植保無人飛機(jī)作業(yè)參數(shù)對(duì)霧滴在杧果冠層沉積分布的影響

摘""要：植保無人飛機(jī)作業(yè)參數(shù)對(duì)無人飛機(jī)噴灑過程中的霧滴分布有顯著影響，從而影響農(nóng)藥的利用率和病蟲害的防治效果。為探究多旋翼植保無人飛機(jī)作業(yè)參數(shù)對(duì)杧果樹冠層噴霧質(zhì)量與效果的影響，以提高植保無人飛機(jī)施藥的對(duì)靶高效沉積，本研究應(yīng)用大疆T40型植保無人飛機(jī)采用正交試驗(yàn)對(duì)杧果樹進(jìn)行噴霧作業(yè)，對(duì)主要作業(yè)參數(shù)霧滴粒徑（80、100、120"μm）、作業(yè)高度（2.0、2.5、3.0"m）、作業(yè)速度（3.0、4.0、5.0"m/s）進(jìn)行優(yōu)選。結(jié)果表明：施藥參數(shù)為霧滴粒徑80"μm、作業(yè)高度2.0"m、作業(yè)速度3.0"m/s時(shí)，植保無人飛機(jī)霧滴在杧果樹各個(gè)冠層的霧滴沉積密度、覆蓋率、霧滴均勻性等均顯著大于其他處理組。霧滴沉積密度、覆蓋率、作業(yè)高度與作業(yè)速度呈負(fù)相關(guān)。極差分析結(jié)果顯示，霧滴粒徑是影響杧果樹冠層霧滴沉積密度的主要因素；作業(yè)高度是影響杧果樹下層葉片正面與內(nèi)層葉片背面霧滴覆蓋率的主要因素；作業(yè)速度是影響杧果樹上層葉片背面霧滴覆蓋率的主要因素；其余各層葉片正面與背面的噴霧粒徑是影響霧滴覆蓋率的主要因素。植保無人飛機(jī)在杧果樹冠層的霧滴分布差異性較大，影響霧滴均勻性的主要因素是霧滴粒徑，其次是作業(yè)速度、作業(yè)高度。根據(jù)T40多旋翼植保無人飛機(jī)在杧果樹冠層的霧滴沉積密度、霧滴覆蓋率、霧滴均勻性結(jié)果綜合得到植保無人飛機(jī)在杧果樹上作業(yè)的最佳參數(shù)組合為霧滴粒徑80"μm，作業(yè)高度2.0"m，作業(yè)速度3.0"m/s，為小型植保無人飛機(jī)在杧果及其他類似果園空中噴灑作業(yè)提供指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：植保無人飛機(jī)；杧果；作業(yè)參數(shù)；霧滴；沉積分布中圖分類號(hào)：S436.67；S494""""""文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Effects"of"Spraying"Parameters"for"Plant"Protection"Unmanned"Aerial"Vehicle"on"Deposition"Distribution"of"Droplets"in"Mango"Canopy

WANG"Bingjie1，2，"PAN"Bo1，2，"DU"Changyuan3，"JIANG"Lei1，2*，"LIN"Yong1，2*，"ZHANG"Shaoshuai4

1."Environment"and"Plant"Protection"Institute，"Chinese"Academy"of"Tropical"Agricultural"Sciences，"Haikou，"Hainan"571101，"China;"2."Key"Laboratory"of"Integrated"Pest"Management"of"Tropical"Crops，"Ministry"of"Agriculture"and"Rural"Affairs，"Haikou，"Hainan"571101，"China;"3."College"of"Plant"Science"and"Technology，"Huazhong"Agricultural"University，"Wuhan，"Hubei"430070，"China;"4."Chinese"Academy"of"Tropical"Agricultural"Sciences，"Haikou，"Hainan"571101，"China

Abstract："Plant"protection"unmanned"aerial"vehicle"（UAVs）"operational"parameters"have"remarkable"effects"on"droplet"distribution"in"UAVs"spraying，"which"significantly"affects"pesticide"utilization"rate"and"treatment"effectiveness."The"study"was"aimed"to"explore"the"effects"of"operating"parameters"of"electric"UAVs"on"droplet"deposition"distribution"in"mango"trees"canopy"and"to"enhance"the"efficiency"of"targeted"deposition"by"UAVs."The"DJI"T40"multi-rotor"electric"plant"protection"UAV"was"used"and"the"main"operational"parameters"including"droplet"sizes"（80，"100，"120"μm），"flight"height"（2.0，"2.5，"3.0"m）"and"flight"speed"（3.0，"4.0，"5.0"m/s）"were"optimized"by"an"orthogonal"test."When"the"droplet"size"was"80"μm"with"2.0"m"of"flight"height"and"3.0"m/s"of"flight"speed，"the"droplet"deposition"density，"coverage"rate"and"uniformity"in"each"canopy"of"mango"trees"were"significantly"larger"than"those"of"the"other"groups."There"was"a"negative"correlation"between"droplet"deposition"density，"coverage"rate"and"flight"height，"flight"speed."The"resultsnbsp;of"range"analysis"showed"that"droplet"size"was"the"main"factor"affecting"the"deposition"density"of"droplet"in"mango"canopy."The"flight"height"was"the"main"factor"affecting"the"coverage"rate"of"spray"droplets"on"the"front"side"of"the"lower"canopy"leaves"and"the"back"side"of"the"inner"canopy"leaves"of"mango"trees."The"flight"speed"was"the"main"factor"affecting"the"coverage"rate"of"spray"droplets"on"the"back"side"of"the"upper"canopy"leaves"of"mango"trees."The"spray"diameter"of"the"front"and"back"of"the"leaves"of"the"other"layers"was"the"main"factor"affecting"the"droplet"coverage"rate."The"droplet"distribution"within"mango"canopy"exhibited"significant"variation，"with"droplet"size"being"the"primary"factor"determining"uniformity，"followed"by"flight"speed"and"flight"height."In"our"current"study，"according"to"the"droplet"deposition"density，"coverage"rate"and"uniformity"in"mango"canopy，"the"best"operating"parameters"of"T40"multi-rotor"electric"plant"protection"UAV"were"obtained"as"follows："droplet"size"of"80"μm，"operation"height"of"2.0"m，"and"operation"speed"of"3.0"m/s."It"could"provide"fundamental"guidance"of"the"operation"of"small"UAVs"for"the"aerial"spraying"of"mango"trees"and"other"similar"orchards.

Keywords："plant"protection"UAV;"mango;"operational"parameters;"droplet;"deposition"distribution

DOI："10.3969/j.issn.1000-2561.2024.11.018

杧果被稱為“熱帶水果之王”，是世界上最重要的五大水果之一[1]。我國(guó)杧果種植面積位居世界第二，主產(chǎn)區(qū)在海南、廣西、廣東、云南和四川等地[2]。農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)墾局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，2021年我國(guó)杧果種植面積為37.46萬hm2，產(chǎn)量395.8萬t，其中海南的杧果種植面積為6.62萬hm2，產(chǎn)量55.5萬t。然而，熱區(qū)高溫高濕的氣候環(huán)境導(dǎo)致病蟲草害的滋生蔓延，農(nóng)藥年均使用量也相應(yīng)地高于溫帶地區(qū)，施藥次數(shù)與施藥作業(yè)強(qiáng)度較大。海南杧果種植區(qū)多為丘陵山地，傳統(tǒng)地面施藥方式，包括背負(fù)式手動(dòng)噴霧器和地面機(jī)械噴霧器，效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[3-4]。并且傳統(tǒng)施藥器械屬于大霧滴、大容量噴灑，農(nóng)藥浪費(fèi)嚴(yán)重，有效利用率僅為35%左右[5-7]。目前熱區(qū)果樹種植人工成本的30%（甚至更高）為施藥作業(yè)所消耗，杧果園勞動(dòng)力短缺與管理技術(shù)落后等問題日益突出，植保無人飛機(jī)是一種高效的現(xiàn)代化施藥器械，合理使用可以及時(shí)、快速、有效地對(duì)農(nóng)作物病蟲害進(jìn)行防控，同時(shí)也能緩解果園勞動(dòng)力短缺問題，從而提高農(nóng)藥利用率，實(shí)現(xiàn)節(jié)本增效[8-10]。

大量研究發(fā)現(xiàn)，植保無人飛機(jī)作業(yè)參數(shù)對(duì)噴霧質(zhì)量與效果有很大的影響。極飛P20無人飛機(jī)作業(yè)速度和作業(yè)高度越低在火龍果樹上的噴霧效果越好[11]；影響極飛P20無人飛機(jī)霧滴在荔枝樹冠層穿透性的主要因素是作業(yè)高度[12]。TH-X60油動(dòng)無人飛機(jī)作業(yè)高度和作業(yè)速度顯著影響其在荔枝樹上的噴霧效果[13]。六旋翼植保無人飛機(jī)不同噴頭類型影響櫻桃樹冠中下層的霧滴沉積分布和均勻性[14]。3WQF120-12無人飛機(jī)作業(yè)速度越低沉積越多，對(duì)不同樹形桃樹噴霧的均勻性有顯著性差異[15]。極飛XP"20無人飛機(jī)不同作業(yè)參數(shù)對(duì)庫(kù)爾勒香梨的授粉有顯著差異[16-17]。3WYD-4-22A無人飛機(jī)作業(yè)速度為2"m/s時(shí)，桃樹冠層霧滴沉積量最大[18]。韋加JF01-20無人飛機(jī)作業(yè)速度越低，在蘋果樹上的噴霧效果越好[19]。極飛XP"20無人飛機(jī)作業(yè)速度的改變對(duì)主干型紅棗花期冠層霧滴沉積密度影響最大[20]。

小型電動(dòng)多旋翼植保無人飛機(jī)具有使用成本低，操作保養(yǎng)簡(jiǎn)單，起降靈活，不需要專用的機(jī)場(chǎng)等優(yōu)點(diǎn)，市場(chǎng)占有率較高。因此，本研究以小型四旋翼植保無人飛機(jī)（大疆T40）為研究對(duì)象，通過3因子3水平正交試驗(yàn)，結(jié)合霧滴沉積密度、霧滴覆蓋率、均勻性等指標(biāo)，優(yōu)選出適用于杧果園的四旋翼無人飛機(jī)作業(yè)參數(shù)，以提高植保無人飛機(jī)霧滴在杧果冠層的有效沉積，推動(dòng)我國(guó)果樹施藥器械與技術(shù)向現(xiàn)代化、智能化、輕簡(jiǎn)化方向發(fā)展。

1""材料與方法

1.1""材料

研究對(duì)象為春梢生長(zhǎng)期的貴妃杧果樹（杧果樹平均株高2.0"m，果園行距4～6"m）。于2023年4月23日在海南省三亞市崖州區(qū)開展試驗(yàn)。

主要設(shè)備：大疆T40四旋翼電動(dòng)無人飛機(jī)，載藥量為40"L，最大作業(yè)速度為7"m/s，最大有效噴幅為11"m，可調(diào)離心噴頭；AVM-01型風(fēng)速儀（臺(tái)灣泰儀電子股份有限公司）；LS-204型溫濕度儀（中山市朗信電子有限公司）；霧滴測(cè)試卡（重慶六六山下植?？萍加邢薰荆?；衛(wèi)生紙；回形針和自封袋等。

1.2""方法

1.2.1""正交試驗(yàn)""參考植保無人飛機(jī)杧果園噴灑情況，設(shè)定噴液量為30"L/hm2，噴幅為5"m，設(shè)置3個(gè)因子（霧滴粒徑、作業(yè)高度、作業(yè)速度），每個(gè)變量為3個(gè)水平（表1），按照3因子3水平正交設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)9組試驗(yàn)，進(jìn)行T40植保無人飛機(jī)杧果園作業(yè)參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)。各處理的相關(guān)氣象參數(shù)見表2。

1.2.2""采樣點(diǎn)布設(shè)""隨機(jī)選擇植保無人飛機(jī)中間2條航線的3株大小、樹形相似的杧果樹進(jìn)行取樣，杧果樹的上層、下層和內(nèi)層分別按照?qǐng)D1布設(shè)霧滴測(cè)試卡。在取樣?xùn)x果冠層上層和下層的4個(gè)方位分別布設(shè)1個(gè)采樣點(diǎn)，內(nèi)層自上往下布設(shè)3個(gè)采樣點(diǎn)，每株樹布設(shè)11個(gè)采樣點(diǎn)，每個(gè)采樣點(diǎn)分別在葉片正面和背面各布設(shè)1張霧滴測(cè)試卡，每組試驗(yàn)共布設(shè)33個(gè)采樣點(diǎn)，66張霧滴測(cè)試卡。用回形針將霧滴測(cè)試卡固定在每個(gè)采樣點(diǎn)杧果葉片正面和背面。每次試驗(yàn)結(jié)束后收集霧滴測(cè)試卡。

1.3""數(shù)據(jù)處理

掃描各個(gè)處理組的霧滴測(cè)試卡，并參照ZHU等[21]的方法，使用Deposit"Scan"（V1.2）軟件進(jìn)行分析處理，獲得各個(gè)處理的霧滴沉積密度及覆蓋率。采用SPSS"20.0軟件處理數(shù)據(jù)，使用最小顯著性差異法（LSD）比較差異顯著性。

變異系數(shù)（CV）可以用來表征霧滴沉積的均勻性，若變異系數(shù)與霧滴沉積分布的均勻性呈負(fù)相關(guān)，則CV越小，霧滴沉積分布均勻性越好。變異系數(shù)計(jì)算公式為：

式中，S為同處理組采集樣本標(biāo)準(zhǔn)差；Xi為每個(gè)采樣點(diǎn)霧滴密度，即覆蓋率；為各處理組霧滴密度，即覆蓋率平均值；n為各處理組采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)。

2""結(jié)果與分析

2.1""植保無人飛機(jī)霧滴在杧果樹冠層的沉積密度

結(jié)果顯示，在不同參數(shù)下，植保無人飛機(jī)霧滴在杧果樹各個(gè)冠層的沉積密度有顯著差異。在各處理中，A1B1C1（霧滴粒徑80"μm，作業(yè)高度2.0"m，作業(yè)速度3.0"m/s）處理的杧果樹冠層上層、下層和內(nèi)層葉片正面和背面的霧滴沉積密度均最大，葉片正面的霧滴沉積密度分別為82.433±"18.208、71.519±13.199、97.315±4.655個(gè)/cm2，葉片背面的霧滴沉積密度分別為8.936±3.071、23.920±6.705、20.615±0.958個(gè)/cm2，顯著高于其他處理組（Plt;0.05，表3）。

由極差分析結(jié)果顯示，影響杧果樹內(nèi)層葉片正面霧滴沉積密度的因素從大到小依次為：噴霧粒徑gt;作業(yè)速度gt;作業(yè)高度。對(duì)其余冠層葉片正面與背面霧滴沉積密度的影響從大到小依次為：噴霧粒徑gt;作業(yè)高度gt;作業(yè)速度。霧滴粒徑是影響杧果樹植保無人飛機(jī)霧滴沉積密度的主要因素，當(dāng)霧滴粒徑為80"μm，作業(yè)高度為2.0"m，作業(yè)速度為3.0"m/s時(shí)，杧果各冠層的霧滴沉積密度達(dá)到最大值（表4）。根據(jù)霧滴沉積密度獲得無人機(jī)的最優(yōu)作業(yè)參數(shù)為A1B1C1。

2.2""植保無人飛機(jī)霧滴在杧果樹冠層的霧滴覆蓋率

如表5所示，無人機(jī)不同作業(yè)參數(shù)下，除杧果樹下層葉片正面的霧滴覆蓋率外，杧果樹上、下、內(nèi)層的霧滴覆蓋率有組間顯著性差異。在各處理中，A1B1C1（霧滴粒徑80"μm，作業(yè)高度2.0"m，作業(yè)速度3.0"m/s）處理的杧果樹冠層上層、下層和內(nèi)層葉片正面和背面的霧滴覆蓋率均最大，葉片正面的霧滴覆蓋率分別為（12.784±"0.173）%、（7.248±1.513）%和（11.516±2.514）%，葉片背面的霧滴覆蓋率分別為（0.412±0.163）%、（1.077±0.342）%和（0.792±0.104）%。

由霧滴覆蓋率極差分析結(jié)果顯示，作業(yè)高度是影響杧果樹下層葉片正面與內(nèi)層葉片背面霧滴覆蓋率的主要因素，作業(yè)速度是影響杧果樹上層葉片背面霧滴覆蓋率的主要因素，噴霧粒徑是影響其余各層葉片正面與背面霧滴覆蓋率的主要因素。當(dāng)無人機(jī)作業(yè)參數(shù)為霧滴粒徑80"μm，作業(yè)高度2.0"m，作業(yè)速度3.0"m/s時(shí)，其霧滴覆蓋率最優(yōu)（表6）。霧滴覆蓋率與霧滴沉積密度的試驗(yàn)結(jié)果一致。

2.3""植保無人飛機(jī)霧滴在杧果樹上的均勻性

由霧滴沉積密度變異系數(shù)（CV）得出，植保無人飛機(jī)在杧果樹相同冠層水平面的霧滴分布存在較大差異（表7），A1B1C1處理中，其內(nèi)層葉片正面的均勻性最佳；A1B2C2處理中，其內(nèi)層葉片正面的均勻性最佳；A2B1C2處理中，其上層葉片正面的均勻性最佳；A2B3C1處理中，其上層葉片

背面和下層葉片背面的均勻性均較好；A1B1C1、A2B1C2、A2B3C1處理的冠層綜合均勻性相對(duì)較好。霧滴沉積密度均勻性極差分析得出，影響霧滴均勻性的因素主要是霧滴粒徑，其次是作業(yè)速度、作業(yè)高度。并且作業(yè)參數(shù)分別為霧滴粒徑80"μm，作業(yè)高度2.0"m，作業(yè)速度3.0"m/s時(shí)，霧滴均勻性最好（表8）。

3""討論

無人飛機(jī)的作業(yè)參數(shù)對(duì)液滴的分布和均勻性有很大影響。在植保無人飛機(jī)噴灑過程中，如果忽視作業(yè)參數(shù)優(yōu)化，使用過高的飛行速度，或者選用過高的飛行高度，不僅難以達(dá)到良好的防治效果，還會(huì)增加農(nóng)藥飄移風(fēng)險(xiǎn)[22-25]。本研究通過對(duì)霧滴沉積密度、覆蓋率、均勻性進(jìn)行分析，優(yōu)選出大疆T40型四旋翼無人飛機(jī)杧果園作業(yè)參數(shù)為霧滴粒徑80"μm，作業(yè)高度2.0"m，作業(yè)速度

3.0"m/s。植保無人飛機(jī)參數(shù)的改變，對(duì)霧滴在杧果樹不同冠層的沉積密度、覆蓋率和均勻性均有一定影響。研究發(fā)現(xiàn)，植保無人飛機(jī)參數(shù)的改變，導(dǎo)致霧滴在不同果樹不同冠層的分布有顯著差異[11-20]。

作業(yè)速度和作業(yè)高度的降低可以有效減少飄移，提高液滴沉積量，從而提高噴灑質(zhì)量[12]。本研究得出相似的結(jié)論，霧滴沉積密度、覆蓋率和作業(yè)高度、作業(yè)速度存在負(fù)相關(guān)關(guān)系?？赡苁怯捎跂x果采后修剪等農(nóng)事操作，春梢生長(zhǎng)期的貴妃杧果樹冠層較薄，植保無人飛機(jī)自身旋翼產(chǎn)生的風(fēng)場(chǎng)對(duì)其影響較小。較低的作業(yè)高度和作業(yè)速度，導(dǎo)致更多的噴霧霧滴向靶標(biāo)生物運(yùn)動(dòng)。然而，由于杧果種植環(huán)境、植保無人飛機(jī)機(jī)型特性、安全和效率問題，操作高度和速度不能過低。有研究發(fā)現(xiàn)，飛行速度與植保無人飛機(jī)在火龍果[11]、桃樹[15]、棗樹[20]、小麥[26]和蘋果樹[19，"27]冠層霧滴沉積密度存在負(fù)相關(guān)關(guān)系；隨著植保無人飛機(jī)作業(yè)速度的提高，霧滴飄移風(fēng)險(xiǎn)也隨之增大[15，"19，"28]；作業(yè)高度較低時(shí)，植保無人飛機(jī)噴霧液滴在火龍果樹[11]、荔枝樹[13]的沉積密度較好。本研究發(fā)現(xiàn)，植保無人飛機(jī)在杧果樹冠層的霧滴分布差異較大，影響霧滴均勻性的主要因素是霧滴粒徑。本研究結(jié)果與試驗(yàn)的天氣條件、杧果冠層大小密切相關(guān)。也有研究發(fā)現(xiàn)，作業(yè)高度是影響植保無人飛機(jī)液滴在荔枝樹上分布均勻性的主要因素[12]，可能是因?yàn)槔笾涔趯酉鄬?duì)較大，植保無人飛機(jī)對(duì)靶下壓風(fēng)場(chǎng)對(duì)其影響較大，所以作業(yè)高度是均勻性的主要影響因素。不同果樹的冠層特性差異較大，植保無人飛機(jī)的施藥效果也有差異。

本研究通過對(duì)T40多旋翼植保無人飛機(jī)在杧果樹冠層的霧滴沉積密度、霧滴覆蓋率、霧滴均勻性的綜合分析，得到適合杧果樹的植保無人飛機(jī)的最佳作業(yè)參數(shù)組合，研究結(jié)果為小型植保無人飛機(jī)在杧果及其他類似果園的空中噴灑作業(yè)提供一定的基礎(chǔ)指導(dǎo)。

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