无人机与人工喷施雾滴在水稻冠层内沉积特征及效益比较

李艳大 叶春 曹中盛 孙滨峰 舒时富 陈立才

无人机与人工喷施雾滴在水稻冠层内沉积特征及效益比较

李艳大*叶春 曹中盛 孙滨峰 舒时富 陈立才

(江西省农业科学院 农业工程研究所/江西省智能农机装备工程研究中心/江西省农业信息化工程技术研究中心，南昌 330200；*通信联系人，E-mail: liyanda2008@126.com)

【目的】旨在阐明无人机和人工喷施雾滴在水稻冠层内沉积分布特征，比较其稻瘟病防效、水稻产量及经济效益。【方法】选用电动四旋翼植保无人机，设置3个不同飞行高度和3个不同施药量，于孕穗期观测喷施雾滴在水稻冠层内沉积分布状况，并和人工喷施处理防治稻瘟病的效果、产量及经济效益进行比较。【结果】雾滴沉积量随飞行高度的升高而减少，雾滴沉积均匀性和穿透性随飞行高度的升高而增大。无人机和人工喷施的雾滴沉积量、均匀性和穿透性随施药量的增加而增大，雾滴沉积量和均匀性均呈水稻冠层上部>中部>下部的分布特征。无人机喷施的雾滴均匀性和穿透性大于人工喷施。无人机喷施在防效和产量不降低的情况下，用工成本减少165元/hm2，净收益提高164元/hm2，产投比提高20.9。【结论】与人工喷施相比，无人机喷施可在保证丰产的基础上，提高作业效率，降低生产成本，获得更高经济效益，在水稻精确管理和丰产高效栽培中具有应用价值。

水稻；无人机喷施；人工喷施；雾滴；沉积特征；效益

水稻是中国重要的粮食作物，发展水稻生产对于保障国家粮食安全与社会稳定具有举足轻重的战略作用[1-2]。病害是危害水稻生长发育、制约水稻丰产提质增效的主要限制因素之一[3]。因此，水稻病害的有效防治，对于发展丰产、优质、高效、生态和安全的水稻生产具有重要意义。要达到水稻病害精确高效防治的目的，优化农药喷施技术和选择省工高效施药方式至关重要。目前，稻田的施药方式主要有人工喷施、田间机械喷施和农用航空喷施等[4, 5]。人工喷施作业劳动强度大、效率低，存在药液“跑冒滴漏”现象且危害施药人员健康，难以大面积应用；田间机械喷施作业效率高，但成本高，行走对水稻植株损伤大及对田块地形要求高，难以在丘陵小田块应用。近年来，具有作业效率高、成本低、受田块地形影响小、对水稻植株和施药人员安全等优点的农用航空喷施，特别是无人机喷施已广泛应用于作物的植保作业中，逐渐成为种粮大户、合作社和家庭农场等新型经营主体防治病害的首选施药方式，引起人们普遍关注[6, 7]。许多学者对不同喷施方式的雾滴在农作物冠层的沉积分布规律和防治效果等开展了大量研究[8-10]。也有许多学者研究了农用无人机不同飞行高度与速度[11-13]、不同机型与喷头[14-18]、不同风速与作业时间等[19-21]因素对施药雾滴在农作物冠层沉积分布特性及病害防效的影响。尽管在不同喷施方式与农用无人机作业参数对雾滴沉积分布与病害防效等方面已有较多研究，提出了许多较优的作业参数组合，具有一定的应用价值，但由于研究对象和区域不同，所提出的作业参数组合的形式及其数值等均存在一定差异，且有关南方红壤丘陵区稻田无人机喷施与传统人工喷施方式的雾滴沉积分布特征、产量和经济效益的比较鲜有报道。因此，本研究选用市场上主流的电动四旋翼植保无人机，于水稻孕穗期观测无人机和人工喷施雾滴在水稻冠层内沉积分布状况，比较其防治效果、产量及经济效益，以期为南方红壤丘陵区水稻精确管理和丰产高效栽培提供技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验于2020年6月−10月在江西省高安市渡埠农场（115°12' E，28°25' N）进行。采用随机区组设计，设3个飞行高度和3个施药量，重复3次。机插，株行距为14 cm×30 cm，每穴插3苗，南北行向，小区面积350 m2。3个飞行高度分别为1.5、2.0和2.5 m，3个施药量（75%肟菌·戊唑醇，拜耳股份公司生产，防治稻瘟病）分别为140、180和220 g/hm2。以人工喷施（3个施药量）和不施药处理作对照，药剂用诱惑红水溶液（质量分数为0.1%）稀释后，于2020年9月9日水稻孕穗期，稻瘟病发生始盛期施药1次。施药时天气晴朗，气温为30℃，风速为0.4 m/s。无人机采用地面站自主飞行，飞行速度为4 m/s，药液用量为15 L/hm2；人工喷雾操作人员为当地种粮大户，操作熟练，行走速度0.6 m/s，药液用量为750 L/hm2，喷雾高度距离冠层30 cm。施药后24 h未下雨，试验期间不使用其他农药。供试水稻品种为九香粘，6月9日播种，6月30日移栽施。氮肥用尿素，施氮量为（以纯氮计）180 kg/hm2；磷肥用钙镁磷肥，用量（以P2O5计）为75 kg/hm2；钾肥用氯化钾，用量（以K2O计）为150 kg/hm2。其中磷肥全部作基肥，钾肥和氮肥分3次施用（基肥40%，分蘖肥30%，穗肥30%）。其他管理措施同当地高产栽培。

1.2 试验仪器

采用极飞P20 2018款四旋翼植保无人机（广州极飞科技股份有限公司产品，最大载药量为10 L，喷幅宽度为1.5～5 m，作业高度为1～3 m，作业速度为1～6 m/s）和3WBD-18型背负式电动喷雾器（台州航茂电子商务有限公司产品，最大载药量为18 L，喷施压力为0.2～0.6 MPa）进行喷雾试验（图1-A）。

图1 无人机喷施与雾滴采样点设置

Fig.1.UAV spray and layout of droplet sampling spots.

1.3 测定项目与方法

1.3.1 采样点设置与雾滴沉积量

将定量滤纸按距离地面10、40和70 cm分3层固定在万向双头夹子上（分别记为上部、中部和下部）。在距离起点5、10和15 m处各设1个雾滴采集带，沿飞行中轴线在采集带两边以0、1、1.5和2 m间隔设7个采样点[9]（图1-B），每个采样点插入1根装有万向双头夹子的支架。喷雾后1 h，将采集雾滴的滤纸装入相应自封袋内，在室内用Brother MFC-J625DW扫描仪逐一扫描，扫描图像利用DepositScan软件[22]进行处理分析，得出不同作业参数下的雾滴沉积量。

1.3.2 雾滴沉积均匀性和穿透性

雾滴均匀性用冠层每层不同采样点上雾滴沉积量的变异系数（coefficient of variation,）表示，变异系数越小表示雾滴越均匀；雾滴穿透性用冠层每个采样点上部、中部和下部雾滴沉积量的变异系数表示，变异系数越小表示雾滴穿透性越大[8]。

1.3.3 病害防治效果

于施药后14 d每小区对角线5点取样，每点调查相连5穴，调查总叶数和上3叶稻瘟病发病情况，根据韩冲冲等[9]的方法计算防治效果和病情指数。

1.3.4 产量

于成熟期调查穗数，取样测定每穗粒数、结实率、千粒重；收割各小区中央4 m2水稻测产，单独脱粒晒干并风选后，称干谷质量，同时测定干谷水分含量，然后计算折合含水量为13.5%的稻谷产量。

1.3.5 数据处理与分析

在Microsoft Excel 2010中进行数据整理，采用SAS 8.0 中的PROC ANOVA进行方差分析，用LSD法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 雾滴沉积量的分布特征

由表1可知，雾滴沉积量随飞行高度的增加而减少，如在施药量140 g/hm2，飞行高度1.5 m时冠层上部的雾滴沉积量为0.2480 µL/cm2，而飞行高度2.5 m时仅为0.0991 µL/cm2，两者相差0.1489 µL/cm2。施药量对无人机喷施（S1）和人工喷施（S2）的雾滴沉积量均有显著影响。2种喷施方式的雾滴沉积量随施药量的增加而增大，如在飞行高度2 m，施药量140、180和220 g/hm2时冠层中部的雾滴沉积量分别为0.1097、0.1622和0.1661 µL/cm2。S1和S2的雾滴沉积量在冠层中的垂直分布均呈上部>中部>下部的变化特征，如S1和S2冠层上部、中部和下部的平均雾滴沉积量分别为0.2444和13.1462 µL/cm2、0.1409和6.3213 µL/cm2、0.0958和1.5945 µL/cm2，即无人机喷施的雾滴沉积量在冠层上部、中部和下部的比例平均分别为50.80%、29.29%和19.92%，而人工喷施的平均分别为62.42%、30.01%和7.57%。

表1 不同喷施方式的雾滴沉积量分布特征

相同飞行高度的不同施药量间或不同喷施方式间，标以不同字母者在0.05水平上差异显著。表2同。

Values followed by different letters for different pesticide dosages within the same flying height or different spraying ways are significantly different at 0.05 probability level.The same in Table 2.

2.2 雾滴均匀性的分布特征

由表2可知，雾滴均匀性随飞行高度的升高而增大，如施药量为180 g/hm2，飞行高度1.5、2和2.5 m时冠层中部的雾滴均匀性分别为10.32%、9.86%和9.28%。施药量对无人机喷施（S1）和人工喷施（S2）的雾滴均匀性有显著影响。两种喷施方式的雾滴均匀性随施药量的增加而增大，如在S1冠层上部，飞行高度1.5 m时施药量140、180和220 g/hm2的雾滴均匀性分别为10.07%、9.88%和9.41%。S1的雾滴均匀性大于S2，如在冠层下部，S1的平均雾滴均匀性为11.22%，S2为37.49%，两者相差26.27百分点。S1和S2的雾滴均匀性在冠层中的垂直分布呈上部>中部>下部的变化特征，如S1和S2冠层上部、中部和下部的平均雾滴均匀性分别为7.47%和12.70%、9.45%和20.27%、11.22%和37.49%。

2.3 雾滴穿透性的分布特征

由表2可知，雾滴穿透性随飞行高度的升高而增大，如在施药量220 g/hm2，飞行高度1.5、2和2.5 m的穿透性分别为46.72%、46.41%和45.62%。施药量对无人机喷施和人工喷施的雾滴穿透性有显著影响。两种喷施方式的雾滴穿透性随施药量的增加而增大，如在飞行高度1.5 m时，施药量140、180和220 g/hm2处理的雾滴穿透性分别为49.49%、49.19%和46.72%。无人机喷施的雾滴穿透性大于人工喷施，如无人机喷施的平均穿透性为48.08%，人工喷施为82.81%，两者相差34.73百分点。

表2 不同喷施方式的雾滴均匀性与穿透性分布特征

表3 不同喷施方式的防治效果、产量及经济效益比较

表中相同施药量的不同喷施方式间，标以不同字母者在0.05水平上差异显著。

S1 and S2 in the table represent UAV spray and artificial spray, respectively.Values followed by different lowercase letters for different spraying ways within the same pesticide dosage are significantly different at 0.05 probability level.

2.4 不同喷施方式的效益比较

由表3可知，与人工喷施相比，无人机喷施的防治效果和产量略低或持平。无人机喷施的用工成本显著低于人工喷施，用工成本仅为135元/hm2，而人工喷施为300元/hm2，两者相差165元/hm2。按照农药（75%肟菌·戊唑醇）1.1元/g和稻谷售价2.5元/kg，计算各处理的经济效益。结果表明，无人机喷施的净收益和产投比分别平均比人工喷施高164元/hm2和20.9，差异均达到显著水平。

3 讨论

近年来，随着我国经济迅速发展和农村劳动力大量转移，适龄劳动力短缺和用工成本增加等问题日益突出，水稻生产迫切需要以机械化作业为核心的现代稻作技术[23]。植保无人机是现代农机装备的重要组成部分，已成为水稻全程机械化生产中实施精确投入不可或缺的关键装备，凭借其机动灵活、高效、操作劳动强度小等优点得到了快速推广[24]。因此，阐明植保无人机喷施雾滴在水稻冠层内沉积分布状况与经济效益对于水稻产业显得尤为重要。

本研究通过实施不同飞行高度和不同施药量的田间试验，比较分析了无人机喷施与人工喷施的雾滴分布状况，发现雾滴沉积量随飞行高度的增加而减少，说明无人机飞行高度越低，水稻冠层内的雾滴沉积量越多。这与前人研究结论一致[25]。本研究表明，无人机喷施和人工喷施的雾滴沉积量随施药量的增加而增大，且均呈上部>中部>下部的分布特征。人工喷施的药液雾滴主要沉积在冠层上部，只有7.57%的药液雾滴到达冠层下部，而无人机喷施有19.92%的药液雾滴到达冠层下部，显著高于人工喷施。说明不同的作业参数对无人机喷施雾滴分布状况具有显著的调控作用，进而影响药液雾滴对病害的防效。因此，优化无人机作业参数是实现水稻病害精确高效防治的重要措施。

本研究表明，无人机喷施和人工喷施的雾滴均匀性均呈上部>中部>下部的分布特征，且人工喷施的雾滴均匀性显著小于无人机喷施。这与前人研究结论一致[8]。这是由于人工喷施的雾滴均匀性主要由施药人员的行走路线和操作经验决定，难以保证喷施作业质量的一致性，进而导致其雾滴均匀性比无人机喷施差。本研究还显示，雾滴穿透性随飞行高度的升高而增大，随施药量的增加而增大。这与前人研究结论相似[9]。这是由于无人机飞行高度较低时，其垂直下旋气流较大，水稻植株易摇摆倾斜，雾滴不能均匀地沉积在冠层中下部。两种喷施方式相比，无人机喷施的雾滴穿透性大于人工喷施。这是由于人工喷施缺乏下旋气流的作用，药液雾滴大部分沉积在冠层上部。

本研究分析比较了两种喷施方式的稻瘟病防治效果、产量和经济效益。结果表明，无人机喷施与人工喷施的防治效果和产量基于持平；无人机喷施在保证产量的前提下，显著提高了作业效率，降低了生产成本，增加了水稻净收益和产投比，有效克服了人工喷施费时耗工等不足，在南方红壤丘陵区水稻丰产高效栽培中具有应用价值。当然，本研究仅分析了不同飞行高度和施药量下两种喷施方式雾滴在水稻冠层内的沉积特征及效益，有关不同飞行速度等因素的影响有待今后进一步研究。

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Comparison of Droplet Deposition Characteristics in Rice Canopy and Benefit Between Unmanned Aerial Vehicle Spray and Artificial Spray

LI Yanda*, YE Chun, CAO Zhongsheng, SUN Binfeng, SHU Shifu, CHEN Licai

(Institute of Agricultural Engineering, Jiangxi Academy of Agricultural Sciences/Jiangxi Province Engineering Research Center of Intelligent Agricultural Machinery Equipment/Jiangxi Province Engineering Research Center of Information Technology in Agriculture, Nanchang 330200, China;*Corresponding author, E-mail: liyanda2008@126.com)

【Objective】The primary objective of this study is to elucidate the characteristics of droplet deposition and distribution by unmanned aerial vehicle (UAV) spray and artificial spray in rice canopy, and the control efficacy, grain yield and economic benefit were compared between UAV spray and artificial spray.【Method】The electricity-driven four-rotorUAV was selected and three flying heights and three pesticide dosages were set.The droplet deposition and distribution in rice canopy was measured at booting stage with UAV.Then the controlling efficacy of rice blast, grain yield and economic benefit were compared with those of artificial spray treatment.【Results】The results showed that the deposition amount of droplet was decreased with increasing flying height.The uniformity and penetrability of droplets were improved with increasing flying height.The deposition amount, uniformity and penetrability of droplets were improved with increasing pesticide dosage by UAV spray and artificial spray.The uniformity and penetrability of droplets were greater in upper canopy than in middleand basal canopy at the same flying height.The uniformity and penetrability of droplets by UAV spray were greater than those by artificial spray.The UAV spray obtained equivalent grain yield and control efficacy with the labor cost reduced by 165 Yuan/hm2, while net income and yield-cost ratio was improved by 164 Yuan/hm2and 20.9, respectively.【Conclusion】Compared with the artificial spray, the UAV spray can raise working efficiency, reduce production cost and higher economic benefits are also achieved on the premise of grain yield, which has a potential to be widely applied for precise management and high yield and high efficiency cultivation in rice production.

rice; UAV spray; artificial spray; droplet; deposition characteristic; benefit

10.16819/j.1001-7216.2021.210107

2021-01-11;

2021-04-03。

国家重点研发计划资助项目(2016YFD0300608)；“万人计划”青年拔尖人才项目；江西省“双千计划”项目；江西省科技计划项目 (20182BCB22015, 20202BBFL63046, 20202BBFL63044, 20192BBF60052)。