植保無人機(jī)作業(yè)參數(shù)對(duì)水稻冠層霧滴沉積分布影響研究

余文勝，鄭文鐘，洪一前，楊曉平，宋 濤，金浙紅，董玉玲

（1 浙江省農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)鑒定推廣總站,310020,浙江杭州;2 浙江大學(xué),310058,浙江杭州;3 金華市農(nóng)業(yè)機(jī)械管理站,321017,浙江金華;4 浙江省植保檢疫與農(nóng)藥管理總站,310004,浙江杭州；5 浙江省畜牧農(nóng)機(jī)發(fā)展中心，310020，浙江杭州）

水稻是浙江省種植面積最大、總產(chǎn)量最高的糧食作物。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2018 年浙江省水稻種植面積65.107 萬hm2，占全省糧食種植面積的66.73%；同期全省水稻總產(chǎn)量477.40 萬t，占糧食總產(chǎn)量的79.68%。[1]水稻病蟲害種類繁多，據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道有139 種，其中病害61種、蟲害78 種[2]。國內(nèi)每年因病蟲害發(fā)生導(dǎo)致糧食減產(chǎn)占總產(chǎn)量的15%～40%。因此，加強(qiáng)水稻病蟲害防治，對(duì)減少水稻產(chǎn)量損失、確保糧食安全具有重要意義?；瘜W(xué)防治是當(dāng)今國內(nèi)外水稻病蟲害防治的主要方式，農(nóng)藥施藥方式有人工噴施、地面機(jī)械噴施和航空噴施。以植保無人機(jī)為代表的航空噴施是浙江省近年來發(fā)展起來的一種新的水稻病蟲害防治方式，具有作業(yè)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(diǎn)。目前全省水稻植保無人機(jī)作業(yè)面積不大，總體上處于起步階段。植保無人機(jī)噴霧霧滴在水稻冠層沉積分布狀況對(duì)病蟲害防治效果有重要影響，而植保無人機(jī)作業(yè)參數(shù)是影響其霧滴沉積分布的關(guān)鍵因素。目前，水稻種植管理中植保無人機(jī)作業(yè)參數(shù)的確定主要依靠飛手經(jīng)驗(yàn)，從而對(duì)防治效果產(chǎn)生了一定影響。鑒此，本文在參考國內(nèi)同類研究文獻(xiàn)基礎(chǔ)上，利用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法，尋求能獲得較好噴霧霧滴分布的植保無人機(jī)作業(yè)參數(shù)，進(jìn)而為浙江省植保無人機(jī)在水稻病蟲害防治作業(yè)中的應(yīng)用推廣普及提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 試驗(yàn)設(shè)備 試驗(yàn)植保無人機(jī)選用浙江東田科技有限公司生產(chǎn)的3WD4-10 型多旋翼無人機(jī)，外形尺寸（直徑×高）為Φ1 225 mm×450 mm，噴頭對(duì)角間距1.2 m，噴頭4 個(gè)，噴頭類型為扇形噴霧頭，布置方式為前后各2 個(gè)；便攜式風(fēng)速風(fēng)向儀；便攜式溫濕度儀；電子秤、量杯；采集卡布放架；canon lide 400 型掃描儀；自封袋；等等。

1.1.2 供試藥劑 噴霧試驗(yàn)中所用藥劑為亮泰（阿維·氯甲酰胺）、農(nóng)精靈（苯甲·嘧菌酯），生產(chǎn)企業(yè)分別為先正達(dá)、惠州銀農(nóng)科技；噴霧指示劑誘惑紅為胭脂紅，生產(chǎn)企業(yè)為上海染料研究所有限公司。

1.1.3 防治對(duì)象 水稻一代二化螟、白葉枯病等。

1.2 場地氣候

1.2.1 試驗(yàn)地址 試驗(yàn)地址選在金華市佐合糧食專業(yè)合作社，水稻栽植方式為直播，品種為中早39，生育期為分蘗期，水稻植株平均高度25～30 cm，112.5 萬株/hm2。田塊地勢平坦、肥力均勻、保水性能好、排灌方便。

1.2.2 環(huán)境氣候 試驗(yàn)時(shí)間為2020 年5 月22 日11：10—13：30。當(dāng)天天氣陰天，環(huán)境氣溫22～25.1 ℃，平均相對(duì)濕度78.2%，風(fēng)速0.61 m/s，東偏南2 級(jí)。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 試驗(yàn)采用三因素三水平的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，考察植保無人機(jī)飛行高度、作業(yè)速度、噴頭流量對(duì)農(nóng)藥藥液霧滴的影響[3，4]。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的因素、水平如表1 所示。

表1 試驗(yàn)因素與水平

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

表2 正交試驗(yàn)方案表

1.3.2 采樣點(diǎn)布置 在試驗(yàn)區(qū)塊，分別在小區(qū)長度的1/4、2/4、3/4 處，按與植保無人機(jī)飛行作業(yè)方向的垂直方向，各設(shè)置一條霧滴采集帶（采集帶由三個(gè)采集點(diǎn)構(gòu)成，相鄰采集點(diǎn)間距離為1 m，中間一個(gè)采集點(diǎn)布置在無人機(jī)航道中心線），每條航道設(shè)置3 條霧滴采集帶，一個(gè)試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)相鄰的三條航道內(nèi)設(shè)置霧滴采集帶，共9 條霧滴采集帶、27 個(gè)霧滴采集點(diǎn)。霧滴采集卡編號(hào)規(guī)則：I-n。I 為試驗(yàn)區(qū)塊的標(biāo)號(hào)，取值范圍1～9；n 表示第I 個(gè)試驗(yàn)區(qū)的采樣點(diǎn)，取值范圍1～27。

1.4 數(shù)據(jù)采集處理

1.4.1 數(shù)據(jù)采集 每次試驗(yàn)完畢，待采集卡上的霧滴干燥后，按照序號(hào)收集霧滴采集卡，然后逐一放入相應(yīng)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(jìn)行處理分析，根據(jù)文獻(xiàn)[5]中方法，得到植保無人機(jī)不同作業(yè)參數(shù)下的霧滴覆蓋率、覆蓋密度和單位面積上的沉積量。

1.4.2 數(shù)據(jù)處理 為表征試驗(yàn)中各采集點(diǎn)之間的霧滴覆蓋密度（或沉積量）均勻性，以植保無人機(jī)有效噴幅區(qū)內(nèi)不同采集點(diǎn)上霧滴覆蓋密度（或沉積量）的變異系數(shù)（CV）來衡量試驗(yàn)中霧滴的分布均勻性，變異系數(shù)（CV）計(jì)算見公式（1）、（2）。變異系數(shù)越小表示霧滴覆蓋越均勻。

式中：S 為同組試驗(yàn)采集樣本標(biāo)準(zhǔn)差；Xi為各采集點(diǎn)單位面積上的霧滴密度（或沉積量），個(gè)·cm-2（或μL·cm-2）；為各組試驗(yàn)采集點(diǎn)的平均霧滴密度（或沉積量），個(gè)·cm-2（或μL·cm-2）；n 為各組試驗(yàn)采集點(diǎn)個(gè)數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 冠層霧滴沉積分布特征

按照預(yù)先確定的試驗(yàn)方案的9 個(gè)處理，植保無人機(jī)在9 個(gè)試驗(yàn)田塊內(nèi)分別進(jìn)行噴霧作業(yè)，對(duì)收集到的霧滴采集卡利用軟件處理，可得到用于描述植保無人機(jī)噴霧霧滴沉積分布特征的相關(guān)指標(biāo)參數(shù)[6]。各處理下的指標(biāo)值詳見表3。

2.1.1 沉積覆蓋率和分布密度及均勻性 根據(jù)水稻化學(xué)防治對(duì)無人機(jī)噴霧質(zhì)量要求，較高的霧滴覆蓋率和霧滴密度，以及霧滴分布均勻是取得較好防治效果的前提。由表3 可知，有較高的密度和霧滴覆蓋率的處理為處理1、處理8、處理9，尤其是處理1 最高，其次是處理9。另一方面，為考察霧滴密度和霧滴沉積分布的均勻性，利用公式（1）、（2）計(jì)算出9 個(gè)不同處理下的霧滴沉積密度和沉積量的均勻性，結(jié)果見表4。由表4 可知，沉積密度較大且其霧滴密度變異系數(shù)較小的處理為處理1、處理8、處理9 三個(gè)處理。同理，由表4 可知，沉積量較高且其變異系數(shù)較小的處理有處理6、處理9 兩個(gè)處理。

表3 植保無人機(jī)噴霧霧滴在水稻群體內(nèi)的沉積分布

表4 水稻植保無人機(jī)霧滴沉積試驗(yàn)結(jié)果及處理

綜上兩方面分析可知，處理9 的各因素水平能夠達(dá)到農(nóng)用植保無人機(jī)噴霧作業(yè)對(duì)霧滴密度、霧滴沉積量，以及二者變異系數(shù)的要求。

2.1.2 霧滴粒徑分布和相對(duì)粒譜寬度 在化學(xué)防治過程中，由于細(xì)小霧滴在作物葉片表面覆蓋的密度和均勻度遠(yuǎn)優(yōu)于粗大霧滴，而且附著性好、不易流失，因而農(nóng)藥利用率高。由表3 可知，植保無人機(jī)噴霧霧滴粒徑的體積中值直徑（DV.5）主要分布在397.74～668.70 μm。其中，處理6 的DV.5 最大，達(dá)668.70 μm；處理7 的DV.5 最小，達(dá)397.74 μm。與此同時(shí)，霧滴體積中值直徑較小的還有處理5、處理9，其DV.5 的值分別為405.26 μm、416.15 μm。另一方面，相對(duì)粒譜寬度為DV.9 與DV.1 的差值跟DV.5 之比，是國際上用來衡量霧滴噴灑效果的常用指標(biāo)，其數(shù)值越小越好，理想值為0，即占總體積80%的霧滴體積相同[6]。由表3 最后一列可知，9 個(gè)處理的植保無人機(jī)噴霧霧滴粒徑相對(duì)粒譜寬度相差不大，都在數(shù)值1 左右變化。這表明試驗(yàn)所用植保無人機(jī)噴霧效果并不很理想，這也是目前植保無人機(jī)普遍存在的問題，這樣的結(jié)果是飛行參數(shù)、噴頭、作物自身特性等多因素共同造成的。

2.2 霧滴沉積量和均勻性極差分析

根據(jù)上述9 個(gè)處理試驗(yàn)獲得沉積量和沉積量均勻性數(shù)據(jù)，利用DPS 軟件對(duì)沉積量及其均勻性進(jìn)行極差分析，影響二者各因素在不同水平的極差值如表5 所示。

2.2.1 霧滴沉積量極差分析 從藥液噴施質(zhì)量要求考察，霧滴沉積量越大越好，故應(yīng)選取能使沉積量大的因素水平。根據(jù)表5 中三個(gè)作業(yè)參數(shù)有關(guān)沉積量的極差R 值，能獲得較大沉積量的各因素較優(yōu)水平分別為噴頭流量A1、飛行高度B2、作業(yè)速度C1，三個(gè)作業(yè)參數(shù)較佳組合為A1B2C1。另外，按三個(gè)作業(yè)參數(shù)的極差R 值大小順序，影響藥液霧滴沉積量多少的主次因素依次為C、A、B。產(chǎn)生上述結(jié)果的原因：首先，在其他條件相同前提下，加大噴頭流量會(huì)使噴頭單位時(shí)間內(nèi)噴出的霧滴數(shù)量增加。其次，霧滴運(yùn)行速度受霧滴直徑大小、初始速度的影響。通常小霧滴運(yùn)行速度衰減快，大霧滴衰減慢，因而植保無人機(jī)飛行速度對(duì)小霧滴影響較大，但對(duì)大霧滴影響不大。第三，植保無人機(jī)飛行高度影響植株冠層上方垂直風(fēng)場的強(qiáng)弱，若飛行高度太高，水稻植株冠層上方的垂直風(fēng)場減弱，霧滴易受側(cè)風(fēng)影響發(fā)生飄移，從而使霧滴沉積量減少；反之，無人機(jī)與水稻植株之間形成的較強(qiáng)紊流會(huì)造成霧滴的過度流失而影響霧滴沉積。因此，只有當(dāng)噴頭流量較大，飛行速度較低，以及飛行高度適中時(shí)，水稻植株冠層才能獲得較高的霧滴沉積量。綜上分析，有較大沉積量且沉積分布比較均勻的處理有處理6、處理9 兩個(gè)處理。

2.2.2 霧滴沉積均勻性極差分析 霧滴沉積均勻性是利用各霧滴采集點(diǎn)上沉積量的變異系數(shù)來描述，變異系數(shù)越小則表示霧滴沉積越均勻，因而應(yīng)選取能獲得較小沉積量變異系數(shù)的因素水平。為此，根據(jù)表5 中三個(gè)作業(yè)參數(shù)有關(guān)沉積量均勻性的極差R 值，能獲得較小變異系數(shù)的各因素較優(yōu)水平分別為噴頭流量A2、飛行高度B3、作業(yè)速度C3，三個(gè)作業(yè)參數(shù)較佳組合為A2B3C3；而影響霧滴沉積變異系數(shù)大小的主次因素順序?yàn)镃、A、B。產(chǎn)生此結(jié)果的原因：當(dāng)作業(yè)速度較慢和作業(yè)高度較低時(shí)，植保無人機(jī)下方的旋翼風(fēng)場過強(qiáng)，導(dǎo)致其霧滴沉積在水稻冠層的均勻性較差。這點(diǎn)從試驗(yàn)處理1、處理2 的霧滴沉積變異系數(shù)208.18%、100.29%得到充分說明。因而需要較高的作業(yè)速度、高度和較大的流量，才能使霧滴均勻地沉積在水稻冠層。

表5 農(nóng)藥霧滴沉積量和均勻性極差分析

3 討論與結(jié)論

（1）植保無人機(jī)噴霧霧滴在靶標(biāo)作物上的沉積效果，既是評(píng)價(jià)其在農(nóng)田作業(yè)效果的重要指標(biāo)，也是決定病蟲害防治能否取得效果的關(guān)鍵因素。植保無人機(jī)霧滴沉積效果可用霧滴密度和均勻性、霧滴沉積量、霧滴粒徑等指標(biāo)描述。影響植保無人機(jī)霧滴沉積效果的因素有很多，但在農(nóng)田實(shí)際防治應(yīng)用過程中，其飛行速度、飛行高度、噴頭流量等作業(yè)參數(shù)選擇是否合理對(duì)霧滴沉積效果具有重要影響。因此，采用科學(xué)方法對(duì)植保無人機(jī)噴霧作業(yè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)選是取得良好霧滴沉積效果和化學(xué)防治效果的前提條件，也是推廣應(yīng)用植保無人機(jī)的一項(xiàng)基礎(chǔ)工作。

（2）本文以目前在金華市作業(yè)面積較大的浙江東田科技有限公司的3WD4-10 型多旋翼無人機(jī)為對(duì)象，結(jié)合國內(nèi)相關(guān)研究文獻(xiàn)和正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法，對(duì)其三個(gè)主要作業(yè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)選。根據(jù)試驗(yàn)霧滴采集卡的數(shù)據(jù)處理結(jié)果可知，處理9 的因素水平即噴頭流量q=3.0 L/min、作業(yè)高度h=2.5 m、飛行速度v=4.5 m/s 時(shí)，植保無人機(jī)的霧滴沉積效果最好。同時(shí)根據(jù)極差分析可知，影響霧滴沉積密度的試驗(yàn)因素主次順序依次為作業(yè)速度v、飛行高度h、噴頭流量q，而影響霧滴沉積均勻性的試驗(yàn)因素主次順序亦是作業(yè)速度v、飛行高度h、噴頭流量q。

（3）如前所述，植保無人機(jī)噴霧霧滴沉積效果受多種因素影響。據(jù)國內(nèi)外研究文獻(xiàn)表明，在農(nóng)藥中添加某些種類噴霧助劑，對(duì)提高植保無人機(jī)噴霧霧滴在作物冠層上部的沉積量（密度）和有效沉積率有較為明顯作用[7]。由于本次試驗(yàn)中未在農(nóng)藥中添加噴霧助劑，可能在一定程度上影響了霧滴在采集卡上的沉積數(shù)量。為此，有必要在下次水稻病蟲害防治試驗(yàn)中添加某些種類農(nóng)藥噴霧助劑，進(jìn)而分析噴霧助劑對(duì)改善霧滴沉積效果、提高霧滴沉積量和有效沉積率的作用。