植保無人飛機作業參數對霧滴在杧果冠層沉積分布的影響

摘""要：植保無人飛機作業參數對無人飛機噴灑過程中的霧滴分布有顯著影響，從而影響農藥的利用率和病蟲害的防治效果。為探究多旋翼植保無人飛機作業參數對杧果樹冠層噴霧質量與效果的影響，以提高植保無人飛機施藥的對靶高效沉積，本研究應用大疆T40型植保無人飛機采用正交試驗對杧果樹進行噴霧作業，對主要作業參數霧滴粒徑（80、100、120"μm）、作業高度（2.0、2.5、3.0"m）、作業速度（3.0、4.0、5.0"m/s）進行優選。結果表明：施藥參數為霧滴粒徑80"μm、作業高度2.0"m、作業速度3.0"m/s時，植保無人飛機霧滴在杧果樹各個冠層的霧滴沉積密度、覆蓋率、霧滴均勻性等均顯著大于其他處理組。霧滴沉積密度、覆蓋率、作業高度與作業速度呈負相關。極差分析結果顯示，霧滴粒徑是影響杧果樹冠層霧滴沉積密度的主要因素；作業高度是影響杧果樹下層葉片正面與內層葉片背面霧滴覆蓋率的主要因素；作業速度是影響杧果樹上層葉片背面霧滴覆蓋率的主要因素；其余各層葉片正面與背面的噴霧粒徑是影響霧滴覆蓋率的主要因素。植保無人飛機在杧果樹冠層的霧滴分布差異性較大，影響霧滴均勻性的主要因素是霧滴粒徑，其次是作業速度、作業高度。根據T40多旋翼植保無人飛機在杧果樹冠層的霧滴沉積密度、霧滴覆蓋率、霧滴均勻性結果綜合得到植保無人飛機在杧果樹上作業的最佳參數組合為霧滴粒徑80"μm，作業高度2.0"m，作業速度3.0"m/s，為小型植保無人飛機在杧果及其他類似果園空中噴灑作業提供指導。

關鍵詞：植保無人飛機；杧果；作業參數；霧滴；沉積分布中圖分類號：S436.67；S494""""""文獻標志碼：A

Effects"of"Spraying"Parameters"for"Plant"Protection"Unmanned"Aerial"Vehicle"on"Deposition"Distribution"of"Droplets"in"Mango"Canopy

WANG"Bingjie1，2，"PAN"Bo1，2，"DU"Changyuan3，"JIANG"Lei1，2*，"LIN"Yong1，2*，"ZHANG"Shaoshuai4

1."Environment"and"Plant"Protection"Institute，"Chinese"Academy"of"Tropical"Agricultural"Sciences，"Haikou，"Hainan"571101，"China;"2."Key"Laboratory"of"Integrated"Pest"Management"of"Tropical"Crops，"Ministry"of"Agriculture"and"Rural"Affairs，"Haikou，"Hainan"571101，"China;"3."College"of"Plant"Science"and"Technology，"Huazhong"Agricultural"University，"Wuhan，"Hubei"430070，"China;"4."Chinese"Academy"of"Tropical"Agricultural"Sciences，"Haikou，"Hainan"571101，"China

Abstract："Plant"protection"unmanned"aerial"vehicle"（UAVs）"operational"parameters"have"remarkable"effects"on"droplet"distribution"in"UAVs"spraying，"which"significantly"affects"pesticide"utilization"rate"and"treatment"effectiveness."The"study"was"aimed"to"explore"the"effects"of"operating"parameters"of"electric"UAVs"on"droplet"deposition"distribution"in"mango"trees"canopy"and"to"enhance"the"efficiency"of"targeted"deposition"by"UAVs."The"DJI"T40"multi-rotor"electric"plant"protection"UAV"was"used"and"the"main"operational"parameters"including"droplet"sizes"（80，"100，"120"μm），"flight"height"（2.0，"2.5，"3.0"m）"and"flight"speed"（3.0，"4.0，"5.0"m/s）"were"optimized"by"an"orthogonal"test."When"the"droplet"size"was"80"μm"with"2.0"m"of"flight"height"and"3.0"m/s"of"flight"speed，"the"droplet"deposition"density，"coverage"rate"and"uniformity"in"each"canopy"of"mango"trees"were"significantly"larger"than"those"of"the"other"groups."There"was"a"negative"correlation"between"droplet"deposition"density，"coverage"rate"and"flight"height，"flight"speed."The"resultsnbsp;of"range"analysis"showed"that"droplet"size"was"the"main"factor"affecting"the"deposition"density"of"droplet"in"mango"canopy."The"flight"height"was"the"main"factor"affecting"the"coverage"rate"of"spray"droplets"on"the"front"side"of"the"lower"canopy"leaves"and"the"back"side"of"the"inner"canopy"leaves"of"mango"trees."The"flight"speed"was"the"main"factor"affecting"the"coverage"rate"of"spray"droplets"on"the"back"side"of"the"upper"canopy"leaves"of"mango"trees."The"spray"diameter"of"the"front"and"back"of"the"leaves"of"the"other"layers"was"the"main"factor"affecting"the"droplet"coverage"rate."The"droplet"distribution"within"mango"canopy"exhibited"significant"variation，"with"droplet"size"being"the"primary"factor"determining"uniformity，"followed"by"flight"speed"and"flight"height."In"our"current"study，"according"to"the"droplet"deposition"density，"coverage"rate"and"uniformity"in"mango"canopy，"the"best"operating"parameters"of"T40"multi-rotor"electric"plant"protection"UAV"were"obtained"as"follows："droplet"size"of"80"μm，"operation"height"of"2.0"m，"and"operation"speed"of"3.0"m/s."It"could"provide"fundamental"guidance"of"the"operation"of"small"UAVs"for"the"aerial"spraying"of"mango"trees"and"other"similar"orchards.

Keywords："plant"protection"UAV;"mango;"operational"parameters;"droplet;"deposition"distribution

DOI："10.3969/j.issn.1000-2561.2024.11.018

杧果被稱為“熱帶水果之王”，是世界上最重要的五大水果之一[1]。我國杧果種植面積位居世界第二，主產區在海南、廣西、廣東、云南和四川等地[2]。農業農村部農墾局數據顯示，2021年我國杧果種植面積為37.46萬hm2，產量395.8萬t，其中海南的杧果種植面積為6.62萬hm2，產量55.5萬t。然而，熱區高溫高濕的氣候環境導致病蟲草害的滋生蔓延，農藥年均使用量也相應地高于溫帶地區，施藥次數與施藥作業強度較大。海南杧果種植區多為丘陵山地，傳統地面施藥方式，包括背負式手動噴霧器和地面機械噴霧器，效率低，勞動強度大，面臨嚴峻挑戰[3-4]。并且傳統施藥器械屬于大霧滴、大容量噴灑，農藥浪費嚴重，有效利用率僅為35%左右[5-7]。目前熱區果樹種植人工成本的30%（甚至更高）為施藥作業所消耗，杧果園勞動力短缺與管理技術落后等問題日益突出，植保無人飛機是一種高效的現代化施藥器械，合理使用可以及時、快速、有效地對農作物病蟲害進行防控，同時也能緩解果園勞動力短缺問題，從而提高農藥利用率，實現節本增效[8-10]。

大量研究發現，植保無人飛機作業參數對噴霧質量與效果有很大的影響。極飛P20無人飛機作業速度和作業高度越低在火龍果樹上的噴霧效果越好[11]；影響極飛P20無人飛機霧滴在荔枝樹冠層穿透性的主要因素是作業高度[12]。TH-X60油動無人飛機作業高度和作業速度顯著影響其在荔枝樹上的噴霧效果[13]。六旋翼植保無人飛機不同噴頭類型影響櫻桃樹冠中下層的霧滴沉積分布和均勻性[14]。3WQF120-12無人飛機作業速度越低沉積越多，對不同樹形桃樹噴霧的均勻性有顯著性差異[15]。極飛XP"20無人飛機不同作業參數對庫爾勒香梨的授粉有顯著差異[16-17]。3WYD-4-22A無人飛機作業速度為2"m/s時，桃樹冠層霧滴沉積量最大[18]。韋加JF01-20無人飛機作業速度越低，在蘋果樹上的噴霧效果越好[19]。極飛XP"20無人飛機作業速度的改變對主干型紅棗花期冠層霧滴沉積密度影響最大[20]。

小型電動多旋翼植保無人飛機具有使用成本低，操作保養簡單，起降靈活，不需要專用的機場等優點，市場占有率較高。因此，本研究以小型四旋翼植保無人飛機（大疆T40）為研究對象，通過3因子3水平正交試驗，結合霧滴沉積密度、霧滴覆蓋率、均勻性等指標，優選出適用于杧果園的四旋翼無人飛機作業參數，以提高植保無人飛機霧滴在杧果冠層的有效沉積，推動我國果樹施藥器械與技術向現代化、智能化、輕簡化方向發展。

1""材料與方法

1.1""材料

研究對象為春梢生長期的貴妃杧果樹（杧果樹平均株高2.0"m，果園行距4～6"m）。于2023年4月23日在海南省三亞市崖州區開展試驗。

主要設備：大疆T40四旋翼電動無人飛機，載藥量為40"L，最大作業速度為7"m/s，最大有效噴幅為11"m，可調離心噴頭；AVM-01型風速儀（臺灣泰儀電子股份有限公司）；LS-204型溫濕度儀（中山市朗信電子有限公司）；霧滴測試卡（重慶六六山下植保科技有限公司）；衛生紙；回形針和自封袋等。

1.2""方法

1.2.1""正交試驗""參考植保無人飛機杧果園噴灑情況，設定噴液量為30"L/hm2，噴幅為5"m，設置3個因子（霧滴粒徑、作業高度、作業速度），每個變量為3個水平（表1），按照3因子3水平正交設計，設計9組試驗，進行T40植保無人飛機杧果園作業參數優化試驗。各處理的相關氣象參數見表2。

1.2.2""采樣點布設""隨機選擇植保無人飛機中間2條航線的3株大小、樹形相似的杧果樹進行取樣，杧果樹的上層、下層和內層分別按照圖1布設霧滴測試卡。在取樣杧果冠層上層和下層的4個方位分別布設1個采樣點，內層自上往下布設3個采樣點，每株樹布設11個采樣點，每個采樣點分別在葉片正面和背面各布設1張霧滴測試卡，每組試驗共布設33個采樣點，66張霧滴測試卡。用回形針將霧滴測試卡固定在每個采樣點杧果葉片正面和背面。每次試驗結束后收集霧滴測試卡。

1.3""數據處理

掃描各個處理組的霧滴測試卡，并參照ZHU等[21]的方法，使用Deposit"Scan"（V1.2）軟件進行分析處理，獲得各個處理的霧滴沉積密度及覆蓋率。采用SPSS"20.0軟件處理數據，使用最小顯著性差異法（LSD）比較差異顯著性。

變異系數（CV）可以用來表征霧滴沉積的均勻性，若變異系數與霧滴沉積分布的均勻性呈負相關，則CV越小，霧滴沉積分布均勻性越好。變異系數計算公式為：

式中，S為同處理組采集樣本標準差；Xi為每個采樣點霧滴密度，即覆蓋率；為各處理組霧滴密度，即覆蓋率平均值；n為各處理組采樣點個數。

2""結果與分析

2.1""植保無人飛機霧滴在杧果樹冠層的沉積密度

結果顯示，在不同參數下，植保無人飛機霧滴在杧果樹各個冠層的沉積密度有顯著差異。在各處理中，A1B1C1（霧滴粒徑80"μm，作業高度2.0"m，作業速度3.0"m/s）處理的杧果樹冠層上層、下層和內層葉片正面和背面的霧滴沉積密度均最大，葉片正面的霧滴沉積密度分別為82.433±"18.208、71.519±13.199、97.315±4.655個/cm2，葉片背面的霧滴沉積密度分別為8.936±3.071、23.920±6.705、20.615±0.958個/cm2，顯著高于其他處理組（Plt;0.05，表3）。

由極差分析結果顯示，影響杧果樹內層葉片正面霧滴沉積密度的因素從大到小依次為：噴霧粒徑gt;作業速度gt;作業高度。對其余冠層葉片正面與背面霧滴沉積密度的影響從大到小依次為：噴霧粒徑gt;作業高度gt;作業速度。霧滴粒徑是影響杧果樹植保無人飛機霧滴沉積密度的主要因素，當霧滴粒徑為80"μm，作業高度為2.0"m，作業速度為3.0"m/s時，杧果各冠層的霧滴沉積密度達到最大值（表4）。根據霧滴沉積密度獲得無人機的最優作業參數為A1B1C1。

2.2""植保無人飛機霧滴在杧果樹冠層的霧滴覆蓋率

如表5所示，無人機不同作業參數下，除杧果樹下層葉片正面的霧滴覆蓋率外，杧果樹上、下、內層的霧滴覆蓋率有組間顯著性差異。在各處理中，A1B1C1（霧滴粒徑80"μm，作業高度2.0"m，作業速度3.0"m/s）處理的杧果樹冠層上層、下層和內層葉片正面和背面的霧滴覆蓋率均最大，葉片正面的霧滴覆蓋率分別為（12.784±"0.173）%、（7.248±1.513）%和（11.516±2.514）%，葉片背面的霧滴覆蓋率分別為（0.412±0.163）%、（1.077±0.342）%和（0.792±0.104）%。

由霧滴覆蓋率極差分析結果顯示，作業高度是影響杧果樹下層葉片正面與內層葉片背面霧滴覆蓋率的主要因素，作業速度是影響杧果樹上層葉片背面霧滴覆蓋率的主要因素，噴霧粒徑是影響其余各層葉片正面與背面霧滴覆蓋率的主要因素。當無人機作業參數為霧滴粒徑80"μm，作業高度2.0"m，作業速度3.0"m/s時，其霧滴覆蓋率最優（表6）。霧滴覆蓋率與霧滴沉積密度的試驗結果一致。

2.3""植保無人飛機霧滴在杧果樹上的均勻性

由霧滴沉積密度變異系數（CV）得出，植保無人飛機在杧果樹相同冠層水平面的霧滴分布存在較大差異（表7），A1B1C1處理中，其內層葉片正面的均勻性最佳；A1B2C2處理中，其內層葉片正面的均勻性最佳；A2B1C2處理中，其上層葉片正面的均勻性最佳；A2B3C1處理中，其上層葉片

背面和下層葉片背面的均勻性均較好；A1B1C1、A2B1C2、A2B3C1處理的冠層綜合均勻性相對較好。霧滴沉積密度均勻性極差分析得出，影響霧滴均勻性的因素主要是霧滴粒徑，其次是作業速度、作業高度。并且作業參數分別為霧滴粒徑80"μm，作業高度2.0"m，作業速度3.0"m/s時，霧滴均勻性最好（表8）。

3""討論

無人飛機的作業參數對液滴的分布和均勻性有很大影響。在植保無人飛機噴灑過程中，如果忽視作業參數優化，使用過高的飛行速度，或者選用過高的飛行高度，不僅難以達到良好的防治效果，還會增加農藥飄移風險[22-25]。本研究通過對霧滴沉積密度、覆蓋率、均勻性進行分析，優選出大疆T40型四旋翼無人飛機杧果園作業參數為霧滴粒徑80"μm，作業高度2.0"m，作業速度

3.0"m/s。植保無人飛機參數的改變，對霧滴在杧果樹不同冠層的沉積密度、覆蓋率和均勻性均有一定影響。研究發現，植保無人飛機參數的改變，導致霧滴在不同果樹不同冠層的分布有顯著差異[11-20]。

作業速度和作業高度的降低可以有效減少飄移，提高液滴沉積量，從而提高噴灑質量[12]。本研究得出相似的結論，霧滴沉積密度、覆蓋率和作業高度、作業速度存在負相關關系。可能是由于杧果采后修剪等農事操作，春梢生長期的貴妃杧果樹冠層較薄，植保無人飛機自身旋翼產生的風場對其影響較小。較低的作業高度和作業速度，導致更多的噴霧霧滴向靶標生物運動。然而，由于杧果種植環境、植保無人飛機機型特性、安全和效率問題，操作高度和速度不能過低。有研究發現，飛行速度與植保無人飛機在火龍果[11]、桃樹[15]、棗樹[20]、小麥[26]和蘋果樹[19，"27]冠層霧滴沉積密度存在負相關關系；隨著植保無人飛機作業速度的提高，霧滴飄移風險也隨之增大[15，"19，"28]；作業高度較低時，植保無人飛機噴霧液滴在火龍果樹[11]、荔枝樹[13]的沉積密度較好。本研究發現，植保無人飛機在杧果樹冠層的霧滴分布差異較大，影響霧滴均勻性的主要因素是霧滴粒徑。本研究結果與試驗的天氣條件、杧果冠層大小密切相關。也有研究發現，作業高度是影響植保無人飛機液滴在荔枝樹上分布均勻性的主要因素[12]，可能是因為荔枝樹冠層相對較大，植保無人飛機對靶下壓風場對其影響較大，所以作業高度是均勻性的主要影響因素。不同果樹的冠層特性差異較大，植保無人飛機的施藥效果也有差異。

本研究通過對T40多旋翼植保無人飛機在杧果樹冠層的霧滴沉積密度、霧滴覆蓋率、霧滴均勻性的綜合分析，得到適合杧果樹的植保無人飛機的最佳作業參數組合，研究結果為小型植保無人飛機在杧果及其他類似果園的空中噴灑作業提供一定的基礎指導。

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