无人机喷雾参数对雾滴在红枣花期冠层沉积分布的影响

常心怡 张栋海 吉光鹏 牛蛉磊 常学艳 尔热斯白克·塔米力 钱丹丹 王刚

摘 要： 【目的】探究极飞Xp20 电动四旋翼植保无人机喷雾对主干型红枣花期冠层沉积分布的影响。【方法】设置三因素三水平的正交试验，通过方差分析研究飞行高度、单位面积喷液量、飞行速度对枣树冠层雾滴沉积密度、雾滴均匀性、雾滴覆盖率的影响程度，并通过极差分析研究影响无人机在红枣花期冠层沉积分布的主次因素。【结果】四旋翼电动植保无人机的作业参数设置为处理6时雾滴沉积密度均匀性和覆盖率表现较好，即飞行高度1.5 m、喷液量37.5 L/hm 2和飞行速度2 m/s。【结论】综合分析极差结果，影响雾滴沉积密度的主要因素依次是飞行速度、飞行高度、单位面积喷液量。

关键词： 红枣；无人机；雾滴；极差分析

文章编号：2096-8108（2023）02-0015-06  中图分类号：S665.1  文献标识码：A

Effects of AV Spraying Parameters on Droplet Deposition and

Distribution in Canopy of Chinese Jujube at Flowering Stage

CHANG Xinyi 1， ZHANG Donghai  1* ， JI Guangpeng 1， NIU Linglei 1，

CHANG Xueyan 1， Ergesbek Tamili 1， QIAN Dandan 1， WANG Gang 2

（1.Agricultural Science Research Institute of the Third Division of Xinjiang Production and

Construction Corps， Tumushuke 843900，China;

2.Xinjiang Academy of Agricultural Reclamation Sciences， Shihezi 832003，China）

Abstract： 【Objective】In order to explore the influence of the spray of the Jifei Xp20 electric quadrotor plant protection UAV on the canopy deposition distribution of the main jujube during the flowering period. 【Methods】 An orthogonal experiment with three factors and three levels was set up. Through variance analysis， the influence of flight altitude， spray per unit area， and flight speed on the droplet deposition density， droplet uniformity， and droplet coverage rate in the jujube canopy was studied， The primary and secondary factors affecting the canopy deposition distribution of UAV during the flowering period of jujube were studied through range analysis. 【Results】When the operating parameters of the four rotor electric plant protection UAV were set to treat 6， the uniformity and coverage of droplet deposition density were better， that is， the flight height was 1.5 m， the amount of liquid sprayed was 37.5 L/hm 2， and the flight speed was 2 m/s. 【Conclusion】The comprehensive analysis of the range results showed that the main factors affecting the droplet deposition density were in turn the flight speed， flight height， and the amount of liquid sray per unit area.

Keywords： Chinese jujube; UAV; fogdrop; range analysis

紅枣（ Ziziphus jujuba  Mill.）是我国特有的果品之一，占全球红枣产量的 90%以上  [1] 。新疆因其纬度高、光照足、昼夜温差较大等气候特点是我国红枣主产区，枣产业在推动新疆经济发展中发挥着重要作用  [2] 。红枣产业是农业农村经济发展的支柱产业，是实现脱贫攻坚与乡村振兴有效衔接的重要助推器。近年来，随着南疆四地州林果产业的不断发展，产业链不断完善，逐步形成规模优势，已成为果农们增收致富的“幸福果”  [3] 。低空、低量无人驾驶航空喷雾技术因其灵活性好、效率高、劳动强度低等特点展现出越来越大的应用潜力  [4] 。汪继斌等  [5] 人研究结果表明在无人机辅助授粉条件下，薄壳山核桃的果实品质显著提升。王璐等  [6] 研究库尔勒香梨无人机辅助液体授粉飞行参数为

喷液量4 L/亩（667 m 2）、飞行高度1.5 m、飞行速度3 m/s时，雾滴沉积密度和均匀性较好。王士林等  [7] 对多旋翼无人机液体授粉的研究表明喷雾高度对沉积量影响极显著，喷头转速和旋翼转速对雾滴粒径影响极显著。王军锋等  [8] 研究发现，作业速度越大，雾滴抗飘移性越弱，雾滴沉积量就越差。乔春雨  [9] 研究大疆MG-1P植保无人机作业高度对苹果树雾滴密度有显著影响，高度适中时喷雾效果好。

棗树花量大，花期长，受春夏高温、干旱气候条件和花期管理不到位等因素影响，自然情况下坐果率很低，对红枣产业发展和农民增收带来了不利影响  [10] 。红枣花期常用人工背负式喷雾器、行走式打药机等进行叶面喷施药肥促进坐果，但受作业时间和灌水等农事影响，往往错过了最佳作业时间。植保无人机因作业效率高、不受其他农事操作影响等，生产上逐步尝试利用植保无人机进行花期药肥喷施作业。本试验选用当地运用广泛的极飞Xp20电动四旋翼植保无人机作为作业机型，从飞行高度、亩喷液量、飞行速度3个关键因素入手研究极飞 Xp20 电动四旋翼植保无人机喷雾参数对红枣冠层雾滴沉积分布的影响，为四旋翼植保无人机在红枣园飞行作业提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 试验对象

试验地位于新疆生产建设兵团第三师51团4连初花期7年生灰枣园进行，试验地气候干燥，日照时间长，土壤为沙壤土，采用统一田间管理，株行距1.5 ｍ×4.0 ｍ，试验区面积2.5 ｍ 2。

1.1.2 仪器设备与材料

试验仪器：选用极飞Xp20 型四旋翼植保无人机进行液体喷雾，该机最大有效起飞质量48 kg，最大作业飞行速度12 m/s，最高飞行海拔高度 4 000 m， 最大载药量16 L，配备4个SNZ-18000A型号离心喷头，雾化粒径85～550 μm，有效喷幅 4.5～ 7.0 m。环境监测系统有便携式风速风向仪SEW6086（广州市速为电子科技有限公司）和数字温湿度表PM6508（桂林市华谊智测科技有限公司生产）。

试验材料：雾滴测试卡、水敏纸（瑞士先正达公司生产）、标记牌、一次性手套、曲别针、密封袋、皮尺、纯净水、定高杆。

1.2 方法

1.2.1 试验设计

本试验于2021年5月14日在新疆生产建设兵团第三师图木舒克市51团4连进行，株行距1 m×4 m，试验时的平均温度22.3 ℃，平均风速 1.8 m/s 。试验设计为飞行高度 （距离红枣树冠层高度）、单位面积喷液量、飞行速度三因素的正交试验，共设有9组处理组合，每组试验作业面积 0.28 hm 2 ，无人机喷头雾化粒径设定为100 μm，有效喷幅为 4.5 m。具体实验设计见表1试验因素水平和表2正交试验设计方案。

1.2.2 采集点布置

采集点参考王璐  [6] 的试验方法进行布置。每个处理选取 4 行树，分别在行内果树上选取3个调查点，每个调查点选取长势基本一致且相邻的2棵红枣树作为调查样株，每组试验共选6棵树。每个调查区间距25 m左右，距无人机起始和返航作业点20 m以上，分别在每个样株的上层、中层、下层3个高度选取东、南2个方向的枝条各布置1个雾滴采集点，并统一用自由夹夹在枝条中部位置，确保雾滴采集卡卡面朝上。每组试验共布置36个采样点、36张雾滴采集卡。采集区和雾滴采集卡布置情况见图1、图2。每个处理重复3次。

1.3 数据采集与处理

待雾滴采集卡干燥后，试验人员戴好一次性手套收集各测试点雾滴采集卡并装于自封袋，排序编号带回实验室进行测定。将收集的雾滴采集卡逐一用扫描仪扫描，扫描后的图片通过图像处理软件（Image J）收集每张雾滴采集卡的雾滴信息。

采用SPSS 19.0软件进行方差分析（ P ＜

0.05 ），用邓肯氏法进行多重比较和差异显著性检

验，利用Excel 2010软件进行数据的处理和作图。为表征试验中各采集点之间的雾滴沉积穿透性，本研究以飞机有效喷幅区内每个采集点上层、中层、下层雾滴沉积量CV来衡量雾滴沉积穿透性  [11] ，其中，变异系数值越小表示雾滴沉积越均匀，穿透性越好  [12-13] 。

CV= s x -   （1）

S=   ∑ n  i=1 （X i-X - ） n-1    （2）

式中： Ｓ——标准差；

Xi——第次所得到的雾滴沉积量；

X - ——ｎ个雾滴沉积量的平均值。

2 结果与分析

2.1 不同作业参数对枣树冠层雾滴沉积密度分布特征的影响

2.1.1 雾滴沉积密度

综合分析飞行高度、单位面积喷液量和飞行速度对雾滴沉积密度的影响，筛选出无人机作业的最佳参数。由表3可以看出，各处理间枣树的雾滴沉积密度从上层到下层总体呈现逐渐降低的趋势。其中，处理6各层次的雾滴沉积密度显著高于其他作业参数，在上层、中层、下层分别达到了74.96、 56.87 、47.07个/cm 2；处理3显著低于其他作业参数，与处理6相比，在上层、中层、下层分别显著降低了60.40%、61.37%、58.04%。综合分析可知，处理6为无人机较佳的作业参数，即飞行高度2.0 m、单位面积喷液量37.5 L/hm 2和飞行速度2.0 m/s。

2.1.2 雾滴沉积密度极差分析

由表4雾滴沉积密度极差分析可知，较优水平为A2B3C2的处理6，即飞行高度2.0 m、单位面积喷液量37.5 L/hm 2和飞行速度2.0 m/s，与表3雾滴沉积密度结果一致。根据极差分析可知，各处理在上层和中层影响雾滴沉积密度主次因素为飞行速度、飞行高度、单位面积喷液量，在下层影响雾滴沉积密度主次因素为飞行高度、单位面积喷液量、飞行速度。

2.2 不同作业参数对枣树冠层雾滴沉积密度均匀性的影响

2.2.1 雾滴沉积密度均匀性

从表3中雾滴沉积密度的均匀性可以得出，处理3在上层和下层雾滴均匀性达到最小值，分别为14.42%和10.32%，处理7在中层雾滴均匀性达到最小值为21.99%，数值越小，雾滴分布均匀度就越高。综合分析可得，处理3的作业参数对无人机作业的均匀性表现最好。

2.2.2 雾滴沉积密度均匀性极差分析

由表5雾滴沉积密度均匀性的极差分析可知，无人机作业雾滴沉积密度均匀性极差分析表现较优的处理水平与雾滴沉积密度极差分析结果一致，均为A2B3C2的处理6。根据极差分析可知，各处理在上层和下层影响雾滴沉积密度均匀性主次因素为飞行速度、飞行高度、单位面积喷液量，在中层影响雾滴沉积密度主次因素为飞行高度、单位面积喷液量、飞行速度。

2.3 不同作业参数对枣树冠层雾滴覆盖率的影响

2.3.1 雾滴覆盖率

由表6可知，不同作业参数处理下，雾滴覆盖率在树冠上层、中层、下层各处理间总体表现为上层＞中层＞下层，且各处理间差异显著，均以处理6为最高值，分别为13.91%、10.14%、7.55%；在上层、中层、下层处理3显著低于其他处理，与处理6相比，显著降低了67.64%、73.62%、80.15%，说明处理6为最佳作业参数，同雾滴沉积密度数据结果一致。

2.3.2 雾滴覆盖率极差分析

由表7雾滴覆盖率极差分析可得，较优水平为

A2B3C2的处理6，即飞行高度2.0 m、单位面积喷液量2.5 L/亩（667 m 2）和飞行速度2.0 m/s，与表6雾滴覆盖率结果一致。根据极差分析可知，各处理在上层和中层影响雾滴沉积密度主次因素为飞行速度、飞行高度、单位面积喷液量；在下层影响雾滴沉积密度主次因素为飞行速度、单位面积喷液量、飞行高度。

3 讨论与结论

随着现代机械化农业的不断推进，利用无人机进行作物、果蔬田间作业的劳动模式越来越普遍，无人机既能节省时间，也能减少人力，大大缩减了劳动成本的投入。对无人机作业参数的研究，能够更好地为农业机械化服务。无人机作业是将雾滴从空中喷施向树冠叶片表面，在这沉降的过程中，许多不定因素均会对雾滴沉积结果产生影响，如无人机的飞行参数性能、环境条件、树冠特征等因素  [14] 。若控制不当，便会导致发生药液滴漏、雾滴飘移等药液损失现象，从而导致药液利用率降低，果树的授粉率将达不到预期效果  [15] 。张京等  [11] 研究表明WPH642型植保无人机的最佳飞行参数为

飞行高度2 m，飞行速度1.5 m/s。本研究结果表明，雾滴沉积效应呈自上而下逐渐减弱的趋势，对这一现象我们分析其主要原因在于主干型树冠上层更易沉积雾滴，中层和下层受到枝条和叶片的遮挡，加上无人机旋翼下方的风场过强，使雾滴不易散落在下层。本研究认为处理3在各项指标均是最低值，说明较低的飞行高度和较快的飞行速度不利于植保无人机进行作业。本文表明上述9组试验植保无人机作业参数设置为处理6时，在主干型红枣花期上层、中层、下层雾滴沉积密度及雾滴覆盖率达到最大值，说明在红枣树上处理6为植保无人机的最佳作业参数，即飞行高度1.5 m、喷液量37.5 L/hm 2和飞行速度 2 m/s 。这与杨莉  [16] 研究的飞行高度一致，但飞行速度不同，其原因可能是树形结构不同，本文选择的是主干型枣树，也可能是本文只设置了3个速度，最大速度为3 m/s，未达到他人研究速度的最适值。今后在这方面还有待继续研究，为雾滴沉积分布规律的研究提供更多的理论依据。

从极差分析表可以看出，不同处理不同冠层间影响的主次因素不同，雾滴沉积密度和覆盖率在上层和中层主次顺序为飞行速度、飞行高度、单位面积喷液量，在下层雾滴沉积密度极差分析的主次因素为飞行高度、单位面积喷液量、飞行速度，覆盖率的为飞行速度、单位面积喷液量、飞行高度。其主要原因为上层和中层受到机翼下方的风场影响较大，速度快，雾滴不易散落到树冠上，过慢会产生较大的风场，将雾滴吹落到地面或其他区域，使雾滴不易采集，降低了收集率，而下层受到风场的影响力稍微减弱，飞行的高度或飞行的速度过高或过快，则雾滴还未散落在树冠上，无人机就已经飞出该采集区，使雾滴不能穿透到树冠底层。陈盛德等  [17] 研究表明，小型植保无人机喷雾的飞行速度和飞行高度对橘树冠层雾滴沉积分布影响显著，与本实验研究结果一致。而与王璐  [6] 等在香梨树冠上的研究结果不一致，其原因可能在于香梨树的树冠木质化程度高，不易受到机翼下方风场的影响，而枣树枝条木质化程度相对较低，易受到风场压力的作用，导致飞行速度和飞行高度对雾滴沉积相关指标影响显著。

综上所述，四旋翼电动植保无人机的作业参数设置为处理6时雾滴沉积密度和均匀性表现较好，即为飞行高度1.5 m、喷液量37.5 L/hm 2和飞行速度2 m/s，综合分析极差结果表明，影响雾滴沉积密度的主要因素依次是飞行速度、飞行高度、单位面积喷液量。

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