Design and experiment of pneumatic paddy intra-row weeding device
-
摘要:目的
针对水稻株间机械除草自动化程度低、难度大的问题，在机器视觉识别定位技术研究的基础上，研制一种气动式水稻株间机械除草装置。
方法采用机械设计理论、离散元动力学仿真方法结合田间试验，研制出气动式水稻株间机械除草装置。首先对气动式株间除草机构的结构进行设计，运用运动学方程计算并确定机构的几何参数，通过Pro/E运动学仿真验证机构的可行性；然后对除草刀齿与水田土壤的相互作用过程进行仿真，并对仿真结果进行验证试验；最后进行田间试验验证整机工作性能，并利用三因素五水平二次旋转正交试验对影响除草率与伤苗率的工作参数进行分析。
结果气动式水稻株间除草机构连杆长35.00 mm，摆杆长72.24 mm，除草部件到回转中心水平距离为84 mm，垂直距离为191 mm。离散元动力学仿真分析表明，倾角为10°的弯齿刀除草刀齿与土壤的接触阻力较小，阻力平均值为3.12 N，且对土壤的扰动程度较大，受影响的面积达149.69 cm2。田间试验中，在机具前进速度0.25 m/s、气缸伸缩速度0.45 m/s和除草深度2.5 cm的工作参数下，平均除草率为83.91%、伤苗率为3.63%。
结论该机具满足除草率大于80%、伤苗率小于4%的设计要求，能够满足水稻株间避苗除草的作业要求。
Abstract:ObjectiveIn order to solve the problem of low automation and high difficulty of mechanical intra-row weeding in paddy field, a pneumatic paddy intra-row weeding device was developed based on the recognition and positioning technology of machine vision.
MethodThe mechanism of pneumatic intra-row weeding device was designed by applying the principle of mechanical design, discrete element dynamics (DEM) simulation method and field test. Firstly, the structure of pneumatic intra-row weeding device was designed, and the geometric parameters of the mechanism were calculated using the kinematic equations. The feasibility of the mechanism was determined from kinematic simulation by the motion analysis module of Pro/E. Then, the interaction between weeding blade and paddy soil was simulated and the simulation results were confirmed through test. Finally, the field test was carried out to evaluate the working performance of the whole machine, and the working parameters affecting weeding rate and seeding injury rate were analyzed using a three-factor and five-level quadratic rotation orthogonal test.
ResultThe connecting rod length of the pneumatic intra-row weeding device was 35.00 mm and the oscillating rod length was 72.24 mm. The horizontal distance from the weeding part to the rotary center was 84 mm and the vertical distance was 191 mm. The DEM simulation results showed the better structure was the blending blade claw in 10°, which contact resistance was relatively low with an average value of 3.12 N when contacting with soil and the soil was disturbed to a great extent at this angle with affected area of 149.69 cm2. The field test results showed the device achieved the optimum working performance with the average weeding rate of 83.91% and seedling injury rate of 3.63% when the machine forward speed was 0.25 m/s, the cylinder protruding speed was 0.45 m/s and the weeding depth was 2.5 cm.
ConclusionThe pneumatic paddy intra-row weeding device satisfies the requirements of above 80% weeding rate and below 4% seedling injury rate. It could meet the requirements of intra-row weeding and seedling avoiding in paddy field.
-
Keywords:
- paddy field /
- intra-row weeding /
- discrete element /
- dynamic simulation /
- agricultural machinery
-
湿地松Pinus elliottii原产于美国东南部[1]，具有速生、干形通直、适应性强、抗旱耐瘠薄、松脂产量高且品质好等优点[2-3]，其在原产地高可达30 m，胸径90 cm。20世纪30年代引进我国，经不断改良和推广种植，目前湿地松在我国的种植面积达到300 万hm2，是中国南方主要的材脂两用树种之一[4]。以湿地松为母本，加勒比松P. caribaea为父本的杂交后代湿加松P. elliottii×P. caribaea杂种优势明显，生长和产脂量均优于母本湿地松，是华南地区经济效益较高的人工林树种之一[5]。
在松树繁殖方面，传统的种子繁殖存在育种周期长、杂合度高、种子萌发率低等难题；而现有扦插繁殖方法存在受季节限制、需定期更换采穗母株、苗圃占地面积大等不足之处，致使优良的家系和无性系不能规模化生产[6]。体细胞胚胎发生是植物体细胞在人工控制的培养条件下分化产生体细胞胚胎(体胚)，按照类似合子胚的形态发生完成形态建成的过程[7]，其与传统的种子繁殖和其他无性繁殖技术相比，具有遗传稳定性高、繁殖效率高、同步化水平高等优点[8]。在松树中，影响体胚发生及植株再生的主要因素有外植体基因型、合子胚成熟度、培养基组成等[9]。通过前人试验研究，湿地松、海岸松P. pinaster、火炬松P. taeda及其与刚松P. rigida杂种均已突破体胚发生技术并获得再生植株[10]。但湿地松体胚发生仍面临以下问题：1)大部分外植体的基因型未经遗传改良；2)前人研究湿地松体胚发生，增殖培养基多为原诱导培养基[6]，未考虑胚性愈伤组织在增殖阶段所需矿质元素及生长调节剂的特异性，其愈伤组织的胚性可能受到影响，不利于愈伤组织的增殖、成熟及萌发。本研究以广东改良湿地松及其杂交种为对象，进一步优化其体细胞胚胎发生及植株再生方法，为改良湿地松品种及其杂交种繁殖提供参考。
1. 材料与方法
1.1 试验材料
试验选取广东省台山市红岭种子园内生长良好、无病虫害的4个改良湿地松及其杂交种：EE1、EE2为湿地松自由授粉家系，EH为湿地松与洪都拉斯加勒比松P. elliottii×P. caribaea var. hondurensis杂交F2代，EC为湿地松与古巴加勒比松P. elliottii×P. caribaea var. caribaea杂交F1代，其中，EC母本是EE2，每个家系3株。分别于2016年6月16、23、26和30日采集球果，每次每株树采集3~5个球果，在冰盒中低温保存带回实验室，放在4 ℃条件下的冰箱里冷藏，用于胚的发育阶段观察及体胚发生试验。
1.2 试验方法
1.2.1 合子胚成熟度的显微观察
将采集的球果对半切开，逆种鳞拨开，将种子取出，除去外种皮，得到含合子胚及胚乳的外植体。再将所取外植体移至体视显微镜下，剥离胚乳，在20×显微镜下观察合子胚的形态，拍照记录合子胚的发育情况，参照Pullman等[11]的方法，将合子胚发育划分为8个阶段，统计各家系在不同球果采集时间各发育阶段的比例。
1.2.2 培养基的准备
2014—2015年通过比较DCR、LP等5种培养基的胚性愈伤组织的诱导效果，筛选出3个适宜参试材料的诱导培养基。在此基础上，本试验于2016年进一步对合子胚的愈伤组织诱导、增殖、成熟、萌发，试验采用相应的3个系列培养基配方，具体如下：
系列1采用Pullman等[10]的火炬松培养基配方。诱导培养基(T1)采用2212配方，激素及部分添加物做了调整：NH4NO3调整为603.8 mg·L–1；CuSO4为0.173 mg·L–1；FeSO4·7H2O和Na2EDTA调整为原来的1/2；蔗糖为30.0 g·L–1；肌醇为0.5 g·L–1；生长调节剂ABA为5.0 mg·L–1；激动素Kinetin为0.61 mg·L–1。同时添加：6-BA 0.63 mg·L–1；油菜素内脂0.048 mg·L–1；NAA 2.0 mg·L–1。增殖培养基(T1M)采用2212配方；成熟培养基(T1S)采用1562配方；萌发培养基(T1G)采用397配方。
系列2采用Klimaszewska等[12]北美乔松P. strobus培养基配方。诱导培养基(T2)采用MLV配方，添加：6-BA 0.5 mg·L–1，油菜素内脂0.048 mg·L–1，2,4-D 0.5 mg·L–1；增殖培养基(T2M)、成熟培养基(T2)和萌发培养基(T2G)配方与文献[12]相同。
系列3采用ArborGen公司[13]的针叶树体胚专利配方。诱导培养基(T3)激素及部分添加物做调整：麦芽糖调整为15 g·L–1；ABA为5.0 mg·L–1；添加：6-BA 0.5 mg·L–1，油菜素内脂0.048 mg·L–1，NAA 2.0 mg·L–1。其余步骤采用文献[10]的火炬松培养基配方，增殖培养基(T3M)采用2212配方；成熟培养基(T3S)采用1562配方；萌发培养基(T3G)采用397配方。
1.2.3 外植体表面消毒及诱导接种
以带有胚乳的胚为外植体，按照“1.2.1”的方法将外植体从球果中挑出，在超净工作台转移至灭菌的空瓶内，倒入φ为75%的乙醇，处理45 s后纱布过滤，用无菌水冲洗5次；再倒入1.0 g·L–1的HgCl2，处理15~20 min，再用无菌水冲洗5次。处理后的外植体每次取10粒放到灭菌碟上，剥离内外种皮后，得到类似米粒状的外植体(半透明或乳白色)，分别接种于T1、T2和T3诱导培养基上，(24±1) ℃条件下暗培养。
1.2.4 胚性愈伤组织的鉴别与增殖维持
利用光学显微镜对诱导形成的愈伤组织进行胚性鉴别。用解剖刀片剥下2~5 mm愈伤组织，放载玻片上，加若干滴20.0 g·L–1醋酸洋红染色，打散愈伤组织，稍微加热，盖上盖玻片，清洗压片2~3次后，再用5.0 g·L–1伊文思蓝染色30 s，清洗2~3次后拍照。这种情况下胚性愈伤组织的胚柄细胞染成蓝色，胚团染成红色；非胚性愈伤组织只显示伊文思蓝染成的蓝色细胞[14]。选取诱导形成的胚性愈伤组织，转移至T1M、T2M和T3M增殖培养基上进行暗培养，(24±1) ℃条件下每间隔14 d继代1次。
1.2.5 体胚的成熟培养
将增殖培养的200 mg胚性愈伤组织悬浮于20 mL无激素液体成熟培养基中，震荡以形成良好的悬浮体系，获得成熟悬浮液；再用移液器吸取3 mL成熟悬浮液，放在装有定性滤纸的布氏漏斗上，使用真空泵短、低脉冲(5 s，4.6 kPa)真空抽滤，得到吸附有薄薄一层胚团的滤纸，将滤纸放在配制好的T1S、T2S和T3S成熟培养基上进行成熟培养，培养温度为(24±1) ℃，每天光照16 h，采用LED光源(红蓝光比例为4∶1)，5 μmol·m–2·s–1微弱光照，直至愈伤组织上陆续长出子叶张开的子叶胚。
1.2.6 成熟胚的萌发及移栽
将子叶胚接种至T1G、T2G和T3G萌发培养皿，先在微弱光强下(1.6 μmol·m–2·s–1)培养1周，而后转到更高光强下(47 μmol·m–2·s–1)继续培养，(25±1) ℃条件下，每天光照16 h。待萌发出子叶与根的胚插入新鲜萌发培养基中以后，继续培养，培养条件与高光强培养条件相同，出现上胚轴与根系发育的植株，即为萌发。将萌发植株转移到V(泥炭)∶V(蛭石)=3∶1的混合基质中，移至人工气候室炼苗，光强为170 μmol·m–2·s–1，温度为(25±1) ℃，起始湿度为80%，每天光照16 h。逐步降至自然环境湿度，2~4周后，转移至黄心土盆栽，即可得到再生植株。2周后，统计再生植株的成活率。
1.3 数据计算与统计分析
愈伤组织诱导率=诱导出愈伤组织的外植体数/接种的外植体数×100%；胚性愈伤组织比率=诱导出胚性愈伤组织的外植体数/诱导出愈伤组织的外植体数×100%；胚性愈伤组织诱导率=诱导出胚性愈伤组织的外植体数/接种的外植体数×100%；成熟效率=胚性愈伤组织产生的子叶胚数/体胚成熟前胚性愈伤组织的鲜质量；萌发率=萌发出上胚轴与根的植株数量/接种的子叶胚数量×100%；移栽成活率=移栽2周后恢复生长的植株数量/移栽的植株总数×100%。
数据统计分析采用SAS9.3软件进行，调用GLM进行方差分析，使用Excel 2013进行作图。
2. 结果与分析
2.1 球果合子胚成熟度的显微观察
用解剖刀小心切开雌配子体，可以观察到胚，合子胚发育早期较难观察到，中期较为明显，可用解剖针小心挑出，在体视显微镜下观察和拍照，后期直接切开已经可以见到子叶的形态(图1)。
![]()
图 1 湿地松及其杂种雌配子体与相应的胚A：米粒状雌配子体外观；B：切开的米粒状雌配子体；C：取出的胚；标尺=1 mmFigure 1. The megagametophytes and corresponding embryos of Pinus elliottii and hybridsA：Appearance of grain-shape megagametophyte；B：The internal structure of grain-shape megagametophyte；C：Embryo taken out；Bar=1 mm根据前人对松属合子胚发育阶段划分标准[6, 11, 15]，将本试验湿地松及其杂种合子胚发育划分为8个阶段。阶段Ⅰ：胚柄细胞为长形，且高度液泡化透明细胞(图2A)；阶段Ⅱ：多个胚明显发育，胚体仍较为透明(图2B)；阶段Ⅲ：胚头清晰，胚体渐变为不透明(图2C)；阶段Ⅳ：胚头发育成圆形，胚体整体在显微镜下清晰可见(图2D)；阶段Ⅴ：胚头呈圆状，胚体由头至下开始出现乳白色(图2E)；阶段Ⅵ：胚头开始子叶组织的发育，圆状消失，胚体一半呈乳白色(图2F)；阶段Ⅶ：胚体超过2/3为乳白色，出现合子胚子叶(图2G)；阶段Ⅷ：合子胚子叶进一步张开、伸长，高过顶端分生组织(图2H)。显微观察显示，6月16日，采集的球果合子胚均处于阶段Ⅰ~Ⅱ；6月23日，家系EC最早出现阶段Ⅲ合子胚，其余家系仍处于阶段Ⅰ~Ⅱ；6月26日，家系EE2的合子胚发育阶段分布最广，包含阶段I~V；6月30日，家系EH的合子胚处于阶段Ⅲ(图3D)。前人研究指出，针叶树中未成熟合子胚诱导成功率优于成熟合子胚[16]，其中阶段Ⅰ胚龄较小；阶段Ⅱ、Ⅲ为未成熟胚，阶段Ⅳ以后为成熟胚，胚龄过大。本试验选择多数合子胚处于阶段Ⅱ、Ⅲ的6月23—30日大量采摘球果，并进行体胚诱导。
![]()
图 2 湿地松及其杂种球果种子不同生长阶段的合子胚A：阶段Ⅰ；B：阶段Ⅱ；C：阶段Ⅲ；D：阶段Ⅳ；E：阶段Ⅴ；F：阶段Ⅵ；G：阶段Ⅶ；H：阶段Ⅷ；标尺=500 μmFigure 2. The zygotic embryos of Pinus elliottii and hybrids at different development stagesA：Stage Ⅰ；B：Stage Ⅱ；C：Stage Ⅲ； D：Stage Ⅳ；E：Stage Ⅴ；F：Stage Ⅵ；G：Stage Ⅶ；H：Stage Ⅷ；Bar=500 μm![]()
图 3 不同采球果时间各家系合子胚成熟情况Figure 3. The maturation conditions of zygotic embryos of each family on different sampling dates2.2 胚性愈伤组织的诱导
外植体诱导培养2~4周后开始膨大，通过胚性鉴定发现存在2种类型的愈伤组织。在显微镜下能观测到愈伤组织内有排列紧密的胚头和长条形细胞组成的胚性胚柄团(ESM)结构(图4A)，非胚性愈伤组织则无ESM结构(图4B)。继续培养2~4周，具有ESM结构的愈伤组织发育成透明银耳状黏性愈伤组织，可继续增长；无ESM结构的愈伤组织逐渐呈褐色，质感较硬，生长缓慢，直至停止生长。
![]()
图 4 湿地松及其杂种的胚性及非胚性愈伤组织A：胚性胚柄团(ESM)结构；B：非ESM结构Figure 4. The embryonic and non-embryonic callus of Pinus elliottii and hybridsA：Structure of embryonal-suspensor mass(ESM) ; B: Structure of non-ESM不同诱导培养基上形成的愈伤组织及其胚性愈伤所占比例存在较大差异 (表1)。其中，T1培养基上愈伤组织的诱导率相对最高，为49.0%，但胚性愈伤组织占比相对最小；T2培养基上接种1 634个外植体，仅产生223个愈伤组织，胚性愈伤组织占22.4%。不同培养基配方对家系诱导率的影响各异(表2)，EH未能在T1培养基中形成胚性愈伤组织；T2培养基对不同家系的诱导率具有显著影响，该配方对家系EE2、EH无诱导作用；家系EE1、EC在该配方中诱导率均高于其在其他配方中的诱导率，且EE1的诱导率最高，达5.82%。参试的湿地松及其杂种在T3培养基中均能诱导成功，平均诱导率最高，为3.75%。
表 1 各培养基上胚性愈伤组织的鉴别情况Table 1. The identification result of embryogenic callus in each medium培养基
Medium接种总数 (QI)
Quantity of inoculation愈伤数 (CQ)
Callus quantity胚性愈伤数 (ECQ)
Embryogenic callus quantity比率/% rate CQ/QI ECQ/CQ T1 2 000 979 44 49.0 4.5 T2 1 634 223 50 13.6 22.4 T3 1 833 773 78 42.2 10.1 合计Total 5 467 1 975 172 36.1 8.7 表 2 不同培养基配方对湿地松及其杂种诱导率的影响1)Table 2. The effects of different culture mediums on embryogenic induction rates of Pinus elliottiiand its hybrids家系
Family诱导率/% Induction rate T1 T2 T3 均值 Mean EE1 2.48±1.17a 5.82±1.68a 4.11±1.44a 4.24 EE2 2.51±1.50a 0b 3.79±1.27a 2.10 EC 2.45±1.56a 3.88±4.75ab 2.14±1.56a 2.82 EH 0b 0b 4.13±2.71a 1.38 均值 Mean 2.28 2.68 3.75 1) 同列数据后的不同小写字母表示差异显著 (P<0.05, Tukey 法)
1) Different lowercase letters in the same column indicated significant difference (P<0.05, Tukey test)不同采集时间的外植体愈伤组织诱导结果(图5)显示，家系EE1、EH随采样时间延后，诱导率逐渐增加，其中，EE1在6月30日采摘球果诱导率达到最高，为5.99%，明显高于其他家系，EH平均诱导率最小，6月23日诱导率为0。家系EE2、EC则相反，体胚诱导率随采样时间延后逐渐降低。体胚诱导率与合子发育阶段基本一致，家系EE1、EH的阶段Ⅲ合子胚均出现较晚，EE2、EC则出现较早。
![]()
图 5 不同采样时间的湿地松及其杂种的诱导率各图中, 柱子上方的不同小写字母表示差异显著（P<0.05, Tukey 法）Figure 5. The somatic embryo induction rates of Pinus elliottii and hybrids on different sampling datesIn each figure, different lowercase letters on the bars indicated significant difference（P<0.05, Tukey test）2.3 胚性愈伤组织的增殖与成熟
选取诱导产生的胚性愈伤组织进行增殖培养，增殖过程产生的愈伤组织包括2种：一种位于愈伤体的外侧，呈透明银耳状，可用于继代增殖；另一种位于愈伤体的内侧，呈褐色，胚性低，不适宜继代。继代24次后，愈伤体内侧褐化严重，外侧透明银耳状失去(图6B)，胚活性逐渐降低。
![]()
图 6 湿地松及其杂种体胚发生过程A：外植体在诱导培养基T3上培养6周后；B：胚性组织继代24次后；C：胚性愈伤组织在成熟培养基T3S上培养3周后；D：产生子叶胚；E：体胚苗在萌发培养基上培养6周后；F：体胚苗移栽至黄心土1周后生长情况Figure 6. The somatic embryogenesis stages of Pinus elliottii and hybridsA：Megasporophylls after six weeks’ culture on the initiation medium T3; B:Embryogenic tissue after 23 cycles of subculture; C:Embryogenic tissue after three weeks of growth on the maturation medium T3S; D: The cotyledon of somatic embryos came out; E: Somatic embryos after six weeks’ culture on the germination medium; F: Somatic seedlings after one week of growth in the yellow soil成熟培养3周后，吸附在滤纸上薄薄一层胚体积增大(图6C)；继续在成熟培养基培养6周，即可得到子叶张开的胚(图6D)。每克T1S成熟培养基平均成熟23.3个子叶胚，每克T3S成熟培养基平均成熟15.9个子叶胚。
2.4 成熟子叶胚的萌发及移栽
成熟培养获得形态正常的子叶胚(图6D)在萌发培养基6~8 d，可得到萌发出子叶与根的胚，转移至新鲜萌发培养基中继续培养6~8周，出现具上胚轴、根系发育的植株(图6E)，萌发率为32.1%。将萌发植株转移到混合基质中炼苗(图6F)，最后转移至黄心土盆栽，即可得到再生植株。移栽2周后，再生植株的存活率为47.8%，本试验共移植23株，存活11株。
3. 讨论与结论
利用体细胞胚胎发生体系进行种苗繁殖具有快速、高效、不受季节等自然条件制约等优点，是林木优良基因型大规模繁殖的一种有效技术[17]。体胚诱导是体胚发生植株再生最重要的环节[18]，研究表明，利用合子胚作为外植体诱导体胚的最直接因素是合子胚的发育阶段[19]，同一类型外植体发育的不同阶段对体胚形成有显著影响[20]。丛建民等[21]研究发现，水曲柳体胚发生最适宜的外植体发育阶段是刚进入子叶期的幼嫩合子胚。前人选取2个湿地松家系比较了其在5个球果采样时间的体胚诱导率，结果发现，2个家系以处于Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ发育阶段的未成熟合子胚诱导率最高[6]。本试验中，6月16日，采集的球果合子胚均处于阶段Ⅰ~Ⅱ，胚龄过小，参试家系均未诱导成功；6月23日以后，家系EC开始出现阶段Ⅲ合子胚，诱导率在所有家系中最高，为4.90%，家系EE1、EH在6月30日出现阶段Ⅲ合子胚，诱导率也达到最高。家系EE2在6月26、30日也有阶段Ⅲ合子胚出现，但诱导率不高，可能与该采样时间出现阶段Ⅳ及Ⅴ合子胚、合子胚已成熟有关，湿地松及其杂种胚龄过小或过大的合子胚的诱导率均较低，甚至诱导不出胚性愈伤组织，阶段Ⅲ合子胚为体胚发生最佳诱导阶段。
此外，外植体的基因型是影响其体胚诱导的关键因素之一。徐春香等[22]报道了香蕉“大矮蕉”品种Musa AAA cv. Grande Naine的体胚发生植株再生。同时，该研究团队的另一试验指出不同香蕉品种，建立胚性细胞悬浮系的难易程度有所不同，并且，基因组类型为AAB或ABB的香蕉品种未能获得胚性愈伤组织[23]。前人研究了10个火炬松半同胞家系的体胚诱导过程，发现起始愈伤组织最高诱导率为33%，最低仅为3.3%，诱导出的愈伤组织家系平均存活率为0~40%[24]。本试验中，参试的4个家系在3种诱导培养基的平均诱导率存在明显差异，EE1诱导率显著高于EH，EE2与EC的诱导率接近，EE1、EE2、EC和EH的诱导率分别为4.24%、2.10%、2.82%和1.38%。培养基成分中的激素和生长调节剂、矿质营养等是影响体胚发生的另外一关键因素[25]，前人以湿地松与洪都拉斯加勒比松杂种为试验材料，基于DCR培养基[26]、MLV配方[27]，添加不同种类、浓度的激素，设置6种诱导培养基，诱导率最高的是添加BAP(4.5 μmol·L–1)和2,4−D (9.0 μmol·L–1)的MLV配方，诱导率达到10.22%；诱导率最低的是添加了吡效隆(CPPU)(4 μmol·L–1)的DCR培养基，诱导率为1.67%[28]。本试验选取的3种培养基中，T3对参试的湿地松及其杂种均能诱导成功，且平均诱导率最高，说明T3培养基具有广泛适应性。
有研究指出，植物的胚性愈伤也像其他生命体，存在着衰老的过程[29]。本试验中，继代24次以后，胚活性逐渐降低。产生胚活性降低的原因可能是: 一方面继代次数过多，导致胚体的基因缺失或者发生变异，细胞的全能性受损；另一方面，由于长期处于外界供给的激素及营养条件下，胚体自身的内源激素动态平衡被打破，再分化困难[30]。当前有效保持细胞胚性的主要措施为超低温保存胚性愈伤[31]。
前人报道, 湿地松的离体再生存在较大难度，尽管对湿地松体胚发生体系研究报道较多，但只有少量报道实现了植株再生[32]。Jain等[33]基于DCR培养基培养未成熟合子胚首次实现湿地松体胚发生植株再生。唐巍等[34]报道了不同基因型及胚发育时期的湿地松体胚发生植株再生。然而，湿地松选择未成熟胚作为外植体时，普遍诱导率低，且受到基因型特异性控制。近年来，湿地松与加勒比松杂种也突破体胚发生形成再生植株[28]。前期的研究结果表明，DCR、LP常用配方对广东改良湿地松家系诱导效果不理想，而改良MLV也不能成功诱导家系EE2、EH，本研究利用系列3配方，成功诱导4个家系。成熟阶段中发现，每克T1S、T3S培养基能平均成熟23.3、15.9个子叶胚，均大于前人研究的湿地松杂种的最小成熟效率(每克培养基平均成熟9.95个子叶胚)，但与最大成熟效率(每克培养基平均成熟320.90子叶胚)存在一定的差距[28]，成熟培养基可能需要做进一步改良。本研究最终获得23株再生植株，其中，11株健康苗木移栽至苗圃。利用体胚发生实现良种湿地松及杂种的规模化生产仍需突破产业化技术。
-
![]()
图 2 气动式株间除草装置示意图
1：气源；2：电磁换向阀；3：节流调速阀；4：气缸；5：节流调速阀；6：连杆；7：摆杆；8：除草部件
Figure 2. Sketch map of pneumatic intra-row weeding device
1: Air supply; 2: Solenoid directional valve; 3: Throttle; 4: Cylinder; 5: Throttle; 6: Connecting rod; 7: Oscillating rod; 8: Weeding component
![]()
图 3 气动式株间除草机构运动简图
v为气缸伸出速度(m/s)；a为连杆长(mm)；b为摆杆长(mm)；c为除草部件到回转中心水平距离(mm)；d为除草部件到回转中心垂直距离(mm)；w为除草部件横向摆动距离(mm)；h为除草部件提升高度(mm)；α为摆杆转角(°)；β为辅助角度(°)
Figure 3. Kinematic diagram of mechanism of pneumatic intra-row weeding device
v is velocity of cylinder(m/s); a is length of connecting rod(mm); b is length of oscillating rod(mm); c is horizontal distance from weeding blade to rotation center(mm); d is vertical distance from weeding blade to rotation center(mm); w is oscillating distance of weeding blade at horizontal direction(mm); h is oscillating distance of weeding blade at vertical direction(mm); α is angle of oscillating rod(°); β is auxiliary angle(°)
![]()
图 4 连杆长与摆杆长的关系
Figure 4. Relationship of length of connecting rod and length of oscillating rod
![]()
图 8 不同除草刀齿不同倾角作用下水田土壤颗粒运动速度分布
Figure 8. Distribution of particle motion velocity under different weeding blade claw with different inclinations in paddy soil
![]()
图 9 仿真结果土槽验证试验
1：电控箱；2：计算机；3：测力计；4：步进电机；5：连接装置；6：拉力传感器；7：除草刀
Figure 9. Soil bin validation experiment of simulation result
1: Electronic control cabinet；2: Computer；3: Dynamometer；4: Stepper motor；5: Mounting device；6: Sensor of traction；7: Weeding blade
![]()
图 10 不同倾角弯齿刀的土壤阻力实测值
Figure 10. Measured soil resistance to bending-blade claw in variant inclination
![]()
图 11 株间除草装置田间试验现场
Figure 11. Scene of field experiment of paddy intra-row weeding device
![]()
图 12 机具前进速度和除草深度对除草率影响的响应曲面
Figure 12. Response surface of machine forward speed and weeding depth to weeding rate
![]()
图 13 不同影响因子对伤苗率影响的响应曲面
Figure 13. Response surface of influence from each factor to seedling injury rate
表 1 材料参数
Table 1 Material parameters
材料
Material泊松比
Poisson’s ratio剪切模量/MPa
Shear modulus密度/(kg·m−3)
Density颗粒半径/mm
Particle radius颗粒接触半径/mm
Contact radius土壤 Soil 0.500 11.5 1830 0.5 0.7 水 Water 0.500 100.0 1000 0.2 除草刀 Weeding blade 0.288 2.8×104 7860 
下载: 导出CSV
表 2 材料间接触参数
Table 2 Contact parameters between materials
材料
Material恢复系数
Coefficient of restitution静摩擦系数
Coefficient of static friction动摩擦系数
Coefficient of rolling friction水−水Water-water 0.05 0.05 0.01 土壤−土壤 Soil-soil 0.05 0.90 0.01 土壤−水 Soil-water 0.05 0.05 0.01 土壤−除草刀 Soil-weeding blade 0.10 0.20 0.20 水−除草刀 Water-weeding blade 0.10 0.20 0.20
下载: 导出CSV
表 3 受扰动颗粒统计结果
Table 3 Statistical result of particles under turbulence
除草刀 Weeding blade 倾角/(°) Tilt angle 像素数量 Number of pixels 图像面积/cm2 Image area 直齿刀
Straight-blade0 70201 87.35 5 67096 83.49 10 58381 72.65 15 54773 68.16 20 48267 60.07 弯齿刀
Bending-blade0 82182 102.30 5 108747 135.37 10 120277 149.69 15 111040 138.22 20 102145 127.14
下载: 导出CSV
表 4 弯齿刀土槽试验实测数据与仿真结果
Table 4 Measured data of bending blade experiment in soil bin and the simulation result
倾角/(°)
Inclination最大阻力/N Maximum soil resistance 平均阻力/N Average soil resistance 实测值
Test data仿真值
Simulation data相对误差/%
Relative error实测值
Test data仿真值
Simulation data相对误差/%
Relative error0 6.80 5.78 17.65 4.62 4.06 14.36 5 6.30 5.69 10.72 4.31 3.67 18.73 10 5.00 4.98 0.40 3.72 3.16 19.23 15 6.17 5.20 18.65 3.98 3.40 17.06 20 5.20 5.68 9.25 4.20 3.54 18.64
下载: 导出CSV
表 5 试验因素水平编码表
Table 5 Factor level coding table for experiment
编码值
Coded
value气缸伸缩
速度(x1)/(m·s−1)
Cylinder
protruding speed机具前进
速度(x2)/(m·s−1)
Machine
forward speed除草
深度(x3)/cm
Weeding
depth+γ 0.43 0.28 2.84 +1 0.40 0.25 2.50 0 0.35 0.20 2.00 −1 0.30 0.15 1.50 −γ 0.27 0.12 1.16
下载: 导出CSV
表 6 试验方案及结果
Table 6 Experimental scheme and results
试验编号
Test number气缸伸缩速度/(m·s−1)
Cylinder protruding speed机具前进速度/(m·s−1)
Machine forward speed除草深度/cm
Weeding depth除草率/%
Weeding rate伤苗率/%
Seedling injury rate1 0.30 0.30 1.50 61.24 2.40 2 0.40 0.30 1.50 60.55 2.02 3 0.30 0.25 1.50 66.89 4.55 4 0.40 0.25 1.50 67.94 2.76 5 0.30 0.30 2.50 72.98 3.77 6 0.40 0.30 2.50 72.16 3.35 7 0.30 0.25 2.50 81.13 4.04 8 0.40 0.25 2.50 81.17 3.85 9 0.27 0.000 2.00 75.39 4.23 10 0.43 0.000 2.00 74.03 2.90 11 0.35 0.12 2.00 59.12 2.49 12 0.35 0.28 2.00 80.59 4.25 13 0.35 0.20 1.16 51.76 1.84 14 0.35 0.20 2.84 78.93 3.93 15 0.35 0.20 2.00 72.92 3.27 16 0.35 0.20 2.00 75.77 3.43 17 0.35 0.20 2.00 76.14 3.03 18 0.35 0.20 2.00 72.37 3.11 19 0.35 0.20 2.00 73.71 3.27 20 0.35 0.20 2.00 73.96 2.93 21 0.35 0.20 2.00 72.24 3.52 22 0.35 0.20 2.00 71.90 3.17 23 0.35 0.20 2.00 74.06 3.48
下载: 导出CSV
表 7 各因子对除草率影响的方差分析表
Table 7 Variance analysis of influence from each factor to weeding rate
来源 Source 平方和 Sum of square 自由度 Degree of freedom 均方和 Mean square F P 模型 1157.79 9 128.64 31.59 <0.0001 x1 0.54 1 0.54 0.1318 0.7224 x2 321.95 1 321.95 79.05 <0.0001 x3 682.08 1 682.08 167.48 <0.0001 x1x2 0.85 1 0.85 0.2075 0.6563 x1x3 0.16 1 0.16 0.0399 0.8448 x2x3 2.12 1 2.12 0.5210 0.4832 $ x_1^2$ 4.37 1 4.37 1.07 0.3194 $ x_2^2$ 22.59 1 22.59 5.55 0.0349 $ x_3^2$ 123.41 1 123.41 30.30 0.0001 残差 Residual 52.94 13 4.07 失拟项 Lack of fit 34.77 5 6.95 3.06 0.0776 纯误差 Pure error 18.18 8 2.27 总和 Sum 1210.74 22
下载: 导出CSV
表 8 各因子对伤苗率影响的方差分析表
Table 8 Variance analysis of influence from each factor to seedling injury rate
来源 Source 平方和 Sum of square 自由度 Degree of freedom 均方 Mean square F P 模型 Model 9.9900 9 1.1100 16.85 <0.0001 x1 1.8400 1 1.8400 27.98 0.0001 x2 3.2100 1 3.2100 48.71 <0.0001 x3 3.3800 1 3.3800 51.32 <0.0001 x1x2 0.1740 1 0.1740 2.64 0.1280 x1x3 0.3042 1 0.3042 4.62 0.0511 x2x3 0.5618 1 0.5618 8.53 0.0119 $ x_1^2$ 0.2560 1 0.2560 3.89 0.0703 $ x_2^2$ 0.0534 1 0.0534 0.81 0.3842 $ x_3^2$ 0.2046 1 0.2046 3.11 0.1015 残差 Residual 0.8563 13 0.0659 失拟项 Lack of fit 0.5207 5 0.1041 2.48 0.1215 纯误差 Pure error 0.3356 8 0.0420 总和 Sum 10.8500 22
下载: 导出CSV
-
[1] 徐正浩, 谢国雄, 周宇杰, 等. 不同株型和化感作用特性水稻对3种稻田主要杂草的干扰控制作用[J]. 作物学报, 2013, 39(7): 1293-1301. [2] 李涛, 刘德好, 郭水良, 等. 双穗雀稗−空心莲子草杂草群落对稻田节肢动物、水稻产量的影响及其防除经济阈值[J]. 上海农业学报, 2013, 29(2): 47-51. [3] 吴尚, 张纪利, 李保同, 等. 千金子对水稻生长的影响及其经济阈值[J]. 中国农业科学, 2015, 48(3): 469-478. [4] 张自常, 李永丰, 张彬, 等. 稗属杂草对水稻生长发育和产量的影响[J]. 生态学杂志, 2014, 25(11): 3177-3184. [5] 齐龙, 梁仲维, 蒋郁, 等. 轻型水田除草机的设计及试验[J]. 吉林大学学报(工学版), 2016, 46(3): 1004-1012. [6] 岛根县, 三菱农机株式会社. 水田用の除草作业机: P2012-187073A [P]. 2012-10-04. [7] 月森弘, 安达康弘, 三代满, 等. 回転ブラシ除草が水稲の生育、収量、品質および雑草抑制に及ぼす影響[C]. 日本作物学会演讲会要旨集第234回日本作物学会講演会. 日本作物学会, 2012(234): 62-63. [8] 株式会社ォ—しック. 水田除草作业机: P2014-76004A [P]. 2014-05-01. [9] 株式会社美善. 水田除草兼用沟切り机: P2008-99575A [P]. 2008-05-01. [10] 王金武, 牛春亮, 张春建, 等. 3ZS-150型水稻中耕除草机设计与试验[J]. 农业机械学报, 2011, 42(2): 75-79. [11] 石井博和, 佐藤正憲. 水田中耕用除草機の性能と除草効果向上方策[J]. 日本作物学会関東支部会報, 2006, 21: 22-23. [12] NORREMARK M, GRIEPENTROG H W, NIELSEN J, et al. The development and assessment of the accuracy of an autonomous GPS-based system for intra-row mechanical weed control in row crops[J]. Biosys Eng, 2008, 101: 396-410. doi: 10.1016/j.biosystemseng.2008.09.007
[13] PEREZRUIZ M, SLAUGHTER D C, GLIEVER C, et al. Automatic GPS-based intra-row weed knife control system for transplanted row crops[J]. Comput Electron Agr, 2012, 80: 41-49. doi: 10.1016/j.compag.2011.10.006
[14] 株式会社石井農機. 水田用除草装置及びこれを備えた水田用除草行走装置: P2010-68778A [P]. 2010-04-02. [15] 寺脇正樹, 片岡崇, 岡本博史, 等. 直播テンサイ用自動間引き•除草機の開発[J]. 農業機械学会誌, 2005, 67(5): 80-85. [16] 胡炼, 罗锡文, 曾山, 等. 基于机器视觉的株间机械除草装置的作物识别与定位方法[J]. 农业工程学报, 2013, 29(10): 12-18. [17] 蒋郁, 崔宏伟, 区颖刚, 等. 基于茎基部分区边缘拟合的稻株定位方法[J]. 农业机械学报, 2017, 48(6): 23-31. [18] JIANG Y, CUI H W, QI L, et al. Recognition and positioning method of rice seedlings based on machine vision[J]. IJSIP, 2016, 9(9): 265-278. doi: 10.14257/ijsip.2016.9.9.25
[19] 胡炼, 罗锡文, 严乙桉, 等. 基于爪齿余摆运动的株间机械除草装置研制与试验[J]. 农业工程学报, 2012, 28(14): 10-16. [20] 牛春亮, 王金武. 稻田株间除草部件工作机理及除草轨迹试验[J]. 农机化研究, 2017(1): 177-181. [21] 贾洪雷, 李森森, 王刚, 等. 中耕期玉米田间避苗除草装置设计与试验[J]. 农业工程学报, 2018, 34(7): 15-22. [22] 齐龙, 赵柳霖, 马旭, 等. 3GY-1920型宽幅水田中耕除草机的设计与试验[J]. 农业工程学报, 2017, 33(8): 47-55. [23] 齐龙, 梁仲维, 马旭, 等. 耙压式除草轮与水田土壤作用的流固耦合仿真分析及验证[J]. 农业工程学报, 2015, 31(5): 29-37. [24] 郑文伟, 吴克坚. 机械原理[M]. 北京: 高等教育出版社, 1997: 85-86. [25] 张鹏, 郭志军, 倪利伟, 等. 触土曲面准线曲率特征及其减阻性能分析[J]. 农机化研究, 2017, 2: 11-16. [26] LI B, CHEN Y, CHEN J. Modeling of soil-claw interaction using the discrete element method[J]. Soil Till Res, 2016, 158: 177-185. doi: 10.1016/j.still.2015.12.010
[27] 郑侃, 何进, 李洪文, 等. 基于离散元深松土壤模型的折线破土刃深松铲研究[J]. 农业机械学报, 2016, 47(9): 62-72. [28] 陆华忠, 罗锡文. 水田驱动叶轮轮叶下土壤流动特性与动力性能研究[J]. 农业机械学报, 2010, 41(7): 50-53. [29] 邬立岩, 齐胜, 宋玉秋, 等. 水田作业机械仿生表面减阻机理的离散元研究[J]. 沈阳农业大学学报, 2017, 48(1): 55-62. [30] 葛茜, 马晓丽, 史莉娜, 等. 汉中水稻机械插秧插植深度试验初报[J]. 陕西农业科学, 2016, 62(9): 16-17. -
期刊类型引用(9)
1. 柯欣，费琪，夏馨蕊，叶建仁，朱丽华. 抗松针褐斑病湿地松胚性愈伤组织诱导及体胚产量影响因素的研究. 南京林业大学学报(自然科学版). 2025(01): 87-94 . 
百度学术
2. 刘阳，郭文冰，薛蕾，王哲，曾明，欧阳曦，伍彩云，车晓亮. 湿地松抗褐变和易褐变无性系胚性愈伤团的生理生化特征. 林业与环境科学. 2025(01): 9-21 . 百度学术
3. 王斯彤，张柏习，王曼，王浩，孟鹏. 樟子松无性系(GS1)胚性愈伤组织的初步诱导. 分子植物育种. 2023(18): 6088-6095 . 百度学术
4. 程方，叶建仁. 抗性湿地松胚性愈伤组织的维持与增殖. 绿色科技. 2023(14): 1-7+27 . 百度学术
5. 程方，孙婷玉，叶建仁. 抗松针褐斑病湿地松未成熟合子胚胚性愈伤组织的诱导. 南京林业大学学报(自然科学版). 2023(06): 175-182 . 百度学术
6. 高启阳，黄宇龙，郭文冰，赵奋成，刘阳. 碳源等因素对湿地松优良无性系胚性愈伤组织增殖的影响. 植物研究. 2022(01): 21-28 . 百度学术
7. 胡珊，杨春霞，谷振军，杜强，肖平江，李火根. 火炬松体细胞胚胎发生体系的优化. 林业科学研究. 2022(03): 9-17 . 百度学术
8. 徐康，程强强，杨春霞，谷振军，丁伟，李火根. 速生湿地松良种胚性愈伤组织诱导与增殖. 广西植物. 2021(02): 283-291 . 百度学术
9. 程子珊，易敏，宋才玲，程强强，黄若，邓诏磊，张莹莹，张露. 湿地松体细胞胚胎发生胚性愈伤组织诱导条件优化. 江西农业大学学报. 2021(05): 1054-1064 . 百度学术
其他类型引用(5)
计量
- 文章访问数: 1272
- HTML全文浏览量: 2
- PDF下载量: 1131
- 被引次数: 14
