邊永亮 李建平 薛春林 李昕昊 王鵬飛

(河北農業(yè)大學 機電工程學院，河北 保定 071000)

果園病蟲害防治施藥作業(yè)的工作量約占果樹管理總工作量的30%左右，是最費工時又非常重要的作業(yè)項目，施藥作業(yè)質量效果直接影響果品質量及產量[1-2]。施藥作業(yè)質量主要取決于植保機具的噴霧性能。目前，我國果園中的植保機具主要為風送噴霧機[3]，但其施藥作業(yè)參數不能根據果樹冠層結構自動調節(jié)，造成沉積在單位葉片面積上的藥液不均勻，導致局部過量施藥和局部防效不理想并存現象[4-5]。同時，風送噴霧機的地形適應性較差，難以適應在丘陵山地果園的植保作業(yè)。植保無人機是一種新型的植保機具，因其安全性高、地形適用性強等優(yōu)點得到廣泛應用[6]。植保無人機應用于果園病蟲害防治，可實現高效輕簡化施藥作業(yè)，達到節(jié)水節(jié)藥、節(jié)本增效的目的，使果品質量更高、更加綠色安全。

目前植保無人機已應用在玉米[7]、水稻[8-9]、小麥[10]等作物的植保作業(yè)中[11]。電動單旋翼植保無人機霧滴覆蓋率上部和下部的平均值分別為1.17%和0.99%，農藥有效利用率為42.3%，具有較好的噴霧性能，能滿足水稻、小麥等作物的病蟲害防治[12-13]，但其載藥量不足，續(xù)航能力差。N-3型無人直升機在玉米生長后期霧沉積效果表明，作業(yè)高度和作業(yè)噴幅會影響霧滴在植株上的沉積量和分布均勻性，橫向噴幅為7 m時，多噴幅霧滴沉積百分比的極差為26.3%，變異系數為25%[7]。張盼等[14-15]研究發(fā)現小型四旋翼無人機噴霧的霧滴在柑橘樹冠上層的沉積效果較好，距離冠層頂部1 m高度飛行噴灑的霧滴覆蓋率、沉積密度等各項參數較為理想，然而，在樹冠垂直方向上施藥霧滴沉積分布均勻性相對較差，旋翼風場難以將霧滴送到中下層。綜上，植保無人機的載藥量、續(xù)航能力是衡量植保無人機適用性的重要指標，霧滴沉積覆蓋率和霧滴沉積分布均勻性是衡量植保無人機噴霧性能的主要指標。單旋翼油動無人機動力強勁，載藥量大，續(xù)航時間長，且旋翼下壓風場強勁，有助于霧滴沉積到果樹上。由于植保無人機在果園施藥作業(yè)還沒有相應標準，故本研究擬采用田間對比試驗的方法，對比分析單旋翼油動無人機和圓形果園風送噴霧機在果樹冠層的噴霧效果，進而明確單旋翼油動無人機與圓形果園風送噴霧機在果園病蟲害防治作業(yè)的應用范圍，旨在為果農和農業(yè)社會化服務組織的植保機具選擇提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料及設備

1.1.1試驗材料

采用重慶六六山下植?？萍加邢薰旧a的水敏紙檢測霧滴；型號為EPSON PERFECTION 1670激光掃描儀掃描處理水敏紙；精創(chuàng)RC-4濕度測試儀測量環(huán)境濕度；?，擜S856S風速測試儀測量風速等。

1.1.2試驗機型及搭載設備

試驗用植保無人機為Z-3 N型單旋翼油動無人機(簡稱無人機)，由廣西農博士農業(yè)服務有限公司提供，采用差分GPS全球導航系統(tǒng)記錄無人機飛行高度、飛行速度和運行軌跡。差分定位精度為 ±0.2 m，航線控制精度±0.2 m，并搭載有高精度的聲吶感知系統(tǒng)，采用先進的離心式噴頭，霧化效果較好[16]。試驗用噴霧機為FXS7B-340圓形果園風送噴霧機(簡稱噴霧機)。機具型號參數見表1。

1.2 試驗過程及方法

1.2.1試驗環(huán)境

供試果園位于河北省保定市曲陽縣下河鄉(xiāng)劉家馬村矮砧密植蘋果園(38°68′ N，114°71′ E)。以5年生富士蘋果為試驗對象，果園株距1.0～1.2 m、行距4.0 m，樹高3.5～4.0 m，紡錘形樹冠，矮砧密植，南北走向，果園采用水肥一體化灌溉；環(huán)境溫度15 ℃，環(huán)境濕度45%，環(huán)境風速1～2級。試驗時間為2019年10月22日14: 00—17: 30，此時蘋果樹正值全葉期。

1.2.2采樣布置

1)靶標果樹選取。在果園同一行間的左右兩樹行分別選取3棵樹形規(guī)整、枝繁葉茂的靶標果樹，一左一右依次選取且間隔取樣，防止果樹距離太近相互干擾。在試驗樹行中按照“留白距離”的方法[17]選擇放置水敏紙的果樹。6棵靶標樹編號為T1～T6，分別距地頭4.0、5.2、6.4、7.6、8.7、10.1 m。沿果樹高度方向分3層放置水敏紙，在果樹冠上部、中部(2/3株高)和下部(1/3株高)分別張貼4張水敏紙進行標記，果樹樹層劃分示意見圖1。每張取樣卡的尺寸為70 mm×50 mm，與果樹葉片的尺寸幾乎相同。施藥后將著霧滴的水敏紙收集在密封袋中。

表1 無人機與噴霧機技術參數Table 1 Technical parameters of UAV and sprayer

圖1 果樹樹層劃分示意圖Fig.1 Schematic diagram of the division of the fruit tree layer

2)水敏紙使用與處理。將水敏紙分別固定在果樹同一葉片的葉面、葉背，利用雙面膠將葉片粘貼在葉片上。同時在張貼位置處用彩色標記條標記。噴灑結束后，應立即將水敏紙收集并粘貼在收集硬紙板上；將硬紙板做干燥處理，存放在干燥環(huán)境中。使用激光掃描儀依次對硬紙板上的水敏紙進行掃描，為保證沉積霧滴的清晰顯像，掃描圖像分辨率設定為600 dpi，背景為A4白紙，灰度掃描成PNG格式。

1.2.3試驗過程

準備工作就緒后，進行無人機和噴霧機的噴霧作業(yè)試驗，作業(yè)場景見圖2。用秒表記錄機具作業(yè)時間，用皮尺測量作業(yè)距離。

圖2 無人機(a)和噴霧機(b)果園內作業(yè)場景Fig.2 UAV (a) and sprayer (b) scenes in the orchard

1)無人機。無人機作業(yè)速度為2 m/s，作業(yè)高度為距地面7 m，噴幅為4 m，噴量為67.5 L/hm2，試驗時無人機的航線經過試驗果樹行間的正上方；在果樹行間上空飛行，將藥液噴灑到果樹上。

2)噴霧機。噴霧機作業(yè)速度為2.96 m/s，噴霧壓力為1.0 MPa，噴孔直徑1.5 mm，風機轉速540 r/min，風機出口風量16 200 m3/h。

1.2.4數據處理

通過Image-master軟件進行霧滴信息采集。將掃描好的文件(圖3(a))導入到軟件，經區(qū)域選取、提取分析區(qū)域、調節(jié)區(qū)域前進背景的像素，設置參數sigma、weight均為5，經“閾值調節(jié)”將前景背景剝離，再經“去除前景”、“降噪處理”等步驟之后(圖3(b))，軟件將自行分析出霧滴直徑參數、總霧滴數、霧滴霧滴沉積覆蓋率。采用Excel軟件進行數據匯總分析和圖表繪制。

霧滴大小以體積中值直徑表示，計算式為：

(1)

式中：VMD為體積中值直徑，μm；Dmax為最大霧滴直徑，μm；F為折合系數，F=2.2。霧滴分布均勻度以霧滴覆蓋率的變異系數表示，變異系數和標準差分別采用式(2)和式(3)計算：

(2)

(3)

圖3 水敏紙掃描圖(a)和“Imagepy-master”處理的霧滴圖(b)Fig.3 Water sensitive paper scan (a) and “Imagepy-master” processed fog drop (b)

2 試驗結果分析

2.1 純噴藥小時生產率

同一地區(qū)果園的物候期相近，病蟲害防治時間相對集中，對植保機具的作業(yè)效率要求較高。純噴藥小時生產率Wsi用以衡量機具作業(yè)效率[18-19]，采用式(4)計算：

(4)

式中：Wsi為純噴藥小時生產率，hm2/h，下標i=1,2分別表示無人機和噴霧機；U為班次作業(yè)面積，hm2；Tsi為純噴藥時間，h；生產率之比η采用式(5)計算：

(5)

無人機與噴霧機的工作參數見表2。利用式(4)、(5)計算可知，無人機的純工作小時生產率約是噴霧機的2倍。

表2 無人機和噴霧機的工作參數Table 2 Working parameters of UAV and sprayers

2.2 節(jié)水性能

無人機和噴霧機開始作業(yè)時記錄噴灑時間，根據裝液量、噴灑時間、作業(yè)飛行速度和采用的噴幅寬度來計算噴灑量。噴灑量采用式(6)計算：

(6)

式中：q為噴灑量，L/hm2；Q為裝液量，L；T為噴灑時間，s；υ為飛行速度，m/s；D為噴幅寬度，m。利用式(6)計算得出噴霧機每hm2用水量約是無人機的14倍。

2.3 霧滴沉積覆蓋率

植保機具作業(yè)時，目標物上霧滴所覆蓋的面積與目標物總面積的比值稱為覆蓋率，是評價噴霧作業(yè)質量的重要指標[20-21]。無人機與噴霧機作業(yè)后各冠層平均霧滴沉積覆蓋率見表3。

從測得的數據可以看出，無人機噴灑作業(yè)后的上層葉面覆蓋率為1.72%～21.98%，均值9.10%；葉背覆蓋率0.66%～1.95%，均值1.34%。中層葉面覆蓋率6.19%～16.17%，均值10.79%；中層葉背覆蓋率1.20%～7.56%，均值3.46%。下層葉面覆蓋率0.85%～3.96%，均值2.47%；葉背覆蓋率 0.38%～1.98%，均值1.58%。中層和上層的覆蓋率較高，下層的沉積覆蓋率也達到施藥標準要求，可見單旋翼無人機的縱向霧滴穿透性較好。

表3 無人機與噴霧機作業(yè)后各冠層平均霧滴沉積覆蓋率Table 3 Average droplet deposition coverage of each canopy after UAV and sprayer operation %

噴霧機噴灑作業(yè)后上層葉面覆蓋率為9.93%～24.94%，均值16.47%；葉背覆蓋率5.68%～14.05%，均值8.46%。中層葉面覆蓋率2.64%～34.61%，均值10.79%；中層葉背覆蓋率10.51%～18.75%，均值14.72%。下層葉面覆蓋率7.10%～28.40%，均值18.74%；葉背覆蓋率3.15%～21.78%，均值10.06%。上層、中層和下層的覆蓋率接近，霧滴覆蓋情況較好。無人機噴灑作業(yè)中上層效果顯著，噴霧機為中下層效果顯著。無人機與噴霧機中層葉背的著藥效果均屬最佳。

2.4 霧滴分布均勻性

利用式(1)、(2)、(3)計算無人機與噴霧機作業(yè)后果樹冠層霧滴體積中值直徑及霧滴變異系數，結果見表4。無人機的上中下層葉面平均體積中值直徑值分別為121.7、107.8、45.3 μm，變異系數均值分別為32.71%、23.67%、33.51%。無人機噴灑在葉面上的霧滴直徑從上、中、下層逐漸減小，中層的霧滴分布最為均勻，其次為上層和下層。無人機的上中下層葉背平均體積中值直徑值分別為74.4、84.5、35.2 μm，變異系數均值分別為12.03%、20.02%、16.93%。無人機噴灑的葉背霧滴直徑中層的最大，其次為上層和下層，上層葉背的霧滴分布最為均勻，其次為下層和中層。

噴霧機的上中下層葉面平均體積中值直徑值分別為177.6、183.1、192.3 μm，變異系數均值分別為36.77%、26.26%、24.72%。噴霧機噴灑在葉面上的霧滴直徑從下、中、上層逐漸減小，下層的霧滴分布最為均勻，其次為中層和上層。噴霧機的上中下層葉背平均體積中值直徑值分別為118.5、152.8、156.6 μm，變異系數均值分別為49.40%、37.78%、33.93%。噴霧機噴灑的葉背霧滴直徑下層的最大，其次為中層和上層，下層葉背的霧滴分布最為均勻，其次為中層和上層。

表4 無人機與噴霧機噴灑在果樹各層霧滴分布均勻性指標Table 4 Uniformity index of mist droplets sprayed by UAV andsprayer on various layers of fruit trees

3 結 論

本研究基于果園植保機具田間對比試驗方法，對Z-3 N型單旋翼油動無人機和FXS7B-340圓形果園風送噴霧機進行了田間噴霧測試，對比分析了純噴藥小時生產率、節(jié)水性能、霧滴沉積覆蓋率、霧滴分布均勻性等性能指標，主要結論如下：

1) 單旋翼油動無人機噴霧作業(yè)的果樹上中下層霧滴沉積覆蓋率分別為0.66%～21.98%、1.20%～16.17%、0.38%～3.96%，霧滴平均體積中值直徑大小順序依次為上層>中層>下層。圓形果園風送噴霧機噴霧作業(yè)的果樹上中下層霧滴沉積覆蓋率分別為5.68%～24.94%、2.64%～34.61%、3.15%～21.78%，霧滴平均體積中值直徑大小順序依次為下層>中層>上層。

2) 單旋翼油動無人機噴灑的果樹中上層霧滴沉積覆蓋效果顯著，圓形果園風送噴霧機為中下層效果顯著，無人機與噴霧機中層葉背的著藥效果均屬最佳。無人機噴灑在中層葉面上的霧滴分布均勻度最佳，其次為上層和下層；上層葉背的霧滴分布均勻度最佳，其次為下層和中層。噴霧機噴灑在下層葉面的霧滴分布均勻度最佳，其次為中層和上層；下層葉背的霧滴分布均勻度最佳，其次為中層和上層。

3) 排除機具故障等不確定因素影響，單旋翼油動無人機作業(yè)的工作效能與節(jié)水省藥性能總體優(yōu)于圓形果園風送噴霧機。單旋翼油動無人機在果園搶農時和病蟲害應急處理上表現出較好的實用性能。