植保无人机作业参数对雾滴在火龙果树冠层沉积分布的影响

王冰洁, 潘波, 姜蕾, 林勇*, 赵帅, 莫宇星

(1.中国热带农业科学院环境与植物保护研究所, 农业农村部热带作物有害生物综合治理重点实验室,海口 571101；2.广西田园生化股份有限公司, 南宁 530007)

火龙果(Hylocereusundatus) 又称青龙果、芝麻果、仙蜜果和红龙果等，属于仙人掌科(Cactaceae) 量天尺属(Hylocereus)，营养价值高，味道香甜[1-2]。其原产于中美洲，自20世纪90年代开始引入我国，并作为重要的经济作物在海南、广西、云南、广东等地大面积种植[3]。火龙果为热带、亚热带水果，受高温高湿的气候影响，其病虫害发生较为严重，并且随着种植面积不断增加，果园劳动力短缺，随着老龄化的加重，果园栽培管理技术落后等问题日渐突出。因此，提高火龙果树病虫害防治的自动化程度，实现快速统防统治，是不误农时的必要条件。

传统果树病虫害防治主要为人工和地面机械喷施[4-5]。种植于坡地和丘陵等复杂地形的火龙果树仍主要依靠人工喷施作业，效率低、劳动强度大、耗时长，无法在较短时间内快速全覆盖式的防治突发式病虫害，可能会延误防控时机[6]。并且，喷施作业人员近距离接触农药，存在中毒的风险[7-8]。植保无人机作为一种新型施药器械，作业效率高、机动性好，可以有效规避传统施药方式的缺点，是实现果树病虫害快速统防统治的突破点[9-11]，近年来植保无人机产业高速发展，逐渐成为农业植保的重要力量[12]。

植保无人机施药在大田作物上的应用已经趋于成熟，而果树航空植保作业应用技术仍在探索阶段。Zhang等[13-14]研究了小型电动四旋翼植保无人机在不同作业参数下对柑橘树冠层的喷施效果，并分析了不同树形对柑橘雾滴沉积分布的影响，结果显示，作业高度为1.0 m时雾滴沉积效果最好，柑橘不同树形对喷雾效果有较大影响。陈盛德等[15]采用正交试验分析了六旋翼植保无人机在不同作业参数下对橘树冠层雾滴沉积分布的影响，发现作业高度是影响雾滴沉积的主要因素。崔广鑫[16]发现，JF01-20型八旋翼植保无人机在不同飞行作业参数下，在苹果树上端的雾滴数大于苹果树中段的雾滴数，并且可以有效控制苹果白粉病、蚜虫、红蜘蛛等病虫害的蔓延。刘德江等[17]比较了4种植保无人机施药设备在3种不同果园的雾滴沉积分布情况，发现不同机型在不同果树的雾滴沉积分布均有显著性差异。姚伟祥等[18]探究了单旋翼电动植保无人机对莲雾与荔枝树的雾滴沉积效果，发现喷头喷雾角度为80°时雾滴沉积效果更好。植保无人机的机型、作业参数、喷头角度和树形等因素都会影响雾滴在果树上的沉积分布，而关于植保无人机作业参数对火龙果树的喷雾效果的研究尚缺乏。

近年来，随着火龙果树在我国热带、亚热带地区的大面积种植，植保无人机施药需求应运而生，但是由于缺乏成熟的、系统的植保无人机施药作业技术规范，作业效果参差不齐，限制了植保无人机施药技术的推广使用。植保无人机机型种类繁多，而极飞P20小型电动多旋翼植保无人机凭借其成本低、易操控、便于运输等优点，具有较高的市场占有率。因此，本文选用具有代表性的极飞P20电动四旋翼植保无人机，采用3因素正交试验，筛选出适合火龙果树的四旋翼植保无人机的最优作业参数，为实现所选机型在火龙果树病虫害防控中的高效应用提供数据和理论支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料与设备

2018款极飞P20四旋翼电动植保无人机由广州极飞科技有限公司生产，最大载药量为8 L，有效喷幅宽度3 m，作业速度范围为2～6 m·s-1，作业高度可调，可调离心喷头4个，设置喷头喷雾粒径为110 μm。AVM-01风速仪，台湾泰仪电子股份有限公司；LS-204温湿度仪，中山市朗信电子有限公司；雾滴测试卡，8 cm×3 cm，重庆六六山下植保科技有限公司。

1.2 试验设计

本试验于2019年12月18号在广西省南宁市武鸣区进行，供试火龙果树平均株高为1.5 m，行距4～6 m。测得试验时温度(18±2) ℃，湿度(60%±2%)，风速为0.001～2.006 m·s-1(微风)。

1.2.1正交试验 试验设置3个因素的正交试验，包括航线方向、作业高度(离火龙果树冠层高度)、作业速度，共设9组试验(表1和2)，确定植保无人机对火龙果树喷雾的最佳参数。每组试验作业面积为0.14 hm2，施液量为30 L·hm-2。植保无人机工作时，2个喷头喷雾同时作业，作业速度分别为1.5、2.0、2.5 m·s-1时，作业时间分别为386、319、275 s(包括进入航线和返航时间，进入航线和返航速度固定为3 m·s-1)，施液量设定为定值(30 L·hm-2)，植保无人机根据飞行速度自动调节喷头喷雾量。

表1 试验因素与水平Table 1 Test factor and level

表2 正交试验方案Table 2 Orthogonal design

1.2.2采样点布置 每组试验选择同一种植行的3棵大小基本一致的火龙果树，取样火龙果树间隔1.5 m(每组试验都选择相同的3棵树)，将雾滴测试卡布置在每棵火龙果树的上层、中层、下层和内层(图 2)。每棵树的上层和中层左右两边的树冠各取一个采样点，下层和内层各取一个采样点，每棵树布置6个采样点，每个采样点布置3张雾滴测试卡(火龙果茎的3个面)，每组试验共布置18个采样点，54张雾滴测试卡。每个采样点用大头针将雾滴测试卡固定在火龙果茎上。待雾滴测试卡上的雾滴干燥后，收集雾滴测试卡。

图2 采样示意图Fig.2 Schematic diagram of sample

1.3 数据处理

收集的雾滴测试卡用扫描仪扫描，并通过Deposit Scan(V1.2)软件对其进行分析，根据Zhu等[19]方法，得出在不同作业参数下的雾滴沉积密度、均匀性及覆盖率。试验数据采用数据处理系统(SPSS 20.0)处理，用LSD法比较处理间差异的显著性。

变异系数(CV)可以描述一组数据的均匀性，雾滴在测试区域内的沉积均匀性可通过CV值的大小来表征，变异系数越小，代表数据变化幅度越小，即表示雾滴沉积分布越均匀。

(1)

(2)

1.4 验证试验

通过正交试验选出每个因素的最优水平作为最优作业参数。同样条件下，选择同样3 棵火龙果树，采用最优作业参数，进行验证试验。

2 结果与分析

2.1 不同作业参数对不同冠层雾滴沉积密度的影响

正交试验结果(表3)显示，所有试验组火龙果树下层的雾滴沉积密度显著高于上层、中层和内层。显著性分析得出，不同施药参数作用下，火龙果树各层的雾滴沉积密度有显著性差异。火龙果树上层和下层雾滴沉积密度在第4组(航线平行于种植行，作业高度为1.5 m，作业速度为2.0 m·s-1)和第6组(航线平行于种植行，作业高度为2.5 m，作业速度为1.5 m·s-1)作业参数下较大，上层分别为(36.43±1.75)和(41.19±4.90) cm-2，下层分别为(77.55±2.19)和(73.97±6.49) cm-2；中层雾滴沉积密度在第6组作业参数下较大，为(35.27±9.02)cm-2；内层的雾滴沉积密度在第1组(航线垂直于种植行，作业高度为1.5 m，作业速度为1.5 m·s-1)和第6组作业参数下较大，分别为(30.87±5.09)和(23.91±7.20)cm-2。综合火龙果树各个冠层的雾滴沉积密度，第6 组作业参数最佳。

变异系数可以衡量每个架次雾滴在火龙果树冠层分布的均匀性，由表3 可知，第4组作业参数下火龙果树上层、下层和内层的雾滴分布最为均匀，第1组作业参数下火龙果树中层的雾滴分布最为均匀。综合火龙果树各个冠层的雾滴沉积分布的均匀性，第4组作业参数下，雾滴分布最均匀。结合雾滴沉积密度和均匀性的结果，第1、4、6组作业参数的共同特点是作业高度或作业速度为最小水平。

表3 不同作业参数下的雾滴沉积密度Table 3 Droplet deposition density under different operating parameters

从雾滴沉积密度极差分析结果(表4)可以看出，在火龙果树不同高度冠层上影响雾滴沉积密度最主要影响因素是作业速度。可以得出最优作业参数为A2B1C1，即航线平行于种植行，作业高度为1.5 m，作业速度为1.5 m·s-1。

表4 雾滴沉积密度极差分析Table 4 Range analysis of droplet deposition density

2.2 不同作业参数对不同冠层雾滴雾滴覆盖率的影响

如表5所示，所有试验组火龙果树下层的雾滴覆盖率显著高于上层、中层和内层。不同施药参数作用下，火龙果树上、中、下层的雾滴覆盖率有组间显著性差异，内层雾滴覆盖率没有组间显著性差异。火龙果树上层的雾滴覆盖率在第8组(航线平行于种植行，作业高度为2.0 m，作业速度为1.5 m·s-1)作业参数下较大，为7.35%±1.53%；火龙果树中层和下层的雾滴覆盖率在第4组(航线平行于种植行，作业高度为1.5 m，作业速度为2.0 m·s-1)作业参数下较大。综合火龙果树各个冠层的雾滴覆盖率，第4 组作业参数较推荐。覆盖率的结果与雾滴沉积密度的结果有些许不同，是因为雾滴大小不一致所导致。

表5 不同作业参数下的雾滴覆盖率Table 5 Droplet coverage ratio under different operating parameters

从雾滴覆盖率极差分析结果(表6)可以得出，3种因素在火龙果树不同高度冠层上影响雾滴覆盖率的主次顺序不一致，作业速度是影响上层雾滴覆盖率的最主要影响因素；作业高度是影响中层和下层雾滴覆盖率最主要影响因素；二者对内层雾滴覆盖率的影响能力相当。从而，最优作业参数为A2B1C1，与雾滴沉积密度得出的试验结果一致，即航线平行于种植行，作业高度为1.5 m，作业速度为1.5 m·s-1。

表6 雾滴覆盖率极差分析Table 6 Range analysis of droplet coverage ratio

2.3 不同作业参数对雾滴均匀性的影响

由雾滴沉积密度均匀性极差结果(表7)分析得出，影响雾滴均匀性大小的因素主要是作业高度。作业高度离火龙果树冠层高1.5 m时，雾滴均匀性最好。可能是由于火龙果树的叶子退化成为刺，只有三棱茎，这种特殊的茎叶结构对植保无人机下压风场影响较小，所以在作业高度越低，作业速度越小时，雾滴的均匀性越好。

表7 雾滴沉积均匀性极差分析Table 7 Range analysis of droplet deposition uniformity

2.4 验证结果分析

为了验证最优作业参数为A2B1C1，将植保无人机作业参数即航线平行于种植行，作业高度为1.5 m，作业速度为1.5 m·s-1。在风速低于3.0 m·s-1时，选择同样的三棵火龙果树采样，进行试验，验证试验结果(表 8)。结果显示A2B1C1作业参数下的火龙果树各个冠层的雾滴沉积密度，覆盖率均优于正交试验的9组试验结果。

表8 验证结果Table 8 Verification result

3 讨论

雾滴在靶标作物上的有效沉积是植保无人机施药的基本目标[20-22],雾滴的沉积特性是施药技术领域研究的重要课题[23]。国内外相关研究表明，植保无人机喷施作业时雾滴的沉积特性受植保无人机作业参数的影响[11, 24-25]。本研究中，综合雾滴沉积密度、覆盖率、均匀性等方面分析得出，极飞P20植保无人机对火龙果树施药的最优作业参数是：航线平行于种植行，作业高度为1.5 m，作业速度为1.5 m·s-1。本文结果显示，雾滴在不同冠层分布的均匀性与作业参数密切相关。各组施药参数下，火龙果树下层的雾滴沉积密度大于其他各层，可能是由于火龙果树下层无茎叶遮挡，植保无人机下旋风场把雾滴直接带到冠层的下层。张盼等[26]研究发现，由于旋翼风场的影响，小型四旋翼植保无人机对柑橘树喷雾作业时，雾滴在柑橘树不同冠层的分布有显著差异。

本研究表明，植保无人机作业高度和作业速度在低水平时，火龙果树冠层中部和下部的雾滴沉积密度较大。分析可能原因是火龙果树的叶子退化成为刺，只有三棱茎，这种特殊的茎叶结构对植保无人机下压风场影响较小，并且植保无人机作业高度越低，下压风力越强，结合较慢的作业速度，也会有更多的雾滴到达火龙果树冠层。但是考虑到火龙果树种植地形和植保无人机安全与效率问题，对火龙果树喷雾试验时作业高度距离冠层不低于1.5 m，作业速度也不低于1.5 m·s-1。随着3WQF120-12型单旋翼油动植保无人机作业高度的降低、作业速度减慢，小麦冠层中部的雾滴沉积密度越大[27]。王军锋等[28]研究发现，作业速度越大，雾滴抗飘移性越弱，雾滴沉积量越小。乔春雨[29]使用大疆MG-1P植保无人机对苹果树进行喷雾试验时研究发现，植保无人机的作业高度对于苹果树雾滴密度以及防治效果有显著影响，高度较低时喷雾效果好；并发现作业速度越小，苹果树冠层的雾滴沉积密度和防治效果越好。

Qin等[30]研究表明，植保无人机作业高度对雾滴在水稻上沉积分布的均匀性有较大的影响。在本次试验结果得出，影响火龙果树雾滴均匀性的主要因素是植保无人机的作业高度(表7)。同样，有研究表明作业高度是影响六旋翼植保无人机对橘树冠层雾滴沉积分布的主要因素[15]。作业高度直接影响植保无人机的下压风场，作业高度越低，下压风力越强，雾滴的穿透能力越强，从而直接影响雾滴分布和其均匀性。本文根据四旋翼植保无人机喷雾在火龙果树冠层的雾滴沉积分布情况，对植保无人机的作业参数进行了优选，以确保雾滴在火龙果树冠层的有效沉积分布。研究结果对小型多旋翼植保无人机对火龙果树的合理喷施、提高喷施效率，实现农药高效应用具有重要意义。