無人機(UAV)施藥防控美國白蛾的飛行參數(shù)及防治效果*

高 悅 仇才樓 王光標 解春霞 成 聰

(1. 江蘇省林業(yè)科學(xué)研究院 南京 211153； 2. 江蘇省林業(yè)有害生物檢疫防治站 南京 210036； 3. 江蘇省新沂市森林病蟲防治檢疫站 新沂 221400)

20世紀90年代，日本首先將無人機(unmanned aerial vehicle)用于大田作物、果樹的生長狀況觀察和病蟲害防治(張毅， 1997)。目前，無人機已應(yīng)用于公安、消防、海運、氣象、航空拍攝、森林防火、農(nóng)業(yè)病蟲害監(jiān)控等領(lǐng)域(張偉等， 2014； Duanetal.,2014; 趙星濤等， 2014)。現(xiàn)階段林業(yè)有害生物化學(xué)防治中，有人駕駛的飛機防治主要適用于連片大面積林業(yè)病蟲害防治作業(yè)，但受起降場地、使用地點、時間等限制，并且作業(yè)高度高，農(nóng)藥施用量過大，噴灑霧滴可控性差，易飄移靶標區(qū)，對空氣、水體及土壤造成滲透，污染風(fēng)險較高(甘英俊等， 2011)。其他常見藥械主要有高揚程車載噴霧機及電動、手動施藥機，但由于防治靶標的高度常超出施藥范圍，對樹木上部蟲口密度較大的枝葉防效有局限性(張軍生等， 2014)。美國白蛾(Hyphantriacunea)屬鱗翅目(Lepidoptera)燈蛾科(Arctiidae)燈蛾亞科(Arctiinae)，是一種重要的外來檢疫性有害生物(張向欣等， 2009)，自2010年入侵連云港后，已在江蘇局部地區(qū)造成了經(jīng)濟和環(huán)境的雙重損失，并在未來一段時間內(nèi)有可能在江蘇境內(nèi)呈跳躍式傳播擴散(陳志銀等， 2015)。為了更精準有效地解決常規(guī)地面森防器械難以進入林地核心區(qū)、揚程不夠以及防治強度大、施藥量大、效率低等問題，筆者利用無人機對美國白蛾第2代3～4齡幼蟲發(fā)生區(qū)進行了最佳施藥飛行參數(shù)測定，并對林間施藥霧滴質(zhì)量和防治效果進行了調(diào)查分析。

1 試驗區(qū)概況

無人機防治美國白蛾試驗區(qū)設(shè)在新沂市新戴運河兩側(cè)，試驗區(qū)內(nèi)主要樹種為8年生69楊(Populusdeltoidescl.69/55)和72楊(P.deltoidescl.72/58)，林地郁閉度0.6～0.8，楊樹胸徑15～22 cm，樹高12～16 m，林冠層10 m左右，該林為美國白蛾常發(fā)區(qū)，總面積15 hm2左右，試驗區(qū)海拔10～20 m。無人機施藥于7月上旬進行， 環(huán)境溫度23～27 ℃， 相對濕度60%， 風(fēng)力2～3級。

2 材料與方法

2.1 供試無人機 本試驗采用國內(nèi)YM-1300-V6電動多旋翼植保無人機(以下簡稱無人機)。該機展開直徑1 800 mm，全高550 mm，可折疊，便于運輸，飛行高度0～120 m，飛行速度0～12 m·s-1，6個高效無刷電機，總功率19.2 kW，額定載重10 kg，隨機身配置3個型號為202 A-131的噴嘴。

2.2 供試藥劑 試驗用藥為1.8%阿維菌素乳油、1%甲氨基阿維菌素苯甲酸鹽乳油，由南通功成精細化工有限公司生產(chǎn)。防治試驗施藥濃度設(shè)為200 mg·L-1和400 mg·L-1的2個處理，每架次載藥量為10 kg，防治試驗總面積約13.4 hm2。

2.3 無人機飛行施藥參數(shù)測定 1) 無人機不同施藥高度霧滴質(zhì)量的測定 無人機飛行施藥參數(shù)利用曙紅水基染色法(舒朝陽等， 2012)進行測定，在水中以1.0～1.5 g·L-1的濃度比例加入曙紅水基染料，距樹冠頂端高度0～7 m內(nèi)每隔0.5 m為1個處理，進行飛行相對高度試驗，無人機以1 m·s-1的基礎(chǔ)速度，在林帶上勻速施藥，每隔5 m放置霧滴接收試紙(A4打印紙，經(jīng)預(yù)試驗驗證無擴散)，并按順序編號，每5～10片為一組，飛行方向與地面試區(qū)的長邊保持垂直，并且機身控制在中間區(qū)域。施藥后每隔10 min后收回，判斷無人機施藥的霧滴飄移情況。霧滴穿透力檢測方法參考2.4，平均霧滴沉積密度大于每cm25粒的視其為有效穿透，通過室內(nèi)顯微鏡觀測法(朱少木等， 2007)計算霧滴均勻度。霧滴均勻度=霧滴數(shù)量中值直徑/霧滴體積中值直徑。

2) 無人機不同施藥速度霧滴質(zhì)量的測定 設(shè)定無人機距樹冠頂端3.0 m高度進行不同飛行施藥速度對霧滴質(zhì)量影響的測定，無人機飛行速度在0～7 m·s-1內(nèi)，每隔0.5 m·s-1設(shè)為一個處理，其他試驗方法同2.3 1)， 觀察計算無人機在不同飛行速度下霧滴的平均密度、穿透性和均勻度。

2.4 無人機對空中靶標施藥曙紅染色霧滴的沉積效果測定 通過測定林間不同高度霧滴參數(shù)評價其沉積效果。在靠近楊樹主干20 cm的垂直長桿上，距離樹冠每隔0.7 m高度位置，布置固定7個以上編號的復(fù)印紙卡，靶標固定盡可能模擬樹葉形態(tài)。林間上、中、下部靶標分別設(shè)為距樹冠頂端3、6、9 m位置的紙卡。無人機飛行相對高度設(shè)為距樹冠頂端3.0 m，以2.5 m·s-1作業(yè)速度勻速飛過試驗區(qū)，5 min后收集靶標樣品并保存。觀察、統(tǒng)計和記錄靶標上霧滴參數(shù)。

2.5 無人機施藥防治美國白蛾的效果檢查 美國白蛾發(fā)生第2代1～3齡幼蟲期，在試驗區(qū)隨機選擇標準地3塊，每標準地內(nèi)選擇標準株10株。施藥前檢查每標準株上的蟲口數(shù)。施藥后24、48、72 h檢查樹上及樹下致死蟲口數(shù)量。遠離無人機施藥區(qū)噴灑清水設(shè)置對照，計算蟲口校正死亡率(張享能， 2006)。

防治效果計算公式為：

蟲口校正死亡率(%)=(處理組死亡率-對照組死亡率)/(1-對照組死亡率)×100%。

2.6 數(shù)據(jù)處理 數(shù)據(jù)采用Excel和SPSS Statistics 19.0軟件進行統(tǒng)計分析，數(shù)值采用平均值±標準差，顯著性采用單因素ANOVA Duncan進行分析，相關(guān)性采用雙變量Pearson相關(guān)系數(shù)雙側(cè)檢驗進行分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 無人機施藥飛行參數(shù)分析 不同相對高度和速度時無人機施藥霧滴質(zhì)量如圖1所示：霧滴漂移距離與飛行相對高度呈正相關(guān)，相對高度在3.5 m內(nèi)時，霧滴飄移距離較小，且可控在2～3 m以內(nèi)，相對高度超過3.5 m時，霧滴飄移距離超過4 m以上，較難得到控制。施藥有效穿透力與施藥高度呈負相關(guān)，相對高度距離樹冠頂端3.5 m以內(nèi)時，穿透力可以達到10 m，相對高度超過3.5 m時，穿透力逐漸下降。飛行相對高度對霧滴均勻度的影響不顯著，相對高度低時，霧滴均勻度略差。綜合上述分析，本試驗中當(dāng)無人機飛行相對高度為2.5～3.5 m施藥時，霧滴質(zhì)量較高，施藥效果較好。

圖1 無人機不同飛行高度和速度與霧滴沉積效果的關(guān)系Fig.1 Relations between deposit effects and different height and speed by UAV flight

根據(jù)施藥高度試驗的結(jié)果，將無人機飛行相對高度設(shè)定在3.0 m，再進行不同飛行施藥速度對霧滴質(zhì)量影響的測定。結(jié)果(圖1)顯示，無人機施藥飛行速度與霧滴密度呈負相關(guān)，無人機施藥速度在4 m·s-1以內(nèi)時，霧滴密度較高。霧滴有效穿透力與施藥速度呈負相關(guān)，無人機施藥飛行速度在3.5 m·s-1以內(nèi)時，穿透力均達10 m左右，施藥飛行速度超過3.5 m·s-1后，穿透力下降顯著。無人機施藥飛行速度對霧滴均勻度的影響不顯著。據(jù)此分析，當(dāng)無人機施藥飛行速度在1.5～3 m·s-1范圍內(nèi)，霧滴質(zhì)量較高，施藥效果較好。

對無人機施藥飛行相對高度和速度所得的試驗數(shù)據(jù)進行擬合，得出相關(guān)擬合方程，從結(jié)果(表1)可知，無人機施藥飛行相對高度與霧滴飄移(R2=0.89)和穿透力(R2=0.90)擬合性較高，無人機施藥飛行速度與霧滴穿透力(R2=0.85)擬合性較高。再進行相關(guān)性分析得到，無人機施藥飛行相對高度與霧滴飄移距離、施藥穿透力相關(guān)性極顯著，對霧滴均勻度有一定影響； 無人機施藥飛行速度與霧滴穿透力極顯著相關(guān)，對霧滴密度有一定影響，而對霧滴均勻度影響不大。

表1 無人機飛行參數(shù)與霧滴沉積效果的相關(guān)性分析①Tab.1 Correlation analysis of deposit effects byUAV in different flight parameters

① * :P﹤0.05; ** :P﹤0.01。

3.2 無人機對林間靶標施藥曙紅染色霧滴的沉積效果 如圖2所示，林間上、中、下部的霧滴大小(張再福， 2000)和霧滴密度有明顯差異：上部霧滴較大，分布不均勻，中、下部霧滴較小，但均勻度較好；霧滴在上、中、下部的沉積密度差異顯著。

由表2可以看出，上、中、下部靶標的正反面霧滴大小相差不大，但霧滴密度差異明顯，正面霧滴密度均比反面高出1倍以上。尤其對冠層下部靶標影響更大，這可能是由于隨著無人機施藥距離增大，旋翼產(chǎn)生的下壓氣流逐漸減弱的結(jié)果。

樹冠部位Positionofthecanopy霧滴大小Diameterofdroplet/μm霧滴密度Densityofdroplet/m-2正面Front反面Back正面Front反面Back上部Upper9048±3735a6410±33．06a4575±7．54a2410±6．42a中部Middle5321±2514b4104±24．69b3268±4．37b1500±4．82b下部Lower3322±1325b3121±8．52b693±2．17c282±1．64c

①表中同列不同字母表示差異達到顯著水平(P<0.05),n=15,下同。The different letters in the same column of the table showed significant difference (P<0.05),n=15, the same below.

3.3 無人機防控美國白蛾的效果 從表3可知，施藥24 h后阿維菌素和甲氨基阿維菌素苯甲酸鹽的蟲口校正死亡率均低于30%，48 h后在50%左右，72 h后才達到70%左右，這2種殺蟲劑通過刺激釋放γ-氨基丁酸干擾神經(jīng)生理活動，不能引起昆蟲迅速脫水，所以致死作用較緩慢，但都屬仿生類農(nóng)藥，對捕食性昆蟲和寄生天敵損傷較小，利于保護天敵昆蟲(高悅等， 2013a； 2013b)。從表4可知，施藥劑量為400 mg·L-1時，防治效果明顯高于劑量200 mg·L-1。所以，針對不同蟲口基數(shù)，確定適當(dāng)?shù)氖┧巹┝繉Ψ乐涡Ч绊戄^大。另外，從本次試驗數(shù)據(jù)可知使用單劑甲氨基阿維菌素苯甲酸鹽略高于使用單劑阿維菌素的防治效果。

表3 無人機施藥對美國白蛾的防治效果Tab.3 The control effect of spraying insecticides onH. cunea by UAV

4 討論

本試驗中應(yīng)用無人機噴藥的霧滴平均直徑在30～90 μm，平均霧滴數(shù)量20～30?！m-2，霧滴均勻度為0.767～0.832。據(jù)研究，有人駕駛飛機防治霧滴平均直徑在118～165 μm，平均霧滴數(shù)量在7～14?！m-2，霧滴均勻度為0.670～0.685?？芍?，無論從霧滴大小、霧滴數(shù)量還是霧滴均勻度來看，無人機方面都明顯優(yōu)于有人駕駛飛機(張再福， 2000)。而且，使用有人駕駛飛機進行噴霧，如果噴灑的面積太小，就會將大量的農(nóng)藥噴灑在相鄰地塊的作物上，造成浪費和污染。無人飛機作業(yè)高度足可覆蓋高大樹木的頂端，并可進行超低空作業(yè)，因為當(dāng)飛行超過一定高度時，防治效果較差，不能達到要求，這與有人駕駛飛機防治研究(肖賓， 2011)的結(jié)論一致； 無人機可實現(xiàn)霧化噴藥，藥液飄移少； 無人機可空中懸停，與GPS系統(tǒng)配合可實現(xiàn)較高的位置定位； 無人機無需專用機場起降； 旋翼產(chǎn)生的向下氣流有助于增加霧流對樹木的穿透性，提高防效。

當(dāng)今，植保無人機動力系統(tǒng)，無論是使用燃油或智能電池，單架次飛行時間均有限，需多次起降才能完成較大面積的防治任務(wù)。為保證安全，還需要避開高大建筑物和高壓線等，利用無人機防控林業(yè)有害生物較難實現(xiàn)自主飛行模式，基本上控制在可視范圍內(nèi)進行作業(yè)，這也限制了無人機單架次的作業(yè)半徑。所以，在短時間內(nèi)對大面積林業(yè)有害生物進行防控，使用無人機具有一定局限性，且現(xiàn)階段防治成本與有人駕駛飛機(肖賓， 2011)相比優(yōu)勢不明顯。但現(xiàn)已開始對燃油、多軸、高載重、長續(xù)航的林用無人機(搜狐網(wǎng)， 2016)進行研發(fā)，相關(guān)問題可能得到逐步解決。

本試驗中防控美國白蛾采用的2種仿生類藥劑均為乳油劑型，使用單劑甲氨基阿維菌素苯甲酸鹽的防效略高于單劑阿維菌素，但甲氨基阿維菌素苯甲酸鹽比阿維菌素更易結(jié)晶，長時間過多使用容易堵塞噴嘴，影響霧化效果。滅幼脲防治美國白蛾也有較好效果(曹志等， 2014)，但常用滅幼脲劑型為懸浮劑，也會影響到無人機噴嘴的霧化效果，故本次試驗未予使用?？鄥A等植物源農(nóng)藥(劉雙清等， 2016)具有環(huán)境友好、靶標生物不易產(chǎn)生抗藥性、作用方式特異等特點，但藥效相對遲緩，且成本較高，施用配套器械也有待完善。因此，對適用于無人機的藥劑種類與劑型選擇，也有待深入探討。

國外農(nóng)林航空技術(shù)應(yīng)用比較發(fā)達的國家有美國、日本、俄羅斯、澳大利亞、巴西等(羅錫文， 2014)。從2002年開始，我國對無人機的研究逐年加強。2012年后，我國無人機研究快速攀升，無人機研究應(yīng)用多集中在航空航天及武器領(lǐng)域(占50%以上)，而農(nóng)林經(jīng)濟領(lǐng)域研究應(yīng)用相對較少(占比不足1.3%)(徐麗麗等， 2017)。目前，傳統(tǒng)的農(nóng)林業(yè)技術(shù)方式已不能滿足農(nóng)林業(yè)研究和經(jīng)營者生產(chǎn)實踐對科技的需求，迫切需要解決林業(yè)科技與林業(yè)生產(chǎn)相結(jié)合的問題。

在現(xiàn)代信息技術(shù)、生物技術(shù)及工程技術(shù)等系列高新技術(shù)推動下，“精準林業(yè)”(張慧春等， 2004)應(yīng)運而生。無人機進行精準防控林業(yè)有害生物的研究利用，將作為“精準林業(yè)”重要組成部分，在實現(xiàn)最小資源投入、最大林業(yè)收益和最少環(huán)境危害中發(fā)揮重要作用。

5 結(jié)論

本試驗中當(dāng)無人機飛行相對高度為2.5～3.5 m、飛行速度在1.5～3 m·s-1范圍內(nèi)施藥時，霧滴質(zhì)量較高，施藥效果較好。無人機施藥飛行相對高度與霧滴飄移距離、施藥穿透力相關(guān)性極顯著，對霧滴均勻度有一定影響； 無人機施藥飛行速度與霧滴穿透力極顯著相關(guān)，對霧滴密度有一定影響，而對霧滴均勻度影響不大。使用無人機分別噴灑1.8%阿維菌素乳油和1.0%甲氨基阿維菌素苯甲酸鹽乳油防治美國白蛾，在施藥后24，48和72 h進行了防效調(diào)查，蟲口校正死亡率分別達到30%、50%和70%左右，無人機噴灑1%甲氨基阿維菌素苯甲酸鹽乳油的防效高于1.8%阿維菌素乳油。無人機在最適飛行施藥參數(shù)下，可更精準有效地防治美國白蛾。

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