四旋翼植保无人机作业参数对月季花冠层雾滴沉积分布的影响

杨志恒 张娟 李翰书 董姬秀 孙艳 宋良红

(郑州植物园,郑州,450042)

月季花(RosachinensisJacq.)是世界上最重要的花卉之一,有“花中皇后”之美誉,具有很高的观赏价值,在全国各地广泛种植[1]。月季花常受到黑斑病(Actinonemarosae)、霜霉病(Peronosporasparsa)、白粉病(Sphaerothecapannosa)、月季长管蚜(Macrosiphumrosivorum)、棉铃虫(Helicoverpaarmigera)等危害,严重影响月季花的观赏价值[2-3]。在园林生产中,主要使用大容量高压喷雾防治月季花病虫害;这种淋洗式施药方法,作业强度较大、劳动效率低、药液雾化不均匀,施药人员存在中毒风险[4]。传统的施药方式,已经难以满足园林产业机械化、现代化的发展需求。

植保无人机喷施作业,由于适应多种作物和地形,并且具有作业效率高、喷洒效果好、农药污染和残留低等优势,发展迅速[5],已经广泛应用于小麦、水稻、玉米、大豆、棉花等农作物[6-9],以及荔枝、茶树、枣树、柑橘、火龙果、槟榔、苹果、核桃等林木果树[10-12]。植保无人机在农林植保领域应用越来越广泛,在园林植保病虫害防治上具有广阔的应用前景。

在病虫害防治中,飞行参数设置是否合理,对无人机的作业效果有很大影响。在不同施药条件时,无人机的施药量、飞行高度、飞行速度等对雾滴在植物表面的分布和沉积有较大影响[13-14]。目前,对植保无人机的作业参数研究,多数集中在大田作物、茶园、果树等方面,对园林植物的研究较少。由于园林植物种类繁多,各类植物的高度、冠层、冠幅等生理生态方面的差异性,需要植保无人机在实际应用过程中,根据不同的植物种类,设置最佳的作业参数。为此,本研究于2020年5月25—27日,以河南省荥阳市的月季法桐种质资源及园林科研基地为试验区、以月季花为试验对象,应用四旋翼植保无人机对月季花进行航空喷药试验。使用雾滴测试卡采集雾滴,使用扫描仪测定雾滴粒径、雾滴沉积密度;以雾滴沉积密度及均匀性(变异系数)、雾滴沉积量及穿透率(变异系数)为评价指标,分析植保无人机作业参数对航空喷药雾滴在月季花冠层垂直沉积分布的影响、遴选植保无人机最优作业参数。旨在为植保无人机在月季花病虫害防治作业中的合理应用提供参考。

1 材料与方法

试验用的植保无人机,为广州机飞科技有限公司生产的P20 2019款四旋翼电动无人直升机,主要性能指标——长×宽×高为1 202 mm×1 183 mm×403 mm,最大功率2 500 W,作业速度0～12 m·s-1,作业高度1～30 m,喷头数量4个,雾化粒径90～300 μm,有效喷幅2～5 m,单泵流量1.4 L/min。环境监测系统,包括便携式风速风向仪、试验用数字温湿度表。雾滴收集处理设备为雾滴测试卡(中国农业科学院植保所提供)。

试验地位于河南省荥阳市的月季法桐种质资源及园林科研基地(地理中心坐标113.34°E、34.89°N)。试验时间为2020年5月25—27日,晴朗无风天气进行试验。试验区月季花平均株高100 cm、行距70 cm、株距40 cm。选择70 m×20 m的矩形试验样地,间隔5 m设置3条采集带,每条采集带按照距离地面高度100 cm(上层)、60(中层)、20 cm(下层)将月季花冠层垂直分为3层。无人机的航线方向垂直于采集带,在航线正下方标记采集点(见图1)。

图1 采样点示意图

本研究应用的雾滴测试卡底色为黄色(见图2),遇水后迅速变蓝,颜色变化非常明显;雾滴测试卡尺寸8 cm×3 cm;试验使用清水代替农药对月季花进行喷施。

图2 雾滴测试卡

植保无人机作业参数设为施药量、作业高度、作业速度,每个作业参数设计3个梯度,按照三因素三水平(见表1)设计正交试验方案(L9(33)),共9组试验。

表1 影响施药雾滴沉积因素的正交试验梯度设计

将已经收集雾滴的雾滴测试卡充分晾干后,按照编号逐一放入密封袋中,带回实验室进行数据处理。将收集的雾滴测试卡,使用扫描仪(灰度扫描、600×600分辨率)进行扫描,扫描后的图像应用雾滴覆盖率分析软件(Depositscan)进行分析,测定雾滴粒径、雾滴沉积密度等参数;试验数据采用SPSS20.0处理,使用最小显著性差异法(LSD)比较处理间差异的显著性。

本研究采用变异系数评价每组数据的均匀性。以各试验中每层不同采样点雾滴沉积密度变异系数,评价雾滴沉积的均匀性;以上层、中层、下层的雾滴沉积量变异系数,表示穿透性;变异系数越小,表示数据的变化幅度越小,即雾滴沉积越均匀、穿透性越好。

2 结果与分析

2.1 无人机施药的月季花不同冠层雾滴沉积密度及均匀性

由表2可见:在9组试验中,月季花不同冠层雾滴沉积密度分布,由大到小均依次为上层、中层、下层。

试验9即施药量22.5 L·hm-2、作业高度3.0 m、作业速度2.0 m·s-1时,在月季花冠层的上层、中层、下层的雾滴沉积密度,分别为251.99、129.14、125.53个·cm-2,显著优于其他试验组号,其次是试验6、试验8。而且与其他各组试验相比,试验9均匀性最好,变异系数为11.52%,其次是试验6、试验7、试验8,均匀性也比较好。因此,试验组号9为最佳的作业方式。试验3即施药量7.5 L·hm-2、作业高度3.8 m、作业速度5.0 m·s-1时,雾滴在月季花冠层的上层、中层、下层的雾滴沉积密度均为最小,变异系数为50.90%,均匀性最差。

表2 月季花不同冠层施药雾滴沉积密度及其均匀性的正交试验结果

由月季花不同冠层施药雾滴沉积密度正交试验结果的极差分析结果(见表3)可见:在月季花不同冠层施药雾滴沉积密度较大的作业参数基本一致,月季花冠层的上层、中层、下层,较优的作业参数为施药量22.5 mL·hm-2、作业高度3.0 m、作业速度2.0 m·s-1,即试验组号9。根据极差值可知,影响月季花各冠层雾滴沉积密度的主次因素,由主到次依次为施药量、作业高度、作业速度。

表3 月季花不同冠层施药雾滴沉积密度正交试验结果的极差分析结果

由月季花不同冠层施药雾滴沉积密度均匀性正交试验结果的极差分析结果(见表4)可见:3种影响因素,在月季花冠层不同高度,影响雾滴沉积密度均匀性的主次,由主到次依次为施药量、作业速度、作业高度。在本研究试验设计的参数范围内,施药量越大、飞行速度越慢,雾滴分布越均匀。作业高度对月季花上层雾滴沉积密度均匀性的影响明显,但是对中层、下层雾滴沉积密度均匀性影响均不明显。

2.2 无人机施药的月季花不同冠层雾滴沉积量及穿透率

由表5可见:在9组试验中,月季花不同冠层雾滴沉积量,由大到小均依次为上层、中层、下层。

试验9即施药量22.5 L·hm-2、作业高度3.0 m、作业速度2.0 m·s-1时,在月季花冠层的上层、中层、下层的雾滴沉积量,分别为0.39、0.12、0.11 μL·cm-2,显著优于其他试验组号,其次是试验8、试验6。试验9平均变异系数为23.83%,穿透性适中。试验6、试验8穿透率均小于试验9,因此,试验组号9是最佳的作业方式。试验3即施药量7.5 L·hm-2、作业高度3.8 m、作业速度5.0 m·s-1时,雾滴在月季花冠层的上层、中层、下层的平均雾滴沉积量均为最小。

表4 月季花不同冠层施药雾滴沉积均匀性正交试验结果的极差分析结果

表5 月季花不同冠层施药雾滴沉积量及穿透率的正交试验结果

由月季花不同冠层施药雾滴沉积量正交试验结果的极差分析结果(见表6)可见:在月季花不同冠层,施药雾滴沉积量较优的作业参数为施药量22.5 L·hm-2、作业高度3.0 m、作业速度2.0 m·s-1,即试验组号9。根据极差值可知,这3种因素影响雾滴沉积量的主次,由主到次依次为施药量、作业高度、作业速度。

表6 月季花不同冠层施药雾滴沉积量正交试验结果的极差分析结果

由月季花不同冠层施药雾滴沉积量穿透性正交试验结果的极差分析结果(见表7)可见:在月季花冠层不同高度,影响雾滴沉积量穿透性的主次因素各有不同;在上层,作业速度对雾滴沉积量穿透性的影响,大于施药量、作业高度,即作业速速越慢、施药量越大、作业高度越低时,雾滴在上层的穿透效果最好。作业高度对中层和下层的穿透性影响明显,降低作业高度,可增强雾滴在月季花冠层中下部的穿透性。

表7 月季花不同冠层施药雾滴沉积量穿透性正交试验结果的极差分析结果

3 讨论与结论

影响航空喷施效果的因素有很多,包括机型、气象条件、冠层结构、施药液量、飞行高度、飞行速度等[15-16]。蒙艳华等[17]研究了3WDF120-12型植保无人机飞行参数对小麦茎秆叶片雾滴覆盖率的影响,结果表明,影响小麦冠层上部雾滴沉积密度的主要因素,由主到次依次为飞行速度、喷施流量、飞行高度;余文胜等[11,18]使用3WD4-10型多旋翼植保无人机对水稻和茶树雾滴沉积进行研究,结果表明,飞行速度对雾滴沉积密度影响最大;范鑫等[19]采用新一代P30四旋翼植保无人机在结荚期花生航空施药研究,结果表明,喷药量对雾滴沉积特性的影响均为极显著,其次是飞行高度。本研究表明,月季花各冠层雾滴沉积密度和沉积量,由大到小均依次为上层、中层、下层;影响月季花冠层雾滴沉积密度和沉积量的主次,由主到次依次为施药量、作业高度、作业速度;影响月季花冠层雾滴沉积密度均匀性的主次,由主到次依次为施药量、作业速度、作业高度;影响月季花各冠层雾滴沉积量穿透率的主次因素各有不同,作业速度是上层雾滴沉积量穿透率的主要影响因素,而作业高度对中层和下层的影响更为明显。

科学合理地选择施药量、作业高度、作业速度等飞行参数,是决定植保无人机能否取得良好雾滴沉积效果、达到防治预期效果的关键。杨志恒等[20]研究P20植保无人机对不同作业参数在月季花冠层的有效喷幅,结果表明,施药量22.5 L·hm-2、作业高度2.2 m、作业速度5.0 m/s时,在月季花上部叶片和中部叶片有效喷幅宽度最大,作业效果最佳。本研究通过对四旋翼植保无人机在月季花喷雾作业进行研究,由综合分析雾滴沉积分布结果表明,在平均株高为1 m的月季花上,植保无人机最佳作业参数是施药量22.5 L·hm-2、作业高度3.0 m、作业速度2.0 m/s,即施药量较大、飞行速度较慢、飞行高度适中时,喷雾效果最好。本研究结果,可为植保无人机防治月季花病虫害及实现其他园林灌木类的统防统治提供参考。