大載荷油動(dòng)植保無(wú)人機(jī)噴霧參數(shù)對(duì)棕櫚樹(shù)冠層霧滴沉積分布的影響

秦維彩 陳盼陽(yáng) 閆曉靜

摘要

對(duì)使用大載荷油動(dòng)植保無(wú)人機(jī)對(duì)棕櫚樹(shù)進(jìn)行噴施作業(yè)的效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)，探討了植保無(wú)人機(jī)噴灑參數(shù)對(duì)棕櫚樹(shù)上霧滴沉積的影響。以大載荷油動(dòng)植保無(wú)人機(jī)為研究對(duì)象，進(jìn)行了正交試驗(yàn)，考察了3個(gè)因素：飛行高度、飛行速度和噴頭流量。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)比較，當(dāng)噴頭流量為3.4?L/min、作業(yè)高度為3?m、作業(yè)速度為3?m/s時(shí)，霧滴沉積密度和均勻性最佳。其中，噴頭流量對(duì)霧滴沉積密度的影響最大，其次是作業(yè)高度和作業(yè)速度;在穿透性方面，噴頭流量為3.4?L/min、作業(yè)高度為4?m、作業(yè)速度為4?m/s和噴頭流量為4.2?L/min、作業(yè)高度為4?m、作業(yè)速度為3?m/s，其霧滴的穿透性較強(qiáng)，分別為15.83%和30.01%。影響霧滴沉積穿透性的因素依次為

噴頭流量、作業(yè)高度和作業(yè)速度。本試驗(yàn)對(duì)大載荷油動(dòng)植保無(wú)人機(jī)在棕櫚樹(shù)合理噴施和提高噴施效果方面具有參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞

油動(dòng)植保無(wú)人機(jī);?棕櫚樹(shù);?航空噴施;?霧滴沉積;?噴霧參數(shù);?正交試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：

S?49

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：?A

DOI：?10.16688/j.zwbh.2023138

Effect?of?spray?parameters?of?a?largeload?oiloperated?plant?protection?UAV?on?the?distribution?of?droplet?deposition?in?the?palm?canopy

QIN?Weicai1，?CHEN?Panyang2，?YAN?Xiaojing3*

（1.?Suzhou?Polytechnic?Institute?of?Agriculture，?Facility?Agriculture?Intelligent?Equipment?Engineering?Technology?Research

and?Development?Centre，?Suzhou?215008，?China;?2.?Nanjing?Institute?of?Technology，?Nanjing?211167，?China;

3.?Institute?of?Plant?Protection，?Chinese?Academy?of?Agricultural?Sciences，?Beijing?100193，?China）

Abstract

This?study?aimed?to?investigate?the?effectiveness?of?spraying?operations?on?palm?trees?using?a?largeload?oiloperated?plant?protection?unmanned?aircraft?vehicle?（UAV），?with?a?particular?focus?on?exploring?the?effect?of?plant?protection?UAV?spraying?parameters?on?droplet?deposition?on?palm?trees.?Using?a?largeload?oiloperated?plant?protection?UAV?as?the?research?object，?orthogonal?tests?were?conducted?to?examine?three?factors，including?flight?height，?flight?speed?and?nozzle?flow?rate.?After?experimental?comparison，?the?best?droplet?deposition?density?and?uniformity?was?achieved?when?the?nozzle?flow?rate?was?3.4?L/min，?the?working?height?was?3?m?and?the?working?speed?was?3?m/s.?The??nozzle?flow?rate?had?the?highest?effect?on?droplet?deposition?density，?followed?by?working?height?and?working?speed.?In?terms?of?penetration，?the?nozzle?flow?rate?of?3.4?L/min，?working?height?of?4?m?and?working?speed?of?4?m/s?and?the?nozzle?flow?rate?of?4.2?L/min，?working?height?of?4?m?and?working?speed?of?3?m/s?had?a?higher?droplet?penetration?rate?of?15.83%?and?30.01%，?respectively.?The?factors?influencing?the?penetration?of?droplet?deposition?were，?in?order，?the?nozzle?flow?rate，?working?height，?working?speed.?The?above?results?are?of?reference?value?for?the?rational?spraying?and?improvement?of?the?spraying?effect?of?largeload?oiloperated?UAV?on?palm?trees.

Key?words

oiloperated?plant?protection?unmanned?aircraft?vehicle;?palm?tree;?aerial?spraying;?droplet?deposition;?spray?parameter;?orthogonal?test

棕櫚Trachycarpus?fortunei（Hook.）H.Wendl.為棕櫚科常綠植物，以其優(yōu)雅的形態(tài)和獨(dú)特的葉片結(jié)構(gòu)，常被用于園林綠化和室內(nèi)裝飾。在我國(guó)，海南島棕櫚植物資源非常豐富，目前擁有超過(guò)20萬(wàn)hm2，涵蓋大約32個(gè)屬68種以上的棕櫚植物［12］。隨著我國(guó)棕櫚樹(shù)種植規(guī)模的擴(kuò)大，各種病蟲(chóng)害給棕櫚樹(shù)的健康帶來(lái)了一定威脅。例如黑粉病、青霉病和紅棕象甲R(shí)hynchophorus?ferrugineus等會(huì)使葉片組織腐爛死亡，極端情況下，整個(gè)樹(shù)冠會(huì)受到影響。這些問(wèn)題嚴(yán)重影響了園林環(huán)境的美化和棕櫚油的產(chǎn)量［34］。因此，加強(qiáng)有效的化學(xué)控制措施，對(duì)于棕櫚樹(shù)的產(chǎn)量、質(zhì)量和觀賞價(jià)值的保護(hù)都有著重要的意義。

目前棕櫚樹(shù)病蟲(chóng)害化學(xué)控制方式包括人工噴施、地面機(jī)械噴施和航空噴施［57］。傳統(tǒng)的手工噴藥方法需要大量人力，效率低且耗時(shí)長(zhǎng)，很難滿足防治需求。地面機(jī)械噴灑成本高，藥劑利用率低。此外，國(guó)內(nèi)棕櫚種植區(qū)多為山區(qū)，使用地面式噴灑機(jī)械難以有效施藥［8］。加之棕櫚樹(shù)枝繁葉茂，成年棕櫚樹(shù)高度可達(dá)10?m以上，給病蟲(chóng)害的防治工作帶來(lái)了一定難度。近年來(lái)，農(nóng)用飛機(jī)噴灑作為新的農(nóng)藥噴施方式在我國(guó)興起［911］。相較于傳統(tǒng)方法，農(nóng)用飛機(jī)噴灑克服了傳統(tǒng)施藥方法存在的不足，提高了噴施效率，降低了成本，同時(shí)解決了山區(qū)果園地面機(jī)械作業(yè)困難等問(wèn)題，成為生產(chǎn)上的首選噴施方式［1214］。

無(wú)人機(jī)噴灑是農(nóng)業(yè)航天領(lǐng)域的一項(xiàng)重要技術(shù)，在近年來(lái)得到廣泛應(yīng)用和發(fā)展［1516］。國(guó)內(nèi)已有很多研究探討了農(nóng)用無(wú)人機(jī)噴藥在不同作物上的霧滴分布效果和作業(yè)質(zhì)量，例如陳盛德等［17］研究了HYB10L單旋翼電動(dòng)無(wú)人直升機(jī)施藥?kù)F滴在雜交水稻上的沉積和分布效應(yīng);邱白晶等［18］通過(guò)2因素3水平試驗(yàn)方法分析了CD10無(wú)人機(jī)噴霧對(duì)霧滴在小麥植株的沉積密度和均勻性的影響，以及飛行高度、速度和這兩個(gè)因素之間的相關(guān)性，并提出了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型；秦維彩等［19］研究了N3型無(wú)人機(jī)不同噴灑參數(shù)對(duì)霧滴在玉米冠層上沉積分布的影響。盡管無(wú)人機(jī)噴霧技術(shù)在水稻、小麥和玉米等作物上已相對(duì)成熟，但在大型樹(shù)木的噴灑作業(yè)方面仍較少見(jiàn)。因此，本文采用大載荷油動(dòng)單旋翼植保無(wú)人機(jī)在不同作業(yè)條件下對(duì)棕櫚樹(shù)進(jìn)行了噴霧試驗(yàn)，并對(duì)其霧滴沉積效果進(jìn)行了研究，為今后在果樹(shù)生產(chǎn)中推廣農(nóng)業(yè)航空技術(shù)提供參考。

1?材料與方法

1.1?試驗(yàn)設(shè)備

使用南京利劍無(wú)人機(jī)科技有限公司提供的Z3N型油動(dòng)單旋翼植保無(wú)人機(jī)，機(jī)身尺寸為2?700?mm×720?mm×1?110?mm，最大裝藥量30?L，工作速度范圍為2～7?m/s，工作高度范圍為2～15?m，噴桿長(zhǎng)度為2.0?m，有效噴幅為8?m。該無(wú)人機(jī)配備TeeJet?F11002噴頭，壓力為0.32?MPa，共6個(gè)噴頭，噴灑流量在3.5～4.6?L/min之間。具體參數(shù)詳見(jiàn)表1。

采用Watchdog?2000氣象站記錄溫度、濕度、風(fēng)速等氣象參數(shù)。該氣象站測(cè)量溫度范圍－32～100℃，精度為0.5℃;濕度測(cè)量范圍10%～100%，準(zhǔn)確度為±3%;風(fēng)向測(cè)量范圍0?°～360?°，準(zhǔn)確度為±3?°;風(fēng)速范圍為0.1～322?km/h，準(zhǔn)確度為±5%。霧滴收集處理設(shè)備包括水敏紙（26?mm×76?mm）、鑷子、回形針、橡膠手套、塑封袋、扎帶、標(biāo)簽紙等。

1.2?試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1?采樣點(diǎn)布置

2022年4月7日在江蘇省沭陽(yáng)縣的中穎園林棕櫚種植基地進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)所用棕櫚樹(shù)株高4.5～5.3?m，直徑0.10～0.15?m，葉柄長(zhǎng)0.75～0.80?m，冠層高度（包括莖干）為1.0～1.5?m、冠層寬度為2.0?m左右。每處理組選取3株具有相似生長(zhǎng)形態(tài)的棕櫚樹(shù)作為樣本，飛機(jī)在作物行的正上方飛行。按照棕櫚樹(shù)的樹(shù)冠形態(tài)和枝干密度，將其按垂直方向分成上、中、下三層。以靠近飛機(jī)前進(jìn)方向的最左側(cè)的取樣點(diǎn)為起點(diǎn)，在樹(shù)冠上順時(shí)針布置8個(gè)采樣點(diǎn)，最上層8個(gè)采樣點(diǎn)為a層，b、c層8個(gè)采樣點(diǎn)也采用同樣方式。在樹(shù)冠中間再布置最頂端、上、中、下4個(gè)采樣點(diǎn)。每株樹(shù)共采集9列，28個(gè)采樣點(diǎn)。在每個(gè)采樣點(diǎn)，用回形針將水敏紙貼在葉片上，將收集的水敏紙逐一用HP?Scanjet?200掃描儀（惠普公司）掃描，掃描后的圖像通過(guò)圖像處理軟件Deposit?Scan（V1.2）進(jìn)行分析。采樣點(diǎn)的布置方式如圖1所示。

采集卡編號(hào)規(guī)則簡(jiǎn)述如下：以編號(hào)“1A”開(kāi)始，表示第1棵樹(shù)的樹(shù)冠頂層外葉。隨后是“1B1”“1B2”“1B3”，依次表示第1棵樹(shù)中列上層、中層、下層采樣點(diǎn)。接著是“1a1”到“1a8”，順時(shí)針表示第1棵樹(shù)上層的8個(gè)采樣點(diǎn);“1b1”到“1b8”，表示第1棵樹(shù)中層的8個(gè)采樣點(diǎn);“1c1”到“1c8”，表示第1棵樹(shù)下層的8個(gè)采樣點(diǎn)。之后的樹(shù)依次類推，編號(hào)方式保持一致。

1.2.2?作業(yè)方式

設(shè)置噴頭流量（A）、作業(yè)高度（B）和作業(yè)速度（C）三因素正交試驗(yàn)，其中噴頭流量設(shè)置3.4?L/min和4.2?L/min?2個(gè)水平，因?yàn)锳因素只有2個(gè)水平，為滿足正交試驗(yàn)的要求，本文采用擬水平試驗(yàn)方法，以因素A第2水平代替第3個(gè)水平。對(duì)于噴頭流量（A），水平1對(duì)應(yīng)流量為3.4?L/min，水平2對(duì)應(yīng)流量為4.2?L/min，水平3對(duì)應(yīng)流量為4.2?L/min。作業(yè)高度（B）設(shè)置3個(gè)水平，分別為3、4?m和5?m。作業(yè)速度（C）設(shè)置3個(gè)水平，分別為3、4?m/s和5?m/s。試驗(yàn)方案如表2所示。

1.3?數(shù)據(jù)采集與處理

每次試驗(yàn)后，待水敏紙晾干后摘下，按照號(hào)碼進(jìn)行收集，裝入相應(yīng)的塑料袋中帶回實(shí)驗(yàn)室，利用HP?Scanjet?200掃描儀（惠普公司）掃描，掃描后的圖像用Deposit?Scan（V1.2）圖像處理軟件對(duì)其進(jìn)行分析。按照文獻(xiàn)［20］的方法，計(jì)算在不同的飛行作業(yè)參數(shù)下棕櫚樹(shù)樹(shù)冠上霧滴覆蓋率、覆蓋密度及單位面積上的沉積量。為表征試驗(yàn)中各采集點(diǎn)之間的霧滴沉積均勻性和沉積穿透性，本研究以無(wú)人機(jī)有效噴幅區(qū)內(nèi)每層不同采集點(diǎn)上霧滴沉積密度的變異系數(shù)（CV）來(lái)衡量3組試驗(yàn)中霧滴的沉積均勻性，以無(wú)人機(jī)有效噴幅區(qū)內(nèi)每個(gè)采集點(diǎn)上層、中層、下層霧滴沉積量的CV來(lái)衡量霧滴沉積穿透性;其中，變異系數(shù)的數(shù)值越低，則霧滴的沉積越均勻，穿透性越高［19，21］。變異系數(shù)CV為：

CV=S，S=∑ni=1（Xi-）2n-1。

式中，S為標(biāo)準(zhǔn)差;Xi為各采樣卡單位面積的霧滴數(shù);為采樣卡單位面積平均霧滴數(shù);n為每層采樣卡總數(shù)。

2?結(jié)果與分析

2.1?霧滴沉積密度

表3是植保無(wú)人機(jī)噴灑后霧滴在棕櫚樹(shù)上的沉積密度測(cè)試結(jié)果，從霧滴沉積密度可以看出，霧滴平均密度在上層最大值為71.1個(gè)/cm2。在中層最大值為112.8個(gè)/cm2，分析發(fā)現(xiàn)是因?yàn)樵谑占艏垥r(shí)沒(méi)有密封好導(dǎo)致污染而造成數(shù)據(jù)誤差過(guò)大，其次最大值為37.1?個(gè)/cm2。綜合選擇，當(dāng)噴頭的流量為3.4?L/min、作業(yè)高度為3?m和作業(yè)速度為3?m/s時(shí)，在棕櫚樹(shù)上、中和下層的霧滴平均密度分別為71.1、37.1、23.9個(gè)/cm2，綜合指標(biāo)優(yōu)于其他測(cè)試組，所以，噴頭的流量為3.4?L/min、作業(yè)高度為3?m和作業(yè)速度為3?m/s是最好的作業(yè)模式。

從霧滴沉積分布結(jié)果來(lái)看，在3?m的作業(yè)高度和4?m/s的作業(yè)速度下，各層的霧滴沉積密度值較小。表明在噴灑過(guò)程中無(wú)人機(jī)的飛行速度和高度會(huì)對(duì)噴霧的沉積分布產(chǎn)生一定的影響。當(dāng)高速、低空飛行時(shí)，在無(wú)人機(jī)底部，由于旋翼風(fēng)力比較大，枝條和葉片會(huì)沿風(fēng)場(chǎng)中心傾斜，無(wú)法很好地接收沉積的霧滴。

霧滴沉積密度的極差分析結(jié)果（表4）顯示，影響霧滴在樹(shù)木冠層沉積密度的較優(yōu)水平的結(jié)果是一致的，即噴頭流量為3.4?L/min、作業(yè)高度為3?m和作業(yè)速度為3?m/s作業(yè)中，霧滴沉積密度最佳。從極差值上可以看出，在樹(shù)冠上層和中層噴頭流量對(duì)霧滴沉積密度的影響最大，其次是作業(yè)高度和速度。而在樹(shù)冠下層，作業(yè)高度對(duì)霧滴沉積密度影響最大，其次是噴頭流量和作業(yè)速度。

2.2?霧滴沉積均勻性

不同試驗(yàn)條件下的霧滴沉積密度變異系數(shù)范圍的分析結(jié)果（表5），反映了霧滴沉積密度的均勻性。由表3可以看出，較優(yōu)的作業(yè)水平為：噴頭流量3.4?L/min，作業(yè)高度3?m，作業(yè)速度3?m時(shí)，該組合的霧滴在棕櫚樹(shù)不同層次上的沉積均勻性分別為67.3%、80.8%和96.1%。根據(jù)表5可知在不同冠層，這3個(gè)因素對(duì)霧滴均勻性的影響順序不同，其中在上層，噴頭流量是排名第一的影響因素，其次是作業(yè)速度和高度;而在中層和下層，作業(yè)速度是排名第一的影響因素，其次是作業(yè)高度和噴頭流量。

可能由于試驗(yàn)誤差的影響，3種因素對(duì)棕櫚樹(shù)不同位置冠層上霧滴均勻性的影響順序不同。分析和實(shí)際作業(yè)表明，作業(yè)速度是對(duì)霧滴均勻性影響最大的因素，其次是噴頭流量和作業(yè)高度;并且在4?m/s作業(yè)速度和3.0?m作業(yè)高度下，棕櫚樹(shù)冠層霧滴沉積的均勻性都很差。這從霧滴沉積的均勻性角度證明了大載荷植保無(wú)人機(jī)的作業(yè)速度和高度都會(huì)對(duì)霧滴的沉積分布產(chǎn)生一定的影響。大載荷植保無(wú)人機(jī)因旋翼較大，飛機(jī)下方的旋翼氣流較強(qiáng)，使其霧滴沉積在果樹(shù)冠層的均勻性較差，因此作業(yè)速度對(duì)樹(shù)冠下層霧滴沉積分布的影響最大;當(dāng)作業(yè)速度較大時(shí)，向下的風(fēng)場(chǎng)沒(méi)有足夠時(shí)間穿透樹(shù)冠層，導(dǎo)致霧滴難以達(dá)到下層，使得棕櫚樹(shù)冠層的霧滴沉積均勻性較差。

2.3?霧滴沉積穿透性

表6為霧滴沉積穿透性極差的分析結(jié)果，綜合霧滴沉積密度數(shù)值大小及變異系數(shù)可以看出，當(dāng)噴頭流量為3.4?L/min，作業(yè)高度為4?m，作業(yè)速度為4?m/s和噴頭流量為4.2?L/min，作業(yè)高度為4?m，作業(yè)速度為3?m/s時(shí)，霧滴沉積穿透性分別為15.83%和30.01%，其霧滴覆蓋密度大且穿透性較好。從極差的角度可以看出，噴頭流量是影響霧滴穿透性大小的主要因素，其次是作業(yè)高度和速度。

當(dāng)噴頭流量為3.4?L/min，作業(yè)速度為4?m/s和噴頭流量為4.2?L/min，作業(yè)速度為3?m/s時(shí)，其分別在4?m的作業(yè)高度，霧滴的穿透能力更好;從分析可知，在較低的飛行高度下，由于植保無(wú)人機(jī)旋翼下方的風(fēng)力太大，會(huì)使棕櫚樹(shù)上部的枝條發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而影響到上部的霧滴沉積;在較高的飛行高度時(shí)，由于植保無(wú)人機(jī)旋翼下方的氣流會(huì)變?nèi)?，使得霧滴很難抵達(dá)棕櫚樹(shù)的下層;這與霧滴的沉積情況是一致的。

3?結(jié)論與討論

本研究通過(guò)分析霧滴沉積密度和均勻性，找到了最佳的作業(yè)參數(shù)組合：噴頭流量為3.4?L/min，作業(yè)高度為3?m，作業(yè)速度為3?m/s。研究結(jié)果表明，噴頭流量是影響霧滴沉積密度和均勻性的主要因素，其次是作業(yè)高度和速度。根據(jù)霧滴沉積穿透性結(jié)果，當(dāng)噴頭流量為3.4?L/min，作業(yè)高度為4?m，作業(yè)速度為4?m/s和噴頭流量為4.2?L/min，作業(yè)高度為4?m，作業(yè)速度為3?m/s時(shí)，霧滴沉積穿透性分別為15.83%和30.01%，其霧滴沉積密度大且穿透性較好。噴頭流量對(duì)霧滴沉積穿透性的影響最大，其次是作業(yè)高度和速度。

本研究利用植保無(wú)人機(jī)對(duì)傘狀樹(shù)冠棕櫚樹(shù)進(jìn)行噴灑，在其冠層上霧滴的沉積趨勢(shì)是：上層的霧滴沉積密度高于中、下層，即，植保無(wú)人機(jī)的噴灑效果由上向下逐步降低，這與樹(shù)型結(jié)構(gòu)狀況密切相關(guān)。但是，在上述9個(gè)試驗(yàn)中，部分試驗(yàn)的霧滴沉積量并沒(méi)有從上往下逐漸減小，相反，在樹(shù)冠下層和中層的霧滴沉積密度比上層的要大;此外，霧滴在樹(shù)冠各層間的沉積均勻性和穿透性都很低。分析其原因主要是因?yàn)樵谥脖o(wú)人飛機(jī)的旋翼下方氣流較大，造成棕櫚樹(shù)的上部樹(shù)枝向外傾斜，而大多數(shù)的霧滴都會(huì)隨氣流進(jìn)入樹(shù)冠中、下層，因此，樹(shù)冠上層周圍的霧滴數(shù)量相對(duì)較小，而傾斜的枝條則會(huì)在一定程度上影響葉片表面的霧滴沉積，降低倒伏方向葉片上的霧滴沉積量。

綜上所述，為了提高在棕櫚樹(shù)上植保無(wú)人飛機(jī)應(yīng)用效果和霧滴沉積質(zhì)量，需要從兩方面入手。首先選擇最佳作業(yè)參數(shù)，作業(yè)參數(shù)和作物會(huì)影響旋翼的風(fēng)場(chǎng)強(qiáng)度和作物的傾斜度，從而影響作業(yè)條件如作業(yè)高度和速度等。其次，需要將農(nóng)業(yè)機(jī)械和農(nóng)業(yè)技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)。

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（責(zé)任編輯：田?喆）