植保無(wú)人機(jī)作業(yè)參數(shù)對(duì)棕櫚樹(shù)霧滴沉積的影響*

郭祥雨，薛新宇，秦維彩，王珊, 2，劉小明

(1. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京市，210014； 2. 安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，合肥市，230036)

0 引言

棕櫚樹(shù)主要分布在我國(guó)貴州、廣東、海南等地，是棕櫚油的重要原材料，花、果實(shí)、根皆可食用和入藥，樹(shù)干可以加工成抗腐蝕的木質(zhì)產(chǎn)品，因此具有重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值[1-2]。其常見(jiàn)病蟲害主要有黃化病、葉斑病、炭疽病、紅棕象甲蟲、蚧殼蟲等，主要發(fā)生在葉柄基部和樹(shù)冠葉片，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致樹(shù)木死亡。棕櫚樹(shù)高度可達(dá) 10 m 以上，地面機(jī)械采用從下往上的噴施方式，霧滴的穿透性能力有限，且操作困難。植保無(wú)人機(jī)作為一種新型施藥裝備，具有適應(yīng)性強(qiáng)、效率高的優(yōu)點(diǎn)，其旋翼下洗氣流能夠有效促進(jìn)霧滴穿透性，噴灑效果好，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在大田作物的病蟲害防治中[3-6]。

很多學(xué)者在無(wú)人機(jī)作業(yè)參數(shù)和沉積分布特性方面作了大量研究。邱白晶等[7]通過(guò)試驗(yàn)方法探究了無(wú)人機(jī)作業(yè)高度、速度及二者間交互作用對(duì)噴霧沉積濃度、均勻性的影響。秦維彩等[8]采用N-3無(wú)人機(jī)研究了噴灑參數(shù)對(duì)玉米冠層霧滴沉積分布的影響。Zhang等[9]研究了在不同柑橘樹(shù)形和不同作業(yè)高度下無(wú)人機(jī)在柑橘樹(shù)冠層的霧滴沉積效果。在果樹(shù)方面的應(yīng)用還是較少，陳盛得等[10]研究了單旋翼無(wú)人機(jī)不同作業(yè)參數(shù)對(duì)柑橘樹(shù)的霧滴沉積效果，結(jié)果表明飛行速度、高度對(duì)霧滴沉積效果影響顯著。王昌陵等[11]探究了無(wú)人機(jī)飛行參數(shù)及參數(shù)精準(zhǔn)度對(duì)小麥田間霧滴沉積分布特性的影響。王娟等[12]從霧滴沉積效果、地面流失霧滴沉積分布、飄移方面探究了單旋翼無(wú)人植保機(jī)不同作業(yè)高度對(duì)檳榔樹(shù)冠層及地面噴施效果的影響。上述研究果樹(shù)外形多為紡錘型，葉片之間的遮擋作用較小，可簡(jiǎn)化為多孔介質(zhì)模型，氣流包裹霧滴容易通過(guò)間隙進(jìn)入冠層內(nèi)部，而棕櫚樹(shù)屬性為倒三角型，葉片類似蒲扇，葉片間遮擋作用很大，霧滴難以到達(dá)冠層下部，樹(shù)形結(jié)構(gòu)不同使得現(xiàn)有的研究成果難以應(yīng)用在棕櫚樹(shù)病害防治。

國(guó)內(nèi)植保無(wú)人機(jī)開(kāi)始在棕櫚樹(shù)病蟲害防治中使用，但有關(guān)棕櫚樹(shù)的飛防試驗(yàn)和綜合分析的相關(guān)文章鮮有報(bào)道。本文從噴頭流量、作業(yè)高度(距離樹(shù)冠的高度)、飛行速度三個(gè)關(guān)鍵因素入手研究單旋翼植保無(wú)人機(jī)噴霧參數(shù)對(duì)棕櫚樹(shù)冠層霧滴沉積分布的影響，為單旋翼植保無(wú)人機(jī)在棕櫚樹(shù)飛防作業(yè)提供借參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

試驗(yàn)于2019年11月28號(hào)在江蘇省宿遷市沭陽(yáng)縣花卉基地進(jìn)行，試驗(yàn)對(duì)象為棕櫚樹(shù)，屬于喬木，品種為毛棕，冠層平均高度(包括莖干)為1～1.5 m、冠層平均寬度為2 m，平均株高6 m，株距為2 m。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

本次試驗(yàn)的設(shè)備為L(zhǎng)J-110N型單旋翼油動(dòng)無(wú)人直升機(jī)，如圖1所示，其外形尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為3 000 mm×1 000 mm×1 200 mm，最大載藥量為40 L，飛行速度范圍為3～7 m/s，作業(yè)高度范圍3～15 m，有效噴幅≤10 m；本次作業(yè)采用02型噴頭，噴頭噴霧壓力為0.32 MPa，噴頭最大平均流量為4.2 mL/min。

圖1 作業(yè)機(jī)具

Watchdog 2000氣象站記錄本次試驗(yàn)的溫度、濕度、風(fēng)速等信息，溫度測(cè)量范圍-32 ℃～100 ℃，測(cè)量精度0.5 ℃；濕度測(cè)量范圍10%～100%，測(cè)量精度±3%；風(fēng)向測(cè)量范圍0°～360°，測(cè)量精度±3°；風(fēng)速測(cè)量范圍0.1～322 km/h，測(cè)量精度±5%。本次試驗(yàn)的平均溫度為7.5 ℃，風(fēng)速平均值為2.1 m/s，風(fēng)向東南。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

每組試驗(yàn)選擇3顆長(zhǎng)勢(shì)相同的棕櫚樹(shù)，無(wú)人機(jī)沿著作物正上方中心線飛行。參考《植物保護(hù)機(jī)械 喬木和灌木作物噴霧量分布的田間測(cè)定》標(biāo)準(zhǔn)[13]，按著體積采樣、斷面采樣、地面采樣策略，根據(jù)棕櫚生長(zhǎng)的情況將樹(shù)冠冠層分為上、中、下3層，并在地面布置采樣層。按照?qǐng)D2進(jìn)行布樣，每層按照順時(shí)針?lè)较蜻M(jìn)行編號(hào)，最上層依次為a-1、a-2、a-3、a-4、a-5，并以同樣的方式對(duì)中、下層及地面進(jìn)行編號(hào)，依次是b-1、b-2、b-3、b-4、b-5，c-1、c-2、c-3、c-4、c-5，d-1、d-2、d-3、d-4，共計(jì)19個(gè)采樣點(diǎn)，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，a、b、c組布樣點(diǎn)用于計(jì)算霧滴沉積量，d組數(shù)據(jù)布樣點(diǎn)計(jì)算地面霧滴流失量。

圖2 棕櫚樹(shù)采樣示意圖

通過(guò)設(shè)計(jì)3因素3水平正交試驗(yàn)，研究單旋翼無(wú)人直升機(jī)噴頭流量、作業(yè)高度和飛行速度對(duì)霧滴沉積的影響。試驗(yàn)因素、水平如表1所示，其中噴頭流量只有兩個(gè)水平，故用第一水平代替第二水平，試驗(yàn)方案如表2所示。

表1 試驗(yàn)因素與水平Tab. 1 Test factors and levels

表2 正交試驗(yàn)方案Tab. 2 Orthogonal test scheme

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

每組試驗(yàn)結(jié)束，待霧滴采集卡上的霧滴晾干后收集到密封袋中，帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析。將收集的采集卡用HP Scanjet200掃描儀掃描，然后用圖像處理軟件Deposit Scan(V1.2)進(jìn)行分析，可得出霧滴覆蓋率、霧滴沉積個(gè)數(shù)、沉積量等信息。

為表征試驗(yàn)中各采集點(diǎn)之間的霧滴沉積穿透性，本研究以飛機(jī)有效噴幅區(qū)內(nèi)每個(gè)采集點(diǎn)上層、中層、下層霧滴沉積量CV來(lái)衡量霧滴沉積穿透性[14-15]，其中，變異系數(shù)值越小表示霧滴沉積越均勻，穿透性越好[16-17]。

變異系數(shù)

(1)

(2)

式中：S——標(biāo)準(zhǔn)差；

Xi——第i次所得到的霧滴沉積量；

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

不同作業(yè)參數(shù)的霧滴沉積效果見(jiàn)表3。

表3 不同作業(yè)參數(shù)霧滴沉積效果Tab. 3 Droplet deposition effect of different operating parameters

2.1 作業(yè)參數(shù)對(duì)霧滴沉積量的影響

綜合分析噴頭流量、作業(yè)高度、飛行速度對(duì)沉積量的影響程度，篩選出該無(wú)人機(jī)的最佳作業(yè)參數(shù)。將上、中、下3層霧滴沉積量進(jìn)行平均值處理如圖3所示，從圖3中可知，噴頭流量為4.2 L/min，作業(yè)高度為3 m，飛行速度為3 m/s所對(duì)應(yīng)的霧滴沉積量最大。第1、2、3組均是在噴頭流量為4.2 L/min作業(yè)參數(shù)下，飛行速度和作業(yè)高度不斷增加，霧滴沉積量呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，原因在于作業(yè)速度增加使得單位面積噴灑時(shí)間減小，霧滴沉積量減小，作業(yè)高度增加使得霧滴在側(cè)風(fēng)影響下更容易飄散，霧滴沉積量減小。第1、4、7組均是在作業(yè)高度為3 m作業(yè)參數(shù)下，霧滴沉積量呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，原因在于作業(yè)速度增加使得單位面積噴灑時(shí)間減小，霧滴沉積量減小，雖然噴頭流量有差異，但是影響程度沒(méi)有飛行速度明顯，同理第8、2、5組、第6、9、3組也符合此分析。

圖3 不同作業(yè)參數(shù)下的平均霧滴沉積量

并借助SPSS V25軟件進(jìn)行正交試驗(yàn)方差分析，分析結(jié)果見(jiàn)表4。根據(jù)表4可知，作業(yè)高度和飛行速度所對(duì)應(yīng)的P值均小于0.01，說(shuō)明作業(yè)高度和飛行速度對(duì)霧滴沉積量有極顯著影響，噴頭流量所對(duì)應(yīng)的P值均小于0.05，說(shuō)明噴頭流量對(duì)霧滴沉積量有顯著影響。并結(jié)合表5的極差分析表可知植保無(wú)人機(jī)作業(yè)因素對(duì)霧滴沉積量的影響程度為：作業(yè)高度>飛行速度>噴頭流量，最佳水平組合為A1B1C1，即噴頭流量為4.2 L/min，作業(yè)高度為3 m，飛行速度為3 m/s，該結(jié)果與圖3分析結(jié)果一致。

表4 霧滴沉積量方差分析及回歸分析Tab. 4 Variance analysis and regression analysis of droplet deposition

表5 極差分析表Tab. 5 Range analysis table

通過(guò)回歸分析可知，回歸方程的系數(shù)分別為0.727、0.032、-0.081、-0.076，因此霧滴沉積量與噴頭流量、作業(yè)高度、飛行速度之間的關(guān)系模型見(jiàn)式(3)，其決定系數(shù)為R2=0.992，說(shuō)明模型可靠。從模型中可知隨著噴頭流量的增大，作業(yè)高度的降低，飛行速度的減小，霧滴沉積量呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。

Y1=0.727+0.032X1-0.081X2-0.076X3

(3)

式中：Y1——霧滴沉積量；

X1——噴頭流量；

X2——作業(yè)高度；

X3——飛行速度。

2.2 作業(yè)參數(shù)對(duì)霧滴沉積穿透性的影響

為了研究噴頭流量、作業(yè)高度、飛行速度對(duì)霧滴沉積穿透性的影響程度，將9組霧滴沉積穿透性數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，分析結(jié)果見(jiàn)表6。由表6可知作業(yè)高度和飛行速度所對(duì)應(yīng)的P值小于0.05，說(shuō)明作業(yè)高度和飛行速度對(duì)霧滴沉積穿透性有顯著影響，噴頭流量所對(duì)應(yīng)的P值大于0.05，說(shuō)明噴頭流量對(duì)霧滴穿透性影響不顯著，因?yàn)樽貦皹?shù)樹(shù)冠呈倒三角形，內(nèi)部類似多孔介質(zhì)模型，比較容易穿透。并結(jié)合表7的分析結(jié)果可知植保無(wú)人機(jī)作業(yè)因素對(duì)霧滴穿透性的影響程度為：作業(yè)高度>飛行速度>噴頭流量，最佳作業(yè)參數(shù)為A2B1C1，即噴頭流量為4.2 L/min，作業(yè)高度為3 m，飛行速度為3 m/s。霧滴沉積穿透性主要與作業(yè)高度與飛行速度有關(guān)系，作業(yè)高度和飛行速度決定了植保無(wú)人機(jī)飛機(jī)旋翼風(fēng)場(chǎng)的強(qiáng)度，從而決定霧滴在作物冠層中穿透力，飛行速度影響了風(fēng)場(chǎng)持續(xù)在霧滴上作用的時(shí)間。

表6 霧滴穿透性方差分析Tab. 6 Analysis of variance of droplet penetration

表7 霧滴穿透性極差分析表Tab. 7 Analysis table of fog drop penetration range

通過(guò)回歸分析可知，回歸方程的系數(shù)分別為49.819、-25.314、15.569、4.252。因此霧滴沉積量與噴頭流量、作業(yè)高度、飛行速度之間的關(guān)系模型見(jiàn)式(4)，其相關(guān)系數(shù)R2=0.619。從模型中可知隨著噴頭流量的增大，作業(yè)高度的降低，飛行速度的減小，霧滴穿透性呈現(xiàn)減小趨勢(shì)。

Y2=49.819-25.314X1+15.569X2+4.252X3

(4)

式中：Y2——霧滴穿透性。

2.3 作業(yè)參數(shù)對(duì)地面流失量的影響

為了研究噴頭流量、作業(yè)高度、飛行速度對(duì)地面流失量的影響程度，將9組地面流失量數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，分析結(jié)果見(jiàn)表8。由表8可知噴頭流量和飛行速度所對(duì)應(yīng)的P值大于0.05，說(shuō)明噴頭流量和飛行速度對(duì)地面流失量沒(méi)有顯著影響，作業(yè)高度所對(duì)應(yīng)的P值小于0.05，說(shuō)明作業(yè)高度對(duì)地面流失量有顯著影響，并結(jié)合表9的分析結(jié)果可知此植保無(wú)人機(jī)作業(yè)因素對(duì)霧滴穿透性的影響程度為：作業(yè)高度>飛行速度>噴頭流量，最佳作業(yè)參數(shù)為A2B1C2，即噴頭流量為4.2 L/min，作業(yè)高度為3 m，飛行速度為4 m/s。

表8 地面流失量方差分析Tab. 8 Analysis of variance of ground loss

通過(guò)回歸分析可知，回歸方程的系數(shù)分別為：0.042、-0.008、0.043、-0.008。因此霧滴沉積量與噴頭流量、作業(yè)高度、飛行速度之間的關(guān)系模型見(jiàn)式(5)，其相關(guān)系數(shù)R2=0.859。從模型中可知隨著噴頭流量的增大，作業(yè)高度的降低，飛行速度的增大，地面流失量呈現(xiàn)減小趨勢(shì)。

Y3=0.042-0.008X1+0.043X2-0.008X3

(5)

式中：Y3——地面流失量。

3 討論

根據(jù)本文霧滴沉積量、霧滴穿透性和地面流失量分析結(jié)果，影響霧滴沉積效果的主次順序依次為：作業(yè)高度、飛行速度、噴頭流量；噴頭流量4.2 L/min、作業(yè)高度3 m、作業(yè)速度3 m/s的作業(yè)參數(shù)可獲得最佳的霧滴沉積量和霧滴穿透性，噴頭流量4.2 L/min、作業(yè)高度3 m、作業(yè)速度4 m/s的作業(yè)參數(shù)可以保證最小的地面流失量，結(jié)合棕櫚樹(shù)樹(shù)形和病蟲害發(fā)生位置，在進(jìn)行飛防作業(yè)時(shí)首先要保證其霧滴沉積量和霧滴穿透性，其次再保證地面流失量最小，最佳的霧滴沉積量和霧滴穿透性為0.397 μL/cm2和5.01%，雖然最佳地面流失量0.080 μL/cm2低于對(duì)應(yīng)的最佳霧滴沉積量作業(yè)參數(shù)所對(duì)應(yīng)的地面流失量0.125 μL/cm2，但最佳地面流失量作業(yè)參數(shù)所對(duì)應(yīng)的霧滴沉積量和霧滴穿透性為0.325 μL/cm2和15.54%均低于最佳霧滴沉積量和最佳霧滴穿透性，所以棕櫚樹(shù)飛防最佳作業(yè)參數(shù)為噴頭流量4.2 L/min、作業(yè)高度3 m、作業(yè)速度3 m/s。旋翼風(fēng)場(chǎng)與作業(yè)參數(shù)、機(jī)型、環(huán)境等因素密切相關(guān)，從上述9組試驗(yàn)可知不同的作業(yè)高度、飛行速度會(huì)產(chǎn)生霧滴沉積效果各異，原因在于無(wú)人機(jī)速度過(guò)快會(huì)使得噴灑不均勻，藥液只停留在冠層頂端，飛行高度太高使得旋翼下壓風(fēng)場(chǎng)壓力不足，使霧滴不能穿透到作物底部；速度過(guò)慢則會(huì)造成重復(fù)噴施，作物局部施藥過(guò)量，飛行高度太低則風(fēng)場(chǎng)壓力太大，一方面作物會(huì)收到損傷并會(huì)使得藥物噴施到作物根部和土壤中，因此選擇適當(dāng)?shù)淖鳂I(yè)高度和飛行速度會(huì)改善霧滴沉積效果。

4 結(jié)論

本次試驗(yàn)探索了單旋翼無(wú)人機(jī)作業(yè)參數(shù)對(duì)高大喬木霧滴沉積的效果，得出如下結(jié)論。

1) 根據(jù)霧滴沉積量、霧滴穿透性和地面流失量分析結(jié)果，影響霧滴沉積效果的主次順序依次為：作業(yè)高度、飛行速度、噴頭流量。

2) 從回歸模型可知：隨著噴頭流量的增加，作業(yè)高度的降低，飛行速度的減小，霧滴沉積量呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，霧滴穿透性呈現(xiàn)減小趨勢(shì)；隨著噴頭流量的減小，作業(yè)高度的增加，飛行速度的減小，霧滴穿透性呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。

3) 不同的作業(yè)參數(shù)，霧滴沉積效果各異，棕櫚樹(shù)霧滴沉積量和霧滴穿透性最佳優(yōu)化方案為噴頭流量4.2 L/min、作業(yè)高度3 m、作業(yè)速度3 m/s的作業(yè)參數(shù)，建議棕櫚樹(shù)飛防作業(yè)時(shí)使用此參數(shù)。