四旋翼植保無人機(jī)作業(yè)參數(shù)對月季花冠層霧滴沉積分布的影響

楊志恒 張娟 李翰書 董姬秀 孫艷 宋良紅

(鄭州植物園,鄭州,450042)

月季花(RosachinensisJacq.)是世界上最重要的花卉之一,有“花中皇后”之美譽(yù),具有很高的觀賞價值,在全國各地廣泛種植[1]。月季花常受到黑斑病(Actinonemarosae)、霜霉病(Peronosporasparsa)、白粉病(Sphaerothecapannosa)、月季長管蚜(Macrosiphumrosivorum)、棉鈴蟲(Helicoverpaarmigera)等危害,嚴(yán)重影響月季花的觀賞價值[2-3]。在園林生產(chǎn)中,主要使用大容量高壓噴霧防治月季花病蟲害;這種淋洗式施藥方法,作業(yè)強(qiáng)度較大、勞動效率低、藥液霧化不均勻,施藥人員存在中毒風(fēng)險(xiǎn)[4]。傳統(tǒng)的施藥方式,已經(jīng)難以滿足園林產(chǎn)業(yè)機(jī)械化、現(xiàn)代化的發(fā)展需求。

植保無人機(jī)噴施作業(yè),由于適應(yīng)多種作物和地形,并且具有作業(yè)效率高、噴灑效果好、農(nóng)藥污染和殘留低等優(yōu)勢,發(fā)展迅速[5],已經(jīng)廣泛應(yīng)用于小麥、水稻、玉米、大豆、棉花等農(nóng)作物[6-9],以及荔枝、茶樹、棗樹、柑橘、火龍果、檳榔、蘋果、核桃等林木果樹[10-12]。植保無人機(jī)在農(nóng)林植保領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛,在園林植保病蟲害防治上具有廣闊的應(yīng)用前景。

在病蟲害防治中,飛行參數(shù)設(shè)置是否合理,對無人機(jī)的作業(yè)效果有很大影響。在不同施藥條件時,無人機(jī)的施藥量、飛行高度、飛行速度等對霧滴在植物表面的分布和沉積有較大影響[13-14]。目前,對植保無人機(jī)的作業(yè)參數(shù)研究,多數(shù)集中在大田作物、茶園、果樹等方面,對園林植物的研究較少。由于園林植物種類繁多,各類植物的高度、冠層、冠幅等生理生態(tài)方面的差異性,需要植保無人機(jī)在實(shí)際應(yīng)用過程中,根據(jù)不同的植物種類,設(shè)置最佳的作業(yè)參數(shù)。為此,本研究于2020年5月25—27日,以河南省滎陽市的月季法桐種質(zhì)資源及園林科研基地為試驗(yàn)區(qū)、以月季花為試驗(yàn)對象,應(yīng)用四旋翼植保無人機(jī)對月季花進(jìn)行航空噴藥試驗(yàn)。使用霧滴測試卡采集霧滴,使用掃描儀測定霧滴粒徑、霧滴沉積密度;以霧滴沉積密度及均勻性(變異系數(shù))、霧滴沉積量及穿透率(變異系數(shù))為評價指標(biāo),分析植保無人機(jī)作業(yè)參數(shù)對航空噴藥霧滴在月季花冠層垂直沉積分布的影響、遴選植保無人機(jī)最優(yōu)作業(yè)參數(shù)。旨在為植保無人機(jī)在月季花病蟲害防治作業(yè)中的合理應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

試驗(yàn)用的植保無人機(jī),為廣州機(jī)飛科技有限公司生產(chǎn)的P20 2019款四旋翼電動無人直升機(jī),主要性能指標(biāo)——長×寬×高為1 202 mm×1 183 mm×403 mm,最大功率2 500 W,作業(yè)速度0～12 m·s-1,作業(yè)高度1～30 m,噴頭數(shù)量4個,霧化粒徑90～300 μm,有效噴幅2～5 m,單泵流量1.4 L/min。環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng),包括便攜式風(fēng)速風(fēng)向儀、試驗(yàn)用數(shù)字溫濕度表。霧滴收集處理設(shè)備為霧滴測試卡(中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院植保所提供)。

試驗(yàn)地位于河南省滎陽市的月季法桐種質(zhì)資源及園林科研基地(地理中心坐標(biāo)113.34°E、34.89°N)。試驗(yàn)時間為2020年5月25—27日,晴朗無風(fēng)天氣進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)區(qū)月季花平均株高100 cm、行距70 cm、株距40 cm。選擇70 m×20 m的矩形試驗(yàn)樣地,間隔5 m設(shè)置3條采集帶,每條采集帶按照距離地面高度100 cm(上層)、60(中層)、20 cm(下層)將月季花冠層垂直分為3層。無人機(jī)的航線方向垂直于采集帶,在航線正下方標(biāo)記采集點(diǎn)(見圖1)。

圖1 采樣點(diǎn)示意圖

本研究應(yīng)用的霧滴測試卡底色為黃色(見圖2),遇水后迅速變藍(lán),顏色變化非常明顯;霧滴測試卡尺寸8 cm×3 cm;試驗(yàn)使用清水代替農(nóng)藥對月季花進(jìn)行噴施。

圖2 霧滴測試卡

植保無人機(jī)作業(yè)參數(shù)設(shè)為施藥量、作業(yè)高度、作業(yè)速度,每個作業(yè)參數(shù)設(shè)計(jì)3個梯度,按照三因素三水平(見表1)設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)方案(L9(33)),共9組試驗(yàn)。

表1 影響施藥霧滴沉積因素的正交試驗(yàn)梯度設(shè)計(jì)

將已經(jīng)收集霧滴的霧滴測試卡充分晾干后,按照編號逐一放入密封袋中,帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。將收集的霧滴測試卡,使用掃描儀(灰度掃描、600×600分辨率)進(jìn)行掃描,掃描后的圖像應(yīng)用霧滴覆蓋率分析軟件(Depositscan)進(jìn)行分析,測定霧滴粒徑、霧滴沉積密度等參數(shù);試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS20.0處理,使用最小顯著性差異法(LSD)比較處理間差異的顯著性。

本研究采用變異系數(shù)評價每組數(shù)據(jù)的均勻性。以各試驗(yàn)中每層不同采樣點(diǎn)霧滴沉積密度變異系數(shù),評價霧滴沉積的均勻性;以上層、中層、下層的霧滴沉積量變異系數(shù),表示穿透性;變異系數(shù)越小,表示數(shù)據(jù)的變化幅度越小,即霧滴沉積越均勻、穿透性越好。

2 結(jié)果與分析

2.1 無人機(jī)施藥的月季花不同冠層霧滴沉積密度及均勻性

由表2可見:在9組試驗(yàn)中,月季花不同冠層霧滴沉積密度分布,由大到小均依次為上層、中層、下層。

試驗(yàn)9即施藥量22.5 L·hm-2、作業(yè)高度3.0 m、作業(yè)速度2.0 m·s-1時,在月季花冠層的上層、中層、下層的霧滴沉積密度,分別為251.99、129.14、125.53個·cm-2,顯著優(yōu)于其他試驗(yàn)組號,其次是試驗(yàn)6、試驗(yàn)8。而且與其他各組試驗(yàn)相比,試驗(yàn)9均勻性最好,變異系數(shù)為11.52%,其次是試驗(yàn)6、試驗(yàn)7、試驗(yàn)8,均勻性也比較好。因此,試驗(yàn)組號9為最佳的作業(yè)方式。試驗(yàn)3即施藥量7.5 L·hm-2、作業(yè)高度3.8 m、作業(yè)速度5.0 m·s-1時,霧滴在月季花冠層的上層、中層、下層的霧滴沉積密度均為最小,變異系數(shù)為50.90%,均勻性最差。

表2 月季花不同冠層施藥霧滴沉積密度及其均勻性的正交試驗(yàn)結(jié)果

由月季花不同冠層施藥霧滴沉積密度正交試驗(yàn)結(jié)果的極差分析結(jié)果(見表3)可見:在月季花不同冠層施藥霧滴沉積密度較大的作業(yè)參數(shù)基本一致,月季花冠層的上層、中層、下層,較優(yōu)的作業(yè)參數(shù)為施藥量22.5 mL·hm-2、作業(yè)高度3.0 m、作業(yè)速度2.0 m·s-1,即試驗(yàn)組號9。根據(jù)極差值可知,影響月季花各冠層霧滴沉積密度的主次因素,由主到次依次為施藥量、作業(yè)高度、作業(yè)速度。

表3 月季花不同冠層施藥霧滴沉積密度正交試驗(yàn)結(jié)果的極差分析結(jié)果

由月季花不同冠層施藥霧滴沉積密度均勻性正交試驗(yàn)結(jié)果的極差分析結(jié)果(見表4)可見:3種影響因素,在月季花冠層不同高度,影響霧滴沉積密度均勻性的主次,由主到次依次為施藥量、作業(yè)速度、作業(yè)高度。在本研究試驗(yàn)設(shè)計(jì)的參數(shù)范圍內(nèi),施藥量越大、飛行速度越慢,霧滴分布越均勻。作業(yè)高度對月季花上層霧滴沉積密度均勻性的影響明顯,但是對中層、下層霧滴沉積密度均勻性影響均不明顯。

2.2 無人機(jī)施藥的月季花不同冠層霧滴沉積量及穿透率

由表5可見:在9組試驗(yàn)中,月季花不同冠層霧滴沉積量,由大到小均依次為上層、中層、下層。

試驗(yàn)9即施藥量22.5 L·hm-2、作業(yè)高度3.0 m、作業(yè)速度2.0 m·s-1時,在月季花冠層的上層、中層、下層的霧滴沉積量,分別為0.39、0.12、0.11 μL·cm-2,顯著優(yōu)于其他試驗(yàn)組號,其次是試驗(yàn)8、試驗(yàn)6。試驗(yàn)9平均變異系數(shù)為23.83%,穿透性適中。試驗(yàn)6、試驗(yàn)8穿透率均小于試驗(yàn)9,因此,試驗(yàn)組號9是最佳的作業(yè)方式。試驗(yàn)3即施藥量7.5 L·hm-2、作業(yè)高度3.8 m、作業(yè)速度5.0 m·s-1時,霧滴在月季花冠層的上層、中層、下層的平均霧滴沉積量均為最小。

表4 月季花不同冠層施藥霧滴沉積均勻性正交試驗(yàn)結(jié)果的極差分析結(jié)果

表5 月季花不同冠層施藥霧滴沉積量及穿透率的正交試驗(yàn)結(jié)果

由月季花不同冠層施藥霧滴沉積量正交試驗(yàn)結(jié)果的極差分析結(jié)果(見表6)可見:在月季花不同冠層,施藥霧滴沉積量較優(yōu)的作業(yè)參數(shù)為施藥量22.5 L·hm-2、作業(yè)高度3.0 m、作業(yè)速度2.0 m·s-1,即試驗(yàn)組號9。根據(jù)極差值可知,這3種因素影響霧滴沉積量的主次,由主到次依次為施藥量、作業(yè)高度、作業(yè)速度。

表6 月季花不同冠層施藥霧滴沉積量正交試驗(yàn)結(jié)果的極差分析結(jié)果

由月季花不同冠層施藥霧滴沉積量穿透性正交試驗(yàn)結(jié)果的極差分析結(jié)果(見表7)可見:在月季花冠層不同高度,影響霧滴沉積量穿透性的主次因素各有不同;在上層,作業(yè)速度對霧滴沉積量穿透性的影響,大于施藥量、作業(yè)高度,即作業(yè)速速越慢、施藥量越大、作業(yè)高度越低時,霧滴在上層的穿透效果最好。作業(yè)高度對中層和下層的穿透性影響明顯,降低作業(yè)高度,可增強(qiáng)霧滴在月季花冠層中下部的穿透性。

表7 月季花不同冠層施藥霧滴沉積量穿透性正交試驗(yàn)結(jié)果的極差分析結(jié)果

3 討論與結(jié)論

影響航空噴施效果的因素有很多,包括機(jī)型、氣象條件、冠層結(jié)構(gòu)、施藥液量、飛行高度、飛行速度等[15-16]。蒙艷華等[17]研究了3WDF120-12型植保無人機(jī)飛行參數(shù)對小麥莖稈葉片霧滴覆蓋率的影響,結(jié)果表明,影響小麥冠層上部霧滴沉積密度的主要因素,由主到次依次為飛行速度、噴施流量、飛行高度;余文勝等[11,18]使用3WD4-10型多旋翼植保無人機(jī)對水稻和茶樹霧滴沉積進(jìn)行研究,結(jié)果表明,飛行速度對霧滴沉積密度影響最大;范鑫等[19]采用新一代P30四旋翼植保無人機(jī)在結(jié)莢期花生航空施藥研究,結(jié)果表明,噴藥量對霧滴沉積特性的影響均為極顯著,其次是飛行高度。本研究表明,月季花各冠層霧滴沉積密度和沉積量,由大到小均依次為上層、中層、下層;影響月季花冠層霧滴沉積密度和沉積量的主次,由主到次依次為施藥量、作業(yè)高度、作業(yè)速度;影響月季花冠層霧滴沉積密度均勻性的主次,由主到次依次為施藥量、作業(yè)速度、作業(yè)高度;影響月季花各冠層霧滴沉積量穿透率的主次因素各有不同,作業(yè)速度是上層霧滴沉積量穿透率的主要影響因素,而作業(yè)高度對中層和下層的影響更為明顯。

科學(xué)合理地選擇施藥量、作業(yè)高度、作業(yè)速度等飛行參數(shù),是決定植保無人機(jī)能否取得良好霧滴沉積效果、達(dá)到防治預(yù)期效果的關(guān)鍵。楊志恒等[20]研究P20植保無人機(jī)對不同作業(yè)參數(shù)在月季花冠層的有效噴幅,結(jié)果表明,施藥量22.5 L·hm-2、作業(yè)高度2.2 m、作業(yè)速度5.0 m/s時,在月季花上部葉片和中部葉片有效噴幅寬度最大,作業(yè)效果最佳。本研究通過對四旋翼植保無人機(jī)在月季花噴霧作業(yè)進(jìn)行研究,由綜合分析霧滴沉積分布結(jié)果表明,在平均株高為1 m的月季花上,植保無人機(jī)最佳作業(yè)參數(shù)是施藥量22.5 L·hm-2、作業(yè)高度3.0 m、作業(yè)速度2.0 m/s,即施藥量較大、飛行速度較慢、飛行高度適中時,噴霧效果最好。本研究結(jié)果,可為植保無人機(jī)防治月季花病蟲害及實(shí)現(xiàn)其他園林灌木類的統(tǒng)防統(tǒng)治提供參考。