软件设计了三因素三水平的Box-Behnken仿真试验，最后对授粉管结构参数进行优化。结果表明：在授粉管内径为60～80 mm、气流出口长度为100～200 mm、气流出口宽度为4～10 mm的范围内，授粉管内径、气流出口宽度及授粉管内径与气流出口宽度的交互作用、气流出口长度与宽度的交互作用、气流出口宽度平方对气流出口流速变异系数影响极显著（P<0.01）；授粉管内径、气流出口长度与宽度及二者的交互作用、授粉管内径与宽度的交互作用对气流覆盖高度的影响极显著（P<0.01）。授粉管较佳结构为内径64.49 mm，气流出口长度、宽度分别为200.0、7.25 mm，此时出口气流速度变异系数为9.10%，气流覆盖高度187.57 mm。为便于加工，选用授粉管内径61.5 mm的标准不锈钢管，取气流出口长度、宽度分别为200、7.5 mm并进行验证试验，气流出口流速仿真值与实测值基本一致，实测流速变异系数为8.83%～9.25%，气流出口流速分布均匀。研究结果可为气力式杂交水稻制种授粉机参数优化提供理论参考。     

杂交水稻制种气力授粉的参数试验及优化

摘要：为研究各作用因素对杂交水稻制种气力授粉效果的影响,该文设计了气力授粉试验装置,应用二次正交旋转试验设计方法,研究气流速度、作用位置和作用角度对花粉有效分布面积比率、花粉平均分布密度以及花粉分布不均匀度的影响。通过Design-Expert8.05数据处理系统建立3个因素对各指标影响的回归方程,进一步优化,得到最佳授粉效果的参数组合为：气流速度21.98 m/s,作用位置为穗顶以下16.85 cm,作用角度为0。此时,花粉有效分布面积率为88.75%,单视野花粉平均密度为4.50粒,花粉分布不均匀度为19.53,授粉效果综合评价指数为最大值0.744。该结果为研究杂交水稻气力式授粉技术及研制气力式授粉装备提供理论依据。     

气流速度对杂交水稻制种授粉花粉分布的影响

气流速度(包括自然风速)对杂交水稻制种授粉过程中花粉分布情况的影响十分显著,直接关系到制种产量。为研究流速对授粉效果的影响,该文首先分析杂交水稻气力授粉的基本原理,通过试验验证气流速度对花粉分布的影响,从花粉的分散密度、水平分布、垂直分布3个方面进行评价。结果表明:花粉分布受气流影响显著,水平分布量、竖直分布量以及花粉总量都随流速的增大而增大;水平分布出现特有的双峰图像,且后峰随流速的增大远离花粉源;竖直分布随流速的增大向气流中心靠拢,说明花粉在一定速度的定向气流中能保持较好的直线传播。气流速度为20m/s时,水平花粉量较多,且竖直分布能满足作用范围内花粉的传播要求。该文为进一步研究气力授粉机械提供依据。     

涵道风扇式高地隙杂交水稻制种授粉机设计

为了寻求更高效、更可靠的辅助授粉方法,以利于实现杂交水稻制种的全程机械化,该文设计了一种涵道风扇式高地隙杂交水稻制种授粉机,采用计算流体力学技术对涵道风扇式授粉器的流场特性进行仿真研究与试验分析,并试制了样机,根据仿真试验得到的授粉器优选参数,进行了田间验证试验。试验结果表明,在授粉机行走速度为1.5 m/s及授粉器电机转速为9 000 rad/min条件下,单位视野内母本厢花粉采集点的花粉平均粒数为8.39粒(杂交水稻制种农艺上要求至少有3粒花粉),较好地满足了杂交水稻制种授粉对花粉数量的最低要求。安排了涵道风扇式高地隙杂交水稻制种授粉机赶粉与农用无人机赶粉的实际生产作业对比试验,测得2种授粉方式的结实率分别为44.2%、42.7%,两者作业效果相近,说明所设计的涵道风扇式高地隙杂交水稻制种授粉机能满足杂交水稻制种的实际生产需要。该研究为杂交水稻制种机械化提供了参考。     

杂交水稻穗层埋入式管道送风辅助授粉机设计与试验

高地隙杂交水稻制种授粉机在作业过程中,当泥底层高差变化过大时,两侧的授粉器上下颠簸导致授粉器风场脱离父本穗层最佳作用位置,甚至完全脱离父本穗层,从而导致局部区域出现授粉缺失。为解决上述问题,该研究设计了一种杂交水稻穗层埋入式管道送风辅助授粉机,从减轻授粉器质量和增加有效作用深度2个方面进行优化,对授粉器的分流器和授粉管进行分析,并对分流器的气流均布效果和授粉器的气流风场特性进行仿真试验。仿真结果表明:在工作区间内,分流器的气流均布效果与入口风量无关(P0.05),根据参数优化选出的分流器可使3支授粉管的入口总压平均变异系数仅为1.14%;授粉管的喷孔直径为12 mm时,授粉边界区域风场速度约为1.2 m/s,可保证花粉横向悬浮运送至整个母本区域。根据理论分析和仿真结果试制样机并进行试验,结果表明:授粉机行走速度为1.5 m/s,作业效率约14 hm~2/h,在通过200 mm地面高差时依然具有稳定的穗层风场保持能力,授粉管喷孔轴心气流平均速度为34.2 m/s的条件下,母本厢花粉采集点的载玻片单位视野内平均粒数为8.35粒(杂交水稻制种农艺上要求至少有3粒花粉),其中平均花粉粒数多于3粒的采集点数量占比为96.02%,基本解决了局部区域授粉缺失问题。该研究可为杂交水稻制种田间机械化授粉提供参考。     

气流作用位置对杂交水稻制种气力式授粉花粉分布的影响

摘要：为研究气流作用位置对杂交水稻制种气力式授粉花粉分布效果的影响,分析了杂交水稻气力式授粉中花粉的两种运动情况,重点分析了气流作用下植株受力及气力作用层下层的花粉运动情况,对气流不同作用位置产生的弯曲变形进行了对比分析,从花粉的分散密度、水平分布、竖直分布三个方面评价气流作用位置对花粉分布的影响效果。结果表明：气流作用位置对花粉量、水平分布、竖直分布影响明显,气流中心作用在穗头中部位置（穗顶下100 mm/200 mm）时,能得到较大的花粉扩散量,花粉水平、竖直分布量明显增多,且有利于花粉沿气流方向的分布;作用位置主要影响传播花粉量以及花粉的分布,对花粉沿气流方向分布的距离影响较小。     

手持式风送授粉机研制与试验

针对中国果树授粉大多采用人工点授、蜜蜂授粉等作业方式,迫切需要机械授粉机具的现状,研制了手持式风送授粉机。该机采用可变速的直流电机驱动离心风机,依照流体力学射流原理,计算授粉出口风速并设计了离心风机,叶片型式采用径向直板叶片,叶轮型式为平前盘,叶轮直径38 mm,叶片数为6,叶片宽度为18 mm。通过室内试验和样机田间试验分别测试了风机性能特性和气流速度对花粉分布的影响及猕猴桃柱头处的花粉覆盖率,试验结果表明:风机转速在8 000 r/min时风量为3.0×10-3 m3/s,满足风送授粉作业要求,风机转速9 000 r/min时全压效率较高,达到43%;花粉分布受风速影响较大,花粉竖直分布量以及喷粉量与出口风速成正比,且水平分布、竖直分布峰值随着风速的增加而后移,竖直分布峰值在距出口一定距离内保持稳定,显示花粉在一定速度的定向气流中能保持较好的直线传播;随着出口风速的增加,柱头处花粉覆盖率提高,当出口风速达到19.5 m/s时,花朵柱头平均有57.66%的花粉覆盖率。研究结果可为进一步研究风送授粉机的结构设计和作业参数优化提供依据。     

气力式授粉喷气管道参数优化与试验验证

杂交水稻制种气力式辅助授粉时,花粉随气流场运动,喷气管道多个喷孔的气流场叠加,表征气流场特性的射流极角、出孔动压对花粉分布均匀性、传播距离起决定性作用,为探索射流极角、出孔动压与管道参数之间的影响关系,获得较理想的气力授粉管道参数组合。该研究首先分析喷气管道气流场的叠加原理,采用消防烟雾弹发出有色气体经喷气管道的喷孔喷射并拍摄气流场图片,选取喷管直径、喷管壁厚、喷孔直径三因素为影响因子,以射流极角、出孔动压为评价指标,进行三因素五水平的单因素和多因素正交试验,通过对试验结果进行极差分析、矩阵分析,获得各因素对气流场特性的影响规律,找出较理想的因素组合并进行验证试验。结果表明,喷孔直径对射流极角和出孔动压的影响显著,3个因素的影响顺序为喷孔直径、喷管直径、喷管壁厚,较优的因素组合为喷管直径63 mm、喷管壁厚5 mm、喷孔直径12 mm,此时的射流极角为13.38°,出孔动压为31.6 Pa。验证试验表明,优化的因素组合明显提高花粉分布均匀性,花粉分布不均匀度（方差）降为1.33,花粉能形成覆盖母本行呈正态分布特性的单峰分布,能够满足气力辅助授粉对授粉管道的作业要求,研究结果为气力式授粉喷气管道的设计提供参考。     

杂交水稻制种机械授粉研究现状及发展对策

制种是杂交水稻生产过程的重要组成部分,授粉是制种的关键环节,对杂交水稻制种的产量和效益有明显影响。研究国内外杂交水稻授粉技术与装备的现状表明目前所采用的授粉机械依据工作原理的不同有碰撞式和气力式二种。通过分析二种授粉装备的工作原理,总结出它们的特点和存在的不足。现用的授粉装备存在授粉不匀、损伤植株等问题,对授粉效果带有一定的盲目性和随机性。杂交水稻授粉应向机械化、多用途化综合发展,提出了探索不同机械授粉方式的科学性、研究不同机械授粉方式的适应性、寻求合理的工作参数、确保安全隔离防止生物学混杂和开发适用的授粉机械的对策和建议。     

手持式风送授粉机工作参数优化与试验

针对果树授粉作业普遍存在授粉量大、授粉作业不均匀等现象,采用Box-Benhnken的中心组合试验设计理论对风送式授粉作业工作参数作优化研究。以手持式风送授粉机为研究对象,以喷管直径、收缩管直径、电机电压等工作参数为影响因素,以花粉授粉量、喷管出口固相质量浓度、花粉覆盖率为目标函数,建立两者之间的多元数学回归模型,探索各因素之间的影响规律及最佳水平组合。利用Design-Expert 8.0.6软件的回归分析法和响应面分析法对模型进行优化分析,得到风送式授粉机最优工作参数。性能试验结果表明:喷粉量、固相质量浓度影响因素显著顺序依次为喷管直径、电机电压、收缩管直径;覆盖率影响因素显著顺序依次为电机电压、收缩管直径、喷管直径;最优参数组合为喷管直径为5 mm、收缩管直径为7.5 mm、电机电压为8.0 V,对应的花粉喷粉量、固相质量浓度、覆盖率分别为1.70 g/min、17.28 g/m3、77.71%,且各性能指标与理论优化值相对误差均小于6%。田间试验结果表明:猕猴桃花朵柱头的覆盖率为67.11%,与性能试验结果相比相对误差小于16%。研究结果可为进一步完善风送授粉机的结构设计和作业参数优化提供参考。     

三种分子生物技术在传粉生物学中的应用

在传粉生物学研究中,为了揭示传粉事件（繁育系统、花粉流、基因流、花粉竞争等）的真实本质,必须从分子水平进行研究。近年来,分子技术在传粉生物学中的应用主要有两大方面：一是繁育系统;二是花粉流、基因流。文章就目前运用较多的三种主要的分子技术——同功酶、RAPD（随机扩增多态性DNA）、SSRs（微卫星）作一综述,旨在为传粉生物学的深入研究提供参考。     

基于深度学习的番茄授粉机器人目标识别与检测

为满足植物工厂中番茄智能化授粉作业的需要,解决目前机器人在授粉过程中因花朵小、姿态朝向各异而导致的检测精度不高和授粉策略不完善的问题,该研究提出一种由目标检测、花期分类和姿态识别相结合的番茄花朵检测分类算法--TFDC-Net（Tomato flower detection and classification network）。在花朵检测阶段,基于YOLOv5s对其网络进行改进,添加了卷积块注意力模块（Convolutional Block Attention Module,CBAM）及采用了加权框融合（Weighted Boxes Fusion,WBF）的方法,提出一种改进的YOLOv5s网络。该网络在使用线下数据增强的基础上训练得到ACW_YOLOv5s模型,该模型的准确率为0.957,召回率为0.942,mAP0.5为0.968,mAP0.5～0.95为0.62,各项指标相较于原网络模型分别提高了0.028,0.004,0.012,0.066。经测试表明,ACW_YOLOv5s模型解决了远处的小目标及被遮挡的目标漏检,重叠目标误检的问题。同时,为解决花朵不同花期和花蕊不同朝向的授粉问题,研究采用EfficientNetV2分类网络分别对3种不同花期和5种不同姿态的花朵进行训练得到花期分类模型及姿态识别模型,模型准确率分别为94.5%和86.9%,通过对目标进行花期分类和姿态识别判断是否对其进行授粉。为进一步验证分类模型的性能,分别选取300张花期图片和200张姿态图片对模型进行测试,花期分类模型和姿态分类模型的测试总体准确率分别为97%,90.5%。将TFDC-Net算法应用于自主研发的授粉机器人中并进行试验验证,结果表明,该算法能够完成对番茄花朵的目标检测,花期分类和姿态识别。再通过坐标转换实现目标定位,并对目标进行授粉。该研究为授粉机器人的目标检测与定位提供了一定的技术依据。     

Impact of honeybee and bumblebee pollination on alfalfa seed yield

Abstract

This study was conducted to determine the effects of honeybee (Apis mellifera L.) and bumblebee (Bombus terrestris L . ) on alfalfa (Medicago sativa L.) seed production in the west Mediterranean region of Turkey, between 2001 and 2003. The experimental plots (4×3 m) were arranged in a randomized complete block design with three replications for spring and autumn seasons. Four pollination treatments (caged with bumblebee (BP), caged with honeybee (HP), open-pollinated (OP) and pollinator excluded (EP)) were applied. The effects of honeybee and bumblebee on alfalfa seed yield, number of pods per raceme, number of seeds per pod, and podding rate were investigated. The results of seed yield indicate that interaction between treatment groups and seasons was significant (p<0.01). The highest seed yield in alfalfa was found in OP (66.19kg/ha) in the spring followed by BP (56.48kg/ha), HP (49.20kg/ha) and EP (2.44kg/ha). With regarding to the autumn season, the highest seed yield was found in BP (26.17kg/ha) treatment followed by HP (22.89kg/ha), OP (18.12kg/ha) and EP (1.96kg/ha). The results of this research show that B. terrestris can be recommended as an alternative pollinator to honeybee for alfalfa seed production.     

Gardens benefit bees and enhance pollination in intensively managed farmland

The recent loss of pollinating insects and out-crossing plants in agricultural landscapes has raised concern for the maintenance of ecosystem services. Wild bees have been shown to benefit from garden habitats in urban and suburban areas. We investigated the effects of distance from garden habitats on wild bees and seed set of a native out-crossing plant Campanula persicifolia, in intensively managed agricultural landscapes in Southern Sweden. Bee abundance and species richness, as well as plant seed set, were higher closer to gardens (<15 m) than further away (>140 m). This highlights private gardens as a landscape wide resource for pollinators but also the lack of sufficient pollination of wild plants in contemporary agricultural landscapes.     

Plant-pollinator biodiversity and pollination services in a complex Mediterranean landscape

Mediterranean landscapes comprise a complex mosaic of different habitats that vary in the diversity of their floral communities, pollinator communities and pollination services. Using the Greek Island of Lesvos as a model system, we assess the biodiversity value of six common habitats and measure ecosystemic ‘health’ using pollen grain deposition in three core flowering plants as a measure of pollination services. Three fire-driven habitats were assessed: freshly burnt areas, fully regenerated pine forests and intermediate age scrub; in addition we examined oak woodlands, actively managed olive groves and groves that had been abandoned from agriculture. Oak woodlands, pine forests and managed olive groves had the highest diversity of bees. The habitat characteristics responsible for structuring bee communities were: floral diversity, floral abundance, nectar energy availability and the variety of nectar resources present. Pollination services in two of our plant species, which were pollinated by a limited sub-set of the pollinator community, indicated that pollination levels were highest in the burnt and mature pine habitats. The third species, which was open to all flower visitors, indicated that oak woodlands had the highest levels of pollination from generalist species. Pollination was always more effective in managed olive groves than in abandoned groves. However, the two most common species of bee, the honeybee and a bumblebee, were not the primary pollinators within these habitats. We conclude that the three habitats of greatest overall value for plant-pollinator communities and provision of the healthiest pollination services are pine forests, oak woodland and managed olive groves. We indicate how the highest value habitats may be maintained in a complex landscape to safeguard and enhance pollination function within these habitats and potentially in adjoining agricultural areas.