航空噴施與人工噴施方式對(duì)水稻施藥效果比較

陳盛德， 蘭玉彬， 李繼宇， 周志艷， 劉愛民， 徐小杰

(1國(guó)家精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)航空施藥技術(shù)國(guó)際聯(lián)合研究中心/國(guó)際農(nóng)業(yè)航空施藥技術(shù)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室/華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，廣東 廣州 510642； 2 湖南隆平種業(yè)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410006)

航空噴施與人工噴施方式對(duì)水稻施藥效果比較

陳盛德1， 蘭玉彬1， 李繼宇1， 周志艷1， 劉愛民2， 徐小杰1

(1國(guó)家精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)航空施藥技術(shù)國(guó)際聯(lián)合研究中心/國(guó)際農(nóng)業(yè)航空施藥技術(shù)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室/華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，廣東 廣州 510642； 2 湖南隆平種業(yè)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410006)

【目的】找出小型無人直升機(jī)航空噴施霧滴在水稻植株的沉積分布規(guī)律，并比較農(nóng)用無人機(jī)航空噴施方式和人工噴施方式的不同?！痉椒ā客ㄟ^噴施試驗(yàn)研究了市場(chǎng)上主流的2種不同型號(hào)無人機(jī)(油動(dòng)單旋翼和電動(dòng)單旋翼小型無人直升機(jī))、不同作業(yè)參數(shù)對(duì)水稻冠層霧滴沉積分布結(jié)果的影響，并比較了不同農(nóng)用無人機(jī)航空噴施方式和人工噴施方式的效果和效率?！窘Y(jié)果】航空噴施方式下的作業(yè)參數(shù)對(duì)霧滴沉積量和穿透性均有著相同的影響趨勢(shì)，均表現(xiàn)出作業(yè)速度越慢，霧滴在植株間的沉積量越多，穿透性越好；作業(yè)高度越低，沉積量越多，但穿透性較差。但由于不同類型無人機(jī)旋翼風(fēng)場(chǎng)強(qiáng)度的不同，油動(dòng)單旋翼小型無人直升機(jī)噴施作業(yè)時(shí)作業(yè)高度對(duì)霧滴的沉積均勻性影響明顯，而電動(dòng)單旋翼小型無人直升機(jī)噴施作業(yè)時(shí)作業(yè)速度對(duì)霧滴的沉積均勻性影響明顯。人工噴施作業(yè)的霧滴在水稻植株上、中、下3層的沉積均勻性最差,且霧滴在水稻植株間的穿透性也最差，為110.42%，人工噴施霧滴大部分都沉積在植株上層，只有3.27%的藥液量到達(dá)植株的底部，而航空噴施作業(yè)有10%～30%的藥液量能到達(dá)植株的底部?！窘Y(jié)論】從不同噴施作業(yè)方式的效果和效益來看，航空噴施霧滴沉積效果優(yōu)于人工噴施霧滴沉積效果，作業(yè)效率約為人工噴施方式的10倍，且成本低，效益高。

航空噴施； 人工噴施； 霧滴沉積； 農(nóng)用無人機(jī)； 水稻； 噴施效果； 對(duì)比試驗(yàn)

水稻是我國(guó)主要的糧食作物之一，占全國(guó)糧食種植面積的30%以上[1]，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和保障糧食安全方面具有舉足輕重的地位。然而，我國(guó)每年因?yàn)椴∠x害的爆發(fā)引起的糧食減產(chǎn)占總產(chǎn)量的15%～40%[2-3]，病蟲害是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要災(zāi)害，是制約高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效農(nóng)業(yè)及農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的主要限制因素之一[4]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)水稻生產(chǎn)中病害有61種，蟲害有78種[5]，因此，在水稻生產(chǎn)中加強(qiáng)植物化學(xué)防治對(duì)確保糧食生產(chǎn)和豐產(chǎn)具有十分重要的意義。植?；瘜W(xué)防治作業(yè)在水稻生產(chǎn)過程中具有勞動(dòng)周期長(zhǎng)、勞動(dòng)強(qiáng)度大且時(shí)效性要求高的特點(diǎn)[6]。目前，我國(guó)農(nóng)作物化學(xué)防治作業(yè)主要有人工噴施、地面動(dòng)力機(jī)械噴施和航空噴施3種方式[7-8]，其中，傳統(tǒng)的人工噴施方式作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低、耗時(shí)長(zhǎng)，如遇到突發(fā)性和爆發(fā)性病蟲草害時(shí)，將不能滿足防治要求而導(dǎo)致?lián)p失嚴(yán)重，且施藥人員易發(fā)生中毒事件，地面大型機(jī)械噴施方式作業(yè)成本高、藥劑有效利用率低，且下田作業(yè)困難，易損傷農(nóng)作物及土壤物理結(jié)構(gòu)，影響農(nóng)作物后期生長(zhǎng)[9-10]，而航空噴施方式作業(yè)速度快、成本低，且可解決水稻生長(zhǎng)過程中地面機(jī)械難以下田作業(yè)等問題[11-12]，已逐漸成為人們心中首選的噴施作業(yè)方式。

目前，作為農(nóng)業(yè)航空的重要標(biāo)志之一的航空噴施作業(yè)在近年來的迅速發(fā)展和應(yīng)用引起了人們廣泛的關(guān)注[13]。隨著航空噴施方式的應(yīng)用，針對(duì)航空噴施方式的作業(yè)參數(shù)和效果研究，國(guó)內(nèi)外學(xué)者均進(jìn)行了一些探索[14-15]。張京等[16]通過試驗(yàn)研究了WPH642型無人直升機(jī)不同噴霧參數(shù)對(duì)噴施霧滴在水稻冠層沉積效果的影響；張宋超等[17]通過模擬試驗(yàn)研究了N-3型農(nóng)用無人機(jī)在不同飛行參數(shù)和不同等級(jí)側(cè)風(fēng)的條件下，噴施霧滴在非靶標(biāo)區(qū)域的藥液漂移情況；Fritz等[18]通過試驗(yàn)評(píng)估了風(fēng)場(chǎng)和噴嘴對(duì)航空噴施霧滴沉積和漂移分布效果的影響；Huang等[19]通過研究對(duì)霧滴沉積分布具有獨(dú)立影響的因素特性，預(yù)測(cè)并試圖選出控制和減少藥液霧滴漂移的最大影響因子。

國(guó)外的農(nóng)業(yè)航空技術(shù)及設(shè)備已經(jīng)處于成熟應(yīng)用階段，而我國(guó)的農(nóng)業(yè)航空技術(shù)還處于起步階段，相關(guān)技術(shù)和設(shè)備還比較落后[20]，對(duì)農(nóng)用無人機(jī)航空噴施霧滴的沉積分布規(guī)律缺乏相應(yīng)研究，以及對(duì)新型的航空噴施方式的霧滴沉積效果和效率與傳統(tǒng)的人工噴施方式還缺乏客觀的比較和評(píng)判。因此，本文通過對(duì)市場(chǎng)上主流的2種不同類型的農(nóng)用無人機(jī)(油動(dòng)單旋翼和電動(dòng)單旋翼小型無人直升機(jī))航空噴施作業(yè)和人工噴施作業(yè)進(jìn)行研究，對(duì)比其霧滴沉積效果和效率，找出噴施作業(yè)霧滴沉積分布規(guī)律，并對(duì)農(nóng)用無人機(jī)航空噴施作業(yè)方式與人工噴施作業(yè)方式的效率和效益進(jìn)行分析，以期為航空噴施作業(yè)方式的快速推廣和應(yīng)用提供可靠的數(shù)據(jù)支持和理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

噴霧試驗(yàn)采用的噴霧設(shè)備分別是湖南大方植保有限公司提供的80-2型油動(dòng)單旋翼無人直升機(jī)、深圳高科新農(nóng)技術(shù)有限公司提供的HY-B-15L型電動(dòng)單旋翼無人直升機(jī)及植保器械市場(chǎng)上常用的3WBD-16型背負(fù)式電動(dòng)噴霧器(圖1，表1)。

采用便攜式風(fēng)速風(fēng)向儀Kestrel 4500(美國(guó)NK公司)監(jiān)測(cè)和記錄試驗(yàn)時(shí)環(huán)境的風(fēng)速和風(fēng)向，采用數(shù)字溫濕度表LS-204(中山市朗信電子有限公司)，測(cè)量試驗(yàn)時(shí)環(huán)境的溫度及濕度。

北斗定位系統(tǒng)為航空用北斗系統(tǒng)UB351(上海司南衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)股份有限公司)，具有RTK差分定位功能，平面精度達(dá)(10+5D×10-7) mm，高程精度達(dá)(20+D×10-6) mm，其中，D表示該系統(tǒng)實(shí)際測(cè)量的距離值，單位為km。無人機(jī)搭載該系統(tǒng)移動(dòng)站給作業(yè)航線繪制軌跡、獲取無人機(jī)作業(yè)參數(shù)及給各個(gè)霧滴采樣點(diǎn)定位，并通過北斗系統(tǒng)繪制的作業(yè)軌跡觀察實(shí)際作業(yè)航線與各霧滴采集點(diǎn)之間的關(guān)系。

圖1 3種施藥方式的噴霧現(xiàn)場(chǎng)Fig.1 Testing fields of three spray methods

噴霧設(shè)備最大載藥量/L噴桿長(zhǎng)度/mm噴頭類型噴頭數(shù)量/個(gè)噴施流量/(mL·min-1)噴施壓力/MPa有效噴幅/m80-2型單旋翼油動(dòng)無人機(jī)161800離心霧噴頭424000.604～6HY-B-15L型單旋翼電動(dòng)無人機(jī)151800扇形霧噴頭524000.604～63WBD-16型背負(fù)式電動(dòng)噴霧器161200圓錐霧噴頭114000.15～0.40

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 試驗(yàn)場(chǎng)地 該試驗(yàn)于湖南省武岡市隆平種業(yè)公司雜交水稻制種基地進(jìn)行，作物生育期為開花結(jié)實(shí)期，水稻平均高度120～140 cm，水稻采用機(jī)械插秧，植株之間的行列間距為17.0 cm×14.5 cm。

1.2.2 采樣點(diǎn)布置 如圖2所示，根據(jù)無人機(jī)有效噴幅，選取長(zhǎng)×寬約為60 m×12 m的試驗(yàn)田進(jìn)行噴霧試驗(yàn)，在采集區(qū)每隔1 m設(shè)置一處霧滴采集點(diǎn)(圖3)，每處采集點(diǎn)分別在水稻上部、中部、下部的位置布置霧滴采集卡以收集霧滴。

圖2 噴幅方案Fig.2 Projected spray range

圖3 霧滴采集布點(diǎn)Fig.3 Droplet collecting spot

1.2.3 作業(yè)方式設(shè)計(jì) 農(nóng)用無人機(jī)噴施作業(yè)方式選定較低和較高2種飛行高度、較慢和較快2種飛行速度進(jìn)行噴施試驗(yàn)，人工噴施方式按照普通的噴施方式進(jìn)行。其3種噴施方式如圖1所示。

1.3 數(shù)據(jù)處理

為了能夠提高農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備的推廣工作，必須要結(jié)合現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展趨勢(shì)，進(jìn)行綠色農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備的創(chuàng)新發(fā)展，從而保證改變傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)備的生產(chǎn)效率不高的問題。例如，在進(jìn)行除草機(jī)械設(shè)備的推廣上，長(zhǎng)期的使用農(nóng)藥進(jìn)行除草，不僅對(duì)自然環(huán)境造成嚴(yán)重的破壞，并且使得土地資源出現(xiàn)嚴(yán)重的藥物殘留。而加強(qiáng)對(duì)除草機(jī)械設(shè)備的創(chuàng)新研究，不僅能夠降低工人的勞動(dòng)量，還能夠提高除草的效率，最主要的還是環(huán)保。因此，在進(jìn)行農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備的推廣過程中，必須要加強(qiáng)對(duì)機(jī)械設(shè)備環(huán)保方面的宣傳，通過將機(jī)械設(shè)備與傳統(tǒng)的農(nóng)藝進(jìn)行結(jié)合，從而為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供保障，真正的使我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展得到有效的提升，保障社會(huì)經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定發(fā)展。

1.3.1 作業(yè)參數(shù)及軌跡處理 表2為通過飛機(jī)搭載北斗定位系統(tǒng)UB351獲取的每次無人機(jī)噴施作業(yè)的飛行參數(shù)。

表2 噴施作業(yè)參數(shù)Tab.2 The parameters of spray tests

圖4a由北斗定位系統(tǒng)UB351對(duì)布置的10個(gè)采集點(diǎn)進(jìn)行定位獲取地理數(shù)據(jù)后繪制所得，圖4b示飛機(jī)飛行時(shí)搭載北斗定位系統(tǒng)UB351而獲取的無人機(jī)噴施作業(yè)的飛行軌跡。

1.3.2 數(shù)據(jù)采集與處理 每次試驗(yàn)完畢，待采集卡上的霧滴干燥后，收集，密封，帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

圖4 霧滴采樣點(diǎn)分布及作業(yè)軌跡Fig.4 Distribution of droplet collection spots and flight trajectory

將收集的霧滴采集卡逐一用HP Scanjet 200掃描儀(惠普公司)掃描，掃描后的圖像通過圖像處理軟件DepositScan(V1.2)進(jìn)行處理分析，得出在不同的航空噴施作業(yè)參數(shù)下的霧滴覆蓋率、覆蓋密度及單位面積上的沉積量。

為了表征試驗(yàn)中各采集點(diǎn)之間的霧滴沉積均勻性和沉積穿透性，本文以飛機(jī)有效噴幅區(qū)內(nèi)每層不同采集點(diǎn)上霧滴沉積量的變異系數(shù)(CV)來衡量3組試驗(yàn)中霧滴的沉積均勻性，以飛機(jī)有效噴幅區(qū)內(nèi)每個(gè)采集點(diǎn)上、中、下層霧滴沉積量的變異系數(shù)(CV)來衡量霧滴沉積穿透性，變異系數(shù)越小表示霧滴沉積越均勻。

(1)

(2)

2 結(jié)果與分析

2.1 霧滴沉積量分析

噴施試驗(yàn)霧滴在水稻植株上、中、下3層的平均霧滴沉積量見表3。結(jié)合表2的噴施作業(yè)參數(shù)與表4的霧滴沉積結(jié)果，可以看出以下3方面的影響。

2.1.1 無人機(jī)飛行速度參數(shù)對(duì)霧滴沉積量的影響 對(duì)于油動(dòng)單旋翼小型無人直升機(jī)的試驗(yàn)組，作業(yè)高度為1.21 m、作業(yè)速度為2.46 m·s-1的試驗(yàn)1在水稻植株上、中、下3層的霧滴沉積量達(dá)到最大。其中，試驗(yàn)1在水稻植株上、中、下3層的霧滴沉積量分別高于作業(yè)高度為1.29 m、作業(yè)速度為4.24 m·s-1的試驗(yàn)2的63.78%、157.24%、119.05%，作業(yè)高度為2.86 m、作業(yè)速度為2.58 m·s-1的試驗(yàn)3在水稻植株上、中、下3層的霧滴沉積總量高于作業(yè)高度為2.84 m、作業(yè)速度為3.78 m·s-1的試驗(yàn)4的6.01%。

表3 霧滴沉積結(jié)果分析1)Tab.3 Analysis of the droplet deposition results

1)作業(yè)環(huán)境參數(shù)：平均風(fēng)速0.8 m·s-1，平均溫度30.2 ℃，平均相對(duì)濕度71.4%。

對(duì)于電動(dòng)單旋翼小型無人直升機(jī)的試驗(yàn)組，作業(yè)高度為1.34 m、作業(yè)速度為2.21 m·s-1的試驗(yàn)5在水稻植株上、中、下3層的霧滴沉積量達(dá)到最大，作業(yè)高度為4.08 m、作業(yè)速度為3.89 m·s-1的試驗(yàn)8霧滴沉積量最小，且航空噴施作業(yè)參數(shù)對(duì)霧滴沉積分布的影響趨勢(shì)與油動(dòng)單旋翼小型無人直升機(jī)相同。試驗(yàn) 5在水稻植株上、中、下3層的霧滴沉積量分別高于作業(yè)高度為1.49 m、作業(yè)速度為3.61 m·s-1的試驗(yàn)6的156.23%、274.04%、142.95%，作業(yè)高度為3.75 m、作業(yè)速度為1.68 m·s-1的試驗(yàn) 7在水稻植株上、中、下3層的霧滴沉積量分別高于試驗(yàn)8的337.81%、547.85%、480.09%。說明航空噴施霧滴在水稻植株上的沉積量受無人機(jī)作業(yè)速度參數(shù)的影響，作業(yè)速度越慢，霧滴在植株間的沉積量越多。

2.1.2 無人機(jī)飛行高度參數(shù)對(duì)霧滴沉積量的影響 對(duì)于油動(dòng)單旋翼小型無人直升機(jī)的試驗(yàn)組來說，試驗(yàn)1在水稻植株上、中、下3層的霧滴沉積量達(dá)到最大。其中，試驗(yàn)1在水稻植株上、中、下3層的霧滴沉積量高于試驗(yàn)3的40.71%、84.20%、62.44%；而試驗(yàn)4在水稻植株上、中、下3層的霧滴沉積量與試驗(yàn)2相比，除了作業(yè)高度不同，作業(yè)速度也存在不同，導(dǎo)致航空噴施霧滴在水稻植株中、下層的沉積量有較大的差異。

對(duì)于電動(dòng)單旋翼小型無人直升機(jī)的試驗(yàn)組來說，試驗(yàn)5在水稻植株上、中、下3層的霧滴沉積量達(dá)到最大，試驗(yàn)8的霧滴沉積量最小，且航空噴施作業(yè)參數(shù)對(duì)霧滴沉積分布的影響趨勢(shì)與油動(dòng)單旋翼小型無人直升機(jī)相同。試驗(yàn)5在水稻植株上、中層的霧滴沉積量分別高于試驗(yàn)7的71.51%、89.42%，下層低于試驗(yàn)7的18.09%，試驗(yàn)6在水稻植株上、中、層3層的霧滴沉積量分別高于試驗(yàn)8的193.06%、228.09%、95.57%，說明航空噴施霧滴在水稻植株上的沉積量亦受到無人機(jī)作業(yè)高度的影響，作業(yè)高度越低，霧滴在植株間的沉積量越多。

2.1.3 人工施藥方式下霧滴沉積量的分析 對(duì)于人工施藥，沉積在水稻植株上層的霧滴沉積量遠(yuǎn)高于中、下層的霧滴沉積量，說明人工噴施作業(yè)的藥液霧滴大部分都沉積在植株冠層，只有3.27%的藥液量到達(dá)植株的底部，而航空噴施作業(yè)有10%～30%的藥液量能到達(dá)植株的底部，高于人工噴施作業(yè)方式。

2.2 霧滴沉積均勻性分析

如表3所示，通過對(duì)每次試驗(yàn)結(jié)果分析，得出噴施霧滴沉積在水稻上、中、下3層的霧滴沉積均勻性，用變異系數(shù)表示，變異系數(shù)值越小，霧滴沉積分布均勻性越好。結(jié)合表2的噴施作業(yè)參數(shù)與表3的霧滴沉積均勻性結(jié)果，其中，對(duì)于油動(dòng)單旋翼小型無人直升機(jī)的試驗(yàn)組來說，試驗(yàn)4在水稻植株上、中、下3層的霧滴沉積均勻性最好，分別為56.67%、34.67%、41.43%，且試驗(yàn)3和試驗(yàn)4在水稻植株上、中、下3層的霧滴沉積均勻性均優(yōu)于試驗(yàn)1和試驗(yàn)2的霧滴沉積均勻性，說明當(dāng)航空噴施作業(yè)高度較高時(shí)，霧滴的沉積均勻性優(yōu)于作業(yè)高度較低時(shí)的霧滴沉積均勻性，而在同一作業(yè)高度下，作業(yè)速度的不同導(dǎo)致的霧滴沉積均勻性差異并不明顯。對(duì)于電動(dòng)單旋翼小型無人直升機(jī)的試驗(yàn)組來說，試驗(yàn)6在水稻植株上、中、下3層的霧滴沉積均勻性最好，分別為64.83%、42.81%、47.97%，且試驗(yàn)6和試驗(yàn) 8在水稻植株上、中、下3層的霧滴沉積均勻性均優(yōu)于試驗(yàn)5和試驗(yàn)7的霧滴沉積均勻性，說明當(dāng)航空噴施作業(yè)速度較快時(shí)的霧滴沉積均勻性優(yōu)于作業(yè)高度較低時(shí)的霧滴沉積均勻性，而在作業(yè)速度接近的情況下，作業(yè)高度的不同導(dǎo)致的霧滴沉積均勻性差異并不明顯。

結(jié)合2種不同機(jī)型無人機(jī)的噴施作業(yè)參數(shù)對(duì)霧滴沉積均勻性的影響，油動(dòng)單旋翼小型無人直升機(jī)噴施作業(yè)時(shí)作業(yè)高度因素對(duì)霧滴的沉積均勻性影響明顯，而電動(dòng)單旋翼小型無人直升機(jī)噴施作業(yè)時(shí)作業(yè)速度因素對(duì)霧滴的沉積均勻性影響明顯。推斷出現(xiàn)這一差別的原因是油動(dòng)單旋翼小型無人直升機(jī)產(chǎn)生的旋翼風(fēng)場(chǎng)強(qiáng)于電動(dòng)單旋翼小型無人直升機(jī)的旋翼風(fēng)場(chǎng)，當(dāng)油動(dòng)單旋翼小型無人直升機(jī)飛行高度過低時(shí)，其產(chǎn)生的旋翼風(fēng)場(chǎng)太強(qiáng)而出現(xiàn)紊流，導(dǎo)致下方的霧滴沉積不均勻。

對(duì)于人工施藥，人工噴施霧滴在水稻植株上、中、下3層的沉積均勻性最差，分別為89.42%、151.18%、129.95%，說明在人工噴施作業(yè)方式下，霧滴沉積均勻性在很大程度上主要是由作業(yè)人員的施藥路線來決定的，而人工作業(yè)很難保證作業(yè)路線的一致性，因而容易導(dǎo)致人工噴施作業(yè)的霧滴沉積均勻性比航空噴施作業(yè)的霧滴沉積均勻性差。

2.3 霧滴沉積穿透性分析

通過對(duì)沉積在水稻植株上、中、下3層的平均霧滴沉積量分析，可以得出霧滴在水稻植株間的穿透性，用變異系數(shù)表示，變異系數(shù)值越小，霧滴沉積穿透性越好。表3結(jié)果表明：對(duì)于油動(dòng)小型無人直升機(jī)來說，試驗(yàn) 4在水稻植株間的穿透性較好，達(dá)到34.71%，而電動(dòng)小型無人直升機(jī)的試驗(yàn)7在水稻植株間的穿透性最好，達(dá)到17.95%。

結(jié)合2種不同機(jī)型的無人機(jī)噴施霧滴沉積結(jié)果及噴施作業(yè)參數(shù)，可以發(fā)現(xiàn)，無人機(jī)噴施作業(yè)參數(shù)對(duì)霧滴在植株間的沉積穿透性有著相同的影響趨勢(shì)。無人機(jī)航空噴施作業(yè)高度較高時(shí)的霧滴穿透性優(yōu)于作業(yè)高度較低時(shí)的霧滴穿透性，說明作業(yè)速度因素影響霧滴在植株間的沉積穿透性。因?yàn)楫?dāng)作業(yè)高度較低時(shí)，單旋翼無人直升機(jī)的垂直下旋氣流較大，造成水稻植株出現(xiàn)倒伏，導(dǎo)致水稻植株的中下層不能很好地沉積霧滴，使其霧滴在植株間的穿透性較差。另外，無人機(jī)航空噴施作業(yè)速度較慢時(shí)的霧滴穿透性優(yōu)于作業(yè)速度較快時(shí)的霧滴穿透性，說明作業(yè)速度也影響霧滴在植株間的沉積穿透性。因?yàn)楫?dāng)作業(yè)速度較快時(shí)，藥液經(jīng)過噴頭霧化后成為微小霧滴，在水平方向上的氣流作用下，主要都以飄落的形式沉積分布在水稻植株的冠層，而當(dāng)作業(yè)速度較慢時(shí)，微小霧滴在無人機(jī)旋翼下旋氣流的作用下，會(huì)使部分霧滴沉積到水稻植株的中下層。

對(duì)于人工施藥，霧滴在水稻植株間的沉積穿透性最差，為110.42%。因?yàn)槿斯な┧幏绞脚c農(nóng)用無人機(jī)施藥方式相比，藥液霧滴在沒有飛機(jī)旋翼下旋氣流的作用下很難到達(dá)水稻植株的中下層，造成藥液大部分都沉積在農(nóng)作物的冠層。

2.4 不同噴施方式效益分析

表4為農(nóng)用無人機(jī)航空噴施作業(yè)方式與人工噴施作業(yè)方式的噴藥效率及效益對(duì)比結(jié)果。在實(shí)際噴施作業(yè)中，農(nóng)用無人機(jī)噴施藥液為高濃度的藥液，用藥量為15～18 kg·hm-2，人工費(fèi)用為135元·hm-2；而人工噴施藥液的用藥量和用水量分別為0.30～0.45和375～450 kg·hm-2，人工費(fèi)用為180～225元·hm-2。通過對(duì)無人機(jī)噴施方式與人工噴施方式的效率及效益對(duì)比可以看出，一般無人機(jī)航空噴施方式的工作效率約為人工噴施方式的10倍左右，而且成本低，效益高。

表4 噴藥效率及成本1)Tab.4 Spraying efficiency and cost

1)無人機(jī)有效噴幅均以4 m計(jì)算; 2)前期； 3)后期。

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

農(nóng)業(yè)航空作為現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的重要組成部分和反映農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平的重要標(biāo)志之一，目前在中國(guó)的應(yīng)用尚處于起步階段，潛力巨大。本文通過應(yīng)用油動(dòng)單旋翼植保無人機(jī)和電動(dòng)單旋翼植保無人機(jī)與人工噴施方式對(duì)雜交水稻進(jìn)行噴施試驗(yàn)初步證實(shí)了航空噴施霧滴沉積效果和作業(yè)效益均優(yōu)于人工噴施霧滴沉積效果，航空噴施作業(yè)方式具有作業(yè)效率高，霧滴沉積效果好，成本低等優(yōu)點(diǎn)，正逐漸成為人們首選的植保作業(yè)方式。

根據(jù)前人的研究工作可知[8,14,16,21]，對(duì)于植保無人機(jī)航空噴施的研究重點(diǎn)主要在于不同作業(yè)參數(shù)對(duì)霧滴在作物冠層的沉積量和沉積均勻性上，而忽略了植保無人機(jī)與其他作業(yè)方式相比最獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)之一——旋翼風(fēng)場(chǎng)對(duì)霧滴沉積穿透性的影響。目前，植保無人機(jī)航空噴施對(duì)霧滴在作物植株間的穿透作用的研究鮮見報(bào)道。在前人的研究基礎(chǔ)上，本文對(duì)霧滴沉積量和沉積均勻性進(jìn)行了分析，還探討了植保無人機(jī)航空噴施參數(shù)對(duì)霧滴在水稻植株間的穿透性影響。對(duì)比本文中不同類型植保無人機(jī)的霧滴沉積結(jié)果可以看出，無人機(jī)旋翼下方風(fēng)場(chǎng)可增加霧滴在作物植株間的穿透，同時(shí)也會(huì)造成航線兩側(cè)的農(nóng)作物出現(xiàn)傾斜現(xiàn)象從而減少霧滴在農(nóng)作物中下層的有效沉積，無人機(jī)旋翼下方不同強(qiáng)度的風(fēng)場(chǎng)對(duì)霧滴在作物植株上的沉積有著不同程度的影響；因此，航空噴霧霧滴沉積規(guī)律的探尋需要從其根本上研究無人機(jī)旋翼下方風(fēng)場(chǎng)對(duì)航空噴施霧滴沉積的影響機(jī)理，其影響機(jī)理應(yīng)是未來農(nóng)業(yè)航空噴施基礎(chǔ)領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。由于我國(guó)存在農(nóng)用無人機(jī)機(jī)型多樣、作業(yè)對(duì)象(農(nóng)作物)品種繁多、作物倒伏程度不一、作業(yè)環(huán)境復(fù)雜多變，植保無人機(jī)航空噴施霧滴沉積分布機(jī)理研究在未來將會(huì)有巨大的研究潛力；同時(shí)，為保證霧滴在作物植株不同位置上的有效沉積，我們應(yīng)該合理地選擇較好的作業(yè)參數(shù)(飛行高度、飛行速度)來提高噴施作業(yè)的效率和效益。

3.2 結(jié)論

本試驗(yàn)應(yīng)用不同類型的農(nóng)用無人機(jī)(油動(dòng)單旋翼和電動(dòng)單旋翼小型無人直升機(jī))航空噴施方式和人工噴施方式對(duì)雜交水稻進(jìn)行噴施試驗(yàn)，通過不同噴施方式及不同噴施作業(yè)參數(shù)下的霧滴沉積結(jié)果分析和對(duì)比其噴施作業(yè)效果、效率及效益，得出如下結(jié)果：

(1)根據(jù)霧滴沉積結(jié)果，航空噴施方式下的作業(yè)參數(shù)對(duì)霧滴沉積量和穿透性均有相同的影響趨勢(shì)，均表現(xiàn)為作業(yè)速度越慢，霧滴在植株間的沉積量越多，穿透性越好；作業(yè)高度越低，沉積量越多，但穿透性較差。

(2)由于不同類型無人機(jī)旋翼風(fēng)場(chǎng)強(qiáng)度的不同，作業(yè)參數(shù)對(duì)霧滴沉積均勻性有不同的影響。油動(dòng)單旋翼小型無人機(jī)噴施作業(yè)時(shí)作業(yè)高度對(duì)霧滴的沉積均勻性影響明顯，而電動(dòng)單旋翼小型無人機(jī)噴施作業(yè)時(shí)作業(yè)速度對(duì)霧滴的沉積均勻性影響明顯。

(3)對(duì)于人工施藥來說，霧滴在水稻植株每層的沉積均勻性及在水稻植株間的穿透性都很差，霧滴大部分都沉積在植株上層，只有3.27%的藥液量到達(dá)植株的底部，而航空噴施作業(yè)有10%～30%的藥液量能到達(dá)植株的底部。

(4)從不同噴施作業(yè)方式的效果和效益來看，航空噴施霧滴沉積效果優(yōu)于人工噴施霧滴沉積效果，作業(yè)效率約為人工噴施方式的10倍，且成本低，效益高。

致謝：在本文所述試驗(yàn)的開展過程中，得到了袁隆平農(nóng)業(yè)高科技股份有限公司、深圳高科新農(nóng)技術(shù)有限公司、大方植保有限公司相關(guān)技術(shù)人員及華南農(nóng)業(yè)大學(xué)王建偉、黃聰、姚偉祥等的大力支持和幫助，在此表示深深的謝意！

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【責(zé)任編輯 李曉卉】

Comparison of the pesticide effects of aerial and artificial spray applications for rice

CHEN Shengde1, LAN Yubin1, LI Jiyu1, ZHOU Zhiyan1, LIU Aimin2, XU Xiaojie1

(1 National Center for International Collaboration Research on Precision Agricultural Aviation Pesticides Spraying Technology/International Laboratory of Agricultural Aviation Pesticide Spraying Technology/College of Engineering, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China; 2 Hunan Longping Seed Industry Co.Ltd., Changsha 410006, China)

【Objective】 To find out the deposition and distribution patterns of droplets sprayed by small unmanned helicopters in rice field, and compare the differences between agricultural UAV and artificial spray. 【Method】 Spraying tests were performed to compare the influence of two leading UAVs in the market(oil-driven small single rotor UAV and electric-driven small single rotor UAV) . The effects of different operating parameters on droplet deposition and distribution in rice canopy were studied. The spraying outcomes and efficiencies of aerial and artificial spray methods were compared. 【Result】The operating parameters of aerial spray had the same influential trend on both droplets deposition amount and penetrability. Slower operating speed led to more depositing droplets in plants and higher penetrability. Lower operating height led to more depositing droplets but lower penetrability. For oil-driven small single rotor UAV, operating height had an obvious effect on the depositing uniformity of droplets, and for electric-driven small single rotor UAV, operating speed had an obvious effect on the depositing uniformity of droplets because of different wind field strengths of rotors in different types of UAV. Artificial spray resulted in the worst depositing uniformity of droplets in upper, middle and lower rice plants and the lowest penetrability(110.42%) of droplets in rice plants. The droplets for artificial spray mainly deposited on upper plants and only 3.27% medicinal liquid reached the bottom of plants, while 10%-30% reached the bottom for aerial spray.【Conclusion】From the perspectives of spraying outcomes and efficiencies, aerial spray has better depositing effect and ten times higher efficiency compared to artificial spray. Aerial spray costs low and brings high benefit.

aerial spray; artificial spray; droplet deposition; agricultural UAV; rice; spraying effect; comparison test

2016- 11- 21 優(yōu)先出版時(shí)間：2017- 06-22

陳盛德(1989—)，男，博士研究生，E-mail:1163145190@qq.com；通信作者：蘭玉彬(1961—)，男，教授，博士，E-mail: ylan@scau.edu.cn

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFD0200700)；廣東省自然科學(xué)基金自由申請(qǐng)項(xiàng)目(2015A030313420)

S25

A

1001- 411X(2017)04- 0103- 07

優(yōu)先出版網(wǎng)址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/44.1110.s.20170622.1010.010.html

陳盛德， 蘭玉彬， 李繼宇， 等.航空噴施與人工噴施方式對(duì)水稻施藥效果比較[J].華南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2017,38(4):103- 109.