單旋翼植保無人飛機小麥返青期施藥作業參數優選

孫 濤,薛新宇,張宋超,金永奎,田志偉

(農業農村部南京農業機械化研究所,南京 210014)

0 引言

機械化植保是確保我國病蟲害有效防控的必要支撐,傳統的背負式手動噴霧器存在作業效率低、成本高,特殊農田條件行走難等問題,難以滿足現代農業高速發展的要求,而植保無人飛機的出現有效地緩解了落后的施藥器械、技術與日益增大的植保作業壓力之間的矛盾[1-3]。相較于傳統的背負式手動噴霧器,植保無人飛機具有應對突發災害能力強、不受作物長勢及作業場地限制等優勢,適合于各種地形的作物病蟲害防治;同時,采用低量高濃度的噴霧方式,可以大幅降低農藥及水的使用量,符合“農藥減施增效,農業綠色發展”的要求。但是,伴隨著植保無人飛機產業的井噴式發展,一些弊端也逐漸開始顯露,主要集中在施藥作業參數與實際需求的不匹配上,部分飛防施藥服務者為了片面地追求作業效率及利益,忽視了合適的作業參數的重要性,在作業過程中采用過高、過快的速度,不僅不能起到良好的病蟲害防治效果,還會造成農藥的浪費與飄移,給植保無人飛機飛防產業發展造成了很大的負面影響[4-8]。

隨著植保無人飛機在作物施藥作業中的廣泛應用,國內眾多科研院所針對植保無人飛機飛行作業參數與作業質量及病蟲草害防效之間的關系進行了大量的研究。邱白晶等[9]采用二因素三水平試驗方法探究了無人直升機噴霧沉積濃度、均勻性與作業高度、速度及兩因素間的交互作用的關系,并建立了沉積濃度、沉積均勻性、作業速度和高度之間的關系模型,用于指導實際作業。陳盛德等[10-11]研究了HY-B-10L型無人機不同噴霧作業參數對水稻冠層的霧滴沉積分布的影響,證明了作業速度和作業高度對于霧滴的沉積量影響顯著。秦維彩等[12-13]分別就無人直升機噴霧參數對玉米冠層霧滴沉積分布的影響和多旋翼無人機施藥參數(作業速度、作業高度和噴頭流量)對霧滴沉積分布的影響開展了研究。蒙艷華等[14]以 3WQF120-12 型單旋翼油動植保無人機為研究對象,采用正交試驗設計,對無人機防治小麥蚜蟲的主要作業參數(作業高度、作業速度和噴施流量)進行優選。上述研究涉及的主要噴霧參數有植保無人飛機作業高度、作業速度及噴施流量。

伴隨著病蟲害的發生,作物本身也在生長,其自身的特性也在發生變化,如果能夠針對不同的施藥目標調整噴霧方案,根據害蟲的生理習性和植物的病理特點選用適當的噴霧設施確定各種噴霧參數,則可以大大地提高農藥的作用效率[15]。本文以返青期的小麥為研究對象,采用CE20型單旋翼植保無人飛機,設計了3個因素(作業高度、作業速度、噴施流量)的試驗。同時,結合我國首個植保無人飛機行業標準《植保無人飛機質量評價技術規范NY/T3212-2018》,通過試驗優選出該植保無人飛機在小麥返青期的最佳參數,以期為應用同類型藥械防治同期小麥病蟲害提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地點

試驗于江蘇省泗洪農業示范區進行,種植小麥品種為遷麥33,播種方式為機條播,種植密度約為300株/m2。2019年3月11日開展試驗,小麥處于返青期,平均株高15cm。

1.2 試驗裝備和材料

試驗采用無錫漢和航空技術有限公司生產的CE20型電動單旋翼植保無人飛機,常規使用噴頭型號為Teejet XR110025,企業明示作業噴幅值為6m。該植保無人飛機經過測試,在作業速度為5m/s、作業高度為2m時,其水平偏航距標準差為0.18m,高度標準差為0.169m,速度標準差為0.104m/s,均符合《植保無人飛機質量評價技術規范NY/T3212-2018》要求[16],作業性能穩定。試驗中,田間的氣象數據采集裝置主要為FYF-1型手持式風速風向儀以及試驗用數字溫濕度表。手持式風速風向儀用于對試驗時的田間風速、風向進行實時的監測與記錄,風速測量精度為±0.3m/s,風向測量精度為±1方位;溫濕度表用于測量試驗環境的實時溫度與濕度。田間采樣裝置主要包括紙卡、萬向夾及塑料定位桿。

噴霧試劑采用誘惑紅試劑,現場配制成質量分數為 5‰的水溶液代替液體農藥進行噴施試驗,采用普通紙卡作為霧滴采集卡,紙卡尺寸為90mm×90mm。

1.3 試驗方法

1.3.1 采樣點布置

采樣點沿植保無人飛機預設航線的垂直方向布置,共平行布置3行,行間距為10m。第一排采樣點距離飛機起飛位置30m,以確保飛機經過采樣點時作業速度、作業高度及噴頭噴灑穩定。中心采樣點位于航線上,左右對稱各布置10個采樣點,一排共計21個,依次編號為1～21,中心采樣點為11,10-11-12間距為1m,9-10、12-13間距為0.5m,其余采樣點布置間距為0.25m,總寬度為7m,大于CE20植保無人飛機有效噴幅的企業明示值6m。飛機在飛過第三行采樣點30m后停止噴灑并返航。田間采樣點布置如圖1所示。將紙卡通過萬向夾夾在塑料定位桿上,定位桿插入地面,調整紙卡的位置與小麥葉片冠層保持高度一致,布置如圖1所示。

圖1 田間采樣點布置

1.3.2 試驗方案設計

為了優選出能夠保證小麥返青期施藥作業質量的植保無人飛機作業參數,在作業參數設計時,結合植保無人飛機實際作業,將作業速度設為3、4、5m/s3個水平,作業高度設為距離霧滴采集面高1.5、2、2.5m3個水平,噴頭流量通過調整壓力來實現,噴頭壓力設為0.2、0.3MPa,對應的噴頭流量為1.6L/min和2L/min兩個水平。各處理具體參數如表1所示。

表1 各處理具體參數

利用手持式風速儀監測并記錄每次處理飛行噴灑過程中的平均風速,利用溫濕度儀記錄整個試驗過程中溫度與濕度。

1.3.3 試驗處理

試驗開始前對紙卡進行編號,前兩位為對應的處理編號(A1～A9,B1～B9),第三位為對應的采樣行編號(1～3),后兩位為對應的采樣點編號(01～21)。每次試驗完成后,待采集卡上的霧滴充分干燥后,按照采樣點順序收集霧滴采集卡,并放入對應的密封袋中,帶回實驗室進行數據處理。

將收集的霧滴采集卡用掃描儀進行掃描,掃描的分辨率不低于600dpi,完成掃描后的圖像通過DropletScan軟件進行分析,得出在不同作業參數下的霧滴的覆蓋密度(個/cm2)與覆蓋率(%)。

植保無人飛機作業噴幅判定方法根據《植保無人飛機質量評價技術規范NY/T3212-2018》規定：從采樣區兩端逐個測點進行檢查,兩端首個單位面積霧滴數不小于15個/cm2的測點作為作業噴幅的兩個邊界,作業噴幅邊界間的距離為作業噴幅,取3行采樣卡測得數據的平均值。

采用作業噴幅內各采樣點的采樣卡霧滴覆蓋率的變異系數CV來衡量各處理試驗中作業噴幅內的霧滴覆蓋均勻性,計算公式為

2 結果與分析

2.1 試驗結果

試驗時風速為0.8～1.9m/s,平均氣溫為12℃,平均相對濕度為65%,符合植保無人飛機作業氣象要求。按照試驗數據處理要求,對各個采樣點的數據進行了數據處理與統計,對各組作業參數下的作業噴幅與作業噴幅內的霧滴覆蓋率變異系數進行了計算,詳細數據如表2所示。

表2 各處理作業噴幅與作業噴幅內覆蓋率變異系數

2.2 不同作業參數下的作業噴幅

根據《植保無人飛機質量評價技術規范NY/T3212-2018》所測得的CE20型植保無人飛機作業幅在不同作業參數下的差異性較大,對作業速度、作業高度、噴施流量與作業噴幅進行回歸分析,結果如表3所示。

表3 作業噴幅回歸分析結果

對于作業噴幅而言,由表3分析結果可知：作業速度對應的p-value=0.000 05<0.01,可認為作業速度對于作業噴幅的影響極顯著。在同一噴頭流量與作業高度下,當作業速度為5m/s時的作業噴幅明顯小于作業速度為4m/s和3m/s時的作業噴幅,如圖2所示。作業速度過高時,霧滴迎風風速過大,加大了霧滴的飄移,同時在掃過同樣的面積時,作業速度高,需要的時間更短,單位面積上沉積的藥液量更少,從而造成了作業噴幅的縮短。

圖2 同一噴頭流量、高度下下作業噴幅對比

噴施流量對應的p-value=0.027<0.05,因此可認為噴施流量對作業噴幅有顯著影響。同一作業速度與高度下,噴頭總流量為2L/min時的作業噴幅均大于噴頭總流量為1.6L/min時的作業噴幅,如圖3所示。隨著噴頭流量的變大,單位噴灑面積內的霧滴沉積量變大,霧滴個數隨之變多,相應的作業噴幅邊界點相對于小流量會更寬,從而引起作業噴幅的變大。

圖3 同一作業高度、速度下作業噴幅對比

在同一噴頭流量與作業速度下,總體上作業高度2m時的作業噴幅大于作業高度為2.5m和1.5m時的作業噴幅,如圖4所示。作業高度過高,霧滴從噴頭降至靶標葉面需要更多時間,增加了飄移的概率;作業高度過低時,霧滴運動時間較短,霧滴難以均勻鋪展開,從而引起作業噴幅的縮短。

圖4 同一噴頭流量、速度下作業噴幅對比

2.3 作業噴幅內覆蓋率變異系數

A1～A3這3組數據由于作業噴幅實測值較小,作業噴幅內的采樣點少,因此覆蓋率變異系數相對于其他組顯著降低,因此在研究作業速度、作業高度、噴施流量對作業噴幅內覆蓋率變異系數的影響時,對這3組不予以計算分析,其余組數據回歸分析結果如表4所示。

表4 作業噴幅內覆蓋率變異系數回歸分析結果

對于作業噴幅霧滴覆蓋率變異系數而言,作業高度對應的p-value=0.02<0.05,因此可認為作業高度對作業噴幅內覆蓋率變異系數的影響顯著?？傮w上,在同一作業速度與噴頭流量下,隨著作業高度的升高,作業噴幅內覆蓋率變異系數呈增大趨勢,如圖5所示。作業高度越高,霧滴在空中的運動時間越長,飄移的可能性越大,因此在靶標面上的覆蓋率差異性相對于較低的作業高度更大,變異系數也更大。

圖5 同一噴頭流量、速度下覆蓋率變異系數對比

噴施流量對應的p-value=0.03<0.05,因此可認為噴施流量對作業噴幅內覆蓋率變異系數的影響顯著。如圖6所示：總體上在同一作業高度與作業速度下,隨著噴頭流量的變大,霧滴總數變大,作業噴幅內的覆蓋率變異系數呈降低的趨勢。

圖6 同一作業速度、高度下覆蓋率變異系數對比

在這些處理中,A8、B5、B8、B9處理對應的作業噴幅均大于5m,作業噴幅內的覆蓋率變異系數分別為30.7%、26.2%、24.8%、23.3%,均呈現出了較好的霧滴覆蓋率均勻性。

2.4 作業效率與畝施藥液量

由2.1與2.2分析結果可知：在A8、B5、B8、B9處理中,所測得的作業噴幅與作業噴幅內覆蓋率變異系數相對于其他處理比較良好,這4組處理對應的作業效率與每公頃藥液量如表5所示。

小麥返青期時,由于小麥株高較小,葉密度低,相較于小麥生長周期后期,霧滴更容易穿透至各層葉片上,因此在小麥返青期的作業,作業效率及霧滴覆蓋率均勻性更為重要,因此較優的作業參數為作業高度2m、作業速度4m/s、噴頭總流量2L/min,對應的作業效率為1380m2/min,每公頃施藥液量為14.5L,作業噴幅內霧滴覆蓋率變異系數為26.2%,霧滴覆蓋率均勻性較好。

實際生產作業時,漢和CE20型電動單旋翼植保無人飛機可載藥量為20L,在選用作業高度2m、作業速度4m/s、噴頭總流量2L/min這一參數組合時,一個架次可以作業的持續噴灑時間約為10min,由于在實際飛行過程中,由于航線設置飛機在進行折返時需要進行減速與加速,實際單架次作業時間大于10min,平均單架次飛行時間按12min計算,其作業面積約為13 800m2,加上上架次之間起飛、降落、加藥、更換電池等平均時間6min,1h可施藥面積約為46 000m2,按照作業時間8h/d計算,該型植保無人飛機的日理論作業效率可達36.8hm2/d。

3 結論與討論

1)作業速度與噴施流量對該型植保無人飛機的作業噴幅影響顯著,作業高度和噴施流量對作業噴幅內霧滴覆蓋率變異系數影響顯著。在5m/s的作業速度下,植保無人飛機作業噴幅明顯小于企業明示值,在作業進行航路規劃時,如果依然按照明示值來進行航路規劃,則會出現明顯的漏噴現象,直接影響到整體的作業質量與防治效果。

2)在實際使用植保無人飛機作業時,應就常規使用的作業參數組合,進行實際作業噴幅的測定,同時計算在各種作業參數下對應的單位施藥液量來進行實際藥液濃度的配比,以達到更好的防治效果。該植保無人飛機在作業高度2m、作業速度4m/s、噴頭總流量2L/min這一參數組合下,作業噴幅可達5.75m,作業噴幅內霧滴覆蓋率變異系數為26.2%,對應的施藥液量為14.5L/hm2,單日綜合作業效率為36.8hm2/天。

3)小麥不同生育周期的長勢及病蟲害發生特性差異較大,返青期時小麥植株高度與葉密度較低,霧滴穿透相對于生長后期要更為容易。因此,篩選出的作業參數組合主要以作業效率與覆蓋均勻性為主要考量因素,小麥后期病蟲害防治參數選擇在這兩個因素上必須加入霧滴穿透性作為主要考量的因素之一,只有結合小麥的長勢及對應防治病蟲害的發生特性來制定噴灑參數才能保證植保作業的質量與防效。