无人机飞播参数优选与DSE浸种荞麦生态修复效应研究.pdf
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1、毕银丽,张龙杰,白雪蕊.无人机飞播参数优选与 DSE 浸种荞麦生态修复效应研究J.矿业科学学报,2023,8(5):695-703.DOI:10.19606/ki.jmst.2023.05.011Bi Yinli,Zhang Longjie,Bai Xuerui.Study on parameters optimization of unmanned aerial vehicle and ecological remediation of buckwheat stained withDSEJ.Journal of Mining Science and Technology,2023,8(5):
2、695-703.DOI:10.19606/ki.jmst.2023.05.011无人机飞播参数优选与 DSE 浸种荞麦生态修复效应研究毕银丽1,2,张龙杰1,白雪蕊21.煤炭资源与安全开采国家重点实验室,北京 100083;2.西安科技大学西部矿山生态环境修复研究院,陕西西安 710054收稿日期:2023-02-25 修回日期:2023-05-18基金项目:国家重点研发计划(2022YFF1303303);国家自然科学基金(51974326)作者简介:毕银丽(1971),女,陕西米脂人,博士,教授,博士生导师,主要从事矿山复垦与生态修复方面的研究工作。Tel:010-62339048,E-m
3、ail:摘 要:陕北矿区地势复杂多变、地形沉陷及地裂缝导致机械生态修复困难,基于北方天途八旋翼无人机,以荞麦为试验对象,研究了飞播参数对无人机飞播作业的影响,并探究了深色有隔内生真菌(DSE)浸种后无人机飞播荞麦生态修复效应。结果表明:飞播参数对荞麦种子有效幅宽与飞播均匀性有显著影响,获得无人机最优飞播参数为高转速、飞行高度 2.5 m、飞行速度 4 m/s、作业间距 6 m;该飞播参数下荞麦 DSE 接菌区,其生长期株高、地径和地上生物量分别比对照区提高了 11%、25%、49%;接种 DSE 可有效提高荞麦叶片叶色值和光合速率,促进荞麦根系生长,提高荞麦产量和品质,无人机飞播联合 DSE
4、浸种促生技术可为西部煤矿区复杂地形生态修复奠定技术基础。关键词:八旋翼无人机;飞播;生态修复;荞麦;深色有隔内生真菌中图分类号:TD 88 文献标志码:A文章编号:2096-2193(2023)05-0695-09Study on parameters optimization of unmanned aerial vehicle andecological remediation of buckwheat stained with DSEBi Yinli1,2,Zhang Longjie1,Bai Xuerui21.State Key Laboratory of Coal Resources
5、 and Safe Mining,Beijing 100083,China;2.Institute of Ecological Environment Restoration in Mine Areas of West China,Xian University ofScience and Technology,Xian Shaanxi 710054,ChinaAbstract:The complex and changeable terrain,subsidence topography and land fissures of mining areain northern Shaanxi
6、make it difficult for mechanical restoration of ecological environment.Based onM8A20A eight-rotor UAV platform,this study investigated the effects of the optimal parameters on aerialseeding,and the ecological restoration of buckwheat by DSE infection and aerial seeding.Resultsshowed that the flight
7、parameters had significant effects on the available width and uniformity of buck-wheat seeds.The optimal parameters of aerial seeding includehigh speed,flight height of 2.5 m,flightspeed of 4.0 m/s and operating distance of 6.0 m.Compared with the control group,plant height,ground diameter and above
8、-ground biomass of the buckwheat infected with Dark Septate Endophytes(DSE)increased by 11%、25%、49%,respectively.In addition,the DSE infection could increase the第 8 卷 第 5 期2023 年 10 月矿 业 科 学 学 报JOURNAL OF MINING SCIENCE AND TECHNOLOGYVol.8 No.5Oct.2023SPADR and photosynthetic rate of buckwheat,promo
9、ting the root to grow and improving the yield andquality of buckwheat.This UAV aerial seeding combined with growth promotion of DSE infection couldoffer reference for ecological restoration of complex terrain in the western mining areas.Key words:UAV;aerial seeding;ecological restoration;buckwheat;D
10、ark Septate Endophytes 陕西神木是神府侏罗纪煤田的聚煤中心,全县储煤面积超过 4 500 km2,煤炭储量达 500 多亿 t,是我国重要的能源化工基地1。随着煤炭大规模开采,矿区环境和生态系统受到严重破坏,尤其是土壤质量下降、植被退化、地形地貌结构发生改变。如何改良修复受损土壤、恢复植被群落、改善矿区生态环境已成为目前关注的热点问题2-3。植物联合微生物修复技术具有成本低、效率高、无二次污染、生态协调性和经济效益高等优势,在矿区生态修复研究领域备受关注4。荞麦中含有丰富的氨基酸、微量元素、维生素等营养组分,且所含的生物类黄酮、多肤、糖醇和 D-手性肌醇等高活性成分具有一
11、定的药用价值,兼具经济和生态效益,成为矿区土壤修复的首选优质作物5。陕北矿区地形地貌复杂,地势不平坦,导致现有高速乘坐式和步进式荞麦种植机难以进行机械化播种作业。多旋翼无人机因具有不受地形限制、作业速度快、工作效率高、适用范围广等优点,在利用植物技术修复矿区土壤方面得到广泛应用6-7。在无人机飞播装置设计方面,Wu等8设计了一种带挡板环的离心式无人机水稻播种机,借助于旋转圆盘弹出的水稻种子被挡板环反弹,飞播的种子在田间呈现非空心的扇形分布,并采用 CCD 法优化无人机飞播参数,获得均匀稳定的飞播效果。黄小毛等9将极飞 P20 商用植保无人机的排种器改进成上凸锥筒离心式排种器,分析了无人机下洗气
12、流场分布规律,确定了排种盘、排种口等关键部件的结构参数,实现了油菜种子的成条飞播。Singh 等10设计了一种气力式棉花撒播装置,通过对排种盘转速、气流压力和吸种孔型等装置参数进行仿真和试验,确定了单粒播种的最佳吸种孔锥角及排种盘转速。张青松等11基于四旋翼无人机平台设计了一种油菜飞播装置,确定了种箱、充种漏斗、槽轮等结构参数并进行了场地试验。深色有隔内生真菌(Dark Septate Endophytes,DSE)在自然生态系统中分布广泛,能够定植于植物组织中,具有促进植物生长、改善营养运移、提高植物抗病性和抵御不良环境胁迫的功能12。Ber-thelot 等13发现 DSE 通过参与生长素
13、的生物合成途径,分泌释放植物激素以及产生可溶性和挥发性有机化合物或通过呼吸作用产生的 CO2增强光合作用,增加植物生物量,刺激植物生长。干旱条件下,接种 DSE 可通过提高根细胞超微结构稳定性,缓解干旱引起的细胞器受损程度;DSE 还可以通过调节根系内源激素的含量和比例来调节根系形态结构,促进根系生长,抵御干旱环境,从而提高宿主抗旱性。Santos 等14发现在干旱环境中,DSE在植物根围的黏质菌丝能帮助植物保持水分,将营养物质输送至植物内部。DSE 黑色素可使细胞壁的机械强度增强,提高细胞抗辐射、抗热的能力,增强宿主植物抗逆性。目前,多旋翼无人机飞播技术在种子播种量和播种均匀性方面还有待提升
14、;DSE 对荞麦生长特性的影响及其对土壤微环境的改善作用效果尚不清楚。因此,本研究以北方天途八旋翼无人机为载体,设计了一种离心式荞麦飞播装置,优化无人机飞播的参数,确定不同飞播参数下荞麦种子大田试验的分布特性,通过 DSE 侵染荞麦根系试验,探究DSE 对荞麦促生作用及机制,为无人机飞播接菌技术在矿区土地复垦和生态修复中大规模推广应用提供理论和技术指导。1 材料与方法1.1 无人机平台和飞播装置设计无人机选用北方天途 M8A20A 八旋翼无人机,飞播装置由无人机平台和排种装置两部分组成,如图 1 所示。图 1 无人机飞播装置示意图Fig.1 Aerial seeding device for
15、UAV696矿 业 科 学 学 报第 8 卷排种装置固定在无人机平台上,装置由种箱、绞盘、转盘等组成。绞盘在种箱内部,与电机相连接;转盘在种箱落种口正下方。排种装置工作时,将荞麦芽种添加到种箱内,通过控制系统设置绞盘和转盘转动参数,起飞后在绞盘带动下种子落在旋转的转盘上,在离心力作用下排出落至地表,完成飞播作业。无人机平台参数见表 1。表 1 北方天途 M8A20A 无人机平台基本参数Table 1 Basic parameters of M8A20A eight-rotor UAV platform对称电机轴距/mm旋翼数量标准起飞重量/kg最大载重/kg飞行速度/(ms-1)作业间距/m悬
16、停时间/min1 630846202 82 206 221.2 无人机飞播参数测试试验离心式无人机飞播作业时,除天气、地形等不可控因素外,主要考虑转盘转速、飞行高度、飞行速度和作业间距对飞播效果的影响。为了分析不同飞播参数对飞播效果的影响,必须优选出最佳飞播作业参数,为此在神木张家峁煤矿生态立体修复示范区进行了测试试验。试验材料有荞麦种子、采集装置、工程线、木桩、记录纸和无人机飞播装置等。采集装置尺寸为 50 cm50 cm8 cm 的无盖纸箱,使用工程线将其固定在地面,记录纸用来统计采集装置内种子数量。试验场地布置如图 2 所示,设置测试场地长约 40 m,宽约 20 m。为了避免无人机起飞
17、加速或临近测试边界减速时飞行状态不稳定对试验结果的影响,将试验时种子采集区域设置在中间位置,前后各设置 10 m 缓冲区,采集区由 3 条采集带组成,各采集带间隔 9 m,每条采集带由 40 个采集装置拼接而成。每次测试飞行时,控制无人机航线与场地中轴线重合,利用遥控器设置无人机转盘转速、飞行高度、飞行速度和作业间距等参数。每次飞行结束后,记录采集装置内种子数量。以转盘转速 N、无人机飞行高度 H 和飞行速度 v、作业间距 D 为试验因素,以有效作业幅宽 W和种子分布均匀性变异系数 c 为评价指标,进行单因素试验。无人机圆盘转速分别为低转速和高转速;飞行高度分别为 1.5 m、2.0 m、2.
18、5 m 和3.0 m;飞行速度分别为3.0 m/s、3.5 m/s、4.0 m/s 和4.5 m/s;作业间距分别为 4 m、6 m、8 m 和 10 m。测试转速时,设置高度为 2.0 m,速度为 3.0 m/s;测试高度时,设置为高转速,速度为 3.0 m/s;测试速度时,转速设置为高转速,高度为 2.0 m;在高转速、高度 2.0 m、速度为 3.0 m/s 的条件下,测试不同作业间距对飞播效果的影响。图 2 荞麦种子飞播试验场地示意图Fig.2 Schematic diagram of aerial seedingsite for buckwheat seeds1.3 无人机大田种植试
19、验为了验证无人机飞播的适用性和 DSE 真菌在矿区生态修复中的作用,于 2020 年 7 月 26 日在张家峁煤矿立体生态修复农业示范区进行田间种植试验。张家峁煤矿生态示范区(图 3)位于陕西省榆林市神木县店塔镇,坐标位置为东经1094011054,北纬 38133927,属典型的中温带半干旱大陆性气候,主要特点是春季干燥降水少,夏季炎热多雨,秋季凉爽湿润,冬季寒冷干燥,全年无霜期短。示范区地形地貌为黄土丘陵沟壑区,地势相对比较平坦,土壤类型以黄棉土为主,试验时天气状况良好,自然风风速不大于 3 m/s。土壤软硬度及天气、地形条件能保证无人机飞行的稳定性,减少外界因素对无人机飞播效果的影响。利
20、用无人机飞播种植荞麦,种子播量为2.5 kg/亩;种植样地分为接菌区和对照区,接菌区种子用DSE 菌液浸种,对照区种子用水浸种;飞播参数设置为转盘高转速,飞行高度为 2.5 m,飞行速度697第 5 期毕银丽等:无人机飞播参数优选与 DSE 浸种荞麦生态修复效应研究图 3 张家峁煤矿生态示范区示意图Fig.3 Schematic diagram of ecologicaldemonstration in Zhangjiamao coal mine为 4.0 m/s,作业间距为 6.0 m。无人机作业路线如图 4 所示。图 4 无人机飞播作业路线 AB 点Fig.4 UAV aerial see
21、ding route from A to B1.4 评价指标与测量方法飞播作业效果主要通过有效幅宽和飞播均匀性来评价。因田间撒播作业通常都是往返式作业,需要将落种区域末端接合重叠才能实现整体均匀,确定实际的撒播幅宽。因此,有效幅宽的边界线定义为距离撒播区域中心线两侧撒播量为目标撒播量一半时的位置15。按照当地农民种植荞麦经验,以播量 2.5 kg/亩为标准,采集装置内装 30 粒荞麦种子。测量有效幅宽时,由航线中轴线开始,沿采集带分别向两端移动,统计纸箱内种子数量,当纸箱内种子数量不符合有效幅宽定义时,停止移动,记录两边界纸箱间的距离,记为该条采集带上的有效幅宽,分别测量 3条采集带上的有效幅
22、宽,取平均值。每组试验参数重复 3 次,取 3 次试验平均值作为该组飞播参数的有效幅宽。飞播均匀性反映种子分布离散情况。沿无人机前进方向上的均匀性,采用种子数量的变异系数进行评价16。在测量出有效幅宽范围内,统计每个纸箱内的种子数量,计算每组参数下种子分布均匀性变异系数,取 3 次试验平均值,作为该组飞播参数下种子分布均匀性变异系数。无人机飞播的荞麦种子在大田种植 30 d 和60 d 后,采集荞麦地上部分和根系样品,统计荞麦株高、地径单株地上生物量和叶色值。使用钢卷尺测量荞麦株高,用游标卡尺测量荞麦地径,荞麦地上生物量在实验室烘干后称量,叶片叶色值采用SPAD-502(日本生产)测定,每株植
23、物测得 4 5片不同层叶片的叶色值,取平均值作为整个植株叶片叶色值17。8 月,使用便携式光合测量系统(Li-6400,COR,USA)测定荞麦光合特征,根系生长形态特征通过 CI-600(美国生产)系统扫描获得数据。该系统可以扫描不同深度根系的分布图像,通过根系分析软件 RootSnap Version 1.2.9.30 获得根系形态指标18。在荞麦成熟后,收获其籽粒后统计亩产量,使用蒽酮比色法测定种子可溶性糖含量,使用考马斯亮蓝 G-250 染色法测定可溶性蛋白含量19。1.5 数据分析采用 Excel 2016 软件处理数据。试验数据通过 SAS 8.0 进行统计分析,采用单因素方差分析
24、法进行方差分析。显著性分析用字母 a、b、A、B 表示,小写字母代表不同处理之间有 5%显著水平,大写字母代表有 1%极显著水平。2 结果与分析2.1 无人机最佳飞播作业参数的优选飞播参数对无人机作业效果的影响如图 5 所示。由图 5(a)可知,转盘转速对有效幅宽和种子分布均匀性变异系数有显著影响。高转速下的飞播均匀性和有效幅宽均大于低转速下的。当转盘转速取高转速时,有效幅宽为 8.4 m,种子分布均匀性变异系数为 33.3%,作业效果较好。不同飞行高度无人机下方风场形成的气流分布不同,种子下落到地面会受到无人机地表卷扬气流螺旋状态的影响。由图5(b)可知,不同作业高度对有效幅宽和飞播均匀性具
25、有明显影响。有效幅宽随无人机飞行高度的增加而增加,其中飞行高度为 2.0 2.5 m 时,有效幅宽增幅不大,且飞播均匀性呈降低的趋势。可能是因为在测试高度范围内,随着离地高度的减小,旋翼气流有所增大,特别是旋翼正下方的区域,形成的低压会迫使旋翼之间的种子趋于旋翼正下方运动。种698矿 业 科 学 学 报第 8 卷子在下落过程中也会受到自然风力的作用,但水平位移有限。相比于自然风力的影响,种子受风场内旋翼气流作用的影响,竖直向下速度增大,在空中的漂浮时间较短,幅宽增加不明显。种子分布均匀性变异系数随飞行高度的增加呈先降低后趋于稳定的趋势,当飞行高度大于 2.5 m时,种子分布均匀性变异系数趋于稳
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