無人機作業(yè)航速對噴霧霧滴在竹林中沉降分布及害蟲防效的影響

劉化桐

(福建省邵武市林業(yè)局 南平 354000)

華南林區(qū)多為丘陵山地，其所特有的復雜地形，給林業(yè)有害生物防治工作增添了不少困難，常規(guī)人工地面機械噴霧不但作業(yè)效率低下，還將不可避免地產(chǎn)生漏藥或重藥，無法取得理想的防治效果，因此生產(chǎn)上急需一種能解決上述問題的先進施藥技術。隨著中國科學技術日新月異的發(fā)展，農業(yè)病蟲防治工作已廣泛運用植保無人機低空噴霧技術，已有學者嘗試將該噴霧技術引入施藥、施肥等林業(yè)生產(chǎn)中。

植保無人機雖具有工效高、省時節(jié)力降費的優(yōu)點，但也存在著霧滴沉降分布和飄失狀況不穩(wěn)定的缺點，其噴霧作業(yè)工作參數(shù)對霧滴沉降率、覆蓋密度、密度變異系數(shù)、霧滴穿透性、有效噴幅和防治效果影響較大，無人機作業(yè)的航速和定高等工作參數(shù)均會影響防治效果、作業(yè)效率和防治費用。因此，明確無人機施藥工作參數(shù)已是林業(yè)生產(chǎn)中急待破解的科學問題。國內外的報道均為植保無人機在煙葉、水稻等作物上應用的噴霧工作參數(shù)[1-3]，洪宜聰?shù)纫蜒芯繄蟮懒藷o人機噴霧作業(yè)定高對霧滴在竹林沉降分布及防效的影響[4]，但尚未見有關植保無人機在林分中的作業(yè)航速對霧滴的沉降分布狀況影響的報道。

為踐行“綠水青山就是金山銀山”的發(fā)展理念，本研究從實現(xiàn)治蟲與生態(tài)保護有機統(tǒng)一的目的出發(fā)，于2020 年在福建南平市邵武市，選擇毛竹(Phyllostachys edulis) 林建立試驗區(qū)，應用植保無人機開展不同航速的作業(yè)參數(shù)噴霧試驗，對比不同作業(yè)航速霧滴在竹林的沉降率、覆蓋密度、密度變異系數(shù)和有效噴幅等工作參數(shù)。同時在剛竹毒蛾幼蟲為害的竹林，選用1.2%煙堿·苦參堿乳油、25%阿維·滅幼脲懸浮劑和1.5%苦參堿可溶液等3 種農藥，對比分析不同作業(yè)航速對防治效果的影響，以期明確無人機噴霧作業(yè)最佳航速，為構建林業(yè)低空施藥技術體系提供科技支撐，以提升主要林木食葉害蟲的防控手段和效率。

1 試驗地概況

試驗區(qū)位于地處福建省西北部的邵武市(北緯26°55′—27°35′，東經(jīng)117°02′—117°52′)，為亞熱帶季風氣候，海拔370～620 m，年均氣溫13.0～23.0 ℃，年均降水量為1 857.6 mm。試驗區(qū)面積為406.6 hm2，主要樹種為毛竹，伴生樹種主要為馬尾松(Pinus massoniana)、杉木(Cunninghamia lanceolata)、米櫧(Castanopsis carlesii)、閩粵栲(Castanopsis fissa)和苦櫧(Castanopsis sclerophylla)等。林下植被主要為杜鵑(Rhododendron simsii)、地菍(Melastoma dodecandrum)、迎春(Jasminum nudiflorum)、紫 萼(Hosta ventricosa) 和淡竹葉(Lophatherum gracile)等[5-8]，防治靶標昆蟲為3齡的剛竹毒蛾幼蟲(Pantana phyllostachysae)，有蟲株率67%～90%，蟲口密度79～92 頭/株。表1為試驗林概況。

表1 試驗林分概況Tab.1 General situation of experimental stand

2 材料與方法

2.1 試驗材料

1) 試驗昆蟲。將野外竹林采回的剛竹毒蛾卵，置于常溫孵化為幼蟲，放入培養(yǎng)箱(T＝ (27±1)℃，RH＝72%，LD＝14 h ∶10 h) 內，用清水洗凈并晾干的新鮮竹葉飼養(yǎng)，在飼養(yǎng)至3 齡時，用蟲籠將選取的活動正常、個體相近的幼蟲分裝備試。

2) 農藥與器材。參試農藥:1.5%苦參堿可溶液，1.2%煙堿·苦參堿乳油 (苦參堿含量0.7%，煙堿含量0.5%)，25%阿維·滅幼脲懸浮劑，均為內蒙古帥旗生物科技股份有限公司生產(chǎn)。試驗輔助劑:U 伴飛防專用助劑(北京廣源益農化學有限責任公司)。器材:LHS-350HC 恒溫恒濕培養(yǎng)箱(無錫瑪瑞特科技有限公司)；植保無人機(機型:大疆T20，額定載荷15 L，噴霧系統(tǒng)參數(shù)為4 個水泵、8 個扇形壓力霧化噴頭，水泵工作壓力為0.2～0.4 MPa，每個水泵供應2 路噴頭，噴頭霧化壓力為0.2～0.4 MPa，噴嘴型號為SX11001VS、SX110015VS 和SX11002VS，其最大流量分別為3.6、4.8 和6 L/min，霧化粒徑分別為130～250、170～250 和190～300 μm；深圳市大疆創(chuàng)新科技有限公司)；卡紙架:35 mm×110 mm 水敏紙(重慶六六山下植保科技有限公司)。

2.2 研究方法

2.2.1 試驗區(qū)設計

依據(jù)預備試驗結果，在無人機作業(yè)預定方向的中線兩端設置紅旗為標識，沿中線每隔10 m 設霧滴接收段，以2.5、3.0、3.5、3.75 m 等4 種距離分別向兩側延伸，設置霧滴測試點，以A、B、C、D 表示，共設10 個霧滴接收段。于各測試點設立定制的卡紙架以固定水敏紙，卡紙架高度分別設置于竹冠上、中和下部，在噴霧作業(yè)前將水敏紙水平安放于卡紙架，每個處理均重復3 次。

在剛竹毒蛾幼蟲為害的竹林，采用“對角線”設立大小為0.067 hm2的標準地，于標準地中隨機選取20 株毛竹為標準株，并在選定的標準枝上套籠，施藥前套籠內按20 頭/籠的標準放入剛竹毒蛾幼蟲。

2.2.2 農藥濃度設定

以體積比將農藥用純凈水分別配制成:1.2%煙堿·苦參堿乳油和1.5%苦參堿可溶液配均為1 500 倍液[9-11]，25%阿維·滅幼脲懸浮劑為1 200 倍液[12-14]，同時以225 mL/hm2分別加入U伴飛防專用助劑，以利于霧滴沉降。

2.2.3 作業(yè)參數(shù)設置與噴霧施藥

無人機作業(yè)航速設為1.0、1.5、2.0、2.5 和3.0 m/s 等5 個水平，作業(yè)定高均設為6.5 m，以純凈水為模擬農藥，用量設為25 000 mL/hm2，噴頭采用SX110015VS，水泵工作壓力設為0.2～0.4 MPa。于2020 年5 月20—23 日開展植保無人機噴霧和霧滴測定試驗。

2020 年5 月24—27 日，于受剛竹毒蛾幼蟲為害的試驗林，運用植保無人機噴施預設3 種濃度的農藥，藥液用量設為25 000 mL/hm2，作業(yè)時段為6 ∶00—9 ∶30，作業(yè)氣象條件為:多云到晴、風速≤0.62 m/s、氣溫≤26.2 ℃、空氣濕度≥76%，藥后2 d 無有效降水。各處理均重復3 次，并選擇條件相似的竹林設立對照，以等量的“純凈水＋U 伴飛防專用助劑”為模擬農藥噴霧。

2.2.4 霧滴統(tǒng)計分析

噴霧作業(yè)結束后2 h，回收水敏紙并作好標記，用封口袋分裝。將水敏紙逐一掃描成圖像，霧滴圖像分析用霧滴分析軟件，以獲取各測試點霧滴的覆蓋密度、沉降率及直徑，并計算霧滴密度變異系數(shù)和沉降穿透性等[4]。

2.2.5 農藥防效計算與數(shù)據(jù)分析

每天對套籠內剛竹毒蛾幼蟲定時觀察其活動情況，以各處理籠內剛竹毒蛾的幼蟲死亡率超過95%時即結束試驗，計算死亡率和校正死亡率[15-17]。

用Excel 2010 處理獲取的數(shù)據(jù)，各處理間的數(shù)據(jù)方差分析用SPSS 22.0 軟件，運用Duncan's 檢驗法分析不同航速處理間的顯著性差異(P＜0.05)。

3 結果與分析

3.1 霧滴沉降及分布

3.1.1 霧滴覆蓋密度與沉降率

從表2 可知，不同航速的霧滴沉積狀況各不相同。同一測試點，以航速為2.0 m/s 的霧滴覆蓋密度和沉降率為最好。當無人機作業(yè)航速為1.0、1.5、2.0 m/s 時，其A、B 接收點霧滴覆蓋密度和沉降率變化不大；而當無人機作業(yè)航速為2.5 和3.0 m/s 時，其霧滴覆蓋密度和沉降率變化較大，航速越快霧滴覆蓋密度和沉降率均越小。方差分析結果顯示，同一航速A、B、C、D 等接收點間的霧滴覆蓋密度和沉降率有一定的差異。當航速為1.0 和1.5 m/s 時，A 點、B 點與C 點、D 點間霧滴覆蓋密度和沉降率差異顯著，且C 點和D 點間亦有顯著差異，A 點與B 點間差異則不顯著；當航速為2.0 m/s 時，A 點、B 點、C 點與D 點間霧滴覆蓋密度和沉降率差異顯著，且A 點、B 點和C 點間相互差異則不顯著；當航速為2.5和3.0 m/s 時，A 點、B 點、C 點、D 點間的霧滴覆蓋密度和沉降率均存在顯著差異，表明無人機航速與竹冠水平方向的霧滴分布關系密切。

表2 無人機不同航速的霧滴在竹林內沉降狀況Tab.2 Deposition of droplets sprayed in bamboo forest by UAV with different speeds

霧滴在各測試點竹冠的霧滴覆蓋密度和沉降率從大到小依次為上層、中層和下層，在無人機航速為2.0 m/s 時，A 點霧滴覆蓋密度上層為37.9 個/cm2、中層為36.9 個/cm2、下層為33.8個/cm2，達到“農業(yè)航空作業(yè)質量技術指標”[18]規(guī)定的霧滴覆蓋密度≥20 個/cm2要求，在竹冠的上、中、下層霧滴沉降率分別為21.36%、19.26%、17.69%。方差分析結果表明，不同航速同一測試點霧滴的上層、中層和下層所表現(xiàn)出的霧滴覆蓋密度和沉降率各不相同。航速為1.0、1.5 和2.0 m/s 時，A 點、B 點、C 點等3 個測試點上層與中、下層間霧滴覆蓋密度和沉降率差異顯著，中層與下層間霧滴覆蓋密度和沉降率則無顯著差異，D 測試點上、中層和下層間的霧滴覆蓋密度和沉降率均有顯著差異。當航速為2.5 m/s時，除A 點外，其余各點上、中層和下層間的霧滴覆蓋密度和沉降率則存在顯著差異；當航速為3.0 m/s 時，各測試點上、中層和下層間的霧滴覆蓋密度和沉降率則存在極顯著差異。表明無人機的航速與竹冠垂直方向的霧滴分布關系密切。

3.1.2 霧滴沉降穿透性與密度變異系數(shù)

竹冠各層的密度變異系數(shù)是檢驗霧滴穿透性的重要指標，穿透性愈強變異系數(shù)越小。從表2可知，當無人機航速為2.0 m/s 時，A、B、C、D等測試點的密度變異系數(shù)最小，為35.07%～42.16%，表明其穿透性最好。當航速為3.0 m/s時，A、B、C、D 等測試點的密度變異系數(shù)最大，為43.79%～60.72%，表明其穿透性最弱。當無人機航速≤2.0 m/s，隨著航速的遞增，對應測試點的密度變異系數(shù)遞減，霧滴穿透性遞增。當無人機航速大于2.0 m/s 時，相對應測試點的密度變異系數(shù)隨著航速增大而增大，霧滴的穿透性為隨著航速加快逐漸減弱。表明無人機的航速與霧滴沉降穿透性關系密切。

變異系數(shù)值的大小可體現(xiàn)霧滴沉降的均勻程度，是檢驗噴霧質量的重要指標，霧滴沉降愈均勻其變異系數(shù)愈小。從表2 可知，不同航速所表現(xiàn)出的霧滴均勻性有較大差異，無人機的不同航速，其各測試點的霧滴在竹冠沉降均勻性從小到大依次為上層、中層和下層。無人機航速≤2.0 m/s 其霧滴在竹冠沉降均勻性隨速度增加而增大，無人機航速＞2.0 m/s 則隨速度增加而減小。表明無人機的航速與霧滴沉降均勻性關系密切。

3.1.3 霧滴粒徑與有效噴幅寬度

從表2 可知，航速對霧滴相對粒譜寬度影響不大。霧滴的中值直徑值(DV.5) 以竹冠上層最大，表明霧滴粒徑大穿透性較弱，主要在竹冠的上層沉積，霧滴粒徑小穿透性較強，主要在下層沉積。

本研究藥液用量為25 L/hm2，“農業(yè)航空作業(yè)質量技術指標”[18]明確了噴霧用量為低容量(5～30 L/hm2) 其霧滴覆蓋密度應符合≥20 個/cm2標準。從表2 可知，植保無人機的不同航速其A、B、C 和D 等測試點的覆蓋密度各不相同，當航速為1.0、1.5 和2.0 m/s 時，其各測試點上、中、下各層接收到符合標準的有效霧滴覆蓋密度寬幅均為7 m (A 點、B 點、C 點)；當航速為2.5 m/s 時，其各測試點上、中、下各層接收到符合標準的有效霧滴覆蓋密度寬幅為6 m (A 點、B 點)；當航速為3.0 m/s 時，其各測試點上中下各層接收到有效霧滴覆蓋密度只有A 點符合標準，速度過快導致霧滴飄失。表明當無人機航速超過2.5 m/s 時將影響霧滴覆蓋密度的有效寬幅。

3.2 航速對防治效果影響

表3 為不同航速對農藥防治效果分析。從表3 可知，各航速噴霧試驗林的防治效果，以航速2.0 m/s 為最好，3.0 m/s 的最差，各作業(yè)航速表現(xiàn)出的防治效果由好到差依次為2.0 m/s、1.5 m/s、1.0 m/s、2.5 m/s、3.0m/s。顯著性分析表明，同一農藥藥后5 d，不同航速噴霧的防治效果差異顯著，表明林分的防治效果與無人機航速關系密切。

表3 不同航速藥后5 d 的防治效果Tab.3 Control effects on the larvae of Pantana phyllostachysae after pesticide application for five days with UAV at different speeds %

4 結論與討論

研究結果表明，植保無人機的作業(yè)航速與霧滴的水平分布、垂直分布、有效噴幅及林分防治效果關系密切，航速的快慢將決定無人機噴霧質量。雖然無人機作業(yè)航速為1.0、1.5、2.0 m/s其霧滴的沉降率和覆蓋密度在竹冠的水平和垂直分布差異不大，但考慮到工作效率，在生產(chǎn)應用中無人機的航速應以2.0 m/s 為好。當無人機航速為2.0 m/s 時，其有效噴幅最大，竹冠水平與垂直方向霧滴的沉積分布最好，防治效果最理想。表明在竹林噴霧作業(yè)，無人機最佳航速為2.0 m/s，即在竹林噴霧作業(yè)時無人機定速為2.0 m/s。

靶標昆蟲死亡率取決于所獲得農藥致死劑量，農藥沉積量為施藥后在靶標單位面積上沉積的藥量，農藥沉積結構為農藥噴施時單位面積的霧滴密度、霧滴粒徑和霧滴的農藥濃度，農藥沉積結構通過影響害蟲接觸農藥的概率和每次接觸獲得的農藥劑量，影響農藥的生物效果。對靶標而言，其單位面積霧滴密度決定了農藥的沉積量，霧滴密度愈大其農藥的沉積量愈多，與農藥接觸率愈高，防治效果愈理想。研究表明，植保無人機的航速與竹冠水平和垂直方向的霧滴沉積、霧滴沉降均勻度關系密切，以航速為2.0 m/s 的霧滴沉積狀況最好。航速≤2.0 m/s，霧滴分布均勻性和穿透性均與航速呈正比，變異系數(shù)與航速呈反比。航速大于2.0 m/s，霧滴分布均勻性和穿透性均與航速呈反比，變異系數(shù)與航速呈正比。

植保無人機作業(yè)航速過慢，將延長作業(yè)時長，影響噴霧作業(yè)效率。作業(yè)航速過快，其自身產(chǎn)生的氣流容易使霧滴過度飄失，造成霧滴的沉積率下降，作業(yè)高度過高，外界的氣流也會使霧滴發(fā)生漂移，而使霧滴的沉積率減少、進而影響防治效果。這與已有的報道結論相同[19-23]。

無人機低空噴霧技術最大的優(yōu)點為省時降費和易于操作，它可克服丘陵山地的復雜地形等因素給林業(yè)防治工作產(chǎn)生的困難，相比于人工地面噴藥技術，可降低防治勞動強度，大幅減少防治費用，可解決常規(guī)施藥技術的漏藥與重藥問題[24-27]。本研究提出的植保無人機噴霧施藥作業(yè)的最適航速，可借鑒于林業(yè)低空施藥技術體系。