单旋翼植保无人飞机小麦返青期施药作业参数优选

孙 涛,薛新宇,张宋超,金永奎,田志伟

(农业农村部南京农业机械化研究所,南京 210014)

0 引言

机械化植保是确保我国病虫害有效防控的必要支撑,传统的背负式手动喷雾器存在作业效率低、成本高,特殊农田条件行走难等问题,难以满足现代农业高速发展的要求,而植保无人飞机的出现有效地缓解了落后的施药器械、技术与日益增大的植保作业压力之间的矛盾[1-3]。相较于传统的背负式手动喷雾器,植保无人飞机具有应对突发灾害能力强、不受作物长势及作业场地限制等优势,适合于各种地形的作物病虫害防治;同时,采用低量高浓度的喷雾方式,可以大幅降低农药及水的使用量,符合“农药减施增效,农业绿色发展”的要求。但是,伴随着植保无人飞机产业的井喷式发展,一些弊端也逐渐开始显露,主要集中在施药作业参数与实际需求的不匹配上,部分飞防施药服务者为了片面地追求作业效率及利益,忽视了合适的作业参数的重要性,在作业过程中采用过高、过快的速度,不仅不能起到良好的病虫害防治效果,还会造成农药的浪费与飘移,给植保无人飞机飞防产业发展造成了很大的负面影响[4-8]。

随着植保无人飞机在作物施药作业中的广泛应用,国内众多科研院所针对植保无人飞机飞行作业参数与作业质量及病虫草害防效之间的关系进行了大量的研究。邱白晶等[9]采用二因素三水平试验方法探究了无人直升机喷雾沉积浓度、均匀性与作业高度、速度及两因素间的交互作用的关系,并建立了沉积浓度、沉积均匀性、作业速度和高度之间的关系模型,用于指导实际作业。陈盛德等[10-11]研究了HY-B-10L型无人机不同喷雾作业参数对水稻冠层的雾滴沉积分布的影响,证明了作业速度和作业高度对于雾滴的沉积量影响显著。秦维彩等[12-13]分别就无人直升机喷雾参数对玉米冠层雾滴沉积分布的影响和多旋翼无人机施药参数(作业速度、作业高度和喷头流量)对雾滴沉积分布的影响开展了研究。蒙艳华等[14]以 3WQF120-12 型单旋翼油动植保无人机为研究对象,采用正交试验设计,对无人机防治小麦蚜虫的主要作业参数(作业高度、作业速度和喷施流量)进行优选。上述研究涉及的主要喷雾参数有植保无人飞机作业高度、作业速度及喷施流量。

伴随着病虫害的发生,作物本身也在生长,其自身的特性也在发生变化,如果能够针对不同的施药目标调整喷雾方案,根据害虫的生理习性和植物的病理特点选用适当的喷雾设施确定各种喷雾参数,则可以大大地提高农药的作用效率[15]。本文以返青期的小麦为研究对象,采用CE20型单旋翼植保无人飞机,设计了3个因素(作业高度、作业速度、喷施流量)的试验。同时,结合我国首个植保无人飞机行业标准《植保无人飞机质量评价技术规范NY/T3212-2018》,通过试验优选出该植保无人飞机在小麦返青期的最佳参数,以期为应用同类型药械防治同期小麦病虫害提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地点

试验于江苏省泗洪农业示范区进行,种植小麦品种为迁麦33,播种方式为机条播,种植密度约为300株/m2。2019年3月11日开展试验,小麦处于返青期,平均株高15cm。

1.2 试验装备和材料

试验采用无锡汉和航空技术有限公司生产的CE20型电动单旋翼植保无人飞机,常规使用喷头型号为Teejet XR110025,企业明示作业喷幅值为6m。该植保无人飞机经过测试,在作业速度为5m/s、作业高度为2m时,其水平偏航距标准差为0.18m,高度标准差为0.169m,速度标准差为0.104m/s,均符合《植保无人飞机质量评价技术规范NY/T3212-2018》要求[16],作业性能稳定。试验中,田间的气象数据采集装置主要为FYF-1型手持式风速风向仪以及试验用数字温湿度表。手持式风速风向仪用于对试验时的田间风速、风向进行实时的监测与记录,风速测量精度为±0.3m/s,风向测量精度为±1方位;温湿度表用于测量试验环境的实时温度与湿度。田间采样装置主要包括纸卡、万向夹及塑料定位杆。

喷雾试剂采用诱惑红试剂,现场配制成质量分数为 5‰的水溶液代替液体农药进行喷施试验,采用普通纸卡作为雾滴采集卡,纸卡尺寸为90mm×90mm。

1.3 试验方法

1.3.1 采样点布置

采样点沿植保无人飞机预设航线的垂直方向布置,共平行布置3行,行间距为10m。第一排采样点距离飞机起飞位置30m,以确保飞机经过采样点时作业速度、作业高度及喷头喷洒稳定。中心采样点位于航线上,左右对称各布置10个采样点,一排共计21个,依次编号为1～21,中心采样点为11,10-11-12间距为1m,9-10、12-13间距为0.5m,其余采样点布置间距为0.25m,总宽度为7m,大于CE20植保无人飞机有效喷幅的企业明示值6m。飞机在飞过第三行采样点30m后停止喷洒并返航。田间采样点布置如图1所示。将纸卡通过万向夹夹在塑料定位杆上,定位杆插入地面,调整纸卡的位置与小麦叶片冠层保持高度一致,布置如图1所示。

图1 田间采样点布置

1.3.2 试验方案设计

为了优选出能够保证小麦返青期施药作业质量的植保无人飞机作业参数,在作业参数设计时,结合植保无人飞机实际作业,将作业速度设为3、4、5m/s3个水平,作业高度设为距离雾滴采集面高1.5、2、2.5m3个水平,喷头流量通过调整压力来实现,喷头压力设为0.2、0.3MPa,对应的喷头流量为1.6L/min和2L/min两个水平。各处理具体参数如表1所示。

表1 各处理具体参数

利用手持式风速仪监测并记录每次处理飞行喷洒过程中的平均风速,利用温湿度仪记录整个试验过程中温度与湿度。

1.3.3 试验处理

试验开始前对纸卡进行编号,前两位为对应的处理编号(A1～A9,B1～B9),第三位为对应的采样行编号(1～3),后两位为对应的采样点编号(01～21)。每次试验完成后,待采集卡上的雾滴充分干燥后,按照采样点顺序收集雾滴采集卡,并放入对应的密封袋中,带回实验室进行数据处理。

将收集的雾滴采集卡用扫描仪进行扫描,扫描的分辨率不低于600dpi,完成扫描后的图像通过DropletScan软件进行分析,得出在不同作业参数下的雾滴的覆盖密度(个/cm2)与覆盖率(%)。

植保无人飞机作业喷幅判定方法根据《植保无人飞机质量评价技术规范NY/T3212-2018》规定：从采样区两端逐个测点进行检查,两端首个单位面积雾滴数不小于15个/cm2的测点作为作业喷幅的两个边界,作业喷幅边界间的距离为作业喷幅,取3行采样卡测得数据的平均值。

采用作业喷幅内各采样点的采样卡雾滴覆盖率的变异系数CV来衡量各处理试验中作业喷幅内的雾滴覆盖均匀性,计算公式为

2 结果与分析

2.1 试验结果

试验时风速为0.8～1.9m/s,平均气温为12℃,平均相对湿度为65%,符合植保无人飞机作业气象要求。按照试验数据处理要求,对各个采样点的数据进行了数据处理与统计,对各组作业参数下的作业喷幅与作业喷幅内的雾滴覆盖率变异系数进行了计算,详细数据如表2所示。

表2 各处理作业喷幅与作业喷幅内覆盖率变异系数

2.2 不同作业参数下的作业喷幅

根据《植保无人飞机质量评价技术规范NY/T3212-2018》所测得的CE20型植保无人飞机作业幅在不同作业参数下的差异性较大,对作业速度、作业高度、喷施流量与作业喷幅进行回归分析,结果如表3所示。

表3 作业喷幅回归分析结果

对于作业喷幅而言,由表3分析结果可知：作业速度对应的p-value=0.000 05<0.01,可认为作业速度对于作业喷幅的影响极显著。在同一喷头流量与作业高度下,当作业速度为5m/s时的作业喷幅明显小于作业速度为4m/s和3m/s时的作业喷幅,如图2所示。作业速度过高时,雾滴迎风风速过大,加大了雾滴的飘移,同时在扫过同样的面积时,作业速度高,需要的时间更短,单位面积上沉积的药液量更少,从而造成了作业喷幅的缩短。

图2 同一喷头流量、高度下下作业喷幅对比

喷施流量对应的p-value=0.027<0.05,因此可认为喷施流量对作业喷幅有显著影响。同一作业速度与高度下,喷头总流量为2L/min时的作业喷幅均大于喷头总流量为1.6L/min时的作业喷幅,如图3所示。随着喷头流量的变大,单位喷洒面积内的雾滴沉积量变大,雾滴个数随之变多,相应的作业喷幅边界点相对于小流量会更宽,从而引起作业喷幅的变大。

图3 同一作业高度、速度下作业喷幅对比

在同一喷头流量与作业速度下,总体上作业高度2m时的作业喷幅大于作业高度为2.5m和1.5m时的作业喷幅,如图4所示。作业高度过高,雾滴从喷头降至靶标叶面需要更多时间,增加了飘移的概率;作业高度过低时,雾滴运动时间较短,雾滴难以均匀铺展开,从而引起作业喷幅的缩短。

图4 同一喷头流量、速度下作业喷幅对比

2.3 作业喷幅内覆盖率变异系数

A1～A3这3组数据由于作业喷幅实测值较小,作业喷幅内的采样点少,因此覆盖率变异系数相对于其他组显著降低,因此在研究作业速度、作业高度、喷施流量对作业喷幅内覆盖率变异系数的影响时,对这3组不予以计算分析,其余组数据回归分析结果如表4所示。

表4 作业喷幅内覆盖率变异系数回归分析结果

对于作业喷幅雾滴覆盖率变异系数而言,作业高度对应的p-value=0.02<0.05,因此可认为作业高度对作业喷幅内覆盖率变异系数的影响显著。总体上,在同一作业速度与喷头流量下,随着作业高度的升高,作业喷幅内覆盖率变异系数呈增大趋势,如图5所示。作业高度越高,雾滴在空中的运动时间越长,飘移的可能性越大,因此在靶标面上的覆盖率差异性相对于较低的作业高度更大,变异系数也更大。

图5 同一喷头流量、速度下覆盖率变异系数对比

喷施流量对应的p-value=0.03<0.05,因此可认为喷施流量对作业喷幅内覆盖率变异系数的影响显著。如图6所示：总体上在同一作业高度与作业速度下,随着喷头流量的变大,雾滴总数变大,作业喷幅内的覆盖率变异系数呈降低的趋势。

图6 同一作业速度、高度下覆盖率变异系数对比

在这些处理中,A8、B5、B8、B9处理对应的作业喷幅均大于5m,作业喷幅内的覆盖率变异系数分别为30.7%、26.2%、24.8%、23.3%,均呈现出了较好的雾滴覆盖率均匀性。

2.4 作业效率与亩施药液量

由2.1与2.2分析结果可知：在A8、B5、B8、B9处理中,所测得的作业喷幅与作业喷幅内覆盖率变异系数相对于其他处理比较良好,这4组处理对应的作业效率与每公顷药液量如表5所示。

小麦返青期时,由于小麦株高较小,叶密度低,相较于小麦生长周期后期,雾滴更容易穿透至各层叶片上,因此在小麦返青期的作业,作业效率及雾滴覆盖率均匀性更为重要,因此较优的作业参数为作业高度2m、作业速度4m/s、喷头总流量2L/min,对应的作业效率为1380m2/min,每公顷施药液量为14.5L,作业喷幅内雾滴覆盖率变异系数为26.2%,雾滴覆盖率均匀性较好。

实际生产作业时,汉和CE20型电动单旋翼植保无人飞机可载药量为20L,在选用作业高度2m、作业速度4m/s、喷头总流量2L/min这一参数组合时,一个架次可以作业的持续喷洒时间约为10min,由于在实际飞行过程中,由于航线设置飞机在进行折返时需要进行减速与加速,实际单架次作业时间大于10min,平均单架次飞行时间按12min计算,其作业面积约为13 800m2,加上上架次之间起飞、降落、加药、更换电池等平均时间6min,1h可施药面积约为46 000m2,按照作业时间8h/d计算,该型植保无人飞机的日理论作业效率可达36.8hm2/d。

3 结论与讨论

1)作业速度与喷施流量对该型植保无人飞机的作业喷幅影响显著,作业高度和喷施流量对作业喷幅内雾滴覆盖率变异系数影响显著。在5m/s的作业速度下,植保无人飞机作业喷幅明显小于企业明示值,在作业进行航路规划时,如果依然按照明示值来进行航路规划,则会出现明显的漏喷现象,直接影响到整体的作业质量与防治效果。

2)在实际使用植保无人飞机作业时,应就常规使用的作业参数组合,进行实际作业喷幅的测定,同时计算在各种作业参数下对应的单位施药液量来进行实际药液浓度的配比,以达到更好的防治效果。该植保无人飞机在作业高度2m、作业速度4m/s、喷头总流量2L/min这一参数组合下,作业喷幅可达5.75m,作业喷幅内雾滴覆盖率变异系数为26.2%,对应的施药液量为14.5L/hm2,单日综合作业效率为36.8hm2/天。

3)小麦不同生育周期的长势及病虫害发生特性差异较大,返青期时小麦植株高度与叶密度较低,雾滴穿透相对于生长后期要更为容易。因此,筛选出的作业参数组合主要以作业效率与覆盖均匀性为主要考量因素,小麦后期病虫害防治参数选择在这两个因素上必须加入雾滴穿透性作为主要考量的因素之一,只有结合小麦的长势及对应防治病虫害的发生特性来制定喷洒参数才能保证植保作业的质量与防效。