无人机(UAV)施药防控美国白蛾的飞行参数及防治效果*

高 悦 仇才楼 王光标 解春霞 成 聪

(1. 江苏省林业科学研究院 南京 211153； 2. 江苏省林业有害生物检疫防治站 南京 210036； 3. 江苏省新沂市森林病虫防治检疫站 新沂 221400)

20世纪90年代，日本首先将无人机(unmanned aerial vehicle)用于大田作物、果树的生长状况观察和病虫害防治(张毅， 1997)。目前，无人机已应用于公安、消防、海运、气象、航空拍摄、森林防火、农业病虫害监控等领域(张伟等， 2014； Duanetal.,2014; 赵星涛等， 2014)。现阶段林业有害生物化学防治中，有人驾驶的飞机防治主要适用于连片大面积林业病虫害防治作业，但受起降场地、使用地点、时间等限制，并且作业高度高，农药施用量过大，喷洒雾滴可控性差，易飘移靶标区，对空气、水体及土壤造成渗透，污染风险较高(甘英俊等， 2011)。其他常见药械主要有高扬程车载喷雾机及电动、手动施药机，但由于防治靶标的高度常超出施药范围，对树木上部虫口密度较大的枝叶防效有局限性(张军生等， 2014)。美国白蛾(Hyphantriacunea)属鳞翅目(Lepidoptera)灯蛾科(Arctiidae)灯蛾亚科(Arctiinae)，是一种重要的外来检疫性有害生物(张向欣等， 2009)，自2010年入侵连云港后，已在江苏局部地区造成了经济和环境的双重损失，并在未来一段时间内有可能在江苏境内呈跳跃式传播扩散(陈志银等， 2015)。为了更精准有效地解决常规地面森防器械难以进入林地核心区、扬程不够以及防治强度大、施药量大、效率低等问题，笔者利用无人机对美国白蛾第2代3～4龄幼虫发生区进行了最佳施药飞行参数测定，并对林间施药雾滴质量和防治效果进行了调查分析。

1 试验区概况

无人机防治美国白蛾试验区设在新沂市新戴运河两侧，试验区内主要树种为8年生69杨(Populusdeltoidescl.69/55)和72杨(P.deltoidescl.72/58)，林地郁闭度0.6～0.8，杨树胸径15～22 cm，树高12～16 m，林冠层10 m左右，该林为美国白蛾常发区，总面积15 hm2左右，试验区海拔10～20 m。无人机施药于7月上旬进行， 环境温度23～27 ℃， 相对湿度60%， 风力2～3级。

2 材料与方法

2.1 供试无人机 本试验采用国内YM-1300-V6电动多旋翼植保无人机(以下简称无人机)。该机展开直径1 800 mm，全高550 mm，可折叠，便于运输，飞行高度0～120 m，飞行速度0～12 m·s-1，6个高效无刷电机，总功率19.2 kW，额定载重10 kg，随机身配置3个型号为202 A-131的喷嘴。

2.2 供试药剂 试验用药为1.8%阿维菌素乳油、1%甲氨基阿维菌素苯甲酸盐乳油，由南通功成精细化工有限公司生产。防治试验施药浓度设为200 mg·L-1和400 mg·L-1的2个处理，每架次载药量为10 kg，防治试验总面积约13.4 hm2。

2.3 无人机飞行施药参数测定 1) 无人机不同施药高度雾滴质量的测定 无人机飞行施药参数利用曙红水基染色法(舒朝阳等， 2012)进行测定，在水中以1.0～1.5 g·L-1的浓度比例加入曙红水基染料，距树冠顶端高度0～7 m内每隔0.5 m为1个处理，进行飞行相对高度试验，无人机以1 m·s-1的基础速度，在林带上匀速施药，每隔5 m放置雾滴接收试纸(A4打印纸，经预试验验证无扩散)，并按顺序编号，每5～10片为一组，飞行方向与地面试区的长边保持垂直，并且机身控制在中间区域。施药后每隔10 min后收回，判断无人机施药的雾滴飘移情况。雾滴穿透力检测方法参考2.4，平均雾滴沉积密度大于每cm25粒的视其为有效穿透，通过室内显微镜观测法(朱少木等， 2007)计算雾滴均匀度。雾滴均匀度=雾滴数量中值直径/雾滴体积中值直径。

2) 无人机不同施药速度雾滴质量的测定 设定无人机距树冠顶端3.0 m高度进行不同飞行施药速度对雾滴质量影响的测定，无人机飞行速度在0～7 m·s-1内，每隔0.5 m·s-1设为一个处理，其他试验方法同2.3 1)， 观察计算无人机在不同飞行速度下雾滴的平均密度、穿透性和均匀度。

2.4 无人机对空中靶标施药曙红染色雾滴的沉积效果测定 通过测定林间不同高度雾滴参数评价其沉积效果。在靠近杨树主干20 cm的垂直长杆上，距离树冠每隔0.7 m高度位置，布置固定7个以上编号的复印纸卡，靶标固定尽可能模拟树叶形态。林间上、中、下部靶标分别设为距树冠顶端3、6、9 m位置的纸卡。无人机飞行相对高度设为距树冠顶端3.0 m，以2.5 m·s-1作业速度匀速飞过试验区，5 min后收集靶标样品并保存。观察、统计和记录靶标上雾滴参数。

2.5 无人机施药防治美国白蛾的效果检查 美国白蛾发生第2代1～3龄幼虫期，在试验区随机选择标准地3块，每标准地内选择标准株10株。施药前检查每标准株上的虫口数。施药后24、48、72 h检查树上及树下致死虫口数量。远离无人机施药区喷洒清水设置对照，计算虫口校正死亡率(张享能， 2006)。

防治效果计算公式为：

虫口校正死亡率(%)=(处理组死亡率-对照组死亡率)/(1-对照组死亡率)×100%。

2.6 数据处理 数据采用Excel和SPSS Statistics 19.0软件进行统计分析，数值采用平均值±标准差，显著性采用单因素ANOVA Duncan进行分析，相关性采用双变量Pearson相关系数双侧检验进行分析。

3 结果与分析

3.1 无人机施药飞行参数分析 不同相对高度和速度时无人机施药雾滴质量如图1所示：雾滴漂移距离与飞行相对高度呈正相关，相对高度在3.5 m内时，雾滴飘移距离较小，且可控在2～3 m以内，相对高度超过3.5 m时，雾滴飘移距离超过4 m以上，较难得到控制。施药有效穿透力与施药高度呈负相关，相对高度距离树冠顶端3.5 m以内时，穿透力可以达到10 m，相对高度超过3.5 m时，穿透力逐渐下降。飞行相对高度对雾滴均匀度的影响不显著，相对高度低时，雾滴均匀度略差。综合上述分析，本试验中当无人机飞行相对高度为2.5～3.5 m施药时，雾滴质量较高，施药效果较好。

图1 无人机不同飞行高度和速度与雾滴沉积效果的关系Fig.1 Relations between deposit effects and different height and speed by UAV flight

根据施药高度试验的结果，将无人机飞行相对高度设定在3.0 m，再进行不同飞行施药速度对雾滴质量影响的测定。结果(图1)显示，无人机施药飞行速度与雾滴密度呈负相关，无人机施药速度在4 m·s-1以内时，雾滴密度较高。雾滴有效穿透力与施药速度呈负相关，无人机施药飞行速度在3.5 m·s-1以内时，穿透力均达10 m左右，施药飞行速度超过3.5 m·s-1后，穿透力下降显著。无人机施药飞行速度对雾滴均匀度的影响不显著。据此分析，当无人机施药飞行速度在1.5～3 m·s-1范围内，雾滴质量较高，施药效果较好。

对无人机施药飞行相对高度和速度所得的试验数据进行拟合，得出相关拟合方程，从结果(表1)可知，无人机施药飞行相对高度与雾滴飘移(R2=0.89)和穿透力(R2=0.90)拟合性较高，无人机施药飞行速度与雾滴穿透力(R2=0.85)拟合性较高。再进行相关性分析得到，无人机施药飞行相对高度与雾滴飘移距离、施药穿透力相关性极显著，对雾滴均匀度有一定影响； 无人机施药飞行速度与雾滴穿透力极显著相关，对雾滴密度有一定影响，而对雾滴均匀度影响不大。

表1 无人机飞行参数与雾滴沉积效果的相关性分析①Tab.1 Correlation analysis of deposit effects byUAV in different flight parameters

① * :P﹤0.05; ** :P﹤0.01。

3.2 无人机对林间靶标施药曙红染色雾滴的沉积效果 如图2所示，林间上、中、下部的雾滴大小(张再福， 2000)和雾滴密度有明显差异：上部雾滴较大，分布不均匀，中、下部雾滴较小，但均匀度较好；雾滴在上、中、下部的沉积密度差异显著。

由表2可以看出，上、中、下部靶标的正反面雾滴大小相差不大，但雾滴密度差异明显，正面雾滴密度均比反面高出1倍以上。尤其对冠层下部靶标影响更大，这可能是由于随着无人机施药距离增大，旋翼产生的下压气流逐渐减弱的结果。

树冠部位Positionofthecanopy雾滴大小Diameterofdroplet/μm雾滴密度Densityofdroplet/m-2正面Front反面Back正面Front反面Back上部Upper9048±3735a6410±33．06a4575±7．54a2410±6．42a中部Middle5321±2514b4104±24．69b3268±4．37b1500±4．82b下部Lower3322±1325b3121±8．52b693±2．17c282±1．64c

①表中同列不同字母表示差异达到显著水平(P<0.05),n=15,下同。The different letters in the same column of the table showed significant difference (P<0.05),n=15, the same below.

3.3 无人机防控美国白蛾的效果 从表3可知，施药24 h后阿维菌素和甲氨基阿维菌素苯甲酸盐的虫口校正死亡率均低于30%，48 h后在50%左右，72 h后才达到70%左右，这2种杀虫剂通过刺激释放γ-氨基丁酸干扰神经生理活动，不能引起昆虫迅速脱水，所以致死作用较缓慢，但都属仿生类农药，对捕食性昆虫和寄生天敌损伤较小，利于保护天敌昆虫(高悦等， 2013a； 2013b)。从表4可知，施药剂量为400 mg·L-1时，防治效果明显高于剂量200 mg·L-1。所以，针对不同虫口基数，确定适当的施药剂量对防治效果影响较大。另外，从本次试验数据可知使用单剂甲氨基阿维菌素苯甲酸盐略高于使用单剂阿维菌素的防治效果。

表3 无人机施药对美国白蛾的防治效果Tab.3 The control effect of spraying insecticides onH. cunea by UAV

4 讨论

本试验中应用无人机喷药的雾滴平均直径在30～90 μm，平均雾滴数量20～30粒·cm-2，雾滴均匀度为0.767～0.832。据研究，有人驾驶飞机防治雾滴平均直径在118～165 μm，平均雾滴数量在7～14粒·cm-2，雾滴均匀度为0.670～0.685。可知，无论从雾滴大小、雾滴数量还是雾滴均匀度来看，无人机方面都明显优于有人驾驶飞机(张再福， 2000)。而且，使用有人驾驶飞机进行喷雾，如果喷洒的面积太小，就会将大量的农药喷洒在相邻地块的作物上，造成浪费和污染。无人飞机作业高度足可覆盖高大树木的顶端，并可进行超低空作业，因为当飞行超过一定高度时，防治效果较差，不能达到要求，这与有人驾驶飞机防治研究(肖宾， 2011)的结论一致； 无人机可实现雾化喷药，药液飘移少； 无人机可空中悬停，与GPS系统配合可实现较高的位置定位； 无人机无需专用机场起降； 旋翼产生的向下气流有助于增加雾流对树木的穿透性，提高防效。

当今，植保无人机动力系统，无论是使用燃油或智能电池，单架次飞行时间均有限，需多次起降才能完成较大面积的防治任务。为保证安全，还需要避开高大建筑物和高压线等，利用无人机防控林业有害生物较难实现自主飞行模式，基本上控制在可视范围内进行作业，这也限制了无人机单架次的作业半径。所以，在短时间内对大面积林业有害生物进行防控，使用无人机具有一定局限性，且现阶段防治成本与有人驾驶飞机(肖宾， 2011)相比优势不明显。但现已开始对燃油、多轴、高载重、长续航的林用无人机(搜狐网， 2016)进行研发，相关问题可能得到逐步解决。

本试验中防控美国白蛾采用的2种仿生类药剂均为乳油剂型，使用单剂甲氨基阿维菌素苯甲酸盐的防效略高于单剂阿维菌素，但甲氨基阿维菌素苯甲酸盐比阿维菌素更易结晶，长时间过多使用容易堵塞喷嘴，影响雾化效果。灭幼脲防治美国白蛾也有较好效果(曹志等， 2014)，但常用灭幼脲剂型为悬浮剂，也会影响到无人机喷嘴的雾化效果，故本次试验未予使用。苦参碱等植物源农药(刘双清等， 2016)具有环境友好、靶标生物不易产生抗药性、作用方式特异等特点，但药效相对迟缓，且成本较高，施用配套器械也有待完善。因此，对适用于无人机的药剂种类与剂型选择，也有待深入探讨。

国外农林航空技术应用比较发达的国家有美国、日本、俄罗斯、澳大利亚、巴西等(罗锡文， 2014)。从2002年开始，我国对无人机的研究逐年加强。2012年后，我国无人机研究快速攀升，无人机研究应用多集中在航空航天及武器领域(占50%以上)，而农林经济领域研究应用相对较少(占比不足1.3%)(徐丽丽等， 2017)。目前，传统的农林业技术方式已不能满足农林业研究和经营者生产实践对科技的需求，迫切需要解决林业科技与林业生产相结合的问题。

在现代信息技术、生物技术及工程技术等系列高新技术推动下，“精准林业”(张慧春等， 2004)应运而生。无人机进行精准防控林业有害生物的研究利用，将作为“精准林业”重要组成部分，在实现最小资源投入、最大林业收益和最少环境危害中发挥重要作用。

5 结论

本试验中当无人机飞行相对高度为2.5～3.5 m、飞行速度在1.5～3 m·s-1范围内施药时，雾滴质量较高，施药效果较好。无人机施药飞行相对高度与雾滴飘移距离、施药穿透力相关性极显著，对雾滴均匀度有一定影响； 无人机施药飞行速度与雾滴穿透力极显著相关，对雾滴密度有一定影响，而对雾滴均匀度影响不大。使用无人机分别喷洒1.8%阿维菌素乳油和1.0%甲氨基阿维菌素苯甲酸盐乳油防治美国白蛾，在施药后24，48和72 h进行了防效调查，虫口校正死亡率分别达到30%、50%和70%左右，无人机喷洒1%甲氨基阿维菌素苯甲酸盐乳油的防效高于1.8%阿维菌素乳油。无人机在最适飞行施药参数下，可更精准有效地防治美国白蛾。

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