新疆棉區植保無人機噴施棉花脫葉催熟劑效果研究

王林，張強，馬江鋒，朱玉永，田英，李紅，畢顯杰，宋敏，王海標，雷天翔，李召虎，田曉莉，杜明偉，張立禎，趙冰梅*

（1.新疆生產建設兵團農業技術推廣總站，烏魯木齊830011；2.中國農業大學農學院/植物生長調節劑教育部工程研究中心，北京100193）

噴施脫葉催熟劑是棉花實現機械采收的重要環節。噻苯隆是國內外主要應用的脫葉劑，無內吸傳導作用[1-2]，因此要求植保機械的霧滴穿透力強，冠層上、中、下各部位葉片能均勻受藥[3]。當前，新疆生產建設兵團（以下簡稱兵團）乃至新疆維吾爾自治區主要采用地面大型噴桿噴霧機噴施棉花脫葉催熟劑，隨著國內植保無人機（以下簡稱無人機）及其施藥技術與裝備的迅猛發展[4]，采用無人機在棉田噴施脫葉催熟劑受到廣泛關注。與地面大型施藥機械相比，無人機噴施棉花脫葉催熟劑具有無需人工分行、省力、節水、棉花無機械損傷等優勢。然而，生產調研發現，由于新疆棉花種植密度大、群體郁閉，植保無人機在冠層上方數米處的低容量噴霧難以使所有葉片均勻著藥，即使兩次作業也常出現脫葉效果不理想的現象，導致機采棉含雜率增高，嚴重影響棉花品質。研究人員雖已對植保無人機的作業參數、適宜的助劑和增效劑篩選等進行了一些探索[5-16]，但尚未形成完善的技術規范，對影響無人機作業效果的因素也缺乏系統研究。因此，本文開展了無人機與地面噴桿噴霧機噴施棉花脫葉催熟劑的聯合測試，旨在掌握無人機田間作業現狀，明確其脫葉催熟效果以及施藥技術參數的合理性，為構建兵團棉花脫葉催熟劑噴施作業技術體系以及無人機在棉花脫葉上的推廣應用提供科學依據。

1 材料與方法

測試于2019年9月在新疆昌吉老龍河大西渠鎮張育新家庭農場（44°13′38″N，87°16′29″E）進行，試驗地面積42.1 hm2，種植天佐42（20.6 hm2）和中棉109（21.5 hm2）兩個品種，連作棉花6年，土質為沙壤土。2019年4月12日播種，采用加壓滴灌機采棉種植模式，一膜三管6行，行距為66 cm＋10 cm，種植密度18.0萬～19.5萬株·hm－2。7月15日化學打頂，8月21日停水停肥。

1.1 參試藥械與機型

本次測試采用了3個型號的無人機，分別為大疆T16電動多旋翼植保無人機（XR11001VS，大疆創新科技有限公司，深圳，中國；共8個扇形霧液力噴頭，最大載液量16 kg）、極飛P30電動多旋翼植保無人機（3WWDZ-15A，極飛科技有限公司，廣州，中國；共4個轉盤式離心噴頭，最大載液量16 kg）和蜂巢3WW-10B電動多旋翼植保無人機（XR Teejet 11001 V3，蜂巢農科科技有限責任公司，北京，中國；共4個扇形霧液力噴頭，最大載液量10 kg），以地面自走式噴桿噴霧機（R4023，約翰迪爾（中國）投資有限公司，北京，中國；藥箱容量2 300 L，橫桿直噴式噴霧，噴桿寬度24.4 m，共有48個超低偏流噴嘴）為對照。參試及對照藥械此后分別簡稱為大疆無人機、極飛無人機、蜂巢無人機和約翰迪爾地面機。

1.2 試驗設計

根據試驗地棉花品種布局及長勢差異，將試驗地劃分為2個種植區10個作業區，即天佐42種植區（作業區1號～5號）和中棉所109種植區（作業區6號～10號），每個作業區面積1.7～11.0 hm2、行長180～540 m。天佐42為二式果枝型，大部分株高小于70 cm，但部分地段的棉花貪青旺長，株高在80 cm左右，尤其1號作業區的棉花枝葉茂盛，平均株高達83.5 cm，葉枝相對較多且長度較長，每個葉枝成鈴1～2個，該區域棉花倒伏較嚴重。中棉109為一式果枝型，株高普遍在80～90 cm，成熟度較差，部分地段棉花株高達1 m左右。

參試無人機及地面施藥機械由各廠家抽簽決定作業區域，各作業區基礎信息及參試藥械詳見表1。

各參試藥械噴施的脫葉劑統一采用540 g·L－1噻苯·敵草隆懸浮劑及其增效助劑280 g·L－1烷基乙基磺酸鹽可溶液劑（拜耳作物科學（中國）有限公司生產），催熟劑統一采用40%（質量分數）乙烯利水劑（河北省黃驊市鴻承企業有限公司生產）。各參試藥械施藥方案（表2）及作業參數（表3）由廠家自定，其中地面機械施藥一次、無人機施藥兩次。

2019年9月7日施藥當天陰轉晴，溫度14～20℃，風速0～3 m·s－1。9月10日大雨，溫度降至8～15℃，隨后逐漸升溫。9月15日當天晴，溫度9～25℃，風速0～2.1 m·s－1。9月15日－29日期間，僅16日夜間小雨，低溫9℃，其它時間均為晴好天氣，最低溫度10℃，最高溫度33℃，有利于棉花脫葉和吐絮。

1.3 調查項目及方法

在每個作業區中間行距離兩邊地頭5 m以上的區域選點取樣，共選6點，點與點之間沿種植行方向相隔5 m以上。每點選取長勢相對一致、分布在不同種植行的6株棉株進行標記，分別于施藥前、藥后7 d、15 d和采收前調查棉株葉片數、成鈴數和吐絮鈴數，藥前調查時統一將標記植株的新生小葉片（葉寬1 cm以下）摘凈。根據調查結果計算各作業區的脫葉率和吐絮率，計算公式為：

表1 參試藥械及作業區基礎信息Table 1 Sprayer type and basic information of cotton plants in each working area

表2 施藥方案Table 2 Harvest aids sparaying scheme

表3 噴施作業參數Table 3 The working parameters of each sprayer

脫葉率（%）＝（藥前棉株葉片數－調查時剩余葉片數）/藥前棉株葉片數×100；

吐絮率（%）＝吐絮鈴數/總鈴數×100.

噴霧開始前，在第7～10號作業區（第二次施藥在8～10號作業區）的藥效調查點，對標記棉株的上、中、下部各選1片棉葉，葉片的正反兩面分別布放1張水敏紙，用于觀察霧滴沉積情況。噴霧結束，待藥液干燥后，收集各點的水敏紙于干燥的牛皮紙袋內保存（做好標記），帶回室內用掃描儀輸入電腦，利用通用圖像分析軟件分析單位面積內的霧滴密度（cm－2）[17]。

1.4 數據統計與分析

式中，S為標準差；Xi為水敏紙單位面積的霧滴數；為水敏紙單位面積平均霧滴數；n為各作業區布設的水敏紙總數。

2 結果與分析

2.1 收獲輔助劑施藥器械對棉花脫葉效果的影響

由表4可見，藥后7 d不同施藥器械間的脫葉率在20.8%～46.0%之間，各作業區差異不顯著；藥后15 d（無人機第2次藥后7 d），各藥械作業區棉花脫葉率較藥后7 d明顯上升，其中無人機作業區的上升幅度大于地面藥械，且無人機作業區的脫葉率高于或顯著高于地面藥械作業區，這可能主要與無人機進行了兩次施藥作業、而地面藥械只施藥一次有關；藥后22 d（第2次藥后14 d），無人機作業區的脫葉率達到82.2%～92.1%，其中極飛無人機5號、6號作業區的脫葉率高于90%，另外幾乎所有無人機作業區的脫葉率均顯著高于約翰迪爾地面機（蜂巢無人機2號作業區除外）。

由于試驗地肥水管理不夠精準，各作業區藥前吐絮率差異顯著且差異幅度大，其中3號、2號和5號作業區的吐絮率相對較高，依次為49.7%、32.8%和28.9%，藥后22 d的脫葉率為88.4%、82.2%和92.1%，6號作業區的藥前吐絮率僅有6.5%，藥后22 d的脫葉率達到91.7%，也就是說，藥后脫葉率并沒有與藥前吐絮率的高低呈正相關，說明藥前吐絮率對脫葉率的影響不大，這與宋興虎等[18]的研究結果一致。

2.2 收獲輔助劑施藥器械對棉花催熟效果的影響

由表6可見，藥后7 d，各作業區之間吐絮率的差異與藥前基本相似；藥后15 d，各作業區吐絮率較之前增加明顯，其中大疆3號作業區和極飛5號作業區的吐絮率達到90%以上，高于或顯著高于其他作業區；至藥后22 d，除大疆4號作業區的吐絮率較低（85.8%），其它各作業區的棉鈴吐絮率均達到92.0%以上，各作業區之間的差

異較小。與對脫葉效果的影響不同，藥前棉花吐絮率高的作業區，藥后吐絮率相應要更高些，說明棉花成熟度與藥后吐絮率的關系要大于與脫葉率的關系。

表4 收獲輔助劑施藥器械對棉花脫葉效果的影響Table 4 Effect of harvest aids sprayer type on cotton defoliation

表6 收獲輔助劑施藥器械對棉花吐絮動態的影響Table 6 Effect of harvest-aids sprayer type on boll opening dynam ics of cotton

2.3 收獲輔助劑施藥器械霧滴沉積和分布比較

由圖1可看出，7～10號作業區，各參試藥械噴霧霧滴在采樣點棉株的不同位置均有沉積，但沉積狀況有差異。第一次施藥作業，霧滴密度的最高值均出現在棉株的上部位置，平均霧滴密度23.2個·cm－2以上。霧滴沉積在中下部呈下降趨勢，尤其無人機噴霧，在棉株下部的平均霧滴密度下降到只有5.4～10.9 cm－2，顯著低于上部沉積。無人機第二次施藥作業的霧滴沉積密度大幅低于第一次施藥，降幅達45.2%～76.8%，其中，極飛無人機和大疆無人機在棉株上、中和下部葉片的霧滴沉積密度沒有明顯差異，而蜂巢無人機在棉株上部的沉積仍具有明顯的優勢，中部及下部差異不大。

圖1 不同施藥器械噴施脫葉催熟劑在棉花植株上的霧滴沉積分布狀況Fig.1 Comparison of droplets deposition and distributions on cotton leaves among different sprayers

由表7可見，第一次施藥，3種機型無人機在8～10號作業區噴霧霧滴的沉積分布變異系數在41.2%～59.2%，離散程度較大；第二次施藥，各機型無人機噴霧霧滴沉積分布變異系數均有所降低，其中，蜂巢無人機和大疆無人機的降幅大于極飛無人機，表現出較好的噴霧均勻性。

3 討論

農藥噴霧需要一定的霧滴沉積密度才能保證作業效果[19]，無人機噴施棉花脫葉劑，作業區域內每cm2霧滴數量應不少于15個[12]。測定數據顯示，無人機在株高超過75 cm貪青旺長的8～10號作業區，第一次施藥作業霧滴在棉株下部的沉積密度只有5.4～10.9 cm－2，顯著低于上部葉片，說明在棉花冠層稠密時，即便無人機螺旋槳產生的下旋氣流能增加霧滴的穿透性，藥液霧滴仍難以穿透冠層到達棉花下部區域。田間觀察，藥后22 d，8～10號作業區的大部分棉株下部均可見一定數量的綠色葉片。另外，與第一次施藥作業相比，3種機型無人機在第二次施藥作業的霧滴沉積密度均大幅降低，僅2.9～7.3 cm－2（蜂巢無人機上部霧滴沉積除外），其中原因有待今后進一步研究。

作業不規范影響施藥效果。目前，無人機主要采用地面噴霧機裝配的液力式噴頭和離心霧化噴頭2種類型[20]。相對于液力噴頭，離心噴頭更易受溫度、濕度、風速等環境因素的影響而產生霧滴的飄移和蒸發。為此，應采取必要的抗飄移措施，添加適量飛防專用助劑以改善藥液霧滴性能，增強藥液沉積量[21]。新疆氣候干燥多風，極飛P30植保無人機采用的是離心噴頭，在進行第一次施藥作業時，在藥液中添加了150 m L·hm－2的“倍達通”飛防專用助劑，但進行第二次施藥作業時未添加，表現出較大的隨意性，其噴霧施藥的6號作業區，藥后15 d（第二次藥后7 d），在第1和第2調查樣點之間沿作業航線方向出現3條白色與褐色相間的條帶，明顯是漏噴所致。大疆T16在第一次施藥作業中，在4號作業區發生摔機事件，摔機下方區域的棉花脫葉率，至第一次藥后22 d（第二次藥后14 d）只有74.8%，低于該作業區平均脫葉率10.5百分點。

表7 收獲輔助劑施藥器械霧滴沉積分布均勻性Table 7 Droplet deposit and distribution uniform ity of different harvest-aids sprayers

作業參數選擇不當影響施藥效果[22]。馬艷等[5]、蒙艷華等[13]研究了不同施藥液量對棉花脫葉效果的影響，結果顯示，不同無人機處理的脫葉率隨施藥液量提高而上升，合適的噴液量使植株上、中、下部葉片最大限度地均勻受藥，從而能達到理想的脫葉效果，尤其按照每hm2噴施22.5L的藥液，脫葉效果優良。本次參試的3種無人機，極飛P30的施藥液量最少，只有（15±1.5）L·hm－2，但其噴施的5號、6號、8號3個作業區的脫葉率，有2個都在90%以上，這可能與P30使用的是轉盤式離心霧化噴頭，具有藥液霧化均勻、效果好的特點有關，缺點是下壓風場相對較小，穿透性不足，霧滴容易產生飄移。極飛P30在8號作業區兩次藥后的脫葉率只有85.6%，藥后22 d，該作業區仍可見若干高1 m左右的棉株，不但下部的大部分綠葉未脫，上中部的葉片沒有脫落的跡象，棉鈴也未吐絮。分析原因，應該是該作業區的棉花植株偏高，藥液沉積不足或漏噴導致。因此，在實際作業中飛控人員應根據棉花種植密度和生長勢來確定施藥液量，對密植、旺長棉田應適當提高噴液量，以保證有足夠的藥液到達靶標上，這雖然在一定程度上降低了無人機的作業效率，但有助于提高作業質量，保證脫葉和吐絮效果。準確評定無人機的作業噴幅（有效噴幅）有助于避免重噴、漏噴現象[23]。無人機的有效噴幅在很大程度上受到無人機和噴頭類型、飛行高度、氣象條件的影響[24]。調查顯示，第一次藥后7 d，天佐42種植區以蜂巢3WW-10B無人機噴霧的2號作業區脫葉率最低，在相對株高較高的9號作業區沿其飛行航線出現較明顯的綠色條帶，應該都與飛控人員在第一次施藥作業時對無人機的作業高度、噴幅設置不合適有關。

脫葉率和吐絮率是判定脫葉催熟劑噴施效果的主要指標，這直接關系到籽棉采收的含雜率和品質。測試結果表明，目前采用無人機施藥技術對新疆機采棉的脫葉催熟效果有待進一步提高。一方面，科研部門與生產企業應繼續加大對無人機施藥技術的研究與開發，在智能精準施藥、專用噴霧設備、續航、載荷、專用藥液等無人機相關技術上取得快速突破[20,25]，不斷優化機具、藥劑性能，滿足新疆高密度棉花機采脫葉催熟需求；深入、系統地研究無人機噴施棉花脫葉催熟劑應用技術，明確不同棉區、不同栽培條件、不同棉花品種、棉花不同生長狀況、不同氣候條件以及不同類型無人機噴施棉花脫葉催熟劑作業參數，為設置合理的作業方案提供參考。另一方面，飛防組織和飛控人員要樹立正確的服務意識，把效果放在首位，避免片面追求利益和效率，在作業過程中采用不合理的飛行參數而影響作業效果的短視行為；還要掌握一定的農業知識以及無人機噴施棉花脫葉催熟劑應用技術，這樣在實際操作過程中才能具備相應的觀察判斷能力和靈活處置能力，達到最佳作業效果。同時，主管部門應加大對無人機市場以及無人機作業質量的監管力度，建立健全無人機作業規范，確保無人機市場健康穩定發展。

4 結論

本次測試采用了新疆市場主流的極飛、大疆以及蜂巢的3種多旋翼無人機進行棉花脫葉催熟劑噴施作業，測試期間大部天氣晴好，適宜脫葉催熟劑藥效的發揮。從施藥后22 d的調查數據看，采用地面噴桿噴霧機一次頂噴施藥的棉花脫葉率在73.4%～73.9%，采用無人機兩次施藥的棉花脫葉率在82.2%～92.1%，無人機兩次施藥對棉花的脫葉效果顯著好于地面噴桿噴霧機一次頂噴施藥；藥后22 d，除4號作業區外，各藥械噴霧處理的棉花吐絮率在92.0%～100%，不同藥械間對棉花的催熟效果差異不大。

從生產的角度看，兵團棉花機械采收的要求是脫葉率達到90%以上、吐絮率95%以上[26]。3種機型無人機、8個作業區，其中只有2個作業區的脫葉率在藥后22 d達到90%以上，其它6個作業區的脫葉率在82.2%～88.8%，未達理想狀態。8個作業區的吐絮率在85.8%～100%，其中，一半數量的作業區吐絮率在95%以下。脫葉率和吐絮率同時滿足要求的只有1個作業區。數據顯示，不同無人機以及同一無人機不同作業區，棉花的脫葉催熟效果不一，無人機噴霧質量和作業效果的整體穩定性有待提高。