植保无人机昼夜作业的雾滴沉积特性及棉蚜防效对比

田志伟，薛新宇，崔龙飞，陈 晨，彭 斌，刘 兵

·农业航空工程·

植保无人机昼夜作业的雾滴沉积特性及棉蚜防效对比

田志伟1，薛新宇1※，崔龙飞1，陈 晨1，彭 斌2，刘 兵3

（1. 农业农村部南京农业机械化研究所，南京 210014；2. 广州极飞科技有限公司，广州 510663；3.中国农业科学院植物保护研究所，北京 100193）

针对无人机在棉蚜防治过程中夜间作业雾滴沉积特性和防效未知、目标喷洒区域雾滴沉积规律不明确等问题，该研究采用P20植保无人机进行棉蚜防治试验，对比了无人机白天和夜间作业时棉花植株不同部位的雾滴沉积规律及棉蚜防效，以常规喷杆喷雾机和喷枪为对照。结果表明，无人机白天和夜间作业的雾滴沉积数量及覆盖率差异显著，相同作业参数下，夜间作业的雾滴沉积数量平均比白天多42.82%，覆盖率平均比白天增加51.04%；夜间作业的雾滴穿透性较好，棉花植株的中下层及叶片背面雾滴沉积数量均多于白天。夜间作业时，棉花植株中、下层的雾滴沉积数量平均占垂直方向上雾滴总数量的比例分别为34.79%和22.07%，白天平均占33.27%和21.89%，喷枪为29.50%和19.98%，喷杆喷雾机为43.30%和15.84%；无人机夜间作业的叶片背面雾滴沉积数量平均占正反面总雾滴沉积数量的19.80%，白天作业占14.18%，夜间比白天多39.63%，各层叶片背面的雾滴沉积数量表现为上层>下层>中层；总体上，无人机作业的叶片背面雾滴沉积数量比例不超过25%，喷枪及喷杆喷雾机作业的叶片背面雾滴数量少，分别占7.09%和0.20%；在棉花花铃期和蕾期作业时，为提高雾滴沉积数量和雾滴穿透性，建议将无人机作业参数设置为飞行高度1.5～2 m，飞行速度3～4 m/s，选用较大的喷洒量，因为只有无人机下压风场不削弱、雾滴不大量损失的前提下，旋翼风场才能有效促进雾滴穿透性。就雾滴沉积数量和棉蚜防效关系而言，药后第1天棉蚜减退率与叶片背面雾滴沉积数量呈正相关关系，因受天敌影响药后第10天二者关联性不高。试验表明，无人机夜间作业更有利于棉蚜防治，其防效显著优于白天作业和其他2种常规设备，且农药剂量减少20%对棉蚜防效无显著影响。该研究结果可为植保无人机作业参数的合理设置提供参考，为棉蚜有效防控提供科学依据。

无人机；喷雾；优化；棉蚜；夜间施药；雾滴分布；防效

0 引 言

新疆具备生产多种优质棉产品得天独厚的自然条件，是中国最大的优质棉生产基地[1]，当地农民约40%的收入来自棉花种植[2-4]。近些年荒地的开垦和设施农业的出现、棉花品种及栽培技术的更新等导致了棉蚜的爆发和频发[5]，棉蚜虫害一般会造成棉花减产15%～30%，严重时可造成绝收[6-7]。目前，化学农药仍然是最快速有效的棉蚜防治方法[8-11]。无人机作为新型施药设备，被广泛应用在不同作物的病虫害防控上[12-16]。在棉蚜防治方面，相对于牵引式及悬挂式喷雾机，无人机可在棉田灌溉期间进行作业，且不会对植株造成机械损伤[17-18]。那些，能够在夜间自主作业的无人机更是打破了作业时间限制，在棉蚜爆发时期，能有效阻止棉蚜扩散。

赵冰梅等人对固定参数下无人机喷洒质量和棉蚜防效作了初步测试[19-20]。王喆确定了MG-1S 型无人机在花铃期防治棉蚜的最佳作业参数，对比了不同药剂的防治效果[21]。胡红岩等阐述了3WQF120-12型无人机喷施不同药剂、药量时的雾滴分布规律[22]。文献[23]对无人机不同飞行高度下的雾滴沉积及漂移特性进行了评估。这些研究大多探索了无人机作业参数对雾滴分布和漂移特征的影响，雾滴分布信息采集基本上只针对植株上层和叶片正面。棉蚜主要寄生在叶片背面，针对这些特定目标喷洒区域的雾滴沉积情况少有报道，如何设置作业参数提高目标喷洒区域的雾滴沉积数量还有待研究。无人机作业时气象条件对雾滴沉积影响很大且不可控，因此只能根据实际情况调整作业时机。Fritz就一天当中的低空大气稳定性进行监测研究[24]，并采用有人驾驶的固定翼飞机分别在早晨和下午进行喷洒试验，指出作业应避开逆温期[25]。逆温多发生在夜间，大气呈现出稳定或非常稳定状态，地面附近的空气没有湍流，导致雾滴悬浮在空气中的时间增加[26]。固定翼飞机喷洒时由于雾滴缺乏向下沉降的动能，飞行高度高，所以逆温时不宜作业。但逆温气象状态理论上对小型无人机是有利的，这是因为：1）大气稳定、风速小，雾滴不易漂移；2）夜间温度低、湿度高，雾滴不会大量蒸发损失；3）飞行高度低，旋翼产生的下洗气流可为雾滴提供沉降所需的提供动能，因此雾滴不会悬浮。此外，有研究表明，有翅蚜迁飞大多发生在白天，迁飞造成防治上的困难[27]，所以无人机夜间作业不失为一个好的防治策略。但有关夜间气象状态下无人机作业防治棉蚜的研究未见报道，夜间作业的雾滴实际沉积效果和棉蚜防效未知。为解决上述问题，本文采用P20植保无人机分别于2018和2019年的7－8月在中国农业科学院植物保护研究所新疆库尔勒基地进行棉蚜防治试验，以期为棉蚜有效防控提供技术参考。

1 试验设置与方法

1.1 试验区域与试验设计

试验在中国农业科学院植物保护研究所库尔勒试验基地（41°45′06.5″N，85°48′27.1″E）进行，试验田面积6.67 hm2，划分为25个处理小区。如图1所示，无人机每个处理区为130 m×15 m，分白天、夜间处理，编号为1～11。喷杆喷雾机和喷枪处理小区为520 m×15 m。空白对照小区为130 m×30 m，不喷洒农药，用来与施药小区的棉蚜数量减退情况作对比，编号为CK。棉花品种为新陆中41号，种植密度为每公顷21.0～22.5万株，采用膜下滴灌方式。2018年棉花机播时间为4月20日，整体上棉蚜发生程度严重，分别于6月2日和6月14日采用喷杆喷雾机进行2次施药作业进行防治，截止7月10日进行施药试验时，棉蚜仍处于爆发期，调查发现单株棉蚜数量多达1 607头，此时棉花处于花铃期，平均株高64 cm。2019年的试验用地、棉花种植模式及田间管理方式与2018年一致，机播时间为4月23日，相比于往年棉蚜发生程度明显降低，试验前于6月10日进行1次施药作业进行防治，截止试验时棉蚜数量为117头/株且有增长趋势。7月8日进行第1次试验，此时棉花处于花铃期，平均株高62 cm。8月6日进行第2次施药试验，此时棉花处于蕾期，平均株高68 cm。由于2019年棉蚜数量较少无法持续调查防效，所以仅用于雾滴沉积特性研究。试验用农药信息及施用量如表1所示。

注：1～11为处理编号。

表1 药剂信息及施用量

采用广州极飞科技有限公司生产的P20型电动多旋翼植保无人机（2018款）进行试验，该机型可实现夜间自主喷洒作业，有效喷幅3 m，采用离心雾化方式，4个喷头分别安装在旋翼正下方，喷洒量在0～15L/hm2可调，载质量10 kg。参考无人机常规作业参数，分别设置3个飞行高度（1.5、2.0、2.5 m）和3个飞行速度（3、4、5 m/s），对3种喷洒量（7.5、11.3和15 L/hm2）进行试验。以新疆棉区最常用的施药设备喷杆喷雾机和喷枪为对比，喷杆喷雾机作业速度5～8 km/h，喷幅9 m，喷杆距离地面90 cm，垂直安装有18个扇形喷头，型号为F110-04，喷雾压力为0.3 MPa，喷洒量为600 L/hm2。喷枪喷洒量675 L/hm2，拖拉机携带药箱，2名作业人员跟随拖拉机拖拽药液管左右扫射喷洒药液。这2种设备均在白天作业，农药施用量与前期棉蚜防治作业用量相同（见表1），无人机农药施用量与其保持一致。

1.2 研究方法

1.2.1 试验方案

采用拉丁超立方设计方法对试验因素进行组合，以提高试验空间的填充性。如表2所示，无人机白天、夜间的作业参数相同，试验设置3次重复。其中，处理11的农药剂量减少20%，参数设置与处理6一致。2018年和2019年试验方案一致。

表2 试验设计

1.2.2 雾滴沉积特性测试

白天作业时间：下午6:00。夜间作业时间：晚上10:00。施药前布置水敏纸，为降低小区边缘出现重喷或漏喷而引起试验误差，在小区中间取一个10 m×6 m矩形区域，长边与无人机航向一致。在矩形对角线上取5个采样点，将水敏纸布置在采样点处的棉花叶片上，如图2所示，在植株上分上、中、下3层，每层叶片正面和背面各布置1张。喷洒完成且水敏纸晾干后戴防水手套收取并做好标记，然后放入自封袋保存，试验结束后带回实验室进行分析。用扫描仪将水敏纸扫描成分辨率不低于600的图片，采用ImageJ（National Institutes of Health, USA）扫描，可得到水敏纸单位面积的雾滴沉积数量、雾滴覆盖率及粒径。

图2 雾滴采样点分布

试验期间用美国Nielsen-Kellerman公司生产的Kestrel4500气象站记录气象数据，该设备风速测量精度为±0.1 m/s，温度测量精度为±1.0 ℃，相对湿度测量精度为±3%。2018年白天作业期间温度为28.4～32.6 ℃，湿度41.3%～55.3%，风速0.4～2.4 m/s；夜间作业期间温度24.8～28.2 ℃，湿度54.1%～69.5%。风速0～1.9 m/s。2019年白天作业期间温度27.8～30.5 ℃，湿度45.3%～57.1%，风速1.4～2.7 m/s；夜间作业期间温度23.8～26.4 ℃，湿度57.3%～68.9%。风速0.4～1.5 m/s。不同施药时间段风速差异不大，但温度和湿度差异十分明显，夜间温度低，湿度显著大于白天。

1.2.3 棉蚜防效调查

施药前后对各小区棉蚜数量变化情况进行跟踪调查。施药前1天采用对角线5点法调查各试验小区棉蚜数量，每个采样点随机取10株棉花，每个小区调查50株，并对其进行标记。施药后分别在第1天、第4天、第7天和第10天定点定株调查棉蚜数量，根据公式（1）[28]计算棉蚜减退率：

=(0−X)/0×100% （1）

式中0为施药前棉蚜活虫数量；X为施药后第天棉蚜活虫数量。

2 试验结果与分析

2.1 作业参数对雾滴沉积量的影响

无人机白天和夜间作业的雾滴沉积效果如图3所示。其中，图3a为2018年不同时间施药的雾滴沉积数量和覆盖率，相同作业参数下，夜间作业的平均雾滴沉积数量为18.58个/cm2，白天为12.95个/cm2，夜间平均雾滴沉积数量比白天多43.47%。雾滴覆盖率为雾滴覆盖面积与水敏纸总面积的比率。夜间作业的平均雾滴覆盖率为0.59%，白天为0.43%，夜间比白天高37.21%。图3b为2019年不同时间施药的雾滴沉积数量和覆盖率。夜间作业的平均雾滴沉积数量为24.68个/cm2，远大于白天的17.36个/cm2，单位面积雾滴沉积数量比白天多42.17%。夜间作业的平均雾滴覆盖率为0.61%，白天为0.37%，夜间比白天高64.86%。由此可知，无人机夜间作业的雾滴沉积效果显著优于白天。分别对白天、夜间作业的雾滴覆盖率和雾滴沉积数量进行方差分析，结果如表3所示。由表3可知，作业时间对雾滴沉积数量（<0.05）和雾滴覆盖率（<0.05）均有显著影响。

雾滴离开喷头以后会发生漂移损失，蒸发损失，地面流失和作物冠层沉积，这些过程不仅受温湿度影响，还受大气压强、大气稳定性、气流、风速、风向等气象因素的影响，因此雾滴沉积是整个气象状态下众多因素共同作用的结果。试验期间2种气象状态的风速均小于2.5 m/s，夜间低于白天。白天风速太大会增加雾滴漂移损失，夜间风速过小则会导致小粒径雾滴悬浮在空气中。旋翼下洗气流速度在作物冠层附近可达到5～8 m/s，可为小雾滴提供沉降所需的动能，因此夜间作业不会引起大量雾滴悬浮。白天和夜间温湿度差异十分显著，白天温度高，湿度显著小于夜间。炎热、干燥的环境会增加药液漂浮损失，因为雾滴会迅速蒸发，变成更小的雾滴、蒸汽或浓缩的农药颗粒。由图3可知雾滴沉积数量与温度呈反比关系，与相对湿度呈正比关系，这与Fritz等的研究结果一致，Fritz认为不同温湿度造成的雾滴沉积差异主要体现在雾滴蒸发损失量上[26]。气象条件是影响施药效果的主要因素之一，且不可控，所以无人机施药需选择最佳作业时机，以减少雾滴漂移和蒸发损失。综合2 a试验数据来看，夜间作业的雾滴沉积数量平均比白天多42.82%，覆盖率平均比白天增加51.04%。说明夜间的气象状态对于无人机作业是有利的，其雾滴沉积效果较好。

如图3所示，白天、夜间作业的雾滴沉积数量均随着试验处理小区不同而变化，且变化趋势基本一致，夜间雾滴沉积数量多的小区白天雾滴沉积数量也较多，反之，夜间雾滴沉积效果不理想，对应的白天小区喷雾效果也较差，这与无人机作业参数设置有关。处理5、8的雾滴沉积数量明显多于其他处理，其对应的无人机作业参数为飞行速度3～4 m/s，飞行高度为1.5～2 m，喷洒量为15 L/hm2。作业参数是影响无人机施药雾滴沉积效果的重要因素。飞行速度大于4 m/s后，雾滴沉积数量呈下降趋势。因为速度越快，无人机下洗气流越乱，且垂直方向上的气流速度被削弱，不利于雾滴沉积，从而间接导致雾滴飘移与蒸发量增加。总体上，随着飞行高度从1.5 m增加到2.5 m，雾滴沉积数量先增大后减小，在2 m左右高度处雾滴沉积数量最多。飞行高度过低时导致喷幅缩短，造成两航线间雾滴分布稀疏，2018年和2019年试验期间棉花正值花铃期和蕾期，植株较高，阻挡了雾滴横向扩散，造成结果不理想，飞行高度过高则容易引起雾滴漂移。

图3 2018和2019年作业时间对雾滴沉积数量的影响

表3 白天、夜间作业的雾滴沉积数量方差分析

注：<0.05表示影响显著，>0.05表示影响不显著。

Note:<0.05 means the effect is significant,>0.05 means the effect is not significant.

2.2 作业参数对雾滴穿透性的影响

以雾滴沉积数量为指标可对当前无人机作业参数以及当前环境中的喷洒质量进行整体评估，然而，目标喷洒区域雾滴沉积效果如何却不得而知。除了作物冠层以外，病虫害往往还分布在叶片背面，作物茎部甚至根部，对于触杀型药剂而言，使更多的雾滴沉积在目标喷洒区域是获得理想防效的关键，因此，雾滴穿透性是评价无人机喷洒质量的另一重要指标。棉蚜主要寄生在棉花叶片背面吸食汁液，为探索不同作业参数的雾滴穿透性，对棉花植株不同高度处的叶片正反面雾滴沉积数量进行测量统计。

图4为2018年试验测得的棉花植株不同高度处和叶片正面的雾滴沉积数量。计算各层叶片正反面雾滴沉积数量之和，得到不同采样高度处的总雾滴数量。夜间作业时棉花植株上、中、下层平均雾滴沉积数量为21.63、18.73和12.09个/cm2，各层雾滴数量占垂直方向上总雾滴数量的比例为41.24%、35.71%和23.05%。白天作业时各层平均雾滴数量分别为15.91、12.55和8.46个/cm2，各层雾滴数量占比为43.09%、33.99%和22.91%。图5为2019年试验结果，夜间作业时植株上、中、下层平均雾滴沉积数量分别为27.82、20.91和13.01个/cm2，各自占比为45.06%、33.87%和21.07%。白天作业各层雾滴数量为21.09、14.73和9.45个/cm2，分别占46.59%、32.54%和20.87%。无人机夜间作业时棉花植株不同高度处的雾滴数量均多于白天，就各层雾滴数量占垂直方向上总雾滴数量的比例而言，综合2 a试验数据，夜间作业的中、下层雾滴数量平均比例分别为34.79%和22.07%，白天为33.27%和21.89%，夜间作业时棉花植株中下层雾滴沉积数量比例大于白天，说明雾滴穿透性较好。小雾滴粒径更具穿透性，白天高温低湿的气象条件容易造成小雾滴蒸发损失，所以植株中下层雾滴沉积效果不理想。喷枪作业时各层的雾滴沉积数量占比由上而下分别为50.52%、29.50%和19.98%，超过50%的雾滴沉积在叶片上面，中下层雾滴比例较低，不利于杀灭植株中下层的棉蚜。喷杆喷雾机作业时雾滴分布较为均匀，各层雾滴数量占比为40.86%、43.30%和15.84%，由于花铃期和蕾期棉花枝叶茂盛，叶片遮挡导致下层雾滴数量少。

图4 2018年不同作业时间下不同高度的叶片正反面雾滴沉积数量对比

图5 2019年不同作业时间下不同高度的叶片正反面雾滴沉积数量对比

叶片背面雾滴沉积数量占正反面雾滴总数的平均比例以及不同高度的平均雾滴粒径分布如表4所示。由表4可知，无人机白天作业时叶片背面的雾滴沉积数量平均占正反面总雾滴沉积数量的14.18%，夜间作业占19.80%，夜间比白天多39.63%，各层叶片背面雾滴沉积数量表现为上层>下层>中层。总体上无人机处理叶片背面雾滴沉积数量比例不超过25%，棉蚜主要寄生在叶片背面，对于触杀型药剂而言，叶片背面较多的雾滴沉积数量是保证防效的前提，叶片背面雾滴密度越大，棉蚜暴露在药液中的几率也越大。旋翼风场对作物的扰动作用导致棉花植株上层叶片发生翻转，从而改善了上层叶片背面的雾滴沉积效果。然而下层叶片背面雾滴沉积数量大于中层，对比雾滴粒径后发现，雾滴平均粒径大小为上层>中层>下层。下层雾滴粒径最小，而小雾滴更具穿透性，容易扩散，因此下层叶片背面的雾滴沉积数量多于中层。喷枪及喷杆喷雾机作业时叶片背面雾滴数量分别占7.09%和0.20%，且由上而下显著减少。喷枪叶片背面雾滴沉积数量多于喷杆喷雾机，这与喷洒角度有关，喷枪水平扫射，因此植株上层叶片背面雾滴沉积效果较好，中下层却不理想，喷杆喷雾机垂直向下喷洒，雾滴几乎全落在叶片正面。因此在采用这2种设备进行作业时，不能选用单一的触杀型药剂，需要将内吸型和触杀型药剂结合起来保证防效。

表4 不同施药设备作业的叶片背面雾滴沉积数量比例及平均雾滴粒径

结合图4、图5可知，无论无人机在白天或夜间作业，处理5（3 m/s，1.5 m，15 L/hm2）和处理8（3 m/s，2 m，15 L/hm2）的棉花植株下层和叶片背面的雾滴沉积效果都比较好，说明无人机在花铃期和蕾期作业时，飞行高度在1.5～2 m，速度在3～4 m/s的参数下雾滴穿透性较好，植株下层以及叶片背面的雾滴沉积数量多。无人机飞行高度和速度较低，喷洒量大时更有利于雾滴沉积在棉花植株下层及叶片背面，从侧面反映出无人机作业需满足2个条件：1）下压风场不削弱2）雾滴不大量损失时，旋翼风场才能有效促进雾滴穿透性。

2.3 棉蚜防治效果

2018年进行试验时正值棉蚜爆发时期，棉田有蚜株率达到100%，试验前调查发现试验小区棉蚜最多达到1 607头/株。2019年试验地区整体上棉蚜虫害程度较轻，试验小区棉蚜数量最多为117头/株。

由图6a、6b可知，药后第1天无人机白天作业棉蚜平均减退率为28.90%，夜间作业为61.92%，喷杆喷雾机为40.05%，喷枪为47.43%。无人机夜间作业的防效明显优于喷枪和喷杆喷雾机，而喷枪和喷杆喷雾机作业的防效优于无人机白天作业。这是因为白天雾滴蒸发量大，无人机超低容量施药后沉积在植株上的有效雾滴少，造成药后第1天防效不佳。喷杆喷雾机和喷枪均采用大容量施药方式，棉花植株几乎被浸湿，因此防效比无人机白天作业好。喷枪防效优于喷杆喷雾机，这与喷洒角度有关，喷枪水平喷射，能将部分药液喷施在叶片背面，而喷杆喷雾机竖直向下喷洒，药液沉积在叶片正面甚至滴落到地面，不利于杀灭棉蚜。药后第1天空白对照组棉蚜减退率为26%，周边棉田施药使棉蚜种群得到控制，天敌很快成为优势种群，控制潜力得以释放。药后第10天无人机白天作业棉蚜平均减退率为94.53%，夜间为94.71%，略大于白天。喷杆喷雾机为85.07%，喷枪为93.12%。空白对照组为92%。

图6　白天、夜间施药的棉蚜防效对比

图6c、6d分别为2019年白天、夜间作业后棉蚜防效。无人机白天作业后第1天棉蚜平均减退率为5.14%，夜间为34.06%，喷枪为23.16%，喷杆喷雾机为0.21%，无人机夜间作业的防效优于白天和2种常规设备。空白对照组为−18%，天敌数量与棉蚜种群数量存在追随胁迫关系，2019年试验地区棉蚜虫害程度较轻，所以天敌也较少，对棉蚜的防控潜力不足。白天作业的部分处理中药后第1天棉蚜减退率为负值，即蚜虫数量增多，主要原因有2点：1）雾滴沉积数量少，不足以杀灭棉蚜，这与图5中的雾滴沉积规律一致；2）棉蚜迁飞。施药后有翅蚜迁飞至药液沉积量少的区域继续为害棉花[29]。相应地雾滴沉积数量多的处理药后第1天棉蚜减退率较高，如处理5和处理8，药后第1天棉蚜减退率分别达到45.05%和48.88%。药后第10天，无人机白天作业平均棉蚜减退率为76.37%，夜间为86.41%，喷枪为78.81%，喷杆喷雾机为81.60%，空白对照组为74.70%，仍旧低于施药处理小区。总体上，无人机夜间作业棉蚜防效优于白天作业和其他常规设备。

就棉蚜减退率和叶片背面雾滴沉积数量关系而言，所有处理药后第1天两者基本呈正相关关系，叶片背面雾滴沉积数量越多，防效也越好。药后第10天两者相关性不明显。姜运涛发现，七星瓢虫4龄幼虫平均捕食棉蚜273头，整个幼虫期共捕食490.6头，草岭成虫平均每天食蚜量为29.33头，1龄幼虫为51.2头，2龄幼虫为63.2头，3龄幼虫为80.8头[11]，可见天敌对棉蚜有重要的抑制作用。药后第1天棉蚜种群数量变化主要由化学药剂所导致，是施药作业效果的直接体现，随着时间的推移，天敌会影响棉蚜变化趋势，所以在单独评价施药作业的棉蚜防效时，对于速效性药剂而言，建议最好在药后1～3 d调查虫口数量变化情况，持效性药剂则在药后4～7 d调查。处理11的农药剂量减药20%，作业参数与处理6一致，结果表明，其棉蚜减退率并未出现明显下降，说明无人机减药20%对防效无显著影响，因此在后续棉蚜防治中可以减少农药用量。张亚林等研究发现，相比于滴灌施药方法，无人机施药会造成瓢虫数量减退[30]，因此减少药剂用量可以保护天敌，提高防效。

为验证天敌对棉蚜防效的影响，在2019年试验中，在药后第10天采用5点采样法调查处理6和空白对照小区的棉蚜天敌数量，每个采样点选取10株棉花，每个小区共计50株。调查后发现空白对照小区瓢虫（成虫、幼虫、蛹）、草蛉、食蚜蝽类总数为206头，而处理6为51头，远远少于空白对照小区，因此药后第10天空白对照小区的棉蚜减退率反而高于施药小区。因此，采用化学防治棉蚜的同时不能将天敌赶尽杀绝，应结合天敌对棉蚜进行综合防治，从而实现减药的目的。

3 讨 论

本文只针对花铃期和蕾期的棉蚜防治进行了试验研究，探索了这一时期无人机不同作业参数下的雾滴沉积特性及棉蚜防效。根据棉蚜虫害的发生时期不同可将棉蚜其分为苗蚜和伏蚜[31]，不同阶段的棉花生长特性差异较大，植株刚度、叶片大小和数量等因素对无人机的作业参数提出不同的要求，例如生长后期棉花植株高，叶片密集且交错遮挡，要提高雾滴穿透性需降低无人机飞行高度和速度，借助其下压风场促进雾滴沉积在植株中下层以及叶片背面上，而苗期棉花植株矮，叶片稀疏，裸露的土地面积大，为避免风场损伤植株，引起扬尘（吸附雾滴）则需要高飞，因此针对棉蚜不同发生阶段来优化无人机作业参数很有必要。

试验结果表明，无人机施药时叶片背面的雾滴沉积数量远少于正面，这与棉蚜主要分布在叶片背面这一事实相矛盾，就触杀型药剂而言，非常不利于棉蚜防治。理论上无人机下压风场对作物有扰动作用，促使叶片发生翻转，从而有助于雾滴沉积在叶片背面，然而实际效果并不明显。观察发现，无人机快速前进时，下压风场对植株的扰动区域和雾滴沉积区域均会滞后，但并不一定重合，2个区域的间距随着无人机作业参数的变化而变化，这就导致风场使叶片翻转后雾滴并不能及时有效地沉积在叶片背面，因此，消除风场对植株扰动区和雾滴沉积区之间的差距将是下一步工作重点。

受天敌影响，药后第10天棉蚜防效与雾滴沉积特性关系不大，对于速效性药剂而言，建议在药后1～3 d评估施药防效，持效性药剂则在药后4～7 d调查，这样更能准确说明化学防治效果。此外，应充分发挥天敌对棉蚜的抑制作用，寻求天敌和化学农药之间的平衡点，做到农药施用量和施药次数不会对天敌造成伤害但能压制棉蚜发展，从而促进天敌种群快速占取优势，充分释放天敌防治潜力，这是实现农药减施关键所在。新疆棉区的棉蚜每年发生30～40代，其中棉田约30代，冬季棉蚜卵在寄主植物上越冬，次年4月开始孵化，5月份侵入棉田繁殖为害棉花，棉蚜的繁殖周期和扩散速度与温湿度有关[32-33]。在繁殖期间寄主植物较差的长势与营养条件、棉蚜种群的拥挤、低温与短光照等因素会促进有翅蚜的产生，有翅蚜迁飞行为多发生在白天，迁飞使其为害面积扩大，造成防治上的困难。采用无人机防治棉蚜时需要与其生物习性相结合，尽量避开棉蚜白天迁飞期，而夜间作业不失为一个好的防治策略，该文研究结果表明，夜间作业雾滴沉积效果和棉蚜防效都比较理想。此外在侵入棉田的第1代棉蚜繁殖期间进行防治，可有效控制其大量繁殖、迁飞和爆发。

4 结 论

本文采用P20植保无人机进行棉蚜防治试验，对比了白天和夜间作业时雾滴沉积差异性及棉蚜防效，以常喷杆喷雾机和喷枪为试验对照，主要结论如下：

1）无人机白天和夜间作业的雾滴沉积数量及覆盖率差异显著，相同作业参数下，夜间作业的雾滴沉积数量平均比白天多42.82%，覆盖率平均比白天增加51.04%。

2）无人机夜间施药雾滴穿透性较好，棉花中下层及叶片背面雾滴沉积数量均多于白天。夜间作业时棉花中、下层雾滴沉积数量平均占垂直方向上雾滴总数量的比例分别为34.79%和22.07%，白天中、下层雾滴沉积数量平均占33.27%和21.89%。喷枪为29.50%和19.98%，喷杆喷雾机为43.30%和15.84%。无人机夜间作业时叶片背面雾滴沉积数量占正反面总雾滴沉积数量的19.80%，白天作业占14.18%，夜间比白天多39.63%，各层叶片背面雾滴沉积数量表现为上层>下层>中层。总体上无人机作业的叶片背面雾滴沉积数量比例不超过25%。喷枪及喷杆喷雾机作业时叶片背面雾滴数量少，分别占7.09%和0.20%。

3）在棉花花铃期和蕾期作业时，飞行高度1.5～2 m，飞行速度为3～4 m/s，喷洒量为15 L/hm2的作业参数下雾滴沉积效果较好。无人机在棉花生长后期作业时为提高雾滴穿透性建议选用较低的飞行速度、高度和较大的喷洒量，因为旋翼下压风场不削弱、雾滴不大量损失的前提下，旋翼风场才能有效促进雾滴穿透性。

4）药后第1天棉蚜减退率和棉花叶片背面雾滴沉积数量基本呈正相关。受天敌影响第10天后关联性不高。无人机夜间作业更有利于棉蚜防治，药后第1天和药后第10天防效均显著优于白天作业和其他2种常规设备，且农药剂量减少20%对棉蚜防效无显著影响。

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Comparison of droplet deposition characteristics and cotton aphid control effect of plant protection UAV working during the day and night

Tian Zhiwei1, Xue Xinyu1※, Cui Longfei1, Chen Chen1, Peng Bin2, Liu Bing3

(1.,,210014;2...,510663,; 3.,100193,)

Plant protection UAV is characterized by high efficiency, safe operation and strong applicability, it has developed rapidly in recent years and has become one of the main prevention and control methods for pests and diseases. However, there still has some problems during the process of controlling cotton aphids, such as the droplet deposition law in the target spray area is not clear, the operating parameters are set unreasonably, and the droplet deposition characteristics and control effect for night operations are unknown. To solve the problems mentioned above, the experiments were carried out at the Korla Test Base of the Institute of Plant Protection of the Chinese Academy of Agricultural Sciences in 2018 and 2019. P20 plant protection UAV was adopted with different operating parameters (at flight speed of 3, 4 and 5 m/s, flight height of 1.5, 2 and 2.5 m, spray volume of 7.5, 11.3 and 15 L/hm2) to spray pesticides during the day and night, and the boom sprayer and spray gun were used as control devices. The Latin hypercube method was used in test design and each treatment was repeated 3 times. The test results showed that there was a significant difference in the number of droplets between day and night operations. Under the same operating parameters, the number of droplets deposited at night was on average 42.82% higher than that during the day, and the coverage rate of droplets was increased by 51.04%. At the same time, the penetration of droplets was better at night, and the number of droplets deposited in the middle and lower layers of cotton plant and the back side of the leaves were more than that in daytime. During night operations, the average number of droplets deposited in the middle and lower layers of cotton plant accounted for 34.79% and 22.07% of the total number of droplets in the vertical direction, and averaged 33.27% and 21.89% during the day, and that of the spray guns were 29.50% and 19.98%, boom sprayer were 43.30% and 15.84%. The average number of droplets deposited on the leaves back of the night operation accounted for 19.80% of the total number of droplets deposited on the front and back side of leaf, and 14.18% in the daytime, and the propotion of the night was 39.63%, which was higher than that of the day. The number of droplets deposited on the back side of leaf of each sampling layer of plant was upper layer> lower layer> middle layer. In general, the proportion of droplets deposited on the leaf back did not exceed 25% for UAV operation. Droplets deposited on the leaf back was less for spraying by spray gun and boom sprayer operation, which accounting for 7.09% and 0.20%, respectively. During cotton flowering and bud stage, in order to increase the number of droplets deposited and the penetrability of the droplets, it is recommended to set the UAV operating parameters to a flight height of 1.5 to 2 m, a flight speed of 3 to 4 m / s, and a large spraying volume, because the rotor wind field can effectively promote the penetration of the droplets only if the drone does not weaken the wind field and the droplets are not lost. In terms of the relationship between the reduction rate of cotton aphids and the number of droplet deposited on the back side of the leaves, they are positively correlated with each other on 1st day after application, but no correlation on 10th day because natural enemies. The results also showed UAV application at night is more effective to control cotton aphid compared with application in daytime, and a 20% reduction on the pesticide dose had no significant effect on the control effect of cotton aphid. This research can provide reference for the reasonable operating parameters setting of plant protection UAV, and also provide a scientific basis for the effective prevention and control of cotton aphids.

UAV; spray; optimization; cotton aphid; pesticides application at night; droplet distribution; control effect

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.05.008

S252+.3

A

1002-6819(2020)-05-0069-09

2019-10-10

2020-02-14

国家重点研发计划资助（2017YFD0701000）；国家重点研发计划资助（2016YFD0200702）

田志伟，助理工程师，主要从事农用航空关键装备技术研发。Email：JevinTian@163.com

薛新宇，研究员，博士，博士生导师；主要从事植保设备与施药工程技术研究。Email：735178312@qq.com

中国农业工程学会会员：薛新宇（E041200741S）

田志伟，薛新宇，崔龙飞，陈 晨，彭 斌，刘 兵. 植保无人机昼夜作业的雾滴沉积特性及棉蚜防效对比[J]. 农业工程学报，2020，36(5)：69－77. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.05.008 http://www.tcsae.org

Tian Zhiwei, Xue Xinyu, Cui Longfei, Chen Chen, Peng Bin, Liu Bing. Comparison of droplet deposition characteristics and cotton aphid control effect of plant protection UAV working during the day and night[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(5): 69－77. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.05.008 http://www.tcsae.org