植保無人機作業參數對水稻冠層霧滴沉積分布影響研究

余文勝，鄭文鐘，洪一前，楊曉平，宋 濤，金浙紅，董玉玲

（1 浙江省農業機械試驗鑒定推廣總站,310020,浙江杭州;2 浙江大學,310058,浙江杭州;3 金華市農業機械管理站,321017,浙江金華;4 浙江省植保檢疫與農藥管理總站,310004,浙江杭州；5 浙江省畜牧農機發展中心，310020，浙江杭州）

水稻是浙江省種植面積最大、總產量最高的糧食作物。據統計，2018 年浙江省水稻種植面積65.107 萬hm2，占全省糧食種植面積的66.73%；同期全省水稻總產量477.40 萬t，占糧食總產量的79.68%。[1]水稻病蟲害種類繁多，據相關文獻報道有139 種，其中病害61種、蟲害78 種[2]。國內每年因病蟲害發生導致糧食減產占總產量的15%～40%。因此，加強水稻病蟲害防治，對減少水稻產量損失、確保糧食安全具有重要意義。化學防治是當今國內外水稻病蟲害防治的主要方式，農藥施藥方式有人工噴施、地面機械噴施和航空噴施。以植保無人機為代表的航空噴施是浙江省近年來發展起來的一種新的水稻病蟲害防治方式，具有作業效率高、成本低、作業受地形影響小，以及施藥人員安全等優點。目前全省水稻植保無人機作業面積不大，總體上處于起步階段。植保無人機噴霧霧滴在水稻冠層沉積分布狀況對病蟲害防治效果有重要影響，而植保無人機作業參數是影響其霧滴沉積分布的關鍵因素。目前，水稻種植管理中植保無人機作業參數的確定主要依靠飛手經驗，從而對防治效果產生了一定影響。鑒此，本文在參考國內同類研究文獻基礎上，利用正交試驗設計法，尋求能獲得較好噴霧霧滴分布的植保無人機作業參數，進而為浙江省植保無人機在水稻病蟲害防治作業中的應用推廣普及提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 試驗設備 試驗植保無人機選用浙江東田科技有限公司生產的3WD4-10 型多旋翼無人機，外形尺寸（直徑×高）為Φ1 225 mm×450 mm，噴頭對角間距1.2 m，噴頭4 個，噴頭類型為扇形噴霧頭，布置方式為前后各2 個；便攜式風速風向儀；便攜式溫濕度儀；電子秤、量杯；采集卡布放架；canon lide 400 型掃描儀；自封袋；等等。

1.1.2 供試藥劑 噴霧試驗中所用藥劑為亮泰（阿維·氯甲酰胺）、農精靈（苯甲·嘧菌酯），生產企業分別為先正達、惠州銀農科技；噴霧指示劑誘惑紅為胭脂紅，生產企業為上海染料研究所有限公司。

1.1.3 防治對象 水稻一代二化螟、白葉枯病等。

1.2 場地氣候

1.2.1 試驗地址 試驗地址選在金華市佐合糧食專業合作社，水稻栽植方式為直播，品種為中早39，生育期為分蘗期，水稻植株平均高度25～30 cm，112.5 萬株/hm2。田塊地勢平坦、肥力均勻、保水性能好、排灌方便。

1.2.2 環境氣候 試驗時間為2020 年5 月22 日11：10—13：30。當天天氣陰天，環境氣溫22～25.1 ℃，平均相對濕度78.2%，風速0.61 m/s，東偏南2 級。

1.3 試驗方法

1.3.1 試驗設計 試驗采用三因素三水平的正交試驗設計方法，考察植保無人機飛行高度、作業速度、噴頭流量對農藥藥液霧滴的影響[3，4]。正交試驗設計的因素、水平如表1 所示。

表1 試驗因素與水平

試驗選用L9（34）正交表來安排試驗，表2 為正交試驗方案表，將考察因素每列中的數值換成相應的水平的實際數值。

表2 正交試驗方案表

1.3.2 采樣點布置 在試驗區塊，分別在小區長度的1/4、2/4、3/4 處，按與植保無人機飛行作業方向的垂直方向，各設置一條霧滴采集帶（采集帶由三個采集點構成，相鄰采集點間距離為1 m，中間一個采集點布置在無人機航道中心線），每條航道設置3 條霧滴采集帶，一個試驗小區內相鄰的三條航道內設置霧滴采集帶，共9 條霧滴采集帶、27 個霧滴采集點。霧滴采集卡編號規則：I-n。I 為試驗區塊的標號，取值范圍1～9；n 表示第I 個試驗區的采樣點，取值范圍1～27。

1.4 數據采集處理

1.4.1 數據采集 每次試驗完畢，待采集卡上的霧滴干燥后，按照序號收集霧滴采集卡，然后逐一放入相應的密封袋中，回辦公室處理。將收集的霧滴采集卡逐一用掃描儀掃描，掃描后的圖像通過圖像處理軟件Deposit Scan(V1.2)進行處理分析，根據文獻[5]中方法，得到植保無人機不同作業參數下的霧滴覆蓋率、覆蓋密度和單位面積上的沉積量。

1.4.2 數據處理 為表征試驗中各采集點之間的霧滴覆蓋密度（或沉積量）均勻性，以植保無人機有效噴幅區內不同采集點上霧滴覆蓋密度（或沉積量）的變異系數（CV）來衡量試驗中霧滴的分布均勻性，變異系數（CV）計算見公式（1）、（2）。變異系數越小表示霧滴覆蓋越均勻。

式中：S 為同組試驗采集樣本標準差；Xi為各采集點單位面積上的霧滴密度（或沉積量），個·cm-2（或μL·cm-2）；為各組試驗采集點的平均霧滴密度（或沉積量），個·cm-2（或μL·cm-2）；n 為各組試驗采集點個數。

2 結果與分析

2.1 冠層霧滴沉積分布特征

按照預先確定的試驗方案的9 個處理，植保無人機在9 個試驗田塊內分別進行噴霧作業，對收集到的霧滴采集卡利用軟件處理，可得到用于描述植保無人機噴霧霧滴沉積分布特征的相關指標參數[6]。各處理下的指標值詳見表3。

2.1.1 沉積覆蓋率和分布密度及均勻性 根據水稻化學防治對無人機噴霧質量要求，較高的霧滴覆蓋率和霧滴密度，以及霧滴分布均勻是取得較好防治效果的前提。由表3 可知，有較高的密度和霧滴覆蓋率的處理為處理1、處理8、處理9，尤其是處理1 最高，其次是處理9。另一方面，為考察霧滴密度和霧滴沉積分布的均勻性，利用公式（1）、（2）計算出9 個不同處理下的霧滴沉積密度和沉積量的均勻性，結果見表4。由表4 可知，沉積密度較大且其霧滴密度變異系數較小的處理為處理1、處理8、處理9 三個處理。同理，由表4 可知，沉積量較高且其變異系數較小的處理有處理6、處理9 兩個處理。

表3 植保無人機噴霧霧滴在水稻群體內的沉積分布

表4 水稻植保無人機霧滴沉積試驗結果及處理

綜上兩方面分析可知，處理9 的各因素水平能夠達到農用植保無人機噴霧作業對霧滴密度、霧滴沉積量，以及二者變異系數的要求。

2.1.2 霧滴粒徑分布和相對粒譜寬度 在化學防治過程中，由于細小霧滴在作物葉片表面覆蓋的密度和均勻度遠優于粗大霧滴，而且附著性好、不易流失，因而農藥利用率高。由表3 可知，植保無人機噴霧霧滴粒徑的體積中值直徑（DV.5）主要分布在397.74～668.70 μm。其中，處理6 的DV.5 最大，達668.70 μm；處理7 的DV.5 最小，達397.74 μm。與此同時，霧滴體積中值直徑較小的還有處理5、處理9，其DV.5 的值分別為405.26 μm、416.15 μm。另一方面，相對粒譜寬度為DV.9 與DV.1 的差值跟DV.5 之比，是國際上用來衡量霧滴噴灑效果的常用指標，其數值越小越好，理想值為0，即占總體積80%的霧滴體積相同[6]。由表3 最后一列可知，9 個處理的植保無人機噴霧霧滴粒徑相對粒譜寬度相差不大，都在數值1 左右變化。這表明試驗所用植保無人機噴霧效果并不很理想，這也是目前植保無人機普遍存在的問題，這樣的結果是飛行參數、噴頭、作物自身特性等多因素共同造成的。

2.2 霧滴沉積量和均勻性極差分析

根據上述9 個處理試驗獲得沉積量和沉積量均勻性數據，利用DPS 軟件對沉積量及其均勻性進行極差分析，影響二者各因素在不同水平的極差值如表5 所示。

2.2.1 霧滴沉積量極差分析 從藥液噴施質量要求考察，霧滴沉積量越大越好，故應選取能使沉積量大的因素水平。根據表5 中三個作業參數有關沉積量的極差R 值，能獲得較大沉積量的各因素較優水平分別為噴頭流量A1、飛行高度B2、作業速度C1，三個作業參數較佳組合為A1B2C1。另外，按三個作業參數的極差R 值大小順序，影響藥液霧滴沉積量多少的主次因素依次為C、A、B。產生上述結果的原因：首先，在其他條件相同前提下，加大噴頭流量會使噴頭單位時間內噴出的霧滴數量增加。其次，霧滴運行速度受霧滴直徑大小、初始速度的影響。通常小霧滴運行速度衰減快，大霧滴衰減慢，因而植保無人機飛行速度對小霧滴影響較大，但對大霧滴影響不大。第三，植保無人機飛行高度影響植株冠層上方垂直風場的強弱，若飛行高度太高，水稻植株冠層上方的垂直風場減弱，霧滴易受側風影響發生飄移，從而使霧滴沉積量減少；反之，無人機與水稻植株之間形成的較強紊流會造成霧滴的過度流失而影響霧滴沉積。因此，只有當噴頭流量較大，飛行速度較低，以及飛行高度適中時，水稻植株冠層才能獲得較高的霧滴沉積量。綜上分析，有較大沉積量且沉積分布比較均勻的處理有處理6、處理9 兩個處理。

2.2.2 霧滴沉積均勻性極差分析 霧滴沉積均勻性是利用各霧滴采集點上沉積量的變異系數來描述，變異系數越小則表示霧滴沉積越均勻，因而應選取能獲得較小沉積量變異系數的因素水平。為此，根據表5 中三個作業參數有關沉積量均勻性的極差R 值，能獲得較小變異系數的各因素較優水平分別為噴頭流量A2、飛行高度B3、作業速度C3，三個作業參數較佳組合為A2B3C3；而影響霧滴沉積變異系數大小的主次因素順序為C、A、B。產生此結果的原因：當作業速度較慢和作業高度較低時，植保無人機下方的旋翼風場過強，導致其霧滴沉積在水稻冠層的均勻性較差。這點從試驗處理1、處理2 的霧滴沉積變異系數208.18%、100.29%得到充分說明。因而需要較高的作業速度、高度和較大的流量，才能使霧滴均勻地沉積在水稻冠層。

表5 農藥霧滴沉積量和均勻性極差分析

3 討論與結論

（1）植保無人機噴霧霧滴在靶標作物上的沉積效果，既是評價其在農田作業效果的重要指標，也是決定病蟲害防治能否取得效果的關鍵因素。植保無人機霧滴沉積效果可用霧滴密度和均勻性、霧滴沉積量、霧滴粒徑等指標描述。影響植保無人機霧滴沉積效果的因素有很多，但在農田實際防治應用過程中，其飛行速度、飛行高度、噴頭流量等作業參數選擇是否合理對霧滴沉積效果具有重要影響。因此，采用科學方法對植保無人機噴霧作業參數進行優選是取得良好霧滴沉積效果和化學防治效果的前提條件，也是推廣應用植保無人機的一項基礎工作。

（2）本文以目前在金華市作業面積較大的浙江東田科技有限公司的3WD4-10 型多旋翼無人機為對象，結合國內相關研究文獻和正交試驗設計法，對其三個主要作業參數進行優選。根據試驗霧滴采集卡的數據處理結果可知，處理9 的因素水平即噴頭流量q=3.0 L/min、作業高度h=2.5 m、飛行速度v=4.5 m/s 時，植保無人機的霧滴沉積效果最好。同時根據極差分析可知，影響霧滴沉積密度的試驗因素主次順序依次為作業速度v、飛行高度h、噴頭流量q，而影響霧滴沉積均勻性的試驗因素主次順序亦是作業速度v、飛行高度h、噴頭流量q。

（3）如前所述，植保無人機噴霧霧滴沉積效果受多種因素影響。據國內外研究文獻表明，在農藥中添加某些種類噴霧助劑，對提高植保無人機噴霧霧滴在作物冠層上部的沉積量（密度）和有效沉積率有較為明顯作用[7]。由于本次試驗中未在農藥中添加噴霧助劑，可能在一定程度上影響了霧滴在采集卡上的沉積數量。為此，有必要在下次水稻病蟲害防治試驗中添加某些種類農藥噴霧助劑，進而分析噴霧助劑對改善霧滴沉積效果、提高霧滴沉積量和有效沉積率的作用。