不同電動植保無人機(jī)稻田霧滴沉積分布試驗研究

漆海霞，陳鵬超，蘭玉彬，黃曉宇，王國賓

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院/國家精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)航空施藥技術(shù)國際聯(lián)合研究中心，廣州 510642)

0 引言

農(nóng)業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的第一產(chǎn)業(yè)，是我國國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)，而農(nóng)作物的病、蟲、草、鼠害等一直是制約農(nóng)業(yè)發(fā)展的嚴(yán)峻問題[1]。近年來，受病蟲源基數(shù)、氣候變化和作物種植條件等因素綜合影響，農(nóng)作物病蟲害發(fā)生呈連年偏重態(tài)勢。據(jù)全國農(nóng)技中心預(yù)測，2018年我國農(nóng)作物重大病蟲害總發(fā)生面積將達(dá)到50億畝次[2]。病蟲害的區(qū)域性、規(guī)模性爆發(fā)，加之農(nóng)村勞動力短缺以及傳統(tǒng)植保器械落后等諸多方面原因，人們對作業(yè)效率高、質(zhì)量好、適應(yīng)性廣以及應(yīng)對突發(fā)能力強(qiáng)的新型植保器械的需求越來越迫切。以植保無人機(jī)為代表的航空施藥器械能夠快速高效地開展病蟲草害的防治，特別是能及時有效地防控大面積爆發(fā)性的有害生物災(zāi)害[3-5]。據(jù)統(tǒng)計，飛機(jī)作業(yè)效率是地面機(jī)械效率的5～7倍，是人工噴霧的200～500倍，且作業(yè)成本更低，相比地面機(jī)械每英畝可減少農(nóng)作物損傷和其他事項支出40元[6-7]。

近年來，針對植保無人機(jī)在典型糧食作物的施藥技術(shù)，國內(nèi)科研人員做了大量的試驗研究。邱白晶[8]建立了沉積濃度、沉積均勻性與飛行高度、速度兩因素間的關(guān)系模型，認(rèn)為飛行速度和高度對沉積的濃度和均勻性影響極顯著。秦維彩[9]等研究了噴灑參數(shù)對玉米冠層霧滴沉積分布的影響，認(rèn)為飛行高度為7m、橫向噴灑幅度為5m時，霧滴沉積特性和噴灑效果較好。陳盛德[10]設(shè)置不同的飛行高度研究作業(yè)參數(shù)對水稻冠層的霧滴沉積分布的影響，結(jié)果表明：飛行高度和飛行速度對靶區(qū)內(nèi)采集點上霧滴平均沉積量影響均顯著，隨著飛行高度增加，靶區(qū)內(nèi)霧滴沉積量逐漸減少。蒙艷華等[11]以單旋翼油動無人機(jī)為研究對象，同樣對作業(yè)高度、作業(yè)速度和噴施流量進(jìn)行參數(shù)優(yōu)選，結(jié)果表明影響小麥冠層的霧滴沉積的主要因素依次是作業(yè)速度、噴施流量、作業(yè)高度。以上試驗研究均圍繞無人機(jī)的作業(yè)參數(shù)或噴霧參數(shù)開展，研究結(jié)果只針對某種類型無人機(jī)，而缺少對不同無人機(jī)類型的作業(yè)效果的比較。本文選取5種電動植保無人機(jī)，設(shè)定相同的施藥量，開展不同旋翼類型和噴頭類型在水稻田的霧滴沉積效果對比試驗研究，以期為植保無人機(jī)快速應(yīng)用推廣提供數(shù)據(jù)支撐和理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

本試驗于2017年10月25日在廣西平南縣開展，供試作物為孕穗期水稻，水稻品種象牙香占，株高1.2m。試驗時溫度31℃，濕度45%，無風(fēng)。

1.1 試驗機(jī)型

試驗分別選用5種電動植保無人機(jī)，分別為極飛P20、農(nóng)博士3XY8D、新和萊特3WWDZ-10B、高科新農(nóng)s40及廣西云瑞YRX6-16。試驗根據(jù)相同施藥量計算出各機(jī)型的飛行速度，飛行高度根據(jù)實際作業(yè)情況選取，各機(jī)型作業(yè)參數(shù)如表1所示。

表1 各機(jī)型噴霧及作業(yè)參數(shù)Table 1 Spray and operating parameters of UAVs

1.2 試驗方案設(shè)計

1.2.1 有效噴幅及霧滴沉積分布試驗

該試驗測定5種無人機(jī)機(jī)型在相同單位施藥量條件下，農(nóng)藥在水稻冠層、中層和下層的霧滴分布情況。試驗設(shè)定為單噴幅，即各機(jī)型按照預(yù)定航線進(jìn)行單架次單程作業(yè)，如圖1所示。試驗小區(qū)內(nèi)垂直于飛行航線設(shè)置兩條霧滴采集帶，每條霧滴采集帶共12個采樣點，以采集帶中間位置作為飛機(jī)的預(yù)定航線。

圖1 采集樣點布置示意圖Fig.1 Schematic diagram of test

根據(jù)無人機(jī)推薦噴幅在4～6m范圍內(nèi)，預(yù)設(shè)靶區(qū)寬度8m，兩側(cè)飄移區(qū)各4m；靶區(qū)共設(shè)置8個采集點，每個采集點間隔1m；飄移區(qū)位于靶區(qū)的左右兩側(cè)，共設(shè)置采集點4個，每個采集點間隔2m。同時，根據(jù)植株高度，在每個采集點布置上、中、下3層霧滴測試卡(銅版紙)。

按照5g/L比例配制染色劑(誘惑紅)溶液，分別加入5架無人機(jī)藥箱內(nèi)；每架次噴施作業(yè)完成后，待空氣中霧滴全部沉降且測試卡完全干燥后，佩戴一次性手套將各采樣點的測試卡收集保存；試驗結(jié)束后，通過圖像處理軟件DepositScan進(jìn)行霧滴識別與分析。

1.2.2 水稻葉片的藥液沉積量測定試驗

該試驗設(shè)定在實際作業(yè)過程中，測定5種類型無人機(jī)在水稻葉片上的霧滴沉積量。室內(nèi)建立羅丹明B的質(zhì)量濃度和吸光值的線性關(guān)系模型。田間試驗劃定5個試驗小區(qū)，各類型無人機(jī)按照15L/hm2的施藥量進(jìn)行作業(yè)。藥劑為拿敵穩(wěn)肟菌戊唑醇水分散粒劑10g/667m2，同時添加5g/L羅丹明B。施藥后，按照5點取樣的方法，在各個試驗小區(qū)內(nèi)隨機(jī)抽取5點，每點選取水稻1叢(約10株)。在實驗室內(nèi)，選取每點水稻植株的劍葉、倒二三葉和底葉分裝至密封袋中，加入蒸餾水20mL充分震蕩洗脫，經(jīng)過濾膜過濾后分裝入離心管中，用熒光分光光度計測定羅丹明B在水稻葉片上的沉積量。

1.3 試驗方法

1.3.1 各機(jī)型有效噴幅測定

有效噴幅的判定方法與噴霧參數(shù)有關(guān)，常用的有效噴幅判定方法有50%有效沉積量法和霧滴密度法。50%有效沉積量法中有效噴幅是指單噴幅作業(yè)中沉積量為最大沉積量1/2的兩點之間的間距；霧滴密度法是根據(jù)國家民航標(biāo)準(zhǔn)要求，飛機(jī)在農(nóng)林作物中進(jìn)行作業(yè)噴灑時，靶標(biāo)作物上的霧滴沉積覆蓋密度為15個/cm2以上的區(qū)域計入有效噴幅區(qū)。據(jù)研究，50%有效沉積量法適合霧滴粒徑較大的壓力式噴頭，霧滴密度判定法適合霧滴粒徑較小的離心式噴頭[12-13]。

本研究對采用壓力式噴頭的3WWDZ-10B、S40及YRX6-16機(jī)型采用50%有效沉積量判定方法，對P20和3XY8D-1含有離心式噴頭的機(jī)型采用霧滴密判定方法。

1.3.2 霧滴分布的測試方法

本研究用同一冠層水平面的霧滴沉積量或沉積密度的變異系數(shù)作為霧滴分布均勻性的表征數(shù)據(jù)，將冠層垂直面間的變異系數(shù)作為霧滴穿透性的表征數(shù)據(jù)。變異系數(shù)越小，霧滴分布均勻性或穿透性越好。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 有效噴幅測定結(jié)果

圖2為通過霧滴測試卡分析得出采樣區(qū)域內(nèi)的霧滴沉積量。3WWDZ-10B、S40和YRX6-16機(jī)型的最大沉積量為0.136、0.143、0.231μL/cm2，滿足其50%沉積量的采樣點分別有5、5、4個。S40噴灑結(jié)果中滿足有效沉積的采樣點為7～11。其中，10和11采樣點間隔為2m，因此3WWDZ-10B、S40和YRX6-16機(jī)型在該試驗條件下的有效噴幅分別為4、5、3m。

如表2所示：P20和3XY8D-1型霧滴密度結(jié)果中滿足條件的采樣點數(shù)量分別為4個和5個，因此P20和3XY8D-1型無人機(jī)的有效噴幅為3m和4m。綜合各機(jī)型數(shù)據(jù)，單旋翼機(jī)型的有效噴幅略大于多旋翼機(jī)型，各機(jī)型的有效噴幅在3～5m范圍內(nèi)。

圖2 霧滴沉積量分布圖Fig.2 Droplets deposition of UAVs表2 P20和3XY8D-1型無人機(jī)霧滴密度參數(shù)列表Table 2 Droplets Density of P20 and 3XY8D-1 UAVs

采樣點位置/mP20/個·cm-23XY8D-1/個·cm-210.100.1020.150.1030.950.4046.400.2053.705.2568.6515.65751.3066.20865.80100.60925.7559.101025.1520.35112.507.00126.8013.70

表中15.65、51.30、66.20、65.80、100.60、25.75、59.10、25.15、20.35為符合農(nóng)業(yè)航空行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)。

2.2 有效噴幅區(qū)霧滴沉積分布結(jié)果

如圖3所示：在有效噴幅區(qū)內(nèi)，液力式噴頭的霧滴沉積粒徑大于離心式噴頭。P20和3XY8D-1型無人機(jī)安裝有離心式噴頭，其霧滴沉積粒徑較小，DV50變化范圍為144.5～243μm；而3WWDZ-10B和S40型無人機(jī)分別安裝液力式噴頭，其霧滴粒徑明顯高于離心式噴頭，DV50變化范圍分別是261～343μm、252.5～421μm。YRX6-16型無人機(jī)采用TR 80-0067 型液力式噴頭，其霧滴沉積粒徑接近于離心式噴頭，變化范圍為189.5～218μm。

圖3 霧滴體積中徑分布圖Fig.3 Volume median diameter

霧滴沉積粒徑較小的機(jī)型，其霧滴覆蓋密度更大，如圖4所示。P20、3XY8D-1和YRX6-16型無人機(jī)霧滴密度的平均值分別為37.8、61.56、59.5個/cm2，而粒徑較大3WWDZ-10B和S40型無人機(jī)平均霧滴密度僅為18.8、18.7個/cm2。

圖4 霧滴沉積密度分布圖Fig.4 Droplet deposition density

由表3可知：各機(jī)型在作物上層的霧滴分布均勻性較好，中層的變異系數(shù)高于上層或下層，說明霧滴在中層的分布較差，安裝液力式噴頭的3WWDZ-10B、S40、YRX6-16機(jī)型在中下層的霧滴分布均勻性優(yōu)于3XY8D-1和P20機(jī)型。但P20在冠層間的變異系數(shù)最小，僅為36.08%，具有較好的穿透性。相比液力式噴頭，離心噴頭可以獲得更好的霧滴穿透效果。

表3 各機(jī)型在水稻冠層的霧滴沉積分布均勻性和穿透性Table 3 Droplet deposition distribution uniformity and penetration in rice canopy

2.3 水稻葉片的藥液沉積量測定結(jié)果

室內(nèi)測定，誘惑紅的質(zhì)量濃度Y與吸光值X的線性回歸方程為X=0.085178Y+0.037328，決定系數(shù)R2=0.99，說明回歸直線的擬合程度較好。

通過熒光分光光度計光度測定并經(jīng)過方程轉(zhuǎn)換，獲得水稻葉片的藥液沉積量，結(jié)果如圖5所示。相相比中下層，各機(jī)型在作物上層獲得較高的藥液沉積量。YRX6-16和3XY8D-1在上層的藥液沉積量最多，分別為0.87、0.72μL/cm2，P20在各層間藥液沉積量較為均勻。另外，3WWDZ-10B施藥區(qū)域沉積量明顯低于其他機(jī)型，判斷該機(jī)型可能在施藥區(qū)域內(nèi)存在漏噴現(xiàn)象。

圖5 各類型無人機(jī)冠層間藥液沉積量分布直方圖Fig.5 Pesticide deposition in rice canopy

3 試驗分析

對5種電動植保無人機(jī)進(jìn)行霧滴沉積分布試驗研究。單旋翼機(jī)型擁有更大的旋翼風(fēng)場[14]，因而在實際作業(yè)中獲得較大的有效噴幅，作業(yè)效率也相對提升；但無人機(jī)噴幅與作業(yè)高度也有關(guān)系，后續(xù)研究需要進(jìn)一步進(jìn)行分析驗證。霧滴在空氣中沉降的過程中，大霧滴會直接撞擊作物葉片表面，小霧滴受到氣流的影響能繞過葉片沉積在作物下層，因此霧滴粒徑小的機(jī)型在作物冠層擁有較好的霧滴穿透效果[15]。P20、S40及3WWDZ-10B機(jī)型的下層藥液沉積量大于中層，分析認(rèn)為無人機(jī)旋翼的下洗氣流使水稻的葉片和莖稈發(fā)生局部的傾斜倒伏，藥液可以有更多的機(jī)會沉降到作物下層。與地面機(jī)械雨淋式噴霧相比，使用更少量的藥液也可以達(dá)到較好的穿透性，這是無人機(jī)的優(yōu)勢。

4 結(jié)論

1)單旋翼機(jī)型的有效噴幅較大，試驗測定3XY8D-1和S40有效噴幅分別為4m和5m；而 3WWDZ-10B、P20和YRX6-16的有效噴幅分別為4、3、3m。

2)在有效噴幅區(qū)內(nèi)，液力式噴頭的霧滴沉積粒徑大于離心式噴頭。霧滴沉積粒徑較小的機(jī)型，其霧滴覆蓋密度更大。

3)各機(jī)型在作物上層的霧滴分布均勻性和藥液沉積量最優(yōu)，中層最差。相比液力式噴頭，離心噴頭可以獲得更好的霧滴穿透效果。