基于多旋翼無人機(jī)的梨樹噴霧授粉技術(shù)

王士林 雷嘵暉 唐玉新 常有宏 呂曉蘭

摘要：近年來，梨樹液體授粉技術(shù)受到了越來越廣泛的關(guān)注，但目前梨樹液體授粉技術(shù)主要授粉機(jī)具為背負(fù)式噴霧器，這在一定程度上仍然沒有徹底改變梨樹授粉勞動強(qiáng)度大和作業(yè)效率低的問題，因此提出了基于多旋翼無人機(jī)的液體授粉技術(shù)，選用大疆T20型多旋翼植保無人機(jī)，對比不同噴霧量下多旋翼無人機(jī)和背負(fù)式噴霧器噴霧授粉時(shí)梨樹冠層內(nèi)沉積霧滴的粒徑和覆蓋結(jié)果，同時(shí)對比液體噴霧授粉和人工點(diǎn)授粉時(shí)的坐果率。結(jié)果表明：使用多旋翼無人機(jī)噴霧授粉時(shí)，梨樹上層的霧滴粒徑和覆蓋率均明顯高于下層，使用背負(fù)式噴霧器進(jìn)行授粉時(shí)冠層下層霧滴粒徑和覆蓋率大于上層，多旋翼無人機(jī)噴霧授粉時(shí)沉降霧滴的粒徑和覆蓋率均與其噴霧量呈正相關(guān)性;當(dāng)多旋翼無人機(jī)噴霧量為218 L/hm2時(shí)，其在梨樹冠層上層的霧滴覆蓋率最高，為46.0%，使用背負(fù)式噴霧器噴霧時(shí)霧滴在梨樹下層的覆蓋率最高，為51.7%;多旋翼無人機(jī)的單位面積噴霧量越高，其授粉效果越好，當(dāng)噴霧量為218 L/hm2時(shí)，花序和花朵坐果率分別為37.2%、15.2%。相比于傳統(tǒng)的人工點(diǎn)授粉和目前新興的背負(fù)式噴霧器液體授粉而言，采用低容量噴霧或超低容量噴霧的多旋翼無人機(jī)噴霧授粉的花序和花朵坐果率仍較低。

關(guān)鍵詞：梨樹;噴霧授粉技術(shù);多旋翼無人機(jī);授粉;覆蓋率;霧滴密度

中圖分類號：S252+.3 ??文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A ?文章編號：1002-1302（2020）23-0210-04

梨樹屬于自花不結(jié)實(shí)果樹，絕大多數(shù)的梨品種自花授粉不能結(jié)實(shí)，因此在梨園中必須合理配置授粉樹[1-2]。梨樹花粉主要靠風(fēng)力或蜂蟲作為傳粉媒介，但在實(shí)際生產(chǎn)中由于自動化農(nóng)業(yè)的發(fā)展、環(huán)境氣候的變化以及農(nóng)藥和化肥等農(nóng)化產(chǎn)品的過度使用對蜜蜂產(chǎn)生嚴(yán)重的毒害，致使其種群數(shù)量在近些年內(nèi)急劇下降[3]。同時(shí)，由于異常天氣的影響，尤其是在開花期前出現(xiàn)連續(xù)低溫、盛花期間高溫或連續(xù)下雨等不良天氣會影響蜜蜂等昆蟲的活動，甚至造成主栽梨品種與授粉品種的花期不遇[4]。這些原因都會使授粉不良，降低坐果率，或造成花而不實(shí)。

因此，在梨的生產(chǎn)過程中果農(nóng)常采用人工授粉的方式提高坐果率，確保梨的產(chǎn)量和品質(zhì)。目前，人工授粉的方式主要有手工點(diǎn)授粉、機(jī)械噴粉和液體授粉等方式[5]。但面對盛花期的梨樹高大冠型，人工授粉存在嚴(yán)重的作業(yè)效率低、勞動強(qiáng)度大、授粉效果差等問題，因此亟須開發(fā)一種新型高效的梨樹授粉技術(shù)[6]。

無人機(jī)可通過遙控飛行，靈活性強(qiáng)[7]，可克服梨樹果園內(nèi)地形復(fù)雜和冠層高大等問題，因此國內(nèi)外相繼出現(xiàn)基于無人機(jī)的授粉技術(shù)研究。國外主要采用微型無人機(jī)先采粉后授粉的方式進(jìn)行授粉，但由于技術(shù)條件和作業(yè)效率的限制目前并沒有真正用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。近2年，國內(nèi)開始采用植保無人機(jī)進(jìn)行授粉作業(yè)，無人機(jī)授粉技術(shù)已被成功用于雜交水稻制種[8-10]，該技術(shù)是借助無人機(jī)旋翼氣流將父本的花粉吹向母本進(jìn)行授粉。

隨著梨樹液體授粉技術(shù)的發(fā)展，采用背負(fù)式噴霧器噴霧授粉方式日趨成熟[11]，研究人員進(jìn)而開始從事無人機(jī)噴霧授粉技術(shù)研究。與傳統(tǒng)背負(fù)式噴霧器相比，無人機(jī)為超低容量噴霧技術(shù)，單位面積噴霧量更低，霧滴粒徑更細(xì)，其噴霧霧滴沉積分布特性差異較大[12-13]。因此，為探究無人機(jī)在梨樹噴霧授粉效果，提高梨樹授粉質(zhì)量和作業(yè)效率，本研究對不同噴霧參數(shù)下的多旋翼植保無人機(jī)液體噴霧授粉質(zhì)量進(jìn)行分析與探討。

1 材料與方法

1.1 液體授粉噴霧液

采用圓黃梨花粉配制花粉噴霧液，花粉采自江蘇省徐州市。梨花粉噴霧液由黃原膠、蔗糖、硝酸鈣和硼酸組成，以配制10 L花粉噴霧溶液為例，各組分的含量如表1所示。配制花粉噴霧溶液時(shí)，先將適量去離子水煮沸后緩慢加入提前稱量好的黃原膠并不斷攪拌，使其充分溶解后用紗布過濾倒入定容桶內(nèi)。同樣地，將適量去離子水煮沸后加入提前稱量好的蔗糖使其充分溶解過濾，倒入定容桶內(nèi)，進(jìn)而根據(jù)表1所稱量好的硝酸鈣和硼酸溶解后依次倒入定容桶，待各組分溶液均倒入定容桶后加去離子水定容至規(guī)定體積并充分混勻，配制成花粉營養(yǎng)液。液體授粉前根據(jù)噴霧體積定量加入花粉，攪拌使其在花粉營養(yǎng)液中均勻分散，配制好的花粉噴霧液應(yīng)盡快使用。

1.2 噴霧機(jī)具與試驗(yàn)條件

1.2.1 試驗(yàn)果園條件 試驗(yàn)在安徽省宿州市碭山酥梨試驗(yàn)站（116°20′49″E、34°25′42″N）開展，供試?yán)鏄淦贩N為碭山酥梨，為當(dāng)?shù)毓爬系膬?yōu)良品種，目前主要采取人工點(diǎn)授粉的方式進(jìn)行授粉。試驗(yàn)于2020年3月下旬進(jìn)行，試驗(yàn)期間梨樹開花率高達(dá)70%，試驗(yàn)梨園梨樹行間距為8 m，株距為4 m，樹體株高約4 m，頂部冠幅約6 m。

1.2.2 噴霧機(jī)具及作業(yè)參數(shù) 選用大疆T20型多旋翼植保無人機(jī)進(jìn)行噴霧授粉，該機(jī)最大有效起飛質(zhì)量為47.5 kg，滿載載荷20 L，最大作業(yè)飛行速度可達(dá)7 m/s。其噴霧系統(tǒng)配備了8個(gè)SX111001VS型噴頭，單噴頭最大流量為3.6 L/min，霧滴粒徑130～250 μm，根據(jù)飛行高度，其有效噴幅可達(dá)4～7 m。為對該多旋翼無人機(jī)的噴霧授粉質(zhì)量進(jìn)行評價(jià)，分別選用人工點(diǎn)授粉和背負(fù)式噴霧器噴霧授粉進(jìn)行對照（圖1）。多旋翼無人機(jī)設(shè)定3個(gè)不同噴霧量（分別編號為A、B和C），背負(fù)式噴霧器參考其日常作業(yè)噴霧量（編號為D），各處理的田間噴霧量見表2。

1.2.3 田間氣象條件 試驗(yàn)期間分別使用Watch Dog 2000（美國Spectrum）型氣象站和SP3000型三維風(fēng)速采集系統(tǒng)（意大利LSI-LASTEM）對田間溫濕度和風(fēng)速進(jìn)行測定。氣象站和三維風(fēng)速儀固定在試驗(yàn)果園上風(fēng)口方向空曠位置，高度為距離地面3 m處，氣象站和三維風(fēng)速采集系統(tǒng)的采樣頻率均為1 Hz，設(shè)定每隔10 min記錄1次各氣象參數(shù)的平均值。整個(gè)試驗(yàn)期間溫度為15.3～23.0 ℃，相對濕度為32.9%～40.8%，平均最大風(fēng)速不高于2 m/s。

1.3 樣品處理與檢測

1.3.1 冠層區(qū)域劃分與霧滴檢測 由于梨樹冠層高大，將其冠層劃分為上、下2層，分別在其冠層上層和下層部位選取5個(gè)布樣點(diǎn)放置水敏紙（先正達(dá)集團(tuán)股份有限公司），用于接收冠層不同區(qū)域內(nèi)的沉降霧滴。待噴霧完成且霧滴充分干燥后將水敏紙放入干燥信封保存并帶回實(shí)驗(yàn)室使用掃描儀在600 dpi 下進(jìn)行灰度掃描，通過DepositScan 軟件[14]對水敏紙上的霧滴粒徑、密度和覆蓋率進(jìn)行分析。

1.3.2 坐果率調(diào)查 每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)選取3株梨樹用于坐果率調(diào)查，在每株取樣梨樹上選取50個(gè)花序，授粉試驗(yàn)前對所選取花序進(jìn)行掛牌并統(tǒng)計(jì)其花朵數(shù)。待授粉結(jié)束10 d后，分別對各處理下梨樹的花序和花果坐果率進(jìn)行調(diào)查，并計(jì)算各處理下所選的3株梨樹坐果率的平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 噴霧參數(shù)對霧滴粒徑的影響

為有效評估水敏紙上霧滴粒徑分布范圍，選取DV10、DV50和DV90對各處理間的霧滴粒徑進(jìn)行對比。DV10是指將全部霧滴按照體積從小到大的順序累加，當(dāng)累加值等于全部霧滴體積的10%時(shí)所對應(yīng)的霧滴直徑，同理DV50和DV90分別為霧滴體積累加至總體積的50%和90%時(shí)所對應(yīng)的霧滴直徑，DV50又稱體積中值中徑。

對比霧滴在梨樹冠層上層和下層間的霧滴分布結(jié)果（表3）可知，對于多旋翼無人機(jī)噴霧授粉的3個(gè)處理，霧滴在上層的霧滴粒徑均明顯高于其在下層的粒徑。以其體積中值中徑（DV50）為例，處理A、B、C在上層的粒徑分別為914.0、742.6、2 223.7 μm，而下層分別為218.7、294.2、944.7 μm。使用背負(fù)式噴霧器進(jìn)行授粉的處理D的霧滴呈現(xiàn)出上層霧滴粒徑小于下層粒徑的趨勢，其在上層霧滴的DV10、DV50、DV90分別為 328.1、600.2、1 048.8 μm，其在下層霧滴的DV10、DV50、DV90分別為596.8、1 417.0、2 155.9 μm。這一結(jié)果與2種噴霧機(jī)具的作業(yè)方式有關(guān)，采用旋翼無人機(jī)授粉的3個(gè)處理為空手噴霧，霧滴由梨樹冠層上方向下方沉降，受冠層遮蔽的影響，多數(shù)霧滴沉降到梨樹冠層上部，而下部霧滴相對較少，上層霧滴較多時(shí)會出現(xiàn)相互黏連或覆蓋的情況，從而導(dǎo)致霧滴鋪展面積增大;而背負(fù)式噴霧器由操作人員地面進(jìn)行背負(fù)作業(yè)，霧滴難以向上運(yùn)動到梨樹冠層頂部，其霧滴主要沉積在梨樹冠層的下層部位導(dǎo)致其下層霧滴粒徑大于上層。

對比多旋翼無人機(jī)噴霧授粉的3個(gè)處理結(jié)果，雖然3個(gè)處理選用同一套噴霧系統(tǒng)，其初始霧滴粒徑相同，但由于噴霧量的差異致使最終沉積到水敏紙上的霧滴粒徑有所差異。處理A、B在冠層上層霧滴的體積中值中徑分別為914.0、742.6 μm，兩者間無顯著性差異;同樣地，處理A、B在冠層下層的體積中值中徑分別為218.7、294.2 μm，兩者間也沒有顯著性差異。對于處理A和B，無論是上層還是下層沉積霧滴的粒徑均明顯小于處理C所對應(yīng)的霧滴粒徑?？傮w而言，多旋翼無人機(jī)噴霧授粉時(shí)沉降霧滴的粒徑與其單位面積噴霧量呈正相關(guān)性。

2.2 噴霧參數(shù)對霧滴沉積量的影響

由表4可知，使用多旋翼噴霧的3個(gè)處理的霧滴覆蓋率分別為35.3%、28.4%、46.0%，處理A和B間差異不顯著，但2個(gè)處理的霧滴覆蓋率均顯著低于噴霧量最高的處理C。使用背負(fù)式噴霧器噴霧時(shí)霧滴在梨樹上層的覆蓋率為28.2%，與處理A和B差異不顯著，但其覆蓋率也顯著低于處理C。而在梨樹冠層的下層，由于背負(fù)式噴霧器為地面作業(yè)且單位面積噴霧量最高，因此其霧滴的覆蓋率最高，為51.7%，明顯高于使用多旋翼無人機(jī)進(jìn)行噴霧授粉的3個(gè)處理;使用多旋翼無人機(jī)進(jìn)行作業(yè)的3個(gè)處理的霧滴覆蓋率之間均存在顯著性差異，單位面積噴霧量越高其覆蓋率越大。

與霧滴粒徑的分布結(jié)果相似，使用多旋翼無人機(jī)噴霧時(shí)，霧滴在梨樹冠層上層的覆蓋率均高于其在梨樹冠層下層的覆蓋率;而使用背負(fù)式噴霧器作業(yè)時(shí)，霧滴在梨樹冠層下層的霧滴覆蓋率高于其在梨樹冠層上層的覆蓋率。這一結(jié)果也再次證明多旋翼無人機(jī)噴霧的霧滴主要集中于梨樹冠層的上部，而背負(fù)式噴霧器噴霧霧滴主要集中在梨樹冠層的下部。

與霧滴的覆蓋率相比，各處理間的霧滴在水敏紙上的覆蓋密度并無較大差異，除使用多旋翼無人機(jī)的處理A由于單位面積噴霧量較少且其霧滴主要集中于梨樹冠層上部，致使其在梨樹下層的霧滴密度最低，僅為54.1個(gè)/cm2，而其他處理的霧滴平均覆蓋密度均約為100個(gè)/cm2，無論是在梨樹冠層上層還是下層其霧滴密度均無顯著性差異。

2.3 噴霧參數(shù)對坐果率的影響

由圖2可知，使用背負(fù)式噴霧器和多旋翼無人機(jī)液體授粉方法的花序和花朵坐果率均低于人工點(diǎn)授粉的方式。人工點(diǎn)授粉的花序和花朵坐果率均最高，分別為76.8%、25.3%，使用背負(fù)式噴霧器液體授粉的處理效果次之，其花序和花朵坐果率分別為51.9%、17.4%。

相比于傳統(tǒng)的人工點(diǎn)授粉和目前新興的背負(fù)式噴霧器液體授粉而言，采用低容量噴霧或超低容量噴霧的多旋翼無人機(jī)噴霧授粉的花序和花朵坐果率仍較低。多旋翼無人機(jī)的單位面積噴霧量越高，其授粉效果越好，即噴霧量為102 L/hm2的處理A的花序和花朵坐果率分別為16.3%、7.8%;噴霧量為165 L/hm2的處理B的花序和花朵坐果率分別為20.3%、10.5%;噴霧量為218 L/hm2的處理C的花序和花朵坐果率分別為37.2%、15.2%。

3 討論與結(jié)論

人工點(diǎn)授粉的坐果成功率高，目前仍然是我國梨樹授粉最主要的方式[15]，但其存在勞動強(qiáng)度大、作業(yè)效率低、生產(chǎn)成本高等問題。為有效解決梨樹授粉難的問題，越來越多的科研人員開始從事梨樹液體授粉技術(shù)研究，目前梨樹液體授粉技術(shù)已在江蘇、甘肅、陜西和新疆等地推廣應(yīng)用[16-17]。但目前所推廣應(yīng)用的梨樹液體授粉技術(shù)主要授粉機(jī)具為背負(fù)式噴霧器，這在一定程度上仍然沒有徹底改變梨樹授粉勞動強(qiáng)度大和作業(yè)效率低的問題，因此本研究提出了基于多旋翼無人機(jī)的液體授粉技術(shù)。

相比于人工點(diǎn)粉的授粉方式，液體授粉效果不僅受機(jī)具噴霧質(zhì)量的影響，還受花粉溶液中花粉活性的影響[17]。試驗(yàn)選取的圓黃梨花粉活性在90%以上，為確?；ǚ廴芤褐谢ǚ鄣拿妊柯?，在梨花粉噴霧液中添加適量醋酸以調(diào)節(jié)其酸堿性，但試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)無論是背負(fù)式噴霧器還是多旋翼無人機(jī)的授粉效果較人工點(diǎn)授粉方式仍有一定的差距。

多旋翼無人機(jī)為超低容量噴霧或低容量噴霧，其單位面積花粉溶液用量較小，而背負(fù)式噴霧器單位面積梨花粉噴霧液用量大，因此多旋翼無人機(jī)的噴霧授粉效果低于背負(fù)式噴霧器。但多旋翼無人機(jī)較背負(fù)式噴霧器大大提高了作業(yè)效率，降低了勞動強(qiáng)度和人工成本。有研究表明，梨樹只需5%的花坐果就可以滿足實(shí)際生產(chǎn)需求[18]，雖然本研究中使用多旋翼無人機(jī)授粉的3個(gè)處理授粉10 d后的坐果率均大于這一數(shù)值，但在生產(chǎn)后期由于生理落果等進(jìn)一步降低了梨樹的坐果率，致使梨樹產(chǎn)生減產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)。這一現(xiàn)象也可能與授粉后當(dāng)?shù)剡B續(xù)多日的低溫陰雨天氣有關(guān)，但為確保多旋翼無人機(jī)授粉的坐果率和作業(yè)效率，一方面應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化無人機(jī)的飛行參數(shù)和噴霧量，另一方面還應(yīng)增加梨花粉噴霧液的花粉萌芽率。

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