多旋翼植保無人機棉花飛防作業(yè)效果

婁朝霞，溫浩軍，張 斌，辛 芳，韓小強，付 威，3

(1.石河子大學(xué)機械電氣工程學(xué)院，新疆石河子 832003；2.石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院，新疆石河子 832003；3.海南大學(xué)機電工程學(xué)院，?？?570100)

0 引 言

【研究意義】棉花是新疆主要經(jīng)濟作物之一，其播種面積和產(chǎn)量均占全國第一位，2017年新疆棉花播種面積228.11×104hm2，其種植面積約占全國種植面積的70%以上，成為國內(nèi)棉花供給的重要支柱[1]。但連年種植導(dǎo)致棉花病蟲害頻繁發(fā)生，棉花產(chǎn)量損失嚴重，加強植物化學(xué)防治對于提高棉花產(chǎn)量和質(zhì)量具有重要意義。【前人研究進展】長期施用農(nóng)藥，在農(nóng)作物上產(chǎn)生農(nóng)藥殘留，造成嚴重植物農(nóng)藥殘留污染和土壤殘留污染[2]。據(jù)統(tǒng)計，中國受污染的耕地面積多達1×107hm2，約占可耕地面積的1/10[3]。植保無人機作為新興的植保機械，具有作業(yè)效率高、速度快、飄移少等優(yōu)點[4-5]。近年來，農(nóng)業(yè)航空施藥技術(shù)得到迅速進展，植保無人機的施藥效果引起人們的廣泛關(guān)注。Fritz等[6]測試了三種噴頭的霧滴沉積效果，研究噴藥速率和霧滴大小對霧滴沉積的影響；J.Connor Ferguson等[7]通過試驗研究噴嘴類型和施藥量與霧滴粒徑、霧滴密度、覆蓋率和冠層穿透性的關(guān)系。R.C.Derksen等[8]對大豆進行噴霧試驗，研究噴嘴類型和噴霧量對霧滴沉積和霧滴穿透性的影響；Wang等[9]利用四種典型的無人機對霧滴沉積、覆蓋率、霧滴密度、穿透性和工作效率進行了田間測試；Zheng等[10]通過改變多旋翼無人機飛行參數(shù)進行田間試驗，測試玉米不同生長階段的噴霧效果并進行數(shù)學(xué)建模；Qin等[11]研究無人機飛行高度、飛行速度對霧滴沉積的影響，對褐飛虱的防治效果；邱白晶等[12]利用CD-10型無人機研究飛行高度和飛行速度及兩因素的交互作用對霧滴沉積濃度，沉積均勻性的影響；張京等[13]利用紅外熱像儀來研究無人機不同噴霧參數(shù)下霧滴沉積分布特性；許童羽等[14]研究植保無人機在不同飛行參數(shù)下，霧滴在水稻垂直方向上的分布特性?！颈狙芯壳腥朦c】關(guān)于植保無人機噴施作業(yè)霧滴在不同風向的分布規(guī)律及病蟲害防治效果的研究尚未見報道。研究多旋翼植保無人機棉花飛防作效果?！緮M解決的關(guān)鍵問題】使用JT-30植保無人機進行田間試驗，研究多旋翼植保無人機噴施作業(yè)霧滴在棉花冠層沉積分布規(guī)律，比較植保無人機和噴桿噴霧機的防蟲效果，為棉花病蟲害防治提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗在新疆石河子三分場四連(E85°28′32″, N44°39′54″)，試驗田采用中等水平施肥，前茬作物為棉花，已連續(xù)多年種植。供試品種為新陸早64號，采用機采棉種植模式，一膜6行，行距(66+10)cm，寬窄行常規(guī)播種模式，2017年4月24日播種，種植密度為19.5×104株/hm2，全生育期采用膜下滴灌。圖1

藥劑為80% 啶蟲脒WP，山東中農(nóng)聯(lián)合生物科技股份有限公司；240 g/L 螺螨酯SC，山東鄒平農(nóng)藥有限公司；5% 阿維菌素EC，河北威遠生物化工有限公司；誘惑紅，浙江吉高德色素科技有限公司。

設(shè)備為JT-30型多旋翼植保無人機，新疆疆天科技有限公司；東方紅3W-1 000Y懸掛式噴桿噴霧機，中農(nóng)豐茂植保機械有限公司；infinite 200 Pro酶標儀，瑞士Tecan公司；FA2104N電子天平，上海雙旭電子有限公司；濾紙(d=70 mm)，卡羅米特紙卡、自封袋、剪刀等。

圖1 植保機械噴施試驗現(xiàn)場及棉花冠層分布

Fig.1 Plant protection Mechanical spraying test site map and cotton canopy distribution map

1.2 方 法

1.2.1 試驗設(shè)計

試驗于2018年7月18日16:00～18:00進行，施藥當天溫度為18～32℃，環(huán)境濕度65%，白天夜間天氣多云，微風；在此生育期棉株平均株高、主莖葉片數(shù)和果枝數(shù)為68 cm、12.7片、7.48個，飛行高度2 m，飛行速度5 m/s，3W-1000Y噴桿噴霧機，移動速度0.8～1.0 m/s。表1

表1 試驗設(shè)計

Table 1 Test design

處理Treatment噴液量 (L/hm2)Spray voiume劑量 (a.i. g/667 m2)Dosage啶蟲脒Acetamiprid螺螨酯Spirodiclofen阿維菌素Avermectin面積 (hm2)Area噴施機械Spray machinery120.270.320.10.6673W-1000Y懸掛式噴桿噴霧機20.10.270.320.10.667JT-30多旋翼植保無人機3----0.667-

1.2.2 無人機噴霧測試

在進行田間試驗時，不同噴霧處理在各小區(qū)形成不同的霧滴分布。噴霧前測試風向，分別在試驗區(qū)與航線垂直的噴幅范圍內(nèi)，左右側(cè)噴幅內(nèi)各取8點(沉積區(qū))，在植保無人機作業(yè)噴幅外，從有效噴幅邊緣起上風向和下風向分別選取14點(飄移區(qū))，樣點布置重復(fù)3次，并將卡羅米特紙卡和濾紙分別布置到作業(yè)區(qū)域棉花冠層上部、中部和下部，每層按照十字交叉模擬棉花冠層不同位置。試驗完成后對收取的卡羅米特試紙進行掃描，使用Depositscan軟件檢測霧滴參數(shù)。

試驗前配置6.6 g/L的誘惑紅溶液作為噴霧液，無人機于沉積區(qū)中心飛過。每組測試完畢后，收集各布樣點的濾紙和卡紙，按照“測試組—布樣方向—重復(fù)號—編號”編號后，裝在自封袋中密封帶回實驗室進行定量分析。圖1

1.2.3 霧滴沉積測定

1.2.3.1 誘惑紅標準曲線繪制

準確稱取0.1 g于100 mL容量瓶，蒸餾水定容，即得1 000 mg/L誘惑紅母液，稀釋為0.1、0.2、0.5、1.0、2.0、5.0 mg/L誘惑紅標準溶液而后用Tecan Infinite 200 PRO 型酶標儀于514 nm波長檢測其吸光值，獲取濃度-吸光度標準曲線。測得線性方程為y=0.022 0x-0.002 7，相關(guān)系數(shù)為R2= 0.990 9。

1.2.3.2 霧滴沉積量測定

測試時向裝有濾紙的自封袋中加入5 mL 去離子水洗脫示蹤劑，充分洗滌每張濾紙10 min，使用酶標儀在514 nm 吸收波長處測量洗脫液吸光度，并根據(jù)濃度-吸光度標準曲線，計算誘惑紅用量，由式(1)計算出單位面積霧滴沉積量[15]。

式中，βdep為霧滴沉積量，μL/cm2；ρsmpl為待測樣品濃度，mg/L；ρblk為空白對照濃度，mg/L；Fcal為校正因子；Vdii為用于洗脫濾紙收集的誘惑紅的稀釋液的體積，mL；ρspray為藥箱內(nèi)誘惑紅噴灑液的濃度，g/L；Acol為濾紙的面積，cm2。

為了表征試驗中各采集點之間的霧滴飄移分布情況，研究以無人機在飄移區(qū)水平方向霧滴飄移百分比來表達試驗中霧滴的飄移情況[16]。由式(2)計算飄移百分比。

式中，βdep為飄移沉積量，μL/cm2；βdep%為飄移百分比，%；βv為噴霧量，L/ha。

1.2.4 蚜蟲和葉螨防治效果調(diào)查

1.2.4.1 蚜蟲防效測定

在試驗開始前，每組試驗區(qū)隨機選取20個點調(diào)查蚜蟲數(shù)量，每點選取5株棉花，做好標記，分別于施藥前和施藥后1、3、7、15 d棉葉上活蚜蟲的數(shù)量調(diào)查記錄。

1.2.4.2 葉螨防效測定

在試驗開始前，每組試驗區(qū)隨機選取30個點調(diào)查棉葉螨數(shù)量，每個點選取1個葉片(定點定株定葉)，做好標記，分別于施藥前和施藥后1、3、7、15 d棉葉上活葉螨的數(shù)量調(diào)查記錄。

采用公式(3)(4)計算蟲口減退率和防效，通過蟲口減退率指標來評估無人機施藥和噴桿噴霧機對害蟲種群動態(tài)的防治效果。

蟲口減退率

(3)

校正防效

(4)

2 結(jié)果與分析

2.1 植保無人機施藥霧滴在棉花冠層沉積分布

研究表明,在噴幅范圍內(nèi)，無人機施藥作業(yè)霧滴在棉株不同位置的沉積有明顯差異。采樣點棉株上、中、下部霧滴沉積量平均值為0.026 5 、0.006 7和0.007 9 μL/cm2，霧滴覆蓋率的平均值分別為4.244%、1.104%、0.809%。在棉株上部的沉積量顯著大于中部，但中部和下部無明顯差異，且棉花冠層中、下部霧滴沉積量和覆蓋率均較低，霧滴的穿透性較差。圖2

圖2 棉花冠層不同位置農(nóng)藥沉積量

Fig.2 Pesticide deposition in different locations of cotton canopy

2.2 植保無人機施藥霧滴飄移分布特性

研究表明，上風向飄移百分比在0.84%～14.35%上下波動，平均飄移百分比為4.93%；下風向飄移百分比在8.56%～30.71%上下波動，平均飄移百分比為14.96%。上風向距離噴幅小于5.42 m處飄移百分比較低，但距離噴幅5.52 和6.28 m處飄移百分比可達到15%左右，可能是由于無人機下方與植株上方之間較強的旋翼風場向兩側(cè)卷起霧滴而引起；下風向距噴幅4.0 m處達到最大飄移百分比，大于4.0 m處飄移百分比逐漸降低。在上下風向噴幅采集邊緣仍存在較大飄移，因而無法確定準確的噴幅邊緣。圖3

圖3 無人機作業(yè)上下風向飄移百分比

Fig.3 Drift percentage of upwind and downwind in UAV Spraying

2.3 不同植保機械噴霧處理對棉蚜和棉葉螨的防治效果評價

研究表明，在噴施相同農(nóng)藥情況下，不同器械在藥后1～15 d均有明顯差異。施藥1 d后JT-30植保無人機和3W-1000Y噴桿噴霧機對棉蚜防治效果為67.7%、65.32%，施藥3 d后防治效果有顯著提高；在施藥7 d后對棉蚜的防治效果達到最佳水平。結(jié)果表明，植保無人機對蚜蟲的防治效果明顯高于噴桿噴霧機。施藥1 d后植保無人機和噴桿噴霧機對棉葉螨防治效果為36.21%、42.82%，施藥3、7 d后防治效果有明顯提高，在施藥15 d后對棉葉螨的防治效果達到最佳水平，而且噴桿噴霧機對棉葉螨的防治效果明顯高于無人機。表2

表2 不同植保機械防治效果

Table 2 Control efficiency of different plant protection machinery

3 討 論

棉花在生長中后期有紅蜘蛛、蚜蟲和棉盲蝽等危害葉片的害蟲，在防治蟲害的過程中，施藥機具的作業(yè)質(zhì)量將直接關(guān)系到農(nóng)藥的有效利用率以及蟲害的防治效果。霧滴沉積和霧滴飄移作為評估噴霧質(zhì)量的重要指標，通過進行噴施試驗研究棉花冠層霧滴的沉積分布規(guī)律以及不同施藥機具的蟲害防治效果。

從霧滴沉積分布結(jié)果來看，無人機施藥作業(yè)霧滴在棉株不同位置的沉積有明顯差異。在棉株上部的沉積量顯著大于中部，但中部和下部無明顯差異，且棉花冠層中、下部霧滴沉積量和覆蓋率均較低，霧滴的穿透性較差。從霧滴飄移分布結(jié)果來看，上風向飄移百分比在0.84%～14.35%上下波動，平均飄移百分比為4.93%；下風向飄移百分比在8.56%～30.71%上下波動，平均飄移百分比為14.96%，下風向的飄移沉積明顯大于上風向，液滴飄移達到噴施寬度兩側(cè)紙卡設(shè)置的邊緣，飄移距離大于5.32 m。關(guān)于霧滴飄移的研究，如姚偉祥等，使用AS350B3e直升機進行航空噴施試驗，研究直升機進行噴施作業(yè)時的霧滴飄移規(guī)律，結(jié)果表明，有效噴幅范圍內(nèi)受自然風速和風向的影響，會向直升機航線下風向區(qū)域有不同程度的偏移，目前對飄移的研究還不夠全面，還需要進一步研究[17]。從病蟲害防治效果來看，JT-30植保無人機和3W-1000Y噴桿噴霧機在施藥7 d后對棉蚜的防治效果均達到最佳水平(91.49%，86.04%)，在施藥15 d后對棉葉螨的防治效果達到最佳水平(84.46%，97.98%)。Qin等人對小麥病蟲害防治的研究表明無人機噴施后3～10 d防治效果為92%～74%，防治效果好，持續(xù)時間長[11]。相比之下，植保無人機棉花害蟲的防治還需要進一步的研究。

新疆棉花采用地面機械農(nóng)藥噴施作業(yè)，容易造成碾壓棉枝、拖拽棉桃、浪費水和和農(nóng)藥，降低棉花產(chǎn)量和質(zhì)量。同時，噴桿噴霧器產(chǎn)生的農(nóng)藥滴徑較大，導(dǎo)致農(nóng)藥向土壤中流失。這成為制約新疆棉花質(zhì)量和效益的瓶頸和技術(shù)問題。無人機噴施作業(yè)的應(yīng)用將使現(xiàn)場遠程化作業(yè)成為可能，從而幫助田間作業(yè)人員避免直接接觸農(nóng)藥，無人機噴施還將提高農(nóng)藥利用率，提高新疆棉花產(chǎn)業(yè)的質(zhì)量和效率。

4 結(jié) 論

4.1 在噴幅范圍內(nèi)，無人機施藥對棉花冠層霧滴穿透性有顯著影響，棉株上部霧滴沉積量(0.026 5 μL/cm2)和覆蓋率(4.244%)均達到較高水平。

4.2 無人機施藥霧滴在上風向和下風向的飄移有顯著差異，上風向霧滴平均飄移百分比為4.93%，平均飄移百分比為14.96%，且波動較大。

4.3 JT-30植保無人機和3W-1000Y懸掛式噴桿噴霧機在施藥7 d后對棉蚜防治效果較好，在施藥后15 d對棉葉螨防治效果較好。