植保无人机低容量喷雾防除玉米田杂草的雾滴沉积特性及除草效果

范明洪, 兰玉彬, 赵德楠, 李东升, 李翠云, 蔡瑞孝,高金烨, 朱俊科*, 王会征*

(1. 山东理工大学农业工程与食品科学学院, 淄博 255000; 2. 山东理工大学生态无人农场研究院, 淄博 255000;3. 山东省农业航空智能装备工程技术研究中心, 淄博 255000; 4. 山东滨农科技有限公司, 滨州 256603)

玉米是我国第一大粮食作物,研究表明,因杂草危害每年可使玉米产量损失20%以上[1-2]。化学防除是防治杂草的主要途径之一,合理使用农药防除杂草有助于提高作物的产量和质量,为作物生长和发育提供良好的环境[3-6]。

当前,我国农药喷施方式以大容量喷雾机械为主,包括背负式喷雾机械、自走式喷雾机械等[7]。在地面喷施过程中,普遍存在“粗放式”喷洒情况,不仅使农药有效利用率降低,还会形成农药残留,污染生态环境[8-9]。随着近年来科技的进步,农业航空产业中植保无人机技术受到人们广泛关注[10]。植保无人机采用低容量喷雾,具有效率高、安全性好、农药利用率高等优点[11-13]。秦维彩等[14]研究了N-3型无人直升机喷洒参数对玉米冠层雾滴沉积分布的影响,表明不同作业高度和横向喷洒幅度会影响雾滴在植株上的沉积量和分布均匀性。Shan等[15]研究了除草剂不同雾滴粒径和喷液量在小麦上的应用,结果表明雾滴密度及覆盖率随着喷液量的增加而增大。除植保无人机的相关参数外,选择合适的药剂对控制杂草长势同样至关重要[16]。

在杂草防除过程中,不同植保无人机类型、作业参数、作物类型和不同的药剂剂型等因素都会影响药剂沉积及防效[17]。当前,有关植保无人机玉米田除草剂喷施及除草效果等方面的研究鲜有报道。本研究应用四旋翼植保无人机进行了玉米田除草剂在飞防中安全使用及药效试验,探究不同雾滴粒径和不同喷液量的沉积分布效果以及对除草效果的影响,以期为应用植保无人机防治玉米田杂草以及除草剂安全施用提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

药剂及仪器:28%烟嘧磺隆·莠去津可分散油悬浮剂(OD),滨农科技有限公司。广州极飞科技有限公司的极飞XP2020植保无人机,主要性能指标如表1所示。精工爱普生株式会社Epson DS-1610扫描仪处理雾滴纸卡;卡罗米特卡片,长60 mm×宽30 mm;环境监测采用Kestrel 5500 LINK气象仪,美国Kestrel LINK公司。雾滴纸卡收集安装设备包括双头夹、塑料杆、橡胶手套、密封袋、标签纸等。

表1 植保无人机主要性能指标

1.2 试验地概况及环境情况

试验于2021年7月-8月在山东省淄博市临淄区禾丰种业生态无人农场玉米田(118.22°E; 36.95°N)进行(图1)。玉米品种为‘纯玉958’。小麦玉米轮作种植,前茬为小麦,小麦留茬15 cm,玉米株距25 cm,行距60 cm,种植密度为67 500株/hm2。试验时期为玉米4～6叶期,田间主要杂草包含阔叶类和禾本科杂草,代表性的杂草主要有马唐Digitariasanguinalis(L.) Scop.、狗尾草Setariaviridis(L.) Beauv.、铁苋菜AcalyphaaustralisL.等。试验时在离地面高度2.0 m处布置Kestrel 5500 LINK气象仪,记录时间间隔为60 s。喷施试验当天风速为0.9～3.4 m/s,伴有阵风,风向为东风,平均温度为27.5℃,平均湿度为60.6%。

图1 玉米田无人机喷洒除草剂试验装置实物现场图Fig.1 Scene picture of UAV spray herbicide test device in corn field

1.3 试验方法

1.3.1试验处理设计

本试验选用玉米田除草剂28%烟嘧磺隆·莠去津OD。无人机喷施作业试验地块10 m×100 m为一个处理,设置9个处理,处理之间间隔20 m缓冲隔离带,以防止雾滴飘移影响,另外设置空白对照区,共10个处理(图2a)。试验采用两因素三水平试验设计,植保无人机极飞XP2020飞行高度2.5 m,飞行速度2.5 m/s,喷幅设置为3 m。具体试验处理设计详见表2。

1.3.2采样点布置

如图2b所示,在9个处理地块中设置相同间隔距离的3条雾滴采集带,处理之间缓冲隔离带距离为20 m,为避免无人机到达采样带作业时未达到既定飞行速度与高度,第一条采样带距离处理地块起始点15 m,每条采样带布置6个采样点,采样点间隔距离为1 m,采样带总长度为5 m。每个采样点布置一个竖直塑料采样杆,在距离地面5 cm左右高度通过双头夹水平夹持一张卡罗米特纸卡,用来获取雾滴沉积情况。为更好地模拟实际作业过程中的雾滴沉积情况,试验采用3条喷幅进行喷施,按照图2b中箭头方向所示进行作业,采样带位置位于中间喷幅向两侧延伸。

表2 玉米田无人机喷洒除草剂试验处理设计

图2 玉米田无人机喷洒除草剂试验布置示意图Fig.2 Layout of herbicide spraying test by UAV in corn field

1.4 数据采集与处理

本试验所用除草剂为28%烟嘧磺隆·莠去津OD,用药量900 mL/hm2,采用85%诱惑红现场配制为5‰的水溶液作为示踪剂[18]进行喷施试验。每个处理完成后,收集卡罗米特纸卡带回实验室,使用DS-1610型爱普生扫描仪在600 dpi分辨率下进行扫描,采用DepositScan(美国农业部)图像处理软件进行图像处理分析,获取极飞XP2020植保无人机不同飞行参数下的沉积特征，包括雾滴密度、覆盖率、沉积量等参数[19]。

本试验通过SPSS v22.0及Microsoft Office Excel 2019软件对数据进行分析检验,所有图表均通过Origin 2017绘制。为了表征各组试验各采样点雾滴沉积均匀性,本文采用变异系数CV为各组试验雾滴沉积分布均匀性的度量,变异系数为:

1.5 防效调查

1.5.1安全性调查

施药后观察各处理区的玉米生长发育情况,实时观察有无药害症状出现,作物生长是否正常等。

1.5.2除草效果调查

施药后当天、15 d、30 d在各试验区采用五点随机取样法,每点1 m2,调查杂草种类、株数,计算株防效,药后30 d拔出杂草称重,计算鲜重防效[20]。杂草主要调查对象有马唐、牛筋草Eleusineindica(L.) Gaertn.、狗尾草、稗草Echinochloacrus-galli(L.) Beauv.、藜ChenopodiumalbumL.、马齿苋PortulacaoleraceaL.、葎草Humulusscandens(Lour.) Merr.、苘麻AbutilontheophrastiMedicus 等。

株防效=[(空白对照区残存杂草株数-处理区残存杂草株数)/空白对照区残存杂草株数]×100%;

鲜重防效=[(空白对照区残存杂草鲜重-处理区残存杂草鲜重)/空白对照区残存杂草鲜重]×100%。

2 结果与分析

2.1 不同雾滴粒径及喷液量下的雾滴覆盖率

雾滴覆盖率与雾滴粒径大小、喷液量密切相关[21]。图3为不同雾滴粒径及喷液量下雾滴覆盖率,随着雾滴粒径以及喷液量的变化,靶区内雾滴覆盖率也随之变化。相同雾滴粒径下,随着喷液量的增加,靶区内雾滴覆盖率随之增加。其中,当喷液量为30 L/hm2、雾滴粒径285 μm时,靶区内雾滴覆盖率最好,达7.59%;当喷液量30 L/hm2、雾滴粒径150 μm时,靶区内雾滴覆盖率其次,达7.58%。

图3 不同雾滴粒径及喷液量下雾滴覆盖率Fig.3 The coverage rate of droplets under different droplet size and spray volume

2.2 不同雾滴粒径及喷液量下雾滴密度

不同喷液量及雾滴粒径下雾滴密度也不同,在3种喷液量下,150 μm雾滴粒径的雾滴密度均远远高于其他两种雾滴粒径的雾滴密度。在15.0、22.5、30 L/hm2喷液量下,150 μm雾滴粒径的雾滴密度分别为32.93、32.59、34.58个/cm2(图4)。

图4 不同雾滴粒径及喷液量下的雾滴密度Fig.4 The droplet density under different droplet size and spray volume

2.3 不同雾滴粒径及喷液量下雾滴沉积量

喷液量及雾滴粒径不同,靶区内雾滴沉积量不同(表3)。15、22.5、30 L/hm2等3种喷液量下,靶区内雾滴沉积量随喷液量增加而增加。喷液量为30.0 L/hm2时,150、200、285 μm雾滴粒径下靶区内雾滴平均沉积量分别为0.62、0.85、1.21 μL/cm2，高于其他两种喷液量。相同喷液量下,雾滴粒径越小,雾滴沉积分布均匀性越好,当喷液量30 L/hm2、雾滴粒径150 μm时,雾滴沉积分布均匀性最好,为55.34%。

表3 不同雾滴粒径及喷液量下沉积量平均值及变异系数1)

2.4 对玉米田杂草防效分析

2.4.1玉米田施药后安全性调查

施药后15 d,未见玉米生长迟缓现象,玉米叶片有轻度褪绿黄斑,但能很快恢复。施药后30 d,玉米长势良好,未见矮化、提前抽穗、发育迟缓等现象,与周边玉米生长无差异。

2.4.2玉米田防效调查结果

田间杂草调查结果表明，植保无人机在不同雾滴粒径及喷液量条件下喷施28%烟嘧磺隆·莠去津可分散油悬浮剂能有效防除玉米田多种一年生的禾本科杂草和阔叶杂草，对马唐、狗尾草、铁苋菜等杂草防除效果好。由表4可知，施药后15 d，株防效为74.47%～94.63%。施药后30 d，株防效为72.87%～92.63%，鲜重防效为83.07%～97.30%。试验结果表明，随着时间的增加，28%烟嘧磺隆·莠去津OD对玉米田杂草控制作用明显，其15 d株防效中，喷液量30 L/hm2+雾滴粒径285 μm处理，与15 L/hm2+200 μm，15 L/hm2+150 μm处理差异显著，与其余各处理无显著差异，30 d株防效中，喷液量30 L/hm2+雾滴粒径285 μm处理与30 L/hm2+200 μm处理有显著差异，与其余各处理差异不显著。同时，对比15 d和30 d株防效发现， 30 L/hm2+200 μm、15 L/hm2+285 μm、30 L/hm2+285 μm处理中的30 d株防效略小于15 d株防效。当喷液量为30 L/hm2,雾滴粒径285 μm(T9)时对杂草的鲜重防效最好，为97.30%。

表4 不同喷液量与雾滴粒径组合处理的杂草防效1)

3 讨论

植保无人机喷施除草剂防治玉米田杂草试验中,通过改变不同的雾滴粒径及喷液量,对靶标作物进行雾滴沉积特性及防效研究,得到了适合植保无人机喷施的参数设置,为植保无人机在玉米田喷施除草剂提供了数据支撑。在试验过程中,喷液量为30 L/hm2,150 μm雾滴粒径与285 μm雾滴粒径雾滴覆盖率效果较好,产生这种现象可能是由于150 μm和285 μm雾滴粒径大小不同,当150 μm细雾雾滴粒径喷洒时,在相同喷液量下雾滴粒径小使雾滴在靶区内中靶率增加,从而增大了雾滴覆盖率;当使用285 μm大雾滴粒径喷洒时,虽然靶区内中靶率有所降低,但是雾滴粒径较大,在靶区内中靶,相比小的雾滴粒径增大了靶区内雾滴覆盖率。当喷液量一定时,雾滴靶标作物上的沉积量随雾滴粒径的增大而增大,雾滴粒径较小容易受到飘移及蒸发影响导致沉积量变少,且飘移会影响施药安全。对于一些处理中,30 d与15 d株防效相比较,随着施药后时间的增加,株防效降低,产生这种现象的原因可能是烟嘧磺隆为内吸性除草剂,在喷洒时会被杂草叶片和根部吸收,在植物体内传导,抑制杂草生长,药后20～25 d杂草叶片逐渐发黄、枯死。在施药后15 d和30 d调查时,由于采取随机取样,所取样本具有一定随机性,且在施药后30 d调查时,杂草叶片对比施药后15 d已经有明显发黄枯萎现象产生,但在统计中为体现结果准确性仍计算到杂草总数中,所以在药后15 d和30 d对比株防效时,才会出现株防效下降,但鲜重防效总体提高的情况。

4 结论

本试验测定了植保无人机施药防除玉米田杂草雾滴沉积特性及对杂草的防除效果,结论如下：

1)在本试验3种雾滴粒径及3种喷液量条件下,喷液量30 L/hm2、雾滴粒径285 μm时,在玉米田杂草上雾滴覆盖率及雾滴沉积量最高,分别为7.59%和1.21 μL/cm2。当喷液量30 L/hm2、雾滴粒径150 μm时,田间雾滴密度最大，为34.58个/cm2。

2)本试验使用植保无人机喷施除草剂对杂草的控制效果明显。当使用植保无人机施药时,若考虑无人机作业效率,减少作业时无人机起落架次,建议使用15 L/hm2、150 μm以上喷液量及雾滴粒径进行处理;当玉米田杂草基数较大、作业地块较少时,建议使用喷液量为30 L/hm2、雾滴粒径285 μm进行杂草防除。

总体而言,植保无人机玉米田喷施除草剂应用表现出较好的潜力,但除草剂喷施还需与田间管理相结合才能达到较好的杂草防除效果。