果园航空喷雾的农药沉积分布比较

刘德江， 龚　艳， 王　果， 陈　晓， 贾志成， 刘　燕， 陈　伟， 冯耀宁

(1.农业部南京农业机械化研究所，江苏南京 210014； 2.南京林业大学机械电子工程学院，江苏南京 210037)

果园常发生病虫害，化学防治仍然是其最重要的防治措施，通常1年喷施农药8～15次[1-3]。由于我国果树栽培采用矮化密植，没有按照大型植保机械的要求来规划果园，株行距较小，树冠密集交叉，发达国家普遍应用的大型植保机械均不适用于此类果园。果园中普遍使用手动喷雾器、担架式喷雾机并以大流量、喷淋式施药为主[4-8]。这种药械和施药方法作业效率低，农药有效利用率也仅为15%左右，造成农药严重浪费和环境污染，也加重果品的农药残留[9]。由于劳动力日渐匮乏，传统施药方法已经无法满足现代生产的需求，同时农产品质量安全问题越来越受到重视，因此需要一种自动化程度高、防治效果好又低污染的高效施药方法[10-11]。近年来，针对我国果园研发了多种风送式果园喷雾机，一定程度上解决了标准化果园的植保机械难题，但此种喷雾机仍不适用于传统密植园。无人航空施药具有作业效率高、不损伤农作物、劳动强度低、作业方式灵活等特点，已经成为研究热点[12-14]，张盼等研究了小型无人机在柑橘园的喷雾效果[15-16]；薛新宇等分析了N-3型无人直升机施药方式对稻飞虱和稻纵卷叶螟防治效果[17-18]；邱白晶等调查了无人直升机飞行高度及速度对农药雾滴在小麦植株上的沉积分布[19]；秦维彩等揭示了无人直升机喷雾参数对玉米冠层雾滴沉积分布的影响[20]；高园园等探明了小型无人机低空喷洒在小麦田与玉米田的雾滴沉积分布，以及对小麦吸浆虫与玉米螟的防治效果[21-22]。目前，国内对无人航空施药装备的应用研究主要集中于水稻、小麦、玉米等大田作物，而针对果园的研究甚少[6，23]。因此，本试验比较4种无人航空施药装备在不同果园的雾滴沉积分布，并与2种地面传统施药机具的试验结果进行了比较，以期构建基于不同果树冠层结构的无人航空施药技术与方法，为无人航空施药装备在果园施药中的应用发展提供参考。

1　材料与方法

1.1　试验机具

本研究进行喷雾作业的无人航空施药装备分别为3WHQT-4A型六旋翼遥控飞行植保机、LHX8-3WD12型八旋翼遥控飞行多翼植保机、3WYL5-15型遥控单旋翼植保机、3WYCZF8-06型八旋翼农用飞行植保机，作为对照的地面传统施药机具为3WZG-15型担架式机动喷雾机、3WBD-18 型背负式电动喷雾器。试验所用的6种机具的主要技术参数如表1所示。

1.2　试验方法

本试验于2016年7月在江西省红壤研究所和江西省桑蚕茶叶研究所果园基地进行，试验对象为果园种植的柑橘树、杨梅树、柚子树，3种果树的平均株高分别为1.5、2.5、5.5 m。先进行无人航空施药装备喷雾，后进行地面施药机具喷雾。杨梅树喷雾试验期间气温为21 ℃，风向为西北风，风力3级；柑橘树和柚子树喷雾试验期间气温为 24 ℃，风向为东北风，风力3级。试验果树特征及布样方式详情如表2所示。

1.3　采样点布置方法设计

采样点布置方法如图1所示，图中箭头所指方向为机具的飞行(或行走)方向，以每棵果树的树干为中轴线，在喷雾机具飞行(或行走)的垂直方向与平行方向上分别设置3个等距离的垂直面，并根据每种果树的株高，布置若干个等距离的水平面，从而形成三维空间的布样模型。对于株高约为 1.5 m 的柑橘树，试验设置3×3×3的布样模型，而对于株高约为5.5 m的柚子树，试验设置3×3×5的布样模型，对于株高约为2.5 m的杨梅树，试验设置3×3×4的布样模型(背负式电动喷雾器设置3×3×3的布样模型)。每组机具进行喷雾试验时，在同一行上随机选定2～5棵形态类似的果树作为重复。

表1　参试机具的主要技术参数

表2　试验果树特征及布样方式

1.4　喷雾试验及样本采集方法

按照“1.3”节中的布样模型，用钉书针分别将直径为 90 mm 的圆形滤纸及76 mm×76 mm的正方形便签纸固定于拟定布样点最近处的果树叶片上(图2)，用于采集施药机具喷洒的雾滴，喷雾药液为0.5%示踪剂(诱惑红)水溶液。喷雾试验前，将诱惑红水溶液按比例配好之后装入各待测机具药箱中，设置好机具作业工况，待一切准备就绪后，6种待测机具开始一一进行施药作业。喷雾结束后，待纸卡上的诱惑红水溶液雾滴干燥后，逐一收集纸卡并装入标注试验相关参数的塑料自封袋中，带回实验室进行数据处理。

1.5　数据处理

将沉积在滤纸上的诱惑红用适量的蒸馏水洗脱下来，用10 mL量程的移液枪吸取5 mL洗脱液注入到比色皿中，然后用V5100可见光分光光度计测定洗脱液中的诱惑红浓度，即可计算出滤纸单位面积上的药液沉积量。各采样点便签纸上的雾滴沉积密度即覆盖率，采用专用图像处理软件进行分析计算。

2　结果与分析

2.1　田间实际施药量及作业效率

按照先无人航空施药装备、再担架式喷雾机、后背负式电动喷雾器的顺序进行喷洒试验，并测定各机具的田间实际施药量、作业效率，每台机具重复喷洒3次并取平均值。由表3可知，无人航空施药装备的施药量最大仅为23.31 L/hm2，远小于地面传统施药机具的施药量；而4种无人航空施药装备的作业效率分别为4.32、3.24、5.40、4.32 hm2/h，均明显高于地面植保机具。

2.2　雾滴沉积分布均匀性试验

2.2.1雾滴沉积量将试验收回的滤纸样本编号后按“1.5”节中所述方法进行试验数据处理。各参试机具在柑橘树、柚子树、杨梅树冠层不同水平截面上的药液沉积量分别如图3、图4、图5所示，柑橘树、柚子树、杨梅树沉积量变化曲线分别如图6、图7、图8所示。

2.2.2雾滴覆盖率将试验收回的便签纸样本编号后用数码相机拍下，然后将照片导入到专用雾滴图像处理软件中进行雾滴覆盖率分析研究，雾滴图像处理软件测试过程如图9所示。各参试机具在柑橘树、柚子树、杨梅树冠层不同水平截面上的雾滴平均覆盖率分别如图10、图11、图12所示，柑橘树、柚子树、杨梅树雾滴覆盖率变化曲线分别如图13、图14、图15所示。

表3　参试机具的作业参数

2.3　试验结果与分析

对于柑橘树，由图3与图10可知，2种地面传统施药机具的雾滴沉积量及覆盖率均比4种无人航空施药装备的高，最大药液沉积量出现在3WZG-15担架式喷雾机施药情况下，柑橘树上、中、下各采样层的沉积量分别为13.68、17.77、采样层分别为0.46、0.55、0.09及0.37、0.26、0.66。经分析发现，这2种机型的喷射部件均为多个扇型雾喷头(3WYL5-15单旋翼无人机有5个喷头，3WYCZF8-06八旋翼无人机有6个喷头)，各喷头的雾量分布形成了科学叠加，使得这2种机型在全喷幅范围内的雾量分布均匀。对这2种机型的喷雾沉积状况进一步进行比较，3WYCZF8-06型无人航空施药装备在柑橘树上层及中层的喷雾均匀性优于3WYL5-15型单旋翼无人机，而在下层的测定结果则相反， 前者的八旋翼结构比后者的单旋翼结构产生的下行气流场更均匀，从而在柑橘树的上层及中层的雾滴沉积分布均匀性更好，但后者的下行气流强度强于前者，对柑橘树叶片的扰动程度较大，有利于雾滴向树冠下部穿透，使得雾滴在树冠下部的沉积分布状况得到改善。

14.48 μg/cm2，对应的覆盖率分别为21.37%、19.26%、16.32%；而无人航空施药装备中，最大沉积量出现在3WYL5-15单旋翼无人机的喷雾试验中，各采样层的雾滴沉积量分别为3.53、1.78、1.48 μg/cm2，对应的覆盖率分别为16.18%、11.64%、7.24%。经分析发现，由于地面传统施药机具喷雾量较大，且由作业人员近距离作业，对果树冠层各部位的喷施更充分。由图6可知，3WYL5-15单旋翼无人机与3WYCZF8-06八旋翼无人机航空施药装备的药液沉积分布变异系数总体上基本小于另2种参试无人航空施药装备， 各对于柚子树，由于柚子树株高为5.5 m，传统的施药机具无法对此种类型的果树进行喷雾试验，因此，采用4种不同类型的无人航空施药装备进行喷雾试验。由图7可知，配置多个扇型雾喷头的3WYL5-15单旋翼无人航空施药装备与3WYCZF8-06八旋翼无人航空施药装备在柚子树冠层各部位的药液沉积分布的变异系数均较小，分别为0.35、0.32、0.22、0.03、0.20及0.25、0.10、0.06、0.15、0.12。然而不同于这2种机型在柑橘树上的试验结果，3WYCZF8-06八旋翼无人航空施药装备在柚子树各层的喷雾均匀性均优于3WYL5-15单旋翼无人航空施药装备。经分析发现，由于柚子树的冠层与柑橘树的相比，冠形高大，但叶片较为稀疏，更有利于无人机旋翼下行气流将药液雾滴吹送至其冠层中下部，因此下行气流强度不及下行气流场均匀性对雾滴沉积分布的影响显著。LHX8-3WD12八旋翼无人航空施药装备和3WHQT-4A六旋翼无人航空施药装备同样采用2个离心雾化喷头，但前者在柚子树冠层各部位的雾滴分布较为均匀，变异系数最小仅为0.25，后者变异系数最小时为0.78。经分析，尽管这2种机型的喷射部件相同，但前者的八旋翼结构比后者的六旋翼结构产生的下行气流场更均匀，从而更有利于雾滴在柚子树冠层上均匀分布。

对于杨梅树，由图5、图8、图12可知，3WYL5-15单旋翼无人航空施药装备与3WYCZF8-06八旋翼无人航空施药装备的药液沉积分布变异系数总体上基本小于另2种参试无人航空施药装备，分别为0.30、0.21、0.17、0.10及0.31、0.22、0.45、0.41，但不同于柑橘树和柚子树的喷雾试验结果，3WYL5-15单旋翼无人航空施药装备在杨梅树各层的喷雾均匀性均优于3WYCZF8-06八旋翼无人航空施药装备。经分析发现，由于3WYL5-15单旋翼无人航空施药装备，在杨梅树喷雾试验时的飞行姿态与飞行高度的稳定性，比柑橘树和柚子树喷雾试验时要好，从而使其喷雾均匀性有所提升。

3　结论与讨论

受喷射部件型式、喷头喷雾质量、喷头布置与无人机旋翼下行气流流场特性的拟合性等因素的影响，不同结构特征及技术参数的无人航空施药装备的药液沉积分布均匀性存在较大差异。3WYL5-15单旋翼无人航空施药装备与3WYCZF8-06八旋翼无人航空施药装备的喷射部件为配置多个扇形雾喷头的横喷杆，各喷头的雾量分布形成科学叠加，使得全喷幅范围内的雾量呈均匀分布，从而在柑橘树、柚子树、杨梅树等3种果树上的喷雾均匀性都优于另外2种配置2个离心雾化喷头的无人航空施药装备。多旋翼与单旋翼相比，前者产生的下行气流场更均匀，从而在3种果树中上部的药液沉积分布变异系数均较小，但后者产生的下行气流较强，对果树叶片的扰动较大，更有利于雾滴向树冠中下部穿透，从而使得果树冠层各部位尤其是中下部药液沉积分布的状况得到改善，下行气流强度对喷雾沉积分布的影响在果树枝繁叶茂的情况下尤为显著。

与地面传统施药机具相比，无人航空施药装备的施药量低，作业效率高，采用无人航空施药装备进行果园施药可以显著降低劳动强度，在保证果树病虫害防效的同时，实现农药的减量使用。无人航空施药装备在施药作业时，不受果树品种、种植模式、地形等条件限制，可以有效解决我国矮化密植果园及丘陵山地果园的机械化植保难题。

果树的冠层特征对无人航空施药的雾滴沉积分布具有重要影响[24]，并与无人航空施药装备的结构特征、技术参数等因素存在互作效应，在果树枝繁叶茂的情况下，无人航空施药装备下行气流强度对药液在果树冠层各部位，尤其是中下部沉积分布的影响尤为显著。反之，下行气流场均匀性则是影响药液沉积分布的主要因素。柚子树的冠层与柑橘树、杨梅树相比，尽管冠形高大，但叶片较为稀疏，更易于无人机下行气流将药液雾滴吹送至其冠层中下部，因此，针对此类冠层特征的果树喷雾，下行气流强度不及下行气流场均匀性对雾滴沉积分布的影响显著。不同果树叶片界面特性对航空施药雾滴沉积状况的影响有待进一步研究。

参考文献：

[1]傅锡敏，吕晓兰，丁为民. 我国果园植保机械现状与技术需求[J]. 新疆农机化，2010(1)：49-50.

[2]常有宏，吕晓兰，蔺经，等. 我国果园机械化现状与发展思路[J]. 中国农机化学报，2013，34(6)：21-26.

[3]张海锋，许林云. 果园喷雾机发展现状及展望[J]. 中国农机化学报，2014，35(3)：112-118.

[4]李传友. 矮化密植果园喷雾机选型试验研究[J]. 农机化研究，2016(1)：201-206.

[5]刘洪杰，冯晓静，刘俊峰，等. 果园风送式喷雾机设计[J]. 安徽农业科学，2011，39(33)：20911-20913.

[6]张国庆. 农业航空技术研究述评与新型农业航空技术研究[J]. 江西林业科技，2011(1)：25-31.

[7]张兴国. 3WQF125-16型植保无人机施药效果试验[J]. 农业科技与装备，2016(6)：30-31.

[8]宋坚利，何雄奎，曾爱军，等. 三种果园施药机械施药效果研究[J]. 中国农机化，2006(5)：79-82.

[9]陈尤嘉，楼曼庆，黄福旦，等. 担架式喷雾机防治水稻二迁害虫的喷液量试验[J]. 浙江农业科学，2012，37(7)：997-998.

[10]李传友. 3YC-80型常温烟雾机性能试验研究[J]. 农机化研究，2015(6)：173-176.

[11]王昌陵，何雄奎，王潇楠. 无人植保机施药雾滴空间质量平衡测试方法[J]. 农业工程学报，2016，32(11)：54-61.

[12]张京，何雄奎，宋坚利，等. 无人驾驶直升机航空喷雾参数对雾滴沉积的影响[J]. 农业机械学报，2012，43(12)：94-96.

[13]管贤平. 无人机作业参数对喷雾沉积的影响[J]. 湖北农业科学，2014，53(3)：678-680.

[14]张琳娜. 雾滴在中后期玉米冠层中的沉积分布及第二代亚洲玉米螟的化学防治[D]. 北京：中国农业科学院，2012.

[15]张盼，吕强，易时来. 小型无人机对柑橘园的喷雾效果研究[J]. 果树学报，2016，33(1)：34-42.

[16]李鸿筠，刘浩强，冉春，等. 不同喷雾器械对柑橘害虫的防治研究[J]. 农机化研究，2015(4)：150-154.

[17]薛新宇，秦维彩，孙竹，等. N-3型无人直升机施药方式对稻飞虱和稻纵卷叶螟防治效果的影响[J]. 植物保护学报，2013，40(3)：273-278.

[18]薛新宇，兰玉彬. 美国农业航空技术现状和发展趋势分析[J]. 农业机械学报，2013，44(5)：194-201.

[19]邱白晶，王立伟，蔡东林，等. 无人直升机飞行高度与速度对喷雾沉积分布的影响[J]. 农业工程学报，2013，29(24)：25-32.

[20]秦维彩，薛新宇，周立新，等. 无人直升机喷雾参数对玉米冠层雾滴沉积分布的影响[J]. 农业工程学报，2014，30(5)：50-56.

[21]高圆圆，张玉涛，张宁，等. 小型无人机低空喷洒在小麦田的雾滴沉积分布及对小麦吸浆虫的防治效果初探[J]. 作物杂志，2013(2)：139-142.

[22]高圆圆，张玉涛，赵酉城，等. 小型无人机低空喷洒在玉米田的雾滴沉积分布及对玉米螟的防治效果初探[J]. 植物保护，2013，39(2)：152-157.

[23]袁会珠，王忠群，孙瑞红，等. 喷洒部件及喷雾助剂对担架式喷雾机在桃园喷雾中的雾滴沉积分布的影响[J]. 植物保护，2010，36(1)：106-109.

[24]李丹，赵经华，洪明，等. 不同种类果树冠层特性比较[J]. 北方园艺，2015(16)：40-43.