王佐乾，吴婧莲，吴 涛，张 舒 ,袁家富,张瑞洋，杨小林，夏贤格

(1.湖北省农业科学院 植保土肥研究所/农作物重大病虫草害防控湖北省重点实验室/农业部华中作物有害生物综合治理重点实验室，湖北 武汉 430064； 2.荆州市农业技术推广中心，湖北 荆州 434020； 3.湖北工业大学 工业设计学院，湖北 武汉 430068)

农村农业劳动力持续外流，劳动力成本相应提高，同时农业土地规模化进程加快，为保证粮食生产安全，全面机械化是现代农业发展的趋势[1]。水稻生产中土地耕整、插秧、收割等主要生产过程的机械化已经普及，但植保机械的使用仍然较少[2]。一方面植保机械化亟需推广，另一方面针对稻田生产植保机械化存在技术难点：一是水稻叶片表面蜡质层较厚不利于雾滴附着；二是二化螟、稻飞虱和纹枯病多发生在水稻基部，自上而下喷雾对基部的药液覆盖难以保证[3]；三是植保机械价格较高，占用固定资产投入较大，使用成本具有一定门槛。因此，植保机械雾滴密度覆盖度、雾滴穿透性能、使用成本是考察植保机械能否适应水稻生产的关键指标。

研究表明，多种作物生产中植保机械已经有广泛应用并且取得了较好的效果[4-6]。近年来植保机械发展迅速，特别是植保无人机，该类机型不仅对作物、复杂的地形以及分散田块具有良好的适应性，并且具有作业速度快和使用灵活的优势。此外，载药量、配套喷雾技术、续航能力和耐用度的大幅提高，增强了易用性并降低了应用成本[7]。然而相比较于传统植保机械，植保无人机发展时间较短，配套应用技术仍在持续开发[8]，实际生产中应用效果仍有待验证。相反，自走式喷雾机应用较早，针对稻田生产的相应配套技术也更成熟，目前在亚洲稻田产区已经广泛应用[9-10]。与日韩等国家不同，我国水稻生产以个体农户为主体，因此种植模式、栽培方式、水稻品种不统一，导致成熟时间不一致、秧苗行距宽窄不一，制约了自走式喷雾机高效应用。此外，自走式喷雾机大多采用进口高性能发动机，整机价格相对较高，前期成本投入较大[11]。虽然存在部分技术问题，但是上述两大类主流植保机械仍具有作业效率高、时效性强的优点，可以实现大面积快速药剂处理。特别是当迁飞性害虫暴发和大区域流行性病害发生时，能够实现大面积精准统防统治，减少灾情造成的重大经济损失[12-13]。上述植保机械的推广应用仍存在客观限制，对已有植保机械田间应用效果展开调查有助于完善配套应用技术。

面对当前水稻植保效率较低的现状，病虫害机械化防控符合新型农业发展的具体要求[14]。国内外学者对植保机械的开发和升级开展了大量的研究[15]，但稻田生产应用效果和应用成本仍有待验证和探讨。鉴于此，开展湖北省几种主流新型植保机械喷雾性能、防治效果、综合成本调查探讨，为水稻生产中植保机械的高效应用提供科学依据，助推植保机械在水稻生产中发挥优势，加快水稻植保机械化的推广速度。

1 材料和方法

1.1 供试植保机械

以水稻主流喷雾机械作为研究对象，以背负式电动喷雾机作为对照。

对照：禾雨3WBD-16型背负式电动喷雾机(台州市路桥庆悦喷雾器厂，以下简称人工)。

自走式喷雾机3种：易田3WYTZ1000-20(山东易田农业机械制造有限公司，以下简称易田)、亿丰丸山3WP-500(无锡亿丰丸山科技有限公司，以下简称丸山)、久保田KBA600(苏州久保田农业机械有限公司，以下简称久保田)。

植保无人机2种：大疆MG-1S(深圳市大疆创新科技有限公司，以下简称大疆)、全丰3WQFTX-10(安阳全丰航空植保科技股份有限公司，以下简称全丰)。

以上植保机械田间运行均由专业人员完成。

1.2 供试药剂及天气

供试药剂：25%吡蚜酮悬浮剂(江苏克胜集团股份有限公司)，用量为360 g/hm2；14%井冈·氟环唑悬浮剂(利尔化学股份有限公司)，用量为375 g/hm2。

天气：2019年7月30日最高气温27 ℃、最低气温6 ℃，阴，西北风2级，平均相对湿度80%。作业时间为8:00—9:00。当天气候条件对雾滴记数准确性影响不大。

1.3 机械喷雾性能测试

试验田位于湖北省荆州市沙市区观音垱镇金穗家庭农场，水稻品种为两优126。2019年5月4日播种，5月23日机械插秧，7月30日水稻孕穗期进行喷药试验。试验田面积为1.4 hm2，划分为7个小区，其中1个不作药剂处理，设为空白对照。在药剂处理的各个小区长度的1/4、2/4、3/4处设置3个雾滴测试点位，每个点位垂直于机械前进方向设置左、中、右3个点(左右2点相距中心点1 m)。每点选择1兜稻株，使用立杆在稻丛表层(90 cm)、中部(60 cm)和基部(30 cm)分别固定雾滴测试卡(3 cm×9 cm)。表层和中部随机设置3个方向，每个方向固定3片雾滴测试卡，基部东西南北4个方向分别固定3片雾滴测试卡。将显色剂按照10 g/L加入喷雾机水箱中，测试卡仅在含有显色剂的液滴撞击下显示蓝色，避免了潮湿环境对雾滴测试准确性的影响。喷雾30 min后取回雾滴卡，使用雾滴分析仪(深圳市大疆创新科技有限公司)分析雾滴密度和变异系数。

1.4 防效试验

试验田块稻飞虱发生较重，喷药前调查稻飞虱虫口基数，喷药后7 d(8月6日)与14 d(8月13日)分别调查活虫数。每个小区平行跳跃法调查10点，每个点2丛。使用盆拍法调查稻丛虫口数，计算虫口减退率和校正防效。

虫口减退率=

校正防效=

1.5 数据处理

所有数据用Excel 2013进行整理，采用单因素方差分析(One-way ANOVA)邓肯氏新复极差法(DMRT)分析差异显著性[16]。

作业成本以生产试验所得到的数据和有关资料进行计算，以元/hm2为单位。按下列公式计算：总成本=人力成本+药剂成本+燃料动力成本+折旧成本+固定资产占用。

人力成本按照当地药剂处理工时费除去处理面积；燃料消耗按当地燃料实际价格计算；机器折旧费按当前购置补贴后价格且报废残值率5%计算。自走式喷雾机折旧报废年限8 a，按照每日作业量6.67 hm2计算折旧成本。无人植保机5 a报废，按每日作业量13.33 hm2计算折旧成本。固定资金占用按当前中国农业银行3 a定期贷款年利率4.75%计算。

2 结果与分析

2.1 不同植保机械雾滴密度分布和变异系数

2.1.1 不同植保机械稻丛不同高度喷雾密度 雾滴测试卡结果示例如图1。为验证各机型喷雾的雾滴数量，比较了不同机型之间分别在3个高度的喷雾密度。稻丛表层(90 cm)久保田雾滴密度最大，极显著高于其他机型，均值达到361.0个/cm2。丸山极显著高于易田和各型植保无人机，雾滴密度均值达到202.2个/cm2。与自走式喷雾机相反，大疆与全丰雾滴密度极显著低于其他机型，均值分别为42.2、42.7个/cm2(图2A)。稻丛中部(60 cm)久保田同样极显著高于其他机型，均值达到320.8个/cm2(图2B)。大疆和全丰极显著低于各型自走式喷雾机，均值分别为50.7、36.4个/cm2(图2B)。稻丛基部(30 cm)久保田极显著高于人工、丸山和各型植保无人机，均值达到169.7个/cm2。易田极显著高于各型植保无人机，均值达到142.6个/cm2。大疆与全丰极显著低于所有其他机型，均值分别是25.6、19.8个/cm2(图2C)。以上结果表明，自走式喷雾机无论在稻丛表层、中部还是基部雾滴密度较大，与之相反，各型植保无人机雾滴密度较小。

图1 不同植保机械雾滴测试卡扫描图示

不同小写字母表示在5%水平差异显著(P<0.05)，不同大写字母表示在1%水平差异显著(P<0.01)，图3同

2.1.2 不同植保机械稻丛不同高度雾滴密度的变异系数 为验证各机型喷雾的均一性，比较了不同机型之间雾滴密度的变异系数。各个机型之间横向比较，稻丛表层(90 cm)久保田变异系数极显著小于全丰，显著小于易田、大疆，说明雾化均一性较好(图3A)；稻丛中部(60 cm)大疆的变异系数极显著大于其他机型，说明该机型雾化均一性较差(图3B)；稻丛基部(30 cm)易田和久保田变异系数极显著小于大疆，其他机型之间没有显著差异(图3C)。

图3 不同植保机械在稻丛不同高度雾滴密度的变异系数

2.2 同一植保机械雾滴垂直穿透性能和基部不同方位雾滴分布

为验证各机型雾滴垂直穿透性能，比较了同一机型在3个稻丛垂直高度的雾滴密度变化。易田在中部雾滴密度显著高于表层，中部和基部雾滴密度增幅分别达到表层的27.3%和10.6%，表明该机型中部和基部雾滴覆盖效果更好，穿透性能较强；丸山在中部雾滴密度是表层的74.4%，显著低于表层,基部雾滴密度最小，只有表层的48.9%，极显著低于表层；久保田基部雾滴密度极显著下降，只有表层的47.0%；大疆在稻丛各高度雾滴密度没有显著差异；全丰中部雾滴密度与表层没有显著差异，但基部雾滴密度较表层下降显著，只有表层的46.4%(表1)。

表1 不同植保机械稻丛雾滴穿透性能 个/cm2

为验证各机型雾滴在稻丛基部各方向的覆盖情况，比较了各机型在基部4个方向雾滴密度的差异。5种机型喷雾雾滴在基部4个方位的雾滴分布见表2。由结果可以看出，无论自走式喷雾机，还是植保无人机在稻丛不同方位的雾滴分布密度没有显著性差异。

综上，易田和大疆雾滴穿透能力较强，易田在中部的雾滴密度甚至显著高于表层，其他机型雾滴密度在中部或基部衰减明显，雾滴穿透性相对较差。另外，各机型在稻丛基部不同方位的雾滴分布没有显著差异。

表2 不同植保机械稻丛基部不同方位雾滴分布密度 个/cm2

2.3 防治效果

由于气候、品种等原因，本次试验的水稻田块稻瘟病仅有零星发生，病情指数上各药剂处理与空白对照没有差异。对照田块稻飞虱发生较重，除久保田未获得有效数据，其他植保机械防效结果如表3所示。药后7 d校正防效，各处理间没有显著差异。药后7 d校正防效为易田(98.8%)>大疆(97.9%)>人工(97.7%)>全丰(97.1%)>丸山(96.5%)。药后14 d校正防效表明，丸山和易田之间防效没有显著差异，自走式喷雾机的防效显著高于植保无人机和人工，各处理的防效间不存在极显著差异。药后14 d校正防效为丸山(98.6%)>易田(98.1%)>大疆(93.7%)=人工(93.7%)>全丰(92.9%)。综合以上结果，所有机型校正防效均超过90%，各型喷雾机药剂处理效果均能达到防治要求。

表3 稻飞虱防治效果

2.4 植保机械防控成本

人力成本方面，大疆和全丰15.00元/hm2，易田、丸山和久保田150.00元/hm2，人工225.00元/hm2。自走式喷雾机和植保无人机人力成本分别只需人工的66.7%和6.7%。药剂成本方面，因为药剂用量相同，自走式喷雾机、植保无人机和人工均72.00元/hm2。燃料动力消耗方面，人工消耗0.45元/hm2，自走式喷雾机消耗6.75元/hm2，植保无人机消耗5.10元/hm2。用水方面，植保无人机用水15.0 L/hm2，自走式喷雾机250.5 L/hm2，人工240.0 L/hm2(田间灌溉用水是0.05元/m3，节水带来的效益较微，此处不计入总成本)。折旧成本和固定资产占用成本按照自走式喷雾机湖北省补贴后价格17.50万元/台计算，大疆每台4.50万元，全丰每台2.95万元。经计算，自走式喷雾机折旧成本为4.34元/hm2，大疆1.76元/hm2，全丰1.15元/hm2；自走式喷雾机固定资产占用0.65元/hm2，大疆0.26元/hm2，全丰0.17元/hm2。除用水成本外，人工的综合成本是297.45元/hm2，自走式喷雾机的成本为233.74元/hm2，较人工成本减少21.4%；大疆的成本为94.12元/hm2，较人工减少68.4%；全丰成本为93.42元/hm2，较人工减少68.6%(表4)。

表4 不同植保机械单次植保作业的成本 元/hm2

3 结论与讨论

开展本次试验的江汉平原是湖北水稻的主要产区之一，水稻生产中机械化程度较高。本研究不仅调查了植保机械喷雾性能和稻飞虱的校正防效，同时对应用植保机械综合成本进行核算。成本核算时，用水方面，植保无人机能够在用水量非常小的情况下完成药剂充分雾化[17]，但是节水带来的经济效益较微，此处不计入总成本。喷雾性能测试结果表明，各型自走式喷雾机雾滴密度覆盖度均较好，其中久保田雾滴密度最大同时均一性也最佳。相比自走式喷雾机，植保无人机雾滴密度覆盖度和均一性没有优势。但因植保无人机旋翼产生的垂直风场能够拨开稻丛，故该类机型具有良好的雾滴穿透性能，因此药剂雾滴也能到达水稻基部[18]。药后7 d校正防效结果中，植保无人机防治效果与自走式喷雾机没有显著差异。药后14 d校正防效结果中，尽管植保无人机显著低于自走式喷雾机，但防效均超过90%，与人工没有显著差异。以上结果表明，虽然植保无人机雾滴密度覆盖度较小，但仍能获得较好的防治效果。这是因为一方面植保无人机喷雾具有较强穿透性能，药剂能够达到防治关键部位的基部。并且应用具有内吸性的杀菌剂，可以减少雾滴密度较小对防效的负面影响[19]。因此使用植保无人机时应选择防治效果受雾滴密度影响较小的药剂。

植保机械化的最大优势在于提高作业效率，节省生产成本。本研究中，尽管自走式喷雾机和植保无人机燃料动力成本、折旧成本和固定资产占用有所增加，但占比最高的人力成本缩减最显著。据统计，人工背负式操作平均用时100～225 min/hm2，自走式喷雾机用时只需要人工的10.0%，植保无人机用时只需要人工的6.7%[20]。相对应人力成本大幅下降，自走式喷雾机和植保无人机人力成本分别为150.00、15.00元/hm2，分别只需人工背负式操作人力成本(225.00元/hm2)的66.7%和6.7%，每公顷土地单次药剂处理成本大幅下降，经济效益显著提高。

本研究结果表明，久保田是雾滴密度试验中性能最好的机型，但久保田在药剂喷施过程中发生了自陷，未能如期完成病虫害的药剂喷洒，相应地未能取得防效数据。久保田在内的各型自走式喷雾机对田块前期处理及平整度有要求，存在田块地形适应能力的局限性。此外水稻生长后期稻田已经封行，自走式喷雾机作业过程中对植株有不同程度的倾轧。与之相反，植保无人机能较好适应田块地势，对作物也不会造成伤害。

综合以上结果，虽然部分机型之间喷雾性能存在显著差异，但防效数据表明，应用主流植保机型均能取得较好的防治效果。并且植保机械能够大幅提高作业效率，减少劳动力投入，降低药剂处理成本，做到节本增效。其中植保无人机能够很好地适应不同的地形地貌，所以针对湖北存在一季稻、双季稻、稻麦(油)轮作、虾稻、鸭蛙稻等多种水稻种植模式的现状，该类机型是替代传统人工植保的最佳选择。