丁宸旸，吕 新，韩小强，郝婷丽，麻向阳，刘世豪，田程程，刘尚昌，侯彤瑜

·农业装备工程与机械化·

机采棉种植模式对植保机械化学脱叶作业效果的影响

丁宸旸1，吕 新1，韩小强1，郝婷丽2，麻向阳1，刘世豪1，田程程1，刘尚昌1，侯彤瑜1※

（1. 石河子大学农学院/新疆兵团绿洲生态农业国家重点实验室培育基地，石河子 832003；2. 石河子大学分析测试中心，石河子 832003）

种植模式优化是实现新疆棉花高产优质的重要途经，但其对机采棉化学脱叶环节农机农艺融合的影响还不明确。该研究开展了“矮密早”（1膜6行，66 cm + 10 cm宽窄行，R6）、“宽早优”（1膜3行，76 cm等行距，R3）2种机采棉种植模式下多旋翼植保无人机和自走式喷杆喷雾机2种植保机械的化学脱叶田间试验，通过测定叶片尺度脱叶剂雾滴粒径分布和沉积参数，系统分析了不同种植模式和植保机械组合对棉花冠层脱叶剂雾滴沉积特性、行间地面雾滴损失以及最终脱叶效果的影响。结果表明无人机作业的雾滴粒径分布、覆盖率、沉积量及行间地面损失与喷雾机相比均有显著差异（<0.01）。喷雾机和无人机作业的100～300m粒径有效雾滴占比分别为2.60%和61.00%，无人机较喷雾机提高了58.40个百分点，雾滴粒径分布更均匀；雾滴覆盖率分别为42.05%和3.22%，喷雾机作业的雾滴覆盖率是无人机的13倍；沉积量分别为0.49和0.69g/cm2，喷雾机作业的雾滴沉积量仅为无人机的71.00%，这是因为无人机喷雾具有高浓度、低容量的特点。喷雾机喷施后棉花冠层下部较冠层上部的雾滴覆盖率和沉积量相对降低17.99%和17.63%，无人机作业后冠层下部的雾滴覆盖率和沉积量较冠层上部相对降低35.45%和53.71%，说明无人机喷施的雾滴穿透性不足；喷雾机作业后行间地面雾滴沉积损失量为无人机的1.91倍。种植模式对雾滴沉积特性有显著影响（<0.01），与“矮密早”相比，“宽早优”模式冠层下部雾滴覆盖度提高18.59个百分点（相对提高117.60%），变异系数降低43.73个百分点（相对降低43.83%）；冠层下部雾滴沉积量提高0.33g/cm2（相对提高125.60%），变异系数降低31.63个百分点（相对降低36.00%），提高了雾滴的穿透性和均匀性。无人机二次喷施作业后，脱叶率在90%～94%间，满足棉花机采作业要求。综上，采用无人机进行化学脱叶作业雾滴粒径分布合理但穿透性不足，而采用“宽早优”模式可以改善无人机雾滴穿透性不足的问题，提升冠层内雾滴分布均匀性，在满足棉花机采对化学脱叶要求的前提下，降低作业过程对棉花生长和土壤环境的潜在影响。

植保机械；棉花；种植模式；雾滴沉积；化学脱叶

0 引 言

新疆是国内最大的机采棉生产基地。在棉花机械采收前，需要喷施化学脱叶催熟剂促进棉叶快速脱落和棉铃提前开裂，以减少棉纤维污染，提升机采效率[1]。脱叶剂的主要成分噻苯隆为非内吸性药剂[2-4]，必须通过植保机械雾化喷施到叶面上才能有效发挥脱叶功能。然而，由于种植模式限制[5]、农机农艺融合度低[6]等问题导致化学脱叶效果差，棉纤维含杂率高，是当前新疆机采棉品质提升的重要限制因素[5,7]。

快速发展的无人机与目前应用最广泛的喷雾机相比，不仅可以避免作业过程中由于植株和棉铃机械损伤导致的棉花产量和品质直接损失，而且在地形适应性、作业时效性、节水节药等方面也具有独特优势[8-10]，因此在将其应用于机采棉脱叶剂喷施作业具有广阔前景[11-12]。然而，由于其只能针对作物冠层顶部进行喷施作业，雾滴在棉花冠层内的穿透性及均匀性是否能够满足机采棉脱叶剂的喷施要求还不明确。有研究人员分析了无人机飞行高度、飞行速度、施药量、施药次数等对脱叶剂雾滴沉积特性和机采棉脱叶率、吐絮率及产量的影响，但是这些研究对近年来新疆机采棉种植模式的变化缺乏关注。

目前新疆机采棉普遍采用的“矮密早”种植模式（1膜6行，66 cm + 10 cm宽窄行，R6），虽然具有较好的产量表现，但种植密度过大，果枝交叉缠绕导致化学脱叶效果差，机械采收籽棉叶屑含量高[13]。近年来，通过“扩行、降密、壮株和拓高”等方式对“矮密早”模式进行改进，推出了“宽早优”种植模式（1膜3行，76 cm等行距，R3）。目前，研究人员针对“宽早优”模式的冠层光能利用[13]、土壤水热效应[6]、产量表现和脱叶效率[14]等方面开展了一系列研究，但是对脱叶环节的农机农艺融合问题尚无报道。此外，种植模式对于作业过程中流失进入土壤的脱叶剂含量以及作业结束后最终的脱叶效果是否存在显著影响，仍没有明确结论。因此，本研究拟通过开展不同机采棉种植模式无人机和喷雾机化学脱叶作业田间试验，在单叶和冠层尺度上对脱叶剂雾滴粒径分布、沉积特性等进行测定，分析机采棉种植模式对化学脱叶作业效果的影响，以期为实现新疆机采棉化学脱叶的农机农业融合优化提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验设计

在石河子大学农试场（44°19′N，85°59′E，海拔：475 m）进行施药机械和种植模式的二因素裂区田间试验，其中植保机械为主区，内设电动多旋翼植保无人机喷施区（以下简称无人机）和地面拖拉机牵引式喷杆喷雾机喷施区（以下简称喷雾机）2个处理。每个主区内设2个机采棉种植模式副区，分别为目前新疆机采棉大田生产主流种植模式1膜3管3行（76 cm等行距，R3）和1膜3管6行（66 cm + 10 cm宽窄行，R6），每个副区均为15 m×50 m。试验品种为新陆早54号，按新疆机采棉高产栽培技术进行管理。试验设备参数如表1所示，试验小区内采样点分布如图1所示。

表1 脱叶剂喷施设备参数

1.2 测定内容和方法

1.2.1 脱叶剂雾滴采集

脱叶剂喷施之前（本文2021年9月3日，根据棉花吐絮状况及当地气温条件综合确定，具体见表2），在每个处理小区内分别选取一个由2行×2列共4株生长发育状态具有代表性的棉花群体冠层作为脱叶剂雾滴喷施效果测试点（图1a）。为了精准测定棉花群体冠层内每个叶片的脱叶剂雾滴截获和沉积情况，将长11 cm×宽3 cm的标准水敏雾滴测试卡（六六山下，中国）裁剪为长2.5 cm×宽3 cm的长方形，用微型曲别针固定在脱叶剂雾滴测试点棉花群体冠层的每个叶片上（图1b）。为了测定棉株冠层地面脱叶剂雾滴的损失情况，根据机采棉种植模式的不同，在测试点棉花群体冠层行间地面上距离待测植株不同位置处，分别放置7张标准水敏雾滴测试卡（图1a）。

水敏雾滴测试卡安装完成后立即进行脱叶剂喷施作业。试验所用脱叶催熟试剂的成分和用量分别为：540 g/L噻苯·敌草隆悬浮剂180 mL/hm2（棉海，中国），280 g/L烷基乙基磺酸盐助剂720 mL/hm2（棉海，中国）；40%乙烯利水剂900 mL/hm2（安邦，中国）。其中无人机作业采用二次喷施[11]，即在完成第一次喷施7 d后进行第二次喷施，第二次喷施除40%乙烯利水剂增加至1 200 mL/hm2外，其余药剂和用量不变。无人机第一次施药有效剂量为1 800 mL/hm2，第二次施药有效剂量为2 100 mL/hm2，两次药剂成本为337.50元/hm2；喷雾机施药的有效剂量为1 800 mL/hm2，一次施药的药剂成本为187.50元/hm2。作业时，喷雾机行走速度为2 m/s，药液喷施量为450 L/hm2；无人机飞行速度为5 m/s，飞行高度为2.9 m（距地面），药液喷施量为22.5 L/hm2。待作业完成后立即收集整理所有水敏雾滴测试卡并带回实验室进行扫描处理。

图1 采样点及水敏雾滴测试卡分布

1.2.2 雾滴沉积特性参数测定

将水敏雾滴测试卡带回实验室后立即采用高清扫描仪（惠普，美国）将其扫描为分辨率600 dpi的灰度图像，并采用ImageJ专用图像处理软件（National Institutes of Health，美国）进行雾滴体积粒径、雾滴覆盖率（%）和雾滴沉积量（L/cm2）的提取[15]。在进行雾滴体积粒径提取时，首先将雾滴所占据的像素数量还原为雾滴立体直径和雾滴立体体积，并对所有雾滴按照估算的立体体积由小到大排列，分别选取立体体积累计分布为10%，50%和90%所表示的雾滴立体直径（分别计为D0.1，D0.5和D0.9，m）进行雾滴粒径分析。在进行雾滴沉积量分析前，根据脱叶剂有效成分的浓度将提取的雾滴沉积量（L/cm2）换算为有效成分沉积量（g/cm2）。

表2 化学脱叶作业时的棉花吐絮状况、天气状况及施药方案

1.2.3 理论最小沉积量

由于喷雾机喷施区内棉株上层部分叶片的水敏雾滴测试卡上雾滴较大并融合成一片，导致雾滴覆盖率大于30%，超过了ImageJ软件能够计算的雾滴沉积量阈值。针对这类测试卡，根据雾滴喷施在水敏雾滴测试卡上接触角的变化规律[16]，基于水敏雾滴测试卡上所有变色面积都为半饱和吸收的假设，采用如下计算式计算理论最小沉积量（L/cm2）：

式中为ImageJ软件提取的雾滴覆盖率，%；=0.1为单张标准水敏雾滴测试卡厚度，mm。

1.2.4 雾滴粒径均匀性测定

采用雾滴谱宽度RS[17]表征经喷头雾化后雾滴粒径的均匀性，其计算式为

雾滴谱宽度越小，雾滴粒径越均匀[18]。

1.2.5 雾滴空间分布均匀性测定

采用变异系数（CV）表征棉花冠层不同叶片雾滴分布的均匀性，其计算式为

式中SD为雾滴覆盖率（%）或沉积量（g/cm2）的标准差；为雾滴覆盖率（%）或沉积量（g/cm2）的平均值；x为单个叶片的雾滴覆盖率（%）或沉积量（g/cm2）；为叶片个数。

1.2.6 棉花脱叶率

在每个处理小区内选取10株生长发育状态具有代表性的棉花植株，分别在脱叶剂喷施前及喷施20 d后统计每株棉花的叶片数量，计算各处理棉花冠层脱叶率：

式中为喷施脱叶剂前10株棉花总叶片数；为喷施脱叶剂20 d后10株棉花总叶片数。

2 结果与分析

2.1 雾滴粒径分布

无人机和喷雾机的雾滴粒径分布差异显著（检验，<0.01，图2）。无人机的雾滴粒径在0～800m之间，R3与R6模式下粒径在100～300m的有效雾滴占比分别为74.20%和47.10%，两种模式的平均值为61.00%。雾滴谱宽度分别为0.99和0.86，R3较R6的有效雾滴占比提高了27.10个百分点，雾滴谱宽度提高了0.13。喷雾机的雾滴粒径分布在0～3 000m之间，其中R3模式下粒径在2 000～3 000m之间的雾滴占比63.70%，其余雾滴的粒径在0～2 000m之间均匀分布，雾滴谱宽度为1.11；而R6模式下各粒径区间的雾滴占比则基本相同，雾滴谱宽度为0.98；2种模式下的有效沉积雾滴占比均小于3.00%。喷雾机作业后粒径在100～300m的有效雾滴占比仅为2.60%，较无人机降低了58.40个百分点。

图2 两种植模式下无人机与喷雾机喷施脱叶剂后棉花冠层叶片雾滴粒径分布

2.2 棉花冠层叶片及行间地面的雾滴覆盖率

无人机作业后，R3和R6在叶片尺度上的平均雾滴覆盖率分别为4.55%和1.89%，2种模式间差异显著（表 3，检验，<0.01）。从冠层空间垂直分布来看，覆盖率呈先快速下降后保持稳定的总体趋势，说明无人机作业的雾滴穿透性能有限；在冠层上部（6～9层）R3与R6的覆盖率分别为6.79%和2.19%，R3较R6提高4.60个百分点；在冠层中部第5层时覆盖率达到最低值2.50%和0.80%；在冠层下部（1～4层）覆盖率基本保持稳定，R3与R6分别为3.03%和1.85%，R3较R6平均提高1.18个百分点，说明R3模式下雾滴穿透性更强。R3和R6的覆盖率变异系数分别为80.44%和110.05%，R3较R6降低了29.61个百分点，说明R3模式的冠层内雾滴分布更加均匀。R3和R6模式的行间地面雾滴覆盖率分别为1.75%和0.82%，R3为R6的2.13倍。

喷雾机作业后，R3的叶片尺度雾滴覆盖率平均为61.00%，为R6模式23.00%的2.65倍，2种模式间差异显著（表3，检验，<0.01）。冠层内不同高度叶片的雾滴覆盖率呈规律性波动，分别在冠层第5、第2层达到最小值，在第9、第6层达到最大值，这可能与喷雾器在吊杆上的空间分布有关。冠层上部，R3与R6雾滴覆盖率分别为67.00%和26.60%，R3较R6提高了40.40个百分点；冠层下部的雾滴覆盖率分别为57.00%和21.00%，R3较R6提高了36.00个百分点，说明R3模式下雾滴穿透性更强，且R3冠层上下部的覆盖率较R6提升幅度分别为151.88%和171.43%。R3的覆盖率变异系数为37.58%，较R6的95.24%降低了57.85个百分点，说明冠层内雾滴分布更加均匀。R3模式的行间地面雾滴覆盖率为73.75%，为R6的3.50倍。

综合可知，喷雾机与无人机的平均雾滴覆盖率分别为42.05%和3.22%，喷雾机的雾滴覆盖率是无人机的13 倍，喷雾机喷施后棉花冠层下部较冠层上部的雾滴覆盖率相对降低17.99%，无人机作业后冠层下部的雾滴覆盖率较冠层上部平均相对降低35.45%，与R6相比，R3模式的冠层下部平均雾滴覆盖度提高18.59 个百分点（相对提高117.60%），平均变异系数降低43.73 个百分点（相对降低43.83%）。

表3 棉花冠层不同高度叶片及行间地面的雾滴覆盖率

2.3 棉花冠层叶片及行间地面的雾滴沉积量

无人机作业后，R3和R6的叶片尺度雾滴沉积量分别为0.94和0.43g/cm2，两种模式间差异显著（表4，检验，<0.01）。从冠层空间垂直分布来看，沉积量与覆盖率规律相似，即先快速下降后保持稳定，在冠层上部6～9层随高度的降低而快速降低，此时R3（1.45g/cm2）较R6（0.56g/cm2）的沉积量平均提高0.89g/cm2；在第5层时R3和R6沉积量分别为0.52和0.22g/cm2；冠层下部1～4层的沉积量与第5层基本相同，但R3比R6增加了0.26g/cm2，说明雾滴穿透性更强。R3模式下冠层内雾滴沉积量变异系数为92.93%，较R6的102.35%降低了9.42个百分点，说明R3模式下冠层内不同空间位置的雾滴分布更加均匀。R3模式下行间地面的雾滴损失沉积量为0.43g/cm2，为R6的2.15倍。

表4 棉花冠层不同高度叶片及行间地面的雾滴沉积量

R3和R6模式下，喷雾机作业后的雾滴沉积量分别为0.69和0.28g/cm2，2种模式间差异显著（表4，检验，<0.01）。从雾滴在冠层空间的分布来看，冠层内各层叶片的雾滴沉积呈规律性波动，在第2层达到最小值，第6层达到最大值。在冠层上部和下部，R3较R6的沉积量提升幅度均在0.40～0.45g/cm2之间。R3模式下冠层内雾滴沉积量变异系数为31.88%，较R6的85.71%降低了53.83个百分点。R3和R6的行间地面雾滴损失沉积量分别为0.88g/cm2和0.34g/cm2，R3为R6的2.59倍。

比较可知，喷雾机与无人机的平均雾滴沉积量分别为0.49和0.69 μg/cm2，喷雾机作业后的雾滴沉积量仅为无人机的71.00%，冠层下部较冠层上部相对降低17.63%，而无人机作业后的冠层下部雾滴沉积量较上部相对降低53.71%。与R6相比，R3模式下冠层下部雾滴沉积量平均提高0.33g/cm2（相对提高125.60%），变异系数平均降低31.63 个百分点（相对降低36.00%）。与喷雾机相比，无人机喷施可节约施药量90.00%，沉积流失进入土壤的药液量降低34.00%，喷雾机作业后行间地面雾滴沉积损失为无人机的1.91倍。

2.4 脱叶率

脱叶剂喷施之前，R3与R6模式的植株平均叶片数分别为32和25，在脱叶剂喷施20 d后，两种模式均有约12.80%植株的剩余叶片数为0，其余植株在冠层下部平均残余2～3片叶（图3）。R3模式下无人机和喷雾机作业后棉花脱叶率分别为91.90%和90.70%；R6模式下分别为93.80%和92.20%，不同处理间无显著差异（检验，>0.4，图3）。无人机二次喷施作业后，脱叶率在90%～94%间，平均为91.30%。

图3 两种种植模式下脱叶剂喷施前后植株叶片数量及脱叶率

3 讨 论

3.1 植保作业方式和种植模式对雾滴沉积特性的影响

2种植保作业方式、喷头喷施压力和施药液量的不同导致脱叶剂雾滴沉积特性差异显著（<0.01）。无人机主要依托旋翼产生的下洗气流结合空中喷雾系统，在与棉花冠层不发生直接接触的前提下实现雾滴喷施，具有高浓度、低容量喷雾的特点[19]，其施药量为22.5 L/hm2[20]，喷雾粒径D0.5为250m（图2），作业后雾滴覆盖率和沉积量分别为3.22%和0.69g/cm2。而喷雾机通过将喷头装在横向和竖立喷杆上，在与棉花冠层近距离接触过程中完成喷雾，具有浓度低、喷雾大容量的特点，其施药量为450 L/hm2，雾滴粒径D0.5达到2 000m，作业后雾滴覆盖率和沉积量分别为42.05%和0.49g/cm2。此外，由于无人机在冠层上方飞行作业，存在雾滴穿透性不足的问题[21]，导致冠层下部的雾滴覆盖率（2.44%）与沉积量（0.43g/cm2）较上层叶片（4.49%和1.01g/cm2）分别降低了45.66%和57.43%（表3，表4），雾滴覆盖率和沉积量的变异系数较喷雾机增加了43.64%和66.06%。

种植模式是影响雾滴沉积特性的重要因素。在“宽早优”模式下棉花种植密度降低，冠层内果枝和叶片的相互遮蔽下降[22-24]，更加有利于雾滴在冠层内不同高度叶片上的均匀分布，雾滴覆盖率与沉积量均高于“矮密早”模式（表3，表4）。然而，由于作业方式的差异，种植模式对2种植保机械作业效果的影响不同。采用无人机喷施脱叶剂，相较于“矮密早”模式，“宽早优”的冠层上部雾滴覆盖率和沉积量分别提升3.10倍和2.59倍，冠层下部的提升幅度仅为63.79%和86.67%；但采用喷雾机时“宽早优”模式下冠层上部和下部的雾滴覆盖率和沉积量均提升2～3倍左右。

3.2 植保作业方式和种植模式对雾滴粒径分布特征的影响

雾滴粒径是影响雾滴有效性的关键要素[18]。研究表明，对于农作物植保而言，雾滴粒径在100～300m之间雾滴最有效，粒径小于100m的雾滴会飘逸进入大气中，粒径大于300m的雾滴则会因附着性差或碰撞反弹等原因流失进入土壤[18,25]。喷头喷施压力的差异是造成雾滴粒径差异的主要原因，喷施压力越高雾滴粒径越小，雾滴粒径在150m以下的比例越大[26-28]。本研究结果表明，无人机的雾滴粒径在0～800m之间，其中100～300m粒径的雾滴占比达61.30%，雾滴谱宽度为0.93，而喷雾机的100～300m粒径雾滴仅占2.60%，2000～3 000m之间超大粒径雾滴占比达到54.90%（图2），是导致大量雾滴流失进入土壤的重要因素之一（表3，表4）。

种植模式可以有效改善雾滴粒径分布（图2）。相比于“宽早优”模式雾滴粒径所呈现的正态分布，在密度较高的“矮密早”模式下，2种植保机械作业后棉花叶片所截获雾滴的分布均向粒径更小的方向移动，雾滴谱宽度降低，雾滴粒径总体呈现非正态分布，这可能是由于高密度种植模式下枝叶遮蔽严重，雾滴与枝叶撞击几率增加[29]，导致大量微小雾滴产生，改变了喷雾机雾滴的粒径分布（图2）。

3.3 植保作业方式和种植模式对棉花冠层脱叶率的影响

分别采用无人机和喷雾机喷施化学脱叶剂，棉花冠层的最终脱叶率差异不超过2.00%，且种植模式对该结果没有显著影响（图3），这一结果与Meng等[11-12]的研究结果一致。无人机能够实现较高脱叶率，主要得益于2个方面，一是虽然无人机的雾滴覆盖率明显小于喷雾机（表3），但由于更高的雾滴浓度致使其最终的有效沉积量超过喷雾机（表4），因此仍然能够满足诱导棉花叶片生理性脱落的需求。二是在第一次脱叶剂喷施7～10 d棉花上层叶片出现一定程度脱落后进行第二次喷施，可以克服其喷雾穿透性相对较差的问题（表3，表4），使冠层中下部叶片再次获得药液沉积，提高整体脱叶率[30]。在无人机进行二次施药前，无人机喷施的棉花脱叶率一般小于喷雾机的，而在二次施药后2种喷施机械的最终脱叶率无显著差异[17]（图3）。

按照新疆机采棉优质高效综合栽培技术规程，喷雾机和无人机均需采用二次施药技术，以实现良好的脱叶效果[31-32]。但是，在采用喷雾机喷施化学脱叶剂过程中，由于棉铃碰撞等机械损伤一般会导致约5%的产量损失（未发表数据），对于发生倒伏的棉田则损失会更多。因此，对于长势状况较为理想的棉田，可以按照操作规范选择使用无人机完成机采棉的化学脱叶。

3.4 植保作业方式对棉花脱叶剂在土壤中残留量的影响

与喷雾机相比，无人机喷施棉花脱叶剂时可节约施药量90.00%，流失进入土壤的药液量降低34.00%（表3，表4）。汤可心等[33]研究了土壤中棉花化学脱叶剂主要成分噻苯隆含量对种植后茬小麦的影响，结果表明当噻苯隆含量低于135.00 g/hm2时，其对小麦幼苗生长不会造成显著影响。此外，噻苯隆在土壤中属于易降解物质，施药后40～50 d后土壤中残留中值小于0.000 2 mg/kg，因此在正常施药情况下，噻苯隆对土壤理化性质应及后茬作物生长无显著影响[33-34]。关于机采棉化学脱叶剂对土壤理化性质和生物学性质的影响目前尚无具体研究，但采用无人机进行化学脱叶作业时可有效减少流失进入土壤的药液量，因此可最大程度降低对土壤理化性质及后茬作物生长的潜在影响。

4 结 论

本文采用植保无人机和喷杆喷雾机进行机采棉化学脱叶剂喷施试验，对比了“矮密早”和“宽早优”两种种植模式下雾滴沉积差异性及脱叶效果，主要结论如下：

1）植保无人机具有低容量、高浓度的喷雾作业特点，采用无人机喷施机采棉化学脱叶剂时，棉花叶片的雾滴覆盖率和沉积量分别为3.22%和0.69g/cm2，与喷杆喷雾机相比覆盖率显著降低（<0.01），但沉积量显著提升（<0.01），在采用二次喷施技术后其最终脱叶率为91.30%，与喷雾机无显著差异，均能满足棉花机采需求。

2）种植模式对棉花冠层雾滴沉积特性有重要影响。与“矮密早”模式相比，“宽早优”模式下不仅雾滴粒径分布更加均匀，而且冠层下部雾滴覆盖率和沉积量分别提升1.18个百分点和0.26g/cm2，可有效改善无人机作业时雾滴穿透性不足的问题。

3）与喷雾机相比，无人机喷施脱叶剂时，粒径在100～300m的有效雾滴占比提高58.40个百分点，施药量和流失量分别降低了90.00%和34.00%。

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Effects of machine-harvested cotton planting pattern on the efficacy of chemical defoliant application of plant protection machine

Ding Chenyang1, Lyu Xin1, Han Xiaoqiang1, Hao Tingli2, Ma Xiangyang1, Liu Shihao1, Tian Chengcheng1,Liu Shangchang1, Hou Tongyu1※

(1.,,,832003,;2.,,832003,)

Planting pattern of cotton can be optimized for the higher yield, quality and efficiency production in Xinjiang Uygur Autonomous Region, China. However, it is still unclear about the effects of machine-harvested cotton planting pattern on the agricultural machinery and techniques in the spray application of chemical harvest-aid. In this study, a field experiment was carried out to clarify the effects, with two planting patterns of machine-harvested cotton, including the “aimizao” planting pattern (six lines per film with the wide-narrow row spacing, 66 + 10 cm, R6), and the “kuanzaoyou” planting pattern (three lines per film with equal row spacing, 76 cm, R3), as well as with two chemical defoliant spraying machines, including an agricultural drone sprayer (UAV), and a ground-based boom sprayer (MTZ). A representative canopy of four individual plants was selected in each pattern-sprayer combination. Some parameters were also measured for each leaf, including the volume diameter, coverage rate, and deposition amount of defoliant spray droplets. A systematic analysis was made on the effects of planting mode on the deposition and dissipation characteristics of defoliant droplets. An optimal defoliation efficiency of the cotton before the plants were determined ready for the mechanical harvesting. The results showed that there were significant differences between the UAV and MTZ in the volume diameter distribution, droplet coverage rate, deposition amount, and loss magnitude of the defoliant spray droplets (<0.01). There was the more uniform distribution in the volume diameter of the droplet, when the defoliant was sprayed using UAV. 2.60% proportion was found in the most effective droplet with the size between 100-300m for the MTZ, which was improved by 58.40 percentage points to 61.00% for the UAV. The droplet coverage rates of UAV and MTZ were 3.22% and 42.05%, respectively. The coverage rate of MTZ was about 13 times higher than that of UAV. But, the droplet deposition amount of UAV and MTZ was 0.49 and 0.69g/cm2, respectively. Among them, the deposition amount of MTZ was only 71.00% of UAV, indicating the low capacity but high concentration of the UAV. Furthermore, the coverage rate and deposition amount in the lower part of the cotton canopy decreased by 17.99%, and 17.63%, respectively, using MTZ, but decreased by 35.45% and 53.71%, respectively, using UAV, compared with the upper part of the cotton canopy. Therefore, the penetration of spray droplets in the UAV was insufficient to reach the lower canopy. The droplet deposition loss between the cotton canopy rows of the MTZ was 1.91 times as large as that of the UAV. Different planting patterns of machine-harvested cotton also showed a significant effect on the deposition of spray droplet. More importantly, the coverage rate and deposition amount in the lower canopy increased by 18.59 percentage points and 0.33g/cm2(117.60%, and 125.60% for the relative differences), respectively, in the “kuanzaoyou” planting pattern, compared with the “aimizao”. By contrast, there was the decrease in the coefficient of variation by 43.73, and 31.63 percentage points (43.83%, and 36.00% for the relative differences), respectively. It infers that the “kuanzaoyou” planting mode was improved the penetration and uniformity of droplets in the canopy, especially for the middle-lower canopy layers. There was a great benefit in the penetration of UAV. All of the final defoliation rates reached a range of 90%-94% after spraying once by the BGM or twice by the UAV, fully meeting the harsh requirement of cotton mechanical harvesting operation. In conclusion, the UAV chemical defoliant spraying at the planting mode of “kuanzaoyou” can be expected to reduce the potential impact on the cotton growth and soil environment, due to the non-contact operation and reasonable distribution of droplet size. The finding can provide a strong reference for the mechanical harvesting of cotton to the chemical defoliation.

plant protection machinery; cotton; planting pattern; droplet deposition characteristics; chemical defoliation

10.11975/j.issn.1002-6819.2022.20.001

S252

A

1002-6819(2022)-20-0001-08

丁宸旸，吕新，韩小强，等. 机采棉种植模式对植保机械化学脱叶作业效果的影响[J]. 农业工程学报，2022，38(20)：1-8.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.20.001 http://www.tcsae.org

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2022-08-22

2022-10-06

国家自然科学基金项目（31960566，32160419）；石河子大学3152优秀中青年骨干教师培养支持计划（ZG010303）

丁宸旸，研究方向为农业航空施药技术。Email：1965275792@qq.com

侯彤瑜，博士，副教授，研究方向为棉花成熟及脱叶优化。Email：tongyu.hou@shzu.edu.cn