植保無人機低容量噴霧防除玉米田雜草的霧滴沉積特性及除草效果

范明洪, 蘭玉彬, 趙德楠, 李東升, 李翠云, 蔡瑞孝,高金燁, 朱俊科*, 王會征*

(1. 山東理工大學農業工程與食品科學學院, 淄博 255000; 2. 山東理工大學生態無人農場研究院, 淄博 255000;3. 山東省農業航空智能裝備工程技術研究中心, 淄博 255000; 4. 山東濱農科技有限公司, 濱州 256603)

玉米是我國第一大糧食作物,研究表明,因雜草危害每年可使玉米產量損失20%以上[1-2]。化學防除是防治雜草的主要途徑之一,合理使用農藥防除雜草有助于提高作物的產量和質量,為作物生長和發育提供良好的環境[3-6]。

當前,我國農藥噴施方式以大容量噴霧機械為主,包括背負式噴霧機械、自走式噴霧機械等[7]。在地面噴施過程中,普遍存在“粗放式”噴灑情況,不僅使農藥有效利用率降低,還會形成農藥殘留,污染生態環境[8-9]。隨著近年來科技的進步,農業航空產業中植保無人機技術受到人們廣泛關注[10]。植保無人機采用低容量噴霧,具有效率高、安全性好、農藥利用率高等優點[11-13]。秦維彩等[14]研究了N-3型無人直升機噴灑參數對玉米冠層霧滴沉積分布的影響,表明不同作業高度和橫向噴灑幅度會影響霧滴在植株上的沉積量和分布均勻性。Shan等[15]研究了除草劑不同霧滴粒徑和噴液量在小麥上的應用,結果表明霧滴密度及覆蓋率隨著噴液量的增加而增大。除植保無人機的相關參數外,選擇合適的藥劑對控制雜草長勢同樣至關重要[16]。

在雜草防除過程中,不同植保無人機類型、作業參數、作物類型和不同的藥劑劑型等因素都會影響藥劑沉積及防效[17]。當前,有關植保無人機玉米田除草劑噴施及除草效果等方面的研究鮮有報道。本研究應用四旋翼植保無人機進行了玉米田除草劑在飛防中安全使用及藥效試驗,探究不同霧滴粒徑和不同噴液量的沉積分布效果以及對除草效果的影響,以期為應用植保無人機防治玉米田雜草以及除草劑安全施用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

藥劑及儀器:28%煙嘧磺隆·莠去津可分散油懸浮劑(OD),濱農科技有限公司。廣州極飛科技有限公司的極飛XP2020植保無人機,主要性能指標如表1所示。精工愛普生株式會社Epson DS-1610掃描儀處理霧滴紙卡;卡羅米特卡片,長60 mm×寬30 mm;環境監測采用Kestrel 5500 LINK氣象儀,美國Kestrel LINK公司。霧滴紙卡收集安裝設備包括雙頭夾、塑料桿、橡膠手套、密封袋、標簽紙等。

表1 植保無人機主要性能指標

1.2 試驗地概況及環境情況

試驗于2021年7月-8月在山東省淄博市臨淄區禾豐種業生態無人農場玉米田(118.22°E; 36.95°N)進行(圖1)。玉米品種為‘純玉958’。小麥玉米輪作種植,前茬為小麥,小麥留茬15 cm,玉米株距25 cm,行距60 cm,種植密度為67 500株/hm2。試驗時期為玉米4～6葉期,田間主要雜草包含闊葉類和禾本科雜草,代表性的雜草主要有馬唐Digitariasanguinalis(L.) Scop.、狗尾草Setariaviridis(L.) Beauv.、鐵莧菜AcalyphaaustralisL.等。試驗時在離地面高度2.0 m處布置Kestrel 5500 LINK氣象儀,記錄時間間隔為60 s。噴施試驗當天風速為0.9～3.4 m/s,伴有陣風,風向為東風,平均溫度為27.5℃,平均濕度為60.6%。

圖1 玉米田無人機噴灑除草劑試驗裝置實物現場圖Fig.1 Scene picture of UAV spray herbicide test device in corn field

1.3 試驗方法

1.3.1試驗處理設計

本試驗選用玉米田除草劑28%煙嘧磺隆·莠去津OD。無人機噴施作業試驗地塊10 m×100 m為一個處理,設置9個處理,處理之間間隔20 m緩沖隔離帶,以防止霧滴飄移影響,另外設置空白對照區,共10個處理(圖2a)。試驗采用兩因素三水平試驗設計,植保無人機極飛XP2020飛行高度2.5 m,飛行速度2.5 m/s,噴幅設置為3 m。具體試驗處理設計詳見表2。

1.3.2采樣點布置

如圖2b所示,在9個處理地塊中設置相同間隔距離的3條霧滴采集帶,處理之間緩沖隔離帶距離為20 m,為避免無人機到達采樣帶作業時未達到既定飛行速度與高度,第一條采樣帶距離處理地塊起始點15 m,每條采樣帶布置6個采樣點,采樣點間隔距離為1 m,采樣帶總長度為5 m。每個采樣點布置一個豎直塑料采樣桿,在距離地面5 cm左右高度通過雙頭夾水平夾持一張卡羅米特紙卡,用來獲取霧滴沉積情況。為更好地模擬實際作業過程中的霧滴沉積情況,試驗采用3條噴幅進行噴施,按照圖2b中箭頭方向所示進行作業,采樣帶位置位于中間噴幅向兩側延伸。

表2 玉米田無人機噴灑除草劑試驗處理設計

圖2 玉米田無人機噴灑除草劑試驗布置示意圖Fig.2 Layout of herbicide spraying test by UAV in corn field

1.4 數據采集與處理

本試驗所用除草劑為28%煙嘧磺隆·莠去津OD,用藥量900 mL/hm2,采用85%誘惑紅現場配制為5‰的水溶液作為示蹤劑[18]進行噴施試驗。每個處理完成后,收集卡羅米特紙卡帶回實驗室,使用DS-1610型愛普生掃描儀在600 dpi分辨率下進行掃描,采用DepositScan(美國農業部)圖像處理軟件進行圖像處理分析,獲取極飛XP2020植保無人機不同飛行參數下的沉積特征，包括霧滴密度、覆蓋率、沉積量等參數[19]。

本試驗通過SPSS v22.0及Microsoft Office Excel 2019軟件對數據進行分析檢驗,所有圖表均通過Origin 2017繪制。為了表征各組試驗各采樣點霧滴沉積均勻性,本文采用變異系數CV為各組試驗霧滴沉積分布均勻性的度量,變異系數為:

1.5 防效調查

1.5.1安全性調查

施藥后觀察各處理區的玉米生長發育情況,實時觀察有無藥害癥狀出現,作物生長是否正常等。

1.5.2除草效果調查

施藥后當天、15 d、30 d在各試驗區采用五點隨機取樣法,每點1 m2,調查雜草種類、株數,計算株防效,藥后30 d拔出雜草稱重,計算鮮重防效[20]。雜草主要調查對象有馬唐、牛筋草Eleusineindica(L.) Gaertn.、狗尾草、稗草Echinochloacrus-galli(L.) Beauv.、藜ChenopodiumalbumL.、馬齒莧PortulacaoleraceaL.、葎草Humulusscandens(Lour.) Merr.、苘麻AbutilontheophrastiMedicus 等。

株防效=[(空白對照區殘存雜草株數-處理區殘存雜草株數)/空白對照區殘存雜草株數]×100%;

鮮重防效=[(空白對照區殘存雜草鮮重-處理區殘存雜草鮮重)/空白對照區殘存雜草鮮重]×100%。

2 結果與分析

2.1 不同霧滴粒徑及噴液量下的霧滴覆蓋率

霧滴覆蓋率與霧滴粒徑大小、噴液量密切相關[21]。圖3為不同霧滴粒徑及噴液量下霧滴覆蓋率,隨著霧滴粒徑以及噴液量的變化,靶區內霧滴覆蓋率也隨之變化。相同霧滴粒徑下,隨著噴液量的增加,靶區內霧滴覆蓋率隨之增加。其中,當噴液量為30 L/hm2、霧滴粒徑285 μm時,靶區內霧滴覆蓋率最好,達7.59%;當噴液量30 L/hm2、霧滴粒徑150 μm時,靶區內霧滴覆蓋率其次,達7.58%。

圖3 不同霧滴粒徑及噴液量下霧滴覆蓋率Fig.3 The coverage rate of droplets under different droplet size and spray volume

2.2 不同霧滴粒徑及噴液量下霧滴密度

不同噴液量及霧滴粒徑下霧滴密度也不同,在3種噴液量下,150 μm霧滴粒徑的霧滴密度均遠遠高于其他兩種霧滴粒徑的霧滴密度。在15.0、22.5、30 L/hm2噴液量下,150 μm霧滴粒徑的霧滴密度分別為32.93、32.59、34.58個/cm2(圖4)。

圖4 不同霧滴粒徑及噴液量下的霧滴密度Fig.4 The droplet density under different droplet size and spray volume

2.3 不同霧滴粒徑及噴液量下霧滴沉積量

噴液量及霧滴粒徑不同,靶區內霧滴沉積量不同(表3)。15、22.5、30 L/hm2等3種噴液量下,靶區內霧滴沉積量隨噴液量增加而增加。噴液量為30.0 L/hm2時,150、200、285 μm霧滴粒徑下靶區內霧滴平均沉積量分別為0.62、0.85、1.21 μL/cm2，高于其他兩種噴液量。相同噴液量下,霧滴粒徑越小,霧滴沉積分布均勻性越好,當噴液量30 L/hm2、霧滴粒徑150 μm時,霧滴沉積分布均勻性最好,為55.34%。

表3 不同霧滴粒徑及噴液量下沉積量平均值及變異系數1)

2.4 對玉米田雜草防效分析

2.4.1玉米田施藥后安全性調查

施藥后15 d,未見玉米生長遲緩現象,玉米葉片有輕度褪綠黃斑,但能很快恢復。施藥后30 d,玉米長勢良好,未見矮化、提前抽穗、發育遲緩等現象,與周邊玉米生長無差異。

2.4.2玉米田防效調查結果

田間雜草調查結果表明，植保無人機在不同霧滴粒徑及噴液量條件下噴施28%煙嘧磺隆·莠去津可分散油懸浮劑能有效防除玉米田多種一年生的禾本科雜草和闊葉雜草，對馬唐、狗尾草、鐵莧菜等雜草防除效果好。由表4可知，施藥后15 d，株防效為74.47%～94.63%。施藥后30 d，株防效為72.87%～92.63%，鮮重防效為83.07%～97.30%。試驗結果表明，隨著時間的增加，28%煙嘧磺隆·莠去津OD對玉米田雜草控制作用明顯，其15 d株防效中，噴液量30 L/hm2+霧滴粒徑285 μm處理，與15 L/hm2+200 μm，15 L/hm2+150 μm處理差異顯著，與其余各處理無顯著差異，30 d株防效中，噴液量30 L/hm2+霧滴粒徑285 μm處理與30 L/hm2+200 μm處理有顯著差異，與其余各處理差異不顯著。同時，對比15 d和30 d株防效發現， 30 L/hm2+200 μm、15 L/hm2+285 μm、30 L/hm2+285 μm處理中的30 d株防效略小于15 d株防效。當噴液量為30 L/hm2,霧滴粒徑285 μm(T9)時對雜草的鮮重防效最好，為97.30%。

表4 不同噴液量與霧滴粒徑組合處理的雜草防效1)

3 討論

植保無人機噴施除草劑防治玉米田雜草試驗中,通過改變不同的霧滴粒徑及噴液量,對靶標作物進行霧滴沉積特性及防效研究,得到了適合植保無人機噴施的參數設置,為植保無人機在玉米田噴施除草劑提供了數據支撐。在試驗過程中,噴液量為30 L/hm2,150 μm霧滴粒徑與285 μm霧滴粒徑霧滴覆蓋率效果較好,產生這種現象可能是由于150 μm和285 μm霧滴粒徑大小不同,當150 μm細霧霧滴粒徑噴灑時,在相同噴液量下霧滴粒徑小使霧滴在靶區內中靶率增加,從而增大了霧滴覆蓋率;當使用285 μm大霧滴粒徑噴灑時,雖然靶區內中靶率有所降低,但是霧滴粒徑較大,在靶區內中靶,相比小的霧滴粒徑增大了靶區內霧滴覆蓋率。當噴液量一定時,霧滴靶標作物上的沉積量隨霧滴粒徑的增大而增大,霧滴粒徑較小容易受到飄移及蒸發影響導致沉積量變少,且飄移會影響施藥安全。對于一些處理中,30 d與15 d株防效相比較,隨著施藥后時間的增加,株防效降低,產生這種現象的原因可能是煙嘧磺隆為內吸性除草劑,在噴灑時會被雜草葉片和根部吸收,在植物體內傳導,抑制雜草生長,藥后20～25 d雜草葉片逐漸發黃、枯死。在施藥后15 d和30 d調查時,由于采取隨機取樣,所取樣本具有一定隨機性,且在施藥后30 d調查時,雜草葉片對比施藥后15 d已經有明顯發黃枯萎現象產生,但在統計中為體現結果準確性仍計算到雜草總數中,所以在藥后15 d和30 d對比株防效時,才會出現株防效下降,但鮮重防效總體提高的情況。

4 結論

本試驗測定了植保無人機施藥防除玉米田雜草霧滴沉積特性及對雜草的防除效果,結論如下：

1)在本試驗3種霧滴粒徑及3種噴液量條件下,噴液量30 L/hm2、霧滴粒徑285 μm時,在玉米田雜草上霧滴覆蓋率及霧滴沉積量最高,分別為7.59%和1.21 μL/cm2。當噴液量30 L/hm2、霧滴粒徑150 μm時,田間霧滴密度最大，為34.58個/cm2。

2)本試驗使用植保無人機噴施除草劑對雜草的控制效果明顯。當使用植保無人機施藥時,若考慮無人機作業效率,減少作業時無人機起落架次,建議使用15 L/hm2、150 μm以上噴液量及霧滴粒徑進行處理;當玉米田雜草基數較大、作業地塊較少時,建議使用噴液量為30 L/hm2、霧滴粒徑285 μm進行雜草防除。

總體而言,植保無人機玉米田噴施除草劑應用表現出較好的潛力,但除草劑噴施還需與田間管理相結合才能達到較好的雜草防除效果。