柑桔園六旋翼油動無人機噴霧作業(yè)效果

黃俊源，陸成確，黃運鵬，王舉兵，婁兵海，廖榮珍

(1 廣西柑桔育種與栽培工程技術研究中心/廣西特色作物研究院，廣西桂林，541004；2 廣西壯族自治區(qū)水果生產技術指導總站，南寧，530000)

柑桔產業(yè)是廣西農業(yè)的主導產業(yè)之一，近年來廣西柑桔產業(yè)發(fā)展勢頭迅猛。2018年廣西柑桔面積38.82萬hm2，占全國柑桔面積的16%，產量836.49萬t，占全國柑桔產量的20.21%[1]。然而，由于勞力老齡化嚴重和噴藥勞動強度大，導致管理粗放，果實品質、效益明顯受限。因此，探索新技術用于緩解勞力不足，增強病蟲害管理，提升效益，勢在必行[2]。目前水稻、小麥、玉米已廣泛使用植保無人機進行病蟲害防治，而果樹樹體較大，枝葉層疊密度高，對無人機飛防作業(yè)效果有較大影響，“飛防”正處于起步階段[3-5]。不同的飛行高度、速度、風力和噴頭流量會影響藥液在植株上的附著力和覆蓋面積。筆者以六旋翼油動植保無人機為研究機型，對不同飛行速度和高度組合下柑桔植株不同部位的風力及葉片正反面霧滴沉積密度等進行測定，以期為植保無人機對柑桔類果樹的精準航空作業(yè)提供參考，提高植保無人機在果園的作業(yè)質量，滿足果樹產業(yè)現(xiàn)代化需求。

1 材料與方法

1.1 供試區(qū)域與材料

供試區(qū)域為廣西南寧市武鳴區(qū)鑼圩鎮(zhèn)廣西水果技術指導站試驗展示中心2區(qū)(東經23°23′3314″、北緯108°09′2401″)。該地塊種植5年生普通沃柑植株，株行距為3 m×3.5 m，約為60株/667 m2，平均株高約2.8 m，平均冠幅約2.5 m。同時，地勢平坦，上方無障礙物，能保證飛行參數保持穩(wěn)定，符合試驗要求。

1.2 試驗設備

試驗機型為六旋翼油動植保無人機，機身尺寸2 300 cm×2 000 cm×900 cm，機身質量75 kg，最大起飛質量149 kg，最大載藥量50 L，單次續(xù)航時間為1～4 h。全機身配備六旋翼共12個向下錐型壓力噴頭。有2種作業(yè)噴頭類型供選擇，噴施流量為400 mL/min的A型噴頭適用于噴施殺蟲殺菌劑，噴施流量為600 mL/min的B型噴頭適用于噴施葉面肥、留樹保鮮劑，噴施壓力均為0.75 MPa。本試驗選用A型噴頭。

1.3 試驗方法

1.3.1 不同飛行參數下風場風力測試

無人機飛行速度設1、1.5、2、2.5、3 m/s，離地飛行高度設5、6、7、8、9 m，共25個飛行參數組合。柑桔樹形較大，無人機風場從上至下經過層疊的枝葉會逐漸產生損耗，而不同修剪方式會改變樹冠整體結構與內膛通風透氣性，也會對無人機風場產生影響。因此，從已修剪(少量修剪主枝，配合修剪側枝及枝組，下枝量為35%，達到緩解內膛郁閉的效果)與未修剪兩種樹形中分別隨機選取9株沃柑樹，每株樹冠沿垂直方向分上、中、下3層，每層于水平中央處固定風速測定儀器采集風力數據，各采集點距離地面高度分別為0.6、1.6和2.6 m。同時，觀察樹體晃動及機械損傷情況。

1.3.2 不同飛行參數下霧滴沉積密度測定

選取株高、冠幅與葉片面積基本一致的沃柑樹3株，每株樹冠沿垂直方向分上、中、下3層，每層在水平方向樹冠中心及東、南、西、北四個方向距中心0.9 m處共5個點設置正、反面霧滴水敏測試紙(先正達，76 mm×26 mm)[6]，每株樹共布置30個霧滴數據采樣點(見圖1)。結合飛行器性能與田間作業(yè)要求，采用A型噴頭(流量為400 mL/min)，單位面積噴施量固定為6 L/667 m2，飛行速度設1.5、2、2.5 m/s，飛行高度設6、7、8 m，共9組不同參數飛行架次。以霧滴密度為基礎參數對不同處理的霧滴沉積效果進行分析評價。

圖1 柑桔霧滴密度采樣區(qū)域示意

試驗模擬噴施試劑為清水，作業(yè)結束后為防止天氣潮濕導致試紙產生變化，立即收集田間水敏試紙，并利用大疆MG-1/S/A/P手持霧滴分析儀迅速進行霧滴密度分析。同時，通過“看測者T1超聲波風向風速紅外雨量固定基站”(廣州新標農業(yè)科技有限公司)，每架次記錄一次，實時記錄試驗過程中自然環(huán)境的溫度、濕度、風速及風向等氣象信息(見表1)。

表1 各飛行架次的飛行參數及氣象數據

2 結果與分析

2.1 無人機飛防作業(yè)風場強度

2.1.1 兩種修剪樹形風場風速

已修剪樹：無人機風場在樹冠上層的風速平均為11.824 m/s，樹冠中層的風速平均為7.271 m/s，樹冠下層的風速平均為4.414 m/s。飛行參數為飛行速度1 m/s與飛行高度5 m的組合下，無人機風場在樹冠上層的風速最大，達15.507 m/s，中層達8.668 m/s，下層達到6.306 m/s。

未修剪樹，無人機風場在樹冠上層的風速平均為9.150 m/s，樹冠中層的風速平均為6.065 m/s，樹冠下層的風速平均為4.091 m/s。飛行參數為飛行速度1 m/s與飛行高度5 m的組合下，無人機風場在樹冠上層的風速最大，達12.450 m/s，中層達到9.033 m/s，下層達到5.503 m/s。

比較發(fā)現(xiàn)，植株樹冠各層風場風速受到飛行速度與飛行高度影響，風場風速與飛行速度和高度均呈反比趨勢，即飛行速度越快、高度越高，則風場風速越小。同時，植株修剪與否也對風場風速有影響，未修剪植株的平均風場強度小于修剪植株，其中，修剪植株上層風速增加29.22%，中層增加19.88%，下層增加7.90%(見表2)。

表2 不同飛行參數下已修剪和未修剪沃柑樹無人機風場風速

2.1.2 無人機風場對樹體的機械損傷

通過對試驗地進行破壞性飛行測試試驗，均未觀察到有樹枝折斷現(xiàn)象。同時中國氣象局于2001年下發(fā)的風力等級對照表表明，17.2～20.7 m/s為8級風，達到折毀樹杈程度。在本試驗中，無人機處于可飛行作業(yè)的最低高度(5 m)、最低飛行速度(1 m/s)的極端飛行狀態(tài)下時，已修剪樹的無人機風場風速最大為15.507 m/s，未修剪樹的無人機風場風速最大12.586 m/s，風力未達到8級風，即除極少量細幼或已存在傷口的小枝外，大概率不會對樹體造成機械性損傷。

2.2 不同飛行參數下柑桔各部位霧滴密度

2.2.1 平均霧滴密度

9個不同參數飛行架次試驗的結果表明，葉片正面霧滴密度平均為104個/cm2，背面平均為39個/cm2，正面霧滴密度明顯大于背面。其中，正面最大值為142個/cm2(架次1)，背面最大值51個/cm2(架次3)；正面最小值為55個/cm2(架次9)，背面最小值為29個/cm2(架次9)(見表3)。隨著飛行速度提高，葉片正面平均霧滴密度呈大幅度持續(xù)下降趨勢，葉片背面平均霧滴密度微小幅度上升后小幅度下降。隨著飛行高度上升，葉片正面平均霧滴密度先下降再回升，變化范圍為±18個/cm2；葉片背面平均霧滴密度則幾乎無變化，保持在39個/cm2左右(見圖2)。說明，該款機型無人機，在1.5～2.5 m/s速度和6～8 m高度的飛行參數變化上，飛行速度變化對霧滴密度的影響大于飛行高度變化的影響。由此認為，將該款機型無人機的飛行速度保持1.5 m/s，高度在8 m范圍內根據地勢地形與障礙物的限制進行適當調整，均可以達到較好的飛防噴施效果。

表3 各飛行架次沃柑樹不同方位葉片(采樣點)霧滴沉積密度 個/cm2

圖2 不同飛行參數下葉片霧滴沉積密度

2.2.2 霧滴沉積密度平面分布

9個架次數據統(tǒng)計結果表明，樹冠不同方位葉片正面霧滴沉積密度平均值變幅略大，東、南、北向均大于110個/cm2，西向低至94個/cm2，中部(內膛)僅83個/cm2。樹冠不同方位葉片背面霧滴沉積密度平均值變幅較小，中部略低，為28個/cm2，四周在37～48個/cm2之間(見表2)?？傮w上看，在六旋翼植保無人機作業(yè)下，柑桔樹冠層直徑1.8 m的圓周區(qū)域4個方向霧滴沉積密度基本趨于等量分布，而中部霧滴沉積密度相對較小。

2.2.3 霧滴沉積密度垂直分布

統(tǒng)計結果表明，葉片正面霧滴沉積密度隨冠層的變化受飛行參數(架次)影響：架次1、3、5、7的葉片正面霧滴密度變化呈V型，即中層密度最低，上層和下層密度高；架次2、4、8為從上至下逐漸遞減；架次6、9則在中層密度增多，下層降低；9個架次平均，上層為112個/cm2，中層為98個/cm2，下層為102個/cm2。葉片背面霧滴沉積密度隨冠層的變化，基本表現(xiàn)為V型，中層低于上下層；9個架次平均，上層為45個/cm2，中層為27個/cm2，下層為44個/cm2(見圖3)?？梢?，該無人機基本具備在一定氣候和飛行參數的條件下對柑桔樹進行全株覆蓋的植保飛防作業(yè)能力，需要注意的是樹冠中層的霧滴沉積密度較低，可能導致植株局部受藥效果不佳。

圖3 不同架次柑桔植株垂直方向霧滴沉積密度分布規(guī)律

3 討論與展望

在減少勞動力成本、節(jié)水節(jié)藥的同時提高作業(yè)效率與質量，是柑桔園采用植保無人機精準施藥的最大優(yōu)勢與追求目標[7]。張盼等[8]將QJ-460小型四旋翼無人機(珠海綠衛(wèi)士航空植保技術有限公司)用于10年生枳砧改良橙園(株行距3 m×4 m，平均冠幅3 m，平均株高2.5 m)，在最優(yōu)噴灑技術組合下作業(yè)，霧滴沉積密度為53.39個/cm2，霧滴粒徑為0.25 mm。陳盛德等[9]將TXA-翔農六旋翼電動無人直升機(廣州天翔航空科技有限公司提供的)用于樹高2～3 m的沙糖桔園，在最佳技術參數組合下作業(yè)，上、中、下冠層的平均霧滴沉積密度分別為196.11、114.76、73.60 個/cm2。

本試驗應用大型六旋翼油動植保無人機對沃柑園進行噴霧試驗，結果顯示：(1)霧滴沉積密度較大，葉片正面平均為104個/cm2，葉片背面平均為39個/cm2；9個架次作業(yè)結果均達到風送式果園噴霧機作業(yè)質量要求規(guī)定(殺蟲劑霧滴沉積密度≥15個/cm2，一般殺菌劑≥20個/cm2，內吸殺菌劑≥20個/cm2)[10]。(2)霧滴分布較為均勻，可覆蓋葉片背面，水平方向各方位(東、南、北、西、中)葉片正面霧滴沉積密度在83～115個/cm2之間，葉片背面在28～48個/cm2之間；垂直方向不同冠層(上、中、下層)葉片正反面霧滴沉積密度在27～112個/cm2之間，均達到國家標準，最低值為中層葉背的27個/cm2。(3)經過適當修剪的樹體，通風透光，樹冠各層無人機作業(yè)風場風力增加，有利于穿透冠層，促使霧滴在冠層各部位的較好分布[8]，同時，最大風力(15.507 m/s)也基本不會對植株造成機械損傷。

無人機基本可以勝任于柑桔園日常的打藥施肥作業(yè)，特別是在大面積的柑桔黃龍病統(tǒng)防統(tǒng)治中用于柑桔木虱的防控作業(yè)具有重要意義。生產中，部分柑桔的病蟲害存在于葉片背面，如何保證樹冠內膛和葉片背面充分受藥，仍是柑桔無人機飛防作業(yè)需要攻克的難點。