不同植保機械在湖北稻田病蟲害防治中的效能評價

王佐乾，吳婧蓮，吳 濤，張 舒 ,袁家富,張瑞洋，楊小林，夏賢格

(1.湖北省農(nóng)業(yè)科學院 植保土肥研究所/農(nóng)作物重大病蟲草害防控湖北省重點實驗室/農(nóng)業(yè)部華中作物有害生物綜合治理重點實驗室，湖北 武漢 430064； 2.荊州市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，湖北 荊州 434020； 3.湖北工業(yè)大學 工業(yè)設(shè)計學院，湖北 武漢 430068)

農(nóng)村農(nóng)業(yè)勞動力持續(xù)外流，勞動力成本相應(yīng)提高，同時農(nóng)業(yè)土地規(guī)模化進程加快，為保證糧食生產(chǎn)安全，全面機械化是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的趨勢[1]。水稻生產(chǎn)中土地耕整、插秧、收割等主要生產(chǎn)過程的機械化已經(jīng)普及，但植保機械的使用仍然較少[2]。一方面植保機械化亟需推廣，另一方面針對稻田生產(chǎn)植保機械化存在技術(shù)難點：一是水稻葉片表面蠟質(zhì)層較厚不利于霧滴附著；二是二化螟、稻飛虱和紋枯病多發(fā)生在水稻基部，自上而下噴霧對基部的藥液覆蓋難以保證[3]；三是植保機械價格較高，占用固定資產(chǎn)投入較大，使用成本具有一定門檻。因此，植保機械霧滴密度覆蓋度、霧滴穿透性能、使用成本是考察植保機械能否適應(yīng)水稻生產(chǎn)的關(guān)鍵指標。

研究表明，多種作物生產(chǎn)中植保機械已經(jīng)有廣泛應(yīng)用并且取得了較好的效果[4-6]。近年來植保機械發(fā)展迅速，特別是植保無人機，該類機型不僅對作物、復雜的地形以及分散田塊具有良好的適應(yīng)性，并且具有作業(yè)速度快和使用靈活的優(yōu)勢。此外，載藥量、配套噴霧技術(shù)、續(xù)航能力和耐用度的大幅提高，增強了易用性并降低了應(yīng)用成本[7]。然而相比較于傳統(tǒng)植保機械，植保無人機發(fā)展時間較短，配套應(yīng)用技術(shù)仍在持續(xù)開發(fā)[8]，實際生產(chǎn)中應(yīng)用效果仍有待驗證。相反，自走式噴霧機應(yīng)用較早，針對稻田生產(chǎn)的相應(yīng)配套技術(shù)也更成熟，目前在亞洲稻田產(chǎn)區(qū)已經(jīng)廣泛應(yīng)用[9-10]。與日韓等國家不同，我國水稻生產(chǎn)以個體農(nóng)戶為主體，因此種植模式、栽培方式、水稻品種不統(tǒng)一，導致成熟時間不一致、秧苗行距寬窄不一，制約了自走式噴霧機高效應(yīng)用。此外，自走式噴霧機大多采用進口高性能發(fā)動機，整機價格相對較高，前期成本投入較大[11]。雖然存在部分技術(shù)問題，但是上述兩大類主流植保機械仍具有作業(yè)效率高、時效性強的優(yōu)點，可以實現(xiàn)大面積快速藥劑處理。特別是當遷飛性害蟲暴發(fā)和大區(qū)域流行性病害發(fā)生時，能夠?qū)崿F(xiàn)大面積精準統(tǒng)防統(tǒng)治，減少災(zāi)情造成的重大經(jīng)濟損失[12-13]。上述植保機械的推廣應(yīng)用仍存在客觀限制，對已有植保機械田間應(yīng)用效果展開調(diào)查有助于完善配套應(yīng)用技術(shù)。

面對當前水稻植保效率較低的現(xiàn)狀，病蟲害機械化防控符合新型農(nóng)業(yè)發(fā)展的具體要求[14]。國內(nèi)外學者對植保機械的開發(fā)和升級開展了大量的研究[15]，但稻田生產(chǎn)應(yīng)用效果和應(yīng)用成本仍有待驗證和探討。鑒于此，開展湖北省幾種主流新型植保機械噴霧性能、防治效果、綜合成本調(diào)查探討，為水稻生產(chǎn)中植保機械的高效應(yīng)用提供科學依據(jù)，助推植保機械在水稻生產(chǎn)中發(fā)揮優(yōu)勢，加快水稻植保機械化的推廣速度。

1 材料和方法

1.1 供試植保機械

以水稻主流噴霧機械作為研究對象，以背負式電動噴霧機作為對照。

對照：禾雨3WBD-16型背負式電動噴霧機(臺州市路橋慶悅噴霧器廠，以下簡稱人工)。

自走式噴霧機3種：易田3WYTZ1000-20(山東易田農(nóng)業(yè)機械制造有限公司，以下簡稱易田)、億豐丸山3WP-500(無錫億豐丸山科技有限公司，以下簡稱丸山)、久保田KBA600(蘇州久保田農(nóng)業(yè)機械有限公司，以下簡稱久保田)。

植保無人機2種：大疆MG-1S(深圳市大疆創(chuàng)新科技有限公司，以下簡稱大疆)、全豐3WQFTX-10(安陽全豐航空植保科技股份有限公司，以下簡稱全豐)。

以上植保機械田間運行均由專業(yè)人員完成。

1.2 供試藥劑及天氣

供試藥劑：25%吡蚜酮懸浮劑(江蘇克勝集團股份有限公司)，用量為360 g/hm2；14%井岡·氟環(huán)唑懸浮劑(利爾化學股份有限公司)，用量為375 g/hm2。

天氣：2019年7月30日最高氣溫27 ℃、最低氣溫6 ℃，陰，西北風2級，平均相對濕度80%。作業(yè)時間為8:00—9:00。當天氣候條件對霧滴記數(shù)準確性影響不大。

1.3 機械噴霧性能測試

試驗田位于湖北省荊州市沙市區(qū)觀音垱鎮(zhèn)金穗家庭農(nóng)場，水稻品種為兩優(yōu)126。2019年5月4日播種，5月23日機械插秧，7月30日水稻孕穗期進行噴藥試驗。試驗田面積為1.4 hm2，劃分為7個小區(qū)，其中1個不作藥劑處理，設(shè)為空白對照。在藥劑處理的各個小區(qū)長度的1/4、2/4、3/4處設(shè)置3個霧滴測試點位，每個點位垂直于機械前進方向設(shè)置左、中、右3個點(左右2點相距中心點1 m)。每點選擇1兜稻株，使用立桿在稻叢表層(90 cm)、中部(60 cm)和基部(30 cm)分別固定霧滴測試卡(3 cm×9 cm)。表層和中部隨機設(shè)置3個方向，每個方向固定3片霧滴測試卡，基部東西南北4個方向分別固定3片霧滴測試卡。將顯色劑按照10 g/L加入噴霧機水箱中，測試卡僅在含有顯色劑的液滴撞擊下顯示藍色，避免了潮濕環(huán)境對霧滴測試準確性的影響。噴霧30 min后取回霧滴卡，使用霧滴分析儀(深圳市大疆創(chuàng)新科技有限公司)分析霧滴密度和變異系數(shù)。

1.4 防效試驗

試驗田塊稻飛虱發(fā)生較重，噴藥前調(diào)查稻飛虱蟲口基數(shù)，噴藥后7 d(8月6日)與14 d(8月13日)分別調(diào)查活蟲數(shù)。每個小區(qū)平行跳躍法調(diào)查10點，每個點2叢。使用盆拍法調(diào)查稻叢蟲口數(shù)，計算蟲口減退率和校正防效。

蟲口減退率=

校正防效=

1.5 數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)用Excel 2013進行整理，采用單因素方差分析(One-way ANOVA)鄧肯氏新復極差法(DMRT)分析差異顯著性[16]。

作業(yè)成本以生產(chǎn)試驗所得到的數(shù)據(jù)和有關(guān)資料進行計算，以元/hm2為單位。按下列公式計算：總成本=人力成本+藥劑成本+燃料動力成本+折舊成本+固定資產(chǎn)占用。

人力成本按照當?shù)厮巹┨幚砉r費除去處理面積；燃料消耗按當?shù)厝剂蠈嶋H價格計算；機器折舊費按當前購置補貼后價格且報廢殘值率5%計算。自走式噴霧機折舊報廢年限8 a，按照每日作業(yè)量6.67 hm2計算折舊成本。無人植保機5 a報廢，按每日作業(yè)量13.33 hm2計算折舊成本。固定資金占用按當前中國農(nóng)業(yè)銀行3 a定期貸款年利率4.75%計算。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同植保機械霧滴密度分布和變異系數(shù)

2.1.1 不同植保機械稻叢不同高度噴霧密度 霧滴測試卡結(jié)果示例如圖1。為驗證各機型噴霧的霧滴數(shù)量，比較了不同機型之間分別在3個高度的噴霧密度。稻叢表層(90 cm)久保田霧滴密度最大，極顯著高于其他機型，均值達到361.0個/cm2。丸山極顯著高于易田和各型植保無人機，霧滴密度均值達到202.2個/cm2。與自走式噴霧機相反，大疆與全豐霧滴密度極顯著低于其他機型，均值分別為42.2、42.7個/cm2(圖2A)。稻叢中部(60 cm)久保田同樣極顯著高于其他機型，均值達到320.8個/cm2(圖2B)。大疆和全豐極顯著低于各型自走式噴霧機，均值分別為50.7、36.4個/cm2(圖2B)。稻叢基部(30 cm)久保田極顯著高于人工、丸山和各型植保無人機，均值達到169.7個/cm2。易田極顯著高于各型植保無人機，均值達到142.6個/cm2。大疆與全豐極顯著低于所有其他機型，均值分別是25.6、19.8個/cm2(圖2C)。以上結(jié)果表明，自走式噴霧機無論在稻叢表層、中部還是基部霧滴密度較大，與之相反，各型植保無人機霧滴密度較小。

圖1 不同植保機械霧滴測試卡掃描圖示

不同小寫字母表示在5%水平差異顯著(P<0.05)，不同大寫字母表示在1%水平差異顯著(P<0.01)，圖3同

2.1.2 不同植保機械稻叢不同高度霧滴密度的變異系數(shù) 為驗證各機型噴霧的均一性，比較了不同機型之間霧滴密度的變異系數(shù)。各個機型之間橫向比較，稻叢表層(90 cm)久保田變異系數(shù)極顯著小于全豐，顯著小于易田、大疆，說明霧化均一性較好(圖3A)；稻叢中部(60 cm)大疆的變異系數(shù)極顯著大于其他機型，說明該機型霧化均一性較差(圖3B)；稻叢基部(30 cm)易田和久保田變異系數(shù)極顯著小于大疆，其他機型之間沒有顯著差異(圖3C)。

圖3 不同植保機械在稻叢不同高度霧滴密度的變異系數(shù)

2.2 同一植保機械霧滴垂直穿透性能和基部不同方位霧滴分布

為驗證各機型霧滴垂直穿透性能，比較了同一機型在3個稻叢垂直高度的霧滴密度變化。易田在中部霧滴密度顯著高于表層，中部和基部霧滴密度增幅分別達到表層的27.3%和10.6%，表明該機型中部和基部霧滴覆蓋效果更好，穿透性能較強；丸山在中部霧滴密度是表層的74.4%，顯著低于表層,基部霧滴密度最小，只有表層的48.9%，極顯著低于表層；久保田基部霧滴密度極顯著下降，只有表層的47.0%；大疆在稻叢各高度霧滴密度沒有顯著差異；全豐中部霧滴密度與表層沒有顯著差異，但基部霧滴密度較表層下降顯著，只有表層的46.4%(表1)。

表1 不同植保機械稻叢霧滴穿透性能 個/cm2

為驗證各機型霧滴在稻叢基部各方向的覆蓋情況，比較了各機型在基部4個方向霧滴密度的差異。5種機型噴霧霧滴在基部4個方位的霧滴分布見表2。由結(jié)果可以看出，無論自走式噴霧機，還是植保無人機在稻叢不同方位的霧滴分布密度沒有顯著性差異。

綜上，易田和大疆霧滴穿透能力較強，易田在中部的霧滴密度甚至顯著高于表層，其他機型霧滴密度在中部或基部衰減明顯，霧滴穿透性相對較差。另外，各機型在稻叢基部不同方位的霧滴分布沒有顯著差異。

表2 不同植保機械稻叢基部不同方位霧滴分布密度 個/cm2

2.3 防治效果

由于氣候、品種等原因，本次試驗的水稻田塊稻瘟病僅有零星發(fā)生，病情指數(shù)上各藥劑處理與空白對照沒有差異。對照田塊稻飛虱發(fā)生較重，除久保田未獲得有效數(shù)據(jù)，其他植保機械防效結(jié)果如表3所示。藥后7 d校正防效，各處理間沒有顯著差異。藥后7 d校正防效為易田(98.8%)>大疆(97.9%)>人工(97.7%)>全豐(97.1%)>丸山(96.5%)。藥后14 d校正防效表明，丸山和易田之間防效沒有顯著差異，自走式噴霧機的防效顯著高于植保無人機和人工，各處理的防效間不存在極顯著差異。藥后14 d校正防效為丸山(98.6%)>易田(98.1%)>大疆(93.7%)=人工(93.7%)>全豐(92.9%)。綜合以上結(jié)果，所有機型校正防效均超過90%，各型噴霧機藥劑處理效果均能達到防治要求。

表3 稻飛虱防治效果

2.4 植保機械防控成本

人力成本方面，大疆和全豐15.00元/hm2，易田、丸山和久保田150.00元/hm2，人工225.00元/hm2。自走式噴霧機和植保無人機人力成本分別只需人工的66.7%和6.7%。藥劑成本方面，因為藥劑用量相同，自走式噴霧機、植保無人機和人工均72.00元/hm2。燃料動力消耗方面，人工消耗0.45元/hm2，自走式噴霧機消耗6.75元/hm2，植保無人機消耗5.10元/hm2。用水方面，植保無人機用水15.0 L/hm2，自走式噴霧機250.5 L/hm2，人工240.0 L/hm2(田間灌溉用水是0.05元/m3，節(jié)水帶來的效益較微，此處不計入總成本)。折舊成本和固定資產(chǎn)占用成本按照自走式噴霧機湖北省補貼后價格17.50萬元/臺計算，大疆每臺4.50萬元，全豐每臺2.95萬元。經(jīng)計算，自走式噴霧機折舊成本為4.34元/hm2，大疆1.76元/hm2，全豐1.15元/hm2；自走式噴霧機固定資產(chǎn)占用0.65元/hm2，大疆0.26元/hm2，全豐0.17元/hm2。除用水成本外，人工的綜合成本是297.45元/hm2，自走式噴霧機的成本為233.74元/hm2，較人工成本減少21.4%；大疆的成本為94.12元/hm2，較人工減少68.4%；全豐成本為93.42元/hm2，較人工減少68.6%(表4)。

表4 不同植保機械單次植保作業(yè)的成本 元/hm2

3 結(jié)論與討論

開展本次試驗的江漢平原是湖北水稻的主要產(chǎn)區(qū)之一，水稻生產(chǎn)中機械化程度較高。本研究不僅調(diào)查了植保機械噴霧性能和稻飛虱的校正防效，同時對應(yīng)用植保機械綜合成本進行核算。成本核算時，用水方面，植保無人機能夠在用水量非常小的情況下完成藥劑充分霧化[17]，但是節(jié)水帶來的經(jīng)濟效益較微，此處不計入總成本。噴霧性能測試結(jié)果表明，各型自走式噴霧機霧滴密度覆蓋度均較好，其中久保田霧滴密度最大同時均一性也最佳。相比自走式噴霧機，植保無人機霧滴密度覆蓋度和均一性沒有優(yōu)勢。但因植保無人機旋翼產(chǎn)生的垂直風場能夠撥開稻叢，故該類機型具有良好的霧滴穿透性能，因此藥劑霧滴也能到達水稻基部[18]。藥后7 d校正防效結(jié)果中，植保無人機防治效果與自走式噴霧機沒有顯著差異。藥后14 d校正防效結(jié)果中，盡管植保無人機顯著低于自走式噴霧機，但防效均超過90%，與人工沒有顯著差異。以上結(jié)果表明，雖然植保無人機霧滴密度覆蓋度較小，但仍能獲得較好的防治效果。這是因為一方面植保無人機噴霧具有較強穿透性能，藥劑能夠達到防治關(guān)鍵部位的基部。并且應(yīng)用具有內(nèi)吸性的殺菌劑，可以減少霧滴密度較小對防效的負面影響[19]。因此使用植保無人機時應(yīng)選擇防治效果受霧滴密度影響較小的藥劑。

植保機械化的最大優(yōu)勢在于提高作業(yè)效率，節(jié)省生產(chǎn)成本。本研究中，盡管自走式噴霧機和植保無人機燃料動力成本、折舊成本和固定資產(chǎn)占用有所增加，但占比最高的人力成本縮減最顯著。據(jù)統(tǒng)計，人工背負式操作平均用時100～225 min/hm2，自走式噴霧機用時只需要人工的10.0%，植保無人機用時只需要人工的6.7%[20]。相對應(yīng)人力成本大幅下降，自走式噴霧機和植保無人機人力成本分別為150.00、15.00元/hm2，分別只需人工背負式操作人力成本(225.00元/hm2)的66.7%和6.7%，每公頃土地單次藥劑處理成本大幅下降，經(jīng)濟效益顯著提高。

本研究結(jié)果表明，久保田是霧滴密度試驗中性能最好的機型，但久保田在藥劑噴施過程中發(fā)生了自陷，未能如期完成病蟲害的藥劑噴灑，相應(yīng)地未能取得防效數(shù)據(jù)。久保田在內(nèi)的各型自走式噴霧機對田塊前期處理及平整度有要求，存在田塊地形適應(yīng)能力的局限性。此外水稻生長后期稻田已經(jīng)封行，自走式噴霧機作業(yè)過程中對植株有不同程度的傾軋。與之相反，植保無人機能較好適應(yīng)田塊地勢，對作物也不會造成傷害。

綜合以上結(jié)果，雖然部分機型之間噴霧性能存在顯著差異，但防效數(shù)據(jù)表明，應(yīng)用主流植保機型均能取得較好的防治效果。并且植保機械能夠大幅提高作業(yè)效率，減少勞動力投入，降低藥劑處理成本，做到節(jié)本增效。其中植保無人機能夠很好地適應(yīng)不同的地形地貌，所以針對湖北存在一季稻、雙季稻、稻麥(油)輪作、蝦稻、鴨蛙稻等多種水稻種植模式的現(xiàn)狀，該類機型是替代傳統(tǒng)人工植保的最佳選擇。