无人机喷雾参数对雾滴在香梨花期冠层沉积分布的影响

王 璐 吉光鹏 宋 伟 牛蛉磊 张栋海 赵思峰

（1.石河子大学农学院/新疆绿洲农业病虫害治理与植保资源利用重点实验室 新疆石河子 8320031；2.新疆生产建设兵团第三师农业科学研究所 新疆图木舒克 8439011）

库尔勒香梨作为新疆地区的名优特果品之一，深受国内外消费者青睐。 据统计， 截止2016年，新疆库尔勒香梨总面积为7.30 万hm2， 结果面积为5.75 万 hm2，总产量 104.63 万 t[1]。 花期授粉作为香梨生产的关键环节，授粉方式主要有人工点授、人工抖粉、器械喷粉和液体授粉等[2]。 植保无人机作为新型的农药喷施方式， 因其作业效率高、 雾化好、 成本低等特点[3]，已在南疆部分地区的香梨生产中进行了尝试。

近年来， 不同作物上针对病虫害防治的作业质量和雾滴沉积分布的研究报道较多。 陈盛德等[4]研究了小型六旋翼植保无人机在不同作业参数条件下对橘树进行喷施作业其雾滴沉积分布效果；余文胜等[5]采用喷头流量、作业高度、飞行速度的三因素三水平正交试验法， 研究了小型四旋翼农用植保无人机作业参数对雾滴在茶树冠层沉积分布的影响； 王冰洁等[6]应用极飞P20 多旋翼植保无人机对火龙果树进行喷雾作业试验， 采用正交试验法对主要作业参数进行了优选。 针对库尔勒香梨花期无人机作业参数的研究还未见报道。 因此，本试验选用本地区应用较广泛的极飞Xp20 电动四旋翼植保无人机作为作业机型，对库尔勒香梨花期田间作业参数进行优选，从而为香梨生产中推广应用无人机技术提供指导。

1 材料与方法

1.1 试验果园概况

试验在新疆图木舒克市53 团22 连密植香梨园进行， 选取有代表性的5年生库尔勒香梨园开展试验，试验园面积2.5 hm2，株行距1.5 m×4.0 m，栽植密度111 株/亩，树形为高纺锤形，树体高度3.5 m 左右。

1.2 试验设备与材料

选用极飞Xp20 型四旋翼植保无人机进行液体喷雾，该机最大有效起飞质量48 kg，最大作业飞行速度12 m/s，最高飞行海拔高度4 000 m，最大载药量16 L，配备4个SNZ-18000A 型号离心喷头，雾化粒径 85～550 μm，有效喷幅 4.5～7.0 m。环境监测系统有便携式风速风向仪SEW6086 （广州市速为电子科技有限公司）和数字温湿度表PM6508（桂林市华谊智测科技有限公司生产）。

雾滴收集处理材料包括自由夹、雾滴采集（先正达公司生产）、一次性手套、标签纸、密封袋等。

1.3 试验设计

试验于2021年4月11日（库尔勒香梨盛花期）上午10:00 至下午1:00 进行， 试验期间平均温度23.7℃，平均空气湿度11.5%，平均风速1.6 m/s。

1.3.1 正交试验 试验设置包括飞行高度 （距离香梨冠层高度）、亩喷液量、飞行速度3个因素的正交试验，共设9 组试验（表1、表2），筛选无人机在库尔勒香梨花期作业的最优作业参数。 每组试验作业面积0.28 hm2，无人机喷头雾化粒径设定为100 μm，有效喷幅设定为4.5 m。

表1 试验因素与水平

表2 正交试验方案

1.3.2 采集点布置 每个处理选取4 行树， 分别在行内果树上选取3个调查区， 每个调查区选取长势基本一致且相邻的2 棵香梨树作为调查样株， 每组试验共选6 棵树。 每个调查区间距25 m 左右， 距无人机起始和返航作业点20 m 以上，分别在每个样株的上层（2.8～3.2 m）、中层（1.8～2.2 m）、下层（0.8～1.2 m）3个高度选取东、 南2个方向的枝条各布置1个雾滴采集点， 并统一用自由夹夹在枝条中部位置，确保雾滴采集卡卡面朝上。 每组试验共布置36个采样点、36 张雾滴采集卡。采集区和雾滴采集卡布置情况见图1、图2。

图1 无人机作业航向及采集点布置

图2 香梨树冠雾滴雾采集卡布置

1.4 数据采集与处理

待雾滴采集卡干燥后， 试验人员戴好一次性手套收集各测试点雾滴采集卡并装于自封袋， 排序编号带回实验室进行测定。 将收集的雾滴采集卡逐一用扫描仪扫描， 扫描后的图片通过图像处理软件（Image J）收集每张雾滴采集卡的雾滴信息。

试验数据用 Excel 和 SPSS 23.0 进行处理，用LSD 法比较处理间差异的显著性。 变异系数（CV）可以描述一组数据的均匀性, 雾滴在测试区域内的沉积均匀性可通过 CV 值的大小来表征， 变异系数越小代表数据变化幅度越小， 即表示雾滴沉积分布越均匀。

式中，S为同组试验采集样本雾滴密度标准差；Xi为各采样点雾滴密度；为各组试验采样点雾滴密度平均值；n为各组试验采样点个数。

2 结果与分析

2.1 不同作业参数对雾滴沉积密度的影响

从表3 可以看出， 各处理香梨的上层雾滴沉积密度显著高于中层和下层。 显著性分析得出，不同作业参数下，不同层位雾滴沉积密度有显著性差异。 飞行高度为1.5 m、 亩喷液量为4.0 L/亩、 飞行速度为3.0 m/s（处理6）时，上层、中层、下层雾滴沉积密度分别为（103.23±22.46a）个/cm2、（55.48±25.65a）个/cm2、（29.40±9.40a）个/cm2，均高于其他作业参数下的雾滴沉积密度。

变异系数（CV）可以衡量雾滴在香梨冠层分布的均匀性，由表3 可知，处理2 香梨上层和下层的雾滴分布最均匀， 处理8 的中层雾滴分布最均匀。 综合各个冠层的雾滴沉积分布的均匀性， 以处理2 的雾滴分布均匀性最好。 结合雾滴沉积密度和均匀性综合分析， 处理 2、 处理 6、 处理 8 三个处理的作业参数较优。

表3 不同作业参数下的雾滴沉积密度

从雾滴沉积密度极差分析结果（表4）可以看出，各处理不同高度冠层影响雾滴沉积密度的主要因素依次是亩喷液量、飞行高度和飞行速度。 统计得出最优作业参数为 A2B3C2（处理6），这与雾滴沉积密度分析结果一致。

表4 雾滴沉积密度极差分析

2.2 雾滴沉积均匀性

由雾滴沉积均匀性极差分析结果（表5）得出，作业参数A2B3C2 为较优水平，但对香梨不同高度冠层雾滴分布均匀性影响因素的排序不同， 上层和中层影响因素依次为飞行速度、亩喷液量、飞行高度，下层依次为亩喷液量、飞行速度、飞行高度。 飞行速度在2.5 m/s 时，雾滴分布均匀性均很差，这正好反映了无人机作业时的情况， 飞行速度很慢时无人机下风场影响加强，影响雾滴的均匀性。

表5 雾滴沉积均匀性极差分析

2.3 不同作业参数对雾滴覆盖率的影响

由不同作业参数下的雾滴覆盖率结果可知（表6），不同作业参数下香梨树上层、中层、下层的雾滴覆盖率各组间差异显著。 上层、中层、下层的雾滴覆盖率以处理6 为最高，同雾滴沉积密度的结果一致。

表6 不同作业参数下的雾滴覆盖率

由雾滴覆盖率极差分析结果可知（表7），香梨树上层、中层和下层的主要影响因素均为飞行高度，得出最优作业参数为 A2B3C2（处理6），这与雾滴沉积密度试验结果一致，即飞行高度为1.5 m、亩喷液量为4.0 L/亩、飞行速度为3.0 m/s。

表7 雾滴覆盖率极差分析

3 结论与讨论

试验采用三因素三水平正交试验法对植保无人机在密植香梨园的飞行参数进行筛选， 从试验结果可知， 密植香梨园花期植保无人机最优作业参数为飞行高度1.5 m、亩喷液量4.0 L/亩、飞行速度3.0 m/s（处理6）。 但处理6 的雾滴分布均匀性却不及处理2和处理8， 由于无人机飞行作业效果受风场影响较大，飞行作业实时风向也在不断变化，会对试验效果产生影响，从而产生误差。 无人机相邻喷头及喷幅间雾滴重合度是影响雾滴分布不均匀的主要原因，针对其均匀性后续试验还应考虑此方面的研究[5]。

由方差分析可知， 在密植香梨树上层的飞行高度、 亩喷液量、 飞行速度对雾滴沉积密度影响均显著，中层的亩喷液量对雾滴沉积密度影响显著，下层的飞行高度、亩喷液量、飞行速度对雾滴沉积密度影响均不显著。 陈盛德等人的研究显示[4]，飞行高度和飞行速度对雾滴沉积分布影响均显著， 本试验与其结论不同的原因： 首先本试验材料与低矮作物水稻不同，主干型结果香梨树树体大致呈锥状，上部枝条对下部枝条有一定的遮挡作用， 导致下层采集卡收集雾滴不够准确； 其次雾滴沉积是一个复杂的三维运动过程，水平方向的风场对雾滴均匀性影响较大。