谢英杰，王国宾，王宝聚，单常峰，兰玉彬, 3

(1. 山东理工大学农业工程与食品科学学院，山东淄博，255022；2. 国家精准农业航空施药技术国际联合研究中心山东理工大学分中心，山东淄博，255022；3. 山东省农业航空智能装备工程技术研究中心，山东淄博，255022)

通讯作者：兰玉彬，男，1961年生，吉林农安人，博士，教授，博导；研究方向为精准农业航空。E-mail: ylan@sdut.edu.cn

0 引言

小麦分为冬小麦和春小麦，是我国第二大粮食作物，有着悠久的种植历史。据统计，其种植面积占全国耕地总面积的30%，约30 000 khm2；总产量占全国粮食总产量的22%，约1亿t，仅次于水稻[1]。然而近年来，小麦田中杂草种类不断增加，通过争夺光照、生存空间以及水肥等必需养分严重抑制小麦生长发育，导致小麦减产[2]。杂草危害严重时，减产率达30%以上，成为制约小麦生产的重要因素之一[3]。

现阶段，针对小麦草害的防治主要以人工喷施、地面机械喷施和航空喷施的农药喷施方式为主[4-5]。其中，传统的人工喷施及地面机械喷施方式存在效率低、耗时长、作业成本高、药剂有效利用率低等问题[6-7]。在下田作业过程中，由于人员踏田及机械碾压的影响，易出现压苗现象，严重损害作物生长及土壤结构，导致减产[6-8]。同时，传统地面喷施的用药与用水量较大，不仅导致农药浪费，还易对周边环境造成污染,且操作人员也面临农药中毒的风险[9]。而航空喷施作为新型喷施方式，消除了传统施药方式存在的种种弊端，逐渐成为人们首选的高效喷施作业方式[10]。

植保无人机(UAV)是当今农药喷施过程中新的喷洒手段，近几年来逐渐引起人们的关注并广泛应用到各类农作物的施药阶段，是农业航空领域重要组成部分[11]。与传统地面施药器械相比，植保无人机的优势突出：其具有良好的机动性，工作效率高；使用专业飞防药剂，用药成本低；添加专用飞防助剂，均匀性和穿透性更好[12-13]。并且植保无人机机身小不需要建立特定机场[7]，受地形环境因素的限制小，解决了小麦生长过程中大型机械难以下田的问题，消除了对作物及土壤产生的机械损害[14-15]。同时，无人机施药过程人机分离，其产生的下旋气流有效减少药剂的飘移，不仅降低了施药人员农药中毒的风险，而且在很大程度上减少了对周边环境的污染[7]。

随着农业航空施药技术的广泛应用，国内外研究学者针对不同因素影响植保无人机喷施雾滴的沉积性进行了大量试验与研究[16-17]。其中包括喷雾参数[18]、作物类型[10-18]和气候参数[19-20]等因素。王玲[21]通过数值模拟技术对多旋翼植保无人机进行了多因素沉积规律仿真研究，发现气流速度、喷雾高度、喷头喷施角度相较于雾滴粒径对雾滴沉积规律的影响更为显著。文晟等[22]发现当喷嘴出口直径从1增大至1.5 mm，喷雾流量平均增大了46.23%，产生雾滴的平均直径平均增大了15%，喷嘴出口直径是喷嘴雾化性能的主要影响因素。Berger等[23]通过大喷雾体积研究了XR和AI喷嘴对喷雾覆盖雾滴百分比的影响，发现喷雾覆盖百分比分别为 47.0% 和 28.0%。在除草性能方面，XR喷嘴在处理区防治效果高于AI喷嘴。

其次，不同类型作物的雾滴沉积效果也不同。陈盛德等[24]研究了HY-B-10L型单旋翼电动无人直升机在不同作业参数下对杂交水稻植株冠层喷施作业的雾滴沉积分布效果；秦维彩等[25]通过改变N-3型无人直升机的作业高度和喷洒幅度对玉米作物进行喷施试验，研究了喷洒参数对玉米层的雾滴沉积分布的影响。Pan等研究发现在植物篱形和开放中心形树冠上，雾滴分布性能优于圆头形植物。Wang等发现小麦作物冠层的雾滴沉积大于中层和下层。此外，气候参数也影响了雾滴的沉积分布。Wang等发现不同风速对雾滴沉积产生不同程度的影响，风速越大，雾滴沉积量越少。Hunter等[20]也发现雾滴沉积受到大气稳定性的影响，稳定的大气条件可以增加雾滴沉积。鲁文霞[26]发现一定的风速有利于雾滴的沉积，当风速为2.5 m/s时，沉积区雾滴沉积效果最好。

当前，我国植保行业仍处于发展中阶段，为掌握植保无人机航空喷施雾滴沉积规律，实现对农作物的精准施药，需对植保无人机精准施药基础理论和技术开展深入研究[10]。

现阶段，我国无人机行业发展迅速，植保无人机种类主要以单旋翼油动、单旋翼电动、多旋翼油动及多旋翼电动等为主。然而，由于不同机型的机身构造各不相同，在病虫害防治过程中，对作业高度及速度、喷施流量以及雾滴粒径等作业参数的要求也不同，且不同作物的病虫害发生特点不同，需要设置的喷施参数也不同。在植保无人机的应用过程中，需要根据现场环境与防治对象的问题特点，有针对性的设置试验优选出最佳作业参数，再在实践中推广应用。

因此，本研究应用小型四旋翼植保无人机进行了冬小麦除草剂喷施的田间试验，探究不同喷头类型在不同的喷施流量下雾滴沉积分布效果的影响，以期为应用同类型机械防治麦田草害提供科学的理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验设备

本试验采用电动四旋翼植保无人机T20，其机械构造参见图1。四旋翼植保无人机T20标配RTK厘米级定位功能，实现高精度实时运动学差动定位，同时搭载全向数字雷达，可对水平全向障碍物进行识别，具备自动绕障及仿地飞行功能，充分保障作业安全，解决了复杂地形作业难的问题。T20采用压力式左右双喷头布局，喷洒分布更加均匀，其外形尺寸(长×宽×高)为2 509 mm×2 213 mm×732 mm，最大载药量为20.0 L，飞行作业速度为3.0 m/s，作业高度为2.0 m，有效喷幅宽度为5.0 m，喷头间距为1 332 mm。

大数据首先肯定会对数据的数量有一个基本的要求，体现在大数据上最关键的能力就是对数据采集发掘的能力，只有将所需要的数据深度、大范围的发掘、采集到才是“大”的直接体现。因此对大数据时代而言，最为直观就是计算机对于数据采集能力的大。

图1 T20四旋翼电动无人机Fig. 1 T20 four-rotor electric unmanned aerial vehicle

1.2 试验场所及环境气候

本试验于2020年11月在山东省淄博市临淄区禾丰种业生态无人农场(E118.224965°；N36.950887°)进行，试验对象为2020年10月播种的“齐民6号”冬小麦，其株高10.0±1.0 cm，株距15.0 cm，种植密度3.3×106株/hm2。试验期间为小麦三至五叶期的冬前除草时期，阔叶杂草为田间主要杂草类型，其密度为5～35株/m2。为避免室外试验中风对试验结果的影响，在上风向远离航线、离地2.0 m处布置Kestrel5500Link微型气象站，记录时间间隔为5 s，实时记录试验过程中的温度、湿度、风速、风向等气象信息，详见图2。喷施作业当日(2020年11月25日)，平均温度5.5 ℃，相对湿度43.6%～61.3%，风速0～0.2 m/s，风向为北风。图3为临淄区近一周内的温度变化。

图2 气象站设置Fig. 2 Weather station setting

图3 临淄区近一周内的温度变化Fig. 3 Temperature changes in Linzi District in the past week

1.3 试验方法

1.3.1 试验设计与材料

本试验选用小麦田阔叶除草剂锐超麦TM，其有效成分为10%双氟磺草胺和10%氟氯吡啶酯。本试验共设置8个处理，研究了喷头类型和喷液量对雾滴沉积的影响。试验田面积约为50.0 m×20.0 m，各处理采用随机区组设计，每个处理设置3次重复，以减少田间试验供试地块环境因素对试验结果带来的误差。其中，使用DG11003型和SX11001VS型两种喷头，设置7.5、15.0、22.5、30.0 L/hm2四种不同喷液量。具体试验处理设计详见表1。

表1 试验处理设计Tab. 1 Test treatment design

1.3.2 采样点布置

试验共设置3组重复采样带，各采样带间距相等为10.0 m，由于T20植保无人机有效喷幅为5.0 m，故采样带总长度10.0 m。图4为T20植保无人机喷施作业采样点布置图，从左到右进行标记，第一个采样点记为0 m，最后一个采样带记为10.0 m，每条采样带共设置11个采样点。

图4 采样点布置Fig. 4 Sampling point arrangement

1.4 数据采集与处理

1.4.1 数据采集

本试验所用示踪剂诱惑红，纯度为85%。诱惑红是一种水溶性、低毒、高回收率的示踪剂，广泛应用于此类研究中[27-28]。场地测试设置如图5所示，使用卡罗米特卡片(20 mm×80 mm)对雾滴进行采集，将卡罗米特卡片水平固定在距地面10.0 cm即小麦冠层处的塑料板上，用于测量雾滴沉积(雾滴密度及雾滴覆盖率)。当药液喷施至小麦冠层后，待卡上雾滴干燥，将其收集于自封袋中，密封，标记编号，带回实验室进行处理。在短时间内，用GT1500型爱普生扫描仪在600 dpi 的分辨率下对卡罗米特卡片进行扫描并储存。然后，使用DepositScan图像处理软件对扫描后的图像进行处理分析，得出T20植保无人机在不同作业参数下的雾滴覆盖率及雾滴密度[29]。

图5 场地测试设置Fig. 5 Test setup in the field

1.4.2 数据处理

本试验通过SPSSv19.0及Microsoft Office Excel 2019软件对数据分析检验，所有图表均通过Origin 8.0绘制。为了表征试验中各采集点之间的雾滴沉积均匀性，本试验采用变异系数(CV)来表征试验中无人机有效喷幅区内的各采集点之间的雾滴沉积均匀性[30]，变化系数越低，雾滴分布越均匀，计算公式如式(1)和式(2)所示。

(1)

(2)

Xi——每个采样点的雾滴密度(或雾滴覆盖率百分比)，个/cm2(或%)；

n——每个试验组的采样点个数，个。

2 结果与讨论

2.1 不同喷液量及喷头类型下的雾滴覆盖率

不同喷液量下两种喷头类型的雾滴覆盖率如图6所示。随着喷液量及喷头类型的不同，雾滴覆盖率也表现出一定的差异。当喷液量为15.0 L/hm2及30.0 L/hm2时，防飘喷头DG11003喷施效果较好，其雾滴覆盖率均高于原装喷头SX11001VS；而当喷液量为22.5 L/hm2时，结果相反，大疆原装喷头SX11001VS喷施效果明显高于防飘喷头DG11003。同时，对防飘喷头DG11003而言，随着喷液量的增加，雾滴覆盖率逐渐增加；而对于原装喷头SX11001VS而言，当喷液量≤22.5 L/hm2时，其雾滴覆盖率随着喷液量的增加而增大，当喷液量为30 L/hm2时，其雾滴覆盖率出现一定程度降低。雾滴覆盖率是雾滴沉积的重要参数，也是评价喷施效果的重要指标。由于不同喷头类型产生的雾滴粒径不同，其雾滴覆盖率也随之变化。本试验选用的防飘喷头DG11003产生雾滴粒径较大，当喷液量为15 L/hm2及30.0 L/hm2时，其喷施效果较好，雾滴覆盖率均高于原装喷头SX11001VS。喷液量对雾滴覆盖率也有很大的影响。已有的研究也证实了这一点，如范鑫等[31]采用三因素五水平的正交试验方法，研究极飞P30植保无人机对结荚期花生航空施药时不同飞行参数对雾滴覆盖率、雾滴密度和雾滴沉积量的影响，结果表明：喷液量对三种雾滴沉积特性的影响均为极显著。Wang等[32]研究了三种喷液量(9.0、16.8、28.1 L/hm2)对雾滴覆盖率的影响，发现雾滴覆盖率随着喷液量增加而增加。

两种喷头类型及喷液量的相互作用导致了不同的雾滴覆盖率，对除草剂在麦田中的药效有重要影响。据统计，在71%除草剂喷施试验中，其药效会随着雾滴粒径的减小而增加；在44%除草剂喷施试验中，随着喷液量的增加其药效也随之增加[33]。因此，通过对冬小麦田间除草试验雾滴覆盖率的研究可以看出，冬小麦的田间除草效果受喷头类型及喷液量的影响。在实际施药过程中，应根据具体的施药类型及施药环境选定适合的喷液量等作业参数，因地制宜，优选出最合适的施药方案。

图6 不同喷液量下的雾滴覆盖率Fig. 6 Percentage of spray coverage under different spray volume

2.2 不同喷液量及喷头类型下的雾滴密度

图7为两种喷头在不同喷液量参数下喷施作业的雾滴密度试验结果。喷液量一定时，使用防飘喷头DG11003喷施作业下雾滴密度均大于原装喷头SX11001VS，且存在显著差异。喷液量为15.0 L/hm2时差异最为显著，防飘喷头DG11003的雾滴密度比原装喷头SX11001VS高出163.7%。对于两种喷头类型，雾滴密度均随喷液量的增加而增加，但当喷液量≥15.0 L/hm2时，对于防飘喷头DG11003影响较小。应用防飘喷头DG11003时，不同喷液量下的雾滴密度分别为27.9、69.9、69.9、73.0个/cm2；而应用原装喷头SX11001VS时，不同喷液量下的雾滴密度仅为13.7、26.5、47.2、37.1个/cm2。

图7 不同喷液量下的雾滴密度Fig. 7 Number of droplets under different spray volume

雾滴密度是影响除草剂药效的关键因素之一[34]。雾滴密度的增大可以增加农药与靶标接触的概率，从而提高麦田草害防治效果，即使是高浓度农药也需要一定的雾滴密度才能达到良好的防治效果。Merritt[35]在对除草剂防效的研究中发现百草枯在用量一定的情况下，喷施不同雾滴密度对其防效影响不大，但草甘膦的防治效果随着雾滴密度的增大而增加。Xu等[36]在对稻纵卷叶螟防治试验中发现，当雾滴密度超过一定数量时，减少氯虫苯甲酰胺的使用量仍对稻纵卷叶螟有一定的防治效果；当低容量喷雾时，可通过增加雾滴密度提高氯虫苯甲酰胺的防治效果。有研究表明，雾滴密度随着雾滴粒径的减小而增加[37-38]，但微小的雾滴会导致严重的飘移问题[39-40]。本研究选用的防飘喷头DG11003在一定程度上缓解了雾滴的飘移问题。在相同喷液量下，防飘喷头DG11003的雾滴密度显著大于原装喷头SX11001VS，对于冬小麦田间除草具有更好的防治效果。同时，有研究表明随着喷液量的增大雾滴密度也会随之增加，但当喷液量较大时，由于雾滴更容易发生重叠，雾滴粒径对雾滴密度的影响不大[41-42]。这也就解释了当喷液量≥15.0 L/hm2时，喷液量的增加对防飘喷头DG11003雾滴密度的影响不大。因此，在应用四旋翼植保无人机T20进行冬小麦田间除草作业时，不仅要考虑喷液量及喷头类型的影响，还要综合考虑农药种类、除草时间等因素。

2.3 不同喷液量及喷头类型下的雾滴沉积分布

较高的雾滴覆盖率及雾滴密度，以及均匀的雾滴分布是麦田除草作业取得较好防治效果的前提。图8、图9分别为不同处理在各采样点处的雾滴覆盖率及雾滴密度，其中SV表示喷液量，CV表示变异系数，平均值±标准误差，变异系数的变化范围分别为40.0%～73.4%和42.4%～62.0%。由图8可知，喷头类型及喷液量对雾滴覆盖率分布影响无显著差异。而由图9可知，对于雾滴密度分布而言，相较于防飘喷头DG11003，原装喷头SX11001VS在同一喷液量情况下变异系数较大，沉积分布效果较差。当喷液量为7.5 L/hm2、喷头类型为原装SX11001VS时，除草剂雾滴覆盖率和雾滴密度分布最均匀，变异系数分别为40.0%和42.4%。当喷液量为22.5 L/hm2、喷头类型为防飘DG11003时，雾滴覆盖率分布最差，变异系数为73.4%。当喷液量为30.0 L/hm2、喷头类型为原装SX11001VS时，雾滴密度分布最差，变异系数为62.0%。

(a) T1 SX11001VS

(b) T2 SX11001VS

(c) T3 SX11001VS

(d) T4 SX11001VS

(e) T5 DG11003t

(g) T7 DG11003

(h) T8 DG11003图8 不同处理在各采样点处的雾滴覆盖率Fig. 8 Percentage of spray coverage of different treatment at each sampling point

雾滴沉积分布的均匀性影响着麦田病虫害的防治效果，均匀性差，不仅会降低药效，增加药剂用量甚至会增加对环境的污染，因此，掌握雾滴沉积分布的均匀性规律对控制施药喷洒过程具有重要意义[33]。本试验结果表明，对同一喷头而言，随着喷液量的增加，雾滴覆盖率随之增大，而雾滴沉积稳定性逐渐降低，尤其靠近航线附近，出现这一情况的原因可能是植保无人机产生的风场对雾滴的沉积产生了一定影响。已有大量研究证实了这种假设，余文胜等[43]对雾滴在茶树冠层沉积分布影响研究发现，当飞行作业高度较高时，无人机下方产生的旋翼风场减弱，由此降低了雾滴飘移和流失，提高了雾滴分布均匀性。Ahmad等[44]研究发现，旋翼风使在雾滴沉积过程中无法均匀分布。另外，王昌陵等[45-46]也通过研究侧风对单旋翼无人机喷雾雾滴产生的影响发现，侧风通过改变无人机旋翼下旋气流场垂直于地面下方的强度，从而减弱了旋翼下旋气流对雾滴的下压作用。袁会珠等[47]也总结发现除草剂在使用过程中的飘移受到雾滴谱、气象条件(如风速)等多种因素的影响，而不同喷头类型是影响雾滴谱的主要因素。综合本试验对雾滴沉积分布均匀性的影响可以得出，相比较而言，由于防飘喷头DG11003产生的雾滴粒径较大，在冬小麦田间除草剂喷施作业过程对雾滴沉积效果更好，但植保无人机的具体操作参数仍需根据药剂类型、施药环境等因素综合考虑。

(a) T1 SX11001VS

(b) T2 SX11001VS

(c) T3 SX11001VS

(d) T4 SX11001VS

(e) T5 DG11003

(f) T6 DG11003

(g) T7 DG11003

(h) T8 DG11003图9 不同处理在各采样点处的雾滴密度Fig. 9 Number of droplets of different treatment at each sampling point

3 结论

本试验采用随机区组设计研究了冬小麦除草剂田间喷施作业过程中两种不同喷头类型(防飘喷头DG11003、原装喷头SX11001VS)及四种不同喷液量大小(7.5、15.0、22.5及30.0 L/hm2)对雾滴沉积的影响，选取雾滴覆盖率及雾滴密度来反映雾滴的沉积效果。研究结论如下。

1) 防飘喷头DG11003的雾滴密度(27.9～73.0个/cm2)显著大于原装喷头SX11001VS(13.7～47.2个/cm2)，而对于雾滴覆盖率二者无显著差异，其变化范围分别为2.1%～10.4%及2.0%～9.9%；同时雾滴覆盖率及密度均随喷液量增大而增大。

2) 根据不同处理雾滴沉积的变异系数差异可以看出，喷液量对雾滴沉积的均匀性无显著影响。但两种喷头类型在冬小麦除草剂喷施作业过程中对雾滴沉积影响差异显著，防飘喷头DG11003变异系数较小，对雾滴沉积效果更好，其雾滴覆盖率及雾滴密度变异系数的变化范围分别为43.6%～73.4%及46.0%～49.4%。

综合分析结果表明，喷头类型及喷液量是影响植保无人机农药喷施过程中影响雾滴沉积的重要因素，其中防飘喷头DG11003在冬小麦田除草剂喷施作业时，雾滴沉积分布效果较好。