喷雾量及助剂对棉花苗期植保无人飞机作业效果的影响

胡红岩, 陈宇楠, 宋贤鹏, 马亚杰, 刘青梅,王 丹, 单永潘, 马 艳*,

(1. 中国农业科学院 棉花研究所/棉花生物学国家重点实验室，河南 安阳 455000；2. 奎屯华棉农业科技有限公司，新疆 奎屯 833200；3. 安阳县农业农村局，河南 安阳 455000)

近年来，利用植保无人飞机(unmanned aerial vehicle, UAV)施药成为农作物病虫害防治的重要手段[1]。采用植保无人飞机施药具有作业效率高、机动灵活、用水量少等诸多特点，在应对劳动力资源缺乏、人工成本高及病虫害突发等问题方面具有不可替代的优势[2-3]。大量航空作业研究结果证明，植保无人飞机的作业效果除与作业压力、喷雾量、作业高度、雾滴粒径和雾滴沉积性能等因素有关外，还受到药剂和助剂类型等的影响[4-8]。

植保无人飞机在棉田的应用主要集中在脱叶剂喷施方面，如Xin 等[9]分别采用TJ-30 型电动六旋翼和3WQF120-12 型油动单旋翼植保无人飞机喷施脱叶剂，研究了施药量及喷雾量对棉花脱叶效果的影响。Meng 等[10]和Chen 等[11]研究了不同喷雾量对植保无人飞机喷施脱叶剂效果的影响。结果表明，喷雾量影响药液在棉花冠层的穿透性，随着喷雾量的增加，棉花下部冠层的雾滴沉积量增加，穿透性增强。Xiao 等[12]研究了助剂对脱叶效果的影响，认为添加倍达通、农健飞和迈飞等助剂可增加脱叶剂在棉花冠层的沉积，提高对棉花的脱叶和催熟效果。上述研究表明，棉田棉花生长中后期采用植保无人飞机喷施棉花脱叶剂，雾滴在棉花冠层穿透性强、沉积分布均匀，而且作业效果好。

目前采用植保无人飞机喷施脱叶剂的技术已相对成熟，但有关其在棉花病虫害防治方面的报道尚少。在棉花生长中期，Lou 等[13]和陈晓等[14]分别研究了作业参数和助剂类型对植保无人飞机喷雾雾滴沉积分布及棉蚜防治效果的影响。棉花苗期植株矮小、叶面积指数小，地面裸露较多，如何能使农药雾滴均匀有效地沉积到棉花植株上，对于提高棉花病虫害的防治效果具有重要意义。张亚林等[15]、王喆等[16]和吴金龙等[17]报道了不同类型杀虫剂及其施药量对植保无人飞机喷雾防治棉蚜效果的影响。本课题组前期针对3WQF120-12油动单旋翼植保无人飞机开展了喷雾量对雾滴沉积分布效果影响的研究，发现喷雾量为15.0 L/hm2时的雾滴沉积效果优于12.0 L/hm2[18]，在此基础上，本研究针对MG-1P 型电动多旋翼植保无人飞机开展了喷雾量及助剂对棉花上雾滴沉积分布、药液利用率及棉蚜防治效果的影响，旨在为棉花苗期植保无人飞机施药参数优化及助剂筛选提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 仪器设备 植保无人飞机为大疆创新科技有限公司生产的MG-1P 型电动多旋翼农业植保机，主要性能参数如表1 所示。人工背负式喷雾器为西班牙没得比 (Matabi) 16 型背负式电动喷雾器，由西班牙GOiZPER 喷雾器有限公司生产。Bio-tek SynergyHT 型酶标仪由美国伯腾仪器有限公司生产。

表1 两种施药器械主要性能参数Table 1 Main parameters and performance indexes of two sprayers

1.1.2 试验地情况 试验地选在中国农业科学院棉花研究所试验农场 (河南省安阳县)。棉花品种为中棉所79，2020 年4 月24 日播种，种植密度为5.5 万株/hm2，行距0.8 m。在棉花苗期施药，棉花平均株高为10.0 cm。施药期间平均环境风速为1.8 m/s，温度为30.8 ℃，相对湿度为36.9%。

1.1.3 供试药剂 5%啶虫脒乳油 (acetamiprid 5%EC)，由安阳全丰生物科技有限公司提供。YS-09 助剂，由安阳全丰生物科技有限公司提供；倍达通 (Beidatong) 助剂，由河北明顺农业科技有限公司提供。参照Lou 等[17]的方法，采用食品染色剂诱惑红作为雾滴沉积分布的指示剂，诱惑红由西安依诺进出口贸易有限公司生产；以2 cm × 3 cm的白色铜版纸为雾滴采集卡，由市场购买。

1.2 试验方法

1.2.1 试验设计与处理 试验设计如表2 所示，共设置5 个不同的植保无人飞机施药处理，设1 个背负式电动喷雾器施药处理，另设1 个空白对照。处理1～3 为不同喷雾量处理，处理4 和5 为22.5 L/hm2喷雾量条件下分别添加体积分数1%的YS09 和倍达通助剂处理。

表2 试验设计Table 2 Test design

供试5%啶虫脒乳油用水稀释，每处理啶虫脒有效成分用量为30 g/hm2。植保无人飞机作业高度1.5 m，作业速度3 m/s，作业喷幅3.3 m，采用德国 LECHLER 公司的LU120-015s 型号喷头进行喷雾，通过调节喷头数量及喷头流量的方式来实现不同喷雾量，对处理1 关闭2 个喷头，采用2 个对称分布的喷头进行喷雾，喷头流量为0.9 L/min，其他处理均采用4 个喷头，喷雾量为22.5和30.0 L/hm2时喷头流量分别为1.3 和1.8 L/min。

试验小区设置如图1-A 所示，植保无人飞机作业小区长50.0 m，宽16.8 m，背负式电动喷雾器施药及空白对照小区长25.0 m，宽16.8 m。每个试验小区之间设置4.0 m 宽隔离带，每处理设置3 个重复。为评估不同处理的雾滴沉积分布特性，各处理药液中添加有效成分为150.0 g/hm2的诱惑红作为指示剂。两种施药器械作业情况如图1-B和1-C 所示。

图1 棉田施药作业及采样点布置示意图Fig. 1 The diagram of spraying test and sampling site layouts

1.2.2 喷雾雾滴沉积分布测定 在植保无人飞机喷雾小区内设3 排雾滴采集卡作为3 次重复，每排间距为10 m，横向间隔1 m 设10 个采样点 (图1-A)。以铜版纸为雾滴采样卡，如图2 所示，在每个采样点选取临近的2 株棉花，在其中1 株棉花子叶的正面布设1 张铜版纸，另1 株在子叶背面布设1 张铜版纸。植保无人飞机作业完成后，待铜版纸上的雾滴自然风干后收集铜版纸，收集的铜版纸扫描后用Image J 图像分析软件进行分析，分析雾滴密度、雾滴覆盖率等雾滴沉积分布参数。

图2 雾滴采集卡布置Fig. 2 Droplet collection card layouts

1.2.3 农药利用率测定 参照石鑫等[19]的方法，喷雾结束后，在测试小区内随机10 点取样，每点取1 株棉花，放入自封袋中。用20 mL 蒸馏水洗脱，洗脱液用0.45 μm 水系过滤膜过滤后留取5 mL，用酶标仪测定诱惑红的质量浓度。以诱惑红的利用率代表农药利用率，按公式 (1) 计算。以农药利用率的变异系数衡量无人飞机喷洒的均匀性，变异系数越小表示药液沉积越均匀，按公式(2) 计算。

式中：PE为农药利用率；Cdil为洗涤液中诱惑红的质量浓度；Vdil为洗涤液总体积；Ncon为小区棉花株数；Dall为诱惑红施用总量。CV为变异系数；S为标准差；X¯为农药利用率平均值。

1.2.4 对棉蚜的防治效果调查 每小区随机5 点取样，每点固定标记12 株有蚜虫的棉花，施药前调查各处理区蚜虫基数，分别于施药后1、3 和7 d 跟踪调查各处理区蚜虫的活虫数，按公式 (3)计算各处理对棉花蚜虫的防治效果。

式中：CE为防治效果；Bc为空白对照区药前活虫数；At为药剂处理区药后活虫数；Ac为空白对照区药后活虫数；Bt为药剂处理区药前活虫数。

1.3 数据处理与分析

试验调查数据采用Microsoft Excel 2016 进行整理，通过SPSS 20.0 单因素方差分析的方式，选择Duncan 氏新复极差法进行差异显著性检验。

2 结果与分析

2.1 不同喷雾量对雾滴沉积分布的影响

不同喷雾量处理后的雾滴密度结果如图3-A所示：对于棉花叶片正面，30.0 L/hm2的喷雾处理时雾滴密度显著高于其他两个喷雾量处理；15.0 和22.5 L/hm2两个处理间差异不显著。对于棉花叶片背面，喷雾量为15.0 L/hm2时的雾滴密度最低，且低于叶片正面的雾滴密度；但随着喷雾量增加，雾滴密度显著增加，且均高于正面的雾滴密度；当喷雾量为30 L/hm2时雾滴密度最高，达58.04 个/cm2。

图3 喷雾量对棉花叶片上雾滴密度 (A) 和雾滴覆盖率 (B) 的影响Fig. 3 Effects of different spray volumes on droplet density (A) and droplet coverage (B) on cotton leaves

雾滴覆盖率结果 (图3-B) 显示，喷雾量为15.0 和22.5 L/hm2时，棉花叶片正面的雾滴覆盖率分别为4.37%和4.80%，显著低于30.0 L/hm2的处理 (6.44%)。喷雾量为15.0 L/hm2时，叶片背面的雾滴覆盖率为2.31%，喷雾量提高至22.5 和30.0 L/hm2时，雾滴覆盖率提高至4.62%和6.34%，分别提高了1 倍和1.7 倍。

2.2 不同助剂对雾滴沉积分布的影响

由图4 可以看出：在22.5 L/hm2的喷雾量下，与未添加助剂的处理1 相比，添加YS09 和倍达通助剂的处理2 和处理4 在叶片背面的雾滴密度分别提高了3.33 和3.84 个/cm2，但3 个处理之间差异不显著，在叶片正面的雾滴密度差异也不大。添加YS09 和倍达通助剂的处理在叶片背面的雾滴覆盖率分别提高了1.16%和1.59%，3 个处理之间差异不显著，叶片正面的雾滴覆盖率差异也不显著。

图4 助剂对棉花叶片上雾滴密度(A)和覆盖率 (B) 的影响Fig. 4 Effects of different adjuvants on droplet density(A) and droplet coverage (B) on cotton leaves

2.3 不同喷雾量对农药利用率的影响

结果如表3 所示，低喷雾量处理 (15.0 L/hm2)的农药利用率仅为3.53%，随着喷雾量的增加，利用率有所提高。喷雾量增加至30.0 L/hm2时，利用率提高至4.00%。3 个处理之间农药利用率差异不大，均低于背负式电动喷雾器施药处理。植保无人飞机喷雾处理与背负式电动喷雾器施药处理农药利用率的变异系数相差不大。

表3 不同喷雾量处理的农药利用率Table 3 Pesticide utilization of different spray volume treatments

2.4 不同助剂对农药利用率的影响

结果如表4 所示，添加YS09 对药液的利用率影响不大，添加倍达通后利用率提高了0.48%，但3 个处理之间利用率及变异系数差异不大，表明添加这两种助剂对提高药液的农药利用率效果不明显。

表4 不同助剂处理的农药利用率Table 4 Pesticide utilization of different adjuvant treatments

2.5 喷雾量对棉蚜防治效果的影响

由表5 可看出：施药后1 d，各处理对棉蚜表现出较好的防治效果，喷雾量为15.0～30.0 L/hm2的植保无人飞机处理对棉蚜的防效在69.28%～77.29%之间；药后3 d 防效达到84.18%～88.06%，3 个处理之间差异不显著，但均显著低于背负式电动喷雾器施药处理；药后7 d，各处理对棉蚜的防效上升，3 个植保无人飞机处理与背负式电动喷雾器喷施啶虫脒对棉蚜的防效均达到96%以上，各处理之间差异不显著。由此可以看出，无人飞机在15.0、22.5 和30.0 L/hm23 个喷雾量下喷施5%啶虫脒乳油对蚜虫均能达到较好的防治效果。

表5 喷雾量对棉蚜防效的影响Table 5 Effect of spray volumes on control efficacy of cotton aphids

2.6 助剂对棉蚜防治效果的影响

由表6 可以看出：施药后1 d，在5%啶虫脒乳油中添加YS09 和倍达通助剂处理的防效分别为86.26% 和84.40%，与未添加助剂的对照相比，分别提高了 9.34%和7.48%；药后3 d，添加2 种助剂的处理对棉蚜的防效达到94%以上，显著高于未添加助剂的处理。药后7 d，各处理对棉蚜的防效上升，均达到99%以上。

表6 助剂对棉蚜防效的影响Table 6 Effect of adjuvants on control efficacy of cotton aphids

3 讨论与结论

施药器械的质量、喷雾技术直接影响化学农药的有效利用率及对害虫的防治效果[19]。作为一种新型的高效植保施药器械，植保无人飞机已经逐渐被广泛认可，棉田植保无人飞机施药日益增多。为探索适合棉花苗期植保无人飞机喷雾作业的施药参数，本研究开展了不同喷雾量和添加不同助剂的植保无人飞机喷雾比对试验。从雾滴沉积分布结果来看，植保无人飞机在不同喷雾量下作业时雾滴在棉花叶片正面和背面的沉积有明显差异。在喷雾量为15.0 和22.5 L/hm2时，叶片正面的雾滴密度和覆盖率差异不明显，但当喷雾量增加到30.0 L/hm2时，叶片正面的雾滴密度和覆盖率显著提高。在3 个喷雾量范围内，叶片背面的雾滴密度和覆盖率随着喷雾量的增加有明显的上升趋势。前期研究采用3WQF120-12 油动单旋翼植保无人飞机在棉花苗期进行喷雾试验，结果显示：在低喷雾量 (12.0 L/hm2) 条件下，雾滴在棉花叶片背面上的沉积密度小于高喷雾量处理(15.0 L/hm2)[18]，表明植保无人飞机喷雾量影响雾滴的沉积分布。本研究采用MG-1P 型电动多旋翼植保无人飞机作业结果与之前研究结果类似。Wang 等[4]研究了植保无人飞机不同喷雾量对小麦田雾滴沉积分布的影响，认为低喷雾量 (9.0 L/hm2)处理的雾滴密度和覆盖率低于中喷雾量 (16.8 L/hm2)和高喷雾量 (28.1 L/hm2) 处理。可见，喷雾量是影响植保无人飞机喷雾雾滴在作物上沉积分布的重要因素。另外，为使总喷雾量满足试验要求，本研究中15.0 L/hm2的喷雾量处理采用了2 个喷头进行喷雾，而22.5 和30.0 L/hm2处理采用了4 个喷头喷雾，喷头数量的减少也可能是造成15.0 L/hm2处理雾滴密度及覆盖率低的原因之一。

助剂试验结果表明，在喷雾量相同的情况下，添加YS09 和倍达通助剂对雾滴在棉花叶片上的沉积分布无显著影响。本研究结果与王明等[8]在苹果树上开展的倍达通对植保无人飞机喷雾雾滴沉积的影响试验结果一致。在棉花生长中期，陈晓等[14]研究了包括倍达通在内的3 种喷雾助剂对植保无人飞机在棉花上喷雾雾滴沉积分布的影响，认为不同类型的助剂对棉花叶片上的雾滴沉积影响不同，添加倍达通可显著增加棉花叶片正面的雾滴沉积，而对叶片背面雾滴沉积无显著影响。韩鹏等[20]在柑橘树上开展了助剂对植保无人飞机喷雾雾滴沉积分布影响的研究，结果表明，在药液中添加1%的倍达通助剂可有效提高柑橘叶片上的雾滴沉积。可见，助剂对雾滴沉积分布的影响不仅与助剂类型及用量有关，还与作物的种类、生育期及长势等有很大关系。

目前我国农药利用率普遍偏低，人工背负式喷雾器施药的农药利用率在10%～30%之间。研究认为，农药利用率与施药器械、施药技术、药剂类型、作物生育期、植株冠层结构及环境因素有很大的关系，在作物苗期施药的农药利用率低于其他生育期[21-22]。从农药利用率结果来看，植保无人飞机喷雾处理的农药利用率低于背负式电动喷雾器喷雾处理，增加喷雾量或添加助剂对棉花上的农药利用率无显著影响。这可能与两种施药器械的喷雾方式有很大关系，棉花苗期棉花植株矮小，棉花行间间距较大，叶面积指数 (leaf area indexes，LAI) 仅为0.1 左右，植保无人飞机喷雾属于全覆盖式喷雾，大量药液沉积在裸露的地表上，使植株上的沉积量偏低；由于棉花蚜虫主要在叶片背面危害，为提高防治效果，采用背负式电动喷雾器进行人工喷雾时喷杆在棉花植株下方3～5 cm 的位置喷头向上进行喷雾 (图2)，因此，背负式电动喷雾器施药属于定向喷雾，药液在植株上有较好的沉积，利用率高于植保无人飞机喷雾处理。另外，植保无人飞机属于低空低量喷雾，相对于地面植保机械，雾滴沉积更容易受到环境因素的影响而发生飘移或蒸发[23]，这也可能是造成植保无人飞机施药的农药利用率偏低的原因之一。本研究中，植保无人飞机施药的农药利用率不足5%，如何提高棉花苗期施药的农药利用率，是当前植物保护工作中值得关注的问题。

农药在植株上的沉积及利用率直接影响着对害虫的防治效果，本研究中植保无人飞机处理的利用率低于背负式电动喷雾器施药处理，导致药后1 和3 d 的防效低于背负式电动喷雾器施药处理。但是采用传统方式施药作业效率较低，采用背负式电动喷雾器进行人工喷雾日作业面积为0.5～1.0 hm2，而植保无人飞机施药每小时作业效率可达2.67～5.33 hm2，日作业面积在20～40 hm2，可见植保无人飞机的作业效率是背负式电动喷雾器效率的几十倍。从成本上看，采用背负式喷雾器施药人工成本为300～375 元/hm2，采用植保无人飞机施药作业费为150～225 元/hm2，每公顷可节约150 元人工成本。植保无人飞机施药技术的推广和应用，可以很好地解决传统施药器械作业效率低、人工成本高等现实问题，为棉农节约生产成本。

研究表明，在植保无人飞机作业过程中添加助剂可有效减少雾滴的漂移，提高药液在作物上的沉积及对害虫的防治效果，对于农药的减施增效具有重要意义[8]。刘晓慧等[24]对比分析了多旋翼植保无人飞机与背负式电动喷雾器防治烟草棉铃虫Helicoverpa armigera的应用效果，发现添加1 mL/L 的倍达通助剂或提高20%用药量，可提高植保无人飞机施药对棉铃虫的防治效果，达到与背负式喷雾器施药相同的防治效果。本研究结果表明，植保无人飞机处理添加YS09 和倍达通两种助剂，虽然对药液沉积和利用率影响不显著，但提高了药后1 和3 d 对棉蚜的防效，达到背负式电动喷雾器施药水平。田间调查过程中发现，在蚜虫发生后期棉蚜天敌数量有所上升，天敌的捕食对蚜虫的化学防治起到了补充作用，这可能是各喷雾处理在施药后7 d 的防效没有显著差异的原因之一。另外，在棉花苗期植保无人飞机喷雾量在15.0 L/hm2时药后3 d 对棉蚜的防效已经可以达到84%以上，但是此时叶片背面的雾滴密度和覆盖率较低，棉花苗期棉蚜习惯聚集于棉花叶片背部，当田间虫量较大时，应适当提高喷雾量以增加叶片背面上的雾滴沉积量，进一步提高对蚜虫的防治效果。

综上可知，喷雾量和助剂是影响植保无人飞机作业效果的重要因素，在田间实际喷雾过程中，应根据作物生育期、种植密度、长势及田间害虫发生情况等选择合适的喷雾量，适时添加助剂，从而提高对害虫的防治效果。