核桃园植保无人机作业参数优选

朱晓锋　王明　徐兵强　宋博　闫晓静　杨森　袁会珠

摘要 為探究植保无人机在核桃园低空低容量喷雾最优作业参数，本文采用三因素三水平正交试验设计，研究了植保无人机喷雾后核桃树上雾滴沉积分布情况。结果表明：影响雾滴覆盖密度和沉积量的主要因素是飞行速度，其次是飞行高度和施药液量;在树高6～7 m的核桃园中植保无人机喷雾效果较优的作业参数是飞行速度2.2～3.0 m/s，飞行高度2.0～2.5 m，施药液量22.5～30.0 L/hm2，其平均雾滴覆盖密度和沉积量分别为26.36～37.94个/cm2、0.24～0.29 μg/cm2;不同冠层雾滴覆盖密度和沉积量分布为上层>中层>下层，外围>内膛;喷头型号对雾滴覆盖密度和雾滴直径有显著影响;中等喷头（Teejet110015）处理的沉积量最大，但粗、中、细3种喷头处理间的沉积量无显著性差异;植保无人机和地面人工+机动喷杆喷雾的农药地面流失率分别为3.61%和23.69%，两处理间有显著性差异。本文对无人机在核桃园喷雾作业参数进行了优选，可为无人机对高冠果树的合理喷施、提高喷施效果提供参考和指导。

关键词 植保无人机; 作业参数; 核桃园; 雾滴覆盖密度; 沉积量

中图分类号： S 499

文献标识码： A

DOI： 10.16688/j.zwbh.2019220

Optimization of unmanned aerial vehicle （UAV） operation parameters in walnut orchards

ZHU Xiaofeng1*， WANG Ming2， XU Bingqiang1， SONG Bo1， YAN Xiaojing2， YANG Sen1， YUAN Huizhu2*

（1. Institute of Plant Protection， Xinjiang Academy of Agricultural Sciences， Key Laboratory of Integrated Pest

Management on Crops in Northwestern Oasis， Ministry of Agriculture and Rural Affairs， National Local Joint

Engineering Research Center of Special Forestry and Fruit Industry， Urumqi 830091， China;

2. Institute of Plant Protection， Chinese Academy of Agricultural Sciences， Beijing 100193， China）

Abstract

In order to explore the optimal operation parameters of unmanned aerial vehicle （UAV） spraying in walnut orchards， the deposition distribution of droplets on the walnut trees after UAV spraying was studied using three factors and three levels orthogonal tests. The results showed that the main factor affecting the droplet density and deposition was flight speed， followed by flight height and spray volume. In walnut orchards， where the tree height was 6-7 m， the operation parameters with better spray effect of UAV were flying speed of 2.2-3.0 m/s， flying height of 2.0-2.5 m and spray volume of 22.5-30.0 L/hm2， and the average droplet density and deposition were 26.36-37.94 deposits/cm2 and 0.24-0.29 μg/cm2， respectively. The droplet density and deposition on different canopies were distributed from high to low in the upper canopy， middle canopy， lower canopy and outer canopy and inner canopy. The type of nozzle had a significant influence on the droplet density and diameter. Medium nozzle （Teejet110015） had the largest deposition， but there was no significant difference between the three nozzles （Teejet11001， Teejet110015 and Teejet11002）. The ground loss rates of pesticides sprayed with UAV and spray boom were 3.61% and 23.69%， respectively， and there was significant difference between the two treatments. In this study， the spraying operation parameters of UAV were optimized in walnut orchards， which could provide a reference and guidance for the rational spraying of UAV on high-crowned fruit trees and the improvement of spraying effect.

Key words

UAV; operation parameter; walnut orchard; droplet density; deposition

核桃是世界上重要的坚果之一，栽培历史悠久。我国核桃栽培面积和总产量均居世界第一，主要分布在云南、新疆、陕西、山西、河北等地。截至2016年底，新疆核桃种植面积已达36.9万hm2，年产核桃48.6万t，已成为中国核桃的重要产区之一[1]。在新疆，核桃病虫害主要有核桃黑斑蚜Chromaphis juglandicola （Kaltenbach）、叶螨Tetranychus spp.、核桃腐烂病Cytospora juglandis、核桃叶枯病Alternaria alternata （Fr.） Keissl等[2-5]。目前生产上主要使用大容量、粗雾滴机动高压喷雾器喷雾防治核桃主要病虫，由于核桃树冠高大（树高多数在3～10 m之间），这种淋洗式的施药方法作业强度大，效率低（6 667 m2·人-1·d-1），用水量大，药液流失严重，作业人员易中毒， 土壤环境和生态环境易受到污染和破坏。

植保无人机除作业效率高、节约人力物力外，还可节约农药使用量和用水量，且作业不受作物长势和地形的限制[6]。目前植保无人机的应用和研究多集中在棉花、粮食作物方面[7-11]，有广阔的应用前景[12]，而在林果树木上的应用研究较少，且主要集中在树冠较小的柑橘、茶树等树木上[13-15]。为探究植保无人机在核桃园喷雾较优的作业参数，为核桃生产中植保无人机的合理应用提供依据，本文研究了植保无人机在不同作业参数下雾滴在核桃树上的沉积分布，以期找出影响雾滴覆盖密度和药剂沉积分布的因素和较优的作业参数，现将结果报道如下。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地设在新疆阿克苏阿瓦提县多浪乡多浪村三组，核桃种植面积13.5 hm2，2008年定植，株行距为3 m×5 m，冠幅5 m，树高6～7 m。选择大小均一，长势一致的核桃园作为试验用地。

1.2 试验设计

小区约700 m2，每小区间设5 m宽的隔离带，试验药剂为43%联苯肼酯悬浮剂，陕西恒田化工有限公司。指示剂为诱惑红85，浙江吉高德色素科技有限公司，用量为450 g/hm2。

1.2.1 作业参数筛选

植保无人机选用大疆植保无人机MG-1P，采用三因素三水平正交试验设计具体如下（表1），共9个处理，喷头为Teejet110015。

1.2.2 喷头筛选

飞行参数采取中等水平，即施药液量30.0 L/hm2，飞行高度2.0 m，飞行速度2.0 m/s。喷头分别使用粗（Teejet11002）、中（Teejet110015）、细（Teejet11001）3种（美国喷雾系统公司产品）。

1.3 雾滴覆盖密度、沉积量分布和农药地面流失率测定

喷雾前，在每个小区选择3株核桃树，将每株树树冠分为东、西、南、北、中5个方位，每方位又分为上、中、下3层，其中下层再分内、外2个方位，共19个采样点。每采样點分别布置雾滴覆盖密度测试卡和雾滴采集卡（直径9 cm的定性滤纸）;并以树干为中心，分别在树干下方、树冠下方四周和树冠外（株行间）四周地面均匀设置1、4、4个雾滴采集卡。并以地面人工+机动喷杆喷雾处理为对照。喷雾结束后，收取雾滴覆盖密度测试卡及定性滤纸并装入自封袋，带回实验室利用“DePosit scan”软件（美国农业部）测定雾滴覆盖密度。

药剂沉积分布测定：将定性滤纸装入1#自封袋中，加5 mL的蒸馏水洗涤滤纸上的诱惑红。根据示踪剂的标准曲线和样品的吸光度计算出样品示踪剂的浓度，计算沉积量（d）。

d=（c×V）/a，

式中d（μg/cm2）为沉积量，c（μg/mL）为示踪剂浓度，V（mL）为洗脱液体积;a（cm2）为滤纸面积。

农药地面流失率计算：本文采取如下公式，测得农药地面流失率。

D=m2/M×100%，

式中D（%）为农药地面流失率，m2（μg）为单位面积地面农药沉积量，M（μg）为单位面积喷施农药总量。

2 结果与分析

2.1 主效应分析

利用SPSS 17.0对影响雾滴覆盖密度和沉积量三因素主体间效应进行分析，检验结果见表2。

由表2可以看出：三个因素对不同方位雾滴覆盖密度的均方值显示，在测试范围内飞行速度的均方值最大，说明飞行速度是影响雾滴覆盖密度的主要因素，其次是施药液量和飞行高度;其中飞行速度对核桃不同方位雾滴覆盖密度的影响达到了显著水平（P<0.05）;飞行高度对核桃树上层雾滴覆盖密度的影响达到了显著水平（P=0.043）;三个因素对不同方位沉积量的均方值显示：飞行速度对整株平均沉积量影响最大，其次是飞行高度和施药液量;其中飞行速度对下层沉积量达到了显著水平，飞行高度对内膛叶片沉积量的影响也达到了显著水平。

综上所述，在植保无人机施药过程中，影响药液密度和沉积量分布的主要因素是飞行速度，其次是飞行高度和施药液量。

2.2 不同方位雾滴覆盖密度和沉积量分析

2.2.1 雾滴覆盖密度及均匀性分析

对9个处理核桃树不同方位叶片雾滴覆盖密度方差分析结果见表3。

由表3可以看出：7个处理中核桃树不同冠层雾滴覆盖密度分布为上层>中层>下层，8个处理中核桃树冠层的雾滴覆盖密度分布为外围>内膛;其中处理9的叶片平均雾滴覆盖密度最高，为37.94个/cm2，与处理1、处理2、处理3、处理4、处理5、处理6和处理7有显著性差异，但均匀性较差;因此，通过叶片雾滴覆盖密度分析可以初步确定处理9植保无人机喷雾效果最好。

2.2.2 沉积量及穿透性分析

对9个处理不同方位叶片沉积量方差分析及变异系数分析结果见表4。

由表4可以看出：在9个处理中，7个处理核桃树不同冠层沉积量分布为上层>中层>下层，8个处理沉积量分布为外围>内膛;其中处理7核桃树平均沉积量最高，为0.29 μg/cm2，与处理1、处理5和处理8有显著差异，其次是处理9和处理4，均为0.24 μg/cm2;处理9的变异系数最低，为8.86%，表明其喷雾穿透性最好。因此，通过叶片沉积量分析处理7喷雾效果较好。

综合雾滴覆盖密度和沉积量分析以及分析参数（表1）可知，在核桃园中植保无人机喷雾效果较好的飞行参数是飞行速度为快速（2.2～3.0 m/s），飞行高度为中、高等水平（2.0～2.5 m），施药液量为中低水平（22.5～30.0 L/hm2）。

2.2.3 雾滴覆盖密度和沉积量边际均值估算

对正交试验数据进行分析，获得不同因素不同水平不同方位叶片雾滴覆盖密度和沉积量估算边际均值（表5）。

由表5可以看出：在飞行速度为高水平下，核桃树不同方位雾滴覆盖密度的估算边际均值为最大，显著高于低飞行速度的雾滴覆盖密度估算边际均值;不同方位（内膛除外）的沉积量估算边际均值也是最大，其中在下层的沉积量估算边际均值显著高于低速水平下的沉积量估算边际均值。由此可知植保无人机高速飞行速度有利于雾滴的附着和沉积。

飞行高度在中等水平下（距树顶2.0 m）不同方位雾滴覆盖密度的估算边际均值均为最大，但未达到显著水平;在下层、内膛以及全株平均沉积量的估算边际均值也是最大，部分方位显著高于其他水平。由此可知植保无人机在核桃园作业过程中用飞行高度在中等水平（2.0 m）有利于不同方位雾滴的附着和沉积。

施药液量在低水平（22.5 L/hm2）下不同方位（除上层外）的雾滴覆盖密度的估算边际均值最大，部分方位与其他水平存在显著差异;而施药液量在中等水平（30.0 L/hm2）下不同方位沉积量的估算边际均值最大，部分方位显著高于其他水平。由此可知植保无人机在核桃园作业过程中用药液喷洒药量在中、低水平（22.5～30.0 L/hm2）下有利于不同方位雾滴的附着和沉积。

综上所述，植保无人机在核桃园中的最佳飞行参数是：飞行速度为2.2～3.0 m/s，飞行高度为2.0 m，施药液量为22.5～30.0 L/hm2。

2.3 最佳喷头筛选

对各处理的雾滴覆盖密度、体积中值直径（DV0.5）和沉积量的方差分析结果见表6。

由表6可以看出：细喷头（Teejet11001）在核桃树不同方位雾滴覆盖密度最大，其中下层和全株平均雾滴覆盖密度显著大于粗喷头（Teejet11002）的雾滴覆盖密度;粗喷头雾滴的DV0.5在核桃树不同方位均最大，在上层、外围和全树平均显著大于细喷头的DV0.5;中等喷头（Teejet110015）在核桃树不同方位的沉积量最大，但与其他处理未达到显著性差异。由此可知，中等喷头（Teejet110015）的雾滴覆盖密度和雾滴直径中等，但沉积量最大，应是植保无人机核桃园中作业时的最优选择。

2.4 农药地面流失率

对无人机喷雾和地面人工+机动喷杆喷雾的地表沉积量和农药地面流失率计算和分析结果见表7。由表7可以看出：无人机喷雾的地面沉积量平均为0.16 μg/cm2，地面人工+机动喷杆喷雾为1.07 μg/cm2，二者之间具有极显著差异（P<0.01）;无人机喷雾的农药地面流失率平均为3.61%，地面人工喷雾为23.69%，二者之间具有极显著差异（P<0.01）。由此可知，植保无人机与地面人工喷雾相比可显著降低农药的地面流失。

3 结论与讨论

通过对多旋翼植保无人机在核桃园进行喷雾作业进行研究，结果表明：在中等树体大小核桃园（树高6～7 m），影响雾滴覆盖密度和沉积量的主要因素是飞行速度，其次是飞行高度、施药液量;植保无人机的最佳作业参数是施药液量22.5～30.0 L/hm2、飞行高度2.0～2.5 m、飞行速度2.2～3.0 m/s;不同核桃冠层雾滴覆蓋密度和沉积量分布为上层>中层>下层，外围>内膛;喷嘴型号对雾滴覆盖密度和粒径有显著影响，中等喷头（Teejet110015）处理沉积量最大;植保无人机低空低容量喷雾与地面人工+机动喷杆喷雾相比可显著降低农药地面流失。影响航空喷施效果的因素有很多，机型、喷嘴型号、环境、作业高度、作业速度等对雾滴在作物表面的沉积均有影响[16-17]。陈盛德、万品俊等研究表明，影响植保无人机雾滴沉积分布的主要因素是飞行速度，其次是作业高度、喷头流量[13，18]，此结果与本研究结果基本一致。本文仅研究了中等树体大小核桃园植保无人机作业技术参数，植保无人机在其他树体大小核桃园作业时可参考本文研究结果，根据实际情况选择合适的飞行速度和施药液量等参数。

植保无人机防治玉米螟时，雾滴覆盖密度为（25.5±4.9）个/cm2时，防治效果为（83.3±5.1）%[19];在麦田防治吸浆虫时，上部雾滴覆盖密度为7.1～20.3个/cm2、中部为4.3～7.7个/cm2，下部为0.8～6.3个/cm2，防治效果达81.6%[20];在防治棉花蚜虫时，上、中、下部的雾滴覆盖密度分别为19.8、30.7个/cm2和15.5个/cm2，防治效果在96.3%以上[8]。Alm等研究指出，雾滴粒径为200 μm、雾滴覆盖密度18个/cm2 时，二斑叶螨死亡率为80%[21]。在本研究中处理9（飞行速度为3.0 m/s、飞行高度为2.0 m，施药液量为22.5 L/hm2）在不同方位的平均雾滴覆盖密度分别为24.67～58.29个/cm2，全株平均为37.94个/cm2。因此，推测在本文研究筛选的飞行参数下防治核桃黑斑蚜等害虫的防治效果应在80%以上，但具体的防治效果还需进一步研究和验证。

选择合适的喷头也有利于植保无人机喷施的高效作业。细喷头的雾滴覆盖密度较大，但易受风速、风向、气温、湿度等因素影响，尤其是风速、风向的影响较大，随着风速的加大，喷雾蒸发速度加快，且雾滴更细小，更容易产生漂移[22]。根据本研究结果，中等喷头（Teejet110015）的雾滴覆盖密度（16.520 个/cm2）和雾滴中直径（258.406 μm）中等，且沉积量最大;并结合新疆特殊的高温干旱气候条件，为达到更好的喷雾作业效果，中等喷头（Teejet110015）为最佳选择类型。

开发航空喷雾雾滴蒸发抑制剂是改进农业航空喷雾效果的重要手段[23]。在无人机喷施过程中添加助剂可以提高农药利用率，减少农药使用量[24]。赵冰海等研究表明：加入总药液量1.5%的飞防助剂能增加对棉蚜的防治效果，并能减少30%的农药用量[8]。植保无人机在防治玉米锈病时添加助剂后，在减量30%时达到正常用药量防治效果[25]。为避免植保无人机在喷施核桃树过程中的雾滴飘失和蒸发的问题，加入适量的助剂有利于提高喷施作业的效果，对不同助剂的作用效果有待进一步探究。

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（责任编辑：田 喆）