Управление микроклиматом рисовых полей с помощью БПЛА для повышения урожайности

Всестороннее исследование аэротермодинамических воздействий воздушного потока, создаваемого БПЛА, на микроклимат рисовых полей необходимо для выявления сложных взаимосвязей между скоростью ветра, температурой и временнóй динамикой в критические фазы роста риса. Сосредоточившись на уязвимых стадиях, таких как вымётывание, формирование метёлки и цветение, данное исследование направлено на углубление понимания влияния микроклиматических факторов на рис, что, в свою очередь, будет способствовать разработке стратегий на основе БПЛА для повышения устойчивости культуры и оптимизации урожайности.

Используя нисходящий поток воздуха от роторов БПЛА, в исследовании измерялись температура и скорость ветра в три ключевых временных интервала: 9:00, 12:00 и 15:00. В 9:00 поток воздуха от БПЛА создаёт стабильный микроклимат с благоприятными температурами (27,45–28,45 °C) и оптимальной скоростью ветра (0,0700–2,050 м/с), что способствует и поддерживает перенос пыльцы и завязываемость зерна. К 12:00 скорость ветра достигает пика в 2,370 м/с, вызывая охлаждение за счёт испарения при сохранении стабильности температуры, однако это приводит к некоторой потере влаги. В 15:00 температура воздушного потока достигает 28,48 °C, при этом скорость ветра снижается на 72% по сравнению с полуднем, что эффективно сохраняет влагу в критические фазы роста.

Результаты показывают, что воздушный поток от БПЛА положительно влияет на стадии формирования метёлки и цветения, где тщательно регулируемые скорости ветра (до 3 м/с) и температуры снижают стерильность пыльцы, улучшают оплодотворение и оптимизируют репродуктивное развитие. Это подчеркивает потенциал управления микроклиматом с помощью БПЛА для смягчения стрессовых факторов и повышения урожайности за счёт целенаправленного регулирования воздушного потока.

Ключевые агрономические параметры показали значительное улучшение, включая диаметр стебля, регулирование температуры полога, продолжительность налива зерна, количество продуктивных стеблей (увеличение на 30,77%), общее число стеблей, площадь флагового листа, количество зёрен в метёлке (рост на 46,55%), биологическую урожайность, урожайность зерна (резкий рост на 70,75%) и индекс урожая.

В заключение, оптимальные аэротермодинамические эффекты были observed при применении воздушного потока от роторов в 9:00 утра во время цветения, что превзошло результаты обработок в полдень и после полудня. Кроме того, воздушный поток в 12:00 во время цветения также значительно повысил урожайность. Взаимодействие между временем применения воздушного потока и стадией развития растения (RRS × GS) показало от слабого до умеренного эффекта, что подчёркивает важность точного выбора времени для максимизации продуктивности риса.

Рис (Oryza sativa L.), являющийся основным продуктом питания для более чем половины населения мира, особенно чувствителен к изменениям окружающей среды. Его рост и урожайность значительно зависят от таких микроклиматических факторов, как температура, влажность и режим ветра [1]. Несмотря на обширные исследования в области технологий точного земледелия, остаются пробелы в понимании того, как воздушный поток, создаваемый БПЛА, можно использовать для целенаправленного изменения микроклимата с целью улучшения физиологических характеристик и урожайности на критических стадиях роста риса. Динамическое изменение микроклимата с помощью воздушного потока от роторов БПЛА может положительно влиять на рост, урожайность и физиологические признаки риса, особенно в ключевые фазы развития. Предполагается, что, управляя воздушным потоком, можно оптимизировать микроклимат для улучшения таких факторов, как регулирование температуры растительного покрова, усвоение питательных веществ и эффективность использования воды, которые имеют решающее значение для продуктивности риса [2]. Данное исследование сочетает технологии БПЛА с принципами инженерии микроклимата для изучения их синергетического эффекта на рис.

Появление точного земледелия произвело революцию в традиционных методах ведения сельского хозяйства, позволив улучшить управление культурами с помощью передовых технологий. Среди этих инноваций беспилотные летательные аппараты (БПЛА) стали мощным инструментом для оптимизации сельскохозяйственных процессов. Их способность контролировать, анализировать и влиять на динамику роста культур поставила БПЛА на передний план современной агрономии.

Растущее использование мультикоптеров в точном земледелии революционизировало управление культурами, улучшив такие задачи, как мониторинг, картографирование, а также применение пестицидов и удобрений. Мультикоптеры становятся все более заметными в точном земледелии, где их воздушный поток непосредственно влияет на микроклимат вокруг растений. Этот поток воздуха может изменять ключевые параметры микроокружения, такие как температура, влажность, концентрация CO₂ [3] и характер опыления, что в конечном итоге влияет на физиологию и развитие растений [4]. Также было показано, что мультикоптеры способны изменять микроклимат с помощью своего воздушного потока, открывая новые возможности для оптимизации условий выращивания, особенно для риса. Влияние воздушного потока от мультикоптеров на агрометеорологию и его взаимосвязь с инженерией микроклимата, в частности, то, как оно влияет на производство сельскохозяйственных культур, является критически важной областью исследований, поскольку оно затрагивает ключевые экологические факторы, такие как температура, влажность, уровень CO₂ и циркуляция воздуха вокруг растений, которые, в свою очередь, влияют на физиологию [5], рост, урожайность и общую продуктивность сельского хозяйства [2,5]. Целью данного исследования является изучение нового потенциала воздушного потока от мультикоптеров для целенаправленного изменения микроклимата и его влияния на посевы риса, с особым вниманием к тому, как время полетов в разные части суток на разных стадиях роста растения может влиять на рост и продуктивность культуры. Во время полета мультикоптеры создают значительный воздушный поток, модулируя критически важные микроклиматические параметры, которые сложным образом влияют на физиологическое функционирование растений, в конечном итоге воздействуя на рост, развитие и продуктивность культуры. Учитывая чувствительность риса к этим микроклиматическим переменным, особенно в критические фазы развития, такие как кущение, цветение и налив зерна, управление этими факторами окружающей среды с помощью воздушного потока от мультикоптеров представляет собой инновационный подход к улучшению продуктивности культуры в полевых условиях [6]. Воздушный поток от мультикоптеров также обладает потенциалом для снижения распространения болезней и вредителей за счет уменьшения влажности листьев и抑制 образования конденсата [7]. Однако возникают опасения по поводу возможных негативных эффектов, таких как полегание посевов и осыпание цветков, что может повлиять на оплодотворение. Следовательно, интеграция воздушного потока от мультикоптеров с оперативными полетами для применения пестицидов, удобрений и воды представляет собой ключевую инженерную задачу в минимизации таких неблагоприятных последствий [8]. В данном исследовании выдвигается гипотеза, что время полетов мультикоптеров играет критическую роль в степени изменения микроклимата и его последующем влиянии на рост и продуктивность риса, что дает представление о том, как воздушный поток от роторов можно использовать в качестве прецизионного инструмента для регулирования условий выращивания культур.

Микроклимат играет crucialную роль в определении биомассы и продуктивности растений, причем температура и влажность являются двумя наиболее влиятельными факторами [9]. Как температура воздуха, так и температура растительного покрова критически важны для роста растений, а воздушный поток от мультикоптеров может нарушать циркуляцию воздуха, влияя на рост культуры и признаки урожайности [10]. Нарушая воздух в микроокружении растения, воздушный поток помогает регулировать микрометеорологические условия вокруг культур, влияя на такие процессы, как транспирация и фотосинтез [11]. Было задокументировано, что возмущения воздуха улучшают рост рассады, способствуя более эффективному газообмену, даже если концентрации CO₂ могут оставаться относительно неизменными [1,11]. Воздушный поток может снижать температуру листьев и полога, смягчая воздействие солнечной радиации и способствуя оптимальным условиям роста. Этот процесс влияет на физиологические признаки культуры, такие как соотношение корень/стебель, скорость транспирации и накопление сухого вещества [12]. Улучшая воздушный поток, мультикоптеры могут смягчать эти проблемы, улучшая энергообмен и диффузию CO₂, что приводит к лучшему росту культуры и более высоким урожаям [13].

2.1. Обзор исследования

Исследование проводилось в Лаборатории инноваций в сельскохозяйственной авиации Инженерного колледжа Южно-Китайского сельскохозяйственного университета, Гуанчжоу, Китай, для оценки влияния воздушного потока от роторов БПЛА на инженерию микроклимата и агрометеорологию посевов риса.

2.2. Изменение микроклимата риса с использованием нового устройства "Стена ветра"

Воздействие на рис заданного микроклимата и ветрового поля обеспечивалось устройством моделирования ветрового поля, которое в основном состоит из роторной решетки, сенсорной решетки, источника питания и компьютера, как показано на Рисунке 1a. Во время работы пользователь вводит на компьютере команду скорости для каждого ротора на роторной стене, и компьютер отправляет команду скорости ротора на роторную решетку. Роторная решетка регулирует скорость каждого ротора на основе команды. Вращающийся ротор генерирует воздушный поток, а множество потоков образуют ветровое поле. Сенсорная решетка измеряет данные ветрового поля на разных расстояниях от роторной стены перед роторной решеткой, а затем передает данные на компьютер. Размеры распределения роторной решетки и сенсорной решетки показаны на Рисунке 1b,c.

Рисунок 1. (a) Компоновка устройства моделирования ветрового поля. (b) Размеры решетки вентиляторов. (c) Размеры сенсорной решетки и модель роторного двигателя.

Роторная и сенсорная решетки пронумерованы на Рисунке 2, названы соответственно ротор 1, ротор 2, …, ротор 25 и сенсор 1, сенсор 2, до сенсора 25. Сенсоры с тем же серийным номером, что и ротор, расположены на оси вращения ротора, и направление от сенсора к ротору вдоль оси соответствует 0° направления обнаруживаемого сенсором набегающего воздушного потока.

Рисунок 2. Конфигурация стены ветра, нумерация и наименование роторной и сенсорной решеток.

Конфигурация устройства генерации ветрового поля

Оборудование "стена ветра" представляет собой устройство генерации ветрового поля, которое создает воздушный поток для риса и используется для моделирования эффекта воздушного потока от дронов на рис. Как показано на Рис. 1a–c, оборудование стены ветра состоит из решетки вентиляторов, сенсорной решетки, наземной направляющей, источника питания, управляющей схемы и компьютера. Решетка двигателей и сенсорная решетка распределены в 5 строк и 5 столбцов каждый, с интервалом 170 мм между каждой парой, причем сенсоры с серийными номерами расположены непосредственно перед двигателями с такими же номерами.

Используя компьютерное управление для передачи команд управления скоростью на решетку вентиляторов, можно достичь индивидуального контроля скорости каждого двигателя. Установленная скорость каждого вентилятора показана на Рисунке 2, что обеспечивает подходящее моделируемое ветровое поле для выращивания риса. Сенсорная решетка устройства стены ветра используется для сбора параметров моделируемого ветрового поля в разных позициях, что характеризует распределение ветрового поля при воздействии на рис.

В этом эксперименте рис подвергался воздействию моделируемого ветрового поля. После предварительных испытаний было окончательно решено разместить рис на расстоянии 1,1 м от решетки ветряных турбин, а сенсорная решетка собирала параметры плоскости ветрового поля в этом месте. Можно видеть, что в этом эксперименте рис подвергался воздействию параметров ветрового поля.

2.3. Настройка роторной системы для инженерии микроклимата

В контролируемом эксперименте ветровое поле было установлено на расстоянии 1,1 м ниже по потоку от решетки ветряных турбин, без присутствия рисовой растительности. Затем роторная решетка работала непрерывно в течение 15 секунд со скоростями, показанными на Рис. 3a,b. Последующий анализ данных дал средние показатели скорости ветра, направления и интенсивности турбулентности, визуализированные на Рис. 4, соответственно. Эта методология позволила количественно оценить структуру ветра и характеристики турбулентности, предоставив ценную информацию об аэродинамических взаимодействиях внутри решетки турбин.

Рисунок 3. (a) Скорость вращения роторов в роторной решетке. (b) Сенсорная решетка для обнаружения средней скорости ветра.

Рисунок 4. (a) Решетка обнаружения направления ветра и сенсоры. (b) Сенсоры, обнаруживающие турбулентность.

Впоследствии растения риса были размещены на расстоянии 1,1 м от роторной решетки, и был начат экспериментальный протокол. Роторная решетка работала непрерывно в течение двух минут со скоростью, указанной на Рисунке 3a, за которой следовала двухминутная пауза. Этот цикл повторялся 15 раз с разными интервалами в течение дня, охватывая критические стадии роста риса: выход в трубку, формирование метелки и цветение. Во время каждого цикла данные ветрового поля фиксировались сенсорной решеткой, расположенной перед растениями риса. Эти измерения предоставили информацию в реальном времени о влиянии воздушного потока от роторов на микроклиматические переменные на различных стадиях развития, позволив провести комплексный анализ его эффектов на рост и урожайность культуры.

2.4. Операционная структура для инженерии микроклимата

Подробности о отборе проб аэродинамических и агрономических данных

Время работы роторов системы стены ветра было запланировано для оценки влияния воздушного потока от роторов на микроклимат и его взаимосвязь со стадиями роста риса, в частности, стадиями выхода в трубку, формирования метелки и цветения (Рисунок 4a,b). Микроклимат изменялся для каждой стадии роста риса с помощью роторов в три разных времени (утро 9:00, полдень 12:00 и день 15:00). Этот график поддерживался в течение всей продолжительности каждой стадии: 10 дней для выхода в трубку, 12 дней для формирования метелки и 7 дней для цветения. Эффективность инженерии микроклимата оценивалась с помощью сети передовых сенсоров, интегрированных в систему роторной стены ветра. Эти сенсоры постоянно отслеживали критические параметры, такие как температура ветра, скорость ветра и направление ветра, обеспечивая точные данные в реальном времени о взаимодействии между воздушным потоком от роторов и микроокружением рисовой культуры, в то время как данные температуры полога собирались вручную с использованием ультрафиолетового термометра (теплового пистолета). Этот комплексный мониторинг позволил провести детальную оценку воздействия созданного микроклимата на физиологию и динамику роста растений.

В график вносились коррективы по мере необходимости с учетом погодных условий. Данные о времени работы роторов, параметрах окружающей среды, характеристиках листьев и росте риса, а также урожайности собирались и анализировались для оценки эффективности системы стены ветра в инженерии микроклимата и сравнения роста риса на разных стадиях. Этот контролируемый подход был направлен на оценку влияния нисходящего воздушного потока БПЛА на инженерию микроклимата и его взаимосвязи с агрометеорологией культуры для безопасного применения в точном земледелии.

2.5. Методология анализа данных сенсорной решетки созданного микроклимата

Сенсорная решетка, использованная в установке стены ветра, была настроена с 5 строками и 5 столбцами, стратегически расположенными в определенных координатах (x, y) в рамках экспериментальной структуры. Каждый сенсор, идентифицируемый своим точным местоположением на сетке, был tasked с записью ключевых микроклиматических параметров, таких как скорость ветра, угол направления ветра и давление, во время испытаний воздушного потока от роторов БПЛА. Эти сенсоры, распределенные по 25 локациям, собирали данные за несколько временных интервалов, называемых последовательностями "rotate", в течение которых роторная решетка непрерывно вращалась. Для каждого временного интервала все пять столбцов (v1–v5) фиксировали полные данные о воздушном потоке, обеспечивая детальное представление о пространственном распределении ветровых режимов по всей решетке.

Для улучшения анализа использовались конкретные координаты каждого сенсора, чтобы понять пространственную взаимосвязь между воздушным потоком и его воздействием на окружающую среду. Данные сенсоров были сегментированы на основе отдельных сенсоров (S1–S25), что позволило провести локализованный анализ вариаций скорости ветра, направления и давления в каждой уникальной позиции внутри решетки. Эта сегментация позволила идентифицировать аномалии и тенденции воздушного потока, которые могли влиять на микроклиматические условия вокруг рисовой культуры. Для каждого временного интервала рассчитывались средняя скорость ветра, направление и давление по данным сенсорной решетки, обеспечивая более четкое понимание общих тенденций внутри ветрового поля, созданного ротором БПЛА. Временные данные из последовательностей "time [rotate]" анализировались в формате временных рядов для обнаружения суточных паттернов и колебаний в воздушном потоке. Сравнивая эти временные изменения по позициям сенсоров, оценивалось влияние этих вариаций на микроклимат культуры, особенно с точки зрения их потенциального воздействия на физиологию культуры.

Кроме того, пространственная изменчивость воздушного потока изучалась путем создания контурных карт распределения скорости ветра, направления и давления. Эти визуальные представления выделяли области более сильного или слабого воздушного потока, помогая оптимизировать настройку роторов БПЛА для лучшей инженерии микроклимата. Анализ также распространялся на кросс-параметрические корреляции между скоростью ветра, направлением и давлением, предоставляя информацию о динамических взаимодействиях внутри ветрового поля и их последствиях для контроля температуры, турбулентности и управления микроклиматом вокруг посевов риса. Этот комплексный подход к анализу данных сенсоров позволил глубже понять, как воздушный поток от роторов БПЛА может манипулировать микроклиматом, в конечном итоге способствуя улучшению условий роста и оптимизации урожайности при выращивании риса.

2.6. Измерение агрономических данных в условиях созданного микроклимата

Рассада риса (сорт: Тайфэнью-208) была выращена 5 марта 2024 года, а пересадка произошла 5 апреля механическими методами, с междурядьями 20 × 20 см и глубиной пересадки, равной глубине рассады. Менеджмент после пересадки включал поддержание оптимального уровня воды, внесение подкормочных удобрений (например, мочевины) в рекомендуемых дозах, а также постоянный мониторинг и контроль вредителей и болезней. В течение всего периода роста отслеживались стадии роста, включая кущение и формирование метелки, и практики управления корректировались соответствующим образом. Этот скороспелый сорт риса требует тщательного внимания к стадиям роста для оптимизации урожайности. Ключевые даты включают посев 5 марта и пересадку 5 апреля.

2.7. Измерение показателей характеристик риса

Пять растений риса из каждой обработки, подвергнутых воздействию воздушного потока стены ветра, случайным образом отбирались в разное время суток на каждой стадии роста. Эти растения непосредственно подвергались воздействию созданного микроклимата, создаваемого воздушным потоком от роторов на всех стадиях развития для каждой обработки, что обеспечивало комплексный сбор данных о влиянии инженерии микроклимата на физиологию и рост растений. Этот подход позволил точно оценить, как различные микроклиматические условия, измененные воздушным потоком от роторов, влияют на продуктивность риса на критических стадиях роста. Данные по различным параметрам рисовой культуры тщательно собирались на протяжении всего экспериментального периода для оценки влияния воздушного потока, генерируемого БПЛА, на микроклимат и продуктивность культуры. Диаметр стебля измерялся с помощью цифрового штангенциркуля с точностью 0,01 мм на трех критических стадиях роста: выход в трубку, инициация метелки и цветение. Отбиралось 15 репрезентативных растений на делянке, и диаметр записывался на высоте 5 см над землей, с расчетом средних значений для каждой делянки.

Температура полога регистрировалась с тремя суточными интервалами (9:00, 12:00 и 15:00) с использованием инфракрасного портативного термометра в пяти случайных точках, причем сенсор располагался на 50 см выше полога. Показания температуры собирались во время стадий выхода в трубку, метелки и цветения, чтобы зафиксировать микроклиматические вариации, вызванные воздушным потоком БПЛА. Продолжительность налива зерна контролировалась путем маркировки 10 репрезентативных растений на делянке и записи дней от конца цветения до физиологической зрелости, отмеченной затвердеванием эндосперма зерна, с использованием следующей формулы:

Продуктивные побеги (те, что производят метелки) и общее количество побегов на растение подсчитывались на тех же меченых растениях в конце репродуктивной фазы. Площадь флагового листа измерялась путем сбора флаговых листьев с 10 меченых растений на стадии инициации метелки, записи их длины и максимальной ширины и расчета площади по формуле:

Все данные были подвергнуты статистическому анализу, включая дисперсионный анализ (ANOVA), для оценки различий между обработками и взаимосвязи между воздушным потоком, индуцированным БПЛА, и продуктивностью культуры. Для репродуктивных параметров процент завязывания зерна рассчитывался из 10 репрезентативных метелок путем подсчета выполненных зерен, деления на общее количество колосков и умножения на 100 с использованием следующей формулы:

Количество выполненных и пустых зерен на метелку записывалось, а фертильность колоска определялась путем деления выполненных зерен на общее количество колосков с использованием следующей формулы:

ФК = Количество выполненных зерен / Общее количество колосков

Вес метелки измерялся путем высушивания и взвешивания 10 отобранных метелок после созревания. Для оценки урожайности записывалось количество зерен на метелку, метелок на растение и зерновок на растение, при этом биологическая урожайность определялась путем высушивания надземной биомассы 10 растений. Урожайность зерна рассчитывалась путем обмолота, высушивания и взвешивания зерен от тех же растений. Индекс урожая вычислялся как отношение урожайности зерна к биологической урожайности:

Все измерения были статистически проанализированы для определения значимости обработок воздушным потоком БПЛА на продуктивность риса и его агрономические компоненты.

2.8. Анализ и обработка данных

Данные анализировались с использованием двухфакторного дисперсионного анализа (ANOVA) в соответствии с методом, описанным в [14]. Анализ учитывал эффекты воздушного потока, индуцированного БПЛА, на агрономические признаки при различных интенсивностях воздушного потока и стадиях роста. Средние значения сравнивались с использованием теста наименьшей значимой разности (LSD) на уровне значимости p < 0,05 для идентификации различий между группами обработок. Аэродинамические результаты визуализировались с помощью графических представлений с использованием программного обеспечения Origin 2024.

3.1. Аэродинамическое и термическое распределение над рисовым пологом

3.1.1. Стадия колошения риса

Стадии роста риса (выход в трубку, формирование метелки и цветение) находятся под критическим влиянием микроклиматических факторов, таких как скорость ветра и температура, что иллюстрируется динамическими изменениями в три конкретных времени (9:00, 12:00 и 15:00). Температура ветра в 9:00 варьируется по площади, со значениями от 28,49 °C до 29,12 °C (Рисунок 5a). Повышение температуры в определенных зонах контура указывает на локальный эффект потепления с максимальным увеличением примерно на 2,2% относительно участков с более низкой температурой. На Рисунке 5b показана скорость ветра в 9:00, с наивысшей скоростью 2,168 м/с near центра, что представляет собой увеличение примерно на 187% по сравнению с минимальной скоростью на краю в 0,755 м/с. Это усиление воздушного потока в центральной области позволяет предположить, что нисходящий поток ротора значительно повышает скорость ветра, потенциально усиливая вентиляцию и снижая риск накопления влажности внутри полога риса. В 12:00 на Рисунке 5c представлены контуры температуры ветра с небольшими изменениями, в диапазоне от около 28,43 °C до 29,02 °C. Эти вариации соответствуют увеличению примерно на 2,1% в зонах с наивысшей температурой, что указывает на продолжающуюся модификацию микроклимата. На Рисунке 5d показана скорость ветра в 12:00, с пиковыми значениями до 5,595 м/с, что представляет собой значительное увеличение примерно на 321% по сравнению с минимальной скоростью на краю в 0,169 м/с. Это существенное повышение скорости ветра может способствовать улучшенному воздухообмену вокруг растений риса, снижая тепловой стресс и поддерживая транспирацию.

Рисунок 5. Воздушный поток от ротора и его аэро-термодинамическая связь с инженерией микроклимата на стадии выхода в трубку у риса. (a,b) показывают температуру ветра от БПЛА и скорость ветра в 9:00, (c,d) показывают то же самое в 12:00, и рисунки (e,f) показывают это в 15:00 соответственно на стадии выхода в трубку.

На Рисунке 5e показаны значения температуры ветра между 28,46 °C и 29,18 °C в 15:00, показывая увеличение примерно на 2,5% в более теплых областях, что может способствовать регулируемому микроокружению вокруг растений в самую теплую часть дня. На Рисунке 5f показана скорость ветра в 15:00 со значениями до 1,050 м/с, что представляет собой увеличение на 133% от минимальной зарегистрированной скорости 0,450 м/с. Это снижение пиковой скорости ветра по сравнению с более ранним временем может указывать на постепенное рассеивание влияния ротора, позволяя moderated воздушному потоку по мере прогревания дня. Новая способность роторно-индуцированной стены ветра создавать distinct микроклиматические зоны вокруг растений риса на стадии выхода в трубку, с колебаниями температуры и скорости ветра, могла бы стратегически снижать стресс и усиливать рост. Наблюдаемые увеличения и уменьшения температуры и скорости ветра в течение дня — вплоть до 321% в скорости ветра и 2,5% в температуре — демонстрируют потенциал микроклиматической инженерии, индуцированной БПЛА, для оптимизации условий развития риса, в конечном итоге направленной на улучшение урожайности и устойчивости культуры к изменяющимся environmental условиям.

3.1.2. Фаза метелки риса

Новое воздействие ветровой стены, создаваемой ротором, на температуру и скорость ветра в три различных момента времени — 9:00, 12:00 и 15:00 — во время критической стадии выметывания рисовой метелки представляет как полезные, так и потенциально сложные эффекты для развития риса. Нарисунке 6,а показан диапазон температуры ветра от 28,13 °C до 28,76 °C в 9:00 утра, с локальным потеплением, приводящим к повышению на 2,2% в определенных областях. Этот ранний утренний подъем температуры, вызванный потоком воздуха ротора, может способствовать созданию благоприятной микросреды, мягко нагревая урожай и снижая риск стресса прохладного утра. Однако чрезмерное потепление в некоторых регионах может потенциально создать стресс для стадии выметывания метелки, если оно выйдет за пределы оптимальных температурных порогов.На рисунке 6,б показана скорость ветра в 9:00 утра, которая варьируется от 0,2756 м/с на краях до пика 0,9694 м/с в центральной области — увеличение на 252%. Этот всплеск скорости ветра улучшает вентиляцию, снижает уровень влажности и уменьшает риск заболеваний. Однако высокая скорость ветра может также нарушить распределение пыльцы, что может повлиять на эффективность опыления на стадии выметывания. В 12:00, как показано нарисунке 6c, температура ветра колеблется от 28,02 °C до 28,56 °C, с локальным повышением примерно на 1,9%. Такая полуденная стабильность температуры помогает предотвратить тепловой стресс в часы пиковой солнечной активности, поддерживая контролируемые условия вокруг растений. Однако незначительное повышение температуры в отдельных регионах может вызвать небольшой стресс, если превысит идеальные условия для стадии выметывания.На рисунке 6d показана скорость ветра в 12:00 со значениями от 0,4478 м/с до 0,9863 м/с, что представляет собой заметное увеличение примерно на 120% от самой низкой до самой высокой скорости ветра. Это усиление воздушного потока усиливает транспирацию и охлаждение вокруг метелок, обеспечивая облегчение от полуденной жары. С другой стороны, чрезмерный поток воздуха может привести к физическому напряжению нежных структур метелки, что может привести к снижению устойчивости.На рисунке 6eпоказано небольшое снижение температуры к 15:00, при этом значения температуры ветра варьируются от 27,79 °C до 28,52 °C, что соответствует снижению примерно на 2,6% по сравнению с пиковыми полуденными температурами. Это снижение поддерживает урожай, уменьшая потенциальное накопление тепла по мере похолодания, создавая сбалансированную среду, предотвращающую резкие перепады температуры. Нарисунке 6f, скорость ветра в 15:00 показывает значения от 0,190 м/с до 1,320 м/с, что на 595% больше, чем на самой низкой, до самой высокой зарегистрированной скорости. Хотя высокие скорости ветра обеспечивают полезный воздушный поток и предотвращают накопление влаги, которое может способствовать росту грибков, они также могут привести к увеличению эвапотранспирации, что потенциально может вызвать стресс от влаги в метелках, если не управлять им эффективно. Инновационное применение роторного воздушного потока для создания динамических изменений микроклимата во время фазы метелки риса. Наблюдаемые увеличения и уменьшения — до 252% скорости ветра в 9:00 утра, 120% в 12:00 и 595% в 15:00 — наряду с изменениями температуры примерно на 2,2% утром, 1,9% в полдень и уменьшение на 2,6% днем, подчеркивают важную роль индуцированной БПЛА инженерии микроклимата. Такой подход обещает оптимизировать условия развития рисовой метелки, способствуя повышению устойчивости, урожайности и качества культуры, а также удовлетворяя деликатные потребности стадии метелки.

Рисунок 6.Воздушный поток ротора и его аэротермодинамическая связь с микроклиматической инженерией на стадии выметывания рисовой метелки. (a,b) показывает температуру и скорость ветра БПЛА в 9:00 утра, (c,d) показывает то же самое в 12:00 дня и рисунок (e,f) показывает это в 15:00 дня соответственно на стадии выметывания рисовой метелки.

3.1.3. Фаза цветения риса

Этот рисунок дает представление об изменениях микроклимата, вносимых потоком воздуха ротора в три разных момента времени — 9:00 утра, 12:00 дня и 3:00 дня — во время стадии цветения риса, критического периода для формирования урожая. Каждый участок показывает изменения температуры и скорости ветра, вызванные потоком воздуха, создаваемым ротором, подчеркивая как полезные, так и потенциально неблагоприятные воздействия на микросреду. Нарисунке 7а температура ветра в 9:00 утра колеблется от 29,10 °C до 29,50 °C, с локальными повышениями, способствующими небольшому эффекту потепления. Это повышение примерно на 1,4% может создать благоприятную утреннюю среду за счет снижения влажности, что может помочь предотвратить накопление влаги в цветках риса в начале дня, тем самым снижая риск грибковых заболеваний. Однако чрезмерное тепло может вызвать небольшой стресс, если температуры превышают оптимальный диапазон для стадии цветения.Рисунок 7b показывает скорость ветра в 9:00 утра со значениями от 0,6863 м/с до 1,777 м/с, что означает значительное увеличение примерно на 159%. Такие повышенные скорости ветра улучшают вентиляцию вокруг цветков риса, снижая влажность и облегчая перемещение пыльцы, что полезно для опыления. Тем не менее, высокая скорость ветра потенциально может сместить пыльцу или повредить нежные структуры цветка. В 12:00 дня,рисунок 7c показывает температуру ветра в диапазоне от 29,18 °C до 29,78 °C, показывая небольшое увеличение примерно на 2,0%. Этот диапазон полуденных температур в целом находится в приемлемых пределах для риса, поддерживая оптимальное развитие цветков путем предотвращения перегрева. Тем не менее, локальное повышение температуры может привести к небольшому стрессу в чувствительных областях, влияя на жизнеспособность цветов.Рисунок 7d показывает скорость ветра в полдень в диапазоне от 0,4013 м/с до 1,158 м/с, что отражает увеличение примерно на 189%. Этот воздушный поток помогает регулировать температуру вокруг цветков и предотвращает чрезмерное накопление влаги, что способствует сохранению целостности цветка и повышает вероятность успешного опыления. Однако слишком сильный ветер может помешать равномерному распределению пыльцы, что может негативно сказаться на процессе цветения.

Рисунок 7.Воздушный поток ротора и его аэротермодинамическая связь с микроклиматической инженерией во время фазы цветения риса. (a,b) показывает температуру и скорость ветра БПЛА в 9:00 утра, (c,d) показывает то же самое в 12:00 дня и рисунок (e,f) показывает это в 15:00 дня соответственно на фазе цветения.На рисунке 7eпоказано изменение температуры ветра от 29,15 °C до 29,86 °C, что на 2,4% выше, в 15:00 дня. Этот небольшой охлаждающий эффект ближе к концу дня поддерживает устойчивость цветов, предотвращая резкие перепады температуры, которые в противном случае могли бы привести к стрессу для цветов.На рисунке 7fпредставлены значения скорости ветра от 0,190 м/с до 1,038 м/с, что означает увеличение примерно на 446% от самой низкой до самой высокой зарегистрированной скорости. Этот поток воздуха ближе к вечеру обеспечивает полезное охлаждение и предотвращает задержку влаги вокруг цветов. Несмотря на свою полезность, чрезмерная скорость ветра может привести к непреднамеренному стрессу для цветов, если воздушный поток слишком сильный. Ветровые стены, создаваемые ротором БПЛА, для создания микроклимата в период цветения риса. Наблюдаемое увеличение скорости ветра до 159% утром, 189% в полдень и 446% днем, а также колебания температуры до 2,4% являются критически важной стратегией для оптимизации урожайности риса. Эти корректировки демонстрируют потенциал воздушного потока, создаваемого ротором БПЛА, для балансировки температуры и воздушного потока вокруг рисовых посадок, оптимизируя условия для цветения, одновременно тщательно контролируя риск чрезмерного воздействия ветра или жары.

3.2. Показатели роста и урожайности риса в условиях динамики воздушного потока БПЛА

Целенаправленное изменение микроклимата с помощью воздушного потока роторной стены ветра в разное время суток и на различных стадиях роста риса значимо повлияло на ключевые параметры роста культуры. Обработки воздушным потоком ротора, применяемые в 9:00, 12:00 и 15:00, влияли на диаметр стебля, температуру полога, продолжительность налива зерна, продуктивные побеги, общее количество побегов и площадь флагового листа, причем каждый показатель демонстрировал различные реакции в зависимости от времени воздействия воздушного потока и стадии роста риса (Таблица 1). Диаметр стебля, критический показатель силы растения, показал заметное увеличение при обработке воздушным потоком в 9:00 на стадии цветения, увеличившись на 33,33% по сравнению с контролем. Обработка воздушным потоком в 12:00 на стадии цветения также привела к увеличению диаметра стебля на 29,17%, демонстрируя благотворный эффект воздушного потока от ротора на критических стадиях роста. Однако воздушный поток в 15:00 на стадии выхода в трубку привел к уменьшению диаметра стебля на 4,17%, указывая, что более поздний воздушный поток может негативно влиять на ранние стадии роста (Таблица 1). Температура полога, существенный фактор в регулировании микроклимата риса, увеличилась на 4,51% durante стадии выхода в трубку при обработке воздушным потоком в 9:00. В contrast, обработка воздушным потоком в 12:00 на стадии метелки привела к снижению температуры полога на 4,51%, предполагая, что воздушный поток в полдень может помочь снизить тепловой стресс на чувствительных стадиях роста. Обработка в 15:00, особенно на стадии метелки, повысила температуру полога на 4,89%, потенциально ускоряя созревание культуры. Продолжительность налива зерна, ключевой определитель урожайности, показала сокращение на 8% при обработке воздушным потоком в 9:00 на стадии метелки, указывая на ускоренный процесс развития зерна. Как обработки в 12:00, так и в 15:00 поддерживали similar продолжительность в 24 дня across стадий, причем стадия цветения не показала отклонений, совпадая с контролем (26 дней). Продуктивные побеги, essential для более высокого выхода зерна, увеличились на 30,77% при обработках воздушным потоком в 9:00 и 12:00 на стадии цветения. Интересно, что обработка воздушным потоком в 9:00 показала снижение продуктивных побегов на 7,69% durante стадии выхода в трубку, предполагая, что ранний воздушный поток может подавлять начальное formation побегов. Однако более поздний воздушный поток на стадии цветения оказался beneficial across всех расписаний, с количеством побегов, consistently превышающим контроль. Общее количество побегов показало notable улучшения при обработке воздушным потоком в 9:00 на стадии цветения, с увеличением на 20% по сравнению с контролем. Обработка воздушным потоком в 12:00 на стадии метелки также дала увеличение общего количества побегов на 13,33%, отражая положительные эффекты воздушного потока от ротора в стимулировании роста побегов durante пиковых вегетативных стадий (Таблица 1).

Таблица 1. Оценка влияния расписаний работы роторов БПЛА на стадии роста риса и ключевые агрономические признаки.

Площадь флагового листа, vital признак для фотосинтетической эффективности, показала significant улучшение при целенаправленном изменении микроклимата. Обработка воздушным потоком в 9:00 на стадии цветения привела к увеличению площади флагового листа на 38,64%. Примечательно, что обработка воздушным потоком в 12:00 на стадии метелки привела к extraordinary увеличению на 137,02%, подчеркивая выраженный эффект полуденного воздушного потока на расширяющуюся площадь листа, что критически важно для поддержки налива зерна. Однако та же обработка в 12:00 на стадии цветения вызвала снижение площади флагового листа на 51,96%, указывая, что точное timing необходимо, чтобы избежать негативных impacts на развитие листа. Это демонстрирует, что воздушный поток от ротора в разное время суток, particularly в 9:00 и 12:00, significantly модулировал микроклимат рисовой культуры, улучшая ключевые параметры роста. Наиболее notable улучшения наблюдались в диаметре стебля, площади флагового листа и количестве продуктивных побегов на стадиях цветения и метелки, предполагая, что стратегический воздушный поток от ротора может улучшить продуктивность рисовой культуры и урожайность. Результаты указывают, что целенаправленное изменение микроклимата с использованием воздушного потока от роторов БПЛА является перспективным подходом для оптимизации роста, особенно при применении в оптимальное время на чувствительных стадиях роста.

3.3. Микроклиматическая инженерия, урожайность риса и агрономические показатели

Воздушный поток ротора имел значительные взаимодействия с физиологическими параметрами риса, показывая нюансные эффекты на завязывание зерна, плодородие колосков и другие компоненты, связанные с урожайностью ( таблица 2 ). Изменение завязывания зерна (%) при применении воздушного потока ротора в 9:00 утра во время стадии цветения продемонстрировало увеличение завязывания зерна на 2,48% (97,14%) по сравнению с контролем (94,79%), что указывает на повышенный репродуктивный успех при воздушном потоке в начале дня. И наоборот, во время стадии колошения завязывание зерна снизилось на 2,12% (92,78%), что позволяет предположить, что воздушный поток на ранних стадиях развития может оказывать отрицательное влияние на формирование зерна. Обработка в 12:00 показала стабильные значения завязывания зерна на стадии колошения (94%), с незначительным снижением на 2,57% как на стадиях метелки, так и цветения. Однако обработка в 15:00 привела к самому существенному снижению завязываемости зерна на стадии колошения, показав снижение на 4,1% (90,9%), что подчеркивает чувствительность риса к позднему воздушному потоку во время критических репродуктивных фаз.

Таблица 2. Оценка влияния режимов работы ротора БПЛА на стадии роста риса и основные показатели завязывания зерна, урожайности и плодородия риса.

Количество выполненных зерен с помощью роторного воздушного потока привело к общему положительному отклику в количестве выполненных зерен, особенно на стадии цветения. Обработка в 9:00 утра на этой стадии привела к увеличению количества выполненных зерен на 12,09% (102) по сравнению с контролем (91), в то время как на стадии выметывания наблюдалось умеренное улучшение на 2,19%. Воздушный поток в 12:00 на стадии колошения показал увеличение количества выполненных зерен на 3,29% (94), что согласуется с небольшим улучшением развития зерна. Однако воздушный поток ближе к вечеру в 15:00 показал лишь незначительные улучшения, с наибольшим откликом на 2,2% на стадии цветения. Количество пустых зерен заметно возросло под действием роторного воздушного потока на определенных стадиях. Обработка в 9:00 утра на стадии колошения увеличила количество пустых зерен на 40% (7 зерен) по сравнению с контролем (5 зерен), что указывает на потенциальные нарушения опыления или налива зерна из-за раннего дневного воздушного потока. Аналогичным образом, в фазе выметывания метелки количество пустых зерен увеличилось на 60% (8 зерен). Обработка в 12:00 привела к увеличению количества пустых зерен на 20% в фазе колошения и поддерживала повышенный уровень на более поздних стадиях. Наиболее значительный рост наблюдался в фазе колошения при обработке в 15:00, где количество пустых зерен увеличилось на 75%, что подчёркивает возможное негативное влияние потока воздуха ротора на раннем репродуктивном этапе в условиях послеполуденного времени.

Общее количество колосков реагировало на воздушный поток ротора, в целом способствуя увеличению числа колосков на метелку. Обработка в 9:00 утра во время фазы метелки показала увеличение на 5,21% (101 колосок) по сравнению с контролем (96 колосков). Воздушный поток в 3:00 дня во время фазы цветения также привел к увеличению на 2,08% (104 колоска), что указывает на положительную реакцию на воздушный поток во время репродуктивных стадий. Обработка в 12:00 дня привела к небольшому улучшению на всех стадиях, при этом на стадии цветения было получено 103 колоска, что предполагает равномерное развитие колосков при полуденном воздушном потоке. Плодовитость колосков (%), ключевой фактор, определяющий урожайность риса, положительно реагировала на воздушный поток ротора во время фазы цветения. Обработка в 9:00 утра увеличила плодовитость колосков на 2,48% (97,14%) по сравнению с контролем, подчеркивая благоприятное влияние воздушного потока во время пика репродуктивной активности. Напротив, обработка в 15:00 во время фазы колошения вызвала снижение на 4,09% (90,9%), что указывает на отрицательное влияние позднего дневного воздушного потока на ранние репродуктивные стадии. Обработка в 12:00 поддерживала значения фертильности колосков, близкие к контрольным, что позволяет предположить, что воздушный поток в полдень оказывал нейтральное влияние на этот параметр. Вес метелки (г) варьировался в зависимости от времени обработки и стадии роста. Воздушный поток в 9:00 утра во время фазы колошения увеличил вес метелки на 12,9% (3,5 г) по сравнению с контрольной группой (3,1 г), что указывает на усиленное развитие зерна при раннем дневном воздушном потоке. Однако стадии метелки и цветения при этой обработке не показали существенных отличий от контроля. Обработка в 12:00 во время фазы колошения также привела к увеличению веса метелки на 6,45% (3,3 г). Обработка в 15:00 оказала незначительный эффект, при этом вес метелки оставался сопоставимым с контролем во время фазы цветения. Результаты данного исследования демонстрируют ключевую роль микроклиматической обработки с использованием роторного воздушного потока в регуляции роста и урожайности риса. Обработка в 9:00 утра во время репродуктивных фаз, особенно в период цветения, стабильно улучшала завязь зерна, количество выполненных зерен, фертильность колосков и вес метелки, что подтверждает потенциал раннего дневного воздушного потока для повышения репродуктивного успеха и урожайности. Напротив, позднедневная обработка в 15:00 оказывала неоднозначное влияние, значительно снижая завязь зерна и фертильность колосков на ранних стадиях роста, что свидетельствует о том, что время применения воздушного потока имеет решающее значение для максимизации агрономических преимуществ. Эти результаты открывают новые возможности понимания взаимодействия между искусственно созданным воздушным потоком и физиологическими реакциями риса, закладывая основу для оптимизации режимов роторного воздушного потока для максимизации урожайности. Данное исследование демонстрирует, что роторный микроклимат может улучшать ключевые показатели урожайности, такие как фертильность колосков и вес метелки, а также подчеркивает потенциальные компромиссы, связанные со временем подачи воздушного потока.Особенно в чувствительные репродуктивные фазы. Представленные здесь данные свидетельствуют о том, что обдув ранним утром во время цветения может служить агрономическим вмешательством для повышения урожайности риса в системах точного земледелия.

3.4. Влияние потока воздуха, создаваемого ротором, на компоненты урожая риса на разных стадиях

Воздушный поток, вызванный ротором, показал значительное влияние ( Таблица 3 ) на количество зерен в метелке, при этом обработка в 9:00 утра во время стадии цветения привела к заметному увеличению на 12,09% (102 зерна) по сравнению с контролем (91 зерно). Это говорит о том, что утренний воздушный поток во время стадии цветения усиливает завязывание и развитие зерна. Аналогичным образом, обработка на стадии метелки в 9:00 утра привела к увеличению количества зерен в метелке на 2,2% (93 зерна). Напротив, обработка в 3:00 дня во время стадии колошения не показала никаких улучшений, оставшись на уровне 90 зерен, что эквивалентно контролю, указывая на то, что позднедневный воздушный поток может не оказывать положительного влияния на формирование зерна на ранних репродуктивных стадиях ( Таблица 3 ). Эффект взаимодействия (RRS × GS) для зерен в метелке составил 0,034 для обработки в 9:00 утра, что подчеркивает относительно низкое влияние взаимодействия между сроками и стадией роста. При обработках в 12:00 и 15:00 эффект взаимодействия немного увеличился, что говорит о том, что поток воздуха ротора, применяемый позднее в течение дня, по-разному взаимодействует с стадиями роста риса, но по-прежнему оказывает минимальное влияние на количество зерен в метелке.

Таблица 3. Урожайность и биомасса риса под влиянием графиков ротации БПЛА на разных стадиях роста риса.

Воздушный поток ротора, примененный во время стадии цветения в 9:00 утра, привел к увеличению количества метелок на растении на 30,77% (17 метелок) по сравнению с контролем (13 метелок), что указывает на то, что ранний воздушный поток стимулирует репродуктивное кущение. Обработка в 12:00 во время стадии цветения имела аналогичный эффект с увеличением на 30,77% (17 метелок), что говорит о том, что полуденный воздушный поток также усиливает развитие побегов. Однако обработка в 3:00 дня во время стадии колошения не показала улучшения по сравнению с контролем, оставшись на уровне 14 метелок. Эффект взаимодействия (RRS × GS) для метелок на растение был самым высоким для обработки в 3:00 дня (0,030), что указывает на более сильную связь между поздним послеполуденным воздушным потоком и стадией роста риса по сравнению с ранним утренним и полуденным обработками.

Количество рисовых чешуек на растение значительно зависело от потока воздуха, создаваемого ротором, особенно в фазе цветения. Обработка в 9:00 утра во время цветения привела к значительному увеличению количества рисовых чешуек на растение на 46,55% (1734 чешуи) по сравнению с контрольной группой (1183 чешуи). Это свидетельствует о том, что ранняя обработка воздухом повышает потенциал налива зерна риса. Обработка в 12:00 во время фазы колошения также показала увеличение количества рисовых чешуек на растение, с улучшением на 11,24% по сравнению с контрольной группой. Однако обработка в 3:00 дня во время фаз выметывания и цветения показала более умеренный рост, количество рисовых чешуек на растение варьировалось от 1260 до 1632, что отражает меньшую восприимчивость к потоку воздуха во второй половине дня. Эффект взаимодействия для количества рисовых чешуек на растение был самым высоким при обработке в 3:00 дня (0,022), что позволяет предположить, что поток воздуха во второй половине дня сильнее взаимодействует с фазами роста, влияя на этот параметр.

Биологическая урожайность была улучшена больше всего при обработке в 9:00 утра на стадии колошения, которая показала увеличение на 38,37% (119 г растения ⁻¹ ) по сравнению с контролем (86 г растения ⁻¹ ), что подчеркивает значительную роль раннего воздушного потока в содействии общему производству биомассы. Обработки в 12:00 и 15:00 привели к немного меньшему увеличению биологической урожайности на стадиях колошения и цветения, но все еще продемонстрировали улучшения по сравнению с контролем. Стадия цветения в 12:00 привела к 40,70% увеличению биологической урожайности (121 г растения ⁻¹ ), в то время как обработка в 15:00 на стадии цветения привела к увеличению на 39,53% (120 г растения ⁻¹ ). Эффект взаимодействия (RRS × GS) составил 0,048 для обработки в 9:00 утра, что отражает заметное влияние потока воздуха, создаваемого ротором, на биологическую урожайность, особенно при применении в начале дня во время критических стадий роста.

Применение роторного воздушного потока во время стадии цветения в 9:00 утра привело к увеличению урожайности зерна на 70,75% (43,2 г растения⁻ ¹ ) по сравнению с контролем (25,3 г растения ⁻¹ ), что подчеркивает положительное влияние воздушного потока на конечное производство зерна. Аналогичным образом, обработка в 12:00 дня во время цветения привела к увеличению урожайности зерна на 58,49% (40,1 г растения ⁻¹ ). Обработка в 15:00 дня во время цветения показала увеличение на 53,75% (38,9 г растения ⁻¹ ), что свидетельствует о том, что, хотя воздушный поток во время стадии цветения полезен, ранний и полуденный воздушный поток более эффективен для повышения урожайности зерна, чем поздний послеполуденный воздушный поток. Эффект взаимодействия (RRS × GS) для урожайности зерна составил 0,035 для обработки в 9:00 утра, тогда как обработка в 12:00 дня продемонстрировала более высокий эффект взаимодействия (0,043), что подчеркивает важность как времени, так и стадии роста для максимального увеличения урожайности зерна.

Индекс урожайности, показатель эффективности преобразования биомассы в зерно, был значительно улучшен при роторном воздушном потоке. Обработка в 9:00 утра во время цветения привела к увеличению индекса урожайности на 26,61% (37,24%) по сравнению с контролем (29,41%), в то время как обработка в 12:00 дня во время цветения показала улучшение на 24,56% (33,14%). Обработка в 3:00 дня во время цветения также привела к существенному увеличению индекса урожайности (32,41%), хотя это было ниже, чем у более ранних обработок. Эффект взаимодействия (RRS × GS) для индекса урожайности составил 0,021 для обработки в 9:00 утра, в то время как обработка в 3:00 дня показала немного меньший эффект взаимодействия - 0,011. В этом исследовании представлены новые знания о влиянии микроклиматической инженерии с использованием роторного воздушного потока на рост риса и параметры урожайности. Результаты наглядно демонстрируют, что ранний обдув воздухом в 9:00 утра, особенно в фазу цветения, оказывает наиболее существенное влияние на повышение урожайности зерна, биологической урожайности и индекса массы урожая. Этот рост, варьирующийся от 70,75% урожайности зерна до 46,55% чеков с растения, подчеркивает потенциал роторного обдува как агрономического инструмента для повышения продуктивности риса в системах точного земледелия. Время применения обдува воздухом имеет решающее значение: полуденный обдув воздухом в 12:00 также демонстрирует значительное улучшение компонентов урожайности, хотя и в меньшей степени, чем ранний обдув воздухом. Поздний обдув воздухом в 15:00, хотя и остается полезным, в целом приводил к меньшему увеличению измеряемых параметров, что свидетельствует о том, что растения риса менее восприимчивы к вмешательству в обдув воздухом в конце дня. Взаимодействие между роторным обдувом и фазами роста риса (RRS × GS) в целом было от низкого до умеренного, что свидетельствует о том, что, хотя время применения обдува воздухом играет важную роль, фаза роста, на которой он применяется, не менее важна для максимизации агрономических преимуществ. Это исследование вносит вклад в растущий объем знаний о создании микроклимата в сельском хозяйстве и представляет новые стратегии оптимизации производства риса посредством целенаправленного воздействия на воздушный поток.

3.5. Корреляционный анализ в условиях созданных микроклиматов

Этот анализ предлагает новые insights в компромиссы между производством биомассы, репродуктивной эффективностью и наполнением зерна в условиях созданных микроклиматов, созданных воздушным потоком БПЛА. Отрицательные корреляции между биологической урожайностью и both процентом завязывания зерна и продолжительностью налива зерна подчеркивают хрупкий баланс между вегетативным ростом и производством зерна, что имеет crucial значение для оптимизации продуктивности культуры в условиях точного земледелия. Понимание этих корреляций provides ценное знание для разработки стратегий, которые повышают урожайность, одновременно управляя физиологическим стрессом у риса, particularly при использовании технологии БПЛА для манипуляции микроклиматом культуры с целью улучшения продуктивности. Матрица корреляции Пирсона (Рисунок 8) reveals сложное взаимодействие между ключевыми агрономическими и физиологическими признаками у риса, проливая свет как на положительные, так и на отрицательные связи. Процент завязывания зерна emerges как pivotal признак, показывающий умеренные положительные корреляции с диаметром стебля (0,39, p < 0,05) и продолжительностью налива зерна (0,33), указывая, что более толстые стебли и более длительные периоды налива зерна связаны с более высоким завязыванием. Однако notable отрицательная корреляция существует между процентом завязывания зерна и биологической урожайностью (-0,70, p < 0,001), предполагая, что в то время как биологическая урожайность (биомасса) увеличивается, процент завязывания зерна имеет тенденцию к снижению. Этот компромисс highlights ключевой баланс между распределением ресурсов растения в биомассу и репродуктивные структуры.

Рисунок 8. Матрица корреляции Пирсона между агрономическими признаками риса в условиях созданных микроклиматов. Значимые корреляции отмечены как p < 0,05 (*), p < 0,01 (**) и p < 0,001 (***).

Корреляция между биологической урожайностью и урожайностью зерна положительна (0,38, p < 0,05), демонстрируя, что более высокое общее производство биомассы может повышать урожайность зерна, но в то же время отрицательная корреляция между биологической урожайностью и процентом завязывания зерна implies, что увеличение биомассы не обязательно трансформируется в более высокий репродуктивный успех. Интересно, что урожайность зерна также exhibits отрицательную корреляцию с продолжительностью налива зерна (-0,46, p < 0,05), указывая, что более длительные периоды налива зерна могут actually быть detrimental для конечной урожайности зерна, possibly из-за конкуренции за ресурсы или extended воздействия стресса. Роль диаметра стебля significant, так как он положительно коррелирует с процентом завязывания зерна (0,39, p < 0,05) и marginally с урожайностью зерна (0,10, незначимо). Это suggests, что более толстые стебли могут поддерживать лучший репродуктивный успех и урожайность зерна, likely через improved структурную целостность и поток питательных веществ. Однако урожайность зерна имеет слабую и незначимую отрицательную связь с температурой полога (-0,09), отражая потенциальное влияние динамики микроклимата, где более высокие температуры могут slightly снижать урожайность.

Другим примечательным наблюдением является обратная зависимость между биологической урожайностью и продолжительностью налива зерна (−0,59, p < 0,01), что указывает на возможный компромисс, при котором увеличение биомассы может сократить фазу налива зерна, потенциально влияя на качество зерна. Более того, температура полога, хотя и не показывает высокозначимых корреляций, имеет положительную связь с процентом завязывания зерна (0,31) и продолжительностью налива зерна (0,07), предполагая, что более теплые полога могут поддерживать репродуктивные процессы, но могут ограничивать конечный урожай зерна, о чем свидетельствует ее отрицательная корреляция с урожайностью. Взаимосвязь между процентом плодовитости колосков и другими признаками слабая и в значительной степени незначимая, что указывает на то, что этот признак может не играть центральной роли в прямом влиянии на урожайность или биомассу в изучаемых условиях. Однако его минимальные корреляции подчеркивают сложность факторов, определяющих репродуктивный успех риса.

3.5.1 Биологическая урожайность в зависимости от процента завязывания зерна и продолжительности налива зерна

Сильные отрицательные корреляции между биологической урожайностью и процентом завязывания зерна (−0,70, p < 0,001) и продолжительностью налива зерна (−0,59, p < 0,01) указывают на явный компромисс между накоплением биомассы и репродуктивным успехом. Этот результат предполагает, что в условиях, когда благоприятствует производству биомассы, может быть конкуренция за ресурсы (такие как питательные вещества или продукты фотосинтеза) между вегетативным ростом и развитием зерна. Одним из возможных объяснений этого может быть то, что увеличенная вегетативная биомасса требует больше ресурсов, что снижает распределение на репродуктивные органы, такие как зерна, что приводит к снижению налива зерна и процента завязывания. В искусственных микроклиматах, особенно тех, которые вызваны потоком воздуха БПЛА или измененной динамикой ветра, микроклимат вокруг растения может влиять на скорость транспирации, поглощение питательных веществ и фотосинтез. Эти изменения могут способствовать вегетативному росту (биомассе) за счет репродуктивного выхода, таким образом объясняя этот компромисс.

3.5.2. Урожайность зерна и продолжительность налива зерна

Отрицательная корреляция между урожайностью зерна и продолжительностью налива зерна (−0,46, p < 0,05) свидетельствует о том, что более продолжительные периоды налива зерна не всегда приводят к более высокой урожайности. Одной из возможных причин этого может быть то, что длительное налив зерна является адаптивной реакцией на стрессовые условия, такие как неблагоприятные температуры или дефицит питательных веществ, которые могут препятствовать эффективному производству зерна. Более того, более продолжительное налив зерна может подвергать развивающееся зерно дополнительному стрессу, такому как высокие температуры или дефицит воды, что может снизить потенциал урожайности. Контролируемый микроклимат, создаваемый БПЛА, также может создавать более однородные, но потенциально стрессовые условия (например, повышенную турбулентность воздуха или измененное распределение тепла), что дополнительно влияет на процесс налива зерна.

3.5.3 Диаметр стебля и процент завязи зерна

Положительная корреляция между диаметром стебля и процентом завязывания зерен (0,39; p < 0,05) указывает на то, что растения с более толстыми стеблями, как правило, имеют более высокую завязываемость зерен. Эта связь может быть обусловлена ​​тем, что более толстые стебли обеспечивают лучшую структурную поддержку и более эффективно транспортируют питательные вещества и воду к репродуктивным органам, тем самым повышая вероятность развития и завязывания зерен. Кроме того, более толстые стебли могут быть более устойчивы к механическим нагрузкам, в том числе создаваемым ветром или потоками воздуха от БПЛА, обеспечивая лучшую устойчивость и распределение питательных веществ к зеренам.

3.5.4 Биологическая урожайность и урожайность зерна

Положительная корреляция между биологической урожайностью и урожайностью зерна (0,38, p < 0,05) означает, что увеличение общей биомассы, как правило, связано с более высоким производством зерна. Это говорит о том, что, несмотря на наличие компромисса с репродуктивной эффективностью (например, процентом завязывания зерна), более высокая биомасса всё же может положительно влиять на урожайность при определённых условиях. Эта корреляция может указывать на хорошо управляемые среды, где достаточно питательных веществ и воды, что позволяет растению поддерживать как вегетативный рост, так и производство зерна. Однако при ограниченности ресурсов или при воздействии экологического стресса (например, изменения скорости ветра, температуры или влажности из-за воздействия БПЛА), баланс может смещаться в сторону вегетативного роста над репродуктивным, что отражается в других отрицательных корреляциях.

3.5.5 Температура навеса

Хотя температура полога не демонстрировала высокозначимых корреляций, её положительная связь с процентом завязывания зерна (0,31) и продолжительностью налива зерна (0,07) предполагает потенциальное влияние температуры на репродуктивное развитие. В микроклимате, создаваемом потоком воздуха от БПЛА, колебания температуры могут как способствовать, так и препятствовать репродуктивному успеху, в зависимости от времени и интенсивности потока воздуха. Небольшое повышение температуры полога может стимулировать налив и завязывание зерна в оптимальных условиях, но чрезмерное тепло может отрицательно повлиять на урожайность зерна, о чём свидетельствует отрицательная корреляция с урожайностью зерна (−0,09). Эти тонкие связи указывают на важность тщательного контроля потока воздуха от БПЛА, чтобы избежать теплового стресса и одновременно улучшить микроклиматические условия, благоприятствующие развитию зерна.

3.5.6 Процент плодовитости колосков

Интересно, что процент фертильности колосков показал слабую и незначимую корреляцию с большинством других признаков, что позволяет предположить, что на неё могут влиять факторы, не учтённые в текущем анализе, такие как генетическая изменчивость или другие условия окружающей среды, не подверженные непосредственному влиянию микроклимата, создаваемого БПЛА. Это может указывать на то, что, хотя фертильность колосков критически важна для репродуктивного успеха, она действует независимо от других признаков, измеряемых в данном контексте.

Термический эффект воздушного потока от роторов на стадиях выхода в трубку, метелки и цветения риса подчеркивает важность оптимизации микроклиматической инженерии на основе роторов БПЛА для управления колебаниями температуры и улучшения продуктивности риса в условиях теплового стресса [2,15]. Прецизионная инженерия микроклимата с помощью роторных стен ветра является уникальной и критически важной стратегией для оптимизации урожайности риса. Синхронизируя операции БПЛА с суточными колебаниями температуры, фермеры могут смягчать термический стресс, усиливать рост растений и улучшать урожайность [13,16]. В частности, утренние вылеты БПЛА (06:00–09:00) используют более прохладные температуры (29,35 °C) и сниженную изменчивость (σ = 0,24579) для promoting оптимального развития метелки. В contrast, послеполуденные операции (12:00–15:00) требуют тщательного управления для минимизации риска теплового стресса. Наши экспериментальные findings предположили, что распределения частоты температуры ветра, создаваемые нашей роторно-индуцированной стеной ветра или операциями БПЛА, изменяют микроклимат в разное время суток. Ранне-утренние операции БПЛА или расписание стены ветра предлагают более благоприятные условия для стадии выхода в трубку риса, в то время как полуденные и послеполуденные ветровые режимы вносят большую изменчивость, которая could потенциально hinder оптимальное развитие зерна. Это наблюдение заключается в идентификации specific времени работы ветра, которые являются наиболее beneficial для рисовых культур [17,18], причем ранне-утренние операции показывают наиболее стабильный микроклимат [19], способствующий повышению урожайности на критической стадии выхода в трубку [3,4]. Оптимизируя воздушный поток от роторов БПЛА в это время, фермеры могут лучше контролировать микроклимат и снижать неблагоприятные impacts теплового стресса [15,20], таким образом улучшая качество зерна и общую продуктивность [21]. Эти данные усиливают важность прецизионной инженерии микроклимата для оптимизации производства риса с помощью технологии БПЛА [22,23].

Изменение микроклимата посредством операций БПЛА или нисходящего потока воздуха и его температурных результатов подчеркивает, как температура ветра, а следовательно, и микроклимат, изменяются в течение дня, с частотой, достигающей пика прохладным утром и становящейся более рассеянной по мере развития дня [ 24 , 25 , 26 ]. Интегрируя управление микроклиматом на основе БПЛА с методами точного земледелия, фермеры могут повысить урожайность до 18,2%, снизить тепловой стресс на 25,8% и улучшить качество зерна [ 5 , 6 ]. Колебания температуры ветра существенно влияют на рост риса во время стадии цветения. Оптимизация работы роторной ветровой стены БПЛА для смягчения температурных колебаний, в частности, путем правильного расчета времени работы роторной ветровой стены или полета БПЛА в течение дня, является новой стратегией для повышения устойчивости сельскохозяйственных культур, снижения теплового стресса и улучшения общей урожайности и качества риса [ 6 , 7 ]. Интеграция инженерии микроклимата с помощью БПЛА представляет собой передовой прогресс в устойчивом выращивании риса. Наши результаты показывают, что суточные колебания температуры ветра значительно влияют на рост риса во время стадии цветения, при этом утренние температуры (9:00 утра, 29,35 °C) оптимально поддерживают развитие метелки. Напротив, повышение и изменчивость дневной (12:00 дня, 29,48 °C) и дневной (3:00 дня, 29,00 °C) температуры приводят к рискам теплового стресса, что ставит под угрозу опыление и потенциально снижает урожайность до 15%. Это исследование является пионером нового подхода к точному земледелию, использующего технологию ветровой стены ротора БПЛА для смягчения экстремальных температур и улучшения условий микроклимата [ 8 ]. Оптимизируя работу БПЛА, фермеры могут создавать устойчивые, высокоурожайные культуры риса, повышая производительность на 20% и улучшая качество зерна [ 21 ]. Эта инновационная стратегия предлагает устойчивое решение для точного земледелия, сводя к минимуму воздействие на окружающую среду и максимизируя потенциал урожая. Изменение температуры и частоты ветра в разное время суток изменяет микроклимат вокруг растений риса [ 25 ]. Утром, с более низкими температурами ветра и большей стабильностью, растения, вероятно, будут находиться в более прохладной, менее стрессовой среде. По мере того, как температура ветра повышается к полудню, микроклимат становится теплее, что может вызвать тепловой стресс, особенно в критический период цветения [ 21 , 23 ]. Дневные ветры, несмотря на несколько более низкие средние температуры, демонстрируют большую изменчивость, что может привести к колебаниям микроклиматических условий вокруг растений. Скорости ветра демонстрируют широкое распределение и дают ценную информацию о том, как можно оптимизировать воздушный поток, создаваемый БПЛА, в течение дня [ 27]. Выполнение операций БПЛА около полудня, когда скорость естественного ветра выше, может усилить микроклиматические эффекты, потенциально улучшая циркуляцию воздуха, уменьшая тепловой стресс и усиливая транспирацию у растений риса [ 9 , 10 ]. График показывает четкую суточную закономерность в распределении скорости ветра во время стадии метелки риса. Скорость ветра имеет тенденцию увеличиваться с 9:00 до 12:00, достигая пика около полудня, а затем уменьшается днем ​​к 15:00. Эта тенденция говорит о том, что условия полуденного ветра сильнее и более изменчивы, что может существенно влиять на микроклиматические условия вокруг метелок риса [ 28 ]. Результаты показывают отчетливую суточную закономерность, при этом скорость ветра увеличивается с утра до полудня, а затем уменьшается к середине дня [ 11 , 29 ]. В частности, с 9:00 до 12:00 скорость ветра увеличивается примерно на 33,33%, а пиковая частота смещается с 1,2 м/с до 1,6 м/с. Однако с 12:00 до 15:00 скорость ветра падает на 37,5%, а пиковая частота возвращается к 1,0 м/с. Это суточное изменение скорости ветра подчеркивает потенциал для оптимизации операций БПЛА в полдень, когда естественная скорость ветра выше и более изменчива [ 8 , 12 ]. Выполнение инженерии микроклимата с помощью БПЛА около полудня может улучшить циркуляцию воздуха, уменьшить тепловой стресс и улучшить транспирацию в посевах риса [ 30 , 31 ]. Эти результаты подчеркивают важность выбора времени полетов БПЛА для использования естественной динамики ветра, особенно во время критических стадий роста, таких как стадия метелки, чтобы максимизировать преимущества управления микроклиматом для повышения урожайности и качества сельскохозяйственных культур [ 13 ].

Во время стадий выметывания и цветения риса динамика скорости ветра привела к отчетливым суточным моделям ветра, где обе стадии роста показали увеличение скорости ветра от утра к полудню, но с более высокой интенсивностью дневного ветра во время стадии цветения. Эти суточные колебания предполагают, что дневные ветры, особенно во время стадии цветения, могут оказывать более сильное влияние на динамику микроклимата, потенциально влияя на такие важные физиологические процессы, как опыление и налив зерна, что в конечном итоге способствует производительности риса [ 32 ]. Во время стадии колошения относительно низкие скорости ветра утром (с пиком 0,2 м/с в 9:00 утра) предполагают спокойные атмосферные условия, которые могут способствовать начальному развитию рисовых метелок, минимизируя механическое напряжение и обеспечивая стабильные условия микроклимата для фотосинтеза. Однако по мере того, как скорость ветра к полудню увеличивается примерно до 1,2–1,6 м/с, может увеличиться эвапотранспирация, что потенциально приведет к более высокой потребности растений риса в воде. В то время как умеренный ветер может способствовать лучшей циркуляции воздуха в пологе, снижая риск развития грибковых заболеваний, чрезмерно сильный ветер может привести к физическому повреждению нежных метелок, что приводит к потерям урожая. Усиление ветра во второй половине дня также может нарушить микроклимат, влияя на тонкий баланс температуры и влажности, который критически важен для правильного налива зерна [ 33 ].

Во время стадии цветения более высокие скорости ветра, наблюдаемые утром и днем ​​(со средними значениями, превышающими 1,1 м / с в оба времени), могут иметь как полезные, так и вредные эффекты. Положительные эффекты включают лучшее рассеивание пыльцы, что может повысить эффективность опыления, что приводит к улучшенной завязываемости зерна и, в конечном счете, к более высокой урожайности [ 18 , 34 ]. Циркуляция воздуха, вызванная ветром (может быть, местного воздуха), также может помочь снизить уровень влажности вокруг цветов, снижая риск грибковых инфекций, таких как пирикуляриоз. Однако недостатком этих более высоких скоростей ветра, особенно днем, может быть повышенное высыхание цветов, особенно в критические периоды цветения [ 22 , 35 ]. Высокая скорость ветра может привести к преждевременному опаданию цветов или неполному опылению, что отрицательно влияет на налив зерна и приводит к снижению урожайности [ 30 , 36 ].

С агрономической точки зрения, результаты данного исследования демонстрируют ключевую роль микроклиматической инженерии с использованием роторного воздушного потока в регуляции роста и урожайности риса. Обработки в 9:00 утра во время репродуктивных стадий, особенно во время цветения, последовательно улучшали завязь зерна, количество выполненных зерен, фертильность колосков и вес метелки, подчеркивая потенциал раннего дневного воздушного потока для повышения репродуктивного успеха и урожайности. Напротив, позднедневный воздушный поток в 15:00 имел неоднозначные эффекты, со значительным снижением завязи зерна и фертильности колосков на ранних стадиях роста, что позволяет предположить, что время применения воздушного потока имеет решающее значение для максимизации агрономических преимуществ. Эти результаты вносят новый взгляд на взаимодействие между инженерным воздушным потоком и физиологическими реакциями риса, обеспечивая основу для оптимизации графиков роторного воздушного потока для максимизации урожайности. Данное исследование демонстрирует, что микроклимат, создаваемый ротором, может улучшить ключевые показатели урожайности, такие как плодовитость колосков и вес метелки, а также подчёркивает потенциальные компромиссы, связанные со временем подачи воздуха, особенно в чувствительные репродуктивные фазы. Представленные здесь данные свидетельствуют о том, что подача воздуха в ранние утренние часы во время цветения может служить агрономическим вмешательством для повышения урожайности риса в системах точного земледелия.

Интеграция воздушного потока ротора БПЛА в точное земледелие представляет собой новый подход к совершенствованию агротехники за счет использования его двойной роли: улучшения процессов удобрения и смягчения микроклиматических условий. Наше исследование выявило значительные преимущества, особенно на критических стадиях роста, таких как цветение и колошение. Воздушный поток, создаваемый БПЛА, снижал стерильность пыльцы, оптимизировал ее распределение и улучшал аэрацию в рисовом пологе. Эти эффекты способствовали улучшению перекрестного опыления, что приводило к более высокой скорости завязывания семян и повышению урожайности зерна. Кроме того, индуцированный воздушный поток помогал регулировать температуру и влажность, смягчая тепловой стресс и обеспечивая лучшее наполнение зерна в различных климатических условиях. Однако были также выявлены потенциальные риски, связанные с воздушным потоком, создаваемым ротором, особенно на ранних стадиях вегетации. Ветровой стресс создавал проблемы для молодых растений риса с хрупкими стеблями, потенциально нарушая укоренение корней, задерживая кущение и уменьшая количество продуктивных побегов. Чрезмерный ветровой стресс на этой стадии может привести к снижению роста и неравномерному развитию растений, что в конечном итоге скажется на урожайности. Для решения этих компромиссных задач мы исследовали оптимальные параметры полёта БПЛА, включая высоту, скорость и продолжительность воздействия, чтобы сбалансировать преимущества и риски. Наши результаты показали, что умеренная скорость ветра, создаваемого ротором (3–5 м/с), во время цветения и колошения значительно улучшает опыление и терморегуляцию, не нарушая целостности растений. Напротив, на ранних стадиях вегетации мы минимизировали ветровую нагрузку, снижая скорость ветра, создаваемого ротором, и корректируя график полётов, обеспечивая безопасные рабочие пороги для укоренения рассады.

Осознавая практические последствия, мы подчеркнули адаптируемость создаваемого БПЛА воздушного потока в реальных условиях, где на результаты влияют такие переменные, как направление ветра, температура окружающей среды и рельеф местности. Адаптация в полевых условиях, такая как адаптация параметров полета БПЛА с учетом этих факторов, имеет решающее значение для смягчения локального ветрового стресса и максимизации выгод для сельскохозяйственных культур. Уточняя графики полетов и настройки БПЛА, можно стратегически применять микроклиматическую инженерию для поддержки ключевых стадий роста, минимизируя риски. Наше исследование подчеркивает тонкий баланс между преимуществами снижения стерильности пыльцы и повышения эффективности удобрения, а также рисками ветрового стресса на ранних стадиях роста. Благодаря тщательной калибровке параметров полета БПЛА мы продемонстрировали потенциал использования преимуществ технологии БПЛА в точном земледелии, одновременно смягчая ее ограничения. Эти знания способствуют более полному пониманию создаваемого БПЛА воздушного потока и его практического применения для оптимизации урожайности сельскохозяйственных культур.

Результаты ясно показывают, что обдув ранним утром в 9:00 утра, особенно во время фазы цветения, оказывает наиболее сильное влияние на повышение урожайности зерна, биологической урожайности и индекса массы урожая. Эти увеличения, варьирующиеся от 70,75% урожайности зерна до 46,55% чеков на растение, подчеркивают потенциал роторного обдува как агрономического инструмента для повышения продуктивности риса в системах точного земледелия. Время применения обдува имеет решающее значение, при этом обдув днем ​​в 12:00 также показывает значительные улучшения компонентов урожайности, хотя и в меньшей степени, чем обдув ранним днем. Обдув поздним вечером в 15:00, хотя и остается полезным, в целом приводит к меньшему увеличению всех измеряемых параметров, что позволяет предположить, что растения риса менее восприимчивы к вмешательствам в обдув в конце дня. Эффекты взаимодействия между потоком воздуха, создаваемым ротором, и стадиями роста риса (RRS × GS) в целом были от низких до умеренных, что указывает на то, что, хотя время подачи воздуха играет важную роль, стадия роста, на которой он применяется, не менее важна для максимизации агрономических преимуществ. Данное исследование вносит вклад в растущий объём знаний о микроклиматической инженерии в сельском хозяйстве и представляет новые стратегии оптимизации производства риса посредством целенаправленного воздействия на поток воздуха [ 34 , 37 ].

Изменения параметров растений риса при различных графиках работы ротора (RRS) и стадиях роста (GS) можно объяснить несколькими физиологическими и микроклиматическими факторами. Воздушный поток, вызываемый ротором, изменяет микросреду вокруг растений риса, влияя на критические параметры, такие как температура, влажность и концентрация CO2 , которые напрямую связаны с метаболическими процессами растений, такими как фотосинтез, транспирация и налив зерна. Ранний утренний поток воздуха ротора (9:00 утра) оказал наиболее положительное влияние на параметры роста, особенно во время стадии цветения, когда он значительно увеличил урожайность зерна и налив зерна. Это может быть связано с тем, что ранние утренние условия обычно имеют оптимальные температуры и более высокую влажность, которые улучшают водный баланс растений и скорость фотосинтеза. Воздушный поток в это время может также повышать эффективность газообмена, способствуя фотосинтетической активности и лучшему распределению ресурсов для налива зерна [ 38 ]. Воздушный поток ротора в ранние часы может способствовать рассеиванию тепла, снижая температуру листового полога и смягчая тепловой стресс, который, как известно, негативно влияет на завязывание зерна и общую урожайность. Увеличение обмена CO2 : Воздушный поток ротора может увеличить доступность CO2 вокруг поверхности листьев, усиливая фотосинтез, особенно на таких стадиях роста, как колошение и цветение, когда растения испытывают высокие метаболические потребности [ 39 ].

Разные стадии роста обладают разной физиологической чувствительностью к условиям окружающей среды, таким как температура и воздушный поток, что объясняет различное воздействие роторного воздушного потока на растения риса. Наибольшая чувствительность к роторному воздушному потоку наблюдалась на стадии цветения: обработка в 9:00 утра на этой стадии привела к наибольшему увеличению урожайности зерна (70,75%) и количества продуктивных побегов (30,77%). Цветение – критическая стадия, когда стресс окружающей среды, особенно тепловой, может существенно повлиять на завязываемость зерна и фертильность колосков. Воздушный поток на стадии цветения, вероятно, повысил жизнеспособность пыльцы и эффективность опыления за счет снижения температуры микроклимата и усиления циркуляции воздуха вокруг метелок.

Стадии колошения и метелки также выиграли от потока воздуха, особенно с точки зрения продуктивных побегов и диаметра стебля, но эффекты были более умеренными. Это может быть связано с тем, что эти стадии менее чувствительны к экстремальным температурам и больше выигрывают от механической стимуляции и корректировки микроклимата, производимой потоком воздуха. Время суток влияет на физиологические процессы растений, такие как фотосинтез и транспирация, которые, в свою очередь, влияют на параметры роста, такие как диаметр стебля, площадь флагового листа и продолжительность налива зерна. Поток воздуха в 9:00 утра оказал наиболее благоприятное влияние на различных стадиях роста, вероятно, из-за более прохладных утренних температур и меньшей потребности в испарении. Это способствует более эффективному использованию воды, лучшему расширению листьев (площадь флагового листа) и улучшенному наполнению зерна. Напротив, поток воздуха в 3:00 дня, когда температуры выше, а скорость эвапотранспирации достигает пика, показал меньший прирост, так как растение может испытывать больший стресс в этот период [ 29 ].

Утренний поток воздуха может предотвратить закрытие устьиц из-за теплового стресса, обеспечивая непрерывный фотосинтез и рост, что может объяснить значительное увеличение таких параметров, как диаметр стебля и площадь флагового листа. Дневной поток воздуха менее эффективен, поскольку более высокие температуры и больший дефицит давления пара снижают способность растения поддерживать оптимальный газообмен, что приводит к меньшему улучшению роста растений и урожайности. Механическая сила, создаваемая роторным потоком воздуха, может действовать как форма механической стимуляции (тигмоморфогенеза), влияя на морфологию растений и компоненты урожайности. Увеличение диаметра стебля и площади флагового листа при обработках в 9:00 и 12:00 позволяет предположить, что вызванный ротором механический стресс мог спровоцировать тигмоморфогенные реакции у растений риса, что привело к структурному укреплению и усиленному расширению листьев. Эти морфологические адаптации, вероятно, способствовали более высоким компонентам урожайности, таким как количество выполненных зерен и вес зерна.

Растения, подвергающиеся воздействию механических сил, часто демонстрируют более толстые стебли в качестве структурной адаптации для уравновешивания приложенного стресса [ 31 ]. В этом исследовании поток воздуха мог стимулировать эту реакцию, что привело к получению более крупных и крепких растений, способных поддерживать большую урожайность зерна. Продолжительность налива зерна и индекс уборки напрямую зависят от времени и продолжительности благоприятных условий окружающей среды, которые улучшаются потоком воздуха ротора в определенное время суток. Обработка на стадии цветения в 9:00 утра привела к значительно более высокому индексу уборки (37,24%) и урожайности зерна (43,2 г растение ⁻¹ ), что указывает на то, что поток воздуха в это время улучшил распределение ресурсов в сторону репродуктивных органов. Это могло быть связано с улучшением микроклимата, который продлил период налива зерна и снизил стерильность, вызванную температурой. Поток воздуха, вероятно, способствовал более низким температурам и лучшей эффективности транспирации на стадии налива зерна, что привело к более эффективному распределению углеводов в зернах [ 31 , 40 ]. Более длительная продолжительность налива зерна при обработке потоком воздуха подтверждает этот вывод, поскольку у растений было больше времени для накопления и распределения ассимилятов для развития зерна.

Плодородность колосков и параметры урожайности очень чувствительны к колебаниям температуры, которые сглаживаются потоком воздуха ротора. Обработка на стадии цветения в 9:00 утра значительно увеличила плодовитость колосков и количество выполненных зерен благодаря улучшенной циркуляции воздуха и пониженной температуре полога. Более прохладный микроклимат, создаваемый ранним утренним потоком воздуха, вероятно, повысил жизнеспособность пыльцы и успешность оплодотворения, что привело к более высокому завязыванию зерен и меньшему количеству пустых зерен. Оптимальные температуры во время репродуктивной фазы имеют решающее значение для плодовитости колосков, поскольку высокие температуры могут вызвать высыхание пыльцы или повреждение рыльца. Смягчая температуру полога, поток воздуха ротора предотвратил потерю плодовитости, вызванную тепловым стрессом, что напрямую способствовало повышению урожайности. Зависимость между скоростью ветра и температурой ветра в три различных времени суток — 9:00, 12:00 и 15:00 — показана на рисунке 1 . Диаграмма рассеяния показывает небольшое повышение температуры ветра в 9:00 утра по мере увеличения скорости ветра, хотя корреляция остается слабой, при средней температуре около 26,5 °C. Скорость ветра от 0,0 до 2,0 м/с вызывает незначительные колебания, что приводит к изменению температуры приблизительно на 1–2%. Это умеренное увеличение скорости ветра утром может принести пользу росту риса на вегетативной стадии за счет улучшения газообмена, охлаждения поверхности листьев и снижения давления болезней. Однако на этой стадии слабая корреляция указывает на то, что другие факторы, такие как влажность почвы, могут оказывать более сильное влияние на стресс растений, с минимальным негативным воздействием [ 41 ].

К полудню зависимость становится более разбросанной, с температурой ветра в диапазоне от 26 °C до 28 °C, что указывает на более широкую изменчивость по мере увеличения скорости ветра. Хотя температура ветра не растет прямо пропорционально скорости ветра, при более высоких скоростях можно наблюдать общее увеличение примерно на 5%. В это время растения риса могут испытывать повышенную скорость транспирации из-за повышения температуры. Сочетание умеренной скорости ветра и слегка повышенных температур может положительно влиять на фотосинтез и усвоение питательных веществ, особенно в период кущения или ранних репродуктивных стадий. Однако чрезмерное увеличение скорости ветра может привести к водному стрессу, если уровень влажности почвы недостаточен, что отрицательно скажется на развитии растений и приведет к снижению образования побегов.

Во второй половине дня температура ветра еще больше повысилась, в диапазоне от 27 °C до 28 °C, что указывает на более теплые условия по сравнению с ранним днем. Хотя скорость ветра достигает 4,0 м/с, корреляция между скоростью ветра и температурой остается слабой, хотя потенциальное повышение температуры на 2% очевидно при более высоких скоростях ветра. К этому времени повышенная скорость ветра в сочетании с более высокими температурами, возможно, оказали неоднозначное влияние на рост риса. С положительной стороны, более сильные дневные ветры могут помочь охладить полог, уменьшить тепловой стресс и поддержать процесс налива зерна, поддерживая оптимальные температуры для ферментативной активности. Однако чрезмерная скорость ветра, особенно во время чувствительной стадии цветения, может увеличить скорость эвапотранспирации и привести к потере влаги, отрицательно влияя на опыление и завязывание зерна. Кроме того, высокие температуры в сочетании с ветром могут усугубить тепловой стресс, что приведет к стерильности колосков и снижению качества зерна [ 28 ].

Взаимодействие скорости ветра и температуры по-разному влияет на рост риса. Утром умеренная скорость ветра обеспечивает небольшое охлаждение и улучшенный газообмен (увеличение на 1–2%), способствуя здоровью растений на ранней стадии. В полдень более широкое распределение и небольшое повышение температуры (5%) могут поддерживать рост, но чрезмерная скорость ветра может привести к водному стрессу. Во второй половине дня сочетание более высоких температур и возросшей скорости ветра (увеличение на 2%) может либо смягчить тепловой стресс, либо усугубить потерю влаги, в зависимости от стадии роста риса и условий окружающей среды [ 13 , 38 ]. Эта динамика подчеркивает тонкий баланс между взаимодействием ветра и температуры, причем их положительные эффекты, такие как усиленное охлаждение, улучшенный газообмен и снижение теплового стресса, потенциально компенсируются отрицательными воздействиями, такими как повышенная потеря воды, тепловой стресс и снижение эффективности опыления во время критических репродуктивных стадий [ 16 , 42 ]. Управление этими факторами имеет решающее значение для оптимизации урожайности и качества риса в условиях воздействия ветра.

Корреляционный анализ предлагает новые знания о том, как искусственный микроклимат, особенно тот, который формируется под воздействием воздушного потока ротора БПЛА, влияет на рост и урожайность риса. Наблюдаемые компромиссы между производством биомассы, завязью зерна и продолжительностью налива зерна позволяют предположить, что микроклимат, создаваемый БПЛА, может отдавать приоритет вегетативному росту над репродуктивным, что подчеркивает необходимость тщательного управления этим микроклиматом для оптимизации как биомассы, так и урожайности зерна. Кроме того, влияние таких факторов, как диаметр стебля на процент завязи зерна и смешанное воздействие температуры полога, подчёркивает сложную динамику, управляющую реакцией растений на контролируемые изменения окружающей среды. Понимание этих корреляций крайне важно для разработки стратегий, использующих технологию БПЛА в точном земледелии для повышения урожайности сельскохозяйственных культур, одновременно управляя компромиссами между различными агрономическими характеристиками. Данное исследование закладывает основу для будущих исследований, посвященных тонкому регулированию микроклимата, создаваемого БПЛА, для достижения баланса между вегетативным и репродуктивным успехом при выращивании риса.

Воздушный поток, индуцированный БПЛА, играет критическую роль в изменении микроклимата риса, особенно на стадиях выхода в трубку, формирования метелки и цветения. Регулируя скорость ветра и температуру, нисходящий поток ротора создает стабильные условия, идеальные для переноса пыльцы, налива зерна и сохранения влаги на критических стадиях роста (выход в трубку, метелка и цветение). Утренние вмешательства БПЛА (9:00) стабилизируют микроклимат с мягкими температурами и оптимальными скоростями ветра, способствуя здоровому цветению и минимизируя стресс. Полуденный воздушный поток способствует испарительному охлаждению, но требует тщательного управления скоростью ветра для предотвращения влажностного стресса и физических повреждений. Поздне-послеполуденные (15:00) вмешательства сохраняют влажность растений и предотвращают термический стресс. Примечательно, что воздушный поток от роторов в 9:00 durante цветения увеличил урожайность зерна на 70,75%, количество зерновок на растение на 46,55% и индекс урожая на 26,61%. Последовательно, ранне-утренние обработки улучшали ключевые параметры роста и урожайности, особенно durante цветения. В то время как полуденный (12:00) воздушный поток показал положительные эффекты, поздне-послеполуденные вмешательства имели минимальный impact. Эти findings подчеркивают критическую роль точного времени применения воздушного потока в инженерии микроклимата, выделяя вмешательства в 9:00 на стадии цветения для оптимизации роста, продуктивности и устойчивости риса.

Технология БПЛА, с ее растущим рыночным спросом и интеграцией с ИИ, МО и IoT, революционизирует точное земледеле, предлагая данные в реальном времени с высоким разрешением для эффективного распределения ресурсов и управления окружающей средой. Эти технологии адаптируются к различным культурам и могут масштабироваться для крупных сельскохозяйственных операций, повышая устойчивость, эффективность и климатическую resilience.

References

1.    Kuroyanagi, T.; Yoshikoshi, H.; Kinoshita, T.; Kawashima, H. Use of air circulation to reduce wet leaves under high humidity conditions. Environ. Control Biol. 2013, 51, 4–8. [Google Scholar] [CrossRef]

2.    Bai, X.; Cao, Z.; Wang, Y.; Ye, M.N.; Yu, Z.H.; Li, Y.N. Morphology-based field rice density detection from rice transplant stage to rice jointing stage. Soc. Photo-Opt. Instrum. Eng. (SPIE) Conf. Ser. 2013, 8919, 89190G. [Google Scholar] [CrossRef]

3.    Anderson-Teixeira, K.J.; Delong, J.P.; Fox, A.M.; Brese, D.A.; Litvak, M.E. Differential responses of production and respiration to temperature and moisture drive the carbon balance across a climatic gradient in New Mexico. Glob. Change Biol. 2011, 17, 410–424. [Google Scholar] [CrossRef]

4.    Bournet, P.; Boulard, T. Effect of ventilator configuration on the distributed climate of greenhouse: A review of experimental and CFD studies. Comput. Electron. Agric. 2010, 74, 1308–1314. [Google Scholar] [CrossRef]

5.    Brinkman, J.L.; Johnson, C.E. Effects of downwash from a 6-rotor unmanned aerial vehicle (UAV) on gas monitor concentrations. Min. Metall. Explor. 2021, 38, 1789–1800. [Google Scholar] [CrossRef]

6.    Chaerle, L.; Saibo, N.; Van Der Straeten, D. Tuning the pores: Towards engineering plants for improved water use efficiency. Trends Biotechnol. 2005, 23, 1308–1314. [Google Scholar] [CrossRef]

7.    Chen, H.; Lan, Y.; Fritz, B.K.; Hoffmann, W.C.; Liu, S. Review of agricultural spraying technologies for plant protection using unmanned aerial vehicles (UAV). Int. J. Agric. Biol. Eng. 2021, 14, 28–49. [Google Scholar] [CrossRef]

8.    Chen, S.; Lan, Y.; Bradley, K.F.; Li, J.; Liu, A.; Mao, Y. Effect of wind field below rotor on distribution of aerial spraying droplet deposition by using multi-rotor UAV. Nongye Jixie Xuebao/Trans. Chin. Soc. Agric. Mach. 2017, 48, 9. [Google Scholar] [CrossRef]

9.    Chen, S.; Yu, S.H.; Kang, Y.H.; Choi, Y.; Dafsari, R.A.; Lee, J. Experimental analysis of the downwash airflow created by a single rotor blade in agricultural drones. J. Biosyst. Eng. 2021, 46, 317–331. [Google Scholar] [CrossRef]

10. Downes, B.P.; Steinbaker, C.R.; Crowell, D.N. Expression and processing of a hormonally regulated β-expansin from soybean. Plant Physiol. 2001, 126, 1308–1314. [Google Scholar] [CrossRef]

11. Elings, A.; Meinen, E.; Campen, J.; Stanghellini, C. The photosynthesis response of tomato to air circulation. Acta Hortic. 2007, 761, 77–84. [Google Scholar] [CrossRef]

12. Fatnassi, H.; Boulard, T.; Demrati, H.; Bouirden, L.; Sappe, G. Ventilation performance of a large Canarian-type greenhouse equipped with insect-proof nets. Biosyst. Eng. 2002, 82, 1308–1314. [Google Scholar] [CrossRef]

13. Fellner, H.; Dirnberger, G.F.; Sterba, H. Specific leaf area of European Larch (Larix decidua Mill.). Trees 2016, 30, 1237–1244. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]

14. Steel, R.G.D.; Torrie, J.H. Principles and Procedures of Statistics: A Biometrical Approach, 2nd ed.; McGraw-Hill: New York, NY, USA, 1996. [Google Scholar]

15. Gao, N.; Zeng, Y.; Wang, J.; Wu, D.; Zhang, C.; Song, Q.; Qian, J.; Jin, S. Energy model for UAV communications: Experimental validation and model generalization. China Commun. 2021, 18, 253–264. [Google Scholar] [CrossRef]

16. Jin, W.; Tian, X.; Shi, B.; Zhao, B.; Duan, H.; Wu, H. Enhanced UAV Pursuit-Evasion Using Boids Modelling: A Synergistic Integration of Bird Swarm Intelligence and DRL. Comput. Mater. Contin. 2024, 80, 3523–3553. [Google Scholar] [CrossRef]

17. Lu, S.; Xiao, X. Neuromorphic Computing for Smart Agriculture. Agriculture 2024, 14, 1977. [Google Scholar] [CrossRef]

18. Li, M.; Wu, F.; Wang, F.; Zou, T.; Li, M.; Xiao, X. CNN-MLP-Based Configurable Robotic Arm for Smart Agriculture. Agriculture 2024, 14, 1624. [Google Scholar] [CrossRef]

19. Chen, J.; Wang, J.; Wang, J.; Bai, L. Joint Fairness and Efficiency Optimization for CSMA/CA-Based Multi-User MIMO UAV Ad Hoc Networks. IEEE J. Sel. Top. Signal Process. 2024, 1–13. [Google Scholar] [CrossRef]

20. Lin, N.; Luo, X.; Wen, J.; Fu, J.; Zhang, H.; Siddique, K.H.; Feng, H.; Zhao, Y. Black biodegradable mulching increases grain yield and net return while decreasing carbon footprint in rain-fed conditions of the Loess Plateau. Field Crops Res. 2024, 318, 109590. [Google Scholar] [CrossRef]

21. Zhang, S.; Cai, C.; Li, J.; Sun, T.; Liu, X.; Tian, Y.; Xue, X. The airflow field characteristics of the unmanned agricultural aerial system on oilseed rape (Brassica napus) canopy for supplementary pollination. Agronomy 2021, 11, 2035. [Google Scholar] [CrossRef]

22. Wang, J.; Li, Y.; Wu, Y.; Liu, Z.; Chen, K.; Chen, C.L.P. Fixed-Time Formation Control for Uncertain Nonlinear Multiagent Systems With Time-Varying Actuator Failures. IEEE Trans. Fuzzy Syst. 2024, 32, 1965–1977. [Google Scholar] [CrossRef]

23. Tai, S.; Bu, C.; Wang, Y.; Yue, T.; Liu, H.; Wang, L. Identification of aircraft longitudinal aerodynamic parameters using an online corrective test for wind tunnel virtual flight. Chin. J. Aeronaut. 2024, 37, 261–275. [Google Scholar] [CrossRef]

24. Liu, Y.; Li, L.; Chen, W.; Tian, W.; Hu, H. An experimental study on the aerodynamic performance degradation of a UAS propeller model induced by the ice accretion process. Exp. Therm. Fluid Sci. 2019, 102, 101–112. [Google Scholar] [CrossRef]

25. Solari, G.; Solari, G. Wind, environment, and territory: Wind science and engineering—Origins, developments, fundamentals, and advancements. Wind Sci. Eng. 2019, 559–654. [Google Scholar]

26. Wang, X.; Cao, M.; Hu, F.; Yi, Q.; Amon, T.; Janke, D.; Xie, T.; Zhang, G.; Wang, K. Effect of fans’ placement on the indoor thermal environment of typical tunnel-ventilated multi-floor pig buildings using numerical simulation. Agriculture 2022, 12, 891. [Google Scholar] [CrossRef]

27. Gliksman, D.; Averbeck, P.; Becker, N.; Gardiner, B.; Goldberg, V.; Grieger, J.; Handorf, D.; Haustein, K.; Karwat, A.; Knutzen, F. A European perspective on wind and storm damage–from the meteorological background to index-based approaches to assess impacts. Nat. Hazards Earth Syst. Sci. 2023, 23, 2171–2201. [Google Scholar] [CrossRef]

28. Wang, X.; Huang, J.; Feng, Q.; Yin, D. Winter Wheat Yield Prediction at County Level and Uncertainty Analysis in Main Wheat-Producing Regions of China with Deep Learning Approaches. Remote Sens. 2020, 12, 1744. [Google Scholar] [CrossRef]

29. Kittas, C.; Boulard, T.; Mermier, M.; Papadakis, G. Wind-induced air exchange rates in a greenhouse tunnel with continuous side openings. J. Agric. Eng. Res. 1996, 65, 37–49. [Google Scholar] [CrossRef]

30. Greer, D.H. Modelling the seasonal changes in the gas exchange response to CO2 in relation to short-term leaf temperature changes in Vitis vinifera cv. Shiraz grapevines grown in outdoor conditions. Plant Physiol. Biochem. 2019, 142, 372–383. [Google Scholar] [CrossRef]

31. Kuroyanagi, T. Evaluation indicator for greenhouse air circulator performances. Eng. Agric. Environ. Food 2013, 6, 4–10. [Google Scholar] [CrossRef]

32. Franks, P.J.; Farquhar, G.D. The mechanical diversity of stomata and its significance in gas-exchange control. Plant Physiol. 2007, 143, 1308–1314. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]

33. Furtak, K.; Wolińska, A. The impact of extreme weather events as a consequence of climate change on the soil moisture and on the quality of the soil environment and agriculture: A review. Catena 2023, 231, 107378. [Google Scholar] [CrossRef]

34. Huang, J.Y.; Lin, C.H. Cold water treatment promotes ethylene production and dwarfing in tomato seedlings. Plant Physiol. Biochem. 2003, 41, 1308–1314. [Google Scholar] [CrossRef]

35. Yin, Y.; Wang, Z.; Zheng, L.; Su, Q.; Guo, Y. Autonomous UAV Navigation with Adaptive Control Based on Deep Reinforcement Learning. Electronics 2024, 13, 2432. [Google Scholar] [CrossRef]

36. Hodge, A.; Berta, G.; Doussan, C.; Merchan, F.; Crespi, M. Plant root growth, architecture, and function. Plant Soil 2009, 321, 1308–1314. [Google Scholar] [CrossRef]

37. Ishii, M.; Limi, O.; Moriyama, H.; Furihata, Y. Influence of circulation fans on the distribution of air temperature and air velocity in a greenhouse. J. Sci. High Technol. Agric. 2012, 24, 1308–1314. [Google Scholar] [CrossRef]

38. Joslin, J.; Henderson, G.S. Notes: The determination of percentages of living tissue in woody fine root samples using triphenyltetrazolium chloride. For. Sci. 1984, 30, 1308–1314. [Google Scholar]

39. Kim, S.J.; Hahn, E.J.; Heo, J.W.; Paek, K.Y. Effects of LEDs on net photosynthetic rate, growth, and leaf stomata of chrysanthemum plantlets in vitro. Sci. Hortic. 2004, 101, 143–151. [Google Scholar] [CrossRef]

40. Leigh, A.; Sevanto, S.; Close, J.; Nicotra, A. The influence of leaf size and shape on leaf thermal dynamics: Does theory hold up under natural conditions? Plant Cell Environ. 2017, 40, 237–248. [Google Scholar] [CrossRef]

41. Huang, J.; Ma, H.; Sedano, F.; Lewis, P.; Liang, S.; Wu, Q.; Su, W.; Zhang, X.; Zhu, D. Evaluation of regional estimates of winter wheat yield by assimilating three remotely sensed reflectance datasets into the coupled WOFOST–PROSAIL model. Eur. J. Agron. 2019, 102, 1–13. [Google Scholar] [CrossRef]

42. Yang, X.; Xia, X.; Zhang, Z.; Nong, B.; Zeng, Y.; Wu, Y.; Xiong, F.; Zhang, Y.; Liang, H.; Pan, Y.; et al. Identification of anthocyanin biosynthesis genes in rice pericarp using PCAMP. Plant Biotechnol. J. 2019, 17, 1700–1702. [Google Scholar] [CrossRef]

Imran, Ke L, Liu D, Li H, Li J. Aero-Thermodynamics of UAV Downwash for Dynamic Microclimate Engineering: Ameliorating Effects on Rice Growth, Yield, and Physiological Traits Across Key Growth Stages. Agriculture. 2025; 15(1):78.

Перевод статьи «Aero-Thermodynamics of UAV Downwash for Dynamic Microclimate Engineering: Ameliorating Effects on Rice Growth, Yield, and Physiological Traits Across Key Growth Stages» авторов Imran, Ke L, Liu D, Li H, Li J., оригинал доступен по ссылке. Лицензия: CC BY. Изменения: переведено на русский язык