劉德江， 龔　艷， 王　果， 陳　曉， 賈志成， 劉　燕， 陳　偉， 馮耀寧

(1.農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，江蘇南京 210014； 2.南京林業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，江蘇南京 210037)

果園常發(fā)生病蟲害，化學(xué)防治仍然是其最重要的防治措施，通常1年噴施農(nóng)藥8～15次[1-3]。由于我國果樹栽培采用矮化密植，沒有按照大型植保機(jī)械的要求來規(guī)劃果園，株行距較小，樹冠密集交叉，發(fā)達(dá)國家普遍應(yīng)用的大型植保機(jī)械均不適用于此類果園。果園中普遍使用手動(dòng)噴霧器、擔(dān)架式噴霧機(jī)并以大流量、噴淋式施藥為主[4-8]。這種藥械和施藥方法作業(yè)效率低，農(nóng)藥有效利用率也僅為15%左右，造成農(nóng)藥嚴(yán)重浪費(fèi)和環(huán)境污染，也加重果品的農(nóng)藥殘留[9]。由于勞動(dòng)力日漸匱乏，傳統(tǒng)施藥方法已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代生產(chǎn)的需求，同時(shí)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全問題越來越受到重視，因此需要一種自動(dòng)化程度高、防治效果好又低污染的高效施藥方法[10-11]。近年來，針對我國果園研發(fā)了多種風(fēng)送式果園噴霧機(jī)，一定程度上解決了標(biāo)準(zhǔn)化果園的植保機(jī)械難題，但此種噴霧機(jī)仍不適用于傳統(tǒng)密植園。無人航空施藥具有作業(yè)效率高、不損傷農(nóng)作物、勞動(dòng)強(qiáng)度低、作業(yè)方式靈活等特點(diǎn)，已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)[12-14]，張盼等研究了小型無人機(jī)在柑橘園的噴霧效果[15-16]；薛新宇等分析了N-3型無人直升機(jī)施藥方式對稻飛虱和稻縱卷葉螟防治效果[17-18]；邱白晶等調(diào)查了無人直升機(jī)飛行高度及速度對農(nóng)藥霧滴在小麥植株上的沉積分布[19]；秦維彩等揭示了無人直升機(jī)噴霧參數(shù)對玉米冠層霧滴沉積分布的影響[20]；高園園等探明了小型無人機(jī)低空噴灑在小麥田與玉米田的霧滴沉積分布，以及對小麥吸漿蟲與玉米螟的防治效果[21-22]。目前，國內(nèi)對無人航空施藥裝備的應(yīng)用研究主要集中于水稻、小麥、玉米等大田作物，而針對果園的研究甚少[6，23]。因此，本試驗(yàn)比較4種無人航空施藥裝備在不同果園的霧滴沉積分布，并與2種地面?zhèn)鹘y(tǒng)施藥機(jī)具的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較，以期構(gòu)建基于不同果樹冠層結(jié)構(gòu)的無人航空施藥技術(shù)與方法，為無人航空施藥裝備在果園施藥中的應(yīng)用發(fā)展提供參考。

1　材料與方法

1.1　試驗(yàn)機(jī)具

本研究進(jìn)行噴霧作業(yè)的無人航空施藥裝備分別為3WHQT-4A型六旋翼遙控飛行植保機(jī)、LHX8-3WD12型八旋翼遙控飛行多翼植保機(jī)、3WYL5-15型遙控單旋翼植保機(jī)、3WYCZF8-06型八旋翼農(nóng)用飛行植保機(jī)，作為對照的地面?zhèn)鹘y(tǒng)施藥機(jī)具為3WZG-15型擔(dān)架式機(jī)動(dòng)噴霧機(jī)、3WBD-18 型背負(fù)式電動(dòng)噴霧器。試驗(yàn)所用的6種機(jī)具的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

1.2　試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)于2016年7月在江西省紅壤研究所和江西省桑蠶茶葉研究所果園基地進(jìn)行，試驗(yàn)對象為果園種植的柑橘樹、楊梅樹、柚子樹，3種果樹的平均株高分別為1.5、2.5、5.5 m。先進(jìn)行無人航空施藥裝備噴霧，后進(jìn)行地面施藥機(jī)具噴霧。楊梅樹噴霧試驗(yàn)期間氣溫為21 ℃，風(fēng)向?yàn)槲鞅憋L(fēng)，風(fēng)力3級；柑橘樹和柚子樹噴霧試驗(yàn)期間氣溫為 24 ℃，風(fēng)向?yàn)闁|北風(fēng)，風(fēng)力3級。試驗(yàn)果樹特征及布樣方式詳情如表2所示。

1.3　采樣點(diǎn)布置方法設(shè)計(jì)

采樣點(diǎn)布置方法如圖1所示，圖中箭頭所指方向?yàn)闄C(jī)具的飛行(或行走)方向，以每棵果樹的樹干為中軸線，在噴霧機(jī)具飛行(或行走)的垂直方向與平行方向上分別設(shè)置3個(gè)等距離的垂直面，并根據(jù)每種果樹的株高，布置若干個(gè)等距離的水平面，從而形成三維空間的布樣模型。對于株高約為 1.5 m 的柑橘樹，試驗(yàn)設(shè)置3×3×3的布樣模型，而對于株高約為5.5 m的柚子樹，試驗(yàn)設(shè)置3×3×5的布樣模型，對于株高約為2.5 m的楊梅樹，試驗(yàn)設(shè)置3×3×4的布樣模型(背負(fù)式電動(dòng)噴霧器設(shè)置3×3×3的布樣模型)。每組機(jī)具進(jìn)行噴霧試驗(yàn)時(shí)，在同一行上隨機(jī)選定2～5棵形態(tài)類似的果樹作為重復(fù)。

表1　參試機(jī)具的主要技術(shù)參數(shù)

表2　試驗(yàn)果樹特征及布樣方式

1.4　噴霧試驗(yàn)及樣本采集方法

按照“1.3”節(jié)中的布樣模型，用釘書針分別將直徑為 90 mm 的圓形濾紙及76 mm×76 mm的正方形便簽紙固定于擬定布樣點(diǎn)最近處的果樹葉片上(圖2)，用于采集施藥機(jī)具噴灑的霧滴，噴霧藥液為0.5%示蹤劑(誘惑紅)水溶液。噴霧試驗(yàn)前，將誘惑紅水溶液按比例配好之后裝入各待測機(jī)具藥箱中，設(shè)置好機(jī)具作業(yè)工況，待一切準(zhǔn)備就緒后，6種待測機(jī)具開始一一進(jìn)行施藥作業(yè)。噴霧結(jié)束后，待紙卡上的誘惑紅水溶液霧滴干燥后，逐一收集紙卡并裝入標(biāo)注試驗(yàn)相關(guān)參數(shù)的塑料自封袋中，帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

1.5　數(shù)據(jù)處理

將沉積在濾紙上的誘惑紅用適量的蒸餾水洗脫下來，用10 mL量程的移液槍吸取5 mL洗脫液注入到比色皿中，然后用V5100可見光分光光度計(jì)測定洗脫液中的誘惑紅濃度，即可計(jì)算出濾紙單位面積上的藥液沉積量。各采樣點(diǎn)便簽紙上的霧滴沉積密度即覆蓋率，采用專用圖像處理軟件進(jìn)行分析計(jì)算。

2　結(jié)果與分析

2.1　田間實(shí)際施藥量及作業(yè)效率

按照先無人航空施藥裝備、再擔(dān)架式噴霧機(jī)、后背負(fù)式電動(dòng)噴霧器的順序進(jìn)行噴灑試驗(yàn)，并測定各機(jī)具的田間實(shí)際施藥量、作業(yè)效率，每臺(tái)機(jī)具重復(fù)噴灑3次并取平均值。由表3可知，無人航空施藥裝備的施藥量最大僅為23.31 L/hm2，遠(yuǎn)小于地面?zhèn)鹘y(tǒng)施藥機(jī)具的施藥量；而4種無人航空施藥裝備的作業(yè)效率分別為4.32、3.24、5.40、4.32 hm2/h，均明顯高于地面植保機(jī)具。

2.2　霧滴沉積分布均勻性試驗(yàn)

2.2.1霧滴沉積量將試驗(yàn)收回的濾紙樣本編號后按“1.5”節(jié)中所述方法進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理。各參試機(jī)具在柑橘樹、柚子樹、楊梅樹冠層不同水平截面上的藥液沉積量分別如圖3、圖4、圖5所示，柑橘樹、柚子樹、楊梅樹沉積量變化曲線分別如圖6、圖7、圖8所示。

2.2.2霧滴覆蓋率將試驗(yàn)收回的便簽紙樣本編號后用數(shù)碼相機(jī)拍下，然后將照片導(dǎo)入到專用霧滴圖像處理軟件中進(jìn)行霧滴覆蓋率分析研究，霧滴圖像處理軟件測試過程如圖9所示。各參試機(jī)具在柑橘樹、柚子樹、楊梅樹冠層不同水平截面上的霧滴平均覆蓋率分別如圖10、圖11、圖12所示，柑橘樹、柚子樹、楊梅樹霧滴覆蓋率變化曲線分別如圖13、圖14、圖15所示。

表3　參試機(jī)具的作業(yè)參數(shù)

2.3　試驗(yàn)結(jié)果與分析

對于柑橘樹，由圖3與圖10可知，2種地面?zhèn)鹘y(tǒng)施藥機(jī)具的霧滴沉積量及覆蓋率均比4種無人航空施藥裝備的高，最大藥液沉積量出現(xiàn)在3WZG-15擔(dān)架式噴霧機(jī)施藥情況下，柑橘樹上、中、下各采樣層的沉積量分別為13.68、17.77、采樣層分別為0.46、0.55、0.09及0.37、0.26、0.66。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，這2種機(jī)型的噴射部件均為多個(gè)扇型霧噴頭(3WYL5-15單旋翼無人機(jī)有5個(gè)噴頭，3WYCZF8-06八旋翼無人機(jī)有6個(gè)噴頭)，各噴頭的霧量分布形成了科學(xué)疊加，使得這2種機(jī)型在全噴幅范圍內(nèi)的霧量分布均勻。對這2種機(jī)型的噴霧沉積狀況進(jìn)一步進(jìn)行比較，3WYCZF8-06型無人航空施藥裝備在柑橘樹上層及中層的噴霧均勻性優(yōu)于3WYL5-15型單旋翼無人機(jī)，而在下層的測定結(jié)果則相反， 前者的八旋翼結(jié)構(gòu)比后者的單旋翼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的下行氣流場更均勻，從而在柑橘樹的上層及中層的霧滴沉積分布均勻性更好，但后者的下行氣流強(qiáng)度強(qiáng)于前者，對柑橘樹葉片的擾動(dòng)程度較大，有利于霧滴向樹冠下部穿透，使得霧滴在樹冠下部的沉積分布狀況得到改善。

14.48 μg/cm2，對應(yīng)的覆蓋率分別為21.37%、19.26%、16.32%；而無人航空施藥裝備中，最大沉積量出現(xiàn)在3WYL5-15單旋翼無人機(jī)的噴霧試驗(yàn)中，各采樣層的霧滴沉積量分別為3.53、1.78、1.48 μg/cm2，對應(yīng)的覆蓋率分別為16.18%、11.64%、7.24%。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，由于地面?zhèn)鹘y(tǒng)施藥機(jī)具噴霧量較大，且由作業(yè)人員近距離作業(yè)，對果樹冠層各部位的噴施更充分。由圖6可知，3WYL5-15單旋翼無人機(jī)與3WYCZF8-06八旋翼無人機(jī)航空施藥裝備的藥液沉積分布變異系數(shù)總體上基本小于另2種參試無人航空施藥裝備， 各對于柚子樹，由于柚子樹株高為5.5 m，傳統(tǒng)的施藥機(jī)具無法對此種類型的果樹進(jìn)行噴霧試驗(yàn)，因此，采用4種不同類型的無人航空施藥裝備進(jìn)行噴霧試驗(yàn)。由圖7可知，配置多個(gè)扇型霧噴頭的3WYL5-15單旋翼無人航空施藥裝備與3WYCZF8-06八旋翼無人航空施藥裝備在柚子樹冠層各部位的藥液沉積分布的變異系數(shù)均較小，分別為0.35、0.32、0.22、0.03、0.20及0.25、0.10、0.06、0.15、0.12。然而不同于這2種機(jī)型在柑橘樹上的試驗(yàn)結(jié)果，3WYCZF8-06八旋翼無人航空施藥裝備在柚子樹各層的噴霧均勻性均優(yōu)于3WYL5-15單旋翼無人航空施藥裝備。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，由于柚子樹的冠層與柑橘樹的相比，冠形高大，但葉片較為稀疏，更有利于無人機(jī)旋翼下行氣流將藥液霧滴吹送至其冠層中下部，因此下行氣流強(qiáng)度不及下行氣流場均勻性對霧滴沉積分布的影響顯著。LHX8-3WD12八旋翼無人航空施藥裝備和3WHQT-4A六旋翼無人航空施藥裝備同樣采用2個(gè)離心霧化噴頭，但前者在柚子樹冠層各部位的霧滴分布較為均勻，變異系數(shù)最小僅為0.25，后者變異系數(shù)最小時(shí)為0.78。經(jīng)分析，盡管這2種機(jī)型的噴射部件相同，但前者的八旋翼結(jié)構(gòu)比后者的六旋翼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的下行氣流場更均勻，從而更有利于霧滴在柚子樹冠層上均勻分布。

對于楊梅樹，由圖5、圖8、圖12可知，3WYL5-15單旋翼無人航空施藥裝備與3WYCZF8-06八旋翼無人航空施藥裝備的藥液沉積分布變異系數(shù)總體上基本小于另2種參試無人航空施藥裝備，分別為0.30、0.21、0.17、0.10及0.31、0.22、0.45、0.41，但不同于柑橘樹和柚子樹的噴霧試驗(yàn)結(jié)果，3WYL5-15單旋翼無人航空施藥裝備在楊梅樹各層的噴霧均勻性均優(yōu)于3WYCZF8-06八旋翼無人航空施藥裝備。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，由于3WYL5-15單旋翼無人航空施藥裝備，在楊梅樹噴霧試驗(yàn)時(shí)的飛行姿態(tài)與飛行高度的穩(wěn)定性，比柑橘樹和柚子樹噴霧試驗(yàn)時(shí)要好，從而使其噴霧均勻性有所提升。

3　結(jié)論與討論

受噴射部件型式、噴頭噴霧質(zhì)量、噴頭布置與無人機(jī)旋翼下行氣流流場特性的擬合性等因素的影響，不同結(jié)構(gòu)特征及技術(shù)參數(shù)的無人航空施藥裝備的藥液沉積分布均勻性存在較大差異。3WYL5-15單旋翼無人航空施藥裝備與3WYCZF8-06八旋翼無人航空施藥裝備的噴射部件為配置多個(gè)扇形霧噴頭的橫噴桿，各噴頭的霧量分布形成科學(xué)疊加，使得全噴幅范圍內(nèi)的霧量呈均勻分布，從而在柑橘樹、柚子樹、楊梅樹等3種果樹上的噴霧均勻性都優(yōu)于另外2種配置2個(gè)離心霧化噴頭的無人航空施藥裝備。多旋翼與單旋翼相比，前者產(chǎn)生的下行氣流場更均勻，從而在3種果樹中上部的藥液沉積分布變異系數(shù)均較小，但后者產(chǎn)生的下行氣流較強(qiáng)，對果樹葉片的擾動(dòng)較大，更有利于霧滴向樹冠中下部穿透，從而使得果樹冠層各部位尤其是中下部藥液沉積分布的狀況得到改善，下行氣流強(qiáng)度對噴霧沉積分布的影響在果樹枝繁葉茂的情況下尤為顯著。

與地面?zhèn)鹘y(tǒng)施藥機(jī)具相比，無人航空施藥裝備的施藥量低，作業(yè)效率高，采用無人航空施藥裝備進(jìn)行果園施藥可以顯著降低勞動(dòng)強(qiáng)度，在保證果樹病蟲害防效的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)藥的減量使用。無人航空施藥裝備在施藥作業(yè)時(shí)，不受果樹品種、種植模式、地形等條件限制，可以有效解決我國矮化密植果園及丘陵山地果園的機(jī)械化植保難題。

果樹的冠層特征對無人航空施藥的霧滴沉積分布具有重要影響[24]，并與無人航空施藥裝備的結(jié)構(gòu)特征、技術(shù)參數(shù)等因素存在互作效應(yīng)，在果樹枝繁葉茂的情況下，無人航空施藥裝備下行氣流強(qiáng)度對藥液在果樹冠層各部位，尤其是中下部沉積分布的影響尤為顯著。反之，下行氣流場均勻性則是影響藥液沉積分布的主要因素。柚子樹的冠層與柑橘樹、楊梅樹相比，盡管冠形高大，但葉片較為稀疏，更易于無人機(jī)下行氣流將藥液霧滴吹送至其冠層中下部，因此，針對此類冠層特征的果樹噴霧，下行氣流強(qiáng)度不及下行氣流場均勻性對霧滴沉積分布的影響顯著。不同果樹葉片界面特性對航空施藥霧滴沉積狀況的影響有待進(jìn)一步研究。

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