植保無人機噴施霧滴在水稻群體內的沉積分布研究

浙江省農(nóng)業(yè)機械試驗鑒定推廣總站 余文勝 蔣 深

○浙江大學 鄭文鐘

金華市農(nóng)機畜牧發(fā)展中心 洪一前

浙江東田科技有限公司 陳靈峰

民以食為天，食以稻為先。水稻是浙江省播面最大、總產(chǎn)最高的糧食作物。2019年浙江省水稻種植面積627.52千公頃、產(chǎn)量462.06萬噸，分別占全省糧食播種總面積、總產(chǎn)量的64.20%和78.03%。水稻病蟲害種類繁多，據(jù)不完全統(tǒng)計目前水稻病害61種、蟲害78，共計139種。國內每年因發(fā)生病蟲害帶來糧食損失約占糧食總產(chǎn)的15%～40%。因此，積極開展水稻病蟲害防治對水稻產(chǎn)量減損和保障糧食安全意義重大。目前，全球水稻病蟲害防治仍以化學防治為主，農(nóng)藥施藥方式有人工噴施、地面機械噴施和航空噴施，其中以無人機為代表的航空噴施是當今國內新興的防治水稻病蟲害方式，具有效率高、成本低、作業(yè)受地形影響小，以及施藥人員安全等優(yōu)點。無人機噴霧霧滴在水稻植株上的沉積分布是影響無人機防治病蟲害效果的一個重要指標，而無人機作業(yè)參數(shù)是影響霧滴沉積分布的關鍵因素。目前，水稻生產(chǎn)管理中選擇無人機作業(yè)參數(shù)主要靠飛手經(jīng)驗，此法會對防治有效性帶來一定影響。鑒此，本文根據(jù)相關研究文獻，利用正交試驗設計法，以期獲得較好霧滴沉積分布的無人機作業(yè)參數(shù)，進而為無人機在水稻病蟲害防治作業(yè)的應用推廣提供參考。

一、材料與方法

1. 試驗材料

試驗植保無人機選用浙江某公司生產(chǎn)的3WD4-10型多旋翼無人機，外形尺寸（直徑×高）為θ1225×450，噴頭對角間距1.2m，噴頭4個，噴頭類型扇形噴霧頭，布置方式前后各2個。試驗用儀器設備有便攜式風速風向儀、便攜式溫濕度儀、電子稱、量杯、采集卡布放架、、掃描儀、自封袋等。噴霧試驗中所用藥劑為亮泰（阿維·氯甲酰胺）、農(nóng)精靈（苯甲·嘧菌酯）；噴霧指示劑誘惑紅為胭脂紅。防治對象為水稻一代二化螟、白葉枯病，等等。

2.環(huán)境氣候

試驗地址選在金華市佐合糧食專業(yè)合作社，水稻栽植方式為人工直播，品種為中早39，生育期為揚花期，水稻植株平均高度70～80cm，7.5萬株/畝。試驗日期為2020年6月17日上午5：30～8：30。當天天氣晴，環(huán)境氣溫22℃～25.1℃，平均相對濕度78.2%，風速0.61m/s，東偏南2級。

3.試驗方法

試驗采用三因素三水平正交試驗設計方法，考察植保無人機飛行高度、作業(yè)速度、噴頭流量對農(nóng)藥藥液霧滴的影響。正交試驗設計的因素、水平如表1所示。

表1 試驗因素與水平

試驗選用L9（34）正交表來安排試驗，表2為正交試驗方案表，將考察因素每列中的數(shù)字換成相應的水平的實際數(shù)值。

表2 正交試驗方案表

試驗采樣時，分別在試驗區(qū)塊小區(qū)長度的1/4、2/4、3/4處，按與植保無人機飛行作業(yè)方向的垂直方向，各設置一條霧滴采集帶（采集帶由3個采集點構成，相鄰采集點間距離為1m，中間一個采集點布局在無人機航道中心線），每條航道設置3條霧滴采集帶，一個試驗小區(qū)內相鄰的三條航道內設置霧滴采集帶，共9條霧滴采集帶、27個霧滴采集點。霧滴采集卡編號規(guī)則：I-n-上、I-n-下，I為試驗區(qū)塊的標號，取值范圍1～9；n表示第I個試驗區(qū)的采樣點，取值范圍1～27。

4.數(shù)據(jù)采集處理

每次試驗完畢，待采集卡上的霧滴干燥后，按照序號收集霧滴采集卡，然后逐一放入相應的密封袋中，回辦公室處理。將收集的霧滴采集卡逐一用掃描儀掃描，掃描后的圖像通過圖像處理軟件Deposit Scan(V1.2)進行處理分析，根據(jù)文獻中方法，得到植保無人機不同作業(yè)參數(shù)下的霧滴覆蓋密度和單位面積上的沉積量。另一方面，為表征試驗中各采集點之間的霧滴沉積均勻性和沉積穿透性，以植保無人機有效噴幅區(qū)內每層不同采集點上霧滴沉積密度的變異系數(shù)（CV）來衡量試驗中霧滴的分布均勻性；以無人機有效噴幅內每個采集點的上層、下層霧滴沉積密度的變異系數(shù)（CV）來衡量霧滴沉積穿透性，其中，變異系數(shù)越小表示霧滴覆蓋越均勻。變異系數(shù)（CV）計算見公式（1）、（2）。

式中，S：同組試驗采集樣本標準差；

Xi：各采集點單位面積上的霧滴密度，個·cm-2；

n：各組試驗采集點個數(shù)。

二、 結果與分析

1. 霧滴沉積密度

按照設計試驗方案的9個處理，植保無人機在9個試驗田塊內分別進行噴霧作業(yè)，對收集到的霧滴采集卡，利用圖像處理軟件Deposit Scan(V1.2)進行處理分析，得到無人機噴施霧滴在水稻群體內的分布情況結果，詳見表3。

表3 植保無人機霧滴在水稻群體內沉積分布結果

由表3中數(shù)據(jù)可以看出，水稻植株上層、下層密度比較接近且霧滴分布比較均勻的試驗組號是2號和5號。噴頭流量1.5L·min-1、作業(yè)高度2.0m、作業(yè)速度4.5m·s-1的試驗組號2的試驗結果是：上、下層密度分別為39.32個·cm-2、32.43個·cm-2，上、下層的沉積均勻性分別為71.53%、55.56%。噴頭流量2.5L·min-1、作業(yè)高度2.0m、作業(yè)速度6.0m·s-1的試驗組號5的試驗結果是：上、下層密度分別為33.08個·cm-2、21.56個·cm-2，上、下層的沉積均勻性分別為57.74%、41.49%。綜合霧滴沉積密度大小和分布均勻性兩方面因素，試驗組號2和試驗組號5總體優(yōu)于其他試驗組，二者為較佳的作業(yè)方式。

表4為霧滴覆蓋密度的極差分析結果。由表4看出，影響霧滴在水稻群體內的沉積密度的因素較優(yōu)水平是不一致的。導致三種因素在不同水稻植株上霧滴密度大小的主次順序出現(xiàn)不一致可能是試驗誤差。根據(jù)相關文獻資料分析和實際作業(yè)結果，若不考慮霧滴穿透性時，影響霧滴密度大小的因素主次順序依次為飛行速度、作業(yè)高度、噴頭流量。反之，因素主次順序則發(fā)生變化。由表4中各因素水平的極差值可知，三種因素影響霧滴沉積密度的因素主次順序依次為作業(yè)高度、飛行速度、噴頭流量。因此，考慮到霧滴穿透性，影響水稻植株上、下層不同部位的霧滴沉積密度的因素主次順序是不同的。

表4 農(nóng)藥霧滴沉積密度極差分析

2. 霧滴沉積均勻性

表5 農(nóng)藥霧滴沉積密度均勻性極差分析

表5為農(nóng)藥霧滴密度變異系數(shù)的極差分析結果，可以表示霧滴沉積密度的均勻性。由表3可以看出，較優(yōu)的作業(yè)水平為的試驗組號5，即噴頭流量2.5L·min-1、作業(yè)高度 2.0m、作業(yè)速度6.0m·s-1，其霧滴在水稻群體內的上層、下層的沉積均勻性分別為57.74%、41.49%，且根據(jù)表5中極差值R的大小可知，三種因素在不同水稻植株的高度上影響霧滴均勻性的主次順序是一致的，即影響霧滴上層、下層均勻性的主次順序均為飛行速度、噴頭流量、作業(yè)高度。這一結果說明植保無人機的在噴施作業(yè)時，以較高的飛行速度和適宜的作業(yè)高度噴施藥液，能避免無人機下方的旋翼風場過強，從而使沉積在水稻群體植株內霧滴能獲得較好的均勻性。

3. 霧滴沉積穿透性

表6為農(nóng)藥霧滴密度穿透性極差分析結果。綜合霧滴沉積密度數(shù)值大小及其變異系數(shù)，可以看出，噴頭流量1.5L·min-1、作業(yè)高度2.0m、作業(yè)速度4.5m·s-1的試驗組號2，以及噴頭流量2.5L·min-1、作業(yè)高度2.0m、作業(yè)速度6.0m·s-1的試驗組號5中的霧滴沉積穿透性分別為65.93%、58.10%，二者的霧滴覆蓋密度較大且穿透性較好，均可視為較佳的作業(yè)方式，其中尤以試驗組號5最佳。與此同時，由穿透性變異系數(shù)的極差大小可以看出，影響霧滴覆蓋密度穿透性大小的因素主次順尋依次為噴頭流量、飛行速度、作業(yè)高度。

表6 農(nóng)藥霧滴沉密度穿透性性極差分析

試驗組號2和試驗組號5的作業(yè)高度均為2m時，藥液霧滴穿透性較佳。由此進一步分析可知，當作業(yè)高度過低時，無人機旋翼下方風場過強，造成水稻植株上部向周圍外部擺動傾斜，影響藥液霧滴在水稻植株上層的沉積；反之，當作業(yè)高度過高時，無人機旋翼下方風場變弱，導致藥液霧滴難以達到水稻植株的下部。上述分析過程與噴施試驗中霧滴沉積結果相一致。

三、 討論與結論

1）無人機藥液霧滴的密度大小、分布均勻性、穿透性等是評價噴施作業(yè)效果的關鍵指標，并對其防治病蟲害效果有重要影響。本文利用浙江某公司生產(chǎn)的3WD4-10型多旋翼無人機，結合相關研究文獻和正交試驗設計法，試驗研究無人機的飛行速度、作業(yè)高度、噴頭流量等作業(yè)參數(shù)對霧滴密度大小、分布均勻性、穿透性等指標影響情況。通過對試驗結果分析，得到較佳作業(yè)方式的組號是噴頭流量1.5L·min-1、作業(yè)高度2.0m、作業(yè)速度4.5m·s-1的試驗組號2，以及噴頭流量2.5L·min-1、作業(yè)高度2.0m、作業(yè)速度6.0m·s-1的試驗組號5。根據(jù)極差分析可知，影響沉積密度和沉積均勻性的因素主次順序依次為飛行速度v、噴頭流量q、作業(yè)高度h；根據(jù)霧滴沉積穿透性結果，作業(yè)高度均為2.0m的試驗組號2和5中的霧滴沉積穿透性分別為65.93%、58.10%，且影響霧滴覆蓋密度穿透性大小的因素主次順尋依次為噴頭流量q、飛行速度v、作業(yè)高度h。由于無人機旋翼下方風場的影響和水稻不同生長階段植株的物理特性，需要對無人機作業(yè)參數(shù)進行優(yōu)選，進而確保無人機在水稻植株需要噴施藥液部位的霧滴有效沉積分布。

2）無人機旋翼下方的風場強弱是影響藥液霧滴在水稻植株群體內沉積效應的一個關鍵因素。通過上述9組試驗結果可知，霧滴在水稻植株群體內沉積的總體趨勢是上層區(qū)域大于下層區(qū)域，即無人機噴施藥液沉積效應是自上而下逐漸減弱的，但是也有若干組試驗結果則呈現(xiàn)相反態(tài)勢如試驗組號3和9，二者下層區(qū)域的沉積密度要比上層區(qū)域高些；另一方面，有的試驗組號的藥液霧滴在水稻植株每一層上的沉積均勻性和穿透性都比較差。導致產(chǎn)生此現(xiàn)象的主要原因是無人機旋翼下方的風場過強，造成水稻植株上部向四周外部傾斜，從而使大部分霧滴被風場吹送到水稻植株的下部，與此同時傾斜的水稻植株也會影響其葉片上的霧滴沉積，由此減少了水稻植株在傾斜方向的霧滴沉積量。

3）進一步改善藥液霧滴沉積質量是提高植保無人機在水稻病蟲害防治作業(yè)效果的前提。為此需要做好兩個方面工作：一是優(yōu)選植保無人機的飛行作業(yè)參數(shù)。不同飛行作業(yè)參數(shù)下無人機的旋翼風場強度不同，水稻不同生長階段的植株傾斜程度也不一樣，因此適合水稻不同生長階段的防治要求也會有差別，包括作業(yè)高度、飛行速度等，經(jīng)過優(yōu)選的作業(yè)參數(shù)將增加霧滴在水稻植株防治部位的沉積質量。二是在利用無人機防治水稻病蟲害時，需要考慮農(nóng)機農(nóng)藝的有效結合問題。本次試驗對象為人工直播稻，屬于無序種植方式，不僅影響霧滴穿透性，而且易導致水稻植株過度傾斜，使霧滴在水稻植株群體內各部位分布不均勻，若采用機插方式種植水稻，上述影響無人機霧滴沉積分布質量的不利因素將會得到改觀。