無人機(jī)噴霧參數(shù)對(duì)霧滴在紅棗花期冠層沉積分布的影響

常心怡 張棟海 吉光鵬 牛蛉磊 常學(xué)艷 爾熱斯白克·塔米力 錢丹丹 王剛

摘 要： 【目的】探究極飛Xp20 電動(dòng)四旋翼植保無人機(jī)噴霧對(duì)主干型紅棗花期冠層沉積分布的影響?！痉椒ā吭O(shè)置三因素三水平的正交試驗(yàn)，通過方差分析研究飛行高度、單位面積噴液量、飛行速度對(duì)棗樹冠層霧滴沉積密度、霧滴均勻性、霧滴覆蓋率的影響程度，并通過極差分析研究影響無人機(jī)在紅棗花期冠層沉積分布的主次因素?！窘Y(jié)果】四旋翼電動(dòng)植保無人機(jī)的作業(yè)參數(shù)設(shè)置為處理6時(shí)霧滴沉積密度均勻性和覆蓋率表現(xiàn)較好，即飛行高度1.5 m、噴液量37.5 L/hm 2和飛行速度2 m/s?！窘Y(jié)論】綜合分析極差結(jié)果，影響霧滴沉積密度的主要因素依次是飛行速度、飛行高度、單位面積噴液量。

關(guān)鍵詞： 紅棗；無人機(jī)；霧滴；極差分析

文章編號(hào)：2096-8108（2023）02-0015-06 ?中圖分類號(hào)：S665.1 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Effects of AV Spraying Parameters on Droplet Deposition and

Distribution in Canopy of Chinese Jujube at Flowering Stage

CHANG Xinyi 1， ZHANG Donghai ?1* ， JI Guangpeng 1， NIU Linglei 1，

CHANG Xueyan 1， Ergesbek Tamili 1， QIAN Dandan 1， WANG Gang 2

（1.Agricultural Science Research Institute of the Third Division of Xinjiang Production and

Construction Corps， Tumushuke 843900，China;

2.Xinjiang Academy of Agricultural Reclamation Sciences， Shihezi 832003，China）

Abstract： 【Objective】In order to explore the influence of the spray of the Jifei Xp20 electric quadrotor plant protection UAV on the canopy deposition distribution of the main jujube during the flowering period. 【Methods】 An orthogonal experiment with three factors and three levels was set up. Through variance analysis， the influence of flight altitude， spray per unit area， and flight speed on the droplet deposition density， droplet uniformity， and droplet coverage rate in the jujube canopy was studied， The primary and secondary factors affecting the canopy deposition distribution of UAV during the flowering period of jujube were studied through range analysis. 【Results】When the operating parameters of the four rotor electric plant protection UAV were set to treat 6， the uniformity and coverage of droplet deposition density were better， that is， the flight height was 1.5 m， the amount of liquid sprayed was 37.5 L/hm 2， and the flight speed was 2 m/s. 【Conclusion】The comprehensive analysis of the range results showed that the main factors affecting the droplet deposition density were in turn the flight speed， flight height， and the amount of liquid sray per unit area.

Keywords： Chinese jujube; UAV; fogdrop; range analysis

紅棗（ Ziziphus jujuba ?Mill.）是我國特有的果品之一，占全球紅棗產(chǎn)量的 90%以上 ?[1] 。新疆因其緯度高、光照足、晝夜溫差較大等氣候特點(diǎn)是我國紅棗主產(chǎn)區(qū)，棗產(chǎn)業(yè)在推動(dòng)新疆經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮著重要作用 ?[2] 。紅棗產(chǎn)業(yè)是農(nóng)業(yè)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)，是實(shí)現(xiàn)脫貧攻堅(jiān)與鄉(xiāng)村振興有效銜接的重要助推器。近年來，隨著南疆四地州林果產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，產(chǎn)業(yè)鏈不斷完善，逐步形成規(guī)模優(yōu)勢(shì)，已成為果農(nóng)們?cè)鍪罩赂坏摹靶腋９??[3] 。低空、低量無人駕駛航空噴霧技術(shù)因其靈活性好、效率高、勞動(dòng)強(qiáng)度低等特點(diǎn)展現(xiàn)出越來越大的應(yīng)用潛力 ?[4] 。汪繼斌等 ?[5] 人研究結(jié)果表明在無人機(jī)輔助授粉條件下，薄殼山核桃的果實(shí)品質(zhì)顯著提升。王璐等 ?[6] 研究庫爾勒香梨無人機(jī)輔助液體授粉飛行參數(shù)為

噴液量4 L/畝（667 m 2）、飛行高度1.5 m、飛行速度3 m/s時(shí)，霧滴沉積密度和均勻性較好。王士林等 ?[7] 對(duì)多旋翼無人機(jī)液體授粉的研究表明噴霧高度對(duì)沉積量影響極顯著，噴頭轉(zhuǎn)速和旋翼轉(zhuǎn)速對(duì)霧滴粒徑影響極顯著。王軍鋒等 ?[8] 研究發(fā)現(xiàn)，作業(yè)速度越大，霧滴抗飄移性越弱，霧滴沉積量就越差。喬春雨 ?[9] 研究大疆MG-1P植保無人機(jī)作業(yè)高度對(duì)蘋果樹霧滴密度有顯著影響，高度適中時(shí)噴霧效果好。

棗樹花量大，花期長，受春夏高溫、干旱氣候條件和花期管理不到位等因素影響，自然情況下坐果率很低，對(duì)紅棗產(chǎn)業(yè)發(fā)展和農(nóng)民增收帶來了不利影響 ?[10] 。紅棗花期常用人工背負(fù)式噴霧器、行走式打藥機(jī)等進(jìn)行葉面噴施藥肥促進(jìn)坐果，但受作業(yè)時(shí)間和灌水等農(nóng)事影響，往往錯(cuò)過了最佳作業(yè)時(shí)間。植保無人機(jī)因作業(yè)效率高、不受其他農(nóng)事操作影響等，生產(chǎn)上逐步嘗試?yán)弥脖o人機(jī)進(jìn)行花期藥肥噴施作業(yè)。本試驗(yàn)選用當(dāng)?shù)剡\(yùn)用廣泛的極飛Xp20電動(dòng)四旋翼植保無人機(jī)作為作業(yè)機(jī)型，從飛行高度、畝噴液量、飛行速度3個(gè)關(guān)鍵因素入手研究極飛 Xp20 電動(dòng)四旋翼植保無人機(jī)噴霧參數(shù)對(duì)紅棗冠層霧滴沉積分布的影響，為四旋翼植保無人機(jī)在紅棗園飛行作業(yè)提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 試驗(yàn)對(duì)象

試驗(yàn)地位于新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第三師51團(tuán)4連初花期7年生灰棗園進(jìn)行，試驗(yàn)地氣候干燥，日照時(shí)間長，土壤為沙壤土，采用統(tǒng)一田間管理，株行距1.5 ｍ×4.0 ｍ，試驗(yàn)區(qū)面積2.5 ｍ 2。

1.1.2 儀器設(shè)備與材料

試驗(yàn)儀器：選用極飛Xp20 型四旋翼植保無人機(jī)進(jìn)行液體噴霧，該機(jī)最大有效起飛質(zhì)量48 kg，最大作業(yè)飛行速度12 m/s，最高飛行海拔高度 4 000 m， 最大載藥量16 L，配備4個(gè)SNZ-18000A型號(hào)離心噴頭，霧化粒徑85～550 μm，有效噴幅 4.5～ 7.0 m。環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有便攜式風(fēng)速風(fēng)向儀SEW6086（廣州市速為電子科技有限公司）和數(shù)字溫濕度表PM6508（桂林市華誼智測(cè)科技有限公司生產(chǎn)）。

試驗(yàn)材料：霧滴測(cè)試卡、水敏紙（瑞士先正達(dá)公司生產(chǎn)）、標(biāo)記牌、一次性手套、曲別針、密封袋、皮尺、純凈水、定高桿。

1.2 方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)于2021年5月14日在新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第三師圖木舒克市51團(tuán)4連進(jìn)行，株行距1 m×4 m，試驗(yàn)時(shí)的平均溫度22.3 ℃，平均風(fēng)速 1.8 m/s 。試驗(yàn)設(shè)計(jì)為飛行高度 （距離紅棗樹冠層高度）、單位面積噴液量、飛行速度三因素的正交試驗(yàn)，共設(shè)有9組處理組合，每組試驗(yàn)作業(yè)面積 0.28 hm 2 ，無人機(jī)噴頭霧化粒徑設(shè)定為100 μm，有效噴幅為 4.5 m。具體實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)見表1試驗(yàn)因素水平和表2正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案。

1.2.2 采集點(diǎn)布置

采集點(diǎn)參考王璐 ?[6] 的試驗(yàn)方法進(jìn)行布置。每個(gè)處理選取 4 行樹，分別在行內(nèi)果樹上選取3個(gè)調(diào)查點(diǎn)，每個(gè)調(diào)查點(diǎn)選取長勢(shì)基本一致且相鄰的2棵紅棗樹作為調(diào)查樣株，每組試驗(yàn)共選6棵樹。每個(gè)調(diào)查區(qū)間距25 m左右，距無人機(jī)起始和返航作業(yè)點(diǎn)20 m以上，分別在每個(gè)樣株的上層、中層、下層3個(gè)高度選取東、南2個(gè)方向的枝條各布置1個(gè)霧滴采集點(diǎn)，并統(tǒng)一用自由夾夾在枝條中部位置，確保霧滴采集卡卡面朝上。每組試驗(yàn)共布置36個(gè)采樣點(diǎn)、36張霧滴采集卡。采集區(qū)和霧滴采集卡布置情況見圖1、圖2。每個(gè)處理重復(fù)3次。

1.3 數(shù)據(jù)采集與處理

待霧滴采集卡干燥后，試驗(yàn)人員戴好一次性手套收集各測(cè)試點(diǎn)霧滴采集卡并裝于自封袋，排序編號(hào)帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)定。將收集的霧滴采集卡逐一用掃描儀掃描，掃描后的圖片通過圖像處理軟件（Image J）收集每張霧滴采集卡的霧滴信息。

采用SPSS 19.0軟件進(jìn)行方差分析（ P ＜

0.05 ），用鄧肯氏法進(jìn)行多重比較和差異顯著性檢

驗(yàn)，利用Excel 2010軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和作圖。為表征試驗(yàn)中各采集點(diǎn)之間的霧滴沉積穿透性，本研究以飛機(jī)有效噴幅區(qū)內(nèi)每個(gè)采集點(diǎn)上層、中層、下層霧滴沉積量CV來衡量霧滴沉積穿透性 ?[11] ，其中，變異系數(shù)值越小表示霧滴沉積越均勻，穿透性越好 ?[12-13] 。

CV= s x - ??（1）

S= ??∑ n??i=1 （X?i-X - ） n-1 ???（2）

式中： Ｓ——標(biāo)準(zhǔn)差；

Xi——第次所得到的霧滴沉積量；

X - ——ｎ個(gè)霧滴沉積量的平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同作業(yè)參數(shù)對(duì)棗樹冠層霧滴沉積密度分布特征的影響

2.1.1 霧滴沉積密度

綜合分析飛行高度、單位面積噴液量和飛行速度對(duì)霧滴沉積密度的影響，篩選出無人機(jī)作業(yè)的最佳參數(shù)。由表3可以看出，各處理間棗樹的霧滴沉積密度從上層到下層總體呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)。其中，處理6各層次的霧滴沉積密度顯著高于其他作業(yè)參數(shù)，在上層、中層、下層分別達(dá)到了74.96、 56.87 、47.07個(gè)/cm 2；處理3顯著低于其他作業(yè)參數(shù)，與處理6相比，在上層、中層、下層分別顯著降低了60.40%、61.37%、58.04%。綜合分析可知，處理6為無人機(jī)較佳的作業(yè)參數(shù)，即飛行高度2.0 m、單位面積噴液量37.5 L/hm 2和飛行速度2.0 m/s。

2.1.2 霧滴沉積密度極差分析

由表4霧滴沉積密度極差分析可知，較優(yōu)水平為A2B3C2的處理6，即飛行高度2.0 m、單位面積噴液量37.5 L/hm 2和飛行速度2.0 m/s，與表3霧滴沉積密度結(jié)果一致。根據(jù)極差分析可知，各處理在上層和中層影響霧滴沉積密度主次因素為飛行速度、飛行高度、單位面積噴液量，在下層影響霧滴沉積密度主次因素為飛行高度、單位面積噴液量、飛行速度。

2.2 不同作業(yè)參數(shù)對(duì)棗樹冠層霧滴沉積密度均勻性的影響

2.2.1 霧滴沉積密度均勻性

從表3中霧滴沉積密度的均勻性可以得出，處理3在上層和下層霧滴均勻性達(dá)到最小值，分別為14.42%和10.32%，處理7在中層霧滴均勻性達(dá)到最小值為21.99%，數(shù)值越小，霧滴分布均勻度就越高。綜合分析可得，處理3的作業(yè)參數(shù)對(duì)無人機(jī)作業(yè)的均勻性表現(xiàn)最好。

2.2.2 霧滴沉積密度均勻性極差分析

由表5霧滴沉積密度均勻性的極差分析可知，無人機(jī)作業(yè)霧滴沉積密度均勻性極差分析表現(xiàn)較優(yōu)的處理水平與霧滴沉積密度極差分析結(jié)果一致，均為A2B3C2的處理6。根據(jù)極差分析可知，各處理在上層和下層影響霧滴沉積密度均勻性主次因素為飛行速度、飛行高度、單位面積噴液量，在中層影響霧滴沉積密度主次因素為飛行高度、單位面積噴液量、飛行速度。

2.3 不同作業(yè)參數(shù)對(duì)棗樹冠層霧滴覆蓋率的影響

2.3.1 霧滴覆蓋率

由表6可知，不同作業(yè)參數(shù)處理下，霧滴覆蓋率在樹冠上層、中層、下層各處理間總體表現(xiàn)為上層＞中層＞下層，且各處理間差異顯著，均以處理6為最高值，分別為13.91%、10.14%、7.55%；在上層、中層、下層處理3顯著低于其他處理，與處理6相比，顯著降低了67.64%、73.62%、80.15%，說明處理6為最佳作業(yè)參數(shù)，同霧滴沉積密度數(shù)據(jù)結(jié)果一致。

2.3.2 霧滴覆蓋率極差分析

由表7霧滴覆蓋率極差分析可得，較優(yōu)水平為

A2B3C2的處理6，即飛行高度2.0 m、單位面積噴液量2.5 L/畝（667 m 2）和飛行速度2.0 m/s，與表6霧滴覆蓋率結(jié)果一致。根據(jù)極差分析可知，各處理在上層和中層影響霧滴沉積密度主次因素為飛行速度、飛行高度、單位面積噴液量；在下層影響霧滴沉積密度主次因素為飛行速度、單位面積噴液量、飛行高度。

3 討論與結(jié)論

隨著現(xiàn)代機(jī)械化農(nóng)業(yè)的不斷推進(jìn)，利用無人機(jī)進(jìn)行作物、果蔬田間作業(yè)的勞動(dòng)模式越來越普遍，無人機(jī)既能節(jié)省時(shí)間，也能減少人力，大大縮減了勞動(dòng)成本的投入。對(duì)無人機(jī)作業(yè)參數(shù)的研究，能夠更好地為農(nóng)業(yè)機(jī)械化服務(wù)。無人機(jī)作業(yè)是將霧滴從空中噴施向樹冠葉片表面，在這沉降的過程中，許多不定因素均會(huì)對(duì)霧滴沉積結(jié)果產(chǎn)生影響，如無人機(jī)的飛行參數(shù)性能、環(huán)境條件、樹冠特征等因素 ?[14] 。若控制不當(dāng)，便會(huì)導(dǎo)致發(fā)生藥液滴漏、霧滴飄移等藥液損失現(xiàn)象，從而導(dǎo)致藥液利用率降低，果樹的授粉率將達(dá)不到預(yù)期效果 ?[15] 。張京等 ?[11] 研究表明WPH642型植保無人機(jī)的最佳飛行參數(shù)為

飛行高度2 m，飛行速度1.5 m/s。本研究結(jié)果表明，霧滴沉積效應(yīng)呈自上而下逐漸減弱的趨勢(shì)，對(duì)這一現(xiàn)象我們分析其主要原因在于主干型樹冠上層更易沉積霧滴，中層和下層受到枝條和葉片的遮擋，加上無人機(jī)旋翼下方的風(fēng)場(chǎng)過強(qiáng)，使霧滴不易散落在下層。本研究認(rèn)為處理3在各項(xiàng)指標(biāo)均是最低值，說明較低的飛行高度和較快的飛行速度不利于植保無人機(jī)進(jìn)行作業(yè)。本文表明上述9組試驗(yàn)植保無人機(jī)作業(yè)參數(shù)設(shè)置為處理6時(shí)，在主干型紅棗花期上層、中層、下層霧滴沉積密度及霧滴覆蓋率達(dá)到最大值，說明在紅棗樹上處理6為植保無人機(jī)的最佳作業(yè)參數(shù)，即飛行高度1.5 m、噴液量37.5 L/hm 2和飛行速度 2 m/s 。這與楊莉 ?[16] 研究的飛行高度一致，但飛行速度不同，其原因可能是樹形結(jié)構(gòu)不同，本文選擇的是主干型棗樹，也可能是本文只設(shè)置了3個(gè)速度，最大速度為3 m/s，未達(dá)到他人研究速度的最適值。今后在這方面還有待繼續(xù)研究，為霧滴沉積分布規(guī)律的研究提供更多的理論依據(jù)。

從極差分析表可以看出，不同處理不同冠層間影響的主次因素不同，霧滴沉積密度和覆蓋率在上層和中層主次順序?yàn)轱w行速度、飛行高度、單位面積噴液量，在下層霧滴沉積密度極差分析的主次因素為飛行高度、單位面積噴液量、飛行速度，覆蓋率的為飛行速度、單位面積噴液量、飛行高度。其主要原因?yàn)樯蠈雍椭袑邮艿綑C(jī)翼下方的風(fēng)場(chǎng)影響較大，速度快，霧滴不易散落到樹冠上，過慢會(huì)產(chǎn)生較大的風(fēng)場(chǎng)，將霧滴吹落到地面或其他區(qū)域，使霧滴不易采集，降低了收集率，而下層受到風(fēng)場(chǎng)的影響力稍微減弱，飛行的高度或飛行的速度過高或過快，則霧滴還未散落在樹冠上，無人機(jī)就已經(jīng)飛出該采集區(qū)，使霧滴不能穿透到樹冠底層。陳盛德等 ?[17] 研究表明，小型植保無人機(jī)噴霧的飛行速度和飛行高度對(duì)橘樹冠層霧滴沉積分布影響顯著，與本實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果一致。而與王璐 ?[6] 等在香梨樹冠上的研究結(jié)果不一致，其原因可能在于香梨樹的樹冠木質(zhì)化程度高，不易受到機(jī)翼下方風(fēng)場(chǎng)的影響，而棗樹枝條木質(zhì)化程度相對(duì)較低，易受到風(fēng)場(chǎng)壓力的作用，導(dǎo)致飛行速度和飛行高度對(duì)霧滴沉積相關(guān)指標(biāo)影響顯著。

綜上所述，四旋翼電動(dòng)植保無人機(jī)的作業(yè)參數(shù)設(shè)置為處理6時(shí)霧滴沉積密度和均勻性表現(xiàn)較好，即為飛行高度1.5 m、噴液量37.5 L/hm 2和飛行速度2 m/s，綜合分析極差結(jié)果表明，影響霧滴沉積密度的主要因素依次是飛行速度、飛行高度、單位面積噴液量。

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