多旋翼植保无人机棉花飞防作业效果

娄朝霞，温浩军，张 斌，辛 芳，韩小强，付 威，3

(1.石河子大学机械电气工程学院，新疆石河子 832003；2.石河子大学农学院，新疆石河子 832003；3.海南大学机电工程学院，海口 570100)

0 引 言

【研究意义】棉花是新疆主要经济作物之一，其播种面积和产量均占全国第一位，2017年新疆棉花播种面积228.11×104hm2，其种植面积约占全国种植面积的70%以上，成为国内棉花供给的重要支柱[1]。但连年种植导致棉花病虫害频繁发生，棉花产量损失严重，加强植物化学防治对于提高棉花产量和质量具有重要意义。【前人研究进展】长期施用农药，在农作物上产生农药残留，造成严重植物农药残留污染和土壤残留污染[2]。据统计，中国受污染的耕地面积多达1×107hm2，约占可耕地面积的1/10[3]。植保无人机作为新兴的植保机械，具有作业效率高、速度快、飘移少等优点[4-5]。近年来，农业航空施药技术得到迅速进展，植保无人机的施药效果引起人们的广泛关注。Fritz等[6]测试了三种喷头的雾滴沉积效果，研究喷药速率和雾滴大小对雾滴沉积的影响；J.Connor Ferguson等[7]通过试验研究喷嘴类型和施药量与雾滴粒径、雾滴密度、覆盖率和冠层穿透性的关系。R.C.Derksen等[8]对大豆进行喷雾试验，研究喷嘴类型和喷雾量对雾滴沉积和雾滴穿透性的影响；Wang等[9]利用四种典型的无人机对雾滴沉积、覆盖率、雾滴密度、穿透性和工作效率进行了田间测试；Zheng等[10]通过改变多旋翼无人机飞行参数进行田间试验，测试玉米不同生长阶段的喷雾效果并进行数学建模；Qin等[11]研究无人机飞行高度、飞行速度对雾滴沉积的影响，对褐飞虱的防治效果；邱白晶等[12]利用CD-10型无人机研究飞行高度和飞行速度及两因素的交互作用对雾滴沉积浓度，沉积均匀性的影响；张京等[13]利用红外热像仪来研究无人机不同喷雾参数下雾滴沉积分布特性；许童羽等[14]研究植保无人机在不同飞行参数下，雾滴在水稻垂直方向上的分布特性。【本研究切入点】关于植保无人机喷施作业雾滴在不同风向的分布规律及病虫害防治效果的研究尚未见报道。研究多旋翼植保无人机棉花飞防作效果。【拟解决的关键问题】使用JT-30植保无人机进行田间试验，研究多旋翼植保无人机喷施作业雾滴在棉花冠层沉积分布规律，比较植保无人机和喷杆喷雾机的防虫效果，为棉花病虫害防治提供理论依据和技术支持。

1 材料与方法

1.1 材 料

试验在新疆石河子三分场四连(E85°28′32″, N44°39′54″)，试验田采用中等水平施肥，前茬作物为棉花，已连续多年种植。供试品种为新陆早64号，采用机采棉种植模式，一膜6行，行距(66+10)cm，宽窄行常规播种模式，2017年4月24日播种，种植密度为19.5×104株/hm2，全生育期采用膜下滴灌。图1

药剂为80% 啶虫脒WP，山东中农联合生物科技股份有限公司；240 g/L 螺螨酯SC，山东邹平农药有限公司；5% 阿维菌素EC，河北威远生物化工有限公司；诱惑红，浙江吉高德色素科技有限公司。

设备为JT-30型多旋翼植保无人机，新疆疆天科技有限公司；东方红3W-1 000Y悬挂式喷杆喷雾机，中农丰茂植保机械有限公司；infinite 200 Pro酶标仪，瑞士Tecan公司；FA2104N电子天平，上海双旭电子有限公司；滤纸(d=70 mm)，卡罗米特纸卡、自封袋、剪刀等。

图1 植保机械喷施试验现场及棉花冠层分布

Fig.1 Plant protection Mechanical spraying test site map and cotton canopy distribution map

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

试验于2018年7月18日16:00～18:00进行，施药当天温度为18～32℃，环境湿度65%，白天夜间天气多云，微风；在此生育期棉株平均株高、主茎叶片数和果枝数为68 cm、12.7片、7.48个，飞行高度2 m，飞行速度5 m/s，3W-1000Y喷杆喷雾机，移动速度0.8～1.0 m/s。表1

表1 试验设计

Table 1 Test design

处理Treatment喷液量 (L/hm2)Spray voiume剂量 (a.i. g/667 m2)Dosage啶虫脒Acetamiprid螺螨酯Spirodiclofen阿维菌素Avermectin面积 (hm2)Area喷施机械Spray machinery120.270.320.10.6673W-1000Y悬挂式喷杆喷雾机20.10.270.320.10.667JT-30多旋翼植保无人机3----0.667-

1.2.2 无人机喷雾测试

在进行田间试验时，不同喷雾处理在各小区形成不同的雾滴分布。喷雾前测试风向，分别在试验区与航线垂直的喷幅范围内，左右侧喷幅内各取8点(沉积区)，在植保无人机作业喷幅外，从有效喷幅边缘起上风向和下风向分别选取14点(飘移区)，样点布置重复3次，并将卡罗米特纸卡和滤纸分别布置到作业区域棉花冠层上部、中部和下部，每层按照十字交叉模拟棉花冠层不同位置。试验完成后对收取的卡罗米特试纸进行扫描，使用Depositscan软件检测雾滴参数。

试验前配置6.6 g/L的诱惑红溶液作为喷雾液，无人机于沉积区中心飞过。每组测试完毕后，收集各布样点的滤纸和卡纸，按照“测试组—布样方向—重复号—编号”编号后，装在自封袋中密封带回实验室进行定量分析。图1

1.2.3 雾滴沉积测定

1.2.3.1 诱惑红标准曲线绘制

准确称取0.1 g于100 mL容量瓶，蒸馏水定容，即得1 000 mg/L诱惑红母液，稀释为0.1、0.2、0.5、1.0、2.0、5.0 mg/L诱惑红标准溶液而后用Tecan Infinite 200 PRO 型酶标仪于514 nm波长检测其吸光值，获取浓度-吸光度标准曲线。测得线性方程为y=0.022 0x-0.002 7，相关系数为R2= 0.990 9。

1.2.3.2 雾滴沉积量测定

测试时向装有滤纸的自封袋中加入5 mL 去离子水洗脱示踪剂，充分洗涤每张滤纸10 min，使用酶标仪在514 nm 吸收波长处测量洗脱液吸光度，并根据浓度-吸光度标准曲线，计算诱惑红用量，由式(1)计算出单位面积雾滴沉积量[15]。

式中，βdep为雾滴沉积量，μL/cm2；ρsmpl为待测样品浓度，mg/L；ρblk为空白对照浓度，mg/L；Fcal为校正因子；Vdii为用于洗脱滤纸收集的诱惑红的稀释液的体积，mL；ρspray为药箱内诱惑红喷洒液的浓度，g/L；Acol为滤纸的面积，cm2。

为了表征试验中各采集点之间的雾滴飘移分布情况，研究以无人机在飘移区水平方向雾滴飘移百分比来表达试验中雾滴的飘移情况[16]。由式(2)计算飘移百分比。

式中，βdep为飘移沉积量，μL/cm2；βdep%为飘移百分比，%；βv为喷雾量，L/ha。

1.2.4 蚜虫和叶螨防治效果调查

1.2.4.1 蚜虫防效测定

在试验开始前，每组试验区随机选取20个点调查蚜虫数量，每点选取5株棉花，做好标记，分别于施药前和施药后1、3、7、15 d棉叶上活蚜虫的数量调查记录。

1.2.4.2 叶螨防效测定

在试验开始前，每组试验区随机选取30个点调查棉叶螨数量，每个点选取1个叶片(定点定株定叶)，做好标记，分别于施药前和施药后1、3、7、15 d棉叶上活叶螨的数量调查记录。

采用公式(3)(4)计算虫口减退率和防效，通过虫口减退率指标来评估无人机施药和喷杆喷雾机对害虫种群动态的防治效果。

虫口减退率

(3)

校正防效

(4)

2 结果与分析

2.1 植保无人机施药雾滴在棉花冠层沉积分布

研究表明,在喷幅范围内，无人机施药作业雾滴在棉株不同位置的沉积有明显差异。采样点棉株上、中、下部雾滴沉积量平均值为0.026 5 、0.006 7和0.007 9 μL/cm2，雾滴覆盖率的平均值分别为4.244%、1.104%、0.809%。在棉株上部的沉积量显著大于中部，但中部和下部无明显差异，且棉花冠层中、下部雾滴沉积量和覆盖率均较低，雾滴的穿透性较差。图2

图2 棉花冠层不同位置农药沉积量

Fig.2 Pesticide deposition in different locations of cotton canopy

2.2 植保无人机施药雾滴飘移分布特性

研究表明，上风向飘移百分比在0.84%～14.35%上下波动，平均飘移百分比为4.93%；下风向飘移百分比在8.56%～30.71%上下波动，平均飘移百分比为14.96%。上风向距离喷幅小于5.42 m处飘移百分比较低，但距离喷幅5.52 和6.28 m处飘移百分比可达到15%左右，可能是由于无人机下方与植株上方之间较强的旋翼风场向两侧卷起雾滴而引起；下风向距喷幅4.0 m处达到最大飘移百分比，大于4.0 m处飘移百分比逐渐降低。在上下风向喷幅采集边缘仍存在较大飘移，因而无法确定准确的喷幅边缘。图3

图3 无人机作业上下风向飘移百分比

Fig.3 Drift percentage of upwind and downwind in UAV Spraying

2.3 不同植保机械喷雾处理对棉蚜和棉叶螨的防治效果评价

研究表明，在喷施相同农药情况下，不同器械在药后1～15 d均有明显差异。施药1 d后JT-30植保无人机和3W-1000Y喷杆喷雾机对棉蚜防治效果为67.7%、65.32%，施药3 d后防治效果有显著提高；在施药7 d后对棉蚜的防治效果达到最佳水平。结果表明，植保无人机对蚜虫的防治效果明显高于喷杆喷雾机。施药1 d后植保无人机和喷杆喷雾机对棉叶螨防治效果为36.21%、42.82%，施药3、7 d后防治效果有明显提高，在施药15 d后对棉叶螨的防治效果达到最佳水平，而且喷杆喷雾机对棉叶螨的防治效果明显高于无人机。表2

表2 不同植保机械防治效果

Table 2 Control efficiency of different plant protection machinery

3 讨 论

棉花在生长中后期有红蜘蛛、蚜虫和棉盲蝽等危害叶片的害虫，在防治虫害的过程中，施药机具的作业质量将直接关系到农药的有效利用率以及虫害的防治效果。雾滴沉积和雾滴飘移作为评估喷雾质量的重要指标，通过进行喷施试验研究棉花冠层雾滴的沉积分布规律以及不同施药机具的虫害防治效果。

从雾滴沉积分布结果来看，无人机施药作业雾滴在棉株不同位置的沉积有明显差异。在棉株上部的沉积量显著大于中部，但中部和下部无明显差异，且棉花冠层中、下部雾滴沉积量和覆盖率均较低，雾滴的穿透性较差。从雾滴飘移分布结果来看，上风向飘移百分比在0.84%～14.35%上下波动，平均飘移百分比为4.93%；下风向飘移百分比在8.56%～30.71%上下波动，平均飘移百分比为14.96%，下风向的飘移沉积明显大于上风向，液滴飘移达到喷施宽度两侧纸卡设置的边缘，飘移距离大于5.32 m。关于雾滴飘移的研究，如姚伟祥等，使用AS350B3e直升机进行航空喷施试验，研究直升机进行喷施作业时的雾滴飘移规律，结果表明，有效喷幅范围内受自然风速和风向的影响，会向直升机航线下风向区域有不同程度的偏移，目前对飘移的研究还不够全面，还需要进一步研究[17]。从病虫害防治效果来看，JT-30植保无人机和3W-1000Y喷杆喷雾机在施药7 d后对棉蚜的防治效果均达到最佳水平(91.49%，86.04%)，在施药15 d后对棉叶螨的防治效果达到最佳水平(84.46%，97.98%)。Qin等人对小麦病虫害防治的研究表明无人机喷施后3～10 d防治效果为92%～74%，防治效果好，持续时间长[11]。相比之下，植保无人机棉花害虫的防治还需要进一步的研究。

新疆棉花采用地面机械农药喷施作业，容易造成碾压棉枝、拖拽棉桃、浪费水和和农药，降低棉花产量和质量。同时，喷杆喷雾器产生的农药滴径较大，导致农药向土壤中流失。这成为制约新疆棉花质量和效益的瓶颈和技术问题。无人机喷施作业的应用将使现场远程化作业成为可能，从而帮助田间作业人员避免直接接触农药，无人机喷施还将提高农药利用率，提高新疆棉花产业的质量和效率。

4 结 论

4.1 在喷幅范围内，无人机施药对棉花冠层雾滴穿透性有显著影响，棉株上部雾滴沉积量(0.026 5 μL/cm2)和覆盖率(4.244%)均达到较高水平。

4.2 无人机施药雾滴在上风向和下风向的飘移有显著差异，上风向雾滴平均飘移百分比为4.93%，平均飘移百分比为14.96%，且波动较大。

4.3 JT-30植保无人机和3W-1000Y悬挂式喷杆喷雾机在施药7 d后对棉蚜防治效果较好，在施药后15 d对棉叶螨防治效果较好。