防飘喷头在植保无人飞机水稻病害防治应用研究

2022-09-23冯玉茹徐少卿于晓庆宋坚利

中国农业大学学报 2022年9期

冯玉茹王香徐少卿于晓庆李天韩冷宋坚利*

(1.中国农业大学资源与环境学院，北京 100193； 2.中国农业大学理学院，北京 100193； 3.山东省农业技术推广中心，济南 250199)

2020年我国水稻的种植面积达到3×10hm，作为第二大粮食作物的水稻在我国的粮食供给中占有举足轻重的地位。长久以来，我国用于水稻病虫草害防治的主要施药农机多为是小型背负式喷雾器，此类机型作业效率低、劳动强度大、农药利用率低，因此，“十五”期间中国农业大学药械与施药技术中心，成功研制水田低量风送喷杆喷雾机。随后山东三禾永佳动力有限公司、山东华盛农业药械有限责任公司、北京丰茂植保机械有限公司等多家植保机械厂家相继研制水田喷杆喷雾机，并广泛应用于水稻病虫草害防治。然而，由于全国水稻产区各地立地条件不同，喷雾施药机入水田作业压苗严重，水田喷杆喷雾机的应用因此受到限制。自 2008 年始，我国重点开展植保无人飞机研发，经过多年研究与生产应用，植保无人飞机低空低量施药相对于传统的人工和地面植保机具,具有作业效率高、受地形或作物限制小和可适期作业的独特优势，符合现代农业的发展趋势和国家“加快实现农业机械化”的发展战略，已经成为农业病虫害防治领域的常规手段。中国2020年度植保无人飞机行业发展报告中指出：2020年市场保有量约有11万台，全国年作业面积约达到7×10hm，90%的水稻田都使用过植保无人飞机飞防服务。植保无人飞机飞防服务不但使种植水稻的机械化程度得到提升，而且在防治病虫害中也取得了较好的应用成果。

植保无人飞机虽然具有省工、省水、省药等优势，但由于飞行作业过程中，无人机飞行高度高、速度快，喷施农药的喷雾雾滴存在雾滴飘移严重的问题，导致临近地块的农作物常被过度喷施而引起药害，有时会产生赔偿纠纷。为了明确植保无人飞机的雾滴飘移机理，解决无人机喷雾过程中雾滴飘移的问题，王昌陵等和马钰等研究表明，在植保无人飞机上应用文丘里防飘喷头可以显著降低下风向雾滴飘移水平。由于文丘里防飘喷头雾滴粒径大，抗风能力强，目前是国外地面植保设备的标准配置。该喷头初期大量应用于喷杆喷雾机，近年来Torrent等和Garcera等开展了将文丘里防飘喷头应用于果园风送喷雾机的效果研究，结果表明文丘里防飘喷头的作业效果与常规喷头相当，并能够显著减少雾滴飘移。

虽然植保无人飞机安装防飘喷头能够显著减少喷雾过程中雾滴的飘移和喷雾量损失，但是由于防飘喷头的雾化等级均为粗雾滴以上等级，其在靶标上的沉积密度低，是否能够影响农药生物防效目前还有待研究。因此，为研究水稻植保无人飞机病害防治过程中的雾滴飘移问题拟，以水稻为研究对象，采用植保无人飞机搭载文丘里喷头的方法，测试雾滴在水稻冠层中的沉积特性以及对防治稻曲病和纹枯病的防效影响，旨在验证其在水稻病害防治中的可行性，为解决植保无人飞机雾滴飘移问题提供依据。

1 材料与方法

1.1 供试药剂和指示剂

供试药剂采用亮泰750 mL/hm(1.7%阿维菌素+4.3%氯虫苯甲酰胺)+阿米妙收600 mL/hm(125 g/L苯醚甲环唑+200 g/L嘧菌酯)+顶峰300 g/hm(50%吡蚜酮)+75%三环唑450 g/hm(Syngenta Group，中国)；指示剂为浓度2 g/L胭脂红(上海染料研究所有限公司南通分公司，中国)。

1.2 试验仪器

DJI—MG1P多旋翼植保无人飞机(大疆创新科技有限公司，中国)、喷头类型为常规扇形喷头LU120—01(Lechler，德国)和文丘里防飘喷头IDK120—01(Lechler，德国)；背负式喷雾器WSJB—6 (山东卫士植保机械有限公司，中国)，喷头类型为厂家随机配置的空心圆锥雾喷头；酶标仪(BIO—RAD，美国伯乐)用来测示踪剂在喷雾靶标上的沉积量；Spray Tec激光粒径仪(Malvern Instruments Limited，英国)用来测试喷头雾滴粒径；聚乙烯软管(深圳东正和塑胶有限公司，中国)用来收集示踪剂在喷雾靶标上的沉积量。

1.3 胭脂红标准曲线绘制

标准曲线的绘制采用0.1%的非离子表面活性剂吐温-80(Solarbio，中国)+5%浓度胭脂红(上海染料研究所有限公司南通分公司，中国)，配置质量浓度分别为4、5、6、20、30、40、50 mg/L的胭脂红标准溶液，酶标仪于波长505 nm测其吸光度值，每个浓度连续测定3次，取平均值对胭脂红标准溶液浓度做标准曲线用于沉积分布测试。

1.4 喷头类型和沉积量及水稻病害防治效果的关系测定

1)喷头雾滴粒径测试。

为了研究雾化质量对沉积的影响，本试验对LU120—01、IDK120—01(Lechler，德国)喷头进行雾滴粒径测试，测试区域为喷头下方距离0.5 m处雾流场范围内的雾滴，测试过程中室温及空气湿度均保持恒定22 ℃，60%，试验介质为清水，每次测试时间为30 s，喷雾压力为0.3 MPa压力。测试时，将喷头布置在喷雾桁架上，喷雾扇面与激光粒径仪的激光垂直，位置处于雾流场一侧边界，启动液泵喷雾，待喷雾压力达到0.3 MPa后，启动喷雾桁架，喷头垂直激光水平移动(图1)，30 s后激光到达雾流场另一侧边界，测试停止。每次测试重复3次。

橘红色平行四边形A表示为喷头下方距离0.5 m处雾流场范围内的雾滴；蓝色三角形B为雾滴喷雾所形成的扇形面，红色雾滴测试线为机器获取数据位置。 The orange parallelogram A represents the droplets within the spray range at a distance of 0.5 m below the nozzle. Blue triangle B is the fan surface formed by the droplet spray. The red droplet test line is the location where the machine acquires data.图1 雾滴粒径测试示意图Fig.1 Schematic diagram of fog droplet size test

2)田间试验。

田间试验由两部分组成：一部分是测试水稻冠层中的雾滴沉积特性；另外一部分是稻曲病和纹枯病防效测试。

田间试验在安徽省庐江县(北纬31°57′，东经117°01′)进行，供试水稻品种荃优822，长势良好，水稻处于分蘖末期。平均高度0.65 m，叶面积指数6.7。试验期间，稻田中平均温度为27 ℃，平均相对湿度为89%，平均风速为1.6～2.4 m/s。

3)水稻冠层雾滴沉积特性测试。

测试分别进行3个处理，详见表1。每个处理3次重复。植保无人飞机采用DJI—MG1P分别配装常规扇形喷头LU120—01喷头和文丘里防飘扇形喷头IDK120—01，两种喷头均为喷雾角120 °的ISO01号喷头，喷头流量0.41 L/min，喷雾压力0.3 MPa，两个处理的飞行参数相同。为了同植保无人飞机做对比，还应用背负式喷雾器进行对比测试。选取水稻田中心位置9个地块进行试验，不同作业地块之间间距5 m。为了避免雾滴飘移造成对沉积分布造成的影响，参照王昌陵等的结论，每块地块的布样小区距离布样小区上风向边界15 m，每个布样小区中心位置设立3行5列共15个布样点，行距5 m，每行布样点垂直航线方向上间距1 m，(图2)。每个布样点雾滴收集器选用规格为

11 mm，长0.19 m的聚乙烯软管(深圳东正和塑胶有限公司，中国)(图3)，将聚乙烯软管直接套在冠层上、中、下3 个高度的水稻叶片上，以收集不同高度沉积的雾滴，每个高度布置5个叶片。此种布样方法同采用固定支架布样的方法对比，可以确保雾滴收集器在植保无人飞机下洗气流的作用下与叶片一起摆动，由此可以更准确的获取每个取样点收集水稻的高度雾滴沉积量。样品由8号自封袋(得力集团有限公司，中国)收集密封，带回中国农业大学药械与施药技术研究中心使用酶标仪(BIO—RAD，美国)进行分析检测。向每个装有样品的自封袋中加入5 mL蒸馏水, 振荡洗涤10 min, 取洗脱液，测定洗脱液的吸光值Ae，并根据田间试验所取的胭脂红将洗脱液的吸光值转化为质量浓度

，再根据公式

V/S

，计算单位面积的沉积量。式中：

为单位面积雾滴沉积量；

为洗脱液的质量浓度；

为加入洗脱液的体积；

为雾滴收集器面积。

表1 本研究试验处理
Table 1 Experimental treatments in this study

试验序号Experimental number施药器械Applying equipment喷头类型Nozzle type喷施量/(L/hm2)Spraying volume1背负式喷雾器Knapsack sprayer圆锥雾喷头(机具自带)Hollow cone nozzle (with the machine)4502DJI—MG1PLU120—01303DJI—MG1PIDK120—0130

图2 雾滴沉积特性测试示意图Fig.2 Schematic diagram of fog drop deposition characteristics test

图3 在样点布置的雾滴收集器Fig.3 Droplet collectors at sample points

1.5 稻曲病与纹枯病防效测试

选择4块面积为80 m×30 m的地块，均匀喷洒，喷雾参数与雾滴沉积特性测试参数一致，分别用于文丘里防飘喷头、常规扇形喷头、背负式喷雾器和空白对照对稻曲病与纹枯病防效进行测试。

1.6 病害调查方法

1)稻曲病调查方法：在施药后稻曲病发生稳定时(9月25日、10月16日)各调查1次。植保无人飞机处理区每1 000 m作为1个处理调查(下同)每处理对角线5点取样，每点调查相连10丛，共50丛，记录总穗数、病穗数和病级，计算病情指数和防效。分级标准(以穗为单位)：0级，无病粒；1级，每穗1个曲球或染病稻粒；2级，每穗2个曲球或染病稻粒；3级，每穗3～5个曲球或染病稻粒；4级，每穗6～9个曲球或染病稻粒；5级，每穗10个曲球以上或染病稻粒。

2)纹枯病调查方法：在施药后纹枯病病情稳定时(9月25日、10月16日)调查1次。植保无人飞机处理区每1 000 m作为 1个处理调查。每处理对角线5点取样，每点调查相连5丛，共25丛，以株为单位，记录总株数、病株数和病级数，计算病情指数和防效。分级标准(以株为单位)：0级，全株无病；1级，第4叶片及其以下各叶鞘、叶片发病(以剑叶为第1片叶)；3级，第3 叶片及其以下各叶鞘、叶片发病；5级，第5叶片及其以下各叶鞘、叶片发病；7级，剑叶叶片及其以下各叶鞘、叶片发病；9级，全株发病，提早枯死。

病情指数=∑(各级病叶数×相对级数值)

(调查总叶数×9)×100%；防治效果=(空白对照区病情指数- 处理区病情指数)

空白对照区病情指数×100%

2 结果与分析

2.1 喷头粒径测试结果

根据依据ASAE S572.1标准可得，IDK120—01的雾滴粒径等级为Coarse(表2)，LU120—01的雾滴粒径等级为Fine。

2.2 雾滴尺寸对水稻冠层沉积量的影响

表3为3个处理农药在水稻冠层上、中、下不同位置的沉积分布情况。可知：采用背负式喷雾器施药，农药在水稻冠层上的药液沉积量超过植保无人飞机施药。但是由于背负式喷雾器的施药液量是植保无人飞机施药液量的15倍，药液中农药的浓度为植保无人飞机施药药液浓度的1/15。

对比植保无人飞机应用不同雾化等级喷头时，农药在冠层中的沉积分布情况，在冠层中不同位置上两个处理的沉积结果在统计意义上没有显著性差别，但是数据上比较，应用IDK喷头雾滴在冠层上部与下部以及总体沉积量均超过应用LU喷头的雾滴沉积量，尤其在冠层下部，IDK喷头的沉积量是LU喷头沉积量的1.45倍。

表2 2种喷头的雾滴粒径分布与方差分析
Table 2 Droplet size distribution and variance analysis of two nozzles

喷头类型Nozzle type10%体积直径/μmDV1050%体积直径/μmDV5090%体积直径/μmDV90雾滴谱宽度Span喷头分级Nozzle classificationIDK120—01165.68±8.26 c291.91±3.10 d555.92±38.55 e1.33±0.26 aCoarseLU120—0177.93±1.01 b145.43±2.13 c263.84±24.24 d1.27±0.14 aFine

注：表中数据为平均数±标准差。同列不同字母表示经Duncan氏新复极差法检验在<0.05水平差异显著。下同。

Note: Data are mean±SD. Different letters in the same column indicate significant difference at <0.05 level by Duncan’s new multiple range test. The same below.

表3 植保无人飞机应用不同喷头沉积分布情况
Table 3 Distribution of different nozzle deposition for plant protection UAV application μg/cm

喷头类型Nozzle type上部Upper中部Middle下部lower平均值AverageLU120—011.87±0.44 a1.11±0.18 a0.57±0.09 a1.18±0.24 aIDK120—012.09±0.23 a1.13±0.09 a0.83±0.11 a1.35±0.03 a

将数据进行归一化处理，将下部沉积量规定为1，背负式喷雾器雾滴在冠层上中下的分布比例为2.60∶1.71∶1.00，LU120—01上中下的分布比例为3.67∶2.17∶1.00，IDK120—01上中下的分布比例为2.53∶1.36∶1.00。冠层上层雾滴沉积量与下层雾滴沉积量的比值可以代表雾滴在冠层中的穿透性，如图4所示，植保无人飞机施药雾滴在冠层中的穿透性显著高于背负式喷雾器，数值上显示应用IDK粗雾滴的穿透率大于应用LU细雾滴的穿透率。由于不同点之间的沉积不均匀性，造成统计意义上没有显著性差别。

3个处理的雾滴沉积均匀性情况见图5。统计分析结果显示，3个处理中雾滴在水稻冠层上、中、下不同部位的沉积分布均匀性没有显著性差异，即植保无人飞机不论应用细雾滴喷头还是粗雾滴喷头，其药液沉积分布均匀与背负式喷雾器的药液沉积分布情况相当，在置信率90%的条件下，沉积分布均匀性CV值的置信区间是37.06%～44.06%。

2.3 不同喷头对水稻田病害防治效果的影响

对于稻曲病调查了药后17 d和药后38 d的病穗防效和病情指数防效，通过调查发现(表4)，植保无人飞机喷施药液后其病穗防效和病指防效与背负式喷雾器相比防治效果均优于背负式喷雾器，亮泰750 mL/hm+阿米妙收600 mL/hm+顶峰300 g/hm+三环唑450 g/hm复方配合使用在药后17 d，LU120—01喷头的防效显著高于IDK120—01，二者相差34%，药后38 d防效差距缩小无明显差异，LU120—01喷头喷雾病穗防效达85%，病指防效达93.3%，IDK120—01喷头喷雾病穗防效达87.5%，病指防效达92.5%。

图中数据为平均数±标准差。不同字母表示经双尾检测法检验在P<0.05水平差异显著。 Data are mean±SD. Different letters indicate significant differences at P<0.05 level by the two-tail detection.图4 不同喷头雾滴在冠层中穿透性Fig.4 Penetration of droplets in canopy with different nozzle

图中数据为平均数±标准差。同列不同字母表示经Duncan氏新复极差法检验在P<0.05水平差异显著。 Data are mean±SD. Different letters in the same column indicate significant difference at P<0.05 level by Duncan’s new multiple range test.图5 不同喷雾因子雾滴在冠层中雾滴沉积均匀性Fig.5 Uniformity of droplet deposition in canopy with different spray factors

表4 不同喷雾因子对稻曲病的防治效果
Table 4 Control effects of different spray factors on (,)

喷头类型Nozzle type药后17 dSeventeen days afterspraying pesticide药后38 dThirty-eight days afterspraying pesticide病穗防效%Effectiveness ofwheat earscontrol病指防效%Effectiveness ofdisease indexcontrol病穗防效%Effectiveness ofwheat earscontrol病指防效%Effectiveness ofdisease indexcontrol圆锥雾喷头(背负式喷雾器)Hollow cone nozzle (Knapsack sprayer)62.05±6.53 a67.36±1.5 b64.80±6.41 a84.71±1.26 aLU120—0193.68±1.39 c92.57±3.07 c85.00±4.24 b93.37±0.38 bIDK120—0174.00±5.65 b74.72±5.99 b87.47±2.64 b92.5±3.25 b

同样对于水稻纹枯病调查了药后17 d和药后38 d的病情防效，结果显示(表5)，在施药后17 d和施药后38 d，背负式喷雾器的纹枯病防效均优于植保无人飞机的。植保无人飞机分别采用细雾滴和粗雾滴施药纹枯病在药后17 d的数据统计分析结果显示，应用IDK喷头和LU喷头的防效没有显著性差异，防效约为背负式喷雾器的50%。在药后38 d后，IDK喷头的防效显著优于LU喷头，接近背负式喷雾器的防效，超过80%。

3 讨论

利用植保无人飞机进行水稻病虫害防治其作业过程中的雾滴飘移问题是实际生产作业中产生的损失纠纷的主要原因，因此只有切实解决植保无人飞机作业过程中的飘移问题，才能消除植保无人飞机作业隐患，促使植保无人飞机施药健康发展。文丘里防飘喷头由于其优异的防飘性能以及与常规喷头相当的作业效果，在地面喷杆喷雾机上被欧美国家大量采用。植保无人飞机应用文丘里防飘喷头确实能够显著减少农药飘失，但是其作业效果如何还未见详细研究。本研究主要研究植保无人飞机应用文丘里喷头对水稻病害的防效影响。

表5 不同喷雾因子对纹枯病的防治效果
Table 5 Control effects of different spray factors on ()

喷头类型Nozzle type病指防效%Effectiveness of disease index control施药后17 dSeventeen days afterspraying pesticide药后38 dThirty-eight days afterspraying pesticide圆锥雾喷头(背负式喷雾器)Hollow cone nozzle (Knapsack sprayer)87.14±2.2 b88.43±1.13 dLU120—0142.56±2.83 a50.90±2.16 aIDK120—0156.89±5.18 a80.04±0.41 c

本研究数据显示，采用文丘里喷头后，药液雾化等级由原来的细雾滴Fine等级改变为粗雾滴Coarse等级。由于雾滴粒径增大，因此药液飘移减少，相对于细雾滴喷雾，有更多的药液沉积在靶标区中，由此采用粗雾滴喷雾药液在冠层中的沉积量大于细雾滴。虽然杨希娃等研究所得结论是在植物冠层中小雾滴的穿透性优于大雾滴，然而，在本研究的测试所得结论与之相反，发现粗雾滴的穿透性优于细雾滴。究其原因主要是由于水稻叶片直立，与竖直夹角为13°左右，叶片表面为超疏水界面，粗雾滴与叶面撞击后，发生破碎现象，破碎后的雾滴朝向冠层下部沉积，由此增加了冠层下部的雾滴沉积量。

本研究对比采用背负式喷雾器和植保无人飞机农药有效成分在水稻冠层上的沉积量，发现植保无人飞机施药的农药有效成分在水稻上的沉积量大于背负式喷雾器，即植保无人飞机的农药利用率高于背负式喷雾器，此结果与张武云等的研究结果一致。植保无人飞机喷施药物对稻曲病和纹枯病病害中的防效不同，不论是粗雾滴还是细雾滴喷施农药，应用植保无人飞机，均可以有效防治稻曲病，并且防效优于传统的背负式喷雾器。究其可能是因为稻曲病仅危害植株穗部，在水稻破口期侵害花器和幼器，病菌侵入谷粒后，在颖壳内形成菌丝块，从而造成植株发病，因此稻曲病主要防治区域为中上部。所喷施的药液中，防治稻曲病与纹枯病的主要是阿米妙收与三环唑，喷施的阿米妙收的有效成份“阿米妙收”由20%嘧菌酯和12.5%苯醚甲环唑混配而成的悬浮剂，兼具保护和治疗活性。嘧菌酯可以通过木质部，随着水分向上传导从而达到防治植株中上部的效果。水稻纹枯病病菌主要侵害叶鞘和叶片，菌丝体匍匐于组织表面或攀缘于邻近植株之间。其主要防治要求整株着药。虽然背负式喷雾器的农药有效成分沉积量小于植保无人飞机，但是由于其喷施药液量是植保无人飞机的15倍，因此雾滴在水稻上的沉积覆盖率大于植保无人飞机。苯醚甲环唑脂溶性好，可以长时间附着在叶片上，因此采用背负式喷雾器时农药中的苯醚甲环唑覆盖面积大于植保无人飞机喷雾，这可能是背负式喷雾器水稻纹枯病防效优于植保无人飞机的原因。

植保无人飞机施药采用粗雾滴或细雾滴喷雾，防效在药后17 d不具有显著性差异，但是在药后38 d，粗雾滴的防效明显优于细雾滴防效。雾滴粒径喷头病穗防效和病指防效这2种雾滴穗部发病的稻曲病没有明显的差异，对于叶部发生病害纹枯病不同粗细雾滴的防效具有显著差异(

<0.05)，相差30%。分析原因有可能是因为采用粗雾滴施药，农药在冠层上中下不同位置的着药量均大于细雾滴喷雾，另外一个原因可能是由于应用IDK粗雾滴施药，药液在冠层中部和下部的沉积分布均匀性数值上均优于应用LU细雾滴施药。由于嘧菌酯和三环唑均是通过木质部传导，农药有效成分会在沉积后重新分布，因此应用IDK施药冠层中农药沉积分布均匀性优于应用LU细雾滴施药。同时田间试验结果表明2种雾滴粒径喷头LU120—01(Fine)和IDK120—01(Coarse)药液在水稻叶片上的平均沉积量并无显著差异，但增大雾滴可以改善雾滴在冠层中的穿透性，大雾滴在喷幅范围内分布的均匀程度要优于小雾滴。