不同电动植保无人机稻田雾滴沉积分布试验研究

漆海霞，陈鹏超，兰玉彬，黄晓宇，王国宾

(华南农业大学 工程学院/国家精准农业航空施药技术国际联合研究中心，广州 510642)

0 引言

农业是国民经济发展的第一产业，是我国国民经济的基础，而农作物的病、虫、草、鼠害等一直是制约农业发展的严峻问题[1]。近年来，受病虫源基数、气候变化和作物种植条件等因素综合影响，农作物病虫害发生呈连年偏重态势。据全国农技中心预测，2018年我国农作物重大病虫害总发生面积将达到50亿亩次[2]。病虫害的区域性、规模性爆发，加之农村劳动力短缺以及传统植保器械落后等诸多方面原因，人们对作业效率高、质量好、适应性广以及应对突发能力强的新型植保器械的需求越来越迫切。以植保无人机为代表的航空施药器械能够快速高效地开展病虫草害的防治，特别是能及时有效地防控大面积爆发性的有害生物灾害[3-5]。据统计，飞机作业效率是地面机械效率的5～7倍，是人工喷雾的200～500倍，且作业成本更低，相比地面机械每英亩可减少农作物损伤和其他事项支出40元[6-7]。

近年来，针对植保无人机在典型粮食作物的施药技术，国内科研人员做了大量的试验研究。邱白晶[8]建立了沉积浓度、沉积均匀性与飞行高度、速度两因素间的关系模型，认为飞行速度和高度对沉积的浓度和均匀性影响极显著。秦维彩[9]等研究了喷洒参数对玉米冠层雾滴沉积分布的影响，认为飞行高度为7m、横向喷洒幅度为5m时，雾滴沉积特性和喷洒效果较好。陈盛德[10]设置不同的飞行高度研究作业参数对水稻冠层的雾滴沉积分布的影响，结果表明：飞行高度和飞行速度对靶区内采集点上雾滴平均沉积量影响均显著，随着飞行高度增加，靶区内雾滴沉积量逐渐减少。蒙艳华等[11]以单旋翼油动无人机为研究对象，同样对作业高度、作业速度和喷施流量进行参数优选，结果表明影响小麦冠层的雾滴沉积的主要因素依次是作业速度、喷施流量、作业高度。以上试验研究均围绕无人机的作业参数或喷雾参数开展，研究结果只针对某种类型无人机，而缺少对不同无人机类型的作业效果的比较。本文选取5种电动植保无人机，设定相同的施药量，开展不同旋翼类型和喷头类型在水稻田的雾滴沉积效果对比试验研究，以期为植保无人机快速应用推广提供数据支撑和理论指导。

1 材料与方法

本试验于2017年10月25日在广西平南县开展，供试作物为孕穗期水稻，水稻品种象牙香占，株高1.2m。试验时温度31℃，湿度45%，无风。

1.1 试验机型

试验分别选用5种电动植保无人机，分别为极飞P20、农博士3XY8D、新和莱特3WWDZ-10B、高科新农s40及广西云瑞YRX6-16。试验根据相同施药量计算出各机型的飞行速度，飞行高度根据实际作业情况选取，各机型作业参数如表1所示。

表1 各机型喷雾及作业参数Table 1 Spray and operating parameters of UAVs

1.2 试验方案设计

1.2.1 有效喷幅及雾滴沉积分布试验

该试验测定5种无人机机型在相同单位施药量条件下，农药在水稻冠层、中层和下层的雾滴分布情况。试验设定为单喷幅，即各机型按照预定航线进行单架次单程作业，如图1所示。试验小区内垂直于飞行航线设置两条雾滴采集带，每条雾滴采集带共12个采样点，以采集带中间位置作为飞机的预定航线。

图1 采集样点布置示意图Fig.1 Schematic diagram of test

根据无人机推荐喷幅在4～6m范围内，预设靶区宽度8m，两侧飘移区各4m；靶区共设置8个采集点，每个采集点间隔1m；飘移区位于靶区的左右两侧，共设置采集点4个，每个采集点间隔2m。同时，根据植株高度，在每个采集点布置上、中、下3层雾滴测试卡(铜版纸)。

按照5g/L比例配制染色剂(诱惑红)溶液，分别加入5架无人机药箱内；每架次喷施作业完成后，待空气中雾滴全部沉降且测试卡完全干燥后，佩戴一次性手套将各采样点的测试卡收集保存；试验结束后，通过图像处理软件DepositScan进行雾滴识别与分析。

1.2.2 水稻叶片的药液沉积量测定试验

该试验设定在实际作业过程中，测定5种类型无人机在水稻叶片上的雾滴沉积量。室内建立罗丹明B的质量浓度和吸光值的线性关系模型。田间试验划定5个试验小区，各类型无人机按照15L/hm2的施药量进行作业。药剂为拿敌稳肟菌戊唑醇水分散粒剂10g/667m2，同时添加5g/L罗丹明B。施药后，按照5点取样的方法，在各个试验小区内随机抽取5点，每点选取水稻1丛(约10株)。在实验室内，选取每点水稻植株的剑叶、倒二三叶和底叶分装至密封袋中，加入蒸馏水20mL充分震荡洗脱，经过滤膜过滤后分装入离心管中，用荧光分光光度计测定罗丹明B在水稻叶片上的沉积量。

1.3 试验方法

1.3.1 各机型有效喷幅测定

有效喷幅的判定方法与喷雾参数有关，常用的有效喷幅判定方法有50%有效沉积量法和雾滴密度法。50%有效沉积量法中有效喷幅是指单喷幅作业中沉积量为最大沉积量1/2的两点之间的间距；雾滴密度法是根据国家民航标准要求，飞机在农林作物中进行作业喷洒时，靶标作物上的雾滴沉积覆盖密度为15个/cm2以上的区域计入有效喷幅区。据研究，50%有效沉积量法适合雾滴粒径较大的压力式喷头，雾滴密度判定法适合雾滴粒径较小的离心式喷头[12-13]。

本研究对采用压力式喷头的3WWDZ-10B、S40及YRX6-16机型采用50%有效沉积量判定方法，对P20和3XY8D-1含有离心式喷头的机型采用雾滴密判定方法。

1.3.2 雾滴分布的测试方法

本研究用同一冠层水平面的雾滴沉积量或沉积密度的变异系数作为雾滴分布均匀性的表征数据，将冠层垂直面间的变异系数作为雾滴穿透性的表征数据。变异系数越小，雾滴分布均匀性或穿透性越好。

2 试验结果与分析

2.1 有效喷幅测定结果

图2为通过雾滴测试卡分析得出采样区域内的雾滴沉积量。3WWDZ-10B、S40和YRX6-16机型的最大沉积量为0.136、0.143、0.231μL/cm2，满足其50%沉积量的采样点分别有5、5、4个。S40喷洒结果中满足有效沉积的采样点为7～11。其中，10和11采样点间隔为2m，因此3WWDZ-10B、S40和YRX6-16机型在该试验条件下的有效喷幅分别为4、5、3m。

如表2所示：P20和3XY8D-1型雾滴密度结果中满足条件的采样点数量分别为4个和5个，因此P20和3XY8D-1型无人机的有效喷幅为3m和4m。综合各机型数据，单旋翼机型的有效喷幅略大于多旋翼机型，各机型的有效喷幅在3～5m范围内。

图2 雾滴沉积量分布图Fig.2 Droplets deposition of UAVs表2 P20和3XY8D-1型无人机雾滴密度参数列表Table 2 Droplets Density of P20 and 3XY8D-1 UAVs

采样点位置/mP20/个·cm-23XY8D-1/个·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为符合农业航空行业标准的数据。

2.2 有效喷幅区雾滴沉积分布结果

如图3所示：在有效喷幅区内，液力式喷头的雾滴沉积粒径大于离心式喷头。P20和3XY8D-1型无人机安装有离心式喷头，其雾滴沉积粒径较小，DV50变化范围为144.5～243μm；而3WWDZ-10B和S40型无人机分别安装液力式喷头，其雾滴粒径明显高于离心式喷头，DV50变化范围分别是261～343μm、252.5～421μm。YRX6-16型无人机采用TR 80-0067 型液力式喷头，其雾滴沉积粒径接近于离心式喷头，变化范围为189.5～218μm。

图3 雾滴体积中径分布图Fig.3 Volume median diameter

雾滴沉积粒径较小的机型，其雾滴覆盖密度更大，如图4所示。P20、3XY8D-1和YRX6-16型无人机雾滴密度的平均值分别为37.8、61.56、59.5个/cm2，而粒径较大3WWDZ-10B和S40型无人机平均雾滴密度仅为18.8、18.7个/cm2。

图4 雾滴沉积密度分布图Fig.4 Droplet deposition density

由表3可知：各机型在作物上层的雾滴分布均匀性较好，中层的变异系数高于上层或下层，说明雾滴在中层的分布较差，安装液力式喷头的3WWDZ-10B、S40、YRX6-16机型在中下层的雾滴分布均匀性优于3XY8D-1和P20机型。但P20在冠层间的变异系数最小，仅为36.08%，具有较好的穿透性。相比液力式喷头，离心喷头可以获得更好的雾滴穿透效果。

表3 各机型在水稻冠层的雾滴沉积分布均匀性和穿透性Table 3 Droplet deposition distribution uniformity and penetration in rice canopy

2.3 水稻叶片的药液沉积量测定结果

室内测定，诱惑红的质量浓度Y与吸光值X的线性回归方程为X=0.085178Y+0.037328，决定系数R2=0.99，说明回归直线的拟合程度较好。

通过荧光分光光度计光度测定并经过方程转换，获得水稻叶片的药液沉积量，结果如图5所示。相相比中下层，各机型在作物上层获得较高的药液沉积量。YRX6-16和3XY8D-1在上层的药液沉积量最多，分别为0.87、0.72μL/cm2，P20在各层间药液沉积量较为均匀。另外，3WWDZ-10B施药区域沉积量明显低于其他机型，判断该机型可能在施药区域内存在漏喷现象。

图5 各类型无人机冠层间药液沉积量分布直方图Fig.5 Pesticide deposition in rice canopy

3 试验分析

对5种电动植保无人机进行雾滴沉积分布试验研究。单旋翼机型拥有更大的旋翼风场[14]，因而在实际作业中获得较大的有效喷幅，作业效率也相对提升；但无人机喷幅与作业高度也有关系，后续研究需要进一步进行分析验证。雾滴在空气中沉降的过程中，大雾滴会直接撞击作物叶片表面，小雾滴受到气流的影响能绕过叶片沉积在作物下层，因此雾滴粒径小的机型在作物冠层拥有较好的雾滴穿透效果[15]。P20、S40及3WWDZ-10B机型的下层药液沉积量大于中层，分析认为无人机旋翼的下洗气流使水稻的叶片和茎秆发生局部的倾斜倒伏，药液可以有更多的机会沉降到作物下层。与地面机械雨淋式喷雾相比，使用更少量的药液也可以达到较好的穿透性，这是无人机的优势。

4 结论

1)单旋翼机型的有效喷幅较大，试验测定3XY8D-1和S40有效喷幅分别为4m和5m；而 3WWDZ-10B、P20和YRX6-16的有效喷幅分别为4、3、3m。

2)在有效喷幅区内，液力式喷头的雾滴沉积粒径大于离心式喷头。雾滴沉积粒径较小的机型，其雾滴覆盖密度更大。

3)各机型在作物上层的雾滴分布均匀性和药液沉积量最优，中层最差。相比液力式喷头，离心喷头可以获得更好的雾滴穿透效果。