无人机喷雾雾滴分布研究

陶 波，孔令伟

（东北农业大学农学院，哈尔滨 150030）

农业病虫草害是中国粮食安全和农产品供给制约因素。农用可防治农作物病虫害、消除杂草。目前国内施药机械和技术水平相对落后，农药利用率低[1]。随农业现代化、规模化发展，我国田间施药需科学施药、规范用药，调节除草剂药液性状，提高药效、降低用药量，缓解后茬作物残留药害，改进喷雾设备，使用大型喷雾器械及植保无人机喷药[2]。植保无人机机动性强、控制灵活、作业成本低[3]；喷雾作业不受地形限制，作业效率高，节省劳力并提高田间施药效率[4]；喷雾作业时，操作者与无人机分离，避免农药雾滴接触人体造成农药中毒事件；采用低量或超低量喷雾，降低农药使用量，提高农药利用率，减少环境污染[5]。

近年，中国植保无人机发展迅速[6]。飞防作业中，主要问题为农药雾滴飘移与蒸发[7]。影响无人机喷雾雾滴因素很多，包括作业状态、风速、空气温湿度等[8-9]。科研人员应用不同研究手段探究植保无人机喷雾雾滴沉积、飘移与蒸发问题。张宋超等采用计算流体动力学（Computational fluiddynamics，CFD）模拟方法分析N-3型无人直升机施药作业中药液飘移情况[10]，张盼等研究QJ-460型4旋翼无人机在柑橘树体冠层雾滴沉积效果[11]。Qin等使用HyB-15L型无人机在水稻上喷施毒死蜱乳油防治稻飞虱，研究其雾滴沉积分布均匀性和防治效果[12]。王玲等设计微型无人机脉宽调制型变量喷药系统，利用风洞悬停无人机变量喷药研究雾滴沉积规律[13]。范庆妮设计适合天鹰3号小型无人直升机低空低量喷洒的液力喷头，确定最佳匹配参数[14]。周立新等开展航空施药用电动离心喷头试验研究，分析雾化盘电机电压和喷头流量两个主要因素对电动离心喷头喷洒性能影响[15]。

本文结合农药雾滴分布试验及田间生物活性试验，利用水敏试纸为靶标承接农药雾滴，从飞行高度、飞行速度、喷液流量及风速、温度、空气湿度等方面研究植保无人机喷雾过程中雾滴沉积分布情况，探究不同作业状态及环境对植保无人机雾滴分布影响，通过田间生物活性试验和田间杂草防效调查，分析植保无人机最佳作业状态。

1 材料与方法

1.1 试验材料、药剂及仪器

水敏试纸：东北农业大学农药研究所制作。

试验药剂：4%烟嘧磺隆可分散油悬浮剂，购自合肥久易农业开发有限公司；15%硝磺草酮可分散油悬浮剂，购自安徽中山化工有限公司；90%莠去津水分散粒剂，购自浙江中山化工集团股份有限公司。

植保无人机：山东宇航植保无人机YH-4-10；旋翼：4；最大功率：1 933 W；载重量：10 L。

1.2 试验方法

1.2.1 农药雾滴分布试验

试验使用植保无人机飞防喷雾，各处理农药按田间施药比例配制：4%烟嘧磺隆可分散油悬浮剂1.5 kg·hm-2，喷液量300 L·hm-2。小区布置分为喷雾区及飘移区，喷雾区设置为20 m×30 m，飘移区设置为10 m×30 m，在飘移区内放置水敏试纸作为靶标，水敏试纸分别放置于喷雾区内无人机航线正下方，记录为0 m；飘移区内距离喷雾区边界1、2、3、5、7、10 m。水敏试纸放置于距地面高20 cm，同一距离，每两张水敏试纸间隔10 m放置。每个小区设3次重复。试验小区分布如图1所示。

喷药结束，将水敏试纸按放置位置编号并收集装入自封袋。试验结束后利用软件分析水敏试纸农药雾滴覆盖率，0 m处水敏试纸农药雾滴覆盖率反映农药雾滴沉积率，1～10 m处水敏试纸农药雾滴覆盖率反映农药雾滴飘移量。记录数据，根据公式（1）计算农药雾滴覆盖率。

覆盖率（%）=水敏试纸农药雾滴覆盖面积/水敏试纸总面积×100% （1）①植保无人机飞行高度对雾滴沉积、飘移影响按图1设计田间小区，表1设计试验处理作喷雾试验。

飞防试验室外环境为：温度24℃，湿度42%，风速0.8 m·s-1。

②植保无人机飞行速度对雾滴沉积、飘移影响

按图1设计田间小区，表2设计试验处理作喷雾试验。

飞防试验室外环境为：温度24℃，湿度42%，风速0.8 m·s-1。

③植保无人机喷液流量对雾滴沉积、飘移影响

按图1设计田间小区，表3设计试验处理作喷雾试验。

表1 不同飞行高度对农药雾滴沉积、飘移影响Table1 Effectsof different spray heightson thedeposition and drift of pesticidedroplet

表2 不同飞行速度对农药雾滴沉积、飘移影响Table 2 Effects of different flight velocities on the deposition and drift of pesticide droplet

飞防试验室外环境为：温度24℃，湿度42%，风速0.8 m·s-1。

④环境对植保无人机喷雾雾滴沉积、飘移影响

按图1设计田间小区，表4设计试验处理作喷雾试验，保持植保无人机飞行高度1 m，飞行速度5 m ·s-1，喷液流量1 800 mL ·min-1。

⑤风速对植保无人机喷雾雾滴沉积、飘移影响

按图1设计田间小区，表5设计试验处理作喷雾试验，保持植保无人机飞行高度1 m，飞行速度5 m ·s-1，喷液流量1 800 mL ·min-1。

表3 不同喷液流量对农药雾滴沉积、飘移影响Table 3 Effects of different spray flow on thedeposition and drift of pesticide droplets

表4 不同温湿度对农药雾滴沉积、飘移影响Table 4 Effectsof different temperatureand humidity on the deposition and drift of pesticide droplets

表5 不同风速对农药雾滴沉积、飘移影响Table 5 Effectsof different wind speed on the deposition and drift of pesticide droplets

1.2.2 田间生物活性试验

试验共设8个处理，通过田间杂草防效分析无人机最佳作业状态。

试验作物：玉米（东农245）。

试验药剂：硝磺草酮15%可分散油悬浮剂0.4 kg·hm-2+莠去津90%水分散粒剂0.8 kg·hm-2。

室外环境：温度24℃，空气湿度61%，风速1.3 m · s-1。

试验结束后5 d，调查玉米田杂草防除效果并分析各处理间杂草防效差异，结合农药雾滴分布试验，分析飞防作业时无人机最佳作业状态。试验各处理详见表6。

2 结果与分析

2.1 植保无人机飞行高度对雾滴沉积、飘移影响

高度对农药雾滴沉积和飘移影响显著，随高度升高，农药雾滴沉积率逐渐降低，飘移量逐渐升高。飘移距离0 m处，飞行高度1 m时农药雾滴沉积效果最佳，达73.2%，喷药高度3 m时农药雾滴沉积率最差，仅为62.2%。飘移距离1～10 m处，植保无人机飞行高度1、1.5 m时，农药雾滴飘移量无明显差异；飞行高度2、3 m时，农药雾滴飘移量明显升高。飘移距离10 m处，飞行高度1 m时农药雾滴飘移量最少，仅为1.7%，喷药高度3 m时农药雾滴飘移量最多，达3%。因此，田间飞防作业过程中，飞行高度应选择距植株冠层1～1.5 m高，如果作业场地允许，应尽量保持飞行高度1 m。在农作物不同生长时期，应适当调整植保无人机飞行高度。

2.2 植保无人机飞行速度对雾滴沉积、飘移分布影响

飞行速度对农药雾滴沉积和飘移影响不显著。不同飞行速度条件下，飞行速度5 m·s-1，农药雾滴沉积效果最佳，达73.2%；飞行速度4 m·s-1，农药雾滴沉积率达70.6%，与飞行速度5 m·s-1时无显著差异；飞行速度6 m·s-1，农药雾滴沉积率最差，仅为65.1%。飘移距离10 m处，飞行速度5 m·s-1，农药雾滴飘移率最少，仅为1.7%。飞行速度3 m·s-1，农药雾滴沉积效果最差，农药雾滴飘移率达3.5%。

总体分析，喷雾区内，飞行速度5 m·s-1，农药雾滴沉积效果最佳；飘移区内，飞行速度5 m·s-1，农药雾滴飘移量最少，与其他处理差异显著。结合无人机风场及空气动力学分析，当无人机飞行速度较低时，旋翼下压风场小，导致农药雾滴受自然风影响，沉积量降低，飘移量升高。当无人机飞行速度较高时，旋翼下压风场大，但4个旋翼产生风场相互影响，雾滴在空气中分布不均匀，同时，由于飞行速度较高，经过喷药区域单位时间内喷出农药雾滴少，结合两方面因素，当飞行速度较高时，农药雾滴沉积量降低，飘移量升高。因此，田间飞防作业过程中，建议选择飞行速度为5 m·s-1，但应根据田间实际情况及喷施药剂类型调整，如喷施叶面肥时，根据喷施叶面肥浓度适当调节无人机飞行速度，以免速度过低，喷施浓度过高。

表6 植保无人机田间飞防作业Table 6 Plant protection uav field fly defense operations

图2 不同飞行高度对农药雾滴沉积、飘移影响Fig.2 Effects of different flight heights on thedeposition and drift of pesticide droplets

2.3 植保无人机喷液流量对雾滴沉积、飘移影响

喷液流量对农药雾滴沉积和飘移影响不显著。不同喷液流量条件下，喷液流量2 200 mL·min-1，农药雾滴沉积率最大，达75.4%；喷液流量2 000 mL·min-1，农药雾滴沉积率为74.9%；喷液流量1 800 mL·min-1，农药雾滴沉积率为73.2%，三个处理间，农药雾滴沉积率无明显差异。喷液流量1 600 mL·min-1，农药雾滴沉积率为67.8%，与前三个处理存在明显差异。飘移距离1～10 m处，喷液流量1 800、2 000 mL·min-1两个处理农药雾滴飘移率最低，喷液流量2 200 mL·min-1农药雾滴飘移率较高，喷液流量1 600 mL·min-1农药雾滴飘移率最高。

总体分析可知，喷液流量1 800和2 000 mL·min-1时，农药雾滴分布效果最佳。由此可见，并非喷液流量越大农药雾滴分布效果越好。喷液流量过大时，单位时间内喷出农药雾滴过多，易造成药害发生。分析喷头液压发现，当喷液流量较大时，液压较大，农药雾滴受自然风影响导致飘移量少，同时喷药区域单位时间内喷出农药雾滴较多，导致农药雾滴沉积增加，飘移减少。田间飞防作业时，需考虑作业成本及农药对作物影响。一般作飞防处理时，每公顷喷液量为1.2～1.5 L，以喷幅4 m、飞行速度5 m·s-1为例，当喷药流量为1 800 mL·min-1时，每公顷喷液量1.5 L，喷药流量为2 000 mL·min-1时，每公顷喷液量1.66 L，喷药流量为2 200 mL·min-1时，每公顷喷液量1.83 L。无人机在此作业状态下，喷药流量为1 800 mL·min-1时，每公顷喷液量适中。喷药流量为2 000和2200 mL·min-1时，每公顷喷液量略高，造成经济损失并易导致敏感作物产生药害。由于无人机为低容量作业，每公顷喷液量应严格控制，否则极易出现药害。

图3 不同飞行速度对农药雾滴沉积、飘移影响Fig.3 Effectsof different flight velocitieson thedeposition and drift of pesticidedroplets

图4 不同喷液流量对农药雾滴沉积、飘移影响Fig.4 Effectsof different spray flow on thedeposition and drift of pesticidedroplets

2.4 环境对植保无人机喷雾雾滴沉积、飘移影响

由于室外环境无法人工控制，试验尽量选择代表性天气环境。由图5可知，在喷雾区及飘移区内，对比温度28℃、空气湿度34%与温度14℃、空气湿度41%两处理农药雾滴沉积、飘移情况无明显差异。温度23℃、空气湿度68%与温度11℃、空气湿度57%两处理农药雾滴沉积、飘移情况无明显差异。分析空气环境发现，各处理间空气湿度相近，温度相差较大时，农药雾滴沉积与飘移情况差异不明显。

在喷雾区及飘移区内，对比温度28℃、空气湿度34%与温度23℃、空气湿度68%两处理农药雾滴沉积、飘移情况存在明显差异。温度14℃、空气湿度41%与温度11℃、空气湿度57%两处理农药雾滴沉积、飘移情况存在明显差异。分析空气环境发现，温度相近、空气湿度差异较大时，农药雾滴沉积与飘移情况存在显著差异。

通过室外环境结合热力学分析研究农药雾滴分布影响，温度对农药雾滴分布情况影响不显著，湿度对农药雾滴分布情况影响显著。环境温度较高，空气湿度较低时，由于高温干旱导致农药雾滴蒸发加快，造成农药浪费。由于田间飞防作业处于春夏季，室外空气温度多以高温天气为主，建议上午9:00前，下午16:00后作田间飞防处理。

图5 不同温湿度对农药雾滴沉积、飘移影响Fig.5 Effects of different temperature and humidity on the deposition and drift of pesticide droplets

图6 不同风速对农药雾滴沉积、飘移影响Fig.6 Effectsof different wind speed on thedeposition and drift of pesticidedroplets

2.5 风速对植保无人机喷雾雾滴沉积、飘移影响

风速对农药雾滴分布影响显著。由图6可见，风速1.1和1.6 m·s-1时，农药雾滴沉积较好，飘移较少。风速1.1 m·s-1，农药雾滴沉积率达85.8%，风速1.6 m·s-1，农药雾滴沉积率为84.7%，两处理间农药雾滴沉积率无显著差异。风速2.8 m·s-1，农药雾滴沉积率为82.4%，风速3.5 m·s-1，农药雾滴沉积率最差，仅为76.8%。飘移区内，飘移距离1 m处，风速1.1和1.6 m·s-1两处理农药雾滴飘移率存在差异。飘移距离2～10 m处，风速1.1和1.6 m·s-1两处理农药雾滴飘移率无显著差异，风速3.5 m·s-1，农药雾滴飘移率最高，飘移距离10 m处，农药雾滴飘移率达2.8%。

分析风速对农药雾滴分布影响可知，气流带动农药雾滴飘散到非靶标区域，风速越高，农药雾滴飘移距离越远，飘移量越大，对非靶标区域作物、水源及人畜造成危害。因此，田间飞防处理风速宜保持在3 m·s-1以下。

2.6 无人机作业状态对药效影响

由表7可知，植保无人机飞行高度1 m、飞行速度5 m·s-1、喷液流量2 000 mL·min-1；飞行高度1.5 m、飞行速度5 m·s-1、喷液流量2 000 mL·min-1及飞行高度1 m、飞行速度5 m·s-1、喷液流量1 800 mL·min-1三个处理田间杂草防效较好，且三个处理间田间杂草防效无显著差异。其中飞行高度1 m、飞行速度5 m·s-1、喷液流量2 000 mL·min-1田间杂草防效最佳，禾本科杂草防效达72.3%，阔叶杂草防效达50.7%。飞行高度1.5 m、飞行速度4 m·s-1、喷液流量1 800 mL·min-1处理田间杂草防效最差，与飞行高度1 m、飞行速度5 m·s-1、喷液流量2 000 mL·min-1相比，禾本科杂草防效相差10.3%，阔叶杂草防效相差13%。

表7 玉米田飞防处理杂草防效Table 7 Cornfield fly defensetreatment weed control in corn field (%)

3 讨论与结论

国内外喷药雾滴分布研究较多。Downer等使用喷杆喷雾机作田间飘移试验，发现飘移随风速增加而增加[16]。Wolter等使用不同方法评价喷杆喷雾机在冬小麦施药时农药沉积和空中雾滴飘移情况[17]。Holterman等发现提高喷杆高度时飘移增加[18]，但并未系统分析不同飞行高度、飞行速度、喷液流量、空气温湿度、风速对无人机施药过程中药液飘移情况。

本文结论：飞行高度、飞行速度、喷液流量、空气湿度、温度、风速与农药雾滴沉积分布及农药药效呈显著正相关，其中，飞行速度、喷雾流量、温度在一定范围内对农药雾滴沉积分布及农药药效影响不显著。飞行高度由1 m上升到3 m，农药雾滴覆盖率降低11%；飞行速度5 m·s-1，农药雾滴覆盖效果最佳；喷液流量2 200 mL·min-1，农药雾滴覆盖效果最佳，喷液量过高易造成农药过量，导致作业成本较高及作物病害问题，因此喷液量建议1 800 mL·min-1；温度28℃、空气湿度32%变为温度25℃、空气湿度64%，农药雾滴覆盖率增加8.1%，温度近似，空气湿度越高，农药雾滴覆盖率越高；温度28℃、空气湿度32%调整为温度14℃、空气湿度41%，农药雾滴覆盖率增加2.2%，空气湿度近似，温度降低，农药雾滴覆盖率升高，但差异不显著；风速由1.1 m·s-1升高为3.5 m·s-1，农药雾滴覆盖率降低9%。植保无人机田间飞防作业时，应避免高温干旱、风速较高天气。并建议无人机作业状态为：飞行高度1 m，飞行速度5 m·s-1，喷液流量1 800 mL·min-1。