基于多旋翼無人機的梨樹噴霧授粉技術

王士林 雷嘵暉 唐玉新 常有宏 呂曉蘭

摘要：近年來，梨樹液體授粉技術受到了越來越廣泛的關注，但目前梨樹液體授粉技術主要授粉機具為背負式噴霧器，這在一定程度上仍然沒有徹底改變梨樹授粉勞動強度大和作業效率低的問題，因此提出了基于多旋翼無人機的液體授粉技術，選用大疆T20型多旋翼植保無人機，對比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沉積霧滴的粒徑和覆蓋結果，同時對比液體噴霧授粉和人工點授粉時的坐果率。結果表明：使用多旋翼無人機噴霧授粉時，梨樹上層的霧滴粒徑和覆蓋率均明顯高于下層，使用背負式噴霧器進行授粉時冠層下層霧滴粒徑和覆蓋率大于上層，多旋翼無人機噴霧授粉時沉降霧滴的粒徑和覆蓋率均與其噴霧量呈正相關性;當多旋翼無人機噴霧量為218 L/hm2時，其在梨樹冠層上層的霧滴覆蓋率最高，為46.0%，使用背負式噴霧器噴霧時霧滴在梨樹下層的覆蓋率最高，為51.7%;多旋翼無人機的單位面積噴霧量越高，其授粉效果越好，當噴霧量為218 L/hm2時，花序和花朵坐果率分別為37.2%、15.2%。相比于傳統的人工點授粉和目前新興的背負式噴霧器液體授粉而言，采用低容量噴霧或超低容量噴霧的多旋翼無人機噴霧授粉的花序和花朵坐果率仍較低。

關鍵詞：梨樹;噴霧授粉技術;多旋翼無人機;授粉;覆蓋率;霧滴密度

中圖分類號：S252+.3 ??文獻標志碼： A ?文章編號：1002-1302（2020）23-0210-04

梨樹屬于自花不結實果樹，絕大多數的梨品種自花授粉不能結實，因此在梨園中必須合理配置授粉樹[1-2]。梨樹花粉主要靠風力或蜂蟲作為傳粉媒介，但在實際生產中由于自動化農業的發展、環境氣候的變化以及農藥和化肥等農化產品的過度使用對蜜蜂產生嚴重的毒害，致使其種群數量在近些年內急劇下降[3]。同時，由于異常天氣的影響，尤其是在開花期前出現連續低溫、盛花期間高溫或連續下雨等不良天氣會影響蜜蜂等昆蟲的活動，甚至造成主栽梨品種與授粉品種的花期不遇[4]。這些原因都會使授粉不良，降低坐果率，或造成花而不實。

因此，在梨的生產過程中果農常采用人工授粉的方式提高坐果率，確保梨的產量和品質。目前，人工授粉的方式主要有手工點授粉、機械噴粉和液體授粉等方式[5]。但面對盛花期的梨樹高大冠型，人工授粉存在嚴重的作業效率低、勞動強度大、授粉效果差等問題，因此亟須開發一種新型高效的梨樹授粉技術[6]。

無人機可通過遙控飛行，靈活性強[7]，可克服梨樹果園內地形復雜和冠層高大等問題，因此國內外相繼出現基于無人機的授粉技術研究。國外主要采用微型無人機先采粉后授粉的方式進行授粉，但由于技術條件和作業效率的限制目前并沒有真正用于農業生產中。近2年，國內開始采用植保無人機進行授粉作業，無人機授粉技術已被成功用于雜交水稻制種[8-10]，該技術是借助無人機旋翼氣流將父本的花粉吹向母本進行授粉。

隨著梨樹液體授粉技術的發展，采用背負式噴霧器噴霧授粉方式日趨成熟[11]，研究人員進而開始從事無人機噴霧授粉技術研究。與傳統背負式噴霧器相比，無人機為超低容量噴霧技術，單位面積噴霧量更低，霧滴粒徑更細，其噴霧霧滴沉積分布特性差異較大[12-13]。因此，為探究無人機在梨樹噴霧授粉效果，提高梨樹授粉質量和作業效率，本研究對不同噴霧參數下的多旋翼植保無人機液體噴霧授粉質量進行分析與探討。

1 材料與方法

1.1 液體授粉噴霧液

采用圓黃梨花粉配制花粉噴霧液，花粉采自江蘇省徐州市。梨花粉噴霧液由黃原膠、蔗糖、硝酸鈣和硼酸組成，以配制10 L花粉噴霧溶液為例，各組分的含量如表1所示。配制花粉噴霧溶液時，先將適量去離子水煮沸后緩慢加入提前稱量好的黃原膠并不斷攪拌，使其充分溶解后用紗布過濾倒入定容桶內。同樣地，將適量去離子水煮沸后加入提前稱量好的蔗糖使其充分溶解過濾，倒入定容桶內，進而根據表1所稱量好的硝酸鈣和硼酸溶解后依次倒入定容桶，待各組分溶液均倒入定容桶后加去離子水定容至規定體積并充分混勻，配制成花粉營養液。液體授粉前根據噴霧體積定量加入花粉，攪拌使其在花粉營養液中均勻分散，配制好的花粉噴霧液應盡快使用。

1.2 噴霧機具與試驗條件

1.2.1 試驗果園條件 試驗在安徽省宿州市碭山酥梨試驗站（116°20′49″E、34°25′42″N）開展，供試梨樹品種為碭山酥梨，為當地古老的優良品種，目前主要采取人工點授粉的方式進行授粉。試驗于2020年3月下旬進行，試驗期間梨樹開花率高達70%，試驗梨園梨樹行間距為8 m，株距為4 m，樹體株高約4 m，頂部冠幅約6 m。

1.2.2 噴霧機具及作業參數 選用大疆T20型多旋翼植保無人機進行噴霧授粉，該機最大有效起飛質量為47.5 kg，滿載載荷20 L，最大作業飛行速度可達7 m/s。其噴霧系統配備了8個SX111001VS型噴頭，單噴頭最大流量為3.6 L/min，霧滴粒徑130～250 μm，根據飛行高度，其有效噴幅可達4～7 m。為對該多旋翼無人機的噴霧授粉質量進行評價，分別選用人工點授粉和背負式噴霧器噴霧授粉進行對照（圖1）。多旋翼無人機設定3個不同噴霧量（分別編號為A、B和C），背負式噴霧器參考其日常作業噴霧量（編號為D），各處理的田間噴霧量見表2。

1.2.3 田間氣象條件 試驗期間分別使用Watch Dog 2000（美國Spectrum）型氣象站和SP3000型三維風速采集系統（意大利LSI-LASTEM）對田間溫濕度和風速進行測定。氣象站和三維風速儀固定在試驗果園上風口方向空曠位置，高度為距離地面3 m處，氣象站和三維風速采集系統的采樣頻率均為1 Hz，設定每隔10 min記錄1次各氣象參數的平均值。整個試驗期間溫度為15.3～23.0 ℃，相對濕度為32.9%～40.8%，平均最大風速不高于2 m/s。

1.3 樣品處理與檢測

1.3.1 冠層區域劃分與霧滴檢測 由于梨樹冠層高大，將其冠層劃分為上、下2層，分別在其冠層上層和下層部位選取5個布樣點放置水敏紙（先正達集團股份有限公司），用于接收冠層不同區域內的沉降霧滴。待噴霧完成且霧滴充分干燥后將水敏紙放入干燥信封保存并帶回實驗室使用掃描儀在600 dpi 下進行灰度掃描，通過DepositScan 軟件[14]對水敏紙上的霧滴粒徑、密度和覆蓋率進行分析。

1.3.2 坐果率調查 每個試驗小區選取3株梨樹用于坐果率調查，在每株取樣梨樹上選取50個花序，授粉試驗前對所選取花序進行掛牌并統計其花朵數。待授粉結束10 d后，分別對各處理下梨樹的花序和花果坐果率進行調查，并計算各處理下所選的3株梨樹坐果率的平均值。

2 結果與分析

2.1 噴霧參數對霧滴粒徑的影響

為有效評估水敏紙上霧滴粒徑分布范圍，選取DV10、DV50和DV90對各處理間的霧滴粒徑進行對比。DV10是指將全部霧滴按照體積從小到大的順序累加，當累加值等于全部霧滴體積的10%時所對應的霧滴直徑，同理DV50和DV90分別為霧滴體積累加至總體積的50%和90%時所對應的霧滴直徑，DV50又稱體積中值中徑。

對比霧滴在梨樹冠層上層和下層間的霧滴分布結果（表3）可知，對于多旋翼無人機噴霧授粉的3個處理，霧滴在上層的霧滴粒徑均明顯高于其在下層的粒徑。以其體積中值中徑（DV50）為例，處理A、B、C在上層的粒徑分別為914.0、742.6、2 223.7 μm，而下層分別為218.7、294.2、944.7 μm。使用背負式噴霧器進行授粉的處理D的霧滴呈現出上層霧滴粒徑小于下層粒徑的趨勢，其在上層霧滴的DV10、DV50、DV90分別為 328.1、600.2、1 048.8 μm，其在下層霧滴的DV10、DV50、DV90分別為596.8、1 417.0、2 155.9 μm。這一結果與2種噴霧機具的作業方式有關，采用旋翼無人機授粉的3個處理為空手噴霧，霧滴由梨樹冠層上方向下方沉降，受冠層遮蔽的影響，多數霧滴沉降到梨樹冠層上部，而下部霧滴相對較少，上層霧滴較多時會出現相互黏連或覆蓋的情況，從而導致霧滴鋪展面積增大;而背負式噴霧器由操作人員地面進行背負作業，霧滴難以向上運動到梨樹冠層頂部，其霧滴主要沉積在梨樹冠層的下層部位導致其下層霧滴粒徑大于上層。

對比多旋翼無人機噴霧授粉的3個處理結果，雖然3個處理選用同一套噴霧系統，其初始霧滴粒徑相同，但由于噴霧量的差異致使最終沉積到水敏紙上的霧滴粒徑有所差異。處理A、B在冠層上層霧滴的體積中值中徑分別為914.0、742.6 μm，兩者間無顯著性差異;同樣地，處理A、B在冠層下層的體積中值中徑分別為218.7、294.2 μm，兩者間也沒有顯著性差異。對于處理A和B，無論是上層還是下層沉積霧滴的粒徑均明顯小于處理C所對應的霧滴粒徑。總體而言，多旋翼無人機噴霧授粉時沉降霧滴的粒徑與其單位面積噴霧量呈正相關性。

2.2 噴霧參數對霧滴沉積量的影響

由表4可知，使用多旋翼噴霧的3個處理的霧滴覆蓋率分別為35.3%、28.4%、46.0%，處理A和B間差異不顯著，但2個處理的霧滴覆蓋率均顯著低于噴霧量最高的處理C。使用背負式噴霧器噴霧時霧滴在梨樹上層的覆蓋率為28.2%，與處理A和B差異不顯著，但其覆蓋率也顯著低于處理C。而在梨樹冠層的下層，由于背負式噴霧器為地面作業且單位面積噴霧量最高，因此其霧滴的覆蓋率最高，為51.7%，明顯高于使用多旋翼無人機進行噴霧授粉的3個處理;使用多旋翼無人機進行作業的3個處理的霧滴覆蓋率之間均存在顯著性差異，單位面積噴霧量越高其覆蓋率越大。

與霧滴粒徑的分布結果相似，使用多旋翼無人機噴霧時，霧滴在梨樹冠層上層的覆蓋率均高于其在梨樹冠層下層的覆蓋率;而使用背負式噴霧器作業時，霧滴在梨樹冠層下層的霧滴覆蓋率高于其在梨樹冠層上層的覆蓋率。這一結果也再次證明多旋翼無人機噴霧的霧滴主要集中于梨樹冠層的上部，而背負式噴霧器噴霧霧滴主要集中在梨樹冠層的下部。

與霧滴的覆蓋率相比，各處理間的霧滴在水敏紙上的覆蓋密度并無較大差異，除使用多旋翼無人機的處理A由于單位面積噴霧量較少且其霧滴主要集中于梨樹冠層上部，致使其在梨樹下層的霧滴密度最低，僅為54.1個/cm2，而其他處理的霧滴平均覆蓋密度均約為100個/cm2，無論是在梨樹冠層上層還是下層其霧滴密度均無顯著性差異。

2.3 噴霧參數對坐果率的影響

由圖2可知，使用背負式噴霧器和多旋翼無人機液體授粉方法的花序和花朵坐果率均低于人工點授粉的方式。人工點授粉的花序和花朵坐果率均最高，分別為76.8%、25.3%，使用背負式噴霧器液體授粉的處理效果次之，其花序和花朵坐果率分別為51.9%、17.4%。

相比于傳統的人工點授粉和目前新興的背負式噴霧器液體授粉而言，采用低容量噴霧或超低容量噴霧的多旋翼無人機噴霧授粉的花序和花朵坐果率仍較低。多旋翼無人機的單位面積噴霧量越高，其授粉效果越好，即噴霧量為102 L/hm2的處理A的花序和花朵坐果率分別為16.3%、7.8%;噴霧量為165 L/hm2的處理B的花序和花朵坐果率分別為20.3%、10.5%;噴霧量為218 L/hm2的處理C的花序和花朵坐果率分別為37.2%、15.2%。

3 討論與結論

人工點授粉的坐果成功率高，目前仍然是我國梨樹授粉最主要的方式[15]，但其存在勞動強度大、作業效率低、生產成本高等問題。為有效解決梨樹授粉難的問題，越來越多的科研人員開始從事梨樹液體授粉技術研究，目前梨樹液體授粉技術已在江蘇、甘肅、陜西和新疆等地推廣應用[16-17]。但目前所推廣應用的梨樹液體授粉技術主要授粉機具為背負式噴霧器，這在一定程度上仍然沒有徹底改變梨樹授粉勞動強度大和作業效率低的問題，因此本研究提出了基于多旋翼無人機的液體授粉技術。

相比于人工點粉的授粉方式，液體授粉效果不僅受機具噴霧質量的影響，還受花粉溶液中花粉活性的影響[17]。試驗選取的圓黃梨花粉活性在90%以上，為確?；ǚ廴芤褐谢ǚ鄣拿妊柯?，在梨花粉噴霧液中添加適量醋酸以調節其酸堿性，但試驗結果發現無論是背負式噴霧器還是多旋翼無人機的授粉效果較人工點授粉方式仍有一定的差距。

多旋翼無人機為超低容量噴霧或低容量噴霧，其單位面積花粉溶液用量較小，而背負式噴霧器單位面積梨花粉噴霧液用量大，因此多旋翼無人機的噴霧授粉效果低于背負式噴霧器。但多旋翼無人機較背負式噴霧器大大提高了作業效率，降低了勞動強度和人工成本。有研究表明，梨樹只需5%的花坐果就可以滿足實際生產需求[18]，雖然本研究中使用多旋翼無人機授粉的3個處理授粉10 d后的坐果率均大于這一數值，但在生產后期由于生理落果等進一步降低了梨樹的坐果率，致使梨樹產生減產風險。這一現象也可能與授粉后當地連續多日的低溫陰雨天氣有關，但為確保多旋翼無人機授粉的坐果率和作業效率，一方面應進一步優化無人機的飛行參數和噴霧量，另一方面還應增加梨花粉噴霧液的花粉萌芽率。

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