無(wú)人機(jī)與人工噴施霧滴在水稻冠層內(nèi)沉積特征及效益比較

李艷大 葉春 曹中盛 孫濱峰 舒時(shí)富 陳立才

無(wú)人機(jī)與人工噴施霧滴在水稻冠層內(nèi)沉積特征及效益比較

李艷大*葉春 曹中盛 孫濱峰 舒時(shí)富 陳立才

(江西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)工程研究所/江西省智能農(nóng)機(jī)裝備工程研究中心/江西省農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心，南昌 330200；*通信聯(lián)系人，E-mail: liyanda2008@126.com)

【目的】旨在闡明無(wú)人機(jī)和人工噴施霧滴在水稻冠層內(nèi)沉積分布特征，比較其稻瘟病防效、水稻產(chǎn)量及經(jīng)濟(jì)效益?！痉椒ā窟x用電動(dòng)四旋翼植保無(wú)人機(jī)，設(shè)置3個(gè)不同飛行高度和3個(gè)不同施藥量，于孕穗期觀測(cè)噴施霧滴在水稻冠層內(nèi)沉積分布狀況，并和人工噴施處理防治稻瘟病的效果、產(chǎn)量及經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行比較?！窘Y(jié)果】霧滴沉積量隨飛行高度的升高而減少，霧滴沉積均勻性和穿透性隨飛行高度的升高而增大。無(wú)人機(jī)和人工噴施的霧滴沉積量、均勻性和穿透性隨施藥量的增加而增大，霧滴沉積量和均勻性均呈水稻冠層上部>中部>下部的分布特征。無(wú)人機(jī)噴施的霧滴均勻性和穿透性大于人工噴施。無(wú)人機(jī)噴施在防效和產(chǎn)量不降低的情況下，用工成本減少165元/hm2，凈收益提高164元/hm2，產(chǎn)投比提高20.9。【結(jié)論】與人工噴施相比，無(wú)人機(jī)噴施可在保證豐產(chǎn)的基礎(chǔ)上，提高作業(yè)效率，降低生產(chǎn)成本，獲得更高經(jīng)濟(jì)效益，在水稻精確管理和豐產(chǎn)高效栽培中具有應(yīng)用價(jià)值。

水稻；無(wú)人機(jī)噴施；人工噴施；霧滴；沉積特征；效益

水稻是中國(guó)重要的糧食作物，發(fā)展水稻生產(chǎn)對(duì)于保障國(guó)家糧食安全與社會(huì)穩(wěn)定具有舉足輕重的戰(zhàn)略作用[1-2]。病害是危害水稻生長(zhǎng)發(fā)育、制約水稻豐產(chǎn)提質(zhì)增效的主要限制因素之一[3]。因此，水稻病害的有效防治，對(duì)于發(fā)展豐產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效、生態(tài)和安全的水稻生產(chǎn)具有重要意義。要達(dá)到水稻病害精確高效防治的目的，優(yōu)化農(nóng)藥噴施技術(shù)和選擇省工高效施藥方式至關(guān)重要。目前，稻田的施藥方式主要有人工噴施、田間機(jī)械噴施和農(nóng)用航空噴施等[4, 5]。人工噴施作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低，存在藥液“跑冒滴漏”現(xiàn)象且危害施藥人員健康，難以大面積應(yīng)用；田間機(jī)械噴施作業(yè)效率高，但成本高，行走對(duì)水稻植株損傷大及對(duì)田塊地形要求高，難以在丘陵小田塊應(yīng)用。近年來(lái)，具有作業(yè)效率高、成本低、受田塊地形影響小、對(duì)水稻植株和施藥人員安全等優(yōu)點(diǎn)的農(nóng)用航空噴施，特別是無(wú)人機(jī)噴施已廣泛應(yīng)用于作物的植保作業(yè)中，逐漸成為種糧大戶(hù)、合作社和家庭農(nóng)場(chǎng)等新型經(jīng)營(yíng)主體防治病害的首選施藥方式，引起人們普遍關(guān)注[6, 7]。許多學(xué)者對(duì)不同噴施方式的霧滴在農(nóng)作物冠層的沉積分布規(guī)律和防治效果等開(kāi)展了大量研究[8-10]。也有許多學(xué)者研究了農(nóng)用無(wú)人機(jī)不同飛行高度與速度[11-13]、不同機(jī)型與噴頭[14-18]、不同風(fēng)速與作業(yè)時(shí)間等[19-21]因素對(duì)施藥?kù)F滴在農(nóng)作物冠層沉積分布特性及病害防效的影響。盡管在不同噴施方式與農(nóng)用無(wú)人機(jī)作業(yè)參數(shù)對(duì)霧滴沉積分布與病害防效等方面已有較多研究，提出了許多較優(yōu)的作業(yè)參數(shù)組合，具有一定的應(yīng)用價(jià)值，但由于研究對(duì)象和區(qū)域不同，所提出的作業(yè)參數(shù)組合的形式及其數(shù)值等均存在一定差異，且有關(guān)南方紅壤丘陵區(qū)稻田無(wú)人機(jī)噴施與傳統(tǒng)人工噴施方式的霧滴沉積分布特征、產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益的比較鮮有報(bào)道。因此，本研究選用市場(chǎng)上主流的電動(dòng)四旋翼植保無(wú)人機(jī)，于水稻孕穗期觀測(cè)無(wú)人機(jī)和人工噴施霧滴在水稻冠層內(nèi)沉積分布狀況，比較其防治效果、產(chǎn)量及經(jīng)濟(jì)效益，以期為南方紅壤丘陵區(qū)水稻精確管理和豐產(chǎn)高效栽培提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2020年6月?10月在江西省高安市渡埠農(nóng)場(chǎng)（115°12' E，28°25' N）進(jìn)行。采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，設(shè)3個(gè)飛行高度和3個(gè)施藥量，重復(fù)3次。機(jī)插，株行距為14 cm×30 cm，每穴插3苗，南北行向，小區(qū)面積350 m2。3個(gè)飛行高度分別為1.5、2.0和2.5 m，3個(gè)施藥量（75%肟菌·戊唑醇，拜耳股份公司生產(chǎn)，防治稻瘟病）分別為140、180和220 g/hm2。以人工噴施（3個(gè)施藥量）和不施藥處理作對(duì)照，藥劑用誘惑紅水溶液（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%）稀釋后，于2020年9月9日水稻孕穗期，稻瘟病發(fā)生始盛期施藥1次。施藥時(shí)天氣晴朗，氣溫為30℃，風(fēng)速為0.4 m/s。無(wú)人機(jī)采用地面站自主飛行，飛行速度為4 m/s，藥液用量為15 L/hm2；人工噴霧操作人員為當(dāng)?shù)胤N糧大戶(hù)，操作熟練，行走速度0.6 m/s，藥液用量為750 L/hm2，噴霧高度距離冠層30 cm。施藥后24 h未下雨，試驗(yàn)期間不使用其他農(nóng)藥。供試水稻品種為九香粘，6月9日播種，6月30日移栽施。氮肥用尿素，施氮量為（以純氮計(jì)）180 kg/hm2；磷肥用鈣鎂磷肥，用量（以P2O5計(jì)）為75 kg/hm2；鉀肥用氯化鉀，用量（以K2O計(jì)）為150 kg/hm2。其中磷肥全部作基肥，鉀肥和氮肥分3次施用（基肥40%，分蘗肥30%，穗肥30%）。其他管理措施同當(dāng)?shù)馗弋a(chǎn)栽培。

1.2 試驗(yàn)儀器

采用極飛P20 2018款四旋翼植保無(wú)人機(jī)（廣州極飛科技股份有限公司產(chǎn)品，最大載藥量為10 L，噴幅寬度為1.5～5 m，作業(yè)高度為1～3 m，作業(yè)速度為1～6 m/s）和3WBD-18型背負(fù)式電動(dòng)噴霧器（臺(tái)州航茂電子商務(wù)有限公司產(chǎn)品，最大載藥量為18 L，噴施壓力為0.2～0.6 MPa）進(jìn)行噴霧試驗(yàn)（圖1-A）。

圖1 無(wú)人機(jī)噴施與霧滴采樣點(diǎn)設(shè)置

Fig.1.UAV spray and layout of droplet sampling spots.

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 采樣點(diǎn)設(shè)置與霧滴沉積量

將定量濾紙按距離地面10、40和70 cm分3層固定在萬(wàn)向雙頭夾子上（分別記為上部、中部和下部）。在距離起點(diǎn)5、10和15 m處各設(shè)1個(gè)霧滴采集帶，沿飛行中軸線(xiàn)在采集帶兩邊以0、1、1.5和2 m間隔設(shè)7個(gè)采樣點(diǎn)[9]（圖1-B），每個(gè)采樣點(diǎn)插入1根裝有萬(wàn)向雙頭夾子的支架。噴霧后1 h，將采集霧滴的濾紙裝入相應(yīng)自封袋內(nèi)，在室內(nèi)用Brother MFC-J625DW掃描儀逐一掃描，掃描圖像利用DepositScan軟件[22]進(jìn)行處理分析，得出不同作業(yè)參數(shù)下的霧滴沉積量。

1.3.2 霧滴沉積均勻性和穿透性

霧滴均勻性用冠層每層不同采樣點(diǎn)上霧滴沉積量的變異系數(shù)（coefficient of variation,）表示，變異系數(shù)越小表示霧滴越均勻；霧滴穿透性用冠層每個(gè)采樣點(diǎn)上部、中部和下部霧滴沉積量的變異系數(shù)表示，變異系數(shù)越小表示霧滴穿透性越大[8]。

1.3.3 病害防治效果

于施藥后14 d每小區(qū)對(duì)角線(xiàn)5點(diǎn)取樣，每點(diǎn)調(diào)查相連5穴，調(diào)查總?cè)~數(shù)和上3葉稻瘟病發(fā)病情況，根據(jù)韓沖沖等[9]的方法計(jì)算防治效果和病情指數(shù)。

1.3.4 產(chǎn)量

于成熟期調(diào)查穗數(shù)，取樣測(cè)定每穗粒數(shù)、結(jié)實(shí)率、千粒重；收割各小區(qū)中央4 m2水稻測(cè)產(chǎn)，單獨(dú)脫粒曬干并風(fēng)選后，稱(chēng)干谷質(zhì)量，同時(shí)測(cè)定干谷水分含量，然后計(jì)算折合含水量為13.5%的稻谷產(chǎn)量。

1.3.5 數(shù)據(jù)處理與分析

在Microsoft Excel 2010中進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，采用SAS 8.0 中的PROC ANOVA進(jìn)行方差分析，用LSD法進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 霧滴沉積量的分布特征

由表1可知，霧滴沉積量隨飛行高度的增加而減少，如在施藥量140 g/hm2，飛行高度1.5 m時(shí)冠層上部的霧滴沉積量為0.2480 μL/cm2，而飛行高度2.5 m時(shí)僅為0.0991 μL/cm2，兩者相差0.1489 μL/cm2。施藥量對(duì)無(wú)人機(jī)噴施（S1）和人工噴施（S2）的霧滴沉積量均有顯著影響。2種噴施方式的霧滴沉積量隨施藥量的增加而增大，如在飛行高度2 m，施藥量140、180和220 g/hm2時(shí)冠層中部的霧滴沉積量分別為0.1097、0.1622和0.1661 μL/cm2。S1和S2的霧滴沉積量在冠層中的垂直分布均呈上部>中部>下部的變化特征，如S1和S2冠層上部、中部和下部的平均霧滴沉積量分別為0.2444和13.1462 μL/cm2、0.1409和6.3213 μL/cm2、0.0958和1.5945 μL/cm2，即無(wú)人機(jī)噴施的霧滴沉積量在冠層上部、中部和下部的比例平均分別為50.80%、29.29%和19.92%，而人工噴施的平均分別為62.42%、30.01%和7.57%。

表1 不同噴施方式的霧滴沉積量分布特征

相同飛行高度的不同施藥量間或不同噴施方式間，標(biāo)以不同字母者在0.05水平上差異顯著。表2同。

Values followed by different letters for different pesticide dosages within the same flying height or different spraying ways are significantly different at 0.05 probability level.The same in Table 2.

2.2 霧滴均勻性的分布特征

由表2可知，霧滴均勻性隨飛行高度的升高而增大，如施藥量為180 g/hm2，飛行高度1.5、2和2.5 m時(shí)冠層中部的霧滴均勻性分別為10.32%、9.86%和9.28%。施藥量對(duì)無(wú)人機(jī)噴施（S1）和人工噴施（S2）的霧滴均勻性有顯著影響。兩種噴施方式的霧滴均勻性隨施藥量的增加而增大，如在S1冠層上部，飛行高度1.5 m時(shí)施藥量140、180和220 g/hm2的霧滴均勻性分別為10.07%、9.88%和9.41%。S1的霧滴均勻性大于S2，如在冠層下部，S1的平均霧滴均勻性為11.22%，S2為37.49%，兩者相差26.27百分點(diǎn)。S1和S2的霧滴均勻性在冠層中的垂直分布呈上部>中部>下部的變化特征，如S1和S2冠層上部、中部和下部的平均霧滴均勻性分別為7.47%和12.70%、9.45%和20.27%、11.22%和37.49%。

2.3 霧滴穿透性的分布特征

由表2可知，霧滴穿透性隨飛行高度的升高而增大，如在施藥量220 g/hm2，飛行高度1.5、2和2.5 m的穿透性分別為46.72%、46.41%和45.62%。施藥量對(duì)無(wú)人機(jī)噴施和人工噴施的霧滴穿透性有顯著影響。兩種噴施方式的霧滴穿透性隨施藥量的增加而增大，如在飛行高度1.5 m時(shí)，施藥量140、180和220 g/hm2處理的霧滴穿透性分別為49.49%、49.19%和46.72%。無(wú)人機(jī)噴施的霧滴穿透性大于人工噴施，如無(wú)人機(jī)噴施的平均穿透性為48.08%，人工噴施為82.81%，兩者相差34.73百分點(diǎn)。

表2 不同噴施方式的霧滴均勻性與穿透性分布特征

表3 不同噴施方式的防治效果、產(chǎn)量及經(jīng)濟(jì)效益比較

表中相同施藥量的不同噴施方式間，標(biāo)以不同字母者在0.05水平上差異顯著。

S1 and S2 in the table represent UAV spray and artificial spray, respectively.Values followed by different lowercase letters for different spraying ways within the same pesticide dosage are significantly different at 0.05 probability level.

2.4 不同噴施方式的效益比較

由表3可知，與人工噴施相比，無(wú)人機(jī)噴施的防治效果和產(chǎn)量略低或持平。無(wú)人機(jī)噴施的用工成本顯著低于人工噴施，用工成本僅為135元/hm2，而人工噴施為300元/hm2，兩者相差165元/hm2。按照農(nóng)藥（75%肟菌·戊唑醇）1.1元/g和稻谷售價(jià)2.5元/kg，計(jì)算各處理的經(jīng)濟(jì)效益。結(jié)果表明，無(wú)人機(jī)噴施的凈收益和產(chǎn)投比分別平均比人工噴施高164元/hm2和20.9，差異均達(dá)到顯著水平。

3 討論

近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展和農(nóng)村勞動(dòng)力大量轉(zhuǎn)移，適齡勞動(dòng)力短缺和用工成本增加等問(wèn)題日益突出，水稻生產(chǎn)迫切需要以機(jī)械化作業(yè)為核心的現(xiàn)代稻作技術(shù)[23]。植保無(wú)人機(jī)是現(xiàn)代農(nóng)機(jī)裝備的重要組成部分，已成為水稻全程機(jī)械化生產(chǎn)中實(shí)施精確投入不可或缺的關(guān)鍵裝備，憑借其機(jī)動(dòng)靈活、高效、操作勞動(dòng)強(qiáng)度小等優(yōu)點(diǎn)得到了快速推廣[24]。因此，闡明植保無(wú)人機(jī)噴施霧滴在水稻冠層內(nèi)沉積分布狀況與經(jīng)濟(jì)效益對(duì)于水稻產(chǎn)業(yè)顯得尤為重要。

本研究通過(guò)實(shí)施不同飛行高度和不同施藥量的田間試驗(yàn)，比較分析了無(wú)人機(jī)噴施與人工噴施的霧滴分布狀況，發(fā)現(xiàn)霧滴沉積量隨飛行高度的增加而減少，說(shuō)明無(wú)人機(jī)飛行高度越低，水稻冠層內(nèi)的霧滴沉積量越多。這與前人研究結(jié)論一致[25]。本研究表明，無(wú)人機(jī)噴施和人工噴施的霧滴沉積量隨施藥量的增加而增大，且均呈上部>中部>下部的分布特征。人工噴施的藥液霧滴主要沉積在冠層上部，只有7.57%的藥液霧滴到達(dá)冠層下部，而無(wú)人機(jī)噴施有19.92%的藥液霧滴到達(dá)冠層下部，顯著高于人工噴施。說(shuō)明不同的作業(yè)參數(shù)對(duì)無(wú)人機(jī)噴施霧滴分布狀況具有顯著的調(diào)控作用，進(jìn)而影響藥液霧滴對(duì)病害的防效。因此，優(yōu)化無(wú)人機(jī)作業(yè)參數(shù)是實(shí)現(xiàn)水稻病害精確高效防治的重要措施。

本研究表明，無(wú)人機(jī)噴施和人工噴施的霧滴均勻性均呈上部>中部>下部的分布特征，且人工噴施的霧滴均勻性顯著小于無(wú)人機(jī)噴施。這與前人研究結(jié)論一致[8]。這是由于人工噴施的霧滴均勻性主要由施藥人員的行走路線(xiàn)和操作經(jīng)驗(yàn)決定，難以保證噴施作業(yè)質(zhì)量的一致性，進(jìn)而導(dǎo)致其霧滴均勻性比無(wú)人機(jī)噴施差。本研究還顯示，霧滴穿透性隨飛行高度的升高而增大，隨施藥量的增加而增大。這與前人研究結(jié)論相似[9]。這是由于無(wú)人機(jī)飛行高度較低時(shí)，其垂直下旋氣流較大，水稻植株易搖擺傾斜，霧滴不能均勻地沉積在冠層中下部。兩種噴施方式相比，無(wú)人機(jī)噴施的霧滴穿透性大于人工噴施。這是由于人工噴施缺乏下旋氣流的作用，藥液霧滴大部分沉積在冠層上部。

本研究分析比較了兩種噴施方式的稻瘟病防治效果、產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益。結(jié)果表明，無(wú)人機(jī)噴施與人工噴施的防治效果和產(chǎn)量基于持平；無(wú)人機(jī)噴施在保證產(chǎn)量的前提下，顯著提高了作業(yè)效率，降低了生產(chǎn)成本，增加了水稻凈收益和產(chǎn)投比，有效克服了人工噴施費(fèi)時(shí)耗工等不足，在南方紅壤丘陵區(qū)水稻豐產(chǎn)高效栽培中具有應(yīng)用價(jià)值。當(dāng)然，本研究?jī)H分析了不同飛行高度和施藥量下兩種噴施方式霧滴在水稻冠層內(nèi)的沉積特征及效益，有關(guān)不同飛行速度等因素的影響有待今后進(jìn)一步研究。

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Comparison of Droplet Deposition Characteristics in Rice Canopy and Benefit Between Unmanned Aerial Vehicle Spray and Artificial Spray

LI Yanda*, YE Chun, CAO Zhongsheng, SUN Binfeng, SHU Shifu, CHEN Licai

(Institute of Agricultural Engineering, Jiangxi Academy of Agricultural Sciences/Jiangxi Province Engineering Research Center of Intelligent Agricultural Machinery Equipment/Jiangxi Province Engineering Research Center of Information Technology in Agriculture, Nanchang 330200, China;*Corresponding author, E-mail: liyanda2008@126.com)

【Objective】The primary objective of this study is to elucidate the characteristics of droplet deposition and distribution by unmanned aerial vehicle (UAV) spray and artificial spray in rice canopy, and the control efficacy, grain yield and economic benefit were compared between UAV spray and artificial spray.【Method】The electricity-driven four-rotorUAV was selected and three flying heights and three pesticide dosages were set.The droplet deposition and distribution in rice canopy was measured at booting stage with UAV.Then the controlling efficacy of rice blast, grain yield and economic benefit were compared with those of artificial spray treatment.【Results】The results showed that the deposition amount of droplet was decreased with increasing flying height.The uniformity and penetrability of droplets were improved with increasing flying height.The deposition amount, uniformity and penetrability of droplets were improved with increasing pesticide dosage by UAV spray and artificial spray.The uniformity and penetrability of droplets were greater in upper canopy than in middleand basal canopy at the same flying height.The uniformity and penetrability of droplets by UAV spray were greater than those by artificial spray.The UAV spray obtained equivalent grain yield and control efficacy with the labor cost reduced by 165 Yuan/hm2, while net income and yield-cost ratio was improved by 164 Yuan/hm2and 20.9, respectively.【Conclusion】Compared with the artificial spray, the UAV spray can raise working efficiency, reduce production cost and higher economic benefits are also achieved on the premise of grain yield, which has a potential to be widely applied for precise management and high yield and high efficiency cultivation in rice production.

rice; UAV spray; artificial spray; droplet; deposition characteristic; benefit

10.16819/j.1001-7216.2021.210107

2021-01-11;

2021-04-03。

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目(2016YFD0300608)；“萬(wàn)人計(jì)劃”青年拔尖人才項(xiàng)目；江西省“雙千計(jì)劃”項(xiàng)目；江西省科技計(jì)劃項(xiàng)目 (20182BCB22015, 20202BBFL63046, 20202BBFL63044, 20192BBF60052)。