植保無人機噴施除草劑噴頭選擇及參數優化*

謝英杰，王國賓，王寶聚，單常峰，蘭玉彬, 3

(1. 山東理工大學農業工程與食品科學學院，山東淄博，255022；2. 國家精準農業航空施藥技術國際聯合研究中心山東理工大學分中心，山東淄博，255022；3. 山東省農業航空智能裝備工程技術研究中心，山東淄博，255022)

通訊作者：蘭玉彬，男，1961年生，吉林農安人，博士，教授，博導；研究方向為精準農業航空。E-mail: ylan@sdut.edu.cn

0 引言

小麥分為冬小麥和春小麥，是我國第二大糧食作物，有著悠久的種植歷史。據統計，其種植面積占全國耕地總面積的30%，約30 000 khm2；總產量占全國糧食總產量的22%，約1億t，僅次于水稻[1]。然而近年來，小麥田中雜草種類不斷增加，通過爭奪光照、生存空間以及水肥等必需養分嚴重抑制小麥生長發育，導致小麥減產[2]。雜草危害嚴重時，減產率達30%以上，成為制約小麥生產的重要因素之一[3]。

現階段，針對小麥草害的防治主要以人工噴施、地面機械噴施和航空噴施的農藥噴施方式為主[4-5]。其中，傳統的人工噴施及地面機械噴施方式存在效率低、耗時長、作業成本高、藥劑有效利用率低等問題[6-7]。在下田作業過程中，由于人員踏田及機械碾壓的影響，易出現壓苗現象，嚴重損害作物生長及土壤結構，導致減產[6-8]。同時，傳統地面噴施的用藥與用水量較大，不僅導致農藥浪費，還易對周邊環境造成污染,且操作人員也面臨農藥中毒的風險[9]。而航空噴施作為新型噴施方式，消除了傳統施藥方式存在的種種弊端，逐漸成為人們首選的高效噴施作業方式[10]。

植保無人機(UAV)是當今農藥噴施過程中新的噴灑手段，近幾年來逐漸引起人們的關注并廣泛應用到各類農作物的施藥階段，是農業航空領域重要組成部分[11]。與傳統地面施藥器械相比，植保無人機的優勢突出：其具有良好的機動性，工作效率高；使用專業飛防藥劑，用藥成本低；添加專用飛防助劑，均勻性和穿透性更好[12-13]。并且植保無人機機身小不需要建立特定機場[7]，受地形環境因素的限制小，解決了小麥生長過程中大型機械難以下田的問題，消除了對作物及土壤產生的機械損害[14-15]。同時，無人機施藥過程人機分離，其產生的下旋氣流有效減少藥劑的飄移，不僅降低了施藥人員農藥中毒的風險，而且在很大程度上減少了對周邊環境的污染[7]。

隨著農業航空施藥技術的廣泛應用，國內外研究學者針對不同因素影響植保無人機噴施霧滴的沉積性進行了大量試驗與研究[16-17]。其中包括噴霧參數[18]、作物類型[10-18]和氣候參數[19-20]等因素。王玲[21]通過數值模擬技術對多旋翼植保無人機進行了多因素沉積規律仿真研究，發現氣流速度、噴霧高度、噴頭噴施角度相較于霧滴粒徑對霧滴沉積規律的影響更為顯著。文晟等[22]發現當噴嘴出口直徑從1增大至1.5 mm，噴霧流量平均增大了46.23%，產生霧滴的平均直徑平均增大了15%，噴嘴出口直徑是噴嘴霧化性能的主要影響因素。Berger等[23]通過大噴霧體積研究了XR和AI噴嘴對噴霧覆蓋霧滴百分比的影響，發現噴霧覆蓋百分比分別為 47.0% 和 28.0%。在除草性能方面，XR噴嘴在處理區防治效果高于AI噴嘴。

其次，不同類型作物的霧滴沉積效果也不同。陳盛德等[24]研究了HY-B-10L型單旋翼電動無人直升機在不同作業參數下對雜交水稻植株冠層噴施作業的霧滴沉積分布效果；秦維彩等[25]通過改變N-3型無人直升機的作業高度和噴灑幅度對玉米作物進行噴施試驗，研究了噴灑參數對玉米層的霧滴沉積分布的影響。Pan等研究發現在植物籬形和開放中心形樹冠上，霧滴分布性能優于圓頭形植物。Wang等發現小麥作物冠層的霧滴沉積大于中層和下層。此外，氣候參數也影響了霧滴的沉積分布。Wang等發現不同風速對霧滴沉積產生不同程度的影響，風速越大，霧滴沉積量越少。Hunter等[20]也發現霧滴沉積受到大氣穩定性的影響，穩定的大氣條件可以增加霧滴沉積。魯文霞[26]發現一定的風速有利于霧滴的沉積，當風速為2.5 m/s時，沉積區霧滴沉積效果最好。

當前，我國植保行業仍處于發展中階段，為掌握植保無人機航空噴施霧滴沉積規律，實現對農作物的精準施藥，需對植保無人機精準施藥基礎理論和技術開展深入研究[10]。

現階段，我國無人機行業發展迅速，植保無人機種類主要以單旋翼油動、單旋翼電動、多旋翼油動及多旋翼電動等為主。然而，由于不同機型的機身構造各不相同，在病蟲害防治過程中，對作業高度及速度、噴施流量以及霧滴粒徑等作業參數的要求也不同，且不同作物的病蟲害發生特點不同，需要設置的噴施參數也不同。在植保無人機的應用過程中，需要根據現場環境與防治對象的問題特點，有針對性的設置試驗優選出最佳作業參數，再在實踐中推廣應用。

因此，本研究應用小型四旋翼植保無人機進行了冬小麥除草劑噴施的田間試驗，探究不同噴頭類型在不同的噴施流量下霧滴沉積分布效果的影響，以期為應用同類型機械防治麥田草害提供科學的理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗設備

本試驗采用電動四旋翼植保無人機T20，其機械構造參見圖1。四旋翼植保無人機T20標配RTK厘米級定位功能，實現高精度實時運動學差動定位，同時搭載全向數字雷達，可對水平全向障礙物進行識別，具備自動繞障及仿地飛行功能，充分保障作業安全，解決了復雜地形作業難的問題。T20采用壓力式左右雙噴頭布局，噴灑分布更加均勻，其外形尺寸(長×寬×高)為2 509 mm×2 213 mm×732 mm，最大載藥量為20.0 L，飛行作業速度為3.0 m/s，作業高度為2.0 m，有效噴幅寬度為5.0 m，噴頭間距為1 332 mm。

大數據首先肯定會對數據的數量有一個基本的要求，體現在大數據上最關鍵的能力就是對數據采集發掘的能力，只有將所需要的數據深度、大范圍的發掘、采集到才是“大”的直接體現。因此對大數據時代而言，最為直觀就是計算機對于數據采集能力的大。

圖1 T20四旋翼電動無人機Fig. 1 T20 four-rotor electric unmanned aerial vehicle

1.2 試驗場所及環境氣候

本試驗于2020年11月在山東省淄博市臨淄區禾豐種業生態無人農場(E118.224965°；N36.950887°)進行，試驗對象為2020年10月播種的“齊民6號”冬小麥，其株高10.0±1.0 cm，株距15.0 cm，種植密度3.3×106株/hm2。試驗期間為小麥三至五葉期的冬前除草時期，闊葉雜草為田間主要雜草類型，其密度為5～35株/m2。為避免室外試驗中風對試驗結果的影響，在上風向遠離航線、離地2.0 m處布置Kestrel5500Link微型氣象站，記錄時間間隔為5 s，實時記錄試驗過程中的溫度、濕度、風速、風向等氣象信息，詳見圖2。噴施作業當日(2020年11月25日)，平均溫度5.5 ℃，相對濕度43.6%～61.3%，風速0～0.2 m/s，風向為北風。圖3為臨淄區近一周內的溫度變化。

圖2 氣象站設置Fig. 2 Weather station setting

圖3 臨淄區近一周內的溫度變化Fig. 3 Temperature changes in Linzi District in the past week

1.3 試驗方法

1.3.1 試驗設計與材料

本試驗選用小麥田闊葉除草劑銳超麥TM，其有效成分為10%雙氟磺草胺和10%氟氯吡啶酯。本試驗共設置8個處理，研究了噴頭類型和噴液量對霧滴沉積的影響。試驗田面積約為50.0 m×20.0 m，各處理采用隨機區組設計，每個處理設置3次重復，以減少田間試驗供試地塊環境因素對試驗結果帶來的誤差。其中，使用DG11003型和SX11001VS型兩種噴頭，設置7.5、15.0、22.5、30.0 L/hm2四種不同噴液量。具體試驗處理設計詳見表1。

表1 試驗處理設計Tab. 1 Test treatment design

1.3.2 采樣點布置

試驗共設置3組重復采樣帶，各采樣帶間距相等為10.0 m，由于T20植保無人機有效噴幅為5.0 m，故采樣帶總長度10.0 m。圖4為T20植保無人機噴施作業采樣點布置圖，從左到右進行標記，第一個采樣點記為0 m，最后一個采樣帶記為10.0 m，每條采樣帶共設置11個采樣點。

圖4 采樣點布置Fig. 4 Sampling point arrangement

1.4 數據采集與處理

1.4.1 數據采集

本試驗所用示蹤劑誘惑紅，純度為85%。誘惑紅是一種水溶性、低毒、高回收率的示蹤劑，廣泛應用于此類研究中[27-28]。場地測試設置如圖5所示，使用卡羅米特卡片(20 mm×80 mm)對霧滴進行采集，將卡羅米特卡片水平固定在距地面10.0 cm即小麥冠層處的塑料板上，用于測量霧滴沉積(霧滴密度及霧滴覆蓋率)。當藥液噴施至小麥冠層后，待卡上霧滴干燥，將其收集于自封袋中，密封，標記編號，帶回實驗室進行處理。在短時間內，用GT1500型愛普生掃描儀在600 dpi 的分辨率下對卡羅米特卡片進行掃描并儲存。然后，使用DepositScan圖像處理軟件對掃描后的圖像進行處理分析，得出T20植保無人機在不同作業參數下的霧滴覆蓋率及霧滴密度[29]。

圖5 場地測試設置Fig. 5 Test setup in the field

1.4.2 數據處理

本試驗通過SPSSv19.0及Microsoft Office Excel 2019軟件對數據分析檢驗，所有圖表均通過Origin 8.0繪制。為了表征試驗中各采集點之間的霧滴沉積均勻性，本試驗采用變異系數(CV)來表征試驗中無人機有效噴幅區內的各采集點之間的霧滴沉積均勻性[30]，變化系數越低，霧滴分布越均勻，計算公式如式(1)和式(2)所示。

(1)

(2)

Xi——每個采樣點的霧滴密度(或霧滴覆蓋率百分比)，個/cm2(或%)；

n——每個試驗組的采樣點個數，個。

2 結果與討論

2.1 不同噴液量及噴頭類型下的霧滴覆蓋率

不同噴液量下兩種噴頭類型的霧滴覆蓋率如圖6所示。隨著噴液量及噴頭類型的不同，霧滴覆蓋率也表現出一定的差異。當噴液量為15.0 L/hm2及30.0 L/hm2時，防飄噴頭DG11003噴施效果較好，其霧滴覆蓋率均高于原裝噴頭SX11001VS；而當噴液量為22.5 L/hm2時，結果相反，大疆原裝噴頭SX11001VS噴施效果明顯高于防飄噴頭DG11003。同時，對防飄噴頭DG11003而言，隨著噴液量的增加，霧滴覆蓋率逐漸增加；而對于原裝噴頭SX11001VS而言，當噴液量≤22.5 L/hm2時，其霧滴覆蓋率隨著噴液量的增加而增大，當噴液量為30 L/hm2時，其霧滴覆蓋率出現一定程度降低。霧滴覆蓋率是霧滴沉積的重要參數，也是評價噴施效果的重要指標。由于不同噴頭類型產生的霧滴粒徑不同，其霧滴覆蓋率也隨之變化。本試驗選用的防飄噴頭DG11003產生霧滴粒徑較大，當噴液量為15 L/hm2及30.0 L/hm2時，其噴施效果較好，霧滴覆蓋率均高于原裝噴頭SX11001VS。噴液量對霧滴覆蓋率也有很大的影響。已有的研究也證實了這一點，如范鑫等[31]采用三因素五水平的正交試驗方法，研究極飛P30植保無人機對結莢期花生航空施藥時不同飛行參數對霧滴覆蓋率、霧滴密度和霧滴沉積量的影響，結果表明：噴液量對三種霧滴沉積特性的影響均為極顯著。Wang等[32]研究了三種噴液量(9.0、16.8、28.1 L/hm2)對霧滴覆蓋率的影響，發現霧滴覆蓋率隨著噴液量增加而增加。

兩種噴頭類型及噴液量的相互作用導致了不同的霧滴覆蓋率，對除草劑在麥田中的藥效有重要影響。據統計，在71%除草劑噴施試驗中，其藥效會隨著霧滴粒徑的減小而增加；在44%除草劑噴施試驗中，隨著噴液量的增加其藥效也隨之增加[33]。因此，通過對冬小麥田間除草試驗霧滴覆蓋率的研究可以看出，冬小麥的田間除草效果受噴頭類型及噴液量的影響。在實際施藥過程中，應根據具體的施藥類型及施藥環境選定適合的噴液量等作業參數，因地制宜，優選出最合適的施藥方案。

圖6 不同噴液量下的霧滴覆蓋率Fig. 6 Percentage of spray coverage under different spray volume

2.2 不同噴液量及噴頭類型下的霧滴密度

圖7為兩種噴頭在不同噴液量參數下噴施作業的霧滴密度試驗結果。噴液量一定時，使用防飄噴頭DG11003噴施作業下霧滴密度均大于原裝噴頭SX11001VS，且存在顯著差異。噴液量為15.0 L/hm2時差異最為顯著，防飄噴頭DG11003的霧滴密度比原裝噴頭SX11001VS高出163.7%。對于兩種噴頭類型，霧滴密度均隨噴液量的增加而增加，但當噴液量≥15.0 L/hm2時，對于防飄噴頭DG11003影響較小。應用防飄噴頭DG11003時，不同噴液量下的霧滴密度分別為27.9、69.9、69.9、73.0個/cm2；而應用原裝噴頭SX11001VS時，不同噴液量下的霧滴密度僅為13.7、26.5、47.2、37.1個/cm2。

圖7 不同噴液量下的霧滴密度Fig. 7 Number of droplets under different spray volume

霧滴密度是影響除草劑藥效的關鍵因素之一[34]。霧滴密度的增大可以增加農藥與靶標接觸的概率，從而提高麥田草害防治效果，即使是高濃度農藥也需要一定的霧滴密度才能達到良好的防治效果。Merritt[35]在對除草劑防效的研究中發現百草枯在用量一定的情況下，噴施不同霧滴密度對其防效影響不大，但草甘膦的防治效果隨著霧滴密度的增大而增加。Xu等[36]在對稻縱卷葉螟防治試驗中發現，當霧滴密度超過一定數量時，減少氯蟲苯甲酰胺的使用量仍對稻縱卷葉螟有一定的防治效果；當低容量噴霧時，可通過增加霧滴密度提高氯蟲苯甲酰胺的防治效果。有研究表明，霧滴密度隨著霧滴粒徑的減小而增加[37-38]，但微小的霧滴會導致嚴重的飄移問題[39-40]。本研究選用的防飄噴頭DG11003在一定程度上緩解了霧滴的飄移問題。在相同噴液量下，防飄噴頭DG11003的霧滴密度顯著大于原裝噴頭SX11001VS，對于冬小麥田間除草具有更好的防治效果。同時，有研究表明隨著噴液量的增大霧滴密度也會隨之增加，但當噴液量較大時，由于霧滴更容易發生重疊，霧滴粒徑對霧滴密度的影響不大[41-42]。這也就解釋了當噴液量≥15.0 L/hm2時，噴液量的增加對防飄噴頭DG11003霧滴密度的影響不大。因此，在應用四旋翼植保無人機T20進行冬小麥田間除草作業時，不僅要考慮噴液量及噴頭類型的影響，還要綜合考慮農藥種類、除草時間等因素。

2.3 不同噴液量及噴頭類型下的霧滴沉積分布

較高的霧滴覆蓋率及霧滴密度，以及均勻的霧滴分布是麥田除草作業取得較好防治效果的前提。圖8、圖9分別為不同處理在各采樣點處的霧滴覆蓋率及霧滴密度，其中SV表示噴液量，CV表示變異系數，平均值±標準誤差，變異系數的變化范圍分別為40.0%～73.4%和42.4%～62.0%。由圖8可知，噴頭類型及噴液量對霧滴覆蓋率分布影響無顯著差異。而由圖9可知，對于霧滴密度分布而言，相較于防飄噴頭DG11003，原裝噴頭SX11001VS在同一噴液量情況下變異系數較大，沉積分布效果較差。當噴液量為7.5 L/hm2、噴頭類型為原裝SX11001VS時，除草劑霧滴覆蓋率和霧滴密度分布最均勻，變異系數分別為40.0%和42.4%。當噴液量為22.5 L/hm2、噴頭類型為防飄DG11003時，霧滴覆蓋率分布最差，變異系數為73.4%。當噴液量為30.0 L/hm2、噴頭類型為原裝SX11001VS時，霧滴密度分布最差，變異系數為62.0%。

(a) T1 SX11001VS

(b) T2 SX11001VS

(c) T3 SX11001VS

(d) T4 SX11001VS

(e) T5 DG11003t

(g) T7 DG11003

(h) T8 DG11003圖8 不同處理在各采樣點處的霧滴覆蓋率Fig. 8 Percentage of spray coverage of different treatment at each sampling point

霧滴沉積分布的均勻性影響著麥田病蟲害的防治效果，均勻性差，不僅會降低藥效，增加藥劑用量甚至會增加對環境的污染，因此，掌握霧滴沉積分布的均勻性規律對控制施藥噴灑過程具有重要意義[33]。本試驗結果表明，對同一噴頭而言，隨著噴液量的增加，霧滴覆蓋率隨之增大，而霧滴沉積穩定性逐漸降低，尤其靠近航線附近，出現這一情況的原因可能是植保無人機產生的風場對霧滴的沉積產生了一定影響。已有大量研究證實了這種假設，余文勝等[43]對霧滴在茶樹冠層沉積分布影響研究發現，當飛行作業高度較高時，無人機下方產生的旋翼風場減弱，由此降低了霧滴飄移和流失，提高了霧滴分布均勻性。Ahmad等[44]研究發現，旋翼風使在霧滴沉積過程中無法均勻分布。另外，王昌陵等[45-46]也通過研究側風對單旋翼無人機噴霧霧滴產生的影響發現，側風通過改變無人機旋翼下旋氣流場垂直于地面下方的強度，從而減弱了旋翼下旋氣流對霧滴的下壓作用。袁會珠等[47]也總結發現除草劑在使用過程中的飄移受到霧滴譜、氣象條件(如風速)等多種因素的影響，而不同噴頭類型是影響霧滴譜的主要因素。綜合本試驗對霧滴沉積分布均勻性的影響可以得出，相比較而言，由于防飄噴頭DG11003產生的霧滴粒徑較大，在冬小麥田間除草劑噴施作業過程對霧滴沉積效果更好，但植保無人機的具體操作參數仍需根據藥劑類型、施藥環境等因素綜合考慮。

(a) T1 SX11001VS

(b) T2 SX11001VS

(c) T3 SX11001VS

(d) T4 SX11001VS

(e) T5 DG11003

(f) T6 DG11003

(g) T7 DG11003

(h) T8 DG11003圖9 不同處理在各采樣點處的霧滴密度Fig. 9 Number of droplets of different treatment at each sampling point

3 結論

本試驗采用隨機區組設計研究了冬小麥除草劑田間噴施作業過程中兩種不同噴頭類型(防飄噴頭DG11003、原裝噴頭SX11001VS)及四種不同噴液量大小(7.5、15.0、22.5及30.0 L/hm2)對霧滴沉積的影響，選取霧滴覆蓋率及霧滴密度來反映霧滴的沉積效果。研究結論如下。

1) 防飄噴頭DG11003的霧滴密度(27.9～73.0個/cm2)顯著大于原裝噴頭SX11001VS(13.7～47.2個/cm2)，而對于霧滴覆蓋率二者無顯著差異，其變化范圍分別為2.1%～10.4%及2.0%～9.9%；同時霧滴覆蓋率及密度均隨噴液量增大而增大。

2) 根據不同處理霧滴沉積的變異系數差異可以看出，噴液量對霧滴沉積的均勻性無顯著影響。但兩種噴頭類型在冬小麥除草劑噴施作業過程中對霧滴沉積影響差異顯著，防飄噴頭DG11003變異系數較小，對霧滴沉積效果更好，其霧滴覆蓋率及霧滴密度變異系數的變化范圍分別為43.6%～73.4%及46.0%～49.4%。

綜合分析結果表明，噴頭類型及噴液量是影響植保無人機農藥噴施過程中影響霧滴沉積的重要因素，其中防飄噴頭DG11003在冬小麥田除草劑噴施作業時，霧滴沉積分布效果較好。