植保无人机作业参数对水稻冠层雾滴沉积分布影响研究

余文胜，郑文钟，洪一前，杨晓平，宋 涛，金浙红，董玉玲

（1 浙江省农业机械试验鉴定推广总站,310020,浙江杭州;2 浙江大学,310058,浙江杭州;3 金华市农业机械管理站,321017,浙江金华;4 浙江省植保检疫与农药管理总站,310004,浙江杭州；5 浙江省畜牧农机发展中心，310020，浙江杭州）

水稻是浙江省种植面积最大、总产量最高的粮食作物。据统计，2018 年浙江省水稻种植面积65.107 万hm2，占全省粮食种植面积的66.73%；同期全省水稻总产量477.40 万t，占粮食总产量的79.68%。[1]水稻病虫害种类繁多，据相关文献报道有139 种，其中病害61种、虫害78 种[2]。国内每年因病虫害发生导致粮食减产占总产量的15%～40%。因此，加强水稻病虫害防治，对减少水稻产量损失、确保粮食安全具有重要意义。化学防治是当今国内外水稻病虫害防治的主要方式，农药施药方式有人工喷施、地面机械喷施和航空喷施。以植保无人机为代表的航空喷施是浙江省近年来发展起来的一种新的水稻病虫害防治方式，具有作业效率高、成本低、作业受地形影响小，以及施药人员安全等优点。目前全省水稻植保无人机作业面积不大，总体上处于起步阶段。植保无人机喷雾雾滴在水稻冠层沉积分布状况对病虫害防治效果有重要影响，而植保无人机作业参数是影响其雾滴沉积分布的关键因素。目前，水稻种植管理中植保无人机作业参数的确定主要依靠飞手经验，从而对防治效果产生了一定影响。鉴此，本文在参考国内同类研究文献基础上，利用正交试验设计法，寻求能获得较好喷雾雾滴分布的植保无人机作业参数，进而为浙江省植保无人机在水稻病虫害防治作业中的应用推广普及提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 试验设备 试验植保无人机选用浙江东田科技有限公司生产的3WD4-10 型多旋翼无人机，外形尺寸（直径×高）为Φ1 225 mm×450 mm，喷头对角间距1.2 m，喷头4 个，喷头类型为扇形喷雾头，布置方式为前后各2 个；便携式风速风向仪；便携式温湿度仪；电子秤、量杯；采集卡布放架；canon lide 400 型扫描仪；自封袋；等等。

1.1.2 供试药剂 喷雾试验中所用药剂为亮泰（阿维·氯甲酰胺）、农精灵（苯甲·嘧菌酯），生产企业分别为先正达、惠州银农科技；喷雾指示剂诱惑红为胭脂红，生产企业为上海染料研究所有限公司。

1.1.3 防治对象 水稻一代二化螟、白叶枯病等。

1.2 场地气候

1.2.1 试验地址 试验地址选在金华市佐合粮食专业合作社，水稻栽植方式为直播，品种为中早39，生育期为分蘖期，水稻植株平均高度25～30 cm，112.5 万株/hm2。田块地势平坦、肥力均匀、保水性能好、排灌方便。

1.2.2 环境气候 试验时间为2020 年5 月22 日11：10—13：30。当天天气阴天，环境气温22～25.1 ℃，平均相对湿度78.2%，风速0.61 m/s，东偏南2 级。

1.3 试验方法

1.3.1 试验设计 试验采用三因素三水平的正交试验设计方法，考察植保无人机飞行高度、作业速度、喷头流量对农药药液雾滴的影响[3，4]。正交试验设计的因素、水平如表1 所示。

表1 试验因素与水平

试验选用L9（34）正交表来安排试验，表2 为正交试验方案表，将考察因素每列中的数值换成相应的水平的实际数值。

表2 正交试验方案表

1.3.2 采样点布置 在试验区块，分别在小区长度的1/4、2/4、3/4 处，按与植保无人机飞行作业方向的垂直方向，各设置一条雾滴采集带（采集带由三个采集点构成，相邻采集点间距离为1 m，中间一个采集点布置在无人机航道中心线），每条航道设置3 条雾滴采集带，一个试验小区内相邻的三条航道内设置雾滴采集带，共9 条雾滴采集带、27 个雾滴采集点。雾滴采集卡编号规则：I-n。I 为试验区块的标号，取值范围1～9；n 表示第I 个试验区的采样点，取值范围1～27。

1.4 数据采集处理

1.4.1 数据采集 每次试验完毕，待采集卡上的雾滴干燥后，按照序号收集雾滴采集卡，然后逐一放入相应的密封袋中，回办公室处理。将收集的雾滴采集卡逐一用扫描仪扫描，扫描后的图像通过图像处理软件Deposit Scan(V1.2)进行处理分析，根据文献[5]中方法，得到植保无人机不同作业参数下的雾滴覆盖率、覆盖密度和单位面积上的沉积量。

1.4.2 数据处理 为表征试验中各采集点之间的雾滴覆盖密度（或沉积量）均匀性，以植保无人机有效喷幅区内不同采集点上雾滴覆盖密度（或沉积量）的变异系数（CV）来衡量试验中雾滴的分布均匀性，变异系数（CV）计算见公式（1）、（2）。变异系数越小表示雾滴覆盖越均匀。

式中：S 为同组试验采集样本标准差；Xi为各采集点单位面积上的雾滴密度（或沉积量），个·cm-2（或μL·cm-2）；为各组试验采集点的平均雾滴密度（或沉积量），个·cm-2（或μL·cm-2）；n 为各组试验采集点个数。

2 结果与分析

2.1 冠层雾滴沉积分布特征

按照预先确定的试验方案的9 个处理，植保无人机在9 个试验田块内分别进行喷雾作业，对收集到的雾滴采集卡利用软件处理，可得到用于描述植保无人机喷雾雾滴沉积分布特征的相关指标参数[6]。各处理下的指标值详见表3。

2.1.1 沉积覆盖率和分布密度及均匀性 根据水稻化学防治对无人机喷雾质量要求，较高的雾滴覆盖率和雾滴密度，以及雾滴分布均匀是取得较好防治效果的前提。由表3 可知，有较高的密度和雾滴覆盖率的处理为处理1、处理8、处理9，尤其是处理1 最高，其次是处理9。另一方面，为考察雾滴密度和雾滴沉积分布的均匀性，利用公式（1）、（2）计算出9 个不同处理下的雾滴沉积密度和沉积量的均匀性，结果见表4。由表4 可知，沉积密度较大且其雾滴密度变异系数较小的处理为处理1、处理8、处理9 三个处理。同理，由表4 可知，沉积量较高且其变异系数较小的处理有处理6、处理9 两个处理。

表3 植保无人机喷雾雾滴在水稻群体内的沉积分布

表4 水稻植保无人机雾滴沉积试验结果及处理

综上两方面分析可知，处理9 的各因素水平能够达到农用植保无人机喷雾作业对雾滴密度、雾滴沉积量，以及二者变异系数的要求。

2.1.2 雾滴粒径分布和相对粒谱宽度 在化学防治过程中，由于细小雾滴在作物叶片表面覆盖的密度和均匀度远优于粗大雾滴，而且附着性好、不易流失，因而农药利用率高。由表3 可知，植保无人机喷雾雾滴粒径的体积中值直径（DV.5）主要分布在397.74～668.70 μm。其中，处理6 的DV.5 最大，达668.70 μm；处理7 的DV.5 最小，达397.74 μm。与此同时，雾滴体积中值直径较小的还有处理5、处理9，其DV.5 的值分别为405.26 μm、416.15 μm。另一方面，相对粒谱宽度为DV.9 与DV.1 的差值跟DV.5 之比，是国际上用来衡量雾滴喷洒效果的常用指标，其数值越小越好，理想值为0，即占总体积80%的雾滴体积相同[6]。由表3 最后一列可知，9 个处理的植保无人机喷雾雾滴粒径相对粒谱宽度相差不大，都在数值1 左右变化。这表明试验所用植保无人机喷雾效果并不很理想，这也是目前植保无人机普遍存在的问题，这样的结果是飞行参数、喷头、作物自身特性等多因素共同造成的。

2.2 雾滴沉积量和均匀性极差分析

根据上述9 个处理试验获得沉积量和沉积量均匀性数据，利用DPS 软件对沉积量及其均匀性进行极差分析，影响二者各因素在不同水平的极差值如表5 所示。

2.2.1 雾滴沉积量极差分析 从药液喷施质量要求考察，雾滴沉积量越大越好，故应选取能使沉积量大的因素水平。根据表5 中三个作业参数有关沉积量的极差R 值，能获得较大沉积量的各因素较优水平分别为喷头流量A1、飞行高度B2、作业速度C1，三个作业参数较佳组合为A1B2C1。另外，按三个作业参数的极差R 值大小顺序，影响药液雾滴沉积量多少的主次因素依次为C、A、B。产生上述结果的原因：首先，在其他条件相同前提下，加大喷头流量会使喷头单位时间内喷出的雾滴数量增加。其次，雾滴运行速度受雾滴直径大小、初始速度的影响。通常小雾滴运行速度衰减快，大雾滴衰减慢，因而植保无人机飞行速度对小雾滴影响较大，但对大雾滴影响不大。第三，植保无人机飞行高度影响植株冠层上方垂直风场的强弱，若飞行高度太高，水稻植株冠层上方的垂直风场减弱，雾滴易受侧风影响发生飘移，从而使雾滴沉积量减少；反之，无人机与水稻植株之间形成的较强紊流会造成雾滴的过度流失而影响雾滴沉积。因此，只有当喷头流量较大，飞行速度较低，以及飞行高度适中时，水稻植株冠层才能获得较高的雾滴沉积量。综上分析，有较大沉积量且沉积分布比较均匀的处理有处理6、处理9 两个处理。

2.2.2 雾滴沉积均匀性极差分析 雾滴沉积均匀性是利用各雾滴采集点上沉积量的变异系数来描述，变异系数越小则表示雾滴沉积越均匀，因而应选取能获得较小沉积量变异系数的因素水平。为此，根据表5 中三个作业参数有关沉积量均匀性的极差R 值，能获得较小变异系数的各因素较优水平分别为喷头流量A2、飞行高度B3、作业速度C3，三个作业参数较佳组合为A2B3C3；而影响雾滴沉积变异系数大小的主次因素顺序为C、A、B。产生此结果的原因：当作业速度较慢和作业高度较低时，植保无人机下方的旋翼风场过强，导致其雾滴沉积在水稻冠层的均匀性较差。这点从试验处理1、处理2 的雾滴沉积变异系数208.18%、100.29%得到充分说明。因而需要较高的作业速度、高度和较大的流量，才能使雾滴均匀地沉积在水稻冠层。

表5 农药雾滴沉积量和均匀性极差分析

3 讨论与结论

（1）植保无人机喷雾雾滴在靶标作物上的沉积效果，既是评价其在农田作业效果的重要指标，也是决定病虫害防治能否取得效果的关键因素。植保无人机雾滴沉积效果可用雾滴密度和均匀性、雾滴沉积量、雾滴粒径等指标描述。影响植保无人机雾滴沉积效果的因素有很多，但在农田实际防治应用过程中，其飞行速度、飞行高度、喷头流量等作业参数选择是否合理对雾滴沉积效果具有重要影响。因此，采用科学方法对植保无人机喷雾作业参数进行优选是取得良好雾滴沉积效果和化学防治效果的前提条件，也是推广应用植保无人机的一项基础工作。

（2）本文以目前在金华市作业面积较大的浙江东田科技有限公司的3WD4-10 型多旋翼无人机为对象，结合国内相关研究文献和正交试验设计法，对其三个主要作业参数进行优选。根据试验雾滴采集卡的数据处理结果可知，处理9 的因素水平即喷头流量q=3.0 L/min、作业高度h=2.5 m、飞行速度v=4.5 m/s 时，植保无人机的雾滴沉积效果最好。同时根据极差分析可知，影响雾滴沉积密度的试验因素主次顺序依次为作业速度v、飞行高度h、喷头流量q，而影响雾滴沉积均匀性的试验因素主次顺序亦是作业速度v、飞行高度h、喷头流量q。

（3）如前所述，植保无人机喷雾雾滴沉积效果受多种因素影响。据国内外研究文献表明，在农药中添加某些种类喷雾助剂，对提高植保无人机喷雾雾滴在作物冠层上部的沉积量（密度）和有效沉积率有较为明显作用[7]。由于本次试验中未在农药中添加喷雾助剂，可能在一定程度上影响了雾滴在采集卡上的沉积数量。为此，有必要在下次水稻病虫害防治试验中添加某些种类农药喷雾助剂，进而分析喷雾助剂对改善雾滴沉积效果、提高雾滴沉积量和有效沉积率的作用。