植保無人飛機(jī)噴施葉面肥作業(yè)參數(shù)對(duì)枇杷冠層霧滴沉積分布的影響

秦維彩,陳盼陽(yáng),孫麗娜

(1 蘇州農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,江蘇蘇州,215008;2 南京工程學(xué)院,南京,211167;3 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院果樹研究所,遼寧興城,125100)

果樹生長(zhǎng)需要足夠營(yíng)養(yǎng)才能保證生產(chǎn),生產(chǎn)中要做好果樹營(yíng)養(yǎng)管理。有研究表明,深溝施底肥能提供果樹生產(chǎn)70%的營(yíng)養(yǎng)成分,追肥提供30%,追肥對(duì)果樹生產(chǎn)也十分重要。果樹種植過程中追肥不及時(shí)、不精準(zhǔn)不僅影響其生長(zhǎng)發(fā)育,導(dǎo)致葉片、花朵、果實(shí)出現(xiàn)缺素癥狀,甚至還會(huì)因植株缺素抵抗力下降而易受到病蟲為害。因此,探討高效、精準(zhǔn)的施肥方式對(duì)果樹生產(chǎn)具有重要意義。其中,以植保無人飛機(jī)為代表的精準(zhǔn)施肥方式是近年研究熱點(diǎn)。施藥、播種、施肥等以植保無人機(jī)為平臺(tái)的相關(guān)作業(yè)已在大田作物廣泛應(yīng)用,并且逐漸向果樹、水產(chǎn)等多領(lǐng)域延伸[1-3]。目前關(guān)于植保無人機(jī)的作業(yè)參數(shù)對(duì)霧滴沉積分布影響的研究已有較大進(jìn)展。邱白晶等[4]通過CD-10無人機(jī)在不同作業(yè)高度和速度條件下的小麥植株噴霧沉積分布研究,得出霧滴沉積均勻性、霧滴沉積密度與作業(yè)高度、作業(yè)速度以及兩個(gè)因素之間互作關(guān)系模型;秦維彩等[5],劉立超等[6]分別研究了無人直升機(jī)對(duì)玉米層霧滴沉積特性的影響及霧滴分布特征;王娟等[7]、潘波等[8]、Zhang等[9]分別對(duì)檳榔、火龍果、柑桔上無人機(jī)噴霧作業(yè)特性進(jìn)行了研究。本文從作業(yè)高度、作業(yè)速度、用液量等3個(gè)關(guān)鍵因素研究大疆T30植保無人機(jī)噴霧參數(shù)對(duì)枇杷冠層霧滴沉積分布的影響,為指導(dǎo)植保無人機(jī)枇杷植株精準(zhǔn)噴施葉面肥提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

大疆T30型植保無人機(jī)參數(shù)見表1,其噴霧系統(tǒng)由藥箱、流量計(jì)、16個(gè)扇形噴頭、1個(gè)蠕動(dòng)泵組成,其中,藥箱為快速插入式藥箱。每個(gè)旋翼下面都安裝了1個(gè)垂直向下的扇形霧化噴頭(見圖1)。該植保無人機(jī)能夠自主飛行,利用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)(RTK)差分定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)精確定位。其他材料包括小型氣象站、霧滴測(cè)試卡(水敏紙7.5 cm×2.5 cm)等。

圖1 大疆T30植保無人飛機(jī)

表1 T30植保無人飛機(jī)主要參數(shù)

表2 無人飛機(jī)作業(yè)參數(shù)正交試驗(yàn)方案

蘇州市東山鎮(zhèn)枇杷種植試驗(yàn)基地枇杷供試,平均株高2.8 m,行距2.5 m。葉面肥為氨基酸水溶肥,中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所生產(chǎn),氨基酸含量≥100 g/L,試驗(yàn)采用該氨基酸水溶肥500倍液。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2022年10月9日在枇杷試驗(yàn)基地,氣溫(23±2) ℃,相對(duì)濕度(46±2)%,風(fēng)速0.05～0.1 m/s (微風(fēng)),設(shè)置作業(yè)高度、作業(yè)速度、每667 m2用液量3個(gè)因素不同作業(yè)參數(shù),采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì),共9個(gè)處理進(jìn)行植保無人機(jī)噴霧葉面肥,無人機(jī)霧滴粒直徑約130～250 μm,在植株正上方飛行作業(yè),每處理1株,重復(fù)3次,分析比較不同作業(yè)參數(shù)處理的效果,篩選最佳作業(yè)參數(shù)。

1.3 采樣點(diǎn)布置

每個(gè)處理選植株3株采樣,以枇杷冠層形態(tài)及枝干密度為依據(jù)確定取樣點(diǎn)數(shù)及位置,按垂直z方向?qū)㈣凌藰涔趯觿澐殖缮现邢?層,以靠近植保無人飛機(jī)前進(jìn)方向的最左邊的取樣點(diǎn)為起點(diǎn),按順時(shí)針方向在枇杷植株同一高度冠層設(shè)置取樣點(diǎn)9個(gè),上中下3層共采集27個(gè)點(diǎn)(見圖2),把霧滴采集卡(水敏紙)用回形針夾在每個(gè)取樣點(diǎn)葉片上。

圖2 植保無人機(jī)作業(yè)后植株采樣示意

圖3 水敏紙?jiān)瓐D與灰值化處理

1.4 霧滴沉積量和穿透性系數(shù)測(cè)定

收集霧滴測(cè)試卡(水敏紙)測(cè)定,霧滴覆蓋率=水敏紙上霧滴浸染面積/水敏紙面積×100;以霧滴覆蓋率的不均勻系數(shù)作為霧滴穿透性的評(píng)價(jià)指標(biāo)[10],即霧滴穿透性系數(shù)b=(amax-amin)/a,amax、amin、a分別表示植株的上中下層覆蓋率中最大值、最小值和平均值。b值越小表明霧滴的穿透性越強(qiáng)。

掃描水敏紙,將掃描儀分辨率調(diào)至600 dpi,并通過Deposit Scan軟件對(duì)其進(jìn)行分析處理,水敏紙上黑點(diǎn)為不同大小的霧滴。根據(jù)Zhu等的方法[11]得出不同處理的霧滴沉積密度、霧滴沉積均勻性及沉積量。利用SPSS 20.0處理分析數(shù)據(jù),并用LSD方法比較處理間的差異顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 霧滴沉積密度比較

由表3看出,不同處理同一冠層高度的霧滴沉積密度無顯著性差異。A1B2C2、A1B3C3、A2B1C2處理的不同冠層高度的霧滴沉積密度無顯著性差異,其他處理的不同冠層高度的霧滴沉積密度存在顯著性差異。其中,A2B2C3、A2B3C1上層和中層的霧滴沉積密度無顯著性差異,但上層中層分別與下層的霧滴沉積密度存在顯著性差異;A3B1C3、A3B2C1、A3B3C2的上層和下層霧滴沉積密度存在顯著性差異;A1B1C1處理的上層霧滴沉積密度顯著大于下層。A3B1C3、A3B2C1、A3B3C2處理中,作業(yè)高度均為3.0 m,下層霧滴沉積密度顯著降低,說明作業(yè)高度對(duì)樹冠下層霧滴分布密度影響較大,無人機(jī)離冠層過高,藥液無法更好地穿透樹冠。變異系數(shù)反映各處理樹冠上霧滴分布均勻性,變異系數(shù)越小,其霧滴沉積均勻性越好。說明植保無人飛機(jī)作業(yè)參數(shù)改變,霧滴在枇杷不同冠層的分布均勻性也發(fā)生變化。

表3 不同冠層不同作業(yè)參數(shù)的大疆T30植保無人機(jī)噴霧枇杷葉面肥的霧滴沉積密度比較

從表4極差可以看出,3種因素對(duì)枇杷不同冠層高度霧滴沉積密度的影響程度排序相同,影響因素最大的是飛行高度,其次是飛行速度,最后是每667 m2用液量,推測(cè)出A2B2C3為最佳作業(yè)參數(shù),即作業(yè)高度為2.0 m、作業(yè)速度為4.5 m/s、每667 m2用液量為2.0 L。

表4 不同冠層不同作業(yè)參數(shù)的大疆T30植保無人機(jī)噴霧枇杷葉面肥的霧滴沉積密度極差分析

從圖4可以看出,A1B1C1、A2B3C1處理的霧滴沉積密度顯著低于其他處理,而A2B2C3和A3B1C3處理的霧滴沉積密度較高,為較優(yōu)處理。其中A3B1C3處理的霧滴沉積密度最高,噴施效果最好。

2.2 霧滴覆蓋率和穿透性比較

結(jié)合圖4和表5可以得出,各處理霧滴沉積密度與霧滴覆蓋率之間并不是正比關(guān)系,這與霧滴落在水敏紙上的斑痕大小有直接關(guān)系。A1B1C1、A1B2C2、A2B1C2、A2B3C1處理的穿透性系數(shù)小于其他處理,其穿透性較好。這4個(gè)處理的霧滴覆蓋率較低,相較于其他處理,它們?cè)谒艏埳狭粝碌陌吆圯^小。作業(yè)高度的降低可能使霧滴更加集中地落在目標(biāo)表面上,從而形成較小的斑痕。相反,其他處理中可能由于較高的作業(yè)高度,霧滴在下落過程中更分散,形成相對(duì)較大的斑痕。說明作業(yè)高度是影響霧滴覆蓋率的主要因素,雖然作業(yè)速度和每667 m2用液量等因素也對(duì)霧滴覆蓋率產(chǎn)生一定影響,但作業(yè)高度對(duì)霧滴分布和覆蓋的影響更明顯。

表5 不同冠層不同作業(yè)參數(shù)的大疆T30植保無人機(jī)噴霧枇杷葉面肥的霧滴覆蓋率和穿透性系數(shù)比較

3 結(jié)論與討論

實(shí)際生產(chǎn)中,植保無人飛機(jī)作業(yè)過程中,噴灑質(zhì)量受多種因素影響。理想的噴施效果是冠層從上自下霧滴都能均勻地覆蓋作物葉片上[12-14]。無論是地面噴灑機(jī)具還是植保無人機(jī),霧滴沉積和飄移特性都是研究噴施技術(shù)的重點(diǎn)[15],直接關(guān)系到肥液、藥液利用率,環(huán)境污染和農(nóng)產(chǎn)品安全問題。研究發(fā)現(xiàn),使用植保無人機(jī)作業(yè)時(shí),噴霧的沉積特性受到作業(yè)高度、作業(yè)速度、霧滴粒徑、施藥液量等作業(yè)參數(shù)的影響[16-18]。本試驗(yàn)從霧滴沉積密度、覆蓋率、均勻性和霧滴穿透性等綜合分析發(fā)現(xiàn),T30型植保無人機(jī)對(duì)枇杷噴灑的最優(yōu)作業(yè)參數(shù)為作業(yè)高度2.0 m、作業(yè)速度4.5 m/s、每667 m2用液量2.0 L。試驗(yàn)結(jié)果表明,不同作業(yè)參數(shù)下,枇杷植株上中下冠層的霧滴沉積密度和覆蓋率存在顯著性差異,樹冠上層的霧滴沉積密度明顯大于中層或下層。一方面,這與枇杷生長(zhǎng)特性有關(guān),枇杷樹冠厚度約1.8 m,葉片較大且互相交錯(cuò),遮擋下部空間,降低了霧滴穿透的效果。另一方面,作業(yè)高度不同時(shí),無人機(jī)旋翼產(chǎn)生的下旋氣流會(huì)影響枇杷冠層間葉片空間位置,進(jìn)而影響霧滴穿透效果。王昌陵等[19]對(duì)不同植保無人機(jī)在同一飛行高度和飛行速度下的霧滴分布研究發(fā)現(xiàn),影響霧滴分布的主要原因是植保無人機(jī)下旋氣流;陳盛德等[20]研究小型植保無人機(jī)作業(yè)參數(shù)對(duì)柑桔冠層霧滴沉積的影響指出,影響霧滴穿透的主要原因是飛行高度。綜合以上分析認(rèn)為,改進(jìn)無人機(jī)噴灑效果主要從兩個(gè)方面著手:一是合適的飛行作業(yè)參數(shù),作業(yè)參數(shù)不同,其旋翼風(fēng)場(chǎng)強(qiáng)度和作物傾角也不同,針對(duì)不同作物選擇合適的飛行作業(yè)參數(shù);二是將農(nóng)機(jī)和農(nóng)業(yè)管理技術(shù)有機(jī)地結(jié)合,使植株適宜飛行作業(yè),如采用開心式或柵欄式修剪,既能提高植株通風(fēng)透光性,提高果實(shí)品質(zhì),又能使飛行噴霧液更容易均勻分布到樹冠。試驗(yàn)結(jié)果表明,3個(gè)飛行參數(shù)中,影響霧滴穿透性的主要因素是飛行高度。此外,冠層厚度、葉面積指數(shù)和環(huán)境條件也會(huì)影響植保無人機(jī)的噴灑效果,有待進(jìn)一步研究。