植保无人飞机喷施叶面肥作业参数对枇杷冠层雾滴沉积分布的影响

秦维彩,陈盼阳,孙丽娜

(1 苏州农业职业技术学院,江苏苏州,215008;2 南京工程学院,南京,211167;3 中国农业科学院果树研究所,辽宁兴城,125100)

果树生长需要足够营养才能保证生产,生产中要做好果树营养管理。有研究表明,深沟施底肥能提供果树生产70%的营养成分,追肥提供30%,追肥对果树生产也十分重要。果树种植过程中追肥不及时、不精准不仅影响其生长发育,导致叶片、花朵、果实出现缺素症状,甚至还会因植株缺素抵抗力下降而易受到病虫为害。因此,探讨高效、精准的施肥方式对果树生产具有重要意义。其中,以植保无人飞机为代表的精准施肥方式是近年研究热点。施药、播种、施肥等以植保无人机为平台的相关作业已在大田作物广泛应用,并且逐渐向果树、水产等多领域延伸[1-3]。目前关于植保无人机的作业参数对雾滴沉积分布影响的研究已有较大进展。邱白晶等[4]通过CD-10无人机在不同作业高度和速度条件下的小麦植株喷雾沉积分布研究,得出雾滴沉积均匀性、雾滴沉积密度与作业高度、作业速度以及两个因素之间互作关系模型;秦维彩等[5],刘立超等[6]分别研究了无人直升机对玉米层雾滴沉积特性的影响及雾滴分布特征;王娟等[7]、潘波等[8]、Zhang等[9]分别对槟榔、火龙果、柑桔上无人机喷雾作业特性进行了研究。本文从作业高度、作业速度、用液量等3个关键因素研究大疆T30植保无人机喷雾参数对枇杷冠层雾滴沉积分布的影响,为指导植保无人机枇杷植株精准喷施叶面肥提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料

大疆T30型植保无人机参数见表1,其喷雾系统由药箱、流量计、16个扇形喷头、1个蠕动泵组成,其中,药箱为快速插入式药箱。每个旋翼下面都安装了1个垂直向下的扇形雾化喷头(见图1)。该植保无人机能够自主飞行,利用实时动态(RTK)差分定位技术实现厘米级精确定位。其他材料包括小型气象站、雾滴测试卡(水敏纸7.5 cm×2.5 cm)等。

图1 大疆T30植保无人飞机

表1 T30植保无人飞机主要参数

表2 无人飞机作业参数正交试验方案

苏州市东山镇枇杷种植试验基地枇杷供试,平均株高2.8 m,行距2.5 m。叶面肥为氨基酸水溶肥,中国农业科学院植物保护研究所生产,氨基酸含量≥100 g/L,试验采用该氨基酸水溶肥500倍液。

1.2 试验设计

2022年10月9日在枇杷试验基地,气温(23±2) ℃,相对湿度(46±2)%,风速0.05～0.1 m/s (微风),设置作业高度、作业速度、每667 m2用液量3个因素不同作业参数,采用正交试验设计,共9个处理进行植保无人机喷雾叶面肥,无人机雾滴粒直径约130～250 μm,在植株正上方飞行作业,每处理1株,重复3次,分析比较不同作业参数处理的效果,筛选最佳作业参数。

1.3 采样点布置

每个处理选植株3株采样,以枇杷冠层形态及枝干密度为依据确定取样点数及位置,按垂直z方向将枇杷树冠层划分成上中下3层,以靠近植保无人飞机前进方向的最左边的取样点为起点,按顺时针方向在枇杷植株同一高度冠层设置取样点9个,上中下3层共采集27个点(见图2),把雾滴采集卡(水敏纸)用回形针夹在每个取样点叶片上。

图2 植保无人机作业后植株采样示意

图3 水敏纸原图与灰值化处理

1.4 雾滴沉积量和穿透性系数测定

收集雾滴测试卡(水敏纸)测定,雾滴覆盖率=水敏纸上雾滴浸染面积/水敏纸面积×100;以雾滴覆盖率的不均匀系数作为雾滴穿透性的评价指标[10],即雾滴穿透性系数b=(amax-amin)/a,amax、amin、a分别表示植株的上中下层覆盖率中最大值、最小值和平均值。b值越小表明雾滴的穿透性越强。

扫描水敏纸,将扫描仪分辨率调至600 dpi,并通过Deposit Scan软件对其进行分析处理,水敏纸上黑点为不同大小的雾滴。根据Zhu等的方法[11]得出不同处理的雾滴沉积密度、雾滴沉积均匀性及沉积量。利用SPSS 20.0处理分析数据,并用LSD方法比较处理间的差异显著性。

2 结果与分析

2.1 雾滴沉积密度比较

由表3看出,不同处理同一冠层高度的雾滴沉积密度无显著性差异。A1B2C2、A1B3C3、A2B1C2处理的不同冠层高度的雾滴沉积密度无显著性差异,其他处理的不同冠层高度的雾滴沉积密度存在显著性差异。其中,A2B2C3、A2B3C1上层和中层的雾滴沉积密度无显著性差异,但上层中层分别与下层的雾滴沉积密度存在显著性差异;A3B1C3、A3B2C1、A3B3C2的上层和下层雾滴沉积密度存在显著性差异;A1B1C1处理的上层雾滴沉积密度显著大于下层。A3B1C3、A3B2C1、A3B3C2处理中,作业高度均为3.0 m,下层雾滴沉积密度显著降低,说明作业高度对树冠下层雾滴分布密度影响较大,无人机离冠层过高,药液无法更好地穿透树冠。变异系数反映各处理树冠上雾滴分布均匀性,变异系数越小,其雾滴沉积均匀性越好。说明植保无人飞机作业参数改变,雾滴在枇杷不同冠层的分布均匀性也发生变化。

表3 不同冠层不同作业参数的大疆T30植保无人机喷雾枇杷叶面肥的雾滴沉积密度比较

从表4极差可以看出,3种因素对枇杷不同冠层高度雾滴沉积密度的影响程度排序相同,影响因素最大的是飞行高度,其次是飞行速度,最后是每667 m2用液量,推测出A2B2C3为最佳作业参数,即作业高度为2.0 m、作业速度为4.5 m/s、每667 m2用液量为2.0 L。

表4 不同冠层不同作业参数的大疆T30植保无人机喷雾枇杷叶面肥的雾滴沉积密度极差分析

从图4可以看出,A1B1C1、A2B3C1处理的雾滴沉积密度显著低于其他处理,而A2B2C3和A3B1C3处理的雾滴沉积密度较高,为较优处理。其中A3B1C3处理的雾滴沉积密度最高,喷施效果最好。

2.2 雾滴覆盖率和穿透性比较

结合图4和表5可以得出,各处理雾滴沉积密度与雾滴覆盖率之间并不是正比关系,这与雾滴落在水敏纸上的斑痕大小有直接关系。A1B1C1、A1B2C2、A2B1C2、A2B3C1处理的穿透性系数小于其他处理,其穿透性较好。这4个处理的雾滴覆盖率较低,相较于其他处理,它们在水敏纸上留下的斑痕较小。作业高度的降低可能使雾滴更加集中地落在目标表面上,从而形成较小的斑痕。相反,其他处理中可能由于较高的作业高度,雾滴在下落过程中更分散,形成相对较大的斑痕。说明作业高度是影响雾滴覆盖率的主要因素,虽然作业速度和每667 m2用液量等因素也对雾滴覆盖率产生一定影响,但作业高度对雾滴分布和覆盖的影响更明显。

表5 不同冠层不同作业参数的大疆T30植保无人机喷雾枇杷叶面肥的雾滴覆盖率和穿透性系数比较

3 结论与讨论

实际生产中,植保无人飞机作业过程中,喷洒质量受多种因素影响。理想的喷施效果是冠层从上自下雾滴都能均匀地覆盖作物叶片上[12-14]。无论是地面喷洒机具还是植保无人机,雾滴沉积和飘移特性都是研究喷施技术的重点[15],直接关系到肥液、药液利用率,环境污染和农产品安全问题。研究发现,使用植保无人机作业时,喷雾的沉积特性受到作业高度、作业速度、雾滴粒径、施药液量等作业参数的影响[16-18]。本试验从雾滴沉积密度、覆盖率、均匀性和雾滴穿透性等综合分析发现,T30型植保无人机对枇杷喷洒的最优作业参数为作业高度2.0 m、作业速度4.5 m/s、每667 m2用液量2.0 L。试验结果表明,不同作业参数下,枇杷植株上中下冠层的雾滴沉积密度和覆盖率存在显著性差异,树冠上层的雾滴沉积密度明显大于中层或下层。一方面,这与枇杷生长特性有关,枇杷树冠厚度约1.8 m,叶片较大且互相交错,遮挡下部空间,降低了雾滴穿透的效果。另一方面,作业高度不同时,无人机旋翼产生的下旋气流会影响枇杷冠层间叶片空间位置,进而影响雾滴穿透效果。王昌陵等[19]对不同植保无人机在同一飞行高度和飞行速度下的雾滴分布研究发现,影响雾滴分布的主要原因是植保无人机下旋气流;陈盛德等[20]研究小型植保无人机作业参数对柑桔冠层雾滴沉积的影响指出,影响雾滴穿透的主要原因是飞行高度。综合以上分析认为,改进无人机喷洒效果主要从两个方面着手:一是合适的飞行作业参数,作业参数不同,其旋翼风场强度和作物倾角也不同,针对不同作物选择合适的飞行作业参数;二是将农机和农业管理技术有机地结合,使植株适宜飞行作业,如采用开心式或栅栏式修剪,既能提高植株通风透光性,提高果实品质,又能使飞行喷雾液更容易均匀分布到树冠。试验结果表明,3个飞行参数中,影响雾滴穿透性的主要因素是飞行高度。此外,冠层厚度、叶面积指数和环境条件也会影响植保无人机的喷洒效果,有待进一步研究。