天然橡胶广泛应用于汽车、航空、军工、民用等多个领域。天然橡胶主要来源于橡胶树,我国橡胶种植面积约115.4万hm2[1-2],种植橡胶树对提高边疆地区农民收入及促进地方经济发展具有重要的现实意义。橡胶树白粉病为橡胶树重要病害之一,发生严重时导致叶片脱落,推迟开割期,干胶产量降低。2017年云南省橡胶树白粉病特大流行,损失达4亿~5亿元,及时施药是防治白粉病的重要手段[3]。目前我国橡胶树病虫害防治的施药工具多为传统的喷雾或喷粉机械,工作效率低,工作强度大,用工成本高,合理使用植保无人机可有效缓解防治橡胶树病虫害的用工压力[2]。据估算,在橡胶林采取无人机防治病虫害,其效率是人工使用喷雾喷粉机械的5倍[1]。我国植保无人机产业近年发展迅速,在小麦、玉米等低矮作物的作业技术趋于成熟[4],在苹果、柑橘、茶树、荔枝树等[5⇓-7]中等高度作物中的应用也取得一定进展。由于高大乔木冠层茂密,形态不一,存在雾滴分布不均等问题,需要根据作物种类对喷施参数进行调整。目前已在槟榔树[8]、棕榈树[9]等高大乔木上进行无人机作业参数研究,橡胶树上尚未见相关报道。尤其是橡胶树高度可达20 m[10],冠层厚度约占树高一半,品种及种植制度差异均会影响整体冠层厚度及密度[11],对药剂雾滴穿透能力要求更高,雾滴分布不均往往会造成施药效果不佳的问题。
无人机作业质量技术指标主要包括雾滴谱宽度、雾滴覆盖密度、雾滴分布均匀度等[12]。飞行高度、飞行速度、施药量、雾滴粒径等均可影响无人机的作业质量。如作业高度影响无人机雾滴在水稻上的分布均匀度,飞行速度影响水稻植株下部的雾滴覆盖密度[13];雾滴粒径影响无人机雾滴在棉花和果树的覆盖密度[14-15]。另外,无人机作业质量很大程度会影响药剂的防治效果。如雾滴粒径与雾滴数量达到最优组合时,药剂防治虫害的效果最佳[16];同等施药量条件下,内吸性杀菌剂雾滴谱越小且雾滴覆盖密度越大,防治效果越好[17]。目前测定无人机作业质量方法包括风洞试验、模拟仿真及田间试验[18],尤其是田间试验可直观获取施药作业质量数据,方法简便,贴近实际生产情况。
本研究通过分析四旋翼植保无人机雾滴在橡胶林中的分布特点,以期得到该型号无人机对橡胶树冠层的作业数据,进而优化施药参数,为田间多旋翼无人机施药提供技术支持,并为制订橡胶树植保无人机施药标准提供参考数据。
1 材料与方法
1.1 材料
1.1.1 仪器设备
1.1.2 药剂及材料
施用药剂为450 g/L咪鲜胺水乳剂（山东东合生物科技有限公司）、430 g/L戊唑醇悬浮剂（山东中新科农生物科技有限公司）,分别稀释250倍后按1∶1混合使用。其他材料主要包括水敏纸（先正达集团股份有限公司）、可拆装伸缩杆、塑料绳、夹子等。本研究未添加其他飞防助剂。
1.2 方法
1.2.1 试验地概况
试验地位于海南省儋州市宝岛新村中国热带农业科学院试验场橡胶林,橡胶树品种为‘热研7-20-59’（2002年定植）,橡胶树长势均一,平均高度13.5 m。试验小区呈方形,面积0.67 hm2,株行距3 m×7 m。试验选择在2—4月橡胶树白粉病流行期进行。试验气象条件晴朗无雨,风力1~2级,无持续风向。
1.2.2 雾滴采样设计
如图2所示,在每个试验小区设置5个采样点,沿着树体垂直放置伸缩杆并悬挂采样线,选取距地面3.5、5.0、6.5、8.0、9.5、11.0 m共6个高度水平放置水敏纸。喷雾结束后,将水敏纸按照序号收集,并逐一放入相对应的密封袋中,带回实验室处理。
1.2.3 施药量筛选
根据《农业航空作业质量技术指标 第1部分：喷洒作业》（MH/T 1002.1— 2016）推荐林业真菌病害飞防喷洒喷雾粒径[19],设置无人机雾滴粒径为125 μm。考虑无人机最大载药量,分别设置18.75、37.50、75.00、90.00、105.00 L/hm2施药量。每个处理设置1个小区,每个小区相同参数重复飞行3次,分别设置水敏纸进行采集雾滴。
1.2.4 雾滴粒径筛选
选择无人机最佳载药量,同时分别设置70、100、150、250 μm雾滴粒径,每个处理设置1个小区,相同参数重复飞行3次,分别设置水敏纸进行采集雾滴。
1.2.5 橡胶树白粉病飞防试验
选择无人机最佳载药量和最优雾滴粒径,对2个试验小区分别使用供试药剂进行飞防试验,共施药2次,施药间隔7 d。空白对照小区喷施清水,2次施药后第7天每小区随机选取10株橡胶树,每株橡胶树随机采集冠层5蓬叶,每蓬叶随机摘取5片中间小叶,按《橡胶树白粉病测报技术规程》（NY/T 1089—2015）观察病害等级并计算病情指数和防治效果[20]。
1.3 数据处理
用扫描仪在600 dpi分辨率下扫描水敏纸,采用Deposit scan软件处理图像,获取包括体积中值直径（volume median diameter, VDM）、10%累计体积直径（Dv.10）、90%累计体积直径（Dv.90）、雾滴覆盖密度等雾滴分布特征参数,计算雾滴谱宽度[19],计算公式如下：
$雾滴谱宽度= \frac{{{D}_{\text{v}}}_{.90}-{{D}_{\text{v}.10}}}{VDM}$
使用变异系数（coefficient of variation, CV）衡量试验中雾滴在橡胶林中的分布均匀性,使用5个采样点的平均雾滴谱宽度及雾滴覆盖密度计算水平方向CV值,使用6个高度的平均雾滴谱宽度及雾滴覆盖密度计算垂直方向CV值,计算公式如下：
$\begin{array}{c}S D=\left[\frac{\sum\left(\left(x_{i}\right)-\bar{x}\right)^{2}}{N-1}\right]^{1 / 2}=\left[\frac{\sum\left(x_{i}^{2}\right)-\left(\sum x_{i}\right)^{2} / N}{N-1}\right]^{1 / 2} \\C V=\frac{S D}{\bar{x}} \times 100 \%\end{array}$
式中：xi表示第i个高度（或样点）的雾滴谱宽度（或覆盖密度）; $\bar{x}$表示垂直方向（或水平方向）平均雾滴谱宽度（或覆盖密度）;N表示测量高度（或样点）的总数;SD为标准偏差;CV为变异系数。
利用SPSS 24.0软件使用LSD法对数据显著性进行检验。
2 结果与分析
2.1 不同施药量对无人机雾滴在橡胶林中分布的影响
2.1.1 不同施药量对雾滴谱宽度的影响
单位体积里雾滴密度随施药量的变化而变化,雾滴密度可能对雾滴粒径分布均匀度产生影响,雾滴谱宽度可衡量雾滴粒径分布均匀度。通过分析无人机施药后雾滴在橡胶林中的分布特征,结果表明,不同施药量显著影响雾滴谱宽度（表2）。当施药量≤75 L/hm2时,随着施药量的增加,雾滴谱宽度显著下降,雾滴大小越一致;当施药量> 75 L/hm2时,雾滴谱宽度无显著差异。5个梯度的施药量不影响雾滴谱宽度在橡胶林垂直方向的均匀性,说明在不同冠层高度无人机雾滴大小一致,喷施穿透性良好,雾滴粒径稳定性好,雾滴谱宽度<1.5,符合MH/T 1002.1—2016中雾滴谱的最低要求[19]。施药量显著改变其在橡胶林水平方向的均匀性。当施药量≤75 L/hm2时,雾滴谱宽度水平方向均匀性较好,雾滴大小一致;当施药量>75 L/hm2时,均匀性显著降低,雾滴大小差异明显。
表2 无人机不同施药量喷施在橡胶林中的雾滴谱宽度Tab. 2 Droplet size spectrum of different spray volume of UAV in rubber plantations |
| 施药量 Spray volume /(L·hm-2) | 雾滴谱宽度 Droplet size spectrum | 变异系数CV | |
|---|---|---|---|
| 水平方向 Horizontal direction | 垂直方向 Vertical direction | ||
| 18.75 | 1.16±1.98b | 25.17±14.4c | 22.28±7.58a |
| 37.50 | 1.47±1.78a | 18.73±8.79c | 18.18±6.71a |
| 75.00 | 0.57±0.10c | 30.18±11.83c | 25.98±16.27a |
| 90.00 | 0.67±0.22c | 37.26±4.20b | 19.18±12.06a |
| 105.00 | 0.59±0.11c | 58.84±5.86a | 17.88±5.31a |
注：同列不同小写字母表示处理间差异显著（P<0.05）。 | |
Note: Different lowercase letters in the same column indicate significant difference among treatments (P<0.05). |
2.1.2 不同施药量对雾滴覆盖密度和分布均匀度的影响
雾滴覆盖密度及分布均匀度是雾滴分布特征的重要指标之一,雾滴分布均匀度使用变异系数表示。无人机不同施药量显著影响雾滴在橡胶林中的覆盖密度（表3）。随着施药量增加,雾滴覆盖密度显著增大,单位面积的雾滴量越大。5个梯度的施药量不影响雾滴在橡胶林垂直方向的分布均匀度,无人机雾滴覆盖密度在不同冠层高度的变化趋势一致,雾滴覆盖密度随植株高度上升而增加。当施药量≥90 L/hm2时,雾滴覆盖密度在垂直高度11 m处显著高于施药量<90 L/hm2的处理组,可达46个/cm2以上,同时在冠层9.5、6.5、5.0 m处,90 L/hm2与75 L/hm2雾滴密度无显著差异,2个施药量在9.5 m及以下的高度呈现相似的变化趋势,可见当施药量≥90 L/hm2,加剧了冠层截留情况（图3）。顶部冠层药剂截留过多易导致药害、用药浪费、降低作业效率等问题。同时,施药量不影响垂直水平雾滴分布均匀度,但会在一定程度上影响雾滴在橡胶林水平方向的分布均匀度。综上所述,故选择75 L/hm2为四旋翼无人机在橡胶林中应用的最佳施药量。
表3 无人机不同施药量喷施在橡胶林中的雾滴覆盖密度和分布均匀度Tab. 3 Droplet coverage density and distribution uniformity of different spray volume of UAV in rubber plantations |
| 施药量 Spray volume /(L·hm-2) | 雾滴覆盖密度 Droplet coverage density /(droplets·cm-2) | 分布均匀度 Distribution uniformity | |
|---|---|---|---|
| 水平方向 Horizontal direction | 垂直方向 Vertical direction | ||
| 18.75 | 1.70±0.29f | 24.93±9.36b | 38.25±14.12a |
| 37.50 | 5.94±0.92d | 30.98±9.78ab | 49.18±16.15a |
| 75.00 | 14.29±3.12c | 40.29±14.61a | 64.65±21.29a |
| 90.00 | 21.74±2.89b | 36.34±13.6a | 64.12±22.07a |
| 105.00 | 34.16±2.75a | 22.22±8.60b | 39.86±19.96a |
注：同列不同小写字母表示处理间差异显著（P<0.05）。 | |
Note: Different lowercase letters in the same column indicate significant difference among treatments (P<0.05). |
2.2 不同雾滴粒径对无人机雾滴在橡胶林中分布的影响
2.2.1 不同雾滴粒径对雾滴谱宽度的影响
表4 无人机不同雾滴粒径喷施在橡胶林中的雾滴谱宽度Tab. 4 Droplet size spectrum of different particle diameter of UAV in rubber plantations |
| 粒径 Particle diameter/μm | 实测VDM Masured VDM/μm | 雾滴谱宽度 Droplet size spectrum | 变异系数CV | |
|---|---|---|---|---|
| 水平方向 Horizontal direction | 垂直方向 Vertical direction | |||
| 70 | 69.97±3.57 | 0.48±0.07c | 25.17±14.4a | 1.16±1.98b |
| 100 | 96.35±5.68 | 0.80±0.07b | 18.73±8.79a | 1.47±1.78a |
| 150 | 142.60±14.78 | 0.84±0.13b | 30.18±11.83a | 0.57±0.10c |
| 250 | 253.12±15.52 | 1.00±0.12a | 37.26±4.20a | 0.67±0.22c |
注：同列不同小写字母表示处理间差异显著（P<0.05）。 | |
Note: Different lowercase letters in the same column indicate significant difference among treatments (P<0.05). |
2.2.2 不同雾滴粒径对雾滴覆盖密度和分布均匀度的影响
表5 无人机不同雾滴粒径喷施在橡胶林中的雾滴覆盖密度和分布均匀度Tab. 5 Droplet coverage density and distribution uniformity of different particle diameter of UAV in rubber plantation |
| 粒径 Particle diameter/μm | 实测VDM Measured VDM/μm | 雾滴覆盖密度 Droplet coverage density/(droplets·cm-2) | 分布均匀度Distribution uniformity | |
|---|---|---|---|---|
| 水平方向 Horizontal direction | 垂直方向 Vertical direction | |||
| 70 | 69.97±3.57 | 17.82±6.53a | 78.71±20.32a | 64.48±24.52a |
| 100 | 96.35±5.68 | 15.20±8.13a | 49.39±20.76b | 60.17±26.52a |
| 150 | 142.60±14.78 | 14.28±6.23a | 80.66±32.05a | 56.57±15.78a |
| 250 | 253.12±15.52 | 12.88±3.68a | 83.93±7.38a | 75.75±27.97a |
注：同列不同小写字母表示处理间差异显著（P<0.05）。 | |
Note: Different lowercase letters in the same column indicate significant difference among treatments (P<0.05). |
2.3 四旋翼无人机最优喷施参数的田间飞防验证
根据喷雾覆盖密度、垂直及水平分布均匀度、雾滴谱宽度及无人机作业效率,选择75 L/hm2施药量,设置100 μm雾滴粒径,在橡胶树白粉病最佳防治时期进行田间飞防试验,2块试验地的雾滴谱宽度在0.74~0.76之间,表明雾滴大小一致性良好,雾滴粒径分布较为均匀。试验地1的雾滴覆盖密度为7.69个/cm2,对白粉病的防治效果为65.72%;试验地2的雾滴覆盖密度为12.98个/cm2,对白粉病的防治效果为82.87%,表明该喷施参数条件下的四旋翼无人机防治橡胶树白粉病效果优异（表6）。
表6 橡胶树白粉病飞防试验结果Tab. 6 Results of UAV assay on controlling rubber powdery mildew |
| 试验地编号 Test field number | 实测VDM Measured VDM/μm | 雾滴谱宽度 Droplet size spectrum | 雾滴覆盖密度 Droplet coverage density/(droplets·cm-2) | 病情指数 Disease index | 防治效果 Control efficiency/% |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 97.39±5.36 | 0.76±0.06 | 7.69±2.89 | 27.12±11.03 | 65.72±13.94 |
| 2 | 97.11±4.87 | 0.74±0.08 | 12.98±11.57 | 13.56±8.98 | 82.87±11.35 |
| CK | 79.11±8.48 |
3 讨论
目前,我国现有植保机型约230多种,主要由单旋翼无人机和多旋翼无人机2种机型构成,其中多旋翼无人机由于其技术门槛低,结构和技术相对简单,约占总机型的78%[23]。单旋翼无人机拥有更大的旋翼风场[24],但多旋翼无人机下洗风场比单旋翼无人机更复杂[25],会不同程度地影响雾滴在作物上的沉积及漂移行为[26],因此研究飞行喷施参数对多旋翼无人机的田间应用尤为重要。旋翼风场受飞行速度影响,雾滴的下压效应随飞行速度提高而减小,速度过快会促进产生马蹄形涡流,导致雾滴分布不均。相关数据模拟及风洞试验结果显示,四旋翼无人机最优飞行速度为2 m/s[27-28]。当四旋翼无人机飞行速度超过3 m/s,会破坏下洗气流聚合,使下洗气流发生较大偏移,雾滴发生明显偏移[29]。已有研究表明无人机在主干形果树最优飞行速度为2~3 m/s[30],故本研究采用飞行速度2.5 m/s进行飞防试验。研究结果表明,不同施药量和雾滴粒径的四旋翼无人机雾滴在橡胶林垂直方向的分布均匀度一致,说明该机型施药穿透性较强,可用于橡胶树等高大乔木的飞防作业。本研究发现四旋翼无人机施药量为75 L/hm2时,橡胶林中的雾滴覆盖密度适中,雾滴在冠层上部（11 m）的覆盖密度为冠层下部（6.5 m）的2.1倍,顶部冠层药剂截留程度低,植株整体的雾滴覆盖密度符合农业航空作业的标准要求,垂直及水平分布均匀性良好。橡胶树高度可达20 m,胶林中不同树体冠层相连,施药量不足会造成下部叶片的雾滴覆盖密度小,影响整体防治效果。因此,树冠结构是影响施药作业质量技术指标的重要因素之一[31],在最优喷施参数条件下对作物进行飞防,棉花顶部雾滴覆盖密度约为底部的1.2倍[32],玉米顶部雾滴覆盖密度约为底部的2倍[33],柑橘树冠层上部雾滴覆盖密度约为冠层下部的2.4倍[34]。乔木顶部冠层对雾滴截留能力往往强于低矮作物[27],施药量过大会导致顶部冠层药剂截留过多[35],引起叶部药害和用药浪费等问题[35-36]。主流植保无人机有效载荷在10~40 L[37],电动植保无人机自动化程度高但续航能力较弱[23],施药量直接影响作业效率,在保证作业效率及最低施药作业质量指标的前提下,推荐75 L/hm2作为四旋翼无人机在橡胶林中的最佳施药量。
多旋翼无人机复杂的下洗风场也会导致不同粒径的雾滴运动轨迹不同[38],从而影响雾滴的覆盖密度和分布均匀性[39]。有报道认为雾滴粒径大于400 μm时难以穿透作物冠层,雾滴粒径小于50 μm容易失去动能并产生漂移,合适飞防粒径为50~300 μm[13],较小粒径的雾滴蒸发及飘失程度更高[40]。通过研究雾滴粒径对无人机雾滴在橡胶林中分布的影响,发现随着雾滴粒径增大,雾滴谱宽度显著上升,这与前人[17,41]报道一致。雾滴粒径设置不影响无人机雾滴在橡胶林中的覆盖密度,但在一定程度上影响了雾滴在橡胶林水平方向的均匀度。无人机轨迹变动可能通过雾滴粒径影响水平雾滴分布均匀度[42],当喷头位置相对飞行方向为前置,粒径100~200 μm时,雾滴覆盖密度下降25%;当雾滴粒径大于200 μm时,雾滴覆盖密度下降50%以上。在水稻上研究发现粒径为185 μm时雾滴穿透效果最好,雾滴漂移距离随粒径增大而减小[43],而本研究中橡胶树属高大作物,四旋翼无人机下洗风场风速衰减率随冠层高度的增加而减小[44],雾滴粒径在垂直方向对雾滴分布均匀度无显著影响。本研究发现无人机雾滴粒径为100 μm时,橡胶林中的雾滴水平方向分布均匀度最好,推荐作为四旋翼无人机在橡胶林中的最佳雾滴粒径。
利用推荐的施药量和雾滴粒径进行橡胶树白粉病四旋翼无人机飞防试验。结果表明,2块试验地的雾滴谱宽度稳定,雾滴覆盖密度和防治效果略有差异,这可能与不同橡胶林的冠层郁闭度有关,但总体防治效果均超过60%,表明该喷施参数条件下的四旋翼无人机防治橡胶树白粉病效果优异。鉴于目前普通植保机械无法将药物送达橡胶树顶部,且施药劳动强度大和功效低,亟需研发简约省力化植保装备,四旋翼无人机具有较好的应用潜力。由于胶林地形复杂,多山地和坡地,冠层起伏大,常规无人机目视手动飞行存在一定困难。本研究所使用的无人机与目前其他型号无人机相比,具有自动避障仿地飞行的自动化功能,可根据地形和作物冠层自动调节飞行高度,保证了施药质量,能较好地适应胶林实际作业的需求。其不足之处在于载荷小、续航能力差等。目前植保无人机型号多,更新快,部分无人机最大有效载荷可达100 kg[45],未来林木病虫害需求的植保无人机应具备有效载荷大、续航时间长、自动化及智能化水平高的特点。综上所述,当E-A2020四旋翼无人机飞行速度2.5 m/s,施药量75 L/hm2,雾滴粒径100 μm时,飞防喷雾作业质量和药剂防治效果良好。本研究筛选的参数可为植保无人机在橡胶树等高大乔木上的应用提供参考。