核桃園植保無人機作業參數優選

朱曉鋒　王明　徐兵強　宋博　閆曉靜　楊森　袁會珠

摘要 為探究植保無人機在核桃園低空低容量噴霧最優作業參數，本文采用三因素三水平正交試驗設計，研究了植保無人機噴霧后核桃樹上霧滴沉積分布情況。結果表明：影響霧滴覆蓋密度和沉積量的主要因素是飛行速度，其次是飛行高度和施藥液量;在樹高6～7 m的核桃園中植保無人機噴霧效果較優的作業參數是飛行速度2.2～3.0 m/s，飛行高度2.0～2.5 m，施藥液量22.5～30.0 L/hm2，其平均霧滴覆蓋密度和沉積量分別為26.36～37.94個/cm2、0.24～0.29 μg/cm2;不同冠層霧滴覆蓋密度和沉積量分布為上層>中層>下層，外圍>內膛;噴頭型號對霧滴覆蓋密度和霧滴直徑有顯著影響;中等噴頭（Teejet110015）處理的沉積量最大，但粗、中、細3種噴頭處理間的沉積量無顯著性差異;植保無人機和地面人工+機動噴桿噴霧的農藥地面流失率分別為3.61%和23.69%，兩處理間有顯著性差異。本文對無人機在核桃園噴霧作業參數進行了優選，可為無人機對高冠果樹的合理噴施、提高噴施效果提供參考和指導。

關鍵詞 植保無人機; 作業參數; 核桃園; 霧滴覆蓋密度; 沉積量

中圖分類號： S 499

文獻標識碼： A

DOI： 10.16688/j.zwbh.2019220

Optimization of unmanned aerial vehicle （UAV） operation parameters in walnut orchards

ZHU Xiaofeng1*， WANG Ming2， XU Bingqiang1， SONG Bo1， YAN Xiaojing2， YANG Sen1， YUAN Huizhu2*

（1. Institute of Plant Protection， Xinjiang Academy of Agricultural Sciences， Key Laboratory of Integrated Pest

Management on Crops in Northwestern Oasis， Ministry of Agriculture and Rural Affairs， National Local Joint

Engineering Research Center of Special Forestry and Fruit Industry， Urumqi 830091， China;

2. Institute of Plant Protection， Chinese Academy of Agricultural Sciences， Beijing 100193， China）

Abstract

In order to explore the optimal operation parameters of unmanned aerial vehicle （UAV） spraying in walnut orchards， the deposition distribution of droplets on the walnut trees after UAV spraying was studied using three factors and three levels orthogonal tests. The results showed that the main factor affecting the droplet density and deposition was flight speed， followed by flight height and spray volume. In walnut orchards， where the tree height was 6-7 m， the operation parameters with better spray effect of UAV were flying speed of 2.2-3.0 m/s， flying height of 2.0-2.5 m and spray volume of 22.5-30.0 L/hm2， and the average droplet density and deposition were 26.36-37.94 deposits/cm2 and 0.24-0.29 μg/cm2， respectively. The droplet density and deposition on different canopies were distributed from high to low in the upper canopy， middle canopy， lower canopy and outer canopy and inner canopy. The type of nozzle had a significant influence on the droplet density and diameter. Medium nozzle （Teejet110015） had the largest deposition， but there was no significant difference between the three nozzles （Teejet11001， Teejet110015 and Teejet11002）. The ground loss rates of pesticides sprayed with UAV and spray boom were 3.61% and 23.69%， respectively， and there was significant difference between the two treatments. In this study， the spraying operation parameters of UAV were optimized in walnut orchards， which could provide a reference and guidance for the rational spraying of UAV on high-crowned fruit trees and the improvement of spraying effect.

Key words

UAV; operation parameter; walnut orchard; droplet density; deposition

核桃是世界上重要的堅果之一，栽培歷史悠久。我國核桃栽培面積和總產量均居世界第一，主要分布在云南、新疆、陜西、山西、河北等地。截至2016年底，新疆核桃種植面積已達36.9萬hm2，年產核桃48.6萬t，已成為中國核桃的重要產區之一[1]。在新疆，核桃病蟲害主要有核桃黑斑蚜Chromaphis juglandicola （Kaltenbach）、葉螨Tetranychus spp.、核桃腐爛病Cytospora juglandis、核桃葉枯病Alternaria alternata （Fr.） Keissl等[2-5]。目前生產上主要使用大容量、粗霧滴機動高壓噴霧器噴霧防治核桃主要病蟲，由于核桃樹冠高大（樹高多數在3～10 m之間），這種淋洗式的施藥方法作業強度大，效率低（6 667 m2·人-1·d-1），用水量大，藥液流失嚴重，作業人員易中毒， 土壤環境和生態環境易受到污染和破壞。

植保無人機除作業效率高、節約人力物力外，還可節約農藥使用量和用水量，且作業不受作物長勢和地形的限制[6]。目前植保無人機的應用和研究多集中在棉花、糧食作物方面[7-11]，有廣闊的應用前景[12]，而在林果樹木上的應用研究較少，且主要集中在樹冠較小的柑橘、茶樹等樹木上[13-15]。為探究植保無人機在核桃園噴霧較優的作業參數，為核桃生產中植保無人機的合理應用提供依據，本文研究了植保無人機在不同作業參數下霧滴在核桃樹上的沉積分布，以期找出影響霧滴覆蓋密度和藥劑沉積分布的因素和較優的作業參數，現將結果報道如下。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地設在新疆阿克蘇阿瓦提縣多浪鄉多浪村三組，核桃種植面積13.5 hm2，2008年定植，株行距為3 m×5 m，冠幅5 m，樹高6～7 m。選擇大小均一，長勢一致的核桃園作為試驗用地。

1.2 試驗設計

小區約700 m2，每小區間設5 m寬的隔離帶，試驗藥劑為43%聯苯肼酯懸浮劑，陜西恒田化工有限公司。指示劑為誘惑紅85，浙江吉高德色素科技有限公司，用量為450 g/hm2。

1.2.1 作業參數篩選

植保無人機選用大疆植保無人機MG-1P，采用三因素三水平正交試驗設計具體如下（表1），共9個處理，噴頭為Teejet110015。

1.2.2 噴頭篩選

飛行參數采取中等水平，即施藥液量30.0 L/hm2，飛行高度2.0 m，飛行速度2.0 m/s。噴頭分別使用粗（Teejet11002）、中（Teejet110015）、細（Teejet11001）3種（美國噴霧系統公司產品）。

1.3 霧滴覆蓋密度、沉積量分布和農藥地面流失率測定

噴霧前，在每個小區選擇3株核桃樹，將每株樹樹冠分為東、西、南、北、中5個方位，每方位又分為上、中、下3層，其中下層再分內、外2個方位，共19個采樣點。每采樣點分別布置霧滴覆蓋密度測試卡和霧滴采集卡（直徑9 cm的定性濾紙）;并以樹干為中心，分別在樹干下方、樹冠下方四周和樹冠外（株行間）四周地面均勻設置1、4、4個霧滴采集卡。并以地面人工+機動噴桿噴霧處理為對照。噴霧結束后，收取霧滴覆蓋密度測試卡及定性濾紙并裝入自封袋，帶回實驗室利用“DePosit scan”軟件（美國農業部）測定霧滴覆蓋密度。

藥劑沉積分布測定：將定性濾紙裝入1#自封袋中，加5 mL的蒸餾水洗滌濾紙上的誘惑紅。根據示蹤劑的標準曲線和樣品的吸光度計算出樣品示蹤劑的濃度，計算沉積量（d）。

d=（c×V）/a，

式中d（μg/cm2）為沉積量，c（μg/mL）為示蹤劑濃度，V（mL）為洗脫液體積;a（cm2）為濾紙面積。

農藥地面流失率計算：本文采取如下公式，測得農藥地面流失率。

D=m2/M×100%，

式中D（%）為農藥地面流失率，m2（μg）為單位面積地面農藥沉積量，M（μg）為單位面積噴施農藥總量。

2 結果與分析

2.1 主效應分析

利用SPSS 17.0對影響霧滴覆蓋密度和沉積量三因素主體間效應進行分析，檢驗結果見表2。

由表2可以看出：三個因素對不同方位霧滴覆蓋密度的均方值顯示，在測試范圍內飛行速度的均方值最大，說明飛行速度是影響霧滴覆蓋密度的主要因素，其次是施藥液量和飛行高度;其中飛行速度對核桃不同方位霧滴覆蓋密度的影響達到了顯著水平（P<0.05）;飛行高度對核桃樹上層霧滴覆蓋密度的影響達到了顯著水平（P=0.043）;三個因素對不同方位沉積量的均方值顯示：飛行速度對整株平均沉積量影響最大，其次是飛行高度和施藥液量;其中飛行速度對下層沉積量達到了顯著水平，飛行高度對內膛葉片沉積量的影響也達到了顯著水平。

綜上所述，在植保無人機施藥過程中，影響藥液密度和沉積量分布的主要因素是飛行速度，其次是飛行高度和施藥液量。

2.2 不同方位霧滴覆蓋密度和沉積量分析

2.2.1 霧滴覆蓋密度及均勻性分析

對9個處理核桃樹不同方位葉片霧滴覆蓋密度方差分析結果見表3。

由表3可以看出：7個處理中核桃樹不同冠層霧滴覆蓋密度分布為上層>中層>下層，8個處理中核桃樹冠層的霧滴覆蓋密度分布為外圍>內膛;其中處理9的葉片平均霧滴覆蓋密度最高，為37.94個/cm2，與處理1、處理2、處理3、處理4、處理5、處理6和處理7有顯著性差異，但均勻性較差;因此，通過葉片霧滴覆蓋密度分析可以初步確定處理9植保無人機噴霧效果最好。

2.2.2 沉積量及穿透性分析

對9個處理不同方位葉片沉積量方差分析及變異系數分析結果見表4。

由表4可以看出：在9個處理中，7個處理核桃樹不同冠層沉積量分布為上層>中層>下層，8個處理沉積量分布為外圍>內膛;其中處理7核桃樹平均沉積量最高，為0.29 μg/cm2，與處理1、處理5和處理8有顯著差異，其次是處理9和處理4，均為0.24 μg/cm2;處理9的變異系數最低，為8.86%，表明其噴霧穿透性最好。因此，通過葉片沉積量分析處理7噴霧效果較好。

綜合霧滴覆蓋密度和沉積量分析以及分析參數（表1）可知，在核桃園中植保無人機噴霧效果較好的飛行參數是飛行速度為快速（2.2～3.0 m/s），飛行高度為中、高等水平（2.0～2.5 m），施藥液量為中低水平（22.5～30.0 L/hm2）。

2.2.3 霧滴覆蓋密度和沉積量邊際均值估算

對正交試驗數據進行分析，獲得不同因素不同水平不同方位葉片霧滴覆蓋密度和沉積量估算邊際均值（表5）。

由表5可以看出：在飛行速度為高水平下，核桃樹不同方位霧滴覆蓋密度的估算邊際均值為最大，顯著高于低飛行速度的霧滴覆蓋密度估算邊際均值;不同方位（內膛除外）的沉積量估算邊際均值也是最大，其中在下層的沉積量估算邊際均值顯著高于低速水平下的沉積量估算邊際均值。由此可知植保無人機高速飛行速度有利于霧滴的附著和沉積。

飛行高度在中等水平下（距樹頂2.0 m）不同方位霧滴覆蓋密度的估算邊際均值均為最大，但未達到顯著水平;在下層、內膛以及全株平均沉積量的估算邊際均值也是最大，部分方位顯著高于其他水平。由此可知植保無人機在核桃園作業過程中用飛行高度在中等水平（2.0 m）有利于不同方位霧滴的附著和沉積。

施藥液量在低水平（22.5 L/hm2）下不同方位（除上層外）的霧滴覆蓋密度的估算邊際均值最大，部分方位與其他水平存在顯著差異;而施藥液量在中等水平（30.0 L/hm2）下不同方位沉積量的估算邊際均值最大，部分方位顯著高于其他水平。由此可知植保無人機在核桃園作業過程中用藥液噴灑藥量在中、低水平（22.5～30.0 L/hm2）下有利于不同方位霧滴的附著和沉積。

綜上所述，植保無人機在核桃園中的最佳飛行參數是：飛行速度為2.2～3.0 m/s，飛行高度為2.0 m，施藥液量為22.5～30.0 L/hm2。

2.3 最佳噴頭篩選

對各處理的霧滴覆蓋密度、體積中值直徑（DV0.5）和沉積量的方差分析結果見表6。

由表6可以看出：細噴頭（Teejet11001）在核桃樹不同方位霧滴覆蓋密度最大，其中下層和全株平均霧滴覆蓋密度顯著大于粗噴頭（Teejet11002）的霧滴覆蓋密度;粗噴頭霧滴的DV0.5在核桃樹不同方位均最大，在上層、外圍和全樹平均顯著大于細噴頭的DV0.5;中等噴頭（Teejet110015）在核桃樹不同方位的沉積量最大，但與其他處理未達到顯著性差異。由此可知，中等噴頭（Teejet110015）的霧滴覆蓋密度和霧滴直徑中等，但沉積量最大，應是植保無人機核桃園中作業時的最優選擇。

2.4 農藥地面流失率

對無人機噴霧和地面人工+機動噴桿噴霧的地表沉積量和農藥地面流失率計算和分析結果見表7。由表7可以看出：無人機噴霧的地面沉積量平均為0.16 μg/cm2，地面人工+機動噴桿噴霧為1.07 μg/cm2，二者之間具有極顯著差異（P<0.01）;無人機噴霧的農藥地面流失率平均為3.61%，地面人工噴霧為23.69%，二者之間具有極顯著差異（P<0.01）。由此可知，植保無人機與地面人工噴霧相比可顯著降低農藥的地面流失。

3 結論與討論

通過對多旋翼植保無人機在核桃園進行噴霧作業進行研究，結果表明：在中等樹體大小核桃園（樹高6～7 m），影響霧滴覆蓋密度和沉積量的主要因素是飛行速度，其次是飛行高度、施藥液量;植保無人機的最佳作業參數是施藥液量22.5～30.0 L/hm2、飛行高度2.0～2.5 m、飛行速度2.2～3.0 m/s;不同核桃冠層霧滴覆蓋密度和沉積量分布為上層>中層>下層，外圍>內膛;噴嘴型號對霧滴覆蓋密度和粒徑有顯著影響，中等噴頭（Teejet110015）處理沉積量最大;植保無人機低空低容量噴霧與地面人工+機動噴桿噴霧相比可顯著降低農藥地面流失。影響航空噴施效果的因素有很多，機型、噴嘴型號、環境、作業高度、作業速度等對霧滴在作物表面的沉積均有影響[16-17]。陳盛德、萬品俊等研究表明，影響植保無人機霧滴沉積分布的主要因素是飛行速度，其次是作業高度、噴頭流量[13，18]，此結果與本研究結果基本一致。本文僅研究了中等樹體大小核桃園植保無人機作業技術參數，植保無人機在其他樹體大小核桃園作業時可參考本文研究結果，根據實際情況選擇合適的飛行速度和施藥液量等參數。

植保無人機防治玉米螟時，霧滴覆蓋密度為（25.5±4.9）個/cm2時，防治效果為（83.3±5.1）%[19];在麥田防治吸漿蟲時，上部霧滴覆蓋密度為7.1～20.3個/cm2、中部為4.3～7.7個/cm2，下部為0.8～6.3個/cm2，防治效果達81.6%[20];在防治棉花蚜蟲時，上、中、下部的霧滴覆蓋密度分別為19.8、30.7個/cm2和15.5個/cm2，防治效果在96.3%以上[8]。Alm等研究指出，霧滴粒徑為200 μm、霧滴覆蓋密度18個/cm2 時，二斑葉螨死亡率為80%[21]。在本研究中處理9（飛行速度為3.0 m/s、飛行高度為2.0 m，施藥液量為22.5 L/hm2）在不同方位的平均霧滴覆蓋密度分別為24.67～58.29個/cm2，全株平均為37.94個/cm2。因此，推測在本文研究篩選的飛行參數下防治核桃黑斑蚜等害蟲的防治效果應在80%以上，但具體的防治效果還需進一步研究和驗證。

選擇合適的噴頭也有利于植保無人機噴施的高效作業。細噴頭的霧滴覆蓋密度較大，但易受風速、風向、氣溫、濕度等因素影響，尤其是風速、風向的影響較大，隨著風速的加大，噴霧蒸發速度加快，且霧滴更細小，更容易產生漂移[22]。根據本研究結果，中等噴頭（Teejet110015）的霧滴覆蓋密度（16.520 個/cm2）和霧滴中直徑（258.406 μm）中等，且沉積量最大;并結合新疆特殊的高溫干旱氣候條件，為達到更好的噴霧作業效果，中等噴頭（Teejet110015）為最佳選擇類型。

開發航空噴霧霧滴蒸發抑制劑是改進農業航空噴霧效果的重要手段[23]。在無人機噴施過程中添加助劑可以提高農藥利用率，減少農藥使用量[24]。趙冰海等研究表明：加入總藥液量1.5%的飛防助劑能增加對棉蚜的防治效果，并能減少30%的農藥用量[8]。植保無人機在防治玉米銹病時添加助劑后，在減量30%時達到正常用藥量防治效果[25]。為避免植保無人機在噴施核桃樹過程中的霧滴飄失和蒸發的問題，加入適量的助劑有利于提高噴施作業的效果，對不同助劑的作用效果有待進一步探究。

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（責任編輯：田 喆）