新疆棉区植保无人机喷施棉花脱叶催熟剂效果研究

王林，张强，马江锋，朱玉永，田英，李红，毕显杰，宋敏，王海标，雷天翔，李召虎，田晓莉，杜明伟，张立祯，赵冰梅*

（1.新疆生产建设兵团农业技术推广总站，乌鲁木齐830011；2.中国农业大学农学院/植物生长调节剂教育部工程研究中心，北京100193）

喷施脱叶催熟剂是棉花实现机械采收的重要环节。噻苯隆是国内外主要应用的脱叶剂，无内吸传导作用[1-2]，因此要求植保机械的雾滴穿透力强，冠层上、中、下各部位叶片能均匀受药[3]。当前，新疆生产建设兵团（以下简称兵团）乃至新疆维吾尔自治区主要采用地面大型喷杆喷雾机喷施棉花脱叶催熟剂，随着国内植保无人机（以下简称无人机）及其施药技术与装备的迅猛发展[4]，采用无人机在棉田喷施脱叶催熟剂受到广泛关注。与地面大型施药机械相比，无人机喷施棉花脱叶催熟剂具有无需人工分行、省力、节水、棉花无机械损伤等优势。然而，生产调研发现，由于新疆棉花种植密度大、群体郁闭，植保无人机在冠层上方数米处的低容量喷雾难以使所有叶片均匀着药，即使两次作业也常出现脱叶效果不理想的现象，导致机采棉含杂率增高，严重影响棉花品质。研究人员虽已对植保无人机的作业参数、适宜的助剂和增效剂筛选等进行了一些探索[5-16]，但尚未形成完善的技术规范，对影响无人机作业效果的因素也缺乏系统研究。因此，本文开展了无人机与地面喷杆喷雾机喷施棉花脱叶催熟剂的联合测试，旨在掌握无人机田间作业现状，明确其脱叶催熟效果以及施药技术参数的合理性，为构建兵团棉花脱叶催熟剂喷施作业技术体系以及无人机在棉花脱叶上的推广应用提供科学依据。

1 材料与方法

测试于2019年9月在新疆昌吉老龙河大西渠镇张育新家庭农场（44°13′38″N，87°16′29″E）进行，试验地面积42.1 hm2，种植天佐42（20.6 hm2）和中棉109（21.5 hm2）两个品种，连作棉花6年，土质为沙壤土。2019年4月12日播种，采用加压滴灌机采棉种植模式，一膜三管6行，行距为66 cm＋10 cm，种植密度18.0万～19.5万株·hm－2。7月15日化学打顶，8月21日停水停肥。

1.1 参试药械与机型

本次测试采用了3个型号的无人机，分别为大疆T16电动多旋翼植保无人机（XR11001VS，大疆创新科技有限公司，深圳，中国；共8个扇形雾液力喷头，最大载液量16 kg）、极飞P30电动多旋翼植保无人机（3WWDZ-15A，极飞科技有限公司，广州，中国；共4个转盘式离心喷头，最大载液量16 kg）和蜂巢3WW-10B电动多旋翼植保无人机（XR Teejet 11001 V3，蜂巢农科科技有限责任公司，北京，中国；共4个扇形雾液力喷头，最大载液量10 kg），以地面自走式喷杆喷雾机（R4023，约翰迪尔（中国）投资有限公司，北京，中国；药箱容量2 300 L，横杆直喷式喷雾，喷杆宽度24.4 m，共有48个超低偏流喷嘴）为对照。参试及对照药械此后分别简称为大疆无人机、极飞无人机、蜂巢无人机和约翰迪尔地面机。

1.2 试验设计

根据试验地棉花品种布局及长势差异，将试验地划分为2个种植区10个作业区，即天佐42种植区（作业区1号～5号）和中棉所109种植区（作业区6号～10号），每个作业区面积1.7～11.0 hm2、行长180～540 m。天佐42为二式果枝型，大部分株高小于70 cm，但部分地段的棉花贪青旺长，株高在80 cm左右，尤其1号作业区的棉花枝叶茂盛，平均株高达83.5 cm，叶枝相对较多且长度较长，每个叶枝成铃1～2个，该区域棉花倒伏较严重。中棉109为一式果枝型，株高普遍在80～90 cm，成熟度较差，部分地段棉花株高达1 m左右。

参试无人机及地面施药机械由各厂家抽签决定作业区域，各作业区基础信息及参试药械详见表1。

各参试药械喷施的脱叶剂统一采用540 g·L－1噻苯·敌草隆悬浮剂及其增效助剂280 g·L－1烷基乙基磺酸盐可溶液剂（拜耳作物科学（中国）有限公司生产），催熟剂统一采用40%（质量分数）乙烯利水剂（河北省黄骅市鸿承企业有限公司生产）。各参试药械施药方案（表2）及作业参数（表3）由厂家自定，其中地面机械施药一次、无人机施药两次。

2019年9月7日施药当天阴转晴，温度14～20℃，风速0～3 m·s－1。9月10日大雨，温度降至8～15℃，随后逐渐升温。9月15日当天晴，温度9～25℃，风速0～2.1 m·s－1。9月15日－29日期间，仅16日夜间小雨，低温9℃，其它时间均为晴好天气，最低温度10℃，最高温度33℃，有利于棉花脱叶和吐絮。

1.3 调查项目及方法

在每个作业区中间行距离两边地头5 m以上的区域选点取样，共选6点，点与点之间沿种植行方向相隔5 m以上。每点选取长势相对一致、分布在不同种植行的6株棉株进行标记，分别于施药前、药后7 d、15 d和采收前调查棉株叶片数、成铃数和吐絮铃数，药前调查时统一将标记植株的新生小叶片（叶宽1 cm以下）摘净。根据调查结果计算各作业区的脱叶率和吐絮率，计算公式为：

表1 参试药械及作业区基础信息Table 1 Sprayer type and basic information of cotton plants in each working area

表2 施药方案Table 2 Harvest aids sparaying scheme

表3 喷施作业参数Table 3 The working parameters of each sprayer

脱叶率（%）＝（药前棉株叶片数－调查时剩余叶片数）/药前棉株叶片数×100；

吐絮率（%）＝吐絮铃数/总铃数×100.

喷雾开始前，在第7～10号作业区（第二次施药在8～10号作业区）的药效调查点，对标记棉株的上、中、下部各选1片棉叶，叶片的正反两面分别布放1张水敏纸，用于观察雾滴沉积情况。喷雾结束，待药液干燥后，收集各点的水敏纸于干燥的牛皮纸袋内保存（做好标记），带回室内用扫描仪输入电脑，利用通用图像分析软件分析单位面积内的雾滴密度（cm－2）[17]。

1.4 数据统计与分析

式中，S为标准差；Xi为水敏纸单位面积的雾滴数；为水敏纸单位面积平均雾滴数；n为各作业区布设的水敏纸总数。

2 结果与分析

2.1 收获辅助剂施药器械对棉花脱叶效果的影响

由表4可见，药后7 d不同施药器械间的脱叶率在20.8%～46.0%之间，各作业区差异不显著；药后15 d（无人机第2次药后7 d），各药械作业区棉花脱叶率较药后7 d明显上升，其中无人机作业区的上升幅度大于地面药械，且无人机作业区的脱叶率高于或显著高于地面药械作业区，这可能主要与无人机进行了两次施药作业、而地面药械只施药一次有关；药后22 d（第2次药后14 d），无人机作业区的脱叶率达到82.2%～92.1%，其中极飞无人机5号、6号作业区的脱叶率高于90%，另外几乎所有无人机作业区的脱叶率均显著高于约翰迪尔地面机（蜂巢无人机2号作业区除外）。

由于试验地肥水管理不够精准，各作业区药前吐絮率差异显著且差异幅度大，其中3号、2号和5号作业区的吐絮率相对较高，依次为49.7%、32.8%和28.9%，药后22 d的脱叶率为88.4%、82.2%和92.1%，6号作业区的药前吐絮率仅有6.5%，药后22 d的脱叶率达到91.7%，也就是说，药后脱叶率并没有与药前吐絮率的高低呈正相关，说明药前吐絮率对脱叶率的影响不大，这与宋兴虎等[18]的研究结果一致。

2.2 收获辅助剂施药器械对棉花催熟效果的影响

由表6可见，药后7 d，各作业区之间吐絮率的差异与药前基本相似；药后15 d，各作业区吐絮率较之前增加明显，其中大疆3号作业区和极飞5号作业区的吐絮率达到90%以上，高于或显著高于其他作业区；至药后22 d，除大疆4号作业区的吐絮率较低（85.8%），其它各作业区的棉铃吐絮率均达到92.0%以上，各作业区之间的差

异较小。与对脱叶效果的影响不同，药前棉花吐絮率高的作业区，药后吐絮率相应要更高些，说明棉花成熟度与药后吐絮率的关系要大于与脱叶率的关系。

表4 收获辅助剂施药器械对棉花脱叶效果的影响Table 4 Effect of harvest aids sprayer type on cotton defoliation

表6 收获辅助剂施药器械对棉花吐絮动态的影响Table 6 Effect of harvest-aids sprayer type on boll opening dynam ics of cotton

2.3 收获辅助剂施药器械雾滴沉积和分布比较

由图1可看出，7～10号作业区，各参试药械喷雾雾滴在采样点棉株的不同位置均有沉积，但沉积状况有差异。第一次施药作业，雾滴密度的最高值均出现在棉株的上部位置，平均雾滴密度23.2个·cm－2以上。雾滴沉积在中下部呈下降趋势，尤其无人机喷雾，在棉株下部的平均雾滴密度下降到只有5.4～10.9 cm－2，显著低于上部沉积。无人机第二次施药作业的雾滴沉积密度大幅低于第一次施药，降幅达45.2%～76.8%，其中，极飞无人机和大疆无人机在棉株上、中和下部叶片的雾滴沉积密度没有明显差异，而蜂巢无人机在棉株上部的沉积仍具有明显的优势，中部及下部差异不大。

图1 不同施药器械喷施脱叶催熟剂在棉花植株上的雾滴沉积分布状况Fig.1 Comparison of droplets deposition and distributions on cotton leaves among different sprayers

由表7可见，第一次施药，3种机型无人机在8～10号作业区喷雾雾滴的沉积分布变异系数在41.2%～59.2%，离散程度较大；第二次施药，各机型无人机喷雾雾滴沉积分布变异系数均有所降低，其中，蜂巢无人机和大疆无人机的降幅大于极飞无人机，表现出较好的喷雾均匀性。

3 讨论

农药喷雾需要一定的雾滴沉积密度才能保证作业效果[19]，无人机喷施棉花脱叶剂，作业区域内每cm2雾滴数量应不少于15个[12]。测定数据显示，无人机在株高超过75 cm贪青旺长的8～10号作业区，第一次施药作业雾滴在棉株下部的沉积密度只有5.4～10.9 cm－2，显著低于上部叶片，说明在棉花冠层稠密时，即便无人机螺旋桨产生的下旋气流能增加雾滴的穿透性，药液雾滴仍难以穿透冠层到达棉花下部区域。田间观察，药后22 d，8～10号作业区的大部分棉株下部均可见一定数量的绿色叶片。另外，与第一次施药作业相比，3种机型无人机在第二次施药作业的雾滴沉积密度均大幅降低，仅2.9～7.3 cm－2（蜂巢无人机上部雾滴沉积除外），其中原因有待今后进一步研究。

作业不规范影响施药效果。目前，无人机主要采用地面喷雾机装配的液力式喷头和离心雾化喷头2种类型[20]。相对于液力喷头，离心喷头更易受温度、湿度、风速等环境因素的影响而产生雾滴的飘移和蒸发。为此，应采取必要的抗飘移措施，添加适量飞防专用助剂以改善药液雾滴性能，增强药液沉积量[21]。新疆气候干燥多风，极飞P30植保无人机采用的是离心喷头，在进行第一次施药作业时，在药液中添加了150 m L·hm－2的“倍达通”飞防专用助剂，但进行第二次施药作业时未添加，表现出较大的随意性，其喷雾施药的6号作业区，药后15 d（第二次药后7 d），在第1和第2调查样点之间沿作业航线方向出现3条白色与褐色相间的条带，明显是漏喷所致。大疆T16在第一次施药作业中，在4号作业区发生摔机事件，摔机下方区域的棉花脱叶率，至第一次药后22 d（第二次药后14 d）只有74.8%，低于该作业区平均脱叶率10.5百分点。

表7 收获辅助剂施药器械雾滴沉积分布均匀性Table 7 Droplet deposit and distribution uniform ity of different harvest-aids sprayers

作业参数选择不当影响施药效果[22]。马艳等[5]、蒙艳华等[13]研究了不同施药液量对棉花脱叶效果的影响，结果显示，不同无人机处理的脱叶率随施药液量提高而上升，合适的喷液量使植株上、中、下部叶片最大限度地均匀受药，从而能达到理想的脱叶效果，尤其按照每hm2喷施22.5L的药液，脱叶效果优良。本次参试的3种无人机，极飞P30的施药液量最少，只有（15±1.5）L·hm－2，但其喷施的5号、6号、8号3个作业区的脱叶率，有2个都在90%以上，这可能与P30使用的是转盘式离心雾化喷头，具有药液雾化均匀、效果好的特点有关，缺点是下压风场相对较小，穿透性不足，雾滴容易产生飘移。极飞P30在8号作业区两次药后的脱叶率只有85.6%，药后22 d，该作业区仍可见若干高1 m左右的棉株，不但下部的大部分绿叶未脱，上中部的叶片没有脱落的迹象，棉铃也未吐絮。分析原因，应该是该作业区的棉花植株偏高，药液沉积不足或漏喷导致。因此，在实际作业中飞控人员应根据棉花种植密度和生长势来确定施药液量，对密植、旺长棉田应适当提高喷液量，以保证有足够的药液到达靶标上，这虽然在一定程度上降低了无人机的作业效率，但有助于提高作业质量，保证脱叶和吐絮效果。准确评定无人机的作业喷幅（有效喷幅）有助于避免重喷、漏喷现象[23]。无人机的有效喷幅在很大程度上受到无人机和喷头类型、飞行高度、气象条件的影响[24]。调查显示，第一次药后7 d，天佐42种植区以蜂巢3WW-10B无人机喷雾的2号作业区脱叶率最低，在相对株高较高的9号作业区沿其飞行航线出现较明显的绿色条带，应该都与飞控人员在第一次施药作业时对无人机的作业高度、喷幅设置不合适有关。

脱叶率和吐絮率是判定脱叶催熟剂喷施效果的主要指标，这直接关系到籽棉采收的含杂率和品质。测试结果表明，目前采用无人机施药技术对新疆机采棉的脱叶催熟效果有待进一步提高。一方面，科研部门与生产企业应继续加大对无人机施药技术的研究与开发，在智能精准施药、专用喷雾设备、续航、载荷、专用药液等无人机相关技术上取得快速突破[20,25]，不断优化机具、药剂性能，满足新疆高密度棉花机采脱叶催熟需求；深入、系统地研究无人机喷施棉花脱叶催熟剂应用技术，明确不同棉区、不同栽培条件、不同棉花品种、棉花不同生长状况、不同气候条件以及不同类型无人机喷施棉花脱叶催熟剂作业参数，为设置合理的作业方案提供参考。另一方面，飞防组织和飞控人员要树立正确的服务意识，把效果放在首位，避免片面追求利益和效率，在作业过程中采用不合理的飞行参数而影响作业效果的短视行为；还要掌握一定的农业知识以及无人机喷施棉花脱叶催熟剂应用技术，这样在实际操作过程中才能具备相应的观察判断能力和灵活处置能力，达到最佳作业效果。同时，主管部门应加大对无人机市场以及无人机作业质量的监管力度，建立健全无人机作业规范，确保无人机市场健康稳定发展。

4 结论

本次测试采用了新疆市场主流的极飞、大疆以及蜂巢的3种多旋翼无人机进行棉花脱叶催熟剂喷施作业，测试期间大部天气晴好，适宜脱叶催熟剂药效的发挥。从施药后22 d的调查数据看，采用地面喷杆喷雾机一次顶喷施药的棉花脱叶率在73.4%～73.9%，采用无人机两次施药的棉花脱叶率在82.2%～92.1%，无人机两次施药对棉花的脱叶效果显著好于地面喷杆喷雾机一次顶喷施药；药后22 d，除4号作业区外，各药械喷雾处理的棉花吐絮率在92.0%～100%，不同药械间对棉花的催熟效果差异不大。

从生产的角度看，兵团棉花机械采收的要求是脱叶率达到90%以上、吐絮率95%以上[26]。3种机型无人机、8个作业区，其中只有2个作业区的脱叶率在药后22 d达到90%以上，其它6个作业区的脱叶率在82.2%～88.8%，未达理想状态。8个作业区的吐絮率在85.8%～100%，其中，一半数量的作业区吐絮率在95%以下。脱叶率和吐絮率同时满足要求的只有1个作业区。数据显示，不同无人机以及同一无人机不同作业区，棉花的脱叶催熟效果不一，无人机喷雾质量和作业效果的整体稳定性有待提高。