田志偉，薛新宇，崔龍飛，陳 晨，彭 斌，劉 兵

·農(nóng)業(yè)航空工程·

植保無人機(jī)晝夜作業(yè)的霧滴沉積特性及棉蚜防效對比

田志偉1，薛新宇1※，崔龍飛1，陳 晨1，彭 斌2，劉 兵3

（1. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京 210014；2. 廣州極飛科技有限公司，廣州 510663；3.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所，北京 100193）

針對無人機(jī)在棉蚜防治過程中夜間作業(yè)霧滴沉積特性和防效未知、目標(biāo)噴灑區(qū)域霧滴沉積規(guī)律不明確等問題，該研究采用P20植保無人機(jī)進(jìn)行棉蚜防治試驗(yàn)，對比了無人機(jī)白天和夜間作業(yè)時(shí)棉花植株不同部位的霧滴沉積規(guī)律及棉蚜防效，以常規(guī)噴桿噴霧機(jī)和噴槍為對照。結(jié)果表明，無人機(jī)白天和夜間作業(yè)的霧滴沉積數(shù)量及覆蓋率差異顯著，相同作業(yè)參數(shù)下，夜間作業(yè)的霧滴沉積數(shù)量平均比白天多42.82%，覆蓋率平均比白天增加51.04%；夜間作業(yè)的霧滴穿透性較好，棉花植株的中下層及葉片背面霧滴沉積數(shù)量均多于白天。夜間作業(yè)時(shí)，棉花植株中、下層的霧滴沉積數(shù)量平均占垂直方向上霧滴總數(shù)量的比例分別為34.79%和22.07%，白天平均占33.27%和21.89%，噴槍為29.50%和19.98%，噴桿噴霧機(jī)為43.30%和15.84%；無人機(jī)夜間作業(yè)的葉片背面霧滴沉積數(shù)量平均占正反面總霧滴沉積數(shù)量的19.80%，白天作業(yè)占14.18%，夜間比白天多39.63%，各層葉片背面的霧滴沉積數(shù)量表現(xiàn)為上層>下層>中層；總體上，無人機(jī)作業(yè)的葉片背面霧滴沉積數(shù)量比例不超過25%，噴槍及噴桿噴霧機(jī)作業(yè)的葉片背面霧滴數(shù)量少，分別占7.09%和0.20%；在棉花花鈴期和蕾期作業(yè)時(shí)，為提高霧滴沉積數(shù)量和霧滴穿透性，建議將無人機(jī)作業(yè)參數(shù)設(shè)置為飛行高度1.5～2 m，飛行速度3～4 m/s，選用較大的噴灑量，因?yàn)橹挥袩o人機(jī)下壓風(fēng)場不削弱、霧滴不大量損失的前提下，旋翼風(fēng)場才能有效促進(jìn)霧滴穿透性。就霧滴沉積數(shù)量和棉蚜防效關(guān)系而言，藥后第1天棉蚜減退率與葉片背面霧滴沉積數(shù)量呈正相關(guān)關(guān)系，因受天敵影響藥后第10天二者關(guān)聯(lián)性不高。試驗(yàn)表明，無人機(jī)夜間作業(yè)更有利于棉蚜防治，其防效顯著優(yōu)于白天作業(yè)和其他2種常規(guī)設(shè)備，且農(nóng)藥劑量減少20%對棉蚜防效無顯著影響。該研究結(jié)果可為植保無人機(jī)作業(yè)參數(shù)的合理設(shè)置提供參考，為棉蚜有效防控提供科學(xué)依據(jù)。

無人機(jī)；噴霧；優(yōu)化；棉蚜；夜間施藥；霧滴分布；防效

0 引 言

新疆具備生產(chǎn)多種優(yōu)質(zhì)棉產(chǎn)品得天獨(dú)厚的自然條件，是中國最大的優(yōu)質(zhì)棉生產(chǎn)基地[1]，當(dāng)?shù)剞r(nóng)民約40%的收入來自棉花種植[2-4]。近些年荒地的開墾和設(shè)施農(nóng)業(yè)的出現(xiàn)、棉花品種及栽培技術(shù)的更新等導(dǎo)致了棉蚜的爆發(fā)和頻發(fā)[5]，棉蚜蟲害一般會造成棉花減產(chǎn)15%～30%，嚴(yán)重時(shí)可造成絕收[6-7]。目前，化學(xué)農(nóng)藥仍然是最快速有效的棉蚜防治方法[8-11]。無人機(jī)作為新型施藥設(shè)備，被廣泛應(yīng)用在不同作物的病蟲害防控上[12-16]。在棉蚜防治方面，相對于牽引式及懸掛式噴霧機(jī)，無人機(jī)可在棉田灌溉期間進(jìn)行作業(yè)，且不會對植株造成機(jī)械損傷[17-18]。那些，能夠在夜間自主作業(yè)的無人機(jī)更是打破了作業(yè)時(shí)間限制，在棉蚜爆發(fā)時(shí)期，能有效阻止棉蚜擴(kuò)散。

趙冰梅等人對固定參數(shù)下無人機(jī)噴灑質(zhì)量和棉蚜防效作了初步測試[19-20]。王喆確定了MG-1S 型無人機(jī)在花鈴期防治棉蚜的最佳作業(yè)參數(shù)，對比了不同藥劑的防治效果[21]。胡紅巖等闡述了3WQF120-12型無人機(jī)噴施不同藥劑、藥量時(shí)的霧滴分布規(guī)律[22]。文獻(xiàn)[23]對無人機(jī)不同飛行高度下的霧滴沉積及漂移特性進(jìn)行了評估。這些研究大多探索了無人機(jī)作業(yè)參數(shù)對霧滴分布和漂移特征的影響，霧滴分布信息采集基本上只針對植株上層和葉片正面。棉蚜主要寄生在葉片背面，針對這些特定目標(biāo)噴灑區(qū)域的霧滴沉積情況少有報(bào)道，如何設(shè)置作業(yè)參數(shù)提高目標(biāo)噴灑區(qū)域的霧滴沉積數(shù)量還有待研究。無人機(jī)作業(yè)時(shí)氣象條件對霧滴沉積影響很大且不可控，因此只能根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整作業(yè)時(shí)機(jī)。Fritz就一天當(dāng)中的低空大氣穩(wěn)定性進(jìn)行監(jiān)測研究[24]，并采用有人駕駛的固定翼飛機(jī)分別在早晨和下午進(jìn)行噴灑試驗(yàn)，指出作業(yè)應(yīng)避開逆溫期[25]。逆溫多發(fā)生在夜間，大氣呈現(xiàn)出穩(wěn)定或非常穩(wěn)定狀態(tài)，地面附近的空氣沒有湍流，導(dǎo)致霧滴懸浮在空氣中的時(shí)間增加[26]。固定翼飛機(jī)噴灑時(shí)由于霧滴缺乏向下沉降的動能，飛行高度高，所以逆溫時(shí)不宜作業(yè)。但逆溫氣象狀態(tài)理論上對小型無人機(jī)是有利的，這是因?yàn)椋?）大氣穩(wěn)定、風(fēng)速小，霧滴不易漂移；2）夜間溫度低、濕度高，霧滴不會大量蒸發(fā)損失；3）飛行高度低，旋翼產(chǎn)生的下洗氣流可為霧滴提供沉降所需的提供動能，因此霧滴不會懸浮。此外，有研究表明，有翅蚜遷飛大多發(fā)生在白天，遷飛造成防治上的困難[27]，所以無人機(jī)夜間作業(yè)不失為一個(gè)好的防治策略。但有關(guān)夜間氣象狀態(tài)下無人機(jī)作業(yè)防治棉蚜的研究未見報(bào)道，夜間作業(yè)的霧滴實(shí)際沉積效果和棉蚜防效未知。為解決上述問題，本文采用P20植保無人機(jī)分別于2018和2019年的7－8月在中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所新疆庫爾勒基地進(jìn)行棉蚜防治試驗(yàn)，以期為棉蚜有效防控提供技術(shù)參考。

1 試驗(yàn)設(shè)置與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)域與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所庫爾勒試驗(yàn)基地（41°45′06.5″N，85°48′27.1″E）進(jìn)行，試驗(yàn)田面積6.67 hm2，劃分為25個(gè)處理小區(qū)。如圖1所示，無人機(jī)每個(gè)處理區(qū)為130 m×15 m，分白天、夜間處理，編號為1～11。噴桿噴霧機(jī)和噴槍處理小區(qū)為520 m×15 m?？瞻讓φ招^(qū)為130 m×30 m，不噴灑農(nóng)藥，用來與施藥小區(qū)的棉蚜數(shù)量減退情況作對比，編號為CK。棉花品種為新陸中41號，種植密度為每公頃21.0～22.5萬株，采用膜下滴灌方式。2018年棉花機(jī)播時(shí)間為4月20日，整體上棉蚜發(fā)生程度嚴(yán)重，分別于6月2日和6月14日采用噴桿噴霧機(jī)進(jìn)行2次施藥作業(yè)進(jìn)行防治，截止7月10日進(jìn)行施藥試驗(yàn)時(shí)，棉蚜仍處于爆發(fā)期，調(diào)查發(fā)現(xiàn)單株棉蚜數(shù)量多達(dá)1 607頭，此時(shí)棉花處于花鈴期，平均株高64 cm。2019年的試驗(yàn)用地、棉花種植模式及田間管理方式與2018年一致，機(jī)播時(shí)間為4月23日，相比于往年棉蚜發(fā)生程度明顯降低，試驗(yàn)前于6月10日進(jìn)行1次施藥作業(yè)進(jìn)行防治，截止試驗(yàn)時(shí)棉蚜數(shù)量為117頭/株且有增長趨勢。7月8日進(jìn)行第1次試驗(yàn)，此時(shí)棉花處于花鈴期，平均株高62 cm。8月6日進(jìn)行第2次施藥試驗(yàn)，此時(shí)棉花處于蕾期，平均株高68 cm。由于2019年棉蚜數(shù)量較少無法持續(xù)調(diào)查防效，所以僅用于霧滴沉積特性研究。試驗(yàn)用農(nóng)藥信息及施用量如表1所示。

注：1～11為處理編號。

表1 藥劑信息及施用量

采用廣州極飛科技有限公司生產(chǎn)的P20型電動多旋翼植保無人機(jī)（2018款）進(jìn)行試驗(yàn)，該機(jī)型可實(shí)現(xiàn)夜間自主噴灑作業(yè)，有效噴幅3 m，采用離心霧化方式，4個(gè)噴頭分別安裝在旋翼正下方，噴灑量在0～15L/hm2可調(diào)，載質(zhì)量10 kg。參考無人機(jī)常規(guī)作業(yè)參數(shù)，分別設(shè)置3個(gè)飛行高度（1.5、2.0、2.5 m）和3個(gè)飛行速度（3、4、5 m/s），對3種噴灑量（7.5、11.3和15 L/hm2）進(jìn)行試驗(yàn)。以新疆棉區(qū)最常用的施藥設(shè)備噴桿噴霧機(jī)和噴槍為對比，噴桿噴霧機(jī)作業(yè)速度5～8 km/h，噴幅9 m，噴桿距離地面90 cm，垂直安裝有18個(gè)扇形噴頭，型號為F110-04，噴霧壓力為0.3 MPa，噴灑量為600 L/hm2。噴槍噴灑量675 L/hm2，拖拉機(jī)攜帶藥箱，2名作業(yè)人員跟隨拖拉機(jī)拖拽藥液管左右掃射噴灑藥液。這2種設(shè)備均在白天作業(yè)，農(nóng)藥施用量與前期棉蚜防治作業(yè)用量相同（見表1），無人機(jī)農(nóng)藥施用量與其保持一致。

1.2 研究方法

1.2.1 試驗(yàn)方案

采用拉丁超立方設(shè)計(jì)方法對試驗(yàn)因素進(jìn)行組合，以提高試驗(yàn)空間的填充性。如表2所示，無人機(jī)白天、夜間的作業(yè)參數(shù)相同，試驗(yàn)設(shè)置3次重復(fù)。其中，處理11的農(nóng)藥劑量減少20%，參數(shù)設(shè)置與處理6一致。2018年和2019年試驗(yàn)方案一致。

表2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.2 霧滴沉積特性測試

白天作業(yè)時(shí)間：下午6:00。夜間作業(yè)時(shí)間：晚上10:00。施藥前布置水敏紙，為降低小區(qū)邊緣出現(xiàn)重噴或漏噴而引起試驗(yàn)誤差，在小區(qū)中間取一個(gè)10 m×6 m矩形區(qū)域，長邊與無人機(jī)航向一致。在矩形對角線上取5個(gè)采樣點(diǎn)，將水敏紙布置在采樣點(diǎn)處的棉花葉片上，如圖2所示，在植株上分上、中、下3層，每層葉片正面和背面各布置1張。噴灑完成且水敏紙晾干后戴防水手套收取并做好標(biāo)記，然后放入自封袋保存，試驗(yàn)結(jié)束后帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析。用掃描儀將水敏紙掃描成分辨率不低于600的圖片，采用ImageJ（National Institutes of Health, USA）掃描，可得到水敏紙單位面積的霧滴沉積數(shù)量、霧滴覆蓋率及粒徑。

圖2 霧滴采樣點(diǎn)分布

試驗(yàn)期間用美國Nielsen-Kellerman公司生產(chǎn)的Kestrel4500氣象站記錄氣象數(shù)據(jù)，該設(shè)備風(fēng)速測量精度為±0.1 m/s，溫度測量精度為±1.0 ℃，相對濕度測量精度為±3%。2018年白天作業(yè)期間溫度為28.4～32.6 ℃，濕度41.3%～55.3%，風(fēng)速0.4～2.4 m/s；夜間作業(yè)期間溫度24.8～28.2 ℃，濕度54.1%～69.5%。風(fēng)速0～1.9 m/s。2019年白天作業(yè)期間溫度27.8～30.5 ℃，濕度45.3%～57.1%，風(fēng)速1.4～2.7 m/s；夜間作業(yè)期間溫度23.8～26.4 ℃，濕度57.3%～68.9%。風(fēng)速0.4～1.5 m/s。不同施藥時(shí)間段風(fēng)速差異不大，但溫度和濕度差異十分明顯，夜間溫度低，濕度顯著大于白天。

1.2.3 棉蚜防效調(diào)查

施藥前后對各小區(qū)棉蚜數(shù)量變化情況進(jìn)行跟蹤調(diào)查。施藥前1天采用對角線5點(diǎn)法調(diào)查各試驗(yàn)小區(qū)棉蚜數(shù)量，每個(gè)采樣點(diǎn)隨機(jī)取10株棉花，每個(gè)小區(qū)調(diào)查50株，并對其進(jìn)行標(biāo)記。施藥后分別在第1天、第4天、第7天和第10天定點(diǎn)定株調(diào)查棉蚜數(shù)量，根據(jù)公式（1）[28]計(jì)算棉蚜減退率：

=(0?X)/0×100% （1）

式中0為施藥前棉蚜活蟲數(shù)量；X為施藥后第天棉蚜活蟲數(shù)量。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 作業(yè)參數(shù)對霧滴沉積量的影響

無人機(jī)白天和夜間作業(yè)的霧滴沉積效果如圖3所示。其中，圖3a為2018年不同時(shí)間施藥的霧滴沉積數(shù)量和覆蓋率，相同作業(yè)參數(shù)下，夜間作業(yè)的平均霧滴沉積數(shù)量為18.58個(gè)/cm2，白天為12.95個(gè)/cm2，夜間平均霧滴沉積數(shù)量比白天多43.47%。霧滴覆蓋率為霧滴覆蓋面積與水敏紙總面積的比率。夜間作業(yè)的平均霧滴覆蓋率為0.59%，白天為0.43%，夜間比白天高37.21%。圖3b為2019年不同時(shí)間施藥的霧滴沉積數(shù)量和覆蓋率。夜間作業(yè)的平均霧滴沉積數(shù)量為24.68個(gè)/cm2，遠(yuǎn)大于白天的17.36個(gè)/cm2，單位面積霧滴沉積數(shù)量比白天多42.17%。夜間作業(yè)的平均霧滴覆蓋率為0.61%，白天為0.37%，夜間比白天高64.86%。由此可知，無人機(jī)夜間作業(yè)的霧滴沉積效果顯著優(yōu)于白天。分別對白天、夜間作業(yè)的霧滴覆蓋率和霧滴沉積數(shù)量進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表3所示。由表3可知，作業(yè)時(shí)間對霧滴沉積數(shù)量（<0.05）和霧滴覆蓋率（<0.05）均有顯著影響。

霧滴離開噴頭以后會發(fā)生漂移損失，蒸發(fā)損失，地面流失和作物冠層沉積，這些過程不僅受溫濕度影響，還受大氣壓強(qiáng)、大氣穩(wěn)定性、氣流、風(fēng)速、風(fēng)向等氣象因素的影響，因此霧滴沉積是整個(gè)氣象狀態(tài)下眾多因素共同作用的結(jié)果。試驗(yàn)期間2種氣象狀態(tài)的風(fēng)速均小于2.5 m/s，夜間低于白天。白天風(fēng)速太大會增加霧滴漂移損失，夜間風(fēng)速過小則會導(dǎo)致小粒徑霧滴懸浮在空氣中。旋翼下洗氣流速度在作物冠層附近可達(dá)到5～8 m/s，可為小霧滴提供沉降所需的動能，因此夜間作業(yè)不會引起大量霧滴懸浮。白天和夜間溫濕度差異十分顯著，白天溫度高，濕度顯著小于夜間。炎熱、干燥的環(huán)境會增加藥液漂浮損失，因?yàn)殪F滴會迅速蒸發(fā)，變成更小的霧滴、蒸汽或濃縮的農(nóng)藥顆粒。由圖3可知霧滴沉積數(shù)量與溫度呈反比關(guān)系，與相對濕度呈正比關(guān)系，這與Fritz等的研究結(jié)果一致，F(xiàn)ritz認(rèn)為不同溫濕度造成的霧滴沉積差異主要體現(xiàn)在霧滴蒸發(fā)損失量上[26]。氣象條件是影響施藥效果的主要因素之一，且不可控，所以無人機(jī)施藥需選擇最佳作業(yè)時(shí)機(jī)，以減少霧滴漂移和蒸發(fā)損失。綜合2 a試驗(yàn)數(shù)據(jù)來看，夜間作業(yè)的霧滴沉積數(shù)量平均比白天多42.82%，覆蓋率平均比白天增加51.04%。說明夜間的氣象狀態(tài)對于無人機(jī)作業(yè)是有利的，其霧滴沉積效果較好。

如圖3所示，白天、夜間作業(yè)的霧滴沉積數(shù)量均隨著試驗(yàn)處理小區(qū)不同而變化，且變化趨勢基本一致，夜間霧滴沉積數(shù)量多的小區(qū)白天霧滴沉積數(shù)量也較多，反之，夜間霧滴沉積效果不理想，對應(yīng)的白天小區(qū)噴霧效果也較差，這與無人機(jī)作業(yè)參數(shù)設(shè)置有關(guān)。處理5、8的霧滴沉積數(shù)量明顯多于其他處理，其對應(yīng)的無人機(jī)作業(yè)參數(shù)為飛行速度3～4 m/s，飛行高度為1.5～2 m，噴灑量為15 L/hm2。作業(yè)參數(shù)是影響無人機(jī)施藥霧滴沉積效果的重要因素。飛行速度大于4 m/s后，霧滴沉積數(shù)量呈下降趨勢。因?yàn)樗俣仍娇?，無人機(jī)下洗氣流越亂，且垂直方向上的氣流速度被削弱，不利于霧滴沉積，從而間接導(dǎo)致霧滴飄移與蒸發(fā)量增加?？傮w上，隨著飛行高度從1.5 m增加到2.5 m，霧滴沉積數(shù)量先增大后減小，在2 m左右高度處霧滴沉積數(shù)量最多。飛行高度過低時(shí)導(dǎo)致噴幅縮短，造成兩航線間霧滴分布稀疏，2018年和2019年試驗(yàn)期間棉花正值花鈴期和蕾期，植株較高，阻擋了霧滴橫向擴(kuò)散，造成結(jié)果不理想，飛行高度過高則容易引起霧滴漂移。

圖3 2018和2019年作業(yè)時(shí)間對霧滴沉積數(shù)量的影響

表3 白天、夜間作業(yè)的霧滴沉積數(shù)量方差分析

注：<0.05表示影響顯著，>0.05表示影響不顯著。

Note:<0.05 means the effect is significant,>0.05 means the effect is not significant.

2.2 作業(yè)參數(shù)對霧滴穿透性的影響

以霧滴沉積數(shù)量為指標(biāo)可對當(dāng)前無人機(jī)作業(yè)參數(shù)以及當(dāng)前環(huán)境中的噴灑質(zhì)量進(jìn)行整體評估，然而，目標(biāo)噴灑區(qū)域霧滴沉積效果如何卻不得而知。除了作物冠層以外，病蟲害往往還分布在葉片背面，作物莖部甚至根部，對于觸殺型藥劑而言，使更多的霧滴沉積在目標(biāo)噴灑區(qū)域是獲得理想防效的關(guān)鍵，因此，霧滴穿透性是評價(jià)無人機(jī)噴灑質(zhì)量的另一重要指標(biāo)。棉蚜主要寄生在棉花葉片背面吸食汁液，為探索不同作業(yè)參數(shù)的霧滴穿透性，對棉花植株不同高度處的葉片正反面霧滴沉積數(shù)量進(jìn)行測量統(tǒng)計(jì)。

圖4為2018年試驗(yàn)測得的棉花植株不同高度處和葉片正面的霧滴沉積數(shù)量。計(jì)算各層葉片正反面霧滴沉積數(shù)量之和，得到不同采樣高度處的總霧滴數(shù)量。夜間作業(yè)時(shí)棉花植株上、中、下層平均霧滴沉積數(shù)量為21.63、18.73和12.09個(gè)/cm2，各層霧滴數(shù)量占垂直方向上總霧滴數(shù)量的比例為41.24%、35.71%和23.05%。白天作業(yè)時(shí)各層平均霧滴數(shù)量分別為15.91、12.55和8.46個(gè)/cm2，各層霧滴數(shù)量占比為43.09%、33.99%和22.91%。圖5為2019年試驗(yàn)結(jié)果，夜間作業(yè)時(shí)植株上、中、下層平均霧滴沉積數(shù)量分別為27.82、20.91和13.01個(gè)/cm2，各自占比為45.06%、33.87%和21.07%。白天作業(yè)各層霧滴數(shù)量為21.09、14.73和9.45個(gè)/cm2，分別占46.59%、32.54%和20.87%。無人機(jī)夜間作業(yè)時(shí)棉花植株不同高度處的霧滴數(shù)量均多于白天，就各層霧滴數(shù)量占垂直方向上總霧滴數(shù)量的比例而言，綜合2 a試驗(yàn)數(shù)據(jù)，夜間作業(yè)的中、下層霧滴數(shù)量平均比例分別為34.79%和22.07%，白天為33.27%和21.89%，夜間作業(yè)時(shí)棉花植株中下層霧滴沉積數(shù)量比例大于白天，說明霧滴穿透性較好。小霧滴粒徑更具穿透性，白天高溫低濕的氣象條件容易造成小霧滴蒸發(fā)損失，所以植株中下層霧滴沉積效果不理想。噴槍作業(yè)時(shí)各層的霧滴沉積數(shù)量占比由上而下分別為50.52%、29.50%和19.98%，超過50%的霧滴沉積在葉片上面，中下層霧滴比例較低，不利于殺滅植株中下層的棉蚜。噴桿噴霧機(jī)作業(yè)時(shí)霧滴分布較為均勻，各層霧滴數(shù)量占比為40.86%、43.30%和15.84%，由于花鈴期和蕾期棉花枝葉茂盛，葉片遮擋導(dǎo)致下層霧滴數(shù)量少。

圖4 2018年不同作業(yè)時(shí)間下不同高度的葉片正反面霧滴沉積數(shù)量對比

圖5 2019年不同作業(yè)時(shí)間下不同高度的葉片正反面霧滴沉積數(shù)量對比

葉片背面霧滴沉積數(shù)量占正反面霧滴總數(shù)的平均比例以及不同高度的平均霧滴粒徑分布如表4所示。由表4可知，無人機(jī)白天作業(yè)時(shí)葉片背面的霧滴沉積數(shù)量平均占正反面總霧滴沉積數(shù)量的14.18%，夜間作業(yè)占19.80%，夜間比白天多39.63%，各層葉片背面霧滴沉積數(shù)量表現(xiàn)為上層>下層>中層。總體上無人機(jī)處理葉片背面霧滴沉積數(shù)量比例不超過25%，棉蚜主要寄生在葉片背面，對于觸殺型藥劑而言，葉片背面較多的霧滴沉積數(shù)量是保證防效的前提，葉片背面霧滴密度越大，棉蚜暴露在藥液中的幾率也越大。旋翼風(fēng)場對作物的擾動作用導(dǎo)致棉花植株上層葉片發(fā)生翻轉(zhuǎn)，從而改善了上層葉片背面的霧滴沉積效果。然而下層葉片背面霧滴沉積數(shù)量大于中層，對比霧滴粒徑后發(fā)現(xiàn)，霧滴平均粒徑大小為上層>中層>下層。下層霧滴粒徑最小，而小霧滴更具穿透性，容易擴(kuò)散，因此下層葉片背面的霧滴沉積數(shù)量多于中層。噴槍及噴桿噴霧機(jī)作業(yè)時(shí)葉片背面霧滴數(shù)量分別占7.09%和0.20%，且由上而下顯著減少。噴槍葉片背面霧滴沉積數(shù)量多于噴桿噴霧機(jī)，這與噴灑角度有關(guān)，噴槍水平掃射，因此植株上層葉片背面霧滴沉積效果較好，中下層卻不理想，噴桿噴霧機(jī)垂直向下噴灑，霧滴幾乎全落在葉片正面。因此在采用這2種設(shè)備進(jìn)行作業(yè)時(shí)，不能選用單一的觸殺型藥劑，需要將內(nèi)吸型和觸殺型藥劑結(jié)合起來保證防效。

表4 不同施藥設(shè)備作業(yè)的葉片背面霧滴沉積數(shù)量比例及平均霧滴粒徑

結(jié)合圖4、圖5可知，無論無人機(jī)在白天或夜間作業(yè)，處理5（3 m/s，1.5 m，15 L/hm2）和處理8（3 m/s，2 m，15 L/hm2）的棉花植株下層和葉片背面的霧滴沉積效果都比較好，說明無人機(jī)在花鈴期和蕾期作業(yè)時(shí)，飛行高度在1.5～2 m，速度在3～4 m/s的參數(shù)下霧滴穿透性較好，植株下層以及葉片背面的霧滴沉積數(shù)量多。無人機(jī)飛行高度和速度較低，噴灑量大時(shí)更有利于霧滴沉積在棉花植株下層及葉片背面，從側(cè)面反映出無人機(jī)作業(yè)需滿足2個(gè)條件：1）下壓風(fēng)場不削弱2）霧滴不大量損失時(shí)，旋翼風(fēng)場才能有效促進(jìn)霧滴穿透性。

2.3 棉蚜防治效果

2018年進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)正值棉蚜爆發(fā)時(shí)期，棉田有蚜株率達(dá)到100%，試驗(yàn)前調(diào)查發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)小區(qū)棉蚜最多達(dá)到1 607頭/株。2019年試驗(yàn)地區(qū)整體上棉蚜蟲害程度較輕，試驗(yàn)小區(qū)棉蚜數(shù)量最多為117頭/株。

由圖6a、6b可知，藥后第1天無人機(jī)白天作業(yè)棉蚜平均減退率為28.90%，夜間作業(yè)為61.92%，噴桿噴霧機(jī)為40.05%，噴槍為47.43%。無人機(jī)夜間作業(yè)的防效明顯優(yōu)于噴槍和噴桿噴霧機(jī)，而噴槍和噴桿噴霧機(jī)作業(yè)的防效優(yōu)于無人機(jī)白天作業(yè)。這是因?yàn)榘滋祆F滴蒸發(fā)量大，無人機(jī)超低容量施藥后沉積在植株上的有效霧滴少，造成藥后第1天防效不佳。噴桿噴霧機(jī)和噴槍均采用大容量施藥方式，棉花植株幾乎被浸濕，因此防效比無人機(jī)白天作業(yè)好。噴槍防效優(yōu)于噴桿噴霧機(jī)，這與噴灑角度有關(guān)，噴槍水平噴射，能將部分藥液噴施在葉片背面，而噴桿噴霧機(jī)豎直向下噴灑，藥液沉積在葉片正面甚至滴落到地面，不利于殺滅棉蚜。藥后第1天空白對照組棉蚜減退率為26%，周邊棉田施藥使棉蚜種群得到控制，天敵很快成為優(yōu)勢種群，控制潛力得以釋放。藥后第10天無人機(jī)白天作業(yè)棉蚜平均減退率為94.53%，夜間為94.71%，略大于白天。噴桿噴霧機(jī)為85.07%，噴槍為93.12%。空白對照組為92%。

圖6　白天、夜間施藥的棉蚜防效對比

圖6c、6d分別為2019年白天、夜間作業(yè)后棉蚜防效。無人機(jī)白天作業(yè)后第1天棉蚜平均減退率為5.14%，夜間為34.06%，噴槍為23.16%，噴桿噴霧機(jī)為0.21%，無人機(jī)夜間作業(yè)的防效優(yōu)于白天和2種常規(guī)設(shè)備?？瞻讓φ战M為?18%，天敵數(shù)量與棉蚜種群數(shù)量存在追隨脅迫關(guān)系，2019年試驗(yàn)地區(qū)棉蚜蟲害程度較輕，所以天敵也較少，對棉蚜的防控潛力不足。白天作業(yè)的部分處理中藥后第1天棉蚜減退率為負(fù)值，即蚜蟲數(shù)量增多，主要原因有2點(diǎn)：1）霧滴沉積數(shù)量少，不足以殺滅棉蚜，這與圖5中的霧滴沉積規(guī)律一致；2）棉蚜遷飛。施藥后有翅蚜遷飛至藥液沉積量少的區(qū)域繼續(xù)為害棉花[29]。相應(yīng)地霧滴沉積數(shù)量多的處理藥后第1天棉蚜減退率較高，如處理5和處理8，藥后第1天棉蚜減退率分別達(dá)到45.05%和48.88%。藥后第10天，無人機(jī)白天作業(yè)平均棉蚜減退率為76.37%，夜間為86.41%，噴槍為78.81%，噴桿噴霧機(jī)為81.60%，空白對照組為74.70%，仍舊低于施藥處理小區(qū)?？傮w上，無人機(jī)夜間作業(yè)棉蚜防效優(yōu)于白天作業(yè)和其他常規(guī)設(shè)備。

就棉蚜減退率和葉片背面霧滴沉積數(shù)量關(guān)系而言，所有處理藥后第1天兩者基本呈正相關(guān)關(guān)系，葉片背面霧滴沉積數(shù)量越多，防效也越好。藥后第10天兩者相關(guān)性不明顯。姜運(yùn)濤發(fā)現(xiàn)，七星瓢蟲4齡幼蟲平均捕食棉蚜273頭，整個(gè)幼蟲期共捕食490.6頭，草嶺成蟲平均每天食蚜量為29.33頭，1齡幼蟲為51.2頭，2齡幼蟲為63.2頭，3齡幼蟲為80.8頭[11]，可見天敵對棉蚜有重要的抑制作用。藥后第1天棉蚜種群數(shù)量變化主要由化學(xué)藥劑所導(dǎo)致，是施藥作業(yè)效果的直接體現(xiàn)，隨著時(shí)間的推移，天敵會影響棉蚜變化趨勢，所以在單獨(dú)評價(jià)施藥作業(yè)的棉蚜防效時(shí)，對于速效性藥劑而言，建議最好在藥后1～3 d調(diào)查蟲口數(shù)量變化情況，持效性藥劑則在藥后4～7 d調(diào)查。處理11的農(nóng)藥劑量減藥20%，作業(yè)參數(shù)與處理6一致，結(jié)果表明，其棉蚜減退率并未出現(xiàn)明顯下降，說明無人機(jī)減藥20%對防效無顯著影響，因此在后續(xù)棉蚜防治中可以減少農(nóng)藥用量。張亞林等研究發(fā)現(xiàn)，相比于滴灌施藥方法，無人機(jī)施藥會造成瓢蟲數(shù)量減退[30]，因此減少藥劑用量可以保護(hù)天敵，提高防效。

為驗(yàn)證天敵對棉蚜防效的影響，在2019年試驗(yàn)中，在藥后第10天采用5點(diǎn)采樣法調(diào)查處理6和空白對照小區(qū)的棉蚜天敵數(shù)量，每個(gè)采樣點(diǎn)選取10株棉花，每個(gè)小區(qū)共計(jì)50株。調(diào)查后發(fā)現(xiàn)空白對照小區(qū)瓢蟲（成蟲、幼蟲、蛹）、草蛉、食蚜蝽類總數(shù)為206頭，而處理6為51頭，遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于空白對照小區(qū)，因此藥后第10天空白對照小區(qū)的棉蚜減退率反而高于施藥小區(qū)。因此，采用化學(xué)防治棉蚜的同時(shí)不能將天敵趕盡殺絕，應(yīng)結(jié)合天敵對棉蚜進(jìn)行綜合防治，從而實(shí)現(xiàn)減藥的目的。

3 討 論

本文只針對花鈴期和蕾期的棉蚜防治進(jìn)行了試驗(yàn)研究，探索了這一時(shí)期無人機(jī)不同作業(yè)參數(shù)下的霧滴沉積特性及棉蚜防效。根據(jù)棉蚜蟲害的發(fā)生時(shí)期不同可將棉蚜其分為苗蚜和伏蚜[31]，不同階段的棉花生長特性差異較大，植株剛度、葉片大小和數(shù)量等因素對無人機(jī)的作業(yè)參數(shù)提出不同的要求，例如生長后期棉花植株高，葉片密集且交錯遮擋，要提高霧滴穿透性需降低無人機(jī)飛行高度和速度，借助其下壓風(fēng)場促進(jìn)霧滴沉積在植株中下層以及葉片背面上，而苗期棉花植株矮，葉片稀疏，裸露的土地面積大，為避免風(fēng)場損傷植株，引起揚(yáng)塵（吸附霧滴）則需要高飛，因此針對棉蚜不同發(fā)生階段來優(yōu)化無人機(jī)作業(yè)參數(shù)很有必要。

試驗(yàn)結(jié)果表明，無人機(jī)施藥時(shí)葉片背面的霧滴沉積數(shù)量遠(yuǎn)少于正面，這與棉蚜主要分布在葉片背面這一事實(shí)相矛盾，就觸殺型藥劑而言，非常不利于棉蚜防治。理論上無人機(jī)下壓風(fēng)場對作物有擾動作用，促使葉片發(fā)生翻轉(zhuǎn)，從而有助于霧滴沉積在葉片背面，然而實(shí)際效果并不明顯。觀察發(fā)現(xiàn)，無人機(jī)快速前進(jìn)時(shí)，下壓風(fēng)場對植株的擾動區(qū)域和霧滴沉積區(qū)域均會滯后，但并不一定重合，2個(gè)區(qū)域的間距隨著無人機(jī)作業(yè)參數(shù)的變化而變化，這就導(dǎo)致風(fēng)場使葉片翻轉(zhuǎn)后霧滴并不能及時(shí)有效地沉積在葉片背面，因此，消除風(fēng)場對植株擾動區(qū)和霧滴沉積區(qū)之間的差距將是下一步工作重點(diǎn)。

受天敵影響，藥后第10天棉蚜防效與霧滴沉積特性關(guān)系不大，對于速效性藥劑而言，建議在藥后1～3 d評估施藥防效，持效性藥劑則在藥后4～7 d調(diào)查，這樣更能準(zhǔn)確說明化學(xué)防治效果。此外，應(yīng)充分發(fā)揮天敵對棉蚜的抑制作用，尋求天敵和化學(xué)農(nóng)藥之間的平衡點(diǎn)，做到農(nóng)藥施用量和施藥次數(shù)不會對天敵造成傷害但能壓制棉蚜發(fā)展，從而促進(jìn)天敵種群快速占取優(yōu)勢，充分釋放天敵防治潛力，這是實(shí)現(xiàn)農(nóng)藥減施關(guān)鍵所在。新疆棉區(qū)的棉蚜每年發(fā)生30～40代，其中棉田約30代，冬季棉蚜卵在寄主植物上越冬，次年4月開始孵化，5月份侵入棉田繁殖為害棉花，棉蚜的繁殖周期和擴(kuò)散速度與溫濕度有關(guān)[32-33]。在繁殖期間寄主植物較差的長勢與營養(yǎng)條件、棉蚜種群的擁擠、低溫與短光照等因素會促進(jìn)有翅蚜的產(chǎn)生，有翅蚜遷飛行為多發(fā)生在白天，遷飛使其為害面積擴(kuò)大，造成防治上的困難。采用無人機(jī)防治棉蚜?xí)r需要與其生物習(xí)性相結(jié)合，盡量避開棉蚜白天遷飛期，而夜間作業(yè)不失為一個(gè)好的防治策略，該文研究結(jié)果表明，夜間作業(yè)霧滴沉積效果和棉蚜防效都比較理想。此外在侵入棉田的第1代棉蚜繁殖期間進(jìn)行防治，可有效控制其大量繁殖、遷飛和爆發(fā)。

4 結(jié) 論

本文采用P20植保無人機(jī)進(jìn)行棉蚜防治試驗(yàn)，對比了白天和夜間作業(yè)時(shí)霧滴沉積差異性及棉蚜防效，以常噴桿噴霧機(jī)和噴槍為試驗(yàn)對照，主要結(jié)論如下：

1）無人機(jī)白天和夜間作業(yè)的霧滴沉積數(shù)量及覆蓋率差異顯著，相同作業(yè)參數(shù)下，夜間作業(yè)的霧滴沉積數(shù)量平均比白天多42.82%，覆蓋率平均比白天增加51.04%。

2）無人機(jī)夜間施藥霧滴穿透性較好，棉花中下層及葉片背面霧滴沉積數(shù)量均多于白天。夜間作業(yè)時(shí)棉花中、下層霧滴沉積數(shù)量平均占垂直方向上霧滴總數(shù)量的比例分別為34.79%和22.07%，白天中、下層霧滴沉積數(shù)量平均占33.27%和21.89%。噴槍為29.50%和19.98%，噴桿噴霧機(jī)為43.30%和15.84%。無人機(jī)夜間作業(yè)時(shí)葉片背面霧滴沉積數(shù)量占正反面總霧滴沉積數(shù)量的19.80%，白天作業(yè)占14.18%，夜間比白天多39.63%，各層葉片背面霧滴沉積數(shù)量表現(xiàn)為上層>下層>中層?？傮w上無人機(jī)作業(yè)的葉片背面霧滴沉積數(shù)量比例不超過25%。噴槍及噴桿噴霧機(jī)作業(yè)時(shí)葉片背面霧滴數(shù)量少，分別占7.09%和0.20%。

3）在棉花花鈴期和蕾期作業(yè)時(shí)，飛行高度1.5～2 m，飛行速度為3～4 m/s，噴灑量為15 L/hm2的作業(yè)參數(shù)下霧滴沉積效果較好。無人機(jī)在棉花生長后期作業(yè)時(shí)為提高霧滴穿透性建議選用較低的飛行速度、高度和較大的噴灑量，因?yàn)樾硐聣猴L(fēng)場不削弱、霧滴不大量損失的前提下，旋翼風(fēng)場才能有效促進(jìn)霧滴穿透性。

4）藥后第1天棉蚜減退率和棉花葉片背面霧滴沉積數(shù)量基本呈正相關(guān)。受天敵影響第10天后關(guān)聯(lián)性不高。無人機(jī)夜間作業(yè)更有利于棉蚜防治，藥后第1天和藥后第10天防效均顯著優(yōu)于白天作業(yè)和其他2種常規(guī)設(shè)備，且農(nóng)藥劑量減少20%對棉蚜防效無顯著影響。

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Comparison of droplet deposition characteristics and cotton aphid control effect of plant protection UAV working during the day and night

Tian Zhiwei1, Xue Xinyu1※, Cui Longfei1, Chen Chen1, Peng Bin2, Liu Bing3

(1.,,210014;2...,510663,; 3.,100193,)

Plant protection UAV is characterized by high efficiency, safe operation and strong applicability, it has developed rapidly in recent years and has become one of the main prevention and control methods for pests and diseases. However, there still has some problems during the process of controlling cotton aphids, such as the droplet deposition law in the target spray area is not clear, the operating parameters are set unreasonably, and the droplet deposition characteristics and control effect for night operations are unknown. To solve the problems mentioned above, the experiments were carried out at the Korla Test Base of the Institute of Plant Protection of the Chinese Academy of Agricultural Sciences in 2018 and 2019. P20 plant protection UAV was adopted with different operating parameters (at flight speed of 3, 4 and 5 m/s, flight height of 1.5, 2 and 2.5 m, spray volume of 7.5, 11.3 and 15 L/hm2) to spray pesticides during the day and night, and the boom sprayer and spray gun were used as control devices. The Latin hypercube method was used in test design and each treatment was repeated 3 times. The test results showed that there was a significant difference in the number of droplets between day and night operations. Under the same operating parameters, the number of droplets deposited at night was on average 42.82% higher than that during the day, and the coverage rate of droplets was increased by 51.04%. At the same time, the penetration of droplets was better at night, and the number of droplets deposited in the middle and lower layers of cotton plant and the back side of the leaves were more than that in daytime. During night operations, the average number of droplets deposited in the middle and lower layers of cotton plant accounted for 34.79% and 22.07% of the total number of droplets in the vertical direction, and averaged 33.27% and 21.89% during the day, and that of the spray guns were 29.50% and 19.98%, boom sprayer were 43.30% and 15.84%. The average number of droplets deposited on the leaves back of the night operation accounted for 19.80% of the total number of droplets deposited on the front and back side of leaf, and 14.18% in the daytime, and the propotion of the night was 39.63%, which was higher than that of the day. The number of droplets deposited on the back side of leaf of each sampling layer of plant was upper layer> lower layer> middle layer. In general, the proportion of droplets deposited on the leaf back did not exceed 25% for UAV operation. Droplets deposited on the leaf back was less for spraying by spray gun and boom sprayer operation, which accounting for 7.09% and 0.20%, respectively. During cotton flowering and bud stage, in order to increase the number of droplets deposited and the penetrability of the droplets, it is recommended to set the UAV operating parameters to a flight height of 1.5 to 2 m, a flight speed of 3 to 4 m / s, and a large spraying volume, because the rotor wind field can effectively promote the penetration of the droplets only if the drone does not weaken the wind field and the droplets are not lost. In terms of the relationship between the reduction rate of cotton aphids and the number of droplet deposited on the back side of the leaves, they are positively correlated with each other on 1st day after application, but no correlation on 10th day because natural enemies. The results also showed UAV application at night is more effective to control cotton aphid compared with application in daytime, and a 20% reduction on the pesticide dose had no significant effect on the control effect of cotton aphid. This research can provide reference for the reasonable operating parameters setting of plant protection UAV, and also provide a scientific basis for the effective prevention and control of cotton aphids.

UAV; spray; optimization; cotton aphid; pesticides application at night; droplet distribution; control effect

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.05.008

S252+.3

A

1002-6819(2020)-05-0069-09

2019-10-10

2020-02-14

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助（2017YFD0701000）；國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助（2016YFD0200702）

田志偉，助理工程師，主要從事農(nóng)用航空關(guān)鍵裝備技術(shù)研發(fā)。Email：JevinTian@163.com

薛新宇，研究員，博士，博士生導(dǎo)師；主要從事植保設(shè)備與施藥工程技術(shù)研究。Email：735178312@qq.com

中國農(nóng)業(yè)工程學(xué)會會員：薛新宇（E041200741S）

田志偉，薛新宇，崔龍飛，陳 晨，彭 斌，劉 兵. 植保無人機(jī)晝夜作業(yè)的霧滴沉積特性及棉蚜防效對比[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2020，36(5)：69－77. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.05.008 http://www.tcsae.org

Tian Zhiwei, Xue Xinyu, Cui Longfei, Chen Chen, Peng Bin, Liu Bing. Comparison of droplet deposition characteristics and cotton aphid control effect of plant protection UAV working during the day and night[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(5): 69－77. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.05.008 http://www.tcsae.org