无人机作业航速对喷雾雾滴在竹林中沉降分布及害虫防效的影响

刘化桐

(福建省邵武市林业局 南平 354000)

华南林区多为丘陵山地，其所特有的复杂地形，给林业有害生物防治工作增添了不少困难，常规人工地面机械喷雾不但作业效率低下，还将不可避免地产生漏药或重药，无法取得理想的防治效果，因此生产上急需一种能解决上述问题的先进施药技术。随着中国科学技术日新月异的发展，农业病虫防治工作已广泛运用植保无人机低空喷雾技术，已有学者尝试将该喷雾技术引入施药、施肥等林业生产中。

植保无人机虽具有工效高、省时节力降费的优点，但也存在着雾滴沉降分布和飘失状况不稳定的缺点，其喷雾作业工作参数对雾滴沉降率、覆盖密度、密度变异系数、雾滴穿透性、有效喷幅和防治效果影响较大，无人机作业的航速和定高等工作参数均会影响防治效果、作业效率和防治费用。因此，明确无人机施药工作参数已是林业生产中急待破解的科学问题。国内外的报道均为植保无人机在烟叶、水稻等作物上应用的喷雾工作参数[1-3]，洪宜聪等已研究报道了无人机喷雾作业定高对雾滴在竹林沉降分布及防效的影响[4]，但尚未见有关植保无人机在林分中的作业航速对雾滴的沉降分布状况影响的报道。

为践行“绿水青山就是金山银山”的发展理念，本研究从实现治虫与生态保护有机统一的目的出发，于2020 年在福建南平市邵武市，选择毛竹(Phyllostachys edulis) 林建立试验区，应用植保无人机开展不同航速的作业参数喷雾试验，对比不同作业航速雾滴在竹林的沉降率、覆盖密度、密度变异系数和有效喷幅等工作参数。同时在刚竹毒蛾幼虫为害的竹林，选用1.2%烟碱·苦参碱乳油、25%阿维·灭幼脲悬浮剂和1.5%苦参碱可溶液等3 种农药，对比分析不同作业航速对防治效果的影响，以期明确无人机喷雾作业最佳航速，为构建林业低空施药技术体系提供科技支撑，以提升主要林木食叶害虫的防控手段和效率。

1 试验地概况

试验区位于地处福建省西北部的邵武市(北纬26°55′—27°35′，东经117°02′—117°52′)，为亚热带季风气候，海拔370～620 m，年均气温13.0～23.0 ℃，年均降水量为1 857.6 mm。试验区面积为406.6 hm2，主要树种为毛竹，伴生树种主要为马尾松(Pinus massoniana)、杉木(Cunninghamia lanceolata)、米槠(Castanopsis carlesii)、闽粤栲(Castanopsis fissa)和苦槠(Castanopsis sclerophylla)等。林下植被主要为杜鹃(Rhododendron simsii)、地菍(Melastoma dodecandrum)、迎春(Jasminum nudiflorum)、紫 萼(Hosta ventricosa) 和淡竹叶(Lophatherum gracile)等[5-8]，防治靶标昆虫为3龄的刚竹毒蛾幼虫(Pantana phyllostachysae)，有虫株率67%～90%，虫口密度79～92 头/株。表1为试验林概况。

表1 试验林分概况Tab.1 General situation of experimental stand

2 材料与方法

2.1 试验材料

1) 试验昆虫。将野外竹林采回的刚竹毒蛾卵，置于常温孵化为幼虫，放入培养箱(T＝ (27±1)℃，RH＝72%，LD＝14 h ∶10 h) 内，用清水洗净并晾干的新鲜竹叶饲养，在饲养至3 龄时，用虫笼将选取的活动正常、个体相近的幼虫分装备试。

2) 农药与器材。参试农药:1.5%苦参碱可溶液，1.2%烟碱·苦参碱乳油 (苦参碱含量0.7%，烟碱含量0.5%)，25%阿维·灭幼脲悬浮剂，均为内蒙古帅旗生物科技股份有限公司生产。试验辅助剂:U 伴飞防专用助剂(北京广源益农化学有限责任公司)。器材:LHS-350HC 恒温恒湿培养箱(无锡玛瑞特科技有限公司)；植保无人机(机型:大疆T20，额定载荷15 L，喷雾系统参数为4 个水泵、8 个扇形压力雾化喷头，水泵工作压力为0.2～0.4 MPa，每个水泵供应2 路喷头，喷头雾化压力为0.2～0.4 MPa，喷嘴型号为SX11001VS、SX110015VS 和SX11002VS，其最大流量分别为3.6、4.8 和6 L/min，雾化粒径分别为130～250、170～250 和190～300 μm；深圳市大疆创新科技有限公司)；卡纸架:35 mm×110 mm 水敏纸(重庆六六山下植保科技有限公司)。

2.2 研究方法

2.2.1 试验区设计

依据预备试验结果，在无人机作业预定方向的中线两端设置红旗为标识，沿中线每隔10 m 设雾滴接收段，以2.5、3.0、3.5、3.75 m 等4 种距离分别向两侧延伸，设置雾滴测试点，以A、B、C、D 表示，共设10 个雾滴接收段。于各测试点设立定制的卡纸架以固定水敏纸，卡纸架高度分别设置于竹冠上、中和下部，在喷雾作业前将水敏纸水平安放于卡纸架，每个处理均重复3 次。

在刚竹毒蛾幼虫为害的竹林，采用“对角线”设立大小为0.067 hm2的标准地，于标准地中随机选取20 株毛竹为标准株，并在选定的标准枝上套笼，施药前套笼内按20 头/笼的标准放入刚竹毒蛾幼虫。

2.2.2 农药浓度设定

以体积比将农药用纯净水分别配制成:1.2%烟碱·苦参碱乳油和1.5%苦参碱可溶液配均为1 500 倍液[9-11]，25%阿维·灭幼脲悬浮剂为1 200 倍液[12-14]，同时以225 mL/hm2分别加入U伴飞防专用助剂，以利于雾滴沉降。

2.2.3 作业参数设置与喷雾施药

无人机作业航速设为1.0、1.5、2.0、2.5 和3.0 m/s 等5 个水平，作业定高均设为6.5 m，以纯净水为模拟农药，用量设为25 000 mL/hm2，喷头采用SX110015VS，水泵工作压力设为0.2～0.4 MPa。于2020 年5 月20—23 日开展植保无人机喷雾和雾滴测定试验。

2020 年5 月24—27 日，于受刚竹毒蛾幼虫为害的试验林，运用植保无人机喷施预设3 种浓度的农药，药液用量设为25 000 mL/hm2，作业时段为6 ∶00—9 ∶30，作业气象条件为:多云到晴、风速≤0.62 m/s、气温≤26.2 ℃、空气湿度≥76%，药后2 d 无有效降水。各处理均重复3 次，并选择条件相似的竹林设立对照，以等量的“纯净水＋U 伴飞防专用助剂”为模拟农药喷雾。

2.2.4 雾滴统计分析

喷雾作业结束后2 h，回收水敏纸并作好标记，用封口袋分装。将水敏纸逐一扫描成图像，雾滴图像分析用雾滴分析软件，以获取各测试点雾滴的覆盖密度、沉降率及直径，并计算雾滴密度变异系数和沉降穿透性等[4]。

2.2.5 农药防效计算与数据分析

每天对套笼内刚竹毒蛾幼虫定时观察其活动情况，以各处理笼内刚竹毒蛾的幼虫死亡率超过95%时即结束试验，计算死亡率和校正死亡率[15-17]。

用Excel 2010 处理获取的数据，各处理间的数据方差分析用SPSS 22.0 软件，运用Duncan's 检验法分析不同航速处理间的显著性差异(P＜0.05)。

3 结果与分析

3.1 雾滴沉降及分布

3.1.1 雾滴覆盖密度与沉降率

从表2 可知，不同航速的雾滴沉积状况各不相同。同一测试点，以航速为2.0 m/s 的雾滴覆盖密度和沉降率为最好。当无人机作业航速为1.0、1.5、2.0 m/s 时，其A、B 接收点雾滴覆盖密度和沉降率变化不大；而当无人机作业航速为2.5 和3.0 m/s 时，其雾滴覆盖密度和沉降率变化较大，航速越快雾滴覆盖密度和沉降率均越小。方差分析结果显示，同一航速A、B、C、D 等接收点间的雾滴覆盖密度和沉降率有一定的差异。当航速为1.0 和1.5 m/s 时，A 点、B 点与C 点、D 点间雾滴覆盖密度和沉降率差异显著，且C 点和D 点间亦有显著差异，A 点与B 点间差异则不显著；当航速为2.0 m/s 时，A 点、B 点、C 点与D 点间雾滴覆盖密度和沉降率差异显著，且A 点、B 点和C 点间相互差异则不显著；当航速为2.5和3.0 m/s 时，A 点、B 点、C 点、D 点间的雾滴覆盖密度和沉降率均存在显著差异，表明无人机航速与竹冠水平方向的雾滴分布关系密切。

表2 无人机不同航速的雾滴在竹林内沉降状况Tab.2 Deposition of droplets sprayed in bamboo forest by UAV with different speeds

雾滴在各测试点竹冠的雾滴覆盖密度和沉降率从大到小依次为上层、中层和下层，在无人机航速为2.0 m/s 时，A 点雾滴覆盖密度上层为37.9 个/cm2、中层为36.9 个/cm2、下层为33.8个/cm2，达到“农业航空作业质量技术指标”[18]规定的雾滴覆盖密度≥20 个/cm2要求，在竹冠的上、中、下层雾滴沉降率分别为21.36%、19.26%、17.69%。方差分析结果表明，不同航速同一测试点雾滴的上层、中层和下层所表现出的雾滴覆盖密度和沉降率各不相同。航速为1.0、1.5 和2.0 m/s 时，A 点、B 点、C 点等3 个测试点上层与中、下层间雾滴覆盖密度和沉降率差异显著，中层与下层间雾滴覆盖密度和沉降率则无显著差异，D 测试点上、中层和下层间的雾滴覆盖密度和沉降率均有显著差异。当航速为2.5 m/s时，除A 点外，其余各点上、中层和下层间的雾滴覆盖密度和沉降率则存在显著差异；当航速为3.0 m/s 时，各测试点上、中层和下层间的雾滴覆盖密度和沉降率则存在极显著差异。表明无人机的航速与竹冠垂直方向的雾滴分布关系密切。

3.1.2 雾滴沉降穿透性与密度变异系数

竹冠各层的密度变异系数是检验雾滴穿透性的重要指标，穿透性愈强变异系数越小。从表2可知，当无人机航速为2.0 m/s 时，A、B、C、D等测试点的密度变异系数最小，为35.07%～42.16%，表明其穿透性最好。当航速为3.0 m/s时，A、B、C、D 等测试点的密度变异系数最大，为43.79%～60.72%，表明其穿透性最弱。当无人机航速≤2.0 m/s，随着航速的递增，对应测试点的密度变异系数递减，雾滴穿透性递增。当无人机航速大于2.0 m/s 时，相对应测试点的密度变异系数随着航速增大而增大，雾滴的穿透性为随着航速加快逐渐减弱。表明无人机的航速与雾滴沉降穿透性关系密切。

变异系数值的大小可体现雾滴沉降的均匀程度，是检验喷雾质量的重要指标，雾滴沉降愈均匀其变异系数愈小。从表2 可知，不同航速所表现出的雾滴均匀性有较大差异，无人机的不同航速，其各测试点的雾滴在竹冠沉降均匀性从小到大依次为上层、中层和下层。无人机航速≤2.0 m/s 其雾滴在竹冠沉降均匀性随速度增加而增大，无人机航速＞2.0 m/s 则随速度增加而减小。表明无人机的航速与雾滴沉降均匀性关系密切。

3.1.3 雾滴粒径与有效喷幅宽度

从表2 可知，航速对雾滴相对粒谱宽度影响不大。雾滴的中值直径值(DV.5) 以竹冠上层最大，表明雾滴粒径大穿透性较弱，主要在竹冠的上层沉积，雾滴粒径小穿透性较强，主要在下层沉积。

本研究药液用量为25 L/hm2，“农业航空作业质量技术指标”[18]明确了喷雾用量为低容量(5～30 L/hm2) 其雾滴覆盖密度应符合≥20 个/cm2标准。从表2 可知，植保无人机的不同航速其A、B、C 和D 等测试点的覆盖密度各不相同，当航速为1.0、1.5 和2.0 m/s 时，其各测试点上、中、下各层接收到符合标准的有效雾滴覆盖密度宽幅均为7 m (A 点、B 点、C 点)；当航速为2.5 m/s 时，其各测试点上、中、下各层接收到符合标准的有效雾滴覆盖密度宽幅为6 m (A 点、B 点)；当航速为3.0 m/s 时，其各测试点上中下各层接收到有效雾滴覆盖密度只有A 点符合标准，速度过快导致雾滴飘失。表明当无人机航速超过2.5 m/s 时将影响雾滴覆盖密度的有效宽幅。

3.2 航速对防治效果影响

表3 为不同航速对农药防治效果分析。从表3 可知，各航速喷雾试验林的防治效果，以航速2.0 m/s 为最好，3.0 m/s 的最差，各作业航速表现出的防治效果由好到差依次为2.0 m/s、1.5 m/s、1.0 m/s、2.5 m/s、3.0m/s。显著性分析表明，同一农药药后5 d，不同航速喷雾的防治效果差异显著，表明林分的防治效果与无人机航速关系密切。

表3 不同航速药后5 d 的防治效果Tab.3 Control effects on the larvae of Pantana phyllostachysae after pesticide application for five days with UAV at different speeds %

4 结论与讨论

研究结果表明，植保无人机的作业航速与雾滴的水平分布、垂直分布、有效喷幅及林分防治效果关系密切，航速的快慢将决定无人机喷雾质量。虽然无人机作业航速为1.0、1.5、2.0 m/s其雾滴的沉降率和覆盖密度在竹冠的水平和垂直分布差异不大，但考虑到工作效率，在生产应用中无人机的航速应以2.0 m/s 为好。当无人机航速为2.0 m/s 时，其有效喷幅最大，竹冠水平与垂直方向雾滴的沉积分布最好，防治效果最理想。表明在竹林喷雾作业，无人机最佳航速为2.0 m/s，即在竹林喷雾作业时无人机定速为2.0 m/s。

靶标昆虫死亡率取决于所获得农药致死剂量，农药沉积量为施药后在靶标单位面积上沉积的药量，农药沉积结构为农药喷施时单位面积的雾滴密度、雾滴粒径和雾滴的农药浓度，农药沉积结构通过影响害虫接触农药的概率和每次接触获得的农药剂量，影响农药的生物效果。对靶标而言，其单位面积雾滴密度决定了农药的沉积量，雾滴密度愈大其农药的沉积量愈多，与农药接触率愈高，防治效果愈理想。研究表明，植保无人机的航速与竹冠水平和垂直方向的雾滴沉积、雾滴沉降均匀度关系密切，以航速为2.0 m/s 的雾滴沉积状况最好。航速≤2.0 m/s，雾滴分布均匀性和穿透性均与航速呈正比，变异系数与航速呈反比。航速大于2.0 m/s，雾滴分布均匀性和穿透性均与航速呈反比，变异系数与航速呈正比。

植保无人机作业航速过慢，将延长作业时长，影响喷雾作业效率。作业航速过快，其自身产生的气流容易使雾滴过度飘失，造成雾滴的沉积率下降，作业高度过高，外界的气流也会使雾滴发生漂移，而使雾滴的沉积率减少、进而影响防治效果。这与已有的报道结论相同[19-23]。

无人机低空喷雾技术最大的优点为省时降费和易于操作，它可克服丘陵山地的复杂地形等因素给林业防治工作产生的困难，相比于人工地面喷药技术，可降低防治劳动强度，大幅减少防治费用，可解决常规施药技术的漏药与重药问题[24-27]。本研究提出的植保无人机喷雾施药作业的最适航速，可借鉴于林业低空施药技术体系。