柑桔园六旋翼油动无人机喷雾作业效果

黄俊源，陆成确，黄运鹏，王举兵，娄兵海，廖荣珍

(1 广西柑桔育种与栽培工程技术研究中心/广西特色作物研究院，广西桂林，541004；2 广西壮族自治区水果生产技术指导总站，南宁，530000)

柑桔产业是广西农业的主导产业之一，近年来广西柑桔产业发展势头迅猛。2018年广西柑桔面积38.82万hm2，占全国柑桔面积的16%，产量836.49万t，占全国柑桔产量的20.21%[1]。然而，由于劳力老龄化严重和喷药劳动强度大，导致管理粗放，果实品质、效益明显受限。因此，探索新技术用于缓解劳力不足，增强病虫害管理，提升效益，势在必行[2]。目前水稻、小麦、玉米已广泛使用植保无人机进行病虫害防治，而果树树体较大，枝叶层叠密度高，对无人机飞防作业效果有较大影响，“飞防”正处于起步阶段[3-5]。不同的飞行高度、速度、风力和喷头流量会影响药液在植株上的附着力和覆盖面积。笔者以六旋翼油动植保无人机为研究机型，对不同飞行速度和高度组合下柑桔植株不同部位的风力及叶片正反面雾滴沉积密度等进行测定，以期为植保无人机对柑桔类果树的精准航空作业提供参考，提高植保无人机在果园的作业质量，满足果树产业现代化需求。

1 材料与方法

1.1 供试区域与材料

供试区域为广西南宁市武鸣区锣圩镇广西水果技术指导站试验展示中心2区(东经23°23′3314″、北纬108°09′2401″)。该地块种植5年生普通沃柑植株，株行距为3 m×3.5 m，约为60株/667 m2，平均株高约2.8 m，平均冠幅约2.5 m。同时，地势平坦，上方无障碍物，能保证飞行参数保持稳定，符合试验要求。

1.2 试验设备

试验机型为六旋翼油动植保无人机，机身尺寸2 300 cm×2 000 cm×900 cm，机身质量75 kg，最大起飞质量149 kg，最大载药量50 L，单次续航时间为1～4 h。全机身配备六旋翼共12个向下锥型压力喷头。有2种作业喷头类型供选择，喷施流量为400 mL/min的A型喷头适用于喷施杀虫杀菌剂，喷施流量为600 mL/min的B型喷头适用于喷施叶面肥、留树保鲜剂，喷施压力均为0.75 MPa。本试验选用A型喷头。

1.3 试验方法

1.3.1 不同飞行参数下风场风力测试

无人机飞行速度设1、1.5、2、2.5、3 m/s，离地飞行高度设5、6、7、8、9 m，共25个飞行参数组合。柑桔树形较大，无人机风场从上至下经过层叠的枝叶会逐渐产生损耗，而不同修剪方式会改变树冠整体结构与内膛通风透气性，也会对无人机风场产生影响。因此，从已修剪(少量修剪主枝，配合修剪侧枝及枝组，下枝量为35%，达到缓解内膛郁闭的效果)与未修剪两种树形中分别随机选取9株沃柑树，每株树冠沿垂直方向分上、中、下3层，每层于水平中央处固定风速测定仪器采集风力数据，各采集点距离地面高度分别为0.6、1.6和2.6 m。同时，观察树体晃动及机械损伤情况。

1.3.2 不同飞行参数下雾滴沉积密度测定

选取株高、冠幅与叶片面积基本一致的沃柑树3株，每株树冠沿垂直方向分上、中、下3层，每层在水平方向树冠中心及东、南、西、北四个方向距中心0.9 m处共5个点设置正、反面雾滴水敏测试纸(先正达，76 mm×26 mm)[6]，每株树共布置30个雾滴数据采样点(见图1)。结合飞行器性能与田间作业要求，采用A型喷头(流量为400 mL/min)，单位面积喷施量固定为6 L/667 m2，飞行速度设1.5、2、2.5 m/s，飞行高度设6、7、8 m，共9组不同参数飞行架次。以雾滴密度为基础参数对不同处理的雾滴沉积效果进行分析评价。

图1 柑桔雾滴密度采样区域示意

试验模拟喷施试剂为清水，作业结束后为防止天气潮湿导致试纸产生变化，立即收集田间水敏试纸，并利用大疆MG-1/S/A/P手持雾滴分析仪迅速进行雾滴密度分析。同时，通过“看测者T1超声波风向风速红外雨量固定基站”(广州新标农业科技有限公司)，每架次记录一次，实时记录试验过程中自然环境的温度、湿度、风速及风向等气象信息(见表1)。

表1 各飞行架次的飞行参数及气象数据

2 结果与分析

2.1 无人机飞防作业风场强度

2.1.1 两种修剪树形风场风速

已修剪树：无人机风场在树冠上层的风速平均为11.824 m/s，树冠中层的风速平均为7.271 m/s，树冠下层的风速平均为4.414 m/s。飞行参数为飞行速度1 m/s与飞行高度5 m的组合下，无人机风场在树冠上层的风速最大，达15.507 m/s，中层达8.668 m/s，下层达到6.306 m/s。

未修剪树，无人机风场在树冠上层的风速平均为9.150 m/s，树冠中层的风速平均为6.065 m/s，树冠下层的风速平均为4.091 m/s。飞行参数为飞行速度1 m/s与飞行高度5 m的组合下，无人机风场在树冠上层的风速最大，达12.450 m/s，中层达到9.033 m/s，下层达到5.503 m/s。

比较发现，植株树冠各层风场风速受到飞行速度与飞行高度影响，风场风速与飞行速度和高度均呈反比趋势，即飞行速度越快、高度越高，则风场风速越小。同时，植株修剪与否也对风场风速有影响，未修剪植株的平均风场强度小于修剪植株，其中，修剪植株上层风速增加29.22%，中层增加19.88%，下层增加7.90%(见表2)。

表2 不同飞行参数下已修剪和未修剪沃柑树无人机风场风速

2.1.2 无人机风场对树体的机械损伤

通过对试验地进行破坏性飞行测试试验，均未观察到有树枝折断现象。同时中国气象局于2001年下发的风力等级对照表表明，17.2～20.7 m/s为8级风，达到折毁树杈程度。在本试验中，无人机处于可飞行作业的最低高度(5 m)、最低飞行速度(1 m/s)的极端飞行状态下时，已修剪树的无人机风场风速最大为15.507 m/s，未修剪树的无人机风场风速最大12.586 m/s，风力未达到8级风，即除极少量细幼或已存在伤口的小枝外，大概率不会对树体造成机械性损伤。

2.2 不同飞行参数下柑桔各部位雾滴密度

2.2.1 平均雾滴密度

9个不同参数飞行架次试验的结果表明，叶片正面雾滴密度平均为104个/cm2，背面平均为39个/cm2，正面雾滴密度明显大于背面。其中，正面最大值为142个/cm2(架次1)，背面最大值51个/cm2(架次3)；正面最小值为55个/cm2(架次9)，背面最小值为29个/cm2(架次9)(见表3)。随着飞行速度提高，叶片正面平均雾滴密度呈大幅度持续下降趋势，叶片背面平均雾滴密度微小幅度上升后小幅度下降。随着飞行高度上升，叶片正面平均雾滴密度先下降再回升，变化范围为±18个/cm2；叶片背面平均雾滴密度则几乎无变化，保持在39个/cm2左右(见图2)。说明，该款机型无人机，在1.5～2.5 m/s速度和6～8 m高度的飞行参数变化上，飞行速度变化对雾滴密度的影响大于飞行高度变化的影响。由此认为，将该款机型无人机的飞行速度保持1.5 m/s，高度在8 m范围内根据地势地形与障碍物的限制进行适当调整，均可以达到较好的飞防喷施效果。

表3 各飞行架次沃柑树不同方位叶片(采样点)雾滴沉积密度 个/cm2

图2 不同飞行参数下叶片雾滴沉积密度

2.2.2 雾滴沉积密度平面分布

9个架次数据统计结果表明，树冠不同方位叶片正面雾滴沉积密度平均值变幅略大，东、南、北向均大于110个/cm2，西向低至94个/cm2，中部(内膛)仅83个/cm2。树冠不同方位叶片背面雾滴沉积密度平均值变幅较小，中部略低，为28个/cm2，四周在37～48个/cm2之间(见表2)。总体上看，在六旋翼植保无人机作业下，柑桔树冠层直径1.8 m的圆周区域4个方向雾滴沉积密度基本趋于等量分布，而中部雾滴沉积密度相对较小。

2.2.3 雾滴沉积密度垂直分布

统计结果表明，叶片正面雾滴沉积密度随冠层的变化受飞行参数(架次)影响：架次1、3、5、7的叶片正面雾滴密度变化呈V型，即中层密度最低，上层和下层密度高；架次2、4、8为从上至下逐渐递减；架次6、9则在中层密度增多，下层降低；9个架次平均，上层为112个/cm2，中层为98个/cm2，下层为102个/cm2。叶片背面雾滴沉积密度随冠层的变化，基本表现为V型，中层低于上下层；9个架次平均，上层为45个/cm2，中层为27个/cm2，下层为44个/cm2(见图3)。可见，该无人机基本具备在一定气候和飞行参数的条件下对柑桔树进行全株覆盖的植保飞防作业能力，需要注意的是树冠中层的雾滴沉积密度较低，可能导致植株局部受药效果不佳。

图3 不同架次柑桔植株垂直方向雾滴沉积密度分布规律

3 讨论与展望

在减少劳动力成本、节水节药的同时提高作业效率与质量，是柑桔园采用植保无人机精准施药的最大优势与追求目标[7]。张盼等[8]将QJ-460小型四旋翼无人机(珠海绿卫士航空植保技术有限公司)用于10年生枳砧改良橙园(株行距3 m×4 m，平均冠幅3 m，平均株高2.5 m)，在最优喷洒技术组合下作业，雾滴沉积密度为53.39个/cm2，雾滴粒径为0.25 mm。陈盛德等[9]将TXA-翔农六旋翼电动无人直升机(广州天翔航空科技有限公司提供的)用于树高2～3 m的沙糖桔园，在最佳技术参数组合下作业，上、中、下冠层的平均雾滴沉积密度分别为196.11、114.76、73.60 个/cm2。

本试验应用大型六旋翼油动植保无人机对沃柑园进行喷雾试验，结果显示：(1)雾滴沉积密度较大，叶片正面平均为104个/cm2，叶片背面平均为39个/cm2；9个架次作业结果均达到风送式果园喷雾机作业质量要求规定(杀虫剂雾滴沉积密度≥15个/cm2，一般杀菌剂≥20个/cm2，内吸杀菌剂≥20个/cm2)[10]。(2)雾滴分布较为均匀，可覆盖叶片背面，水平方向各方位(东、南、北、西、中)叶片正面雾滴沉积密度在83～115个/cm2之间，叶片背面在28～48个/cm2之间；垂直方向不同冠层(上、中、下层)叶片正反面雾滴沉积密度在27～112个/cm2之间，均达到国家标准，最低值为中层叶背的27个/cm2。(3)经过适当修剪的树体，通风透光，树冠各层无人机作业风场风力增加，有利于穿透冠层，促使雾滴在冠层各部位的较好分布[8]，同时，最大风力(15.507 m/s)也基本不会对植株造成机械损伤。

无人机基本可以胜任于柑桔园日常的打药施肥作业，特别是在大面积的柑桔黄龙病统防统治中用于柑桔木虱的防控作业具有重要意义。生产中，部分柑桔的病虫害存在于叶片背面，如何保证树冠内膛和叶片背面充分受药，仍是柑桔无人机飞防作业需要攻克的难点。