無人機噴霧作業(yè)定高對霧滴在竹林中沉降分布及防效的影響

洪宜聰 沈彩霞 鄭新英 吳青松

(1 福建省沙縣林業(yè)局 福建三明 365050；2 福建省三明莘口格氏栲自然保護區(qū)服務站 福建三明 365000；3 福建省三明市林業(yè)基金站 福建三明 365000)

中國南方復雜的丘陵山地林情給林業(yè)有害生物防治工作增添了很多困難，受林情地勢的影響，傳統(tǒng)常規(guī)的施藥技術(shù)會不可避免地產(chǎn)生施藥遺漏或重復施藥區(qū)域，很難取得理想的防治效果，造成防治效果不佳且人工費用劇增等問題。空中施藥是克服上述困難的技術(shù)手段之一，但現(xiàn)有的空中施藥技術(shù)即飛機噴藥卻受地勤設施和防治面積等因素限制難以推廣，如對小面積蟲源地的施藥防治、防治區(qū)域離機場位置較遠等。隨著科學技術(shù)的飛快發(fā)展，無人機已廣泛應用于有害生物防治領域，目前已有應用于農(nóng)業(yè)病蟲防治方面的報道，但在林木有害生物防治方面的應用報道不多。

將無人機施藥技術(shù)用于林業(yè)有害生物防治勢在必行，無人機具有體積小巧、操作便捷、工效高、省時節(jié)力降費的優(yōu)點，可以克服丘陵山地復雜的林情地勢給防治工作帶來的困難，對于推動林木蟲害防治施藥技術(shù)的發(fā)展意義重大。但無人機噴霧施藥的作業(yè)速度和高度對霧滴均勻性、沉積和飄失狀況有較大影響，飛行過快過高，霧滴均勻性差、沉積少，會影響防治效果；過慢過低，霧滴均勻性差、沉積過多，則會影響作業(yè)效率、增加防治成本。因此，開展無人機施藥作業(yè)工作參數(shù)的研究已成為當前林業(yè)生產(chǎn)中急需解決的科學問題。目前國內(nèi)外只有無人機用于水稻等農(nóng)作物噴霧作業(yè)參數(shù)的研究報道[1-4]，尚未見有關無人機用于林業(yè)噴霧作業(yè)參數(shù)的報道。

基于保護生態(tài)環(huán)境與控制有害生物的目的，2020年本研究選擇福建三明市沙縣區(qū)的毛竹(Phyllostachysedulis)林建立試驗區(qū)，選用1.5%苦參堿可溶液、1.2%煙堿·苦參堿乳油和4%魚藤酮乳油等3種植物源農(nóng)藥，采用植保無人機開展不同飛行作業(yè)參數(shù)的噴霧防治試驗。對比無人機不同作業(yè)參數(shù)霧滴沉降狀況以及防治效果，明確無人機噴霧作業(yè)參數(shù)，構(gòu)建無人機噴藥作業(yè)技術(shù)體系及低空施藥關鍵技術(shù)，以期為推動林業(yè)防治技術(shù)進步提供科技支撐，實現(xiàn)林業(yè)防治技術(shù)的集成與創(chuàng)新。

1 試驗地概況

選擇福建省三明市沙縣區(qū)(北緯26°06′—26°41′，東經(jīng)117°32′—118°06′)的毛竹林建立試驗林，試驗區(qū)海拔360～630 m，為山地丘陵區(qū)。屬亞熱帶季風氣候，年降水量1 510～1 840 mm，年均氣溫15.2～19.1 ℃，無霜期309 d。試驗昆蟲為竹鏤舟蛾(LoudontadisparKiriakoff)，蟲態(tài)為3齡幼蟲，蟲口密度52～106頭/株，蟲株率為56%～87%。試驗區(qū)面積為509.2 hm2，竹林伴生樹種主要有杉木(Cunninghamialanceolata)、福建青岡(Cyclobalanopsischungii)、閩粵栲(Castanopsisfissa)等。林下植被主要為迎春(Jasminumnudiflorum)、杜鵑(Rhododendronsimsii)、地菍(Melastomadodecandrum)、紫萼(Hostaventricosa)和淡竹葉(Lophatherumgracile)等[5-8]。試驗區(qū)毛竹林基本情況見表1。

表1 試驗區(qū)毛竹林概況Tab.1 General situation of Phyllostachys edulis forest in experimental area

2 試驗材料與方法

2.1 試驗材料

2.1.1 試驗昆蟲

從野外采集竹鏤舟蛾的卵塊，于室內(nèi)孵化為幼蟲后置于培養(yǎng)箱，并采摘新鮮的竹葉用清水洗凈晾干后喂食，培養(yǎng)箱溫度設為(27±1)℃、相對濕度72%、光照時長為14 h。當幼蟲飼養(yǎng)至3齡后，依試驗方案挑選蟲體個頭相近且正?；顒拥挠紫x分裝至蟲籠供試。

2.1.2 器材與農(nóng)藥

器材：養(yǎng)蟲籠(L=15 cm)；圓筒狀100目鋁紗網(wǎng)套籠(L=70 cm，ΦA=30 cm)；TWI280智能恒溫恒濕培養(yǎng)箱(上海皓莊儀器有限公司)；大疆T20植保無人機(額定載荷15 L，8個小粒徑低量噴頭，噴嘴型號為SX11001VS，深圳市大疆創(chuàng)新科技有限公司)；卡紙架。

參試農(nóng)藥：1.5%苦參堿可溶液(內(nèi)蒙古帥旗生物科技股份有限公司)；1.2%煙堿·苦參堿乳油(苦參堿含量0.7%，煙堿含量0.5%；內(nèi)蒙古帥旗生物科技股份有限公司)；4%魚藤酮乳油(河北天順生物公司)。

試驗輔助劑：U伴飛防專用助劑(北京廣源益農(nóng)化學有限責任公司)；水敏紙(重慶六六山下植?？萍加邢薰?，規(guī)格35 mm × 110 mm。

2.2 研究方法

2.2.1 試驗區(qū)設計

在預定試驗林中，沿無人機預定作業(yè)方向的中線每間隔10 m設立1個霧滴接收段，共設10個霧滴接收段；每個霧滴接收段向兩側(cè)分別以2.5、3.0、3.5、3.75 m等距離各設置a、b、c、d等4個霧滴接收點。各接收點分別在位于竹冠上部、中部和下部等3個高度設置固定霧滴測試卡裝置，于無人機施藥前在卡紙架上放置水敏紙接收霧滴，要求水敏紙水平朝上，處理設置3組重復。

在預定試驗林中按“對角線”方法建立標準地若干個，標準地面積為0.067 hm2，隨機選取標準地內(nèi)毛竹20株定為標準株，同時選取枝葉相對茂盛的枝條為標準枝并套籠，噴藥前每個套籠放入20頭備試的竹鏤舟蛾幼蟲[9]。

2.2.2 農(nóng)藥濃度配制

將參試農(nóng)藥按藥劑與純凈水的體積比分別配制成以下濃度：1.5%苦參堿可溶液和1.2%煙堿·苦參堿乳油設為1 300倍液[10-11]，4%魚藤酮乳油設為1 000倍液[12-14]，按225 mL/hm2用量加入飛防專用助劑。

2.2.3 無人機作業(yè)參數(shù)與施藥

根據(jù)前期試驗，無人機作業(yè)高度設置7.5、7.0、6.5、6.0、5.5 m等5個水平，作業(yè)飛行速度定為2.0 m/s，藥液用量20 L/hm2。

2020年5月15—20日，天氣多云到晴，選擇于6∶00—9∶30時段，運用大疆T20植保無人機噴施上述濃度的3種農(nóng)藥，作業(yè)時風速≤0.62 m/s、空氣濕度≥73%，氣溫≤25.6 ℃，藥后48 h內(nèi)無降水。每個處理3次重復，同時設立對照林分，對照林分則采用噴施與藥劑等量的“純凈水+U伴飛防專用助劑”。

2.2.4 霧滴統(tǒng)計分析

施藥后2 h，即將各霧滴接收點的水敏試紙分別裝入封口袋，于室內(nèi)逐一掃描后，用霧滴分析軟件對圖像進行分析，統(tǒng)計藥液在不同接收點的沉降率、分布密度和霧滴直徑，計算霧滴沉降的變異系數(shù)。

霧滴密度變異系數(shù)(CV)=樣本的標準差(S)/平均霧滴量(X)×100%

霧滴相對粒譜寬度=(90%累積體積直徑DV.9-10%累積體積直徑DV.1)/體積中值直徑DV.5

2.2.5 藥劑防效數(shù)據(jù)處理

藥后每天定時觀察套籠內(nèi)竹鏤舟蛾幼蟲活動狀況，以各處理的幼蟲死亡率超過95%時即結(jié)束觀察，停止試驗，統(tǒng)計并計算幼蟲死亡率和校正死亡率[15-17]。

對試驗獲取的數(shù)據(jù)采用SPSS17.0軟件進行分析處理，顯著性檢驗則采用新復極差法，檢驗農(nóng)藥防治效果在P<0.05水平下的差異顯著性。

3 結(jié)果與分析

3.1 霧滴沉降分布

3.1.1 霧滴沉降率和覆蓋密度

無人機不同的工作參數(shù)其霧滴沉降率和覆蓋密度差異較大。由表2可得，相同霧滴接收點，其霧滴沉降率和覆蓋密度由從大到小的無人機作業(yè)高度依次為6.5、7.0、6.0、5.5、7.5 m。當作業(yè)高度≤6.5 m時相同接收點的霧滴覆蓋密度隨著高度上升而增大，在作業(yè)高度>6.5 m時則隨著高度上升而減小。當作業(yè)高度為6.5 m時的霧滴沉降率和覆蓋密度均顯著高于其他作業(yè)高度。在作業(yè)高度為6.5 m時，a點上霧滴在竹林林冠層的上、中、下層沉降率分別為21.16%、19.01%、17.62%，覆蓋密度分別為37.9、35.0、33.7 個/cm2，霧滴在各測試點林冠層的霧滴沉降率和覆蓋密度由從大到小依次為上層、中層和下層。方差分析結(jié)果顯示，霧滴在林冠層的垂直分布差異顯著。霧滴不同的接收點即a、b、c和d點間霧滴沉降率和覆蓋密度亦有差異，在作業(yè)高度為6.0、6.5和7.0 m時，其a、b、c點與d點間霧滴沉降率和覆蓋密度差異顯著，且a、b點和c點間差異則不顯著；在作業(yè)高度為7.5、5.5 m時，其各點間霧滴沉降率和覆蓋密度差異顯著，表明霧滴在林冠沉降率和覆蓋密度的水平分布與無人機作業(yè)高度關系密切。表明當無人機作業(yè)高度為6.5 m時，其霧滴在林冠沉降率和覆蓋密度的水平分布與垂直分布為最好。

3.1.2 霧滴沉積分布均勻度和穿透性

霧滴密度變異系數(shù)作為衡量噴霧均勻性的標準，反映了噴霧霧滴在竹葉上分布的均勻度，變異系數(shù)越小表明霧滴在葉片上分布越均勻。由表2可得，無人機在不同作業(yè)高度時，相同的樣點上霧滴在林冠層的分布均勻性表現(xiàn)為上層>中層>下層。不同作業(yè)高度表現(xiàn)出的霧滴分布均勻性有差異，當作業(yè)高度≤6.5 m時其霧滴分布均勻性隨著高度上升而增大，在作業(yè)高度>6.5 m時則隨著高度上升而減小。表明無人機的作業(yè)高度對霧滴在林分的分布均勻性影響較大。

表2(續(xù))

霧滴在林冠層的上層、中層和下層沉積密度的變異系數(shù)可反映霧滴在林冠層的穿透性，變異系數(shù)越小表明霧滴在林冠層的穿透性越好。由表2可得，當作業(yè)高度為6.5 m時，a、b、c和d點的變異系數(shù)為35.02%～38.71%，變異系數(shù)最小，因此其表現(xiàn)出的穿透性最好；當作業(yè)高度為7.5 m時，a、b、c和d點的變異系數(shù)為43.31%～59.85%，變異系數(shù)最大，因此其表現(xiàn)出的穿透性最差。當作業(yè)高度低于6.5 m時，變異系數(shù)隨著作業(yè)高度上升而減小，霧滴穿透性是隨著作業(yè)高度上升而逐漸增強；當作業(yè)高度高于6.5 m時，變異系數(shù)隨著作業(yè)高度上升而增大，霧滴穿透性隨著作業(yè)高度上升而逐漸減弱。表明作業(yè)高度對霧滴沉降穿透性影響較大。

3.1.3 有效噴幅和霧滴粒徑

由表2可得，無人機不同作業(yè)高度其a、b、c和d點的覆蓋密度差異顯著，本研究藥液用量為20 L/hm2，《農(nóng)業(yè)航空作業(yè)質(zhì)量技術(shù)指標》[18]規(guī)定了噴霧用量為低容量(5～30 L/hm2)其霧滴覆蓋密度應符合30～40個/cm2的標準。當無人機作業(yè)高度分別為5.5、6.0、6.5、7.0、7.5 m時，其各點接收到符合標準的有效霧滴覆蓋密度寬幅分別為6.0 m(a、b點)、7.0 m(a、b、c點)、7.0 m(a、b、c點)、7.0 m(a、b、c點)、5.0 m(a點)，表明無人機作業(yè)高度為6.0～7.0 m時其有效霧滴覆蓋密度寬幅最大。

由表2可得，不同作業(yè)高度霧滴的中值直徑(DV.5)以作業(yè)高度5.5 m處理的值最大，沉積在竹林林冠上層的主要為較大粒徑的霧滴，沉積在下層的主要為較小粒徑的霧滴，不同作業(yè)高度的霧滴粒徑相對粒譜寬度變化不大。

3.2 不同作業(yè)高度對害蟲的防治效果

表3為3種農(nóng)藥對竹鏤舟蛾幼蟲的防治效果。由表3可得，藥后5 d，試驗林分的防治效果由高到低的作業(yè)高度依次為6.5、6.0、7.0、5.5、7.5 m，以作業(yè)高度為6.5 m的防治效果最好，7.5 m的防治效果最不理想。顯著性分析結(jié)果顯示，藥后5 d，相同藥劑不同作業(yè)高度試驗林分的防治效果有較大差異，表明無人機噴藥的作業(yè)高度與防治效果關系密切，作業(yè)高度的高低決定著林分的防治效果。

表3 3種農(nóng)藥對竹鏤舟蛾幼蟲的防治效果 Tab.3 Control effects of three pesticides on the larvae of Loudonta dispar

4 結(jié)論與討論

研究結(jié)果表明，不同作業(yè)高度對霧滴在林冠沉降率和覆蓋密度的水平分布、林冠層的穿透性和防治效果影響較大，同時作業(yè)高度不同其有效噴幅也不同。當無人機作業(yè)高度為6.5 m時，其霧滴在林冠沉降率和覆蓋密度的水平分布與垂直分布最佳，霧滴在林冠層的穿透性最強，有效噴幅最大，噴藥后的防治效果最理想。因此，可將無人機在竹林噴霧定高為6.5 m。

靶標昆蟲死亡率取決于所獲得農(nóng)藥致死劑量，農(nóng)藥沉積量是指施藥后在靶標(作物、有害生物體、地面等需要藥劑降落的靶體)上單位面積的沉積藥量，農(nóng)藥沉積結(jié)構(gòu)是指農(nóng)藥噴施時單位面積的霧滴密度、霧滴粒徑和霧滴的藥劑濃度，農(nóng)藥沉積結(jié)構(gòu)通過影響害蟲接觸藥劑的概率和每次接觸獲得的農(nóng)藥劑量，影響農(nóng)藥的生物效果。單位面積上霧滴密度的增加可提高藥劑在靶標上的沉積量，提升與有害生物的接觸機率，從而提高防治效果。無人機噴霧霧滴沉降分布與無人機的作業(yè)高度和速度等作業(yè)參數(shù)有關，研究表明霧滴在林冠沉降率和覆蓋密度的水平分布與無人機作業(yè)高度關系密切，當作業(yè)高度為6.5 m以下時，其霧滴分布均勻性隨著高度上升而增大，變異系數(shù)隨著作業(yè)高度上升而減小；當作業(yè)高度高于6.5 m時，霧滴分布均勻性隨高度上升而減小，變異系數(shù)隨著作業(yè)高度上升而增大。表明無人機作業(yè)高度過低，產(chǎn)生氣流會造成霧滴的過度流失而影響霧滴的沉積，作業(yè)高度過高，霧滴易受外界氣流干擾產(chǎn)生漂移，造成霧滴穿透性較差，垂直方向沉積不均勻。結(jié)果與有關報道相似[19-23]。

無人機低空施藥技術(shù)操作簡單、省時降費，可解決樹高林密、地形復雜和水源匱乏的丘陵山地自然條件給有害生物防治帶來的難題，與噴粉噴霧等人工地面噴藥技術(shù)相比，可降低工作強度、大幅降低防治費用，同時無人機施藥還可解決常規(guī)施藥技術(shù)所產(chǎn)生重藥和漏藥問題[24-26]。本研究明確了無人機施藥最適作業(yè)高度，可應用于林業(yè)低空施藥。