無人機噴霧霧滴分布研究

陶 波，孔令偉

（東北農業(yè)大學農學院，哈爾濱 150030）

農業(yè)病蟲草害是中國糧食安全和農產品供給制約因素。農用可防治農作物病蟲害、消除雜草。目前國內施藥機械和技術水平相對落后，農藥利用率低[1]。隨農業(yè)現代化、規(guī)?；l(fā)展，我國田間施藥需科學施藥、規(guī)范用藥，調節(jié)除草劑藥液性狀，提高藥效、降低用藥量，緩解后茬作物殘留藥害，改進噴霧設備，使用大型噴霧器械及植保無人機噴藥[2]。植保無人機機動性強、控制靈活、作業(yè)成本低[3]；噴霧作業(yè)不受地形限制，作業(yè)效率高，節(jié)省勞力并提高田間施藥效率[4]；噴霧作業(yè)時，操作者與無人機分離，避免農藥霧滴接觸人體造成農藥中毒事件；采用低量或超低量噴霧，降低農藥使用量，提高農藥利用率，減少環(huán)境污染[5]。

近年，中國植保無人機發(fā)展迅速[6]。飛防作業(yè)中，主要問題為農藥霧滴飄移與蒸發(fā)[7]。影響無人機噴霧霧滴因素很多，包括作業(yè)狀態(tài)、風速、空氣溫濕度等[8-9]。科研人員應用不同研究手段探究植保無人機噴霧霧滴沉積、飄移與蒸發(fā)問題。張宋超等采用計算流體動力學（Computational fluiddynamics，CFD）模擬方法分析N-3型無人直升機施藥作業(yè)中藥液飄移情況[10]，張盼等研究QJ-460型4旋翼無人機在柑橘樹體冠層霧滴沉積效果[11]。Qin等使用HyB-15L型無人機在水稻上噴施毒死蜱乳油防治稻飛虱，研究其霧滴沉積分布均勻性和防治效果[12]。王玲等設計微型無人機脈寬調制型變量噴藥系統，利用風洞懸停無人機變量噴藥研究霧滴沉積規(guī)律[13]。范慶妮設計適合天鷹3號小型無人直升機低空低量噴灑的液力噴頭，確定最佳匹配參數[14]。周立新等開展航空施藥用電動離心噴頭試驗研究，分析霧化盤電機電壓和噴頭流量兩個主要因素對電動離心噴頭噴灑性能影響[15]。

本文結合農藥霧滴分布試驗及田間生物活性試驗，利用水敏試紙為靶標承接農藥霧滴，從飛行高度、飛行速度、噴液流量及風速、溫度、空氣濕度等方面研究植保無人機噴霧過程中霧滴沉積分布情況，探究不同作業(yè)狀態(tài)及環(huán)境對植保無人機霧滴分布影響，通過田間生物活性試驗和田間雜草防效調查，分析植保無人機最佳作業(yè)狀態(tài)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料、藥劑及儀器

水敏試紙：東北農業(yè)大學農藥研究所制作。

試驗藥劑：4%煙嘧磺隆可分散油懸浮劑，購自合肥久易農業(yè)開發(fā)有限公司；15%硝磺草酮可分散油懸浮劑，購自安徽中山化工有限公司；90%莠去津水分散粒劑，購自浙江中山化工集團股份有限公司。

植保無人機：山東宇航植保無人機YH-4-10；旋翼：4；最大功率：1 933 W；載重量：10 L。

1.2 試驗方法

1.2.1 農藥霧滴分布試驗

試驗使用植保無人機飛防噴霧，各處理農藥按田間施藥比例配制：4%煙嘧磺隆可分散油懸浮劑1.5 kg·hm-2，噴液量300 L·hm-2。小區(qū)布置分為噴霧區(qū)及飄移區(qū)，噴霧區(qū)設置為20 m×30 m，飄移區(qū)設置為10 m×30 m，在飄移區(qū)內放置水敏試紙作為靶標，水敏試紙分別放置于噴霧區(qū)內無人機航線正下方，記錄為0 m；飄移區(qū)內距離噴霧區(qū)邊界1、2、3、5、7、10 m。水敏試紙放置于距地面高20 cm，同一距離，每兩張水敏試紙間隔10 m放置。每個小區(qū)設3次重復。試驗小區(qū)分布如圖1所示。

噴藥結束，將水敏試紙按放置位置編號并收集裝入自封袋。試驗結束后利用軟件分析水敏試紙農藥霧滴覆蓋率，0 m處水敏試紙農藥霧滴覆蓋率反映農藥霧滴沉積率，1～10 m處水敏試紙農藥霧滴覆蓋率反映農藥霧滴飄移量。記錄數據，根據公式（1）計算農藥霧滴覆蓋率。

覆蓋率（%）=水敏試紙農藥霧滴覆蓋面積/水敏試紙總面積×100% （1）①植保無人機飛行高度對霧滴沉積、飄移影響按圖1設計田間小區(qū)，表1設計試驗處理作噴霧試驗。

飛防試驗室外環(huán)境為：溫度24℃，濕度42%，風速0.8 m·s-1。

②植保無人機飛行速度對霧滴沉積、飄移影響

按圖1設計田間小區(qū)，表2設計試驗處理作噴霧試驗。

飛防試驗室外環(huán)境為：溫度24℃，濕度42%，風速0.8 m·s-1。

③植保無人機噴液流量對霧滴沉積、飄移影響

按圖1設計田間小區(qū)，表3設計試驗處理作噴霧試驗。

表1 不同飛行高度對農藥霧滴沉積、飄移影響Table1 Effectsof different spray heightson thedeposition and drift of pesticidedroplet

表2 不同飛行速度對農藥霧滴沉積、飄移影響Table 2 Effects of different flight velocities on the deposition and drift of pesticide droplet

飛防試驗室外環(huán)境為：溫度24℃，濕度42%，風速0.8 m·s-1。

④環(huán)境對植保無人機噴霧霧滴沉積、飄移影響

按圖1設計田間小區(qū)，表4設計試驗處理作噴霧試驗，保持植保無人機飛行高度1 m，飛行速度5 m ·s-1，噴液流量1 800 mL ·min-1。

⑤風速對植保無人機噴霧霧滴沉積、飄移影響

按圖1設計田間小區(qū)，表5設計試驗處理作噴霧試驗，保持植保無人機飛行高度1 m，飛行速度5 m ·s-1，噴液流量1 800 mL ·min-1。

表3 不同噴液流量對農藥霧滴沉積、飄移影響Table 3 Effects of different spray flow on thedeposition and drift of pesticide droplets

表4 不同溫濕度對農藥霧滴沉積、飄移影響Table 4 Effectsof different temperatureand humidity on the deposition and drift of pesticide droplets

表5 不同風速對農藥霧滴沉積、飄移影響Table 5 Effectsof different wind speed on the deposition and drift of pesticide droplets

1.2.2 田間生物活性試驗

試驗共設8個處理，通過田間雜草防效分析無人機最佳作業(yè)狀態(tài)。

試驗作物：玉米（東農245）。

試驗藥劑：硝磺草酮15%可分散油懸浮劑0.4 kg·hm-2+莠去津90%水分散粒劑0.8 kg·hm-2。

室外環(huán)境：溫度24℃，空氣濕度61%，風速1.3 m · s-1。

試驗結束后5 d，調查玉米田雜草防除效果并分析各處理間雜草防效差異，結合農藥霧滴分布試驗，分析飛防作業(yè)時無人機最佳作業(yè)狀態(tài)。試驗各處理詳見表6。

2 結果與分析

2.1 植保無人機飛行高度對霧滴沉積、飄移影響

高度對農藥霧滴沉積和飄移影響顯著，隨高度升高，農藥霧滴沉積率逐漸降低，飄移量逐漸升高。飄移距離0 m處，飛行高度1 m時農藥霧滴沉積效果最佳，達73.2%，噴藥高度3 m時農藥霧滴沉積率最差，僅為62.2%。飄移距離1～10 m處，植保無人機飛行高度1、1.5 m時，農藥霧滴飄移量無明顯差異；飛行高度2、3 m時，農藥霧滴飄移量明顯升高。飄移距離10 m處，飛行高度1 m時農藥霧滴飄移量最少，僅為1.7%，噴藥高度3 m時農藥霧滴飄移量最多，達3%。因此，田間飛防作業(yè)過程中，飛行高度應選擇距植株冠層1～1.5 m高，如果作業(yè)場地允許，應盡量保持飛行高度1 m。在農作物不同生長時期，應適當調整植保無人機飛行高度。

2.2 植保無人機飛行速度對霧滴沉積、飄移分布影響

飛行速度對農藥霧滴沉積和飄移影響不顯著。不同飛行速度條件下，飛行速度5 m·s-1，農藥霧滴沉積效果最佳，達73.2%；飛行速度4 m·s-1，農藥霧滴沉積率達70.6%，與飛行速度5 m·s-1時無顯著差異；飛行速度6 m·s-1，農藥霧滴沉積率最差，僅為65.1%。飄移距離10 m處，飛行速度5 m·s-1，農藥霧滴飄移率最少，僅為1.7%。飛行速度3 m·s-1，農藥霧滴沉積效果最差，農藥霧滴飄移率達3.5%。

總體分析，噴霧區(qū)內，飛行速度5 m·s-1，農藥霧滴沉積效果最佳；飄移區(qū)內，飛行速度5 m·s-1，農藥霧滴飄移量最少，與其他處理差異顯著。結合無人機風場及空氣動力學分析，當無人機飛行速度較低時，旋翼下壓風場小，導致農藥霧滴受自然風影響，沉積量降低，飄移量升高。當無人機飛行速度較高時，旋翼下壓風場大，但4個旋翼產生風場相互影響，霧滴在空氣中分布不均勻，同時，由于飛行速度較高，經過噴藥區(qū)域單位時間內噴出農藥霧滴少，結合兩方面因素，當飛行速度較高時，農藥霧滴沉積量降低，飄移量升高。因此，田間飛防作業(yè)過程中，建議選擇飛行速度為5 m·s-1，但應根據田間實際情況及噴施藥劑類型調整，如噴施葉面肥時，根據噴施葉面肥濃度適當調節(jié)無人機飛行速度，以免速度過低，噴施濃度過高。

表6 植保無人機田間飛防作業(yè)Table 6 Plant protection uav field fly defense operations

圖2 不同飛行高度對農藥霧滴沉積、飄移影響Fig.2 Effects of different flight heights on thedeposition and drift of pesticide droplets

2.3 植保無人機噴液流量對霧滴沉積、飄移影響

噴液流量對農藥霧滴沉積和飄移影響不顯著。不同噴液流量條件下，噴液流量2 200 mL·min-1，農藥霧滴沉積率最大，達75.4%；噴液流量2 000 mL·min-1，農藥霧滴沉積率為74.9%；噴液流量1 800 mL·min-1，農藥霧滴沉積率為73.2%，三個處理間，農藥霧滴沉積率無明顯差異。噴液流量1 600 mL·min-1，農藥霧滴沉積率為67.8%，與前三個處理存在明顯差異。飄移距離1～10 m處，噴液流量1 800、2 000 mL·min-1兩個處理農藥霧滴飄移率最低，噴液流量2 200 mL·min-1農藥霧滴飄移率較高，噴液流量1 600 mL·min-1農藥霧滴飄移率最高。

總體分析可知，噴液流量1 800和2 000 mL·min-1時，農藥霧滴分布效果最佳。由此可見，并非噴液流量越大農藥霧滴分布效果越好。噴液流量過大時，單位時間內噴出農藥霧滴過多，易造成藥害發(fā)生。分析噴頭液壓發(fā)現，當噴液流量較大時，液壓較大，農藥霧滴受自然風影響導致飄移量少，同時噴藥區(qū)域單位時間內噴出農藥霧滴較多，導致農藥霧滴沉積增加，飄移減少。田間飛防作業(yè)時，需考慮作業(yè)成本及農藥對作物影響。一般作飛防處理時，每公頃噴液量為1.2～1.5 L，以噴幅4 m、飛行速度5 m·s-1為例，當噴藥流量為1 800 mL·min-1時，每公頃噴液量1.5 L，噴藥流量為2 000 mL·min-1時，每公頃噴液量1.66 L，噴藥流量為2 200 mL·min-1時，每公頃噴液量1.83 L。無人機在此作業(yè)狀態(tài)下，噴藥流量為1 800 mL·min-1時，每公頃噴液量適中。噴藥流量為2 000和2200 mL·min-1時，每公頃噴液量略高，造成經濟損失并易導致敏感作物產生藥害。由于無人機為低容量作業(yè)，每公頃噴液量應嚴格控制，否則極易出現藥害。

圖3 不同飛行速度對農藥霧滴沉積、飄移影響Fig.3 Effectsof different flight velocitieson thedeposition and drift of pesticidedroplets

圖4 不同噴液流量對農藥霧滴沉積、飄移影響Fig.4 Effectsof different spray flow on thedeposition and drift of pesticidedroplets

2.4 環(huán)境對植保無人機噴霧霧滴沉積、飄移影響

由于室外環(huán)境無法人工控制，試驗盡量選擇代表性天氣環(huán)境。由圖5可知，在噴霧區(qū)及飄移區(qū)內，對比溫度28℃、空氣濕度34%與溫度14℃、空氣濕度41%兩處理農藥霧滴沉積、飄移情況無明顯差異。溫度23℃、空氣濕度68%與溫度11℃、空氣濕度57%兩處理農藥霧滴沉積、飄移情況無明顯差異。分析空氣環(huán)境發(fā)現，各處理間空氣濕度相近，溫度相差較大時，農藥霧滴沉積與飄移情況差異不明顯。

在噴霧區(qū)及飄移區(qū)內，對比溫度28℃、空氣濕度34%與溫度23℃、空氣濕度68%兩處理農藥霧滴沉積、飄移情況存在明顯差異。溫度14℃、空氣濕度41%與溫度11℃、空氣濕度57%兩處理農藥霧滴沉積、飄移情況存在明顯差異。分析空氣環(huán)境發(fā)現，溫度相近、空氣濕度差異較大時，農藥霧滴沉積與飄移情況存在顯著差異。

通過室外環(huán)境結合熱力學分析研究農藥霧滴分布影響，溫度對農藥霧滴分布情況影響不顯著，濕度對農藥霧滴分布情況影響顯著。環(huán)境溫度較高，空氣濕度較低時，由于高溫干旱導致農藥霧滴蒸發(fā)加快，造成農藥浪費。由于田間飛防作業(yè)處于春夏季，室外空氣溫度多以高溫天氣為主，建議上午9:00前，下午16:00后作田間飛防處理。

圖5 不同溫濕度對農藥霧滴沉積、飄移影響Fig.5 Effects of different temperature and humidity on the deposition and drift of pesticide droplets

圖6 不同風速對農藥霧滴沉積、飄移影響Fig.6 Effectsof different wind speed on thedeposition and drift of pesticidedroplets

2.5 風速對植保無人機噴霧霧滴沉積、飄移影響

風速對農藥霧滴分布影響顯著。由圖6可見，風速1.1和1.6 m·s-1時，農藥霧滴沉積較好，飄移較少。風速1.1 m·s-1，農藥霧滴沉積率達85.8%，風速1.6 m·s-1，農藥霧滴沉積率為84.7%，兩處理間農藥霧滴沉積率無顯著差異。風速2.8 m·s-1，農藥霧滴沉積率為82.4%，風速3.5 m·s-1，農藥霧滴沉積率最差，僅為76.8%。飄移區(qū)內，飄移距離1 m處，風速1.1和1.6 m·s-1兩處理農藥霧滴飄移率存在差異。飄移距離2～10 m處，風速1.1和1.6 m·s-1兩處理農藥霧滴飄移率無顯著差異，風速3.5 m·s-1，農藥霧滴飄移率最高，飄移距離10 m處，農藥霧滴飄移率達2.8%。

分析風速對農藥霧滴分布影響可知，氣流帶動農藥霧滴飄散到非靶標區(qū)域，風速越高，農藥霧滴飄移距離越遠，飄移量越大，對非靶標區(qū)域作物、水源及人畜造成危害。因此，田間飛防處理風速宜保持在3 m·s-1以下。

2.6 無人機作業(yè)狀態(tài)對藥效影響

由表7可知，植保無人機飛行高度1 m、飛行速度5 m·s-1、噴液流量2 000 mL·min-1；飛行高度1.5 m、飛行速度5 m·s-1、噴液流量2 000 mL·min-1及飛行高度1 m、飛行速度5 m·s-1、噴液流量1 800 mL·min-1三個處理田間雜草防效較好，且三個處理間田間雜草防效無顯著差異。其中飛行高度1 m、飛行速度5 m·s-1、噴液流量2 000 mL·min-1田間雜草防效最佳，禾本科雜草防效達72.3%，闊葉雜草防效達50.7%。飛行高度1.5 m、飛行速度4 m·s-1、噴液流量1 800 mL·min-1處理田間雜草防效最差，與飛行高度1 m、飛行速度5 m·s-1、噴液流量2 000 mL·min-1相比，禾本科雜草防效相差10.3%，闊葉雜草防效相差13%。

表7 玉米田飛防處理雜草防效Table 7 Cornfield fly defensetreatment weed control in corn field (%)

3 討論與結論

國內外噴藥霧滴分布研究較多。Downer等使用噴桿噴霧機作田間飄移試驗，發(fā)現飄移隨風速增加而增加[16]。Wolter等使用不同方法評價噴桿噴霧機在冬小麥施藥時農藥沉積和空中霧滴飄移情況[17]。Holterman等發(fā)現提高噴桿高度時飄移增加[18]，但并未系統分析不同飛行高度、飛行速度、噴液流量、空氣溫濕度、風速對無人機施藥過程中藥液飄移情況。

本文結論：飛行高度、飛行速度、噴液流量、空氣濕度、溫度、風速與農藥霧滴沉積分布及農藥藥效呈顯著正相關，其中，飛行速度、噴霧流量、溫度在一定范圍內對農藥霧滴沉積分布及農藥藥效影響不顯著。飛行高度由1 m上升到3 m，農藥霧滴覆蓋率降低11%；飛行速度5 m·s-1，農藥霧滴覆蓋效果最佳；噴液流量2 200 mL·min-1，農藥霧滴覆蓋效果最佳，噴液量過高易造成農藥過量，導致作業(yè)成本較高及作物病害問題，因此噴液量建議1 800 mL·min-1；溫度28℃、空氣濕度32%變?yōu)闇囟?5℃、空氣濕度64%，農藥霧滴覆蓋率增加8.1%，溫度近似，空氣濕度越高，農藥霧滴覆蓋率越高；溫度28℃、空氣濕度32%調整為溫度14℃、空氣濕度41%，農藥霧滴覆蓋率增加2.2%，空氣濕度近似，溫度降低，農藥霧滴覆蓋率升高，但差異不顯著；風速由1.1 m·s-1升高為3.5 m·s-1，農藥霧滴覆蓋率降低9%。植保無人機田間飛防作業(yè)時，應避免高溫干旱、風速較高天氣。并建議無人機作業(yè)狀態(tài)為：飛行高度1 m，飛行速度5 m·s-1，噴液流量1 800 mL·min-1。