無人機(jī)霧化噴頭對霧滴在竹林中沉降分布及害蟲防效的影響

洪宜聰 羅寶仙 劉化桐 許春枝

(1 福建省三明市沙縣區(qū)林業(yè)局 福建三明 365050； 2 福建省三明市沙縣區(qū)生態(tài)國有林場 福建三明 365050；3 福建省邵武市林業(yè)局 福建南平 354000； 4 福建省三明市林業(yè)科技推廣中心 福建三明 365000)

農(nóng)藥的噴霧防治效果取決于藥液霧化程度和霧滴粒徑大小，無人機(jī)的噴灑系統(tǒng)是決定防治效果的重要環(huán)節(jié)，噴頭是噴灑系統(tǒng)的最重要部件，對噴霧質(zhì)量影響很大。不同類型的噴頭、同一類型不同型號的噴頭對藥液霧化程度、霧滴粒徑的影響大相庭徑。霧滴粒徑與其覆蓋密度、沉降率、穿透性和有效噴幅相關(guān)性較大，并將決定著防治的作業(yè)效率、防治費用和防治效果。目前國內(nèi)外有無人機(jī)噴霧在林業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用報道不多，福建邵武開展了無人機(jī)噴霧作業(yè)航速對霧滴在竹林的沉降分布及防效影響的研究[1]，福建沙縣研究了無人機(jī)噴霧工作參數(shù)對霧滴在馬尾松林沉降分布及防效的影響[2]，但尚未有無人機(jī)噴灑系統(tǒng)噴頭的型號對霧滴的沉降和防效影響的研究報道。

病蟲害的防治效果與霧滴粒徑大小、霧滴漂移程度及沉降率等因素密切相關(guān)，其中霧滴粒徑是影響無人機(jī)噴霧質(zhì)量及作業(yè)效果的關(guān)鍵因素之一。無人機(jī)噴霧技術(shù)具有高效、省力、節(jié)費的優(yōu)點，但在丘陵山地應(yīng)用時，會受到局部氣流的影響，其霧滴容易發(fā)生飄失。無人機(jī)作為“會飛的噴霧器”，其噴灑系統(tǒng)產(chǎn)生霧滴的原理是通過液泵產(chǎn)生的壓力，使藥液通過噴頭時在壓力作用下破碎成細(xì)小液滴，其形成的霧滴粒徑主要受噴頭壓力及孔徑的影響，噴頭的型號決定了霧滴覆蓋密度、霧滴沉降率、霧滴穿透性、有效噴幅和防治效果。因此，明確無人機(jī)噴灑系統(tǒng)噴頭型號的選用已成為林業(yè)生產(chǎn)上急需解決的科學(xué)問題。

為揭示無人機(jī)噴霧關(guān)鍵技術(shù)，明確無人機(jī)噴灑系統(tǒng)霧化噴頭對霧滴沉積分布和噴霧防效的影響程度，2021年在福建三明市沙縣區(qū)毛竹(Phyllostachysedulis)林建立試驗區(qū)，選用不同型號噴頭開展無人機(jī)噴霧霧滴檢測試驗，分析不同型號噴頭其霧滴的覆蓋密度、密度變異系數(shù)、沉降率和有效噴幅等參數(shù)；并在發(fā)生竹鏤舟蛾幼蟲為害的竹林，選用25%阿維·滅幼脲懸浮劑、1.5%苦參堿可溶液和1.2%煙堿·苦參堿乳油等3種無公害農(nóng)藥進(jìn)行噴霧防治，分析不同型號噴頭對防治效果的影響，以期明確無人機(jī)噴灑系統(tǒng)適用的霧化噴頭，為構(gòu)建無人機(jī)噴霧關(guān)鍵技術(shù)體系提供科技支撐。

1 研究區(qū)概況

沙縣區(qū)隸屬福建省三明市，位于福建省中部偏北(北緯26°06-26°41′，東經(jīng)117°32′-118°06′)，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，全區(qū)年均氣溫18.6 ℃，年均降水量為1 820 mm。研究選擇在富口、高橋等鄉(xiāng)鎮(zhèn)的毛竹林建立試驗區(qū)，試驗區(qū)竹林的伴生樹種主要是閩粵栲(Castanopsisfissa)、米櫧(Castanopsiscarlesii)、杉木(Cunninghamialanceolata)、苦櫧(Castanopsissclerophylla)和馬尾松(Pinusmassoniana)等。竹林植被主要是迎春(Jasminumnudiflorum)、紫萼(Hostaventricosa)、地菍(Melastomadodecandrum)、淡竹葉(Lophatherumgracile)和杜鵑(Rhododendronsimsii)等[3-6]，竹林郁閉度為0.7，試驗區(qū)面積為202.8 hm2，靶向害蟲為3齡的竹鏤舟蛾幼蟲，蟲口密度為57～85頭/株，有蟲株率67%～79%。研究區(qū)概況見表1。

表1 研究區(qū)竹林概況Tab.1 Overview of bamboo forests in the study area

2 材料與方法

2.1 研究材料

2.1.1 試驗昆蟲

在野外竹林捕捉竹鏤舟蛾幼蟲，帶回實驗室采用新鮮毛竹葉片(用清水洗凈并晾干)喂養(yǎng)，在飼養(yǎng)7 d后，挑選個體相近、健康的幼蟲分裝至蟲籠備試。

2.1.2 研究器材與農(nóng)藥

1) 器材。無人機(jī)(機(jī)型：大疆T20，額定載荷15 L；噴灑系統(tǒng)：液泵4個，其霧化壓力為0.2～0.4 MPa，噴頭為8個扇形壓力霧化噴頭，型號為SX11001VS、SX110015VS和SX11002VS，霧化粒徑分別為130～250 μm、170～265 μm、190～300 μm，最大流量分別為3.6 L/min、4.8 L/min和6 L/min；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?？萍加邢薰?；華誼PM6252A風(fēng)速儀(深圳市新華誼儀表有限公司)；?，擜S817手持式溫濕度計(東莞萬創(chuàng)電子制品有限公司)。

2) 試驗農(nóng)藥。為內(nèi)蒙古帥旗生物科技股份有限公司提供的1.5%苦參堿可溶液、25%阿維·滅幼脲懸浮劑、1.2%煙堿·苦參堿乳油(苦參堿含量0.7%、煙堿含量0.5%)。

試驗還采用了北京廣源益農(nóng)化學(xué)有限責(zé)任公司提供的U伴飛防專用助劑。

2.2 研究方法

2.2.1 試驗設(shè)計

在高橋鎮(zhèn)杉口村的毛竹林，用紅旗在預(yù)定無人機(jī)噴霧方向的飛行中線兩端分別設(shè)置標(biāo)識，沿中線兩側(cè)每隔10 m設(shè)1個霧滴接收段，共設(shè)10個，在每個霧滴接收段以2.0、2.5、3.0、3.5、3.75 m等5種距離分別向兩側(cè)擴(kuò)伸，并在這5種距離地點設(shè)立霧滴測試點，以A、B、C、D、E表示。于各測試點竹冠的上、中和下部分別設(shè)置專用的卡紙架，用于固定水敏紙，水敏紙應(yīng)在無人機(jī)噴霧作業(yè)前水平安放于卡紙架，處理重復(fù)5次。

在富口鎮(zhèn)發(fā)生竹鏤舟蛾幼蟲為害的毛竹林，以“對角線”按試驗要求建立標(biāo)準(zhǔn)地，大小以0.067 hm2為宜，在標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)隨機(jī)選取標(biāo)準(zhǔn)竹20株，選好標(biāo)準(zhǔn)枝并套籠，于施藥前每個套籠放入20頭竹鏤舟蛾幼蟲。同時，采用大疆航拍無人機(jī)對擬作業(yè)區(qū)進(jìn)行航拍，無人機(jī)作業(yè)飛行高度設(shè)為6.5 m，噴幅設(shè)為6.0 m[7-8]，繪制出無人機(jī)噴霧作業(yè)航線圖。

2.2.2 農(nóng)藥濃度配制

用純凈水以體積比將農(nóng)藥分別配制為：25%阿維·滅幼脲懸浮劑設(shè)為1 200倍液[9-11]，1.5%苦參堿可溶液和1.2%煙堿·苦參堿乳油均設(shè)為1 500 倍液[12-14]。為有助于霧滴沉降，以擬噴霧面積按90 mL/hm2在各藥液中加入U伴飛防專用助劑。

2.2.3 無人機(jī)作業(yè)參數(shù)設(shè)定與施藥

無人機(jī)噴霧系統(tǒng)的噴頭分別采用SX11001VS、SX110015VS和SX11002VS等3種型號，以1.0型、1.5型、2.0型表示。2021年5月18—19日開展無人機(jī)霧滴測定試驗，以純凈水作為藥液噴施，作業(yè)航速為2.0 m/s[15]，作業(yè)時間為7∶30-8∶30，氣象條件為多云到晴、風(fēng)速小于0.75 m/s、氣溫低于25.0 ℃、空氣濕度高于75%。

2021年5月20—23日，在富口鎮(zhèn)堆積坑村等地毛竹林中開展無人機(jī)噴霧防治竹鏤舟蛾試驗，無人機(jī)作業(yè)航速設(shè)為2.0 m/s，作業(yè)時間為6∶00-9∶00，施藥時的氣象條件為多云到晴、風(fēng)速小于0.71 m/s、氣溫低于27.0 ℃、空氣濕度高于71%，藥后96 h均未發(fā)生有效降水。每個處理重復(fù)3次，同時在富口鎮(zhèn)富口村選擇林相相似的竹林建立對照區(qū)，并噴施等量的純凈水+U伴飛防專用助劑。

2.2.4 霧滴分析

于無人機(jī)噴霧完成后2 h，立即將各霧滴檢測點的水敏紙收回，用封口袋裝好并作好標(biāo)記。于室內(nèi)逐一將各水敏紙掃描為圖像，用霧滴分析軟件分析霧滴圖像，以獲取各點的霧滴粒徑、霧滴分布和沉降狀況，采用下式計算霧滴相對粒譜寬度和密度變異系數(shù)。

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

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

2.2.5 校正死亡率與數(shù)據(jù)分析

藥后每24 h，定時統(tǒng)計各處理套籠內(nèi)竹鏤舟蛾幼蟲死亡數(shù)量，在竹鏤舟蛾幼蟲死亡率大于95%時結(jié)束試驗，并計算校正死亡率[16-19]。

對獲取的試驗數(shù)據(jù)采用Excel2010處理，用SPSS22.0軟件進(jìn)行方差分析，不同噴頭處理之間的顯著性差異分析采用Duncan’s檢驗法。

3 結(jié)果與分析

3.1 霧滴分布狀況

3.1.1 霧滴沉降率與覆蓋密度

不同型號噴頭之間的霧滴沉積狀況、霧滴分布差異較大(表2)。從表2可知，1.5型噴頭在各霧滴接收點的霧滴沉降率和覆蓋密度均好于另外2個型號的噴頭。在A、B接收點，1.0型、1.5型、2.0型3種型號噴頭的霧滴沉降率和覆蓋密度基本相似，但在其余各接收點，1.0型和2.0型噴頭的霧滴沉降率和覆蓋密度差異較大。方差分析結(jié)果顯示，在A、B等2個接收點，1.0型、1.5型、2.0型等3種型號噴頭之間的霧滴沉降率和覆蓋密度均無顯著差異，在C、D、E等3個接收點，3種型號噴頭間的霧滴沉降率和覆蓋密度均有顯著差異。相同型號的噴頭，在A、B、C、D、E等接收點間的沉降率和霧滴覆蓋密度差異較大。1.0型和2.0型的噴頭，其A點、B點與C點、D點、E點間沉降率和霧滴覆蓋密度有顯著差異，且C點、D點、E點三者之間的差異亦為顯著，但A點與B點之間無顯著差異；1.5型噴頭其A點、B點、C點與D點、E點間沉降率和霧滴覆蓋密度亦有顯著差異，且A點、B點和C點相互之間的差異為不顯著。表明無人機(jī)噴霧系統(tǒng)所采用的噴頭型號與霧滴水平方向的分布密切相關(guān)。

表2(續(xù))

從各接收點霧滴在竹林垂直方向的分布可以看出(表2)，霧滴的沉降率和覆蓋密度的數(shù)值由小到大依次為下層、中層和上層，表明竹林上層的霧滴分布較多。1.5型噴頭在A點竹冠的上、中、下層霧滴沉降率和覆蓋密度分別為21.76%、21.37%、18.07%和37.2個/cm2、36.4個/ cm2、34.1個/cm2，符合霧滴覆蓋密度規(guī)定的要求。方差分析結(jié)果表明，同一接收點不同型號噴頭的霧滴在上層、中層和下層沉降狀況和覆蓋密度分布均有差異。1.0型、1.5型和2.0型的噴頭，其A點、B點等2個測試點上、中與下層間的霧滴沉降率和覆蓋密度分布均有顯著差異，上與中層間的霧滴沉降率和覆蓋密度的差異則不顯著，C、D、E的接收點的上、中和下層間霧滴沉降狀況和覆蓋密度分布的差異均為顯著。表明無人機(jī)噴霧系統(tǒng)所采用的噴頭型號與霧滴在竹林垂直方向的分布密切相關(guān)。

3.1.2 霧滴密度變異系數(shù)與有效噴幅

密度變異系數(shù)是反映霧滴分布的均勻程度。從表2可知，不同型號噴頭其密度變異系數(shù)存在差異，在3種型號噴頭中，各接收點霧滴密度變異系數(shù)以1.5型噴頭為最好。表明無人機(jī)噴霧掛件的噴頭孔徑的大小對霧滴分布均勻程度影響較大。

從表2可知，不同型號噴頭在各接收點反映出的霧滴覆蓋密度均不一致。1.0型和2.0型噴頭，其各接收點的霧滴分布狀況均不相同，2種型號噴頭只有A、B等2個接收點的霧滴覆蓋密度達(dá)到“農(nóng)業(yè)航空作業(yè)質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)”[20]，C點則上、中層霧滴覆蓋密度達(dá)標(biāo)，下層接收到的霧滴則不達(dá)標(biāo)，D和E等接收點的霧滴覆蓋密度均不達(dá)標(biāo)，表明1.0型和2.0型噴頭的有效噴幅為5.0 m(A點、B點)。1.5型的噴頭在A、B、C等3個接收點上、中、下層的霧滴覆蓋密度均符合要求，D點則上層霧滴覆蓋密度符合要求，中、下層接收到的霧滴則不符合要求，E接收點接收到的霧滴則不符合要求，表明1.5型噴頭的有效噴幅可達(dá)6.0 m(A點、B點、C點)。

3.1.3 霧滴粒徑

不同型號噴頭之間的藥液霧化效果程度、霧滴粒徑是大不相同的。由表2可得，3種型號的噴頭中值直徑值(DV.5)以2.0型噴頭為最大，1.0型噴頭為最小，表明1.0型噴頭的霧滴孔徑較小，其霧滴直徑較小，霧化程度較高，但易于導(dǎo)致霧滴飄失；2.0型噴頭的霧滴孔徑較大，其霧滴直徑較大，霧滴不易飄失，但由于霧化程度較差，霧滴分散性差且分布不均勻。3種型號的噴頭中值直徑值(DV.5)以竹冠上層的數(shù)值為最大，竹冠下層的數(shù)值為最小，表明粒徑大的霧滴其穿透性較差，主要沉積在竹冠上層，粒徑小的霧滴穿透性較好，主要沉積在下層。2.0型噴頭的霧滴中值直徑值較為適合，其霧滴粒徑大小適中，在竹林中分布較為均勻，穿透性較強(qiáng)。

3.2 噴頭型號對防治效果的影響

表3是不同型號噴頭的林間噴霧防效的分析結(jié)果。從表3可得，3種型號噴頭噴霧的防治效果，以1.5型噴頭的防效最好，1.0型噴頭的防效次之，2.0型噴頭的防效最差。方差分析結(jié)果表明，相同農(nóng)藥不同型號噴頭的防治效果之間有顯著差異，表明無人機(jī)噴霧的防治效果與其噴頭型號關(guān)系密切。

表3 不同型號噴頭霧滴的林間防治效果Tab.3 Control effect of droplets from different sprinklers in forest

4 結(jié)論與討論

研究結(jié)果表明，無人機(jī)噴霧系統(tǒng)所采用的噴頭型號與霧滴的覆蓋密度、穿透性能、有效噴幅及林間的防治效果關(guān)系密切，噴頭孔徑的大小與霧滴分布均勻程度相關(guān)。無人機(jī)噴霧系統(tǒng)采用SX11001.5VS噴頭的霧滴在林內(nèi)的分布表現(xiàn)最好，其霧滴的沉降率、覆蓋密度最高，有效噴幅最大，防治效果最理想。表明無人機(jī)在竹林噴霧作業(yè)時，其噴霧系統(tǒng)宜選用SX11001.5VS噴頭。

有害生物的防治效果取決于其獲得農(nóng)藥劑量的多少，獲得的農(nóng)藥劑量則是藥后靶標(biāo)單位面積所沉積的藥量，農(nóng)藥沉積的量取決于霧滴粒徑、霧滴覆蓋密度和農(nóng)藥的濃度。農(nóng)藥在有害生物的沉積量取決于單位面積霧滴數(shù)量，霧滴數(shù)量越多農(nóng)藥的沉積量越大，有害生物接觸到的農(nóng)藥越多，防治效果就越好。研究結(jié)果表明，無人機(jī)噴頭型號與霧滴在竹冠水平和垂直方向的沉積、分布均勻度關(guān)系緊密，以SX11001.5VS噴頭的霧滴沉積分布情況最好。

無人機(jī)噴霧時，噴頭孔徑大，其霧滴粒徑大，雖具有較大的動能，易沉降、不易發(fā)生隨風(fēng)漂移及蒸發(fā)散失，但會造成藥液滾落流失，降低霧滴的覆蓋密度與均勻度，造成農(nóng)藥噴霧效果不理想。噴頭孔徑小，其霧滴粒徑小，霧滴附著性能好，不易發(fā)生流失，能隨氣流深入植株冠層內(nèi)部，有較好的穿透性，可沉積在靶標(biāo)正面或大霧滴不易沉積的背面。但如果霧滴的粒徑過小，其在外界及無人機(jī)所產(chǎn)生的氣流影響下，容易發(fā)生大量飄失，進(jìn)而影響霧滴的沉降。如果噴頭孔徑過大，其霧滴粒徑較大，不利于霧滴的飄移，霧滴的擴(kuò)散沉降受影響，從而使霧滴過于堆積，減少了有效防治面積，會增大農(nóng)藥的用量。這一結(jié)果與已有的報道結(jié)論一致[21-24]。

與傳統(tǒng)的人工地面噴霧施藥技術(shù)相比，無人機(jī)噴霧技術(shù)可克服丘陵山地等各種因素所造成施藥困難，具有操作便捷、工效高等優(yōu)點，是省時、節(jié)力、降費的施藥技術(shù)，它推動了林業(yè)施藥技術(shù)的科技進(jìn)步，為丘陵山地的林業(yè)有害生物防治施藥技術(shù)提供了可復(fù)制、可推廣的模式[25-26]。本研究明確了無人機(jī)噴霧系統(tǒng)的最適噴頭型號，可應(yīng)用于各地林業(yè)低空噴霧施藥技術(shù)體系。