植保無人機作業(yè)參數(shù)對茶樹冠層霧滴沉積分布特性的影響

胡傳峰

（信陽市農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全檢測中心，河南 信陽 464000）

我國是一個農(nóng)業(yè)大國，擁有1.35億hm2耕地、近3億農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者，按照每年4次病蟲草害防治，每年的病蟲草害防治面積為5.4億hm2次。農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)過程分為耕、種、管、收4個環(huán)節(jié)。根據(jù)國家統(tǒng)計局的數(shù)據(jù)，在2016年，農(nóng)業(yè)耕地機械化占50%，播種機械化占64%，收割機械化占89%，而管理機械化只占不到7%。從2014年到2017年，我國鄉(xiāng)村人口占總?cè)丝诘谋壤?8.24%下降至34.47%，而且65歲以上的老人66.67%都在農(nóng)村，可見農(nóng)村的老齡化越來越嚴(yán)重，勞動力也極其短缺，這對我國農(nóng)業(yè)的發(fā)展帶來了巨大的影響，對農(nóng)村現(xiàn)代化進步也造成了阻礙。因此，提高機械化程度是農(nóng)業(yè)發(fā)展過程中必不可缺的。2016—2020年的“十三五”規(guī)劃指出，讓農(nóng)田標(biāo)準(zhǔn)化、農(nóng)業(yè)機械化成為我國農(nóng)村發(fā)展的核心，而想要將機械化農(nóng)業(yè)做到精準(zhǔn)、智能、高效，制定合理的農(nóng)業(yè)機械作業(yè)參數(shù)是必然的，農(nóng)用無人機作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中最薄弱的“管”這一環(huán)節(jié)的主力農(nóng)業(yè)機械，制定出合理的作業(yè)參數(shù)并能夠有效地對病蟲草害進行防治，對農(nóng)業(yè)機械化程度的提高具有重大意義。隨著科技的不斷進步以及國家政策的不斷扶持，航空植保技術(shù)在近年來也得到了飛速的提升［1-11］。經(jīng)過不懈的努力及國家政策的支持，到2016年我國農(nóng)用植保無人機數(shù)量已經(jīng)超過日本，位居世界第一位。近幾年，我國航空植保作業(yè)面積更是大幅增加，這預(yù)示著我國農(nóng)業(yè)植保產(chǎn)業(yè)發(fā)展進入全新時代。

多旋翼農(nóng)用無人機適用多種地形，能夠應(yīng)付各種復(fù)雜多變的作業(yè)環(huán)境，旋翼引起的氣流也可以將藥液更加均勻地噴灑在作物的正反面，對于突發(fā)的農(nóng)業(yè)病蟲害防治能力反應(yīng)比較快、作業(yè)效率高、不碾壓作物、節(jié)約用水量，這是傳統(tǒng)背負(fù)式噴霧器遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及的，因而能夠在世界范圍內(nèi)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。目前，多旋翼農(nóng)用無人機采用的是壓力式噴頭及離心式噴頭2種，壓力式噴頭由于開孔比較小，在應(yīng)用過程中很容易出現(xiàn)堵塞的問題。極飛農(nóng)用植保無人機XP2020采用的是離心式噴頭，離心式噴頭的口徑相對于壓力式噴頭來說比較大，并且可以控制噴頭電機的轉(zhuǎn)速，從而可以調(diào)節(jié)離心噴頭甩出來的霧滴大小，這樣可以針對農(nóng)田中不同的情況噴灑大小不同的霧滴，有利于提高霧滴沉積分布，達(dá)到有效防治的目的。以極飛農(nóng)用植保無人機XP2020為研究對象，探討植保無人機作業(yè)高度和噴幅寬度對茶樹冠層霧滴沉積分布特性的影響，為植保無人機的高效利用提供參考。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試植保無人機是極飛農(nóng)用植保無人機XP2020，由廣州極飛科技有限公司生產(chǎn)，其技術(shù)參數(shù)詳見表1。大疆霧滴分析儀，由深州市大疆創(chuàng)新科技有限公司生產(chǎn)。水敏試紙，由先正達(dá)農(nóng)業(yè)有限公司生產(chǎn)。

表1 極飛農(nóng)用植保無人機XP2020技術(shù)參數(shù)

1.2 試驗設(shè)計

試驗于2020年10月—2021年3月在信陽市浉河區(qū)浉河港鎮(zhèn)郝家沖村茶園（114°08′34″E、31°24′06″N）進行。試驗開始之前，在茶園中尋找一塊地形相對平坦并且適合植保無人機正常飛行作業(yè)的田地，然后打開“極飛農(nóng)業(yè)”APP，連接確山固定基站，對試驗地塊進行測繪，測量出一塊80 m×45 m的田地，測繪好的地塊用“極飛農(nóng)業(yè)”APP中的分割線功能隔離劃分為9個小區(qū)，每個小區(qū)的大小為80 m×5 m。在每個小區(qū)中隨機找到一排茶樹，每排茶樹設(shè)置5個試驗點，重復(fù)3次，用曲別針將水敏試紙分別安插在試驗點的上、中、下層，利用水敏試紙遇水顯色的原理，在飛行結(jié)束后收集水敏試紙，觀察分析霧滴沉積分布特性。

根據(jù)預(yù)試驗結(jié)果，霧滴沉積分布特性與環(huán)境風(fēng)速以及植保無人機的飛行高度、飛行噴幅、噴頭種類有較大的關(guān)系。在試驗飛行過程中，保持用量、霧滴大小以及飛行速度不變，分別為15 000 mL/hm2、135 μm、5 m/s，設(shè)置不同的作業(yè)高度（2.0、2.5、3.0 m）和噴幅寬度（3.5、4.0、4.5 m），研究其對霧滴沉積分布的影響。試驗共飛行9個架次，分別在每個試驗小區(qū)中進行。

將植保無人機放在試驗小區(qū)旁的空地，然后將植保無人機藥壺加入5 L清水，在“極飛農(nóng)業(yè)”APP中對飛行參數(shù)進行設(shè)置，疏散人員距離植保無人機10 m以外，待風(fēng)速穩(wěn)定之后，啟動植保無人機在小區(qū)中進行試驗。每次飛行試驗結(jié)束后等待5～10 min，使得噴灑出的霧滴完全沉落，帶上橡膠手套，將所有試驗點的水敏試紙收集到自封袋中，并用記號筆在袋子上標(biāo)記飛行參數(shù)和編號。

1.3 測定項目及方法

將試驗中的水敏試紙用大疆霧滴分析儀進行分析，得出霧滴密度、霧滴覆蓋率。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

數(shù)據(jù)使用Excel 2017進行匯總整理，利用SPSS 22軟件進行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 植保無人機作業(yè)高度和噴幅寬度對茶樹冠層霧滴密度的影響

從表2可以看出，當(dāng)植保無人機在作業(yè)高度為2.0 m時，噴幅寬度越大，茶樹各層冠層霧滴密度越小。當(dāng)噴幅達(dá)到4.5 m時，下層冠層霧滴密度最少，僅為14.02個/cm2。當(dāng)植保無人機在作業(yè)高度為2.5 m時，茶樹各層冠層霧滴密度隨著噴幅寬度的增加先增加后降低，噴幅寬度為4.0 m時，茶樹各層冠層霧滴密度均最大，其中上層冠層霧滴密度達(dá)到了72.56個/cm2。植保無人機在作業(yè)高度為3.0 m時，噴幅寬度越大，茶樹各層冠層霧滴密度越大。在相同噴幅寬度下，隨著作業(yè)高度增加，茶樹各層冠層霧滴密度先增加后降低，在2.5 m時最大。整體來看，在作業(yè)高度2.5 m、噴幅寬度4.0 m時，茶樹各層冠層霧滴密度最大。

表2 植保無人機作業(yè)高度和噴幅寬度對茶樹各層冠層霧滴密度的影響

由圖1可知，隨著作業(yè)高度增加，各噴幅寬度下茶樹冠層霧滴密度均先增加后降低，以作業(yè)高度2.5 m最大。隨著噴幅寬度增加，在飛行高度2.0 m時，茶樹冠層霧滴密度逐漸降低；在飛行高度2.5 m時，茶樹冠層霧滴密度先增加后降低，以噴幅寬度4.0 m最大；在飛行高度3.0 m時，茶樹冠層霧滴密度逐漸增加。整體來看，飛行高度2.5 m、噴幅寬度4.0 m組合茶樹冠層霧滴密度最大，飛行高度2.5 m、噴幅寬度3.5 m組合次之。

圖1 植保無人機作業(yè)高度和噴幅寬度對茶樹冠層霧滴密度的影響

綜上，植物無人機最佳作業(yè)參數(shù)為飛行高度2.5 m、噴幅寬度4.0 m。

2.2 植保無人機作業(yè)高度和噴幅寬度對茶樹冠層霧滴覆蓋度的影響

由圖2可知，隨著作業(yè)高度增加，各噴幅寬度下茶樹冠層霧滴覆蓋度均先增加后降低，以作業(yè)高度2.5 m最大。隨著噴幅寬度增加，在飛行高度2.0 m時，茶樹冠層霧滴覆蓋度逐漸降低；在飛行高度2.5 m時，茶樹冠層霧滴覆蓋度先增加后降低，以噴幅寬度4.0 m最大；在飛行高度3.0 m時，茶樹冠層霧滴覆蓋度逐漸增加。整體來看，飛行高度2.5 m、噴幅寬度4.0 m組合茶樹冠層霧滴覆蓋度最大，飛行高度2.5 m、噴幅寬度3.5 m組合次之。綜上，植保無人機最佳作業(yè)參數(shù)為飛行高度2.5 m、噴幅寬度4.0 m。

圖2 植保無人機作業(yè)高度和噴幅寬度對茶樹冠層霧滴覆蓋度的影響

3 結(jié)論

為了研究植保無人機在茶樹上的最佳作業(yè)效果，以極飛農(nóng)用植保無人機XP2020為研究對象，研究植保無人機作業(yè)高度和噴幅寬度對茶樹冠層霧滴密度和霧滴覆蓋度的影響，為植保無人機的高效利用提供參考。結(jié)果表明，隨著作業(yè)高度增加，各噴幅寬度下茶樹冠層霧滴密度和霧滴覆蓋度均先增加后降低，以作業(yè)高度2.5 m最大。隨著噴幅寬度增加，在飛行高度2.0 m時，茶樹冠層霧滴密度和霧滴覆蓋度逐漸降低；在飛行高度2.5 m時，茶樹冠層霧滴密度和霧滴覆蓋度先增加后降低，以噴幅寬度4.0 m最大；在飛行高度3.0 m時，茶樹冠層霧滴密度和霧滴覆蓋度逐漸增加。整體來看，飛行高度2.5 m、噴幅寬度4.0 m組合茶樹冠層霧滴密度和霧滴覆蓋度最大，飛行高度2.5 m、噴幅寬度3.5 m組合次之。綜上，當(dāng)作業(yè)高度2.5 m、噴幅寬度4.0 m時，茶樹冠層霧滴密度和霧滴覆蓋度均最大，霧滴沉積分布最均勻，能夠?qū)Σ枞~病蟲害的發(fā)生達(dá)到有效防治，作業(yè)效果最佳。

植保無人機在農(nóng)田飛行作業(yè)時，除了作業(yè)參數(shù)對其作業(yè)效果有影響外，環(huán)境因素也會導(dǎo)致霧滴沉積分布不均勻。如果風(fēng)速過大，風(fēng)力超過4級，植保無人機在農(nóng)田作業(yè)不能達(dá)到有效防治，建議此種情況下不要繼續(xù)作業(yè)；當(dāng)環(huán)境溫度過高時，高溫會導(dǎo)致植保無人機噴灑出來的霧滴蒸發(fā)，也會影響霧滴沉積。