庫爾勒香梨無人機輔助授粉飛行作業(yè)參數(shù)優(yōu)選

位杰 蔣媛 謝宏江

收稿日期：2023-07-18 接受日期：2023-11-14

基金項目：兵團財政科技計劃項目（2021AB016）；第二師鐵門關(guān)市科技計劃項目（2020NYGG01）

作者簡介：位杰，男，副研究員，研究方向為果樹栽培生理生態(tài)與遺傳育種。E-mail：627weijie@sina.com

*通信作者 Author for correspondence. E-mail：360315184@qq.com

DOI：10.13925/j.cnki.gsxb.20230287

摘? ? 要：【目的】無人機授粉技術(shù)因作業(yè)效率高、霧化效果好、成本低、可有效減少病害傳播等優(yōu)點，近幾年不斷得到重視與應(yīng)用。探究無人機輔助授粉不同作業(yè)參數(shù)下霧滴在庫爾勒香梨樹冠層中的沉積分布規(guī)律，為精準、高效授粉提供指導(dǎo)?！痉椒ā繎?yīng)用四旋翼無人機在庫爾勒香梨盛花期開展不同飛行路線、噴液量、霧化粒徑、飛行高度、飛行速度對霧滴沉積分布的影響研究，篩選最佳作業(yè)參數(shù)?！窘Y(jié)果】無人機沿行上飛行時，霧滴密度、沉積量和覆蓋率在樹體上層到下層依次降低，而行間飛行時，上層最少，中下層較多，在同一冠層均低于行上飛行的霧滴密度、沉積量和覆蓋率；隨著噴液量的增加，樹冠各層的霧滴密度、沉積量和覆蓋率也隨之升高；隨霧化粒徑的增大，霧滴密度在香梨樹同一冠層整體上呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢，相同粒徑下，霧滴密度從上層到下層逐漸降低；同一飛行高度下，霧滴密度、沉積量和覆蓋率在樹體冠層從上到下依次遞減，隨飛行高度的升高，霧滴密度在各冠層呈先降后升的趨勢，覆蓋率和沉積量在樹冠上層整體上呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，在樹冠中層和下層呈現(xiàn)先降后升的趨勢；不同飛行速度下樹冠上層的霧滴密度、沉積量和覆蓋率無明顯差異，在中層和下層，隨飛行速度的升高，霧滴密度、沉積量和覆蓋率逐漸下降。【結(jié)論】當(dāng)無人機沿行上飛行、噴液量45 L×hm-2、霧化粒徑100 μm、飛行高度離樹冠頂部1 m、飛行速度3 m×s-1時效果較優(yōu)。研究結(jié)果為無人機輔助授粉的田間作業(yè)參數(shù)設(shè)置提供參考，也為制定基于農(nóng)用無人機的梨樹輔助授粉作業(yè)技術(shù)規(guī)范提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：庫爾勒香梨；無人機；輔助授粉；作業(yè)參數(shù)；優(yōu)選

中圖分類號：S661.2 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1009-9980（2024）01-0162-12

Optimization of flight operation parameters for supplementary pollination in Kuerlexiangli pear using an unmanned aerial vehicle

WEI Jie， JIANG Yuan*， XIE Hongjiang

（Agricultural Scientific Institute of 2nd Division of Xinjiang Production and Construction Corps， Tiemenguan 841005， Xinjiang， China）

Abstract： 【Objective】 The self-pollination fruiting set rate of Kuerlexiangli pear was low， and in the production the artificially assisted pollination is needed in order to improve the yield and quality. However， the traditional method of hand-assisted pollination suffers from low efficiency and high cost. In recent years， with the rapid development of modern information technology and its widespread application in the field of agriculture， the technology of unmanned-aerial-vehicle （UAV） -assisted pollination has been widely applied due to its multiple advantages， such as high efficiency， high fogging effect， low cost and high disease blocking rate. To investigate the distribution pattern of droplets deposited on the canopy layer of Kuerlexiangli pear trees under different operating parameters of UAV-assisted pollination， the present experiment was undertaken to screen the optimal operational parameters， so as to improve the pollination quality and operational efficiency. 【Methods】 Five factors， including different flight routes （up-row flight and inter-row flight）， spray volume （15 L×hm-2， 30 L×hm-2 and 45 L×hm-2）， droplet size （70 μm， 100 μm， 130 μm and 170 μm）， flight height （1 m， 2 m and 3 m from the top of the canopy）， and flight speed （3 m×s-1， 5 m×s-1 and 7 m×s-1） were selected in this study. Three measurement indexes， including the droplet density， deposition volume and coverage rate， were analyzed during the blooming period of Kuerlexiangli pear. 【Results】 The droplet density， deposition volume and coverage rate decreased from the upper to lower layers on the trees when the UAV flew along the upper row. The droplet density was significantly different between the upper and lower layers， and the amount of deposition and coverage rate were not significantly different among the upper， middle and lower layers. In the inter-row flight， the droplet density， deposition volume and coverage rate on the upper layer were at the least leve and the three indexes on the same layer were lower than those in the up-row flight. The droplet density， deposition and coverage on all layers of the canopy increased with increasing spray volume. At a spray volume of 15 L×hm-2， there was no significant difference in droplet density， deposition and coverage between the upper and lower layers of the canopy， and at spray volumes of 30 L×hm-2 and 40 L×hm-2， droplet density and deposition decreased significantly from the upper to lower layers of the canopy， with progressively significant differences. With the increase of droplet size， droplet density showed a gradual decrease on the same tree canopy. In addition， with the same drop size， droplet density gradually decreased from the upper layer to the lower layer， and the deposition amount and coverage rate gradually decreased from the upper layer to the lower layer when the droplet size was 70 μm-130 μm. The deposition amount and coverage tended to increase sequentially from the upper layer to the lower layer when the droplet size was 170 μm， but the difference did not reach the significant level. As flight height increased， a significant difference in droplet density， deposition and coverage was only detected on the upper canpoy layer， but not on the middle and lower layers. At the same flight height， droplet density， deposition and coverage decreased from upper layer to lower layer of the tree canopy. In the upper canopy layer， there were no significant differences in droplet density， deposition and coverage at different flight speeds. Moreover， on the middle and lower layers， the three indexes gradually decreased with increasing flight speed. When the flight speed was 3 m×s-1， the droplet density， deposition amount and coverage rate showed a first decreasing and then increasing trend from the upper， middle and lower layers， but the differences did not reach a significant level. When the flight speed was 5 m×s-1， the droplet density， deposition amount and coverage rate showed a decreasing trend from the upper layer to the lower layer， the droplet density on the upper layer differed significantly from that on the lower layer， and the difference in the deposition amount and coverage rate was not significant among different layers. When the flight speed was 7 m×s-1， the droplet density， deposition amount and coverage rate showed a first decreasing and then increasing trend from the upper， middle and lower layers， the droplet density and coverage rate on the upper layer showed very significant differences on the middle and lower layers， and the deposition amount of the upper layer showed very significant differences with the middle layer and significant differences with the lower layer. There were no significant differences in droplet density， deposition amount and coverage between the middle and lower layers. 【Conclusion】 The comprehensive analysis suggested that the UAV was more effective when it flew along the top of the row， with a spray volume of 45 L×hm-2， a droplet size of 100 μm， a flight height of 1 m above the top of the canopy and a flight speed of 3 m×s-1. This paper provides technical reference for UAV-assisted pollination technology， and also provide theoretical basis for futher completing the relevant technical specifications.

Key words： Kuerlexiangli pear; Unmanned aerial vehicle; Supplementary pollination; Operation parameters; Optimization

庫爾勒香梨（以下簡稱香梨）是新疆特色林果業(yè)的重要組成部分，在促進出口創(chuàng)匯、農(nóng)業(yè)增效、果農(nóng)增收和推進鄉(xiāng)村振興等方面發(fā)揮著重要的作用。香梨自花授粉結(jié)實率低，生產(chǎn)中常采用配置授粉樹進行自然授粉以及人工授粉、蜜蜂授粉、液體噴霧授粉等輔助授粉方式促進坐果。目前生產(chǎn)上大多數(shù)果園存在授粉樹數(shù)量配置少、品種配置不合理現(xiàn)象，導(dǎo)致授粉坐果效果不理想。人工授粉效果最佳，但是勞動強度大、花粉用量大、效率低、成本高，且關(guān)鍵時期存在勞動力不足現(xiàn)象。蜜蜂授粉效果好、效率高，但存在病害潛在傳播的風(fēng)險。液體噴霧授粉是一種新型的授粉方式，相比人工授粉，具有授粉速度快、節(jié)約人工的特點，且能增加柱頭的水分和養(yǎng)分，延長柱頭授粉受精時間，提高坐果率。但是目前液體噴霧授粉的機具還主要依靠背負式噴霧器，作業(yè)高度有限，在一定程度上仍然沒有從根本上解決勞動強度大和作業(yè)效率低的問題。

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的飛速發(fā)展及其在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的普遍應(yīng)用，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)不斷向智慧農(nóng)業(yè)、精準農(nóng)業(yè)跨越轉(zhuǎn)型，農(nóng)用無人機受到了越來越廣泛的關(guān)注與應(yīng)用。一方面，無人機能搭載不同對地觀測傳感器快速無損地提取農(nóng)作物長勢[1]、產(chǎn)量估產(chǎn)[2]、養(yǎng)分監(jiān)測[3]、病蟲害監(jiān)測[4]、農(nóng)業(yè)災(zāi)害[5]、果樹樹冠信息[6]等農(nóng)情信息，幫助農(nóng)民及時掌握可靠的農(nóng)田信息，便于按時按需進行精準作業(yè)管理；另一方面，無人機還能搭載噴灑系統(tǒng)、播撒系統(tǒng)進行航空施藥、播種、授粉、施肥等農(nóng)事操作，能適應(yīng)不同的作業(yè)環(huán)境，有效減少農(nóng)用機械對作物的損害及對土壤的反復(fù)碾壓，提高作業(yè)效率和作業(yè)質(zhì)量，減輕人員勞動強度，保護環(huán)境，有利于實現(xiàn)大面積、規(guī)?；a(chǎn)[7-8]。

在梨樹上，無人機授粉技術(shù)因其作業(yè)效率高、霧化效果好、成本低、有效減少病害傳播等優(yōu)點，在近幾年不斷得到重視與應(yīng)用。羊堅等[9]對香梨無人機輔助液體授粉的最佳花粉液參數(shù)組合進行了探索，王士林等[10]對不同噴霧量下多旋翼無人機和背負式噴霧器噴霧授粉時梨樹冠層內(nèi)沉積霧滴的粒徑和覆蓋結(jié)果進行了對比分析，王璐等[11]對四旋翼無人機的飛行高度、每666.7 m2噴液量、飛行速度對霧滴在香梨花期冠層沉積分布的影響進行了研究。無人機機型、梨樹樹形不同，其作業(yè)參數(shù)也不完全相同，因此，根據(jù)無人機機型篩選適宜參數(shù)，對提高授粉效率、保證授粉質(zhì)量具有重要意義。目前關(guān)于無人機香梨輔助授粉的研究較少，尚無統(tǒng)一的作業(yè)標(biāo)準。一方面，無人機飛手常常參考航空噴藥的參數(shù)為香梨樹進行授粉；另一方面，不同無人機機型結(jié)構(gòu)不同，所產(chǎn)生的風(fēng)場也有很大差異，進而影響授粉效果。因此，研究花粉漂移實時跟蹤系統(tǒng)，掌握花粉運動軌跡、運動趨勢，根據(jù)花粉運動狀況及時調(diào)整無人機飛行參數(shù)，對提高無人機授粉的作業(yè)效率和作業(yè)質(zhì)量具有重要指導(dǎo)性意義。筆者在本研究中以當(dāng)前植保無人機主流機型極飛?P100 2022款四旋翼農(nóng)業(yè)無人機為研究對象，研究不同授粉參數(shù)條件下霧滴分布特征，篩選最優(yōu)的授粉參數(shù)，為無人機輔助授粉的田間作業(yè)參數(shù)設(shè)置提供參考，也為制定基于農(nóng)用無人機的梨樹輔助授粉作業(yè)技術(shù)規(guī)范提供依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 材料

試驗園位于新疆鐵門關(guān)市博古其鎮(zhèn)湖心村（86°02′40″ E，41°47′50″ N），面積2.0 hm2。試驗材料為香梨，樹齡10 a（年），株行距1 m×4 m，東西行向。樹形為紡錘形，樹高3.5 m。

試驗用無人機為廣州極飛科技有限公司生產(chǎn)的極飛?P100 2022款電動四旋翼農(nóng)業(yè)無人飛機，載機平臺型號3WWDZ-40A，藥液箱額定容量40 L，霧化粒徑60～400 μm，噴幅5～10 m（視飛行高度、每666.7 m2用量、環(huán)境等而定），最大飛行速度13.8 m×s-1，最大飛行高度30 m，最大飛行距離2000 m。

供試水敏紙為重慶六六山下植?？萍加邢薰旧a(chǎn)，規(guī)格為35 mm×110 mm（寬×長）。

供試花粉母液采用齊開杰等[12]的配方配置，含有蔗糖、硝酸鈣、硼酸、黃原膠等物質(zhì)。

1.2 方法

試驗于2022年4月7日上午9：00開始，時值香梨樹盛花期（花開50%）。環(huán)境風(fēng)速0.6 m×s-1，溫度22.3 ℃。將供試香梨樹冠層分為上（＞2.5～3.5 m）、中（＞1.6～2.5 m）、下（0.7～1.6 m）三層，東、南、西、北4個方位，每個處理選取5株樹。根據(jù)每層冠幅及方位，在距離中心干每隔30 cm處放置一張水敏紙，用于接收冠層不同區(qū)域內(nèi)的沉降霧滴。待噴霧完成且霧滴充分干燥后及時取下水敏紙裝入干燥的信封袋中保存，在實驗室使用掃描儀進行灰度掃描（分辨率600×600），采用六六山下霧滴分析軟件（重慶六六山下植?？萍加邢薰荆λ艏堖M行分析。采用框選區(qū)域、區(qū)域提取、前景背景像素調(diào)節(jié)、剝離、區(qū)域霧滴反選和區(qū)域篩除的方法獲得霧滴密度、覆蓋率和沉積量參數(shù)。

采用控制變量法設(shè)置單因素試驗。以不同飛行路線、不同噴液量、不同霧化粒徑、不同飛行高度、不同飛行速度為影響因素，共計15組試驗（表1），篩選無人機輔助授粉的最佳作業(yè)參數(shù)。

1.3 數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)采用Excel進行數(shù)據(jù)整理和繪圖，采用SPSS 19.0軟件進行方差分析及Duncan新復(fù)極差法多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 飛行路線對霧滴沉積分布的影響

由圖1可知，無人機沿香梨樹行上飛行時，樹體相同冠層的霧滴密度、沉積量、覆蓋率均高于沿行間飛行時的霧滴密度、沉積量、覆蓋率。其中，行上飛行時樹冠上層的霧滴密度、沉積量、覆蓋率均顯著高于沿行間飛行時，而中層和下層均未達到顯著性差異。

無人機沿香梨樹行上飛行時，霧滴密度、沉積量、覆蓋率表現(xiàn)為上層＞中層＞下層，上層與下層的霧滴密度呈顯著差異，沉積量、覆蓋率在上、中、下三層之間無顯著差異。無人機沿香梨樹行間飛行時，霧滴密度、沉積量、覆蓋率表現(xiàn)為中層＞下層＞上層，但差異均未達到顯著水平。

綜合無人機不同飛行路線下香梨樹相同冠層和相同飛行路線下不同冠層的霧滴沉積分布情況，實際作業(yè)時無人機沿香梨樹行上飛行效果較好，此時霧滴密度、沉積量、覆蓋率在樹冠各層的沉積分布均高于行間飛行。

2.2 噴液量對霧滴分布的影響

由圖2可知，在香梨樹冠各層，隨著噴液量的增加，霧滴密度、沉積量、覆蓋率也逐漸增大。

在樹冠上層和中層，45 L×hm-2的噴液量與30 L×hm-2、15 L×hm-2噴液量的霧滴密度呈極顯著差異，30 L×hm-2與15 L×hm-2噴液量的霧滴密度呈顯著差異。在樹冠下層，45 L×hm-2的噴液量與15 L×hm-2噴液量的霧滴密度呈顯著差異，30 L×hm-2與15 L×hm-2噴液量的霧滴密度無顯著差異。

在樹冠上層，45 L×hm-2的噴液量的沉積量、覆蓋率顯著高于30 L×hm-2和15 L×hm-2噴液量，且與15 L×hm-2噴液量呈極顯著差異，30 L×hm-2與15 L×hm-2噴液量的沉積量和覆蓋率則無顯著差異。在樹冠中層，45 L×hm-2的噴液量的沉積量、覆蓋率極顯著高于30 L×hm-2和15 L×hm-2噴液量，30 L×hm-2與15 L×hm-2噴液量的沉積量和覆蓋率則無顯著差異。在樹冠下層，45 L×hm-2的噴液量的沉積量、覆蓋率顯著高于15 L×hm-2噴液量，30 L×hm-2與15 L×hm-2噴液量的沉積量和覆蓋率則無顯著差異。

當(dāng)噴液量為15 L×hm-2時，霧滴密度、沉積量、覆蓋率從樹冠上層到下層逐漸增大，但均未達顯著差異水平。當(dāng)噴液量為30 L×hm-2、45 L×hm-2時，霧滴密度、沉積量、覆蓋率從樹冠上層到下層逐漸降低，霧滴密度在30 L×hm-2、45 L×hm-2的噴液量下上層與下層差異顯著，沉積量和覆蓋率在45 L×hm-2的噴液量下上層與下層差異顯著。

綜合不同噴液量下香梨樹相同冠層和相同噴液量下不同冠層之間霧滴的沉積分布結(jié)果，實際作業(yè)時無人機噴液量為45 L×hm-2時效果最好，此時霧滴密度、沉積量、覆蓋率在樹冠各層的沉積分布均高于噴液量為15 L×hm-2和30 L×hm-2的處理。

2.3 霧化粒徑對霧滴分布的影響

由圖3可知，在香梨樹同一冠層，隨霧化粒徑的增大，霧滴密度整體上呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢。在樹冠上層，霧化粒徑70 μm時的霧滴密度與其他霧化粒徑呈極顯著差異，霧化粒徑100 μm時的霧滴密度與霧化粒徑170 μm呈顯著差異；在樹冠中層，霧化粒徑70 μm時的霧滴密度與霧化粒徑130 μm、170 μm呈極顯著差異，霧化粒徑100 μm時的霧滴密度與霧化粒徑170 μm呈顯著差異；在樹冠下層，霧化粒徑100 μm時的霧滴密度與霧化粒徑130 μm呈顯著差異，與霧化粒徑170 μm呈極顯著差異，霧化粒徑70 μm時的霧滴密度與霧化粒徑170 μm呈顯著差異。

隨霧化粒徑的增大，沉積量在樹冠上層呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，霧化粒徑70 μm時的沉積量與霧化粒徑130 μm和170 μm的差異顯著，且與170 μm的差異極顯著，其他粒徑之間無顯著差異；不同粒徑的沉積量在樹冠中層無顯著差異；在樹冠下層，霧化粒徑70 μm時的沉積量顯著低于霧化粒徑100 μm和170 μm的沉積量。

隨霧化粒徑的增大，覆蓋率在樹冠上層、中層呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，霧化粒徑70 μm的覆蓋率與其他粒徑差異顯著，且與霧化粒徑130 μm和170 μm的差異極顯著，其他粒徑間差異不顯著；不同粒徑的覆蓋率在樹冠中層無明顯差異；在樹冠下層，霧化粒徑100 μm時的覆蓋率顯著高于霧化粒徑70 μm和130 μm，其他粒徑間差異不顯著。

在相同的霧化粒徑下，霧滴密度從樹冠上層到下層呈依次遞減的趨勢。霧化粒徑70 μm時樹冠上層霧滴密度與中層差異顯著，與下層差異極顯著，中層與下層差異顯著；霧化粒徑100 μm時樹冠上層的霧滴密度與下層差異顯著，中層與下層無顯著差異；霧化粒徑130 μm和170 μm時霧滴密度在樹冠各層之間均無顯著差異。

霧化粒徑在70 μm、100 μm和130 μm時，沉積量和覆蓋率從樹冠上層到下層呈依次遞減的趨勢，霧化粒徑70 μm時樹冠上層的沉積量和覆蓋率與中層、下層差異極顯著，其他差異不顯著。霧化粒徑170 μm時，沉積量和覆蓋率從上層到下層呈依次增加的趨勢，但差異未達顯著水平。

綜合不同霧化粒徑下香梨樹相同冠層和相同霧化粒徑下不同冠層之間霧滴的沉積分布結(jié)果，考慮到實際作業(yè)時霧化粒徑70 μm易受高溫蒸發(fā)和風(fēng)力影響，因此，霧化粒徑為100 μm時效果較好。

2.4 飛行高度對霧滴分布的影響

由圖4可知，霧滴密度在各冠層隨飛行高度的增加呈現(xiàn)先降后升的趨勢，覆蓋率和沉積量在樹冠上層隨飛行高度的增加整體上呈逐漸降低的趨勢，在樹冠中層和下層隨飛行高度的增加呈現(xiàn)先降后升的趨勢。飛行高度離樹冠頂部1 m與離樹冠頂部2 m、3 m的霧滴密度、沉積量和覆蓋率在樹冠上層差異極顯著，中層和下層的各處理之間均無顯著差異。

相同飛行高度下，霧滴密度、沉積量和覆蓋率從樹冠上層到下層呈依次遞減的趨勢。飛行高度離樹冠頂部1 m時，上層的霧滴密度、沉積量、覆蓋率與中層、下層差異顯著，而中層和下層之間并無顯著差異；飛行高度離樹冠頂部2 m時，上層的霧滴密度與下層差異顯著，中層和下層無顯著差異，沉積量和覆蓋率在各層之間均無顯著差異；飛行高度離樹冠頂部3 m時，霧滴密度、沉積量、覆蓋率在各層之間無顯著差異。

綜合不同飛行高度下香梨樹相同冠層和相同飛行高度下不同冠層之間霧滴的沉積分布結(jié)果，實際作業(yè)時以離樹冠頂部1 m效果較好，此時霧滴密度、沉積量、覆蓋率的沉積分布均高于離樹冠頂部1 m和2 m的處理。

2.5 飛行速度對霧滴分布的影響

由圖5可知，霧滴密度、沉積量和覆蓋率在樹冠上層隨飛行速度的增加沒有顯著差異，在樹冠中層和下層表現(xiàn)出隨飛行速度的增加而逐漸降低的趨勢。在樹冠中層，飛行速度3 m×s-1的霧滴密度、沉積量和覆蓋率顯著高于7 m×s-1；在樹冠下層，飛行速度3 m×s-1的霧滴密度顯著高于5 m×s-1，極顯著高于7 m×s-1；沉積量在不同飛行速度之間無顯著差異；飛行速度3 m×s-1的覆蓋率顯著高于7 m×s-1。

飛行速度為3 m×s-1時，霧滴密度、沉積量和覆蓋率在上、中、下三層之間呈現(xiàn)先降后升的趨勢，但差異均未達到顯著水平。飛行速度為5 m×s-1時，霧滴密度、沉積量和覆蓋率從上層到下層呈現(xiàn)依次降低的趨勢，上層的霧滴密度與下層差異顯著，沉積量和覆蓋率在各層間差異不顯著。飛行速度為7 m×s-1時，霧滴密度、沉積量和覆蓋率在上、中、下三層之間呈現(xiàn)先降后升的趨勢，上層的霧滴密度、覆蓋率與中層和下層呈極顯著差異，上層的沉積量與中層差異極顯著，與下層差異顯著。中層與下層的霧滴密度、沉積量、覆蓋率均無顯著差異。

綜合不同飛行速度下香梨樹相同冠層和相同飛行速度下不同冠層之間霧滴的沉積分布結(jié)果，實際作業(yè)時以飛行速度3 m×s-1效果較好，此時霧滴密度、沉積量、覆蓋率的沉積分布總體上均高于5 m×s-1和7 m×s-1的處理。

3 討 論

無人機授粉具有高效率、快速精準、操作便捷等特點，能夠?qū)崿F(xiàn)對指定地塊不同部位的精準作業(yè)，且不受時間限制，在夜晚及能見度低時也可進行作業(yè)[13]。劉愛民等[14]利用無人機給水稻授粉，發(fā)現(xiàn)相對于人工授粉，無人機授粉的工作效率高、對植物的損害小，在水稻育種方面具有較大的發(fā)展?jié)摿?。在無人機實際田間作業(yè)時，霧滴的漂移、沉積、穿透等特性受無人機機型結(jié)構(gòu)、飛行路線、環(huán)境風(fēng)速、植物種類、樹形、作業(yè)參數(shù)等多種因素影響，各因素之間也存在著交互作用。無人機機型結(jié)構(gòu)不同，旋翼所產(chǎn)生的氣流到達植物冠層后所產(chǎn)生的風(fēng)場也不相同，風(fēng)場的覆蓋寬度、風(fēng)場內(nèi)各個方向的風(fēng)速、風(fēng)向以及風(fēng)場的分布規(guī)律都直接影響花粉到達柱頭的作業(yè)效果。

李繼宇等[15-16]對水稻輔助授粉的研究發(fā)現(xiàn)，在水稻冠層內(nèi)所形成風(fēng)場的峰值風(fēng)速主要受無人機的飛行速度、飛機與負載質(zhì)量、飛行高度的影響，不同機型的最優(yōu)作業(yè)參數(shù)也不相同。蒙艷華等[17-18]的研究認為，主干形梨樹和Y字形梨樹在采用單旋翼無人機進行噴霧作業(yè)時，沿種植行以果樹為中心航線，飛行高度距離冠層頂部2 m、飛行速度以2～3 m×s-1范圍內(nèi)為宜。王璐等[11]采用四旋翼無人機進行了飛行高度、每666.7 m2噴液量、飛行速度對霧滴在香梨花期冠層沉積分布的影響試驗，結(jié)果表明飛行高度1.5 m、噴液量4.0 L×666.7 m-2、飛行速度3.0 m×s-1下霧滴沉積密度和均勻性較優(yōu)，影響霧滴沉積密度的主要因素依次是每666.7 m2噴液量、飛行高度、飛行速度。陳盛德等[19]對霧滴沉積密度和霧滴沉積均勻性的研究結(jié)果指出，在橘樹上較佳的作業(yè)參數(shù)是噴頭流量1.0 L×min-1、作業(yè)高度2.5 m、作業(yè)速度4 m×s-1。影響霧滴沉積密度的主次順序依次為作業(yè)速度、作業(yè)高度、噴頭流量，影響霧滴沉積穿透性的因素主次順序為作業(yè)高度、作業(yè)速度、噴頭流量。劉琪等[20]在蘋果樹上的研究表明飛行高度2 m、飛行速度1 m×s-1、噴灑系統(tǒng)中4個噴頭位于交叉角度為90°的十字形噴桿上且距離交叉點均為105 cm時，霧滴在蘋果樹上的沉積較好。筆者在本研究中得出的結(jié)果與以上研究結(jié)果既有相似之處也有不同之處，可能是無人機機型不同、參數(shù)范圍和參數(shù)值的設(shè)定不同、選取的關(guān)鍵影響因素也不完全相同，參數(shù)之間也會存在交互影響作用，因此，作業(yè)參數(shù)也不完全相同。

3.1 飛行航線對霧滴沉積分布的影響

無人機飛行航線不同，其霧滴沉積分布情況也不同。蒙艷華等[18]在Y字形豐水梨上的研究結(jié)果表明，無人機實行“Y間飛”時，不同冠層位置及不同飛行速度的霧滴沉積密度比“行間飛”時差異更小，分布更為均勻。筆者在本研究中得出的結(jié)果與其相一致。當(dāng)無人機沿行上飛行時，霧滴密度、沉積量和覆蓋率在樹體上層到下層依次降低，而行間飛行時，上層最少，中下層較多，在同一層均低于行上飛行的霧滴密度、沉積量和覆蓋率（圖1），這可能是部分霧滴飄移到行間空地上造成冠層內(nèi)截留量少。因此，授粉作業(yè)時應(yīng)選擇行上飛行，最大程度地減少霧滴飄移損失，提高授粉效率。

3.2 噴液量對霧滴沉積分布的影響

在相同作業(yè)參數(shù)條件下，噴液量越大，單位面積內(nèi)霧滴的沉積分布越好，柱頭接受花粉的概率就越大。何玲等[21]對霧滴在水稻冠層沉積分布的研究表明，增加施液量可以顯著提高霧滴的沉積密度，添加噴霧助劑可以顯著提高霧滴沉積量及有效沉積率。本研究結(jié)果也表明，隨著噴液量的增加，樹冠各層的霧滴密度、沉積量和覆蓋率也隨之提升。當(dāng)噴液量為15 L×hm-2時，霧滴密度、沉積量、覆蓋率從樹冠上層到下層無顯著差異，當(dāng)噴液量為30 L×hm-2、45 L×hm-2時，霧滴密度、沉積量、覆蓋率從樹冠上層到下層明顯降低，差異逐漸顯著。因此，授粉作業(yè)時宜選擇45 L×hm-2及以上的噴液量。

3.3 霧化粒徑對霧滴沉積分布的影響

霧化粒徑與霧滴覆蓋密度、噴液量有著十分密切的關(guān)系。隨著霧化粒徑的減小，霧滴數(shù)目呈幾何級數(shù)增加，而隨著霧滴數(shù)量的增加，柱頭接受花粉的概率會顯著增加，覆蓋率也會更加均勻。李繼宇等[22]研究發(fā)現(xiàn)，噴霧粒徑顯著影響霧滴在靶標(biāo)上的沉積量，單位面積藥液沉積量具有隨霧滴粒徑減小而增大的趨勢，霧滴粒徑越小，單位面積藥液沉積量越大，分布均勻性越好。本研究結(jié)果表明，隨霧化粒徑的增大，霧滴密度在香梨樹同一冠層整體上呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢，在相同霧化粒徑下，霧滴密度從上層到下層逐漸降低，霧化粒徑在70～130 μm時，沉積量和覆蓋率從上層到下層逐漸降低（圖3）。粒徑大的霧滴易沉降，不易隨風(fēng)飄移或蒸發(fā)散失，但是分布不均勻、附著能力差，而霧化粒徑小，覆蓋密度好、附著能力強，但容易受氣流影響而發(fā)生飄移和受高溫影響蒸發(fā)散失，需要找到一個合適的平衡點以充分發(fā)揮粒徑大小所帶來的優(yōu)勢。因此，綜合考慮不同粒徑的霧滴沉積分布結(jié)果和粒徑大小的優(yōu)缺點，在實際授粉操作時宜選擇霧化粒徑100 μm。

3.4 飛行高度對霧滴沉積分布的影響

無人機飛行高度越高，霧滴沉降的路程越長，噴幅越寬，霧滴飛行飄移性越強，穿透力越弱，同時也會造成蒸發(fā)量加劇。陶波等[23]研究認為，飛行高度、飛行速度、噴液流量、空氣濕度和溫度、風(fēng)速與霧滴沉積分布呈正相關(guān)。高軍等[24]的研究則表明，霧滴數(shù)量和覆蓋率與飛行速度、飛行高度均呈負相關(guān)。劉海明[25]的研究也發(fā)現(xiàn)霧滴的沉積覆蓋隨無人機飛行高度的升高而降低。筆者在本研究中發(fā)現(xiàn)，在同一飛行高度下，霧滴密度、沉積量和覆蓋率在樹體冠層從上到下依次遞減。隨飛行高度的升高，相同冠層的霧滴密度、沉積量和覆蓋率下降，樹冠上層差異顯著，中層和下層差異不明顯，這與高軍等[24]、劉海明[25]的研究結(jié)果相一致。飛行高度太低，影響無人機的安全性，同時無人機風(fēng)場也可能會對花柱頭造成一定影響。因此，在實際授粉操作時宜選擇離樹冠頂部1 m高度。

3.5 飛行速度對霧滴沉積分布的影響

無人機作業(yè)速度會直接影響霧滴的穿透性和飄移性。隨著作業(yè)速度的增加，作業(yè)效率也相應(yīng)提高，但是霧滴穿透性會降低，植保無人機螺旋槳將無法形成良好的下壓穿透力，無法保障霧滴到達靶標(biāo)，飄移距離也會相應(yīng)增加，導(dǎo)致霧滴在作物中下部的沉積減少。陳盛德等[26]的相關(guān)研究結(jié)果表明，霧滴沉積量與飛行速度顯著相關(guān)，隨著飛行速度的增加，霧滴沉積量在逐漸下降，同時也會受外界風(fēng)場的影響。王昌陵等[27]研究指出，為避免下洗氣流場作用減弱而導(dǎo)致霧滴損失，在植保無人機作業(yè)時飛行速度不應(yīng)設(shè)置超過6 m×s-1。本研究結(jié)果顯示，在不同飛行速度下樹冠上層的霧滴密度、沉積量和覆蓋率無明顯差異，在中層和下層，隨飛行速度的升高，霧滴密度、沉積量和覆蓋率逐漸下降。在飛行速度3 m×s-1時，霧滴密度、沉積量和覆蓋率在各層間無差異，隨飛行速度的增大，霧滴密度、沉積量和覆蓋率在各層間的差異也顯著增大（圖5）。飛行速度越低，霧滴沉降效果越好，但是授粉效率會隨之降低，授粉成本增加。因此，綜合考慮授粉效率和授粉成本，在實際授粉操作時宜選擇3 m×s-1的飛行速度。

筆者在本研究中篩選的庫爾勒香梨無人機輔助授粉作業(yè)參數(shù)適用于紡錘形樹形，在新疆梨產(chǎn)區(qū)還有疏散分層形、開心形等樹形，不同樹形的冠幅和高度也不相同，不同樹形的最優(yōu)作業(yè)參數(shù)有待進一步研究。在利用無人機為香梨進行輔助授粉作業(yè)時，為進一步提高授粉作業(yè)效率和作業(yè)質(zhì)量，一方面要通過選擇最優(yōu)的飛行作業(yè)參數(shù)，最大程度地減少霧滴的飄移損失和蒸發(fā)損耗，另一方面還需要選擇適宜的天氣條件、高活性的花粉母液配比，此外還要注重噴霧助劑的使用，以提高霧滴在柱頭上的黏附力，從而提高授粉效率。

4 結(jié) 論

應(yīng)用極飛?P100 2022款四旋翼農(nóng)業(yè)無人機在紡錘形香梨盛花期進行輔助授粉作業(yè)，研究飛行航線、噴液量、霧化粒徑、飛行高度、飛行速度對霧滴密度、沉積量和覆蓋率在樹體冠層沉積分布的影響，結(jié)果表明，當(dāng)無人機沿行上飛行、噴液量45 L×hm-2、霧化粒徑100 μm、飛行高度離樹冠頂部1 m、飛行速度3 m×s-1時效果較優(yōu)。

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