无人机雾化喷头对雾滴在竹林中沉降分布及害虫防效的影响
时间：2023-03-03 16:20:05 来源：千叶帆 本文已影响人
洪宜聪 罗宝仙 刘化桐 许春枝
(1 福建省三明市沙县区林业局 福建三明 365050；
2 福建省三明市沙县区生态国有林场 福建三明 365050；
3 福建省邵武市林业局 福建南平 354000；
4 福建省三明市林业科技推广中心 福建三明 365000)
农药的喷雾防治效果取决于药液雾化程度和雾滴粒径大小，无人机的喷洒系统是决定防治效果的重要环节，喷头是喷洒系统的最重要部件，对喷雾质量影响很大。不同类型的喷头、同一类型不同型号的喷头对药液雾化程度、雾滴粒径的影响大相庭径。雾滴粒径与其覆盖密度、沉降率、穿透性和有效喷幅相关性较大，并将决定着防治的作业效率、防治费用和防治效果。目前国内外有无人机喷雾在林业领域的应用报道不多，福建邵武开展了无人机喷雾作业航速对雾滴在竹林的沉降分布及防效影响的研究[1]，福建沙县研究了无人机喷雾工作参数对雾滴在马尾松林沉降分布及防效的影响[2]，但尚未有无人机喷洒系统喷头的型号对雾滴的沉降和防效影响的研究报道。
病虫害的防治效果与雾滴粒径大小、雾滴漂移程度及沉降率等因素密切相关，其中雾滴粒径是影响无人机喷雾质量及作业效果的关键因素之一。无人机喷雾技术具有高效、省力、节费的优点，但在丘陵山地应用时，会受到局部气流的影响，其雾滴容易发生飘失。无人机作为“会飞的喷雾器”，其喷洒系统产生雾滴的原理是通过液泵产生的压力，使药液通过喷头时在压力作用下破碎成细小液滴，其形成的雾滴粒径主要受喷头压力及孔径的影响，喷头的型号决定了雾滴覆盖密度、雾滴沉降率、雾滴穿透性、有效喷幅和防治效果。因此，明确无人机喷洒系统喷头型号的选用已成为林业生产上急需解决的科学问题。
为揭示无人机喷雾关键技术，明确无人机喷洒系统雾化喷头对雾滴沉积分布和喷雾防效的影响程度，2021年在福建三明市沙县区毛竹(Phyllostachysedulis)林建立试验区，选用不同型号喷头开展无人机喷雾雾滴检测试验，分析不同型号喷头其雾滴的覆盖密度、密度变异系数、沉降率和有效喷幅等参数；
并在发生竹镂舟蛾幼虫为害的竹林，选用25%阿维·灭幼脲悬浮剂、1.5%苦参碱可溶液和1.2%烟碱·苦参碱乳油等3种无公害农药进行喷雾防治，分析不同型号喷头对防治效果的影响，以期明确无人机喷洒系统适用的雾化喷头，为构建无人机喷雾关键技术体系提供科技支撑。
沙县区隶属福建省三明市，位于福建省中部偏北(北纬26°06-26°41′，东经117°32′-118°06′)，属亚热带季风气候，全区年均气温18.6 ℃，年均降水量为1 820 mm。研究选择在富口、高桥等乡镇的毛竹林建立试验区，试验区竹林的伴生树种主要是闽粤栲(Castanopsisfissa)、米槠(Castanopsiscarlesii)、杉木(Cunninghamialanceolata)、苦槠(Castanopsissclerophylla)和马尾松(Pinusmassoniana)等。竹林植被主要是迎春(Jasminumnudiflorum)、紫萼(Hostaventricosa)、地菍(Melastomadodecandrum)、淡竹叶(Lophatherumgracile)和杜鹃(Rhododendronsimsii)等[3-6]，竹林郁闭度为0.7，试验区面积为202.8 hm2，靶向害虫为3龄的竹镂舟蛾幼虫，虫口密度为57～85头/株，有虫株率67%～79%。研究区概况见表1。
表1 研究区竹林概况Tab.1 Overview of bamboo forests in the study area
2.1 研究材料
2.1.1 试验昆虫
在野外竹林捕捉竹镂舟蛾幼虫，带回实验室采用新鲜毛竹叶片(用清水洗净并晾干)喂养，在饲养7 d后，挑选个体相近、健康的幼虫分装至虫笼备试。
2.1.2 研究器材与农药
1) 器材。无人机(机型：大疆T20，额定载荷15 L；
喷洒系统：液泵4个，其雾化压力为0.2～0.4 MPa，喷头为8个扇形压力雾化喷头，型号为SX11001VS、SX110015VS和SX11002VS，雾化粒径分别为130～250 μm、170～265 μm、190～300 μm，最大流量分别为3.6 L/min、4.8 L/min和6 L/min；
深圳市大疆创新科技有限公司)；
卡纸架；
35 mm × 110 mm水敏纸(重庆六六山下植保科技有限公司)；
华谊PM6252A风速仪(深圳市新华谊仪表有限公司)；
希玛AS817手持式温湿度计(东莞万创电子制品有限公司)。
2) 试验农药。为内蒙古帅旗生物科技股份有限公司提供的1.5%苦参碱可溶液、25%阿维·灭幼脲悬浮剂、1.2%烟碱·苦参碱乳油(苦参碱含量0.7%、烟碱含量0.5%)。
试验还采用了北京广源益农化学有限责任公司提供的U伴飞防专用助剂。
2.2 研究方法
2.2.1 试验设计
在高桥镇杉口村的毛竹林，用红旗在预定无人机喷雾方向的飞行中线两端分别设置标识，沿中线两侧每隔10 m设1个雾滴接收段，共设10个，在每个雾滴接收段以2.0、2.5、3.0、3.5、3.75 m等5种距离分别向两侧扩伸，并在这5种距离地点设立雾滴测试点，以A、B、C、D、E表示。于各测试点竹冠的上、中和下部分别设置专用的卡纸架，用于固定水敏纸，水敏纸应在无人机喷雾作业前水平安放于卡纸架，处理重复5次。
在富口镇发生竹镂舟蛾幼虫为害的毛竹林，以“对角线”按试验要求建立标准地，大小以0.067 hm2为宜，在标准地内随机选取标准竹20株，选好标准枝并套笼，于施药前每个套笼放入20头竹镂舟蛾幼虫。同时，采用大疆航拍无人机对拟作业区进行航拍，无人机作业飞行高度设为6.5 m，喷幅设为6.0 m[7-8]，绘制出无人机喷雾作业航线图。
2.2.2 农药浓度配制
用纯净水以体积比将农药分别配制为：25%阿维·灭幼脲悬浮剂设为1 200倍液[9-11]，1.5%苦参碱可溶液和1.2%烟碱·苦参碱乳油均设为1 500 倍液[12-14]。为有助于雾滴沉降，以拟喷雾面积按90 mL/hm2在各药液中加入U伴飞防专用助剂。
2.2.3 无人机作业参数设定与施药
无人机喷雾系统的喷头分别采用SX11001VS、SX110015VS和SX11002VS等3种型号，以1.0型、1.5型、2.0型表示。2021年5月18—19日开展无人机雾滴测定试验，以纯净水作为药液喷施，作业航速为2.0 m/s[15]，作业时间为7∶30-8∶30，气象条件为多云到晴、风速小于0.75 m/s、气温低于25.0 ℃、空气湿度高于75%。
2021年5月20—23日，在富口镇堆积坑村等地毛竹林中开展无人机喷雾防治竹镂舟蛾试验，无人机作业航速设为2.0 m/s，作业时间为6∶00-9∶00，施药时的气象条件为多云到晴、风速小于0.71 m/s、气温低于27.0 ℃、空气湿度高于71%，药后96 h均未发生有效降水。每个处理重复3次，同时在富口镇富口村选择林相相似的竹林建立对照区，并喷施等量的纯净水+U伴飞防专用助剂。
2.2.4 雾滴分析
于无人机喷雾完成后2 h，立即将各雾滴检测点的水敏纸收回，用封口袋装好并作好标记。于室内逐一将各水敏纸扫描为图像，用雾滴分析软件分析雾滴图像，以获取各点的雾滴粒径、雾滴分布和沉降状况，采用下式计算雾滴相对粒谱宽度和密度变异系数。
雾滴相对粒谱宽度=(90%累积体积直径DV.9-10%累积体积直径DV.1)/体积中值直径DV.5
雾滴密度变异系数(CV)=样本的标准差(S)/平均雾滴量(X)×100%
2.2.5 校正死亡率与数据分析
药后每24 h，定时统计各处理套笼内竹镂舟蛾幼虫死亡数量，在竹镂舟蛾幼虫死亡率大于95%时结束试验，并计算校正死亡率[16-19]。
对获取的试验数据采用Excel2010处理，用SPSS22.0软件进行方差分析，不同喷头处理之间的显著性差异分析采用Duncan’s检验法。
3.1 雾滴分布状况
3.1.1 雾滴沉降率与覆盖密度
不同型号喷头之间的雾滴沉积状况、雾滴分布差异较大(表2)。从表2可知，1.5型喷头在各雾滴接收点的雾滴沉降率和覆盖密度均好于另外2个型号的喷头。在A、B接收点，1.0型、1.5型、2.0型3种型号喷头的雾滴沉降率和覆盖密度基本相似，但在其余各接收点，1.0型和2.0型喷头的雾滴沉降率和覆盖密度差异较大。方差分析结果显示，在A、B等2个接收点，1.0型、1.5型、2.0型等3种型号喷头之间的雾滴沉降率和覆盖密度均无显著差异，在C、D、E等3个接收点，3种型号喷头间的雾滴沉降率和覆盖密度均有显著差异。相同型号的喷头，在A、B、C、D、E等接收点间的沉降率和雾滴覆盖密度差异较大。1.0型和2.0型的喷头，其A点、B点与C点、D点、E点间沉降率和雾滴覆盖密度有显著差异，且C点、D点、E点三者之间的差异亦为显著，但A点与B点之间无显著差异；
1.5型喷头其A点、B点、C点与D点、E点间沉降率和雾滴覆盖密度亦有显著差异，且A点、B点和C点相互之间的差异为不显著。表明无人机喷雾系统所采用的喷头型号与雾滴水平方向的分布密切相关。
表2(续)
从各接收点雾滴在竹林垂直方向的分布可以看出(表2)，雾滴的沉降率和覆盖密度的数值由小到大依次为下层、中层和上层，表明竹林上层的雾滴分布较多。1.5型喷头在A点竹冠的上、中、下层雾滴沉降率和覆盖密度分别为21.76%、21.37%、18.07%和37.2个/cm2、36.4个/ cm2、34.1个/cm2，符合雾滴覆盖密度规定的要求。方差分析结果表明，同一接收点不同型号喷头的雾滴在上层、中层和下层沉降状况和覆盖密度分布均有差异。1.0型、1.5型和2.0型的喷头，其A点、B点等2个测试点上、中与下层间的雾滴沉降率和覆盖密度分布均有显著差异，上与中层间的雾滴沉降率和覆盖密度的差异则不显著，C、D、E的接收点的上、中和下层间雾滴沉降状况和覆盖密度分布的差异均为显著。表明无人机喷雾系统所采用的喷头型号与雾滴在竹林垂直方向的分布密切相关。
3.1.2 雾滴密度变异系数与有效喷幅
密度变异系数是反映雾滴分布的均匀程度。从表2可知，不同型号喷头其密度变异系数存在差异，在3种型号喷头中，各接收点雾滴密度变异系数以1.5型喷头为最好。表明无人机喷雾挂件的喷头孔径的大小对雾滴分布均匀程度影响较大。
从表2可知，不同型号喷头在各接收点反映出的雾滴覆盖密度均不一致。1.0型和2.0型喷头，其各接收点的雾滴分布状况均不相同，2种型号喷头只有A、B等2个接收点的雾滴覆盖密度达到“农业航空作业质量技术指标”[20]，C点则上、中层雾滴覆盖密度达标，下层接收到的雾滴则不达标，D和E等接收点的雾滴覆盖密度均不达标，表明1.0型和2.0型喷头的有效喷幅为5.0 m(A点、B点)。1.5型的喷头在A、B、C等3个接收点上、中、下层的雾滴覆盖密度均符合要求，D点则上层雾滴覆盖密度符合要求，中、下层接收到的雾滴则不符合要求，E接收点接收到的雾滴则不符合要求，表明1.5型喷头的有效喷幅可达6.0 m(A点、B点、C点)。
3.1.3 雾滴粒径
不同型号喷头之间的药液雾化效果程度、雾滴粒径是大不相同的。由表2可得，3种型号的喷头中值直径值(DV.5)以2.0型喷头为最大，1.0型喷头为最小，表明1.0型喷头的雾滴孔径较小，其雾滴直径较小，雾化程度较高，但易于导致雾滴飘失；
2.0型喷头的雾滴孔径较大，其雾滴直径较大，雾滴不易飘失，但由于雾化程度较差，雾滴分散性差且分布不均匀。3种型号的喷头中值直径值(DV.5)以竹冠上层的数值为最大，竹冠下层的数值为最小，表明粒径大的雾滴其穿透性较差，主要沉积在竹冠上层，粒径小的雾滴穿透性较好，主要沉积在下层。2.0型喷头的雾滴中值直径值较为适合，其雾滴粒径大小适中，在竹林中分布较为均匀，穿透性较强。
3.2 喷头型号对防治效果的影响
表3是不同型号喷头的林间喷雾防效的分析结果。从表3可得，3种型号喷头喷雾的防治效果，以1.5型喷头的防效最好，1.0型喷头的防效次之，2.0型喷头的防效最差。方差分析结果表明，相同农药不同型号喷头的防治效果之间有显著差异，表明无人机喷雾的防治效果与其喷头型号关系密切。
表3 不同型号喷头雾滴的林间防治效果Tab.3 Control effect of droplets from different sprinklers in forest
研究结果表明，无人机喷雾系统所采用的喷头型号与雾滴的覆盖密度、穿透性能、有效喷幅及林间的防治效果关系密切，喷头孔径的大小与雾滴分布均匀程度相关。无人机喷雾系统采用SX11001.5VS喷头的雾滴在林内的分布表现最好，其雾滴的沉降率、覆盖密度最高，有效喷幅最大，防治效果最理想。表明无人机在竹林喷雾作业时，其喷雾系统宜选用SX11001.5VS喷头。
有害生物的防治效果取决于其获得农药剂量的多少，获得的农药剂量则是药后靶标单位面积所沉积的药量，农药沉积的量取决于雾滴粒径、雾滴覆盖密度和农药的浓度。农药在有害生物的沉积量取决于单位面积雾滴数量，雾滴数量越多农药的沉积量越大，有害生物接触到的农药越多，防治效果就越好。研究结果表明，无人机喷头型号与雾滴在竹冠水平和垂直方向的沉积、分布均匀度关系紧密，以SX11001.5VS喷头的雾滴沉积分布情况最好。
无人机喷雾时，喷头孔径大，其雾滴粒径大，虽具有较大的动能，易沉降、不易发生随风漂移及蒸发散失，但会造成药液滚落流失，降低雾滴的覆盖密度与均匀度，造成农药喷雾效果不理想。喷头孔径小，其雾滴粒径小，雾滴附着性能好，不易发生流失，能随气流深入植株冠层内部，有较好的穿透性，可沉积在靶标正面或大雾滴不易沉积的背面。但如果雾滴的粒径过小，其在外界及无人机所产生的气流影响下，容易发生大量飘失，进而影响雾滴的沉降。如果喷头孔径过大，其雾滴粒径较大，不利于雾滴的飘移，雾滴的扩散沉降受影响，从而使雾滴过于堆积，减少了有效防治面积，会增大农药的用量。这一结果与已有的报道结论一致[21-24]。
与传统的人工地面喷雾施药技术相比，无人机喷雾技术可克服丘陵山地等各种因素所造成施药困难，具有操作便捷、工效高等优点，是省时、节力、降费的施药技术，它推动了林业施药技术的科技进步，为丘陵山地的林业有害生物防治施药技术提供了可复制、可推广的模式[25-26]。本研究明确了无人机喷雾系统的最适喷头型号，可应用于各地林业低空喷雾施药技术体系。
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