植保无人飞机对4种棉花喷施脱叶催熟剂的效果研究

蒙艳华，王美美，胡红岩，梁自静，兰玉彬

(1 安阳工学院，河南 安阳 455000； 2 农业农村部航空植保重点实验室，河南 安阳 455000； 3 中国农业科学院棉花研究所，河南 安阳 455000； 4 华南农业大学 电子工程学院/人工智能学院/国家精准农业航空施药技术国际联合研究中心，广东 广州 510642)

作为一种重要的经济作物，棉花在全球多个国家广泛种植[1-2]。据国家统计局公布的相关数据，2017—2019年我国棉花种植面积为3.229 6×106～3.352 3×106hm2，在新疆的种植面积约为1.963 1×106～2.540 5×106hm2。棉花机械化采收前，需要喷施脱叶催熟剂，使棉花叶片脱叶、棉桃集中成熟；同时，为了减少含杂率，提高棉花的品质，机采棉采收时，要求棉花的脱叶率≥90%，吐絮率≥95%[3-4]。在棉花采收前，传统上通常采用大型地面机械来喷施棉花脱叶催熟剂[5]。在新疆地区，棉花通常高密度种植，种植密度为13.5 ～24.0 万株·hm−2[6]。在棉花生长后期，棉花叶片交叉遮挡严重，棉田非常郁闭，行间已经被枝条和叶片全部覆盖[7]。使用拖拉机喷施脱叶催熟剂时，部分棉桃和枝条被碾压或刮掉，造成产量损失[8]。

因具有操作简单、效率高、喷洒均匀、雾化效果好、环保等优点[9]，植保无人飞机在大田作物如玉米、小麦和水稻上的植保作业已经得到了广泛的应用[10-11]。植保无人飞机喷施棉花脱叶催熟剂的相关研究也有开展[12-14]。这些研究主要围绕影响植保无人飞机作业效果的因素展开，如施药液量[8, 12-13]、药剂种类及使用量[13-14]、飞行高度[15]、施药器械种类[16]等。

不同棉花品种的生长特性差异很大，在同一种种植模式、同一喷雾参数下，植保无人飞机对不同的棉花品种喷施相同脱叶催熟剂，对其后期的脱叶率和吐絮率会造成什么样的影响？本文针对这个问题，通过使用植保无人飞机和人工喷雾喷施相同剂量的脱叶催熟剂，研究无人飞机喷雾雾滴在4种棉花品种上的沉积分布，比较分析不同品种棉花的脱叶率、吐絮率、棉花纤维品质、铃质量和衣分等差异，明确植保无人飞机对不同棉花品种喷施脱叶催熟效果的影响。

1 材料与方法

1.1 棉花品种及试验地情况

试验地设在新疆维吾尔族自治区石河子市北泉镇 (44°38′N，85°98′E)，试验棉田地势平坦，土壤一致，棉花长势均匀，土壤肥力、栽培及施肥管理水平一致，符合当地的农业实践。

供试棉花为‘金棉 18#’、‘北泉 9#’、‘植金 13#’和‘合信 47#’。供试棉花品种基本信息见表1。4种棉花播种均按照机采棉的采收要求进行，宽窄行行距分别为66、10 cm。4种棉花的种植密度均为19.5 万株·hm−2。

表 1 供试棉花品种的基本信息Table 1 Basic information of tested cotton cultivars

1.2 供试药械

供试人工喷雾施药器械为新秀3WBS-D-16B背负式电动喷雾器，郑州新秀农用机械有限公司生产，药箱容量为16 L。

供试植保无人飞机为3WQFTX-10电动四轴植保无人飞机，由安阳全丰航空植保科技股份有限公司生产并提供。该无人飞机具有4个喷头，分别垂直安置在直径为670 mm的4个旋翼的正下方；喷药时作业高度距离作物冠层0.5～3.0 m，在该高度范围内，有效喷幅为3～4 m；作业速度为2～6 m·s−1；药箱容量为10 L。

1.3 供试药剂

540 g·L−1“脱吐隆”悬浮剂 (有效成分为360 g·L−1噻苯隆+180 g·L−1敌草隆)，江苏辉丰生物农业股份有限公司生产，制剂使用量为180 mL·hm−2；280 g·L−1伴宝 (烷基乙基磺酸盐可溶液剂)，拜耳作物科学(中国)有限公司生产，制剂使用量为900 mL·hm−2；40%(w)乙烯利水剂，河北神华药业有限公司生产，制剂使用量为1 050 mL·hm−2。

1.4 试验气象条件

试验时，采用美国NK手持综合气象站Kestrel 5500 Link(美国)进行温度、湿度、风速等气象数据的测量。棉花脱叶催熟剂喷施试验分别于2018年9月 6日 (第 1次施药)和 2018年 9月14日 (第2次施药)开展。第1次施药时温度为(26.5 ±1.1)℃，相对湿度为(30.4 ± 1.5)%，风速为(1.9 ±0.8)m·s−1；第二次施药时温度为(22.7 ± 1.3)℃，相对湿度为(34.6 ± 2.1)%，风速为(1.6 ± 0.9)m·s−1。

1.5 试验设计

本研究试验内容包含3个部分：4种棉花不同部位冠层中雾滴覆盖率检测、脱叶及吐絮效果调查和棉花产量因子(铃质量、衣分)及纤维品质检测。每个棉花品种为1个处理，每个处理均重复3次，1次重复为1个试验小区(图1)。

图 1 试验小区和采样点位置示意图Fig.1 The layout of sampling point in tested zone

试验小区长 100 m，宽 18 m (6 个植保无人飞机的喷幅，作业高度距离冠层2 m时，试验无人飞机的喷幅为3 m)。植保无人飞机飞行速度 4 m·s−1，施药液量为22.5 L·hm−2。每个棉花品种均设置 1 个人工喷雾处理作为对照，处理面积均为360 m2(宽18 m，长 20 m)，施药液量为450 L·hm−2。

1.5.1 雾滴沉积分布测试 在无人飞机喷施处理中，设置15个雾滴采样点，采样点的位置见图1。在每个采样点使用水敏纸 (25 mm × 75 mm)收集雾滴。用曲别针将水敏纸别在棉花上部叶片、中部叶片和下部叶片上。由于4种棉花的株高有差异，冠层下部的水敏纸放置于距离地面30 cm的叶片上，中部冠层的水敏纸放置在距离地面50 cm的叶片上，上部冠层的水敏纸放置在最上层且无遮挡的叶片上，棉花冠层的水敏纸布置如图2所示。

图 2 棉花冠层的水敏纸布置图Fig.2 The position of WSP cards in cotton canopy

1.5.2 脱叶和吐絮效果调查 根据农药田间药效准则[17]，第1次施药前，在试验区内随机选取五点进行采样调查。在每个取样点，随机选择10株棉花进行标记，标记好后于施药前开展叶片总数、棉桃总铃数和棉桃吐絮数的调查。在第1次脱叶剂喷施后4、7、14和21 d分别调查各处理的脱叶率和吐絮率。

脱叶率(DR)的计算公式如下：

式中，NT为药前总绿色叶片数，NA为药后残留绿色叶片数。

吐絮率(BR)的计算公式如下：

式中，NOB和NTB分 别为药后吐絮铃数和总铃数。

1.5.3 棉花产量因子和纤维品质检测 最后一次吐絮率和脱叶率调查时，采集吐絮棉花样品检测纤维品质和产量主要构成因子(铃质量和衣分)。采集样品时，对各处理区进行棉花样品采收。在每个采样点周围棉株的上、中、下部共采收25个吐絮棉铃，晾干至籽棉含水率(w)低于12%时进行室内考种和轧花，计算铃质量、衣分等产量指标。从这些样品中称取100 g皮棉样品送至农业农村部棉花品质监督检验测试中心(安阳)进行纤维品质检测。

1.6 数据处理

试验结束后收集水敏纸，采用扫描仪进行扫描，并通过雾滴分析软件DespositScan对数据进行分析整理，计算不同处理的雾滴覆盖率。

采用SPSS16.0软件对各处理数据进行统计分析，采用邓肯氏新复极差法分析各处理间的差异显著性，评价植保无人飞机和人工喷雾施药对棉花脱叶、催熟效果及棉花产量主要因子(铃质量、衣分)和品质指标的影响。

2 结果与分析

2.1 雾滴沉积分布特点

如图3所示，植保无人飞机施药后雾滴在4种棉花上的沉积分布特点类似，均呈现出上部雾滴覆盖率显著高于中部和下部冠层的雾滴覆盖率，中部和下部雾滴覆盖率无显著性差异的特点。

图 3 不同棉花冠层部位的雾滴覆盖率Fig.3 Droplet coverage rates of different canopy layers in four cotton cultivars

植保无人飞机使用同一喷雾参数喷洒药剂后，雾滴在4种棉花上部冠层的分布有些许不同，‘植金13#’的雾滴覆盖率最高，为6.37%，但与‘合信47#’(6.11%)、‘金棉 18#’(5.94%)及‘北泉 9#’(5.85%)在统计学上均无显著差异。

4种棉花中，雾滴在中部冠层和下部冠层中的沉积规律与上部冠层类似，但雾滴在中下部冠层的覆盖率显著低于上部冠层。雾滴在中部冠层的最高雾滴覆盖率仅为1.87%(‘合信47#’)，在下部冠层的最高雾滴覆盖率仅为0.84%(‘植金13#’)。雾滴覆盖率结果表明，药液在中下部冠层的沉积分布效果较差。由于大部分棉花脱叶催熟剂的作用机理为接触式起效模式[13]，植保无人飞机通过1次施药很难使棉花的脱叶率和吐絮率达到采收标准。因此，本试验结合雾滴沉积分布情况，在第1次施药后7 d，进行了第2次脱叶催熟剂的喷施，以保证脱叶率和吐絮率符合机采棉采收标准。

对4种棉花在不同冠层的雾滴覆盖率取平均值，发现雾滴在4个棉花品种中总的平均覆盖率均小于3%，‘植金13#’的最高，为2.97%，但与‘合信47#’(2.90%)、‘金棉18#’(2.62%)和‘北泉9#’(2.55%)均差异不显著(图4)。雾滴覆盖率在4种棉花品种冠层中的变异系数均非常高，‘金棉18#’的变异系数达到了106.87%，‘北泉9#’、‘植金13#’和‘合信47#’的变异系数分别为98.82%、89.23%和87.93%。雾滴沉积变异系数高说明，雾滴在冠层不同部位沉积分布的差异很大。棉花是高密度种植作物，雾滴从上部往下落时，由于上部冠层的叶片互相重叠情况严重，盖住了中下部叶片，使中下部冠层雾滴的覆盖率较少。‘金棉18#’的变异系数最高，可能是其株高比其他3种棉花高出将近10 cm造成的，在同等种植密度条件下，株高越高的棉花，其中下部冠层能接收到的雾滴沉积越少。

图 4 4种棉花品种冠层雾滴总覆盖率Fig.4 Total droplet coverage rates for canopies of four cotton cultivars

2.2 脱叶效果

如图5所示，不管是使用植保无人飞机喷施，还是使用人工喷施，4种棉花品种的脱叶率均随着时间推移而逐渐升高，且大部分调查日，植保无人飞机处理的脱叶率与人工喷雾处理的无显著性差异。

图 5 喷药后不同调查时间4种棉花品种的脱叶率Fig.5 Defoliation rates of four cotton cultivars at different investigation time after application

药后4 d，在药剂的作用下，棉花叶柄基部形成离层[18-19]，约35%的叶片用手一碰就开始脱落，药后7 d，棉花叶片已经进入自然脱落阶段。药后7 d，‘合信47#’的人工喷雾处理脱叶率为61.71%，比植保无人飞机处理高出约6%，差异显著；‘北泉9#’人工喷雾处理的脱叶率为70.73%，比植保无人飞机处理的脱叶率高出约7%，差异显著；‘金棉18#’和‘植金13#’的人工喷雾处理和植保无人飞机处理的脱叶率相差较小。对于同一个棉花品种，2种施药器械处理脱叶率的差异可能是由于施药器械的喷雾特性不一样造成的。对于‘合信47#’和‘北泉9#’这2种棉花品种，大容量喷雾(人工喷雾处理)使叶片更充分接触到脱叶催熟剂，因此在药后7 d，人工喷雾处理自然脱落的叶片数量比植保无人飞机处理的多出约6%～7%。而‘金棉18#’和‘植金13#’对2种施药器械的施药特性的敏感程度可能比较低，因而药后7 d，2种喷雾处理脱叶率无显著差异。

由于‘合信47#’和‘北泉9#’药后7 d时2种施药处理的脱叶率具有明显差异，因此在药后10 d(第 2次药后 3 d)，分别对这 2个品种的脱叶率展开进一步调查。调查结果表明，药后10 d，‘合信47#’的人工喷雾和植保无人飞机处理的脱叶率分别为74.82%和75.01%，无显著性差异。而‘北泉9#’的人工喷雾处理的脱叶率(76.64%)显著高于植保无人飞机处理的(73.22%)。

药后14 d，除‘北泉9#’的人工喷雾处理的脱叶率(89.10%)和植保无人飞机处理的(85.54%)有显著差异外，其余品种2种施药处理的脱叶率均无显著差异。药后21 d，2种施药器械对于4个棉花品种的脱叶率均不具有显著性影响。4个棉花品种的脱叶率均在95%以上，满足机采棉对脱叶率的要求。

不同施药器械的喷雾特点不一样，因此雾滴在冠层中的沉积分布不一样。雾滴的沉积分布影响农药效力的发挥，进而影响最后的效果。作物的株高和株型影响植株冠层的结构分布[20]，而植株的冠层结构分布影响雾滴在冠层中的分布[21-22]。4种棉花品种脱叶率的差异除了和2种施药喷雾特点有关外，还与棉花品种的株高株型差异有关。从本试验研究结果可分析出，在施药器械及喷雾参数一致的情况下，品种之间的株高和株型不同导致了脱叶率之间的差异。另外，不同品种的成熟度之间存在差异[23]，叶片的成熟程度也可能导致脱叶率的差异。

2.3 吐絮效果

如图6所示，使用植保无人飞机和人工喷雾喷施脱叶催熟剂后，4种棉花品种的吐絮率均随着时间的推移而升高。

图 6 喷药后不同调查时间4种棉花品种的吐絮率Fig.6 Boll opening rate of four cotton cultivars at different investigation time after application

药后4 d，4种棉花的吐絮率为41%～45%，‘合信47#’和‘金棉18#’的人工喷雾处理的吐絮率均比植保无人飞机处理的高，其中‘合信47#’高约4%，‘金棉18#’高约2%；而‘北泉9#’和‘植金13#’的植保无人飞机处理的吐絮率比人工喷雾处理的吐絮率高，其中‘北泉9#’高约2%，‘植金13#’高约4%。

药后7 d，‘合信47#’的植保无人飞机处理的吐絮率为74.28%，而人工喷雾处理的吐絮率比无人飞机处理的低，为71.71%；‘北泉9#’人工喷雾处理的吐絮率(71.73%)比植保无人飞机的吐絮率高出了约7%；‘金棉18#’人工喷雾处理的吐絮率(69.71%)略高于植保无人飞机处理的吐絮率(68.54%)；‘植金13#’的2种施药器械处理的吐絮率依然为植保无人飞机处理的吐絮率(66.44%)高于人工喷雾处理的吐絮率(65.96%)，但是2种施药器械处理吐絮率的差距比药后4 d的小。

药后 14 d(第 2 次施药后 7 d)，4 种棉花品种的吐絮率均已经超过80%。具体分析每个品种2种施药处理的吐絮率发现，2种施药处理的吐絮率表现出与药后7 d一样的规律，即药后7 d时，植保无人飞机处理吐絮率高的，药后14 d该处理的吐絮率依然高，反之，则低。

药后 21 d(第 2 次施药后 14 d)，每一种棉花品种2种施药器械处理的吐絮率高低表现出与药后7、14 d 类似的规律。药后 21 d，除了‘合信 47#’的人工喷雾处理的吐絮率(93.49%)低于95%，其余处理4种棉花的吐絮率均超过95%，达到了机采棉对吐絮率的要求。‘合信47#’人工喷雾处理的吐絮率低于机采棉采收标准，可能是由人工处理的喷雾不均匀造成的。人工喷雾处理由人工背负喷雾，人的身高、行走速度及喷杆的喷雾速度等均有可能影响喷雾的均匀性。虽然2次施药的人员一样，但第1次施药和第2次施药时，棉田的行走环境已经发生改变。第1次施药时，棉花叶片尚未脱落，棉田郁闭，人行走比较困难。而第2次施药，约60%～70%的叶片已经脱落，人在棉田里面行走较之前容易。

从上述4种棉花吐絮率的结果看，植保无人飞机采用高浓度低容量喷施棉花脱叶催熟剂后，植保无人飞机处理的吐絮率与人工喷雾处理低浓度大容量喷施后的吐絮率存在差异，但差异不显著。这些差异的存在，可能是由于2种施药处理的喷雾特点不一样造成的，喷雾均匀性、雾滴穿透性和雾滴覆盖率等的不同，都可能导致药效发挥的不一样[24-25]。此外，不同棉花品种的棉桃成熟时间不一样，喷施催熟剂后，棉桃的吐絮率也可能会出现差异。

2.4 棉花产量因子和纤维品质

如表2所示，在同一棉花品种中，不管是植保无人飞机还是人工喷雾，其纤维长度、整齐度指数、断裂比强度、马克隆值和伸长率等均无显著差异。同一棉花品种中，产量构成因子单铃质量、衣分等也不受施药器械的影响。结果说明植保无人飞机低容量高浓度施药不会对棉花的纤维品质和产量因子(铃质量和衣分)造成负面影响，因此，可应用于实际生产中。

表 2 不同施药处理下4种棉花的纤维品质和产量构成因子1)Table 2 The fiber quality and lint cotton yield components of four cotton cultivars under different spraying treatments

3 结论

使用植保无人飞机和人工背负式喷雾器对4种棉花品种喷施脱叶催熟剂，通过研究雾滴覆盖率、脱叶率、吐絮率、棉花纤维品质和产量构成因子(铃质量、衣分)，分析相关结果后得出以下结论：

植保无人飞机喷施后，雾滴覆盖率在4种棉花品种均呈现出上部冠层>中部冠层>下部冠层的现象，且上部冠层雾滴覆盖率均显著高于中部和下部冠层。雾滴在冠层中的沉积分布与植株的株型、叶面积指数等有很大关系。在种植密度一样的情况下，不同棉花品种的株高不同，其雾滴在冠层不同部位的沉积特点也不一样，株高越高，中下部的雾滴覆盖率越少。本研究中，‘金棉18#’的株高比其他3个品种约高出10 cm，其下部的雾滴覆盖率比其他3个品种的中下部的覆盖率低。

4种棉花品种的植保无人飞机处理和人工喷雾处理的脱叶率和吐絮率均随着时间的推移而逐渐升高。在药后不同时间点调查发现，2种施药器械处理的脱叶率和吐絮率有差异，导致这些差异的原因和施药器械的喷雾特点有关。人工喷雾处理喷雾质量的稳定性受到施药者和田间行走环境的影响，而植保无人飞机使用全自主飞行模式，其喷雾稳定性不受田间环境和操作者的影响。施药后21 d，除了‘合信47#’人工喷雾处理的吐絮率没有达到机采棉的要求外，其余处理的脱叶率和吐絮率均在95%以上，达到了机采棉的采收要求。

4种棉花的纤维品质和主要产量构成因子(铃质量、衣分)不受施药器械的影响。使用植保无人飞机喷施对棉花的纤维品质和产量构成因子(铃质量、衣分)无不利影响。

总之，使用植保无人飞机对不同棉花品种喷施脱叶催熟剂，可以满足机采棉对脱叶率和吐絮率的要求，且不会对棉花纤维品质和产量构成因子(铃质量、衣分)造成不良影响。因此，植保无人飞机可作为棉花采收前喷施脱叶催熟剂的施药器械。