【摘 要】
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目前温室番茄生产中授粉技术仍存在较大不足,难以适应当下现代农业绿色、高效、便捷的生产需求,成为制约温室番茄产业进一步发展提升的因素。通常认为风力产生的风致振动也足以使番茄进行授粉。近年来随着无人机科技的快速发展,无人机授粉在水稻、梨树、山核桃等作物上得到了成功应用,并取得了良好效果。无人机下洗流场具有湍流度高、时空脉动特性强、风场能量集中等特点,可以使番茄花朵发生复杂的风致振动,而且无人机自动化程
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目前温室番茄生产中授粉技术仍存在较大不足,难以适应当下现代农业绿色、高效、便捷的生产需求,成为制约温室番茄产业进一步发展提升的因素。通常认为风力产生的风致振动也足以使番茄进行授粉。近年来随着无人机科技的快速发展,无人机授粉在水稻、梨树、山核桃等作物上得到了成功应用,并取得了良好效果。无人机下洗流场具有湍流度高、时空脉动特性强、风场能量集中等特点,可以使番茄花朵发生复杂的风致振动,而且无人机自动化程度高、作业劳动强度低,为温室番茄授粉带来了新的解决思路。为此,本文主要的研究工作包括:（1）以种植最为广泛的普通番茄和樱桃番茄为研究对象,采取在体观测、采摘解剖、石蜡切片和Micro CT成像等多种技术手段对番茄花朵宏观和显微结构进行深入研究,发现普通番茄和樱桃番茄在花序形态、花朵宏观形态、花药微观结构、花粉微观形态、花粉囊开裂特性、花朵振动授粉特性等方面具有高度相似性。构建了番茄花药三维模型,为研究番茄花朵授粉动力学研究提供结构数据。（2）利用Hertz接触理论和JKR粘弹性接触模型,对花粉颗粒接触过程进行分析。研究花粉颗粒AFM探针修饰方法,基于AFM压痕试验技术对花粉颗粒接触过程中的粘附作用力和位移进行了测量。根据JKR模型和试验结果,解析计算得到番茄花粉颗粒、花粉囊、柱头和花柱的杨氏模量分别为4.82×10~4Pa、5.51×10~4Pa、2.31×10~5Pa、1.01×10~5Pa。当花粉颗粒探针逐渐靠近花粉颗粒、花粉囊、花柱和柱头时,所受到的近程吸引力分别为-0.68 n N、-2.11 n N、-1.38 n N和-27.18 n N。使用离心法对AFM试验进行了验证,研究发现离心法测量柱头粘附力具有测量精度高、成本低和速度快的优点,在μm尺度颗粒粘附力分析方面具有广阔的应用前景。（3）30Hz、30mm、Z轴方向的风致振动参数下,柱头粘附的花粉数最多。振动参数的主次顺序依次为振动频率＞振动方向＞振动幅度。蜂鸣振动授粉的较优水平为300Hz、0.5mm、Z轴方向的振动,三个因素之间的主次顺序依次为振动幅度＞振动频率＞振动方向。最大加速度低于59 m/s~2时,番茄花朵不具备授粉能力。最大加速度大于59 m/s~2时,花朵具有较大的授粉概率。当最大加速度介于353.5-2455.0 m/s~2时,花朵授粉可能性极高。但是当最大加速度超过2455m/s~2时,花朵授粉可能性急剧下降。盲目增加最大加速度并不会提高授粉率,甚至会导致花朵的振动损伤。无论是风致振动授粉还是蜂鸣振动授粉,均是沿着Z轴方向的振动最有利于授粉。花粉粘附和逃逸在很短时间内（小于0.4 s）达到饱和稳定状态,之后粘附数和逃逸数并不随时间的增加而变化。（4）无人机下洗流场具有强烈的时空脉动特性,E360无人机1 m高度悬停时,旋翼下方平均风速为10 m/s,下洗流场强度随着飞行高度增加而减弱。在下洗流场作用下,花朵运动由两部分叠加组成:一部分为花朵侧枝的摆动,一部分为花朵自身的振动,花朵自身振动是花朵振动授粉的主因。E360无人机1.3 m高度悬停和TELLO无人机1.0 m高度悬停时,下洗流场平均风速大于4.5 m/s,此时下洗流场产生的风致振动可以使番茄花朵稳定可靠的授粉。但过大的风速可能导致植株风致损伤,对于长势较弱的番茄需进行搭架绑蔓处理。（5）研制的授粉无人机有较好的悬停、俯仰、滚转和偏航飞行能力,在温室栽培槽行间飞行时,可对飞行方向两侧番茄进行风致振动授粉。导流板的存在与否对无人机温室授粉作业起着至关重要的作用,无导流板无人机在温室行间飞行,下洗流场不足以使番茄花朵进行有效风致振动授粉。授粉无人机悬停高度与植株齐平时,番茄顶部至中部区域受到明显的风力作用,靠近无人机一侧平均风速5-6 m/s左右,可同时对两侧2棵番茄进行有效风致振动授粉。无人机授粉可以显著提高温室番茄坐果率、降低畸果率,产量高于自然授粉30%左右,具有成本低、效益好、作业效率高和劳动强度低等特点。
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