植保无人机作业参数对茶树冠层雾滴沉积分布特性的影响

胡传峰

（信阳市农产品质量安全检测中心，河南 信阳 464000）

我国是一个农业大国，拥有1.35亿hm2耕地、近3亿农业生产者，按照每年4次病虫草害防治，每年的病虫草害防治面积为5.4亿hm2次。农业的生产过程分为耕、种、管、收4个环节。根据国家统计局的数据，在2016年，农业耕地机械化占50%，播种机械化占64%，收割机械化占89%，而管理机械化只占不到7%。从2014年到2017年，我国乡村人口占总人口的比例由58.24%下降至34.47%，而且65岁以上的老人66.67%都在农村，可见农村的老龄化越来越严重，劳动力也极其短缺，这对我国农业的发展带来了巨大的影响，对农村现代化进步也造成了阻碍。因此，提高机械化程度是农业发展过程中必不可缺的。2016—2020年的“十三五”规划指出，让农田标准化、农业机械化成为我国农村发展的核心，而想要将机械化农业做到精准、智能、高效，制定合理的农业机械作业参数是必然的，农用无人机作为农业生产过程中最薄弱的“管”这一环节的主力农业机械，制定出合理的作业参数并能够有效地对病虫草害进行防治，对农业机械化程度的提高具有重大意义。随着科技的不断进步以及国家政策的不断扶持，航空植保技术在近年来也得到了飞速的提升［1-11］。经过不懈的努力及国家政策的支持，到2016年我国农用植保无人机数量已经超过日本，位居世界第一位。近几年，我国航空植保作业面积更是大幅增加，这预示着我国农业植保产业发展进入全新时代。

多旋翼农用无人机适用多种地形，能够应付各种复杂多变的作业环境，旋翼引起的气流也可以将药液更加均匀地喷洒在作物的正反面，对于突发的农业病虫害防治能力反应比较快、作业效率高、不碾压作物、节约用水量，这是传统背负式喷雾器远远不及的，因而能够在世界范围内农业领域得到广泛的应用。目前，多旋翼农用无人机采用的是压力式喷头及离心式喷头2种，压力式喷头由于开孔比较小，在应用过程中很容易出现堵塞的问题。极飞农用植保无人机XP2020采用的是离心式喷头，离心式喷头的口径相对于压力式喷头来说比较大，并且可以控制喷头电机的转速，从而可以调节离心喷头甩出来的雾滴大小，这样可以针对农田中不同的情况喷洒大小不同的雾滴，有利于提高雾滴沉积分布，达到有效防治的目的。以极飞农用植保无人机XP2020为研究对象，探讨植保无人机作业高度和喷幅宽度对茶树冠层雾滴沉积分布特性的影响，为植保无人机的高效利用提供参考。

1 材料和方法

1.1 试验材料

供试植保无人机是极飞农用植保无人机XP2020，由广州极飞科技有限公司生产，其技术参数详见表1。大疆雾滴分析仪，由深州市大疆创新科技有限公司生产。水敏试纸，由先正达农业有限公司生产。

表1 极飞农用植保无人机XP2020技术参数

1.2 试验设计

试验于2020年10月—2021年3月在信阳市浉河区浉河港镇郝家冲村茶园（114°08′34″E、31°24′06″N）进行。试验开始之前，在茶园中寻找一块地形相对平坦并且适合植保无人机正常飞行作业的田地，然后打开“极飞农业”APP，连接确山固定基站，对试验地块进行测绘，测量出一块80 m×45 m的田地，测绘好的地块用“极飞农业”APP中的分割线功能隔离划分为9个小区，每个小区的大小为80 m×5 m。在每个小区中随机找到一排茶树，每排茶树设置5个试验点，重复3次，用曲别针将水敏试纸分别安插在试验点的上、中、下层，利用水敏试纸遇水显色的原理，在飞行结束后收集水敏试纸，观察分析雾滴沉积分布特性。

根据预试验结果，雾滴沉积分布特性与环境风速以及植保无人机的飞行高度、飞行喷幅、喷头种类有较大的关系。在试验飞行过程中，保持用量、雾滴大小以及飞行速度不变，分别为15 000 mL/hm2、135 μm、5 m/s，设置不同的作业高度（2.0、2.5、3.0 m）和喷幅宽度（3.5、4.0、4.5 m），研究其对雾滴沉积分布的影响。试验共飞行9个架次，分别在每个试验小区中进行。

将植保无人机放在试验小区旁的空地，然后将植保无人机药壶加入5 L清水，在“极飞农业”APP中对飞行参数进行设置，疏散人员距离植保无人机10 m以外，待风速稳定之后，启动植保无人机在小区中进行试验。每次飞行试验结束后等待5～10 min，使得喷洒出的雾滴完全沉落，带上橡胶手套，将所有试验点的水敏试纸收集到自封袋中，并用记号笔在袋子上标记飞行参数和编号。

1.3 测定项目及方法

将试验中的水敏试纸用大疆雾滴分析仪进行分析，得出雾滴密度、雾滴覆盖率。

1.4 数据处理与分析

数据使用Excel 2017进行汇总整理，利用SPSS 22软件进行分析。

2 结果与分析

2.1 植保无人机作业高度和喷幅宽度对茶树冠层雾滴密度的影响

从表2可以看出，当植保无人机在作业高度为2.0 m时，喷幅宽度越大，茶树各层冠层雾滴密度越小。当喷幅达到4.5 m时，下层冠层雾滴密度最少，仅为14.02个/cm²。当植保无人机在作业高度为2.5 m时，茶树各层冠层雾滴密度随着喷幅宽度的增加先增加后降低，喷幅宽度为4.0 m时，茶树各层冠层雾滴密度均最大，其中上层冠层雾滴密度达到了72.56个/cm²。植保无人机在作业高度为3.0 m时，喷幅宽度越大，茶树各层冠层雾滴密度越大。在相同喷幅宽度下，随着作业高度增加，茶树各层冠层雾滴密度先增加后降低，在2.5 m时最大。整体来看，在作业高度2.5 m、喷幅宽度4.0 m时，茶树各层冠层雾滴密度最大。

表2 植保无人机作业高度和喷幅宽度对茶树各层冠层雾滴密度的影响

由图1可知，随着作业高度增加，各喷幅宽度下茶树冠层雾滴密度均先增加后降低，以作业高度2.5 m最大。随着喷幅宽度增加，在飞行高度2.0 m时，茶树冠层雾滴密度逐渐降低；在飞行高度2.5 m时，茶树冠层雾滴密度先增加后降低，以喷幅宽度4.0 m最大；在飞行高度3.0 m时，茶树冠层雾滴密度逐渐增加。整体来看，飞行高度2.5 m、喷幅宽度4.0 m组合茶树冠层雾滴密度最大，飞行高度2.5 m、喷幅宽度3.5 m组合次之。

图1 植保无人机作业高度和喷幅宽度对茶树冠层雾滴密度的影响

综上，植物无人机最佳作业参数为飞行高度2.5 m、喷幅宽度4.0 m。

2.2 植保无人机作业高度和喷幅宽度对茶树冠层雾滴覆盖度的影响

由图2可知，随着作业高度增加，各喷幅宽度下茶树冠层雾滴覆盖度均先增加后降低，以作业高度2.5 m最大。随着喷幅宽度增加，在飞行高度2.0 m时，茶树冠层雾滴覆盖度逐渐降低；在飞行高度2.5 m时，茶树冠层雾滴覆盖度先增加后降低，以喷幅宽度4.0 m最大；在飞行高度3.0 m时，茶树冠层雾滴覆盖度逐渐增加。整体来看，飞行高度2.5 m、喷幅宽度4.0 m组合茶树冠层雾滴覆盖度最大，飞行高度2.5 m、喷幅宽度3.5 m组合次之。综上，植保无人机最佳作业参数为飞行高度2.5 m、喷幅宽度4.0 m。

图2 植保无人机作业高度和喷幅宽度对茶树冠层雾滴覆盖度的影响

3 结论

为了研究植保无人机在茶树上的最佳作业效果，以极飞农用植保无人机XP2020为研究对象，研究植保无人机作业高度和喷幅宽度对茶树冠层雾滴密度和雾滴覆盖度的影响，为植保无人机的高效利用提供参考。结果表明，随着作业高度增加，各喷幅宽度下茶树冠层雾滴密度和雾滴覆盖度均先增加后降低，以作业高度2.5 m最大。随着喷幅宽度增加，在飞行高度2.0 m时，茶树冠层雾滴密度和雾滴覆盖度逐渐降低；在飞行高度2.5 m时，茶树冠层雾滴密度和雾滴覆盖度先增加后降低，以喷幅宽度4.0 m最大；在飞行高度3.0 m时，茶树冠层雾滴密度和雾滴覆盖度逐渐增加。整体来看，飞行高度2.5 m、喷幅宽度4.0 m组合茶树冠层雾滴密度和雾滴覆盖度最大，飞行高度2.5 m、喷幅宽度3.5 m组合次之。综上，当作业高度2.5 m、喷幅宽度4.0 m时，茶树冠层雾滴密度和雾滴覆盖度均最大，雾滴沉积分布最均匀，能够对茶叶病虫害的发生达到有效防治，作业效果最佳。

植保无人机在农田飞行作业时，除了作业参数对其作业效果有影响外，环境因素也会导致雾滴沉积分布不均匀。如果风速过大，风力超过4级，植保无人机在农田作业不能达到有效防治，建议此种情况下不要继续作业；当环境温度过高时，高温会导致植保无人机喷洒出来的雾滴蒸发，也会影响雾滴沉积。