黃俊源，陸成確，黃運(yùn)鵬，王舉兵，婁兵海，廖榮珍

(1 廣西柑桔育種與栽培工程技術(shù)研究中心/廣西特色作物研究院，廣西桂林，541004；2 廣西壯族自治區(qū)水果生產(chǎn)技術(shù)指導(dǎo)總站，南寧，530000)

柑桔產(chǎn)業(yè)是廣西農(nóng)業(yè)的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)之一，近年來(lái)廣西柑桔產(chǎn)業(yè)發(fā)展勢(shì)頭迅猛。2018年廣西柑桔面積38.82萬(wàn)hm2，占全國(guó)柑桔面積的16%，產(chǎn)量836.49萬(wàn)t，占全國(guó)柑桔產(chǎn)量的20.21%[1]。然而，由于勞力老齡化嚴(yán)重和噴藥勞動(dòng)強(qiáng)度大，導(dǎo)致管理粗放，果實(shí)品質(zhì)、效益明顯受限。因此，探索新技術(shù)用于緩解勞力不足，增強(qiáng)病蟲害管理，提升效益，勢(shì)在必行[2]。目前水稻、小麥、玉米已廣泛使用植保無(wú)人機(jī)進(jìn)行病蟲害防治，而果樹樹體較大，枝葉層疊密度高，對(duì)無(wú)人機(jī)飛防作業(yè)效果有較大影響，“飛防”正處于起步階段[3-5]。不同的飛行高度、速度、風(fēng)力和噴頭流量會(huì)影響藥液在植株上的附著力和覆蓋面積。筆者以六旋翼油動(dòng)植保無(wú)人機(jī)為研究機(jī)型，對(duì)不同飛行速度和高度組合下柑桔植株不同部位的風(fēng)力及葉片正反面霧滴沉積密度等進(jìn)行測(cè)定，以期為植保無(wú)人機(jī)對(duì)柑桔類果樹的精準(zhǔn)航空作業(yè)提供參考，提高植保無(wú)人機(jī)在果園的作業(yè)質(zhì)量，滿足果樹產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化需求。

1 材料與方法

1.1 供試區(qū)域與材料

供試區(qū)域?yàn)閺V西南寧市武鳴區(qū)鑼圩鎮(zhèn)廣西水果技術(shù)指導(dǎo)站試驗(yàn)展示中心2區(qū)(東經(jīng)23°23′3314″、北緯108°09′2401″)。該地塊種植5年生普通沃柑植株，株行距為3 m×3.5 m，約為60株/667 m2，平均株高約2.8 m，平均冠幅約2.5 m。同時(shí)，地勢(shì)平坦，上方無(wú)障礙物，能保證飛行參數(shù)保持穩(wěn)定，符合試驗(yàn)要求。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)機(jī)型為六旋翼油動(dòng)植保無(wú)人機(jī)，機(jī)身尺寸2 300 cm×2 000 cm×900 cm，機(jī)身質(zhì)量75 kg，最大起飛質(zhì)量149 kg，最大載藥量50 L，單次續(xù)航時(shí)間為1～4 h。全機(jī)身配備六旋翼共12個(gè)向下錐型壓力噴頭。有2種作業(yè)噴頭類型供選擇，噴施流量為400 mL/min的A型噴頭適用于噴施殺蟲殺菌劑，噴施流量為600 mL/min的B型噴頭適用于噴施葉面肥、留樹保鮮劑，噴施壓力均為0.75 MPa。本試驗(yàn)選用A型噴頭。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 不同飛行參數(shù)下風(fēng)場(chǎng)風(fēng)力測(cè)試

無(wú)人機(jī)飛行速度設(shè)1、1.5、2、2.5、3 m/s，離地飛行高度設(shè)5、6、7、8、9 m，共25個(gè)飛行參數(shù)組合。柑桔樹形較大，無(wú)人機(jī)風(fēng)場(chǎng)從上至下經(jīng)過層疊的枝葉會(huì)逐漸產(chǎn)生損耗，而不同修剪方式會(huì)改變樹冠整體結(jié)構(gòu)與內(nèi)膛通風(fēng)透氣性，也會(huì)對(duì)無(wú)人機(jī)風(fēng)場(chǎng)產(chǎn)生影響。因此，從已修剪(少量修剪主枝，配合修剪側(cè)枝及枝組，下枝量為35%，達(dá)到緩解內(nèi)膛郁閉的效果)與未修剪兩種樹形中分別隨機(jī)選取9株沃柑樹，每株樹冠沿垂直方向分上、中、下3層，每層于水平中央處固定風(fēng)速測(cè)定儀器采集風(fēng)力數(shù)據(jù)，各采集點(diǎn)距離地面高度分別為0.6、1.6和2.6 m。同時(shí)，觀察樹體晃動(dòng)及機(jī)械損傷情況。

1.3.2 不同飛行參數(shù)下霧滴沉積密度測(cè)定

選取株高、冠幅與葉片面積基本一致的沃柑樹3株，每株樹冠沿垂直方向分上、中、下3層，每層在水平方向樹冠中心及東、南、西、北四個(gè)方向距中心0.9 m處共5個(gè)點(diǎn)設(shè)置正、反面霧滴水敏測(cè)試紙(先正達(dá)，76 mm×26 mm)[6]，每株樹共布置30個(gè)霧滴數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)(見圖1)。結(jié)合飛行器性能與田間作業(yè)要求，采用A型噴頭(流量為400 mL/min)，單位面積噴施量固定為6 L/667 m2，飛行速度設(shè)1.5、2、2.5 m/s，飛行高度設(shè)6、7、8 m，共9組不同參數(shù)飛行架次。以霧滴密度為基礎(chǔ)參數(shù)對(duì)不同處理的霧滴沉積效果進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。

圖1 柑桔霧滴密度采樣區(qū)域示意

試驗(yàn)?zāi)M噴施試劑為清水，作業(yè)結(jié)束后為防止天氣潮濕導(dǎo)致試紙產(chǎn)生變化，立即收集田間水敏試紙，并利用大疆MG-1/S/A/P手持霧滴分析儀迅速進(jìn)行霧滴密度分析。同時(shí)，通過“看測(cè)者T1超聲波風(fēng)向風(fēng)速紅外雨量固定基站”(廣州新標(biāo)農(nóng)業(yè)科技有限公司)，每架次記錄一次，實(shí)時(shí)記錄試驗(yàn)過程中自然環(huán)境的溫度、濕度、風(fēng)速及風(fēng)向等氣象信息(見表1)。

表1 各飛行架次的飛行參數(shù)及氣象數(shù)據(jù)

2 結(jié)果與分析

2.1 無(wú)人機(jī)飛防作業(yè)風(fēng)場(chǎng)強(qiáng)度

2.1.1 兩種修剪樹形風(fēng)場(chǎng)風(fēng)速

已修剪樹：無(wú)人機(jī)風(fēng)場(chǎng)在樹冠上層的風(fēng)速平均為11.824 m/s，樹冠中層的風(fēng)速平均為7.271 m/s，樹冠下層的風(fēng)速平均為4.414 m/s。飛行參數(shù)為飛行速度1 m/s與飛行高度5 m的組合下，無(wú)人機(jī)風(fēng)場(chǎng)在樹冠上層的風(fēng)速最大，達(dá)15.507 m/s，中層達(dá)8.668 m/s，下層達(dá)到6.306 m/s。

未修剪樹，無(wú)人機(jī)風(fēng)場(chǎng)在樹冠上層的風(fēng)速平均為9.150 m/s，樹冠中層的風(fēng)速平均為6.065 m/s，樹冠下層的風(fēng)速平均為4.091 m/s。飛行參數(shù)為飛行速度1 m/s與飛行高度5 m的組合下，無(wú)人機(jī)風(fēng)場(chǎng)在樹冠上層的風(fēng)速最大，達(dá)12.450 m/s，中層達(dá)到9.033 m/s，下層達(dá)到5.503 m/s。

比較發(fā)現(xiàn)，植株樹冠各層風(fēng)場(chǎng)風(fēng)速受到飛行速度與飛行高度影響，風(fēng)場(chǎng)風(fēng)速與飛行速度和高度均呈反比趨勢(shì)，即飛行速度越快、高度越高，則風(fēng)場(chǎng)風(fēng)速越小。同時(shí)，植株修剪與否也對(duì)風(fēng)場(chǎng)風(fēng)速有影響，未修剪植株的平均風(fēng)場(chǎng)強(qiáng)度小于修剪植株，其中，修剪植株上層風(fēng)速增加29.22%，中層增加19.88%，下層增加7.90%(見表2)。

表2 不同飛行參數(shù)下已修剪和未修剪沃柑樹無(wú)人機(jī)風(fēng)場(chǎng)風(fēng)速

2.1.2 無(wú)人機(jī)風(fēng)場(chǎng)對(duì)樹體的機(jī)械損傷

通過對(duì)試驗(yàn)地進(jìn)行破壞性飛行測(cè)試試驗(yàn)，均未觀察到有樹枝折斷現(xiàn)象。同時(shí)中國(guó)氣象局于2001年下發(fā)的風(fēng)力等級(jí)對(duì)照表表明，17.2～20.7 m/s為8級(jí)風(fēng)，達(dá)到折毀樹杈程度。在本試驗(yàn)中，無(wú)人機(jī)處于可飛行作業(yè)的最低高度(5 m)、最低飛行速度(1 m/s)的極端飛行狀態(tài)下時(shí)，已修剪樹的無(wú)人機(jī)風(fēng)場(chǎng)風(fēng)速最大為15.507 m/s，未修剪樹的無(wú)人機(jī)風(fēng)場(chǎng)風(fēng)速最大12.586 m/s，風(fēng)力未達(dá)到8級(jí)風(fēng)，即除極少量細(xì)幼或已存在傷口的小枝外，大概率不會(huì)對(duì)樹體造成機(jī)械性損傷。

2.2 不同飛行參數(shù)下柑桔各部位霧滴密度

2.2.1 平均霧滴密度

9個(gè)不同參數(shù)飛行架次試驗(yàn)的結(jié)果表明，葉片正面霧滴密度平均為104個(gè)/cm2，背面平均為39個(gè)/cm2，正面霧滴密度明顯大于背面。其中，正面最大值為142個(gè)/cm2(架次1)，背面最大值51個(gè)/cm2(架次3)；正面最小值為55個(gè)/cm2(架次9)，背面最小值為29個(gè)/cm2(架次9)(見表3)。隨著飛行速度提高，葉片正面平均霧滴密度呈大幅度持續(xù)下降趨勢(shì)，葉片背面平均霧滴密度微小幅度上升后小幅度下降。隨著飛行高度上升，葉片正面平均霧滴密度先下降再回升，變化范圍為±18個(gè)/cm2；葉片背面平均霧滴密度則幾乎無(wú)變化，保持在39個(gè)/cm2左右(見圖2)。說(shuō)明，該款機(jī)型無(wú)人機(jī)，在1.5～2.5 m/s速度和6～8 m高度的飛行參數(shù)變化上，飛行速度變化對(duì)霧滴密度的影響大于飛行高度變化的影響。由此認(rèn)為，將該款機(jī)型無(wú)人機(jī)的飛行速度保持1.5 m/s，高度在8 m范圍內(nèi)根據(jù)地勢(shì)地形與障礙物的限制進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，均可以達(dá)到較好的飛防噴施效果。

表3 各飛行架次沃柑樹不同方位葉片(采樣點(diǎn))霧滴沉積密度 個(gè)/cm2

圖2 不同飛行參數(shù)下葉片霧滴沉積密度

2.2.2 霧滴沉積密度平面分布

9個(gè)架次數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，樹冠不同方位葉片正面霧滴沉積密度平均值變幅略大，東、南、北向均大于110個(gè)/cm2，西向低至94個(gè)/cm2，中部(內(nèi)膛)僅83個(gè)/cm2。樹冠不同方位葉片背面霧滴沉積密度平均值變幅較小，中部略低，為28個(gè)/cm2，四周在37～48個(gè)/cm2之間(見表2)?？傮w上看，在六旋翼植保無(wú)人機(jī)作業(yè)下，柑桔樹冠層直徑1.8 m的圓周區(qū)域4個(gè)方向霧滴沉積密度基本趨于等量分布，而中部霧滴沉積密度相對(duì)較小。

2.2.3 霧滴沉積密度垂直分布

統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，葉片正面霧滴沉積密度隨冠層的變化受飛行參數(shù)(架次)影響：架次1、3、5、7的葉片正面霧滴密度變化呈V型，即中層密度最低，上層和下層密度高；架次2、4、8為從上至下逐漸遞減；架次6、9則在中層密度增多，下層降低；9個(gè)架次平均，上層為112個(gè)/cm2，中層為98個(gè)/cm2，下層為102個(gè)/cm2。葉片背面霧滴沉積密度隨冠層的變化，基本表現(xiàn)為V型，中層低于上下層；9個(gè)架次平均，上層為45個(gè)/cm2，中層為27個(gè)/cm2，下層為44個(gè)/cm2(見圖3)?？梢?，該無(wú)人機(jī)基本具備在一定氣候和飛行參數(shù)的條件下對(duì)柑桔樹進(jìn)行全株覆蓋的植保飛防作業(yè)能力，需要注意的是樹冠中層的霧滴沉積密度較低，可能導(dǎo)致植株局部受藥效果不佳。

圖3 不同架次柑桔植株垂直方向霧滴沉積密度分布規(guī)律

3 討論與展望

在減少勞動(dòng)力成本、節(jié)水節(jié)藥的同時(shí)提高作業(yè)效率與質(zhì)量，是柑桔園采用植保無(wú)人機(jī)精準(zhǔn)施藥的最大優(yōu)勢(shì)與追求目標(biāo)[7]。張盼等[8]將QJ-460小型四旋翼無(wú)人機(jī)(珠海綠衛(wèi)士航空植保技術(shù)有限公司)用于10年生枳砧改良橙園(株行距3 m×4 m，平均冠幅3 m，平均株高2.5 m)，在最優(yōu)噴灑技術(shù)組合下作業(yè)，霧滴沉積密度為53.39個(gè)/cm2，霧滴粒徑為0.25 mm。陳盛德等[9]將TXA-翔農(nóng)六旋翼電動(dòng)無(wú)人直升機(jī)(廣州天翔航空科技有限公司提供的)用于樹高2～3 m的沙糖桔園，在最佳技術(shù)參數(shù)組合下作業(yè)，上、中、下冠層的平均霧滴沉積密度分別為196.11、114.76、73.60 個(gè)/cm2。

本試驗(yàn)應(yīng)用大型六旋翼油動(dòng)植保無(wú)人機(jī)對(duì)沃柑園進(jìn)行噴霧試驗(yàn)，結(jié)果顯示：(1)霧滴沉積密度較大，葉片正面平均為104個(gè)/cm2，葉片背面平均為39個(gè)/cm2；9個(gè)架次作業(yè)結(jié)果均達(dá)到風(fēng)送式果園噴霧機(jī)作業(yè)質(zhì)量要求規(guī)定(殺蟲劑霧滴沉積密度≥15個(gè)/cm2，一般殺菌劑≥20個(gè)/cm2，內(nèi)吸殺菌劑≥20個(gè)/cm2)[10]。(2)霧滴分布較為均勻，可覆蓋葉片背面，水平方向各方位(東、南、北、西、中)葉片正面霧滴沉積密度在83～115個(gè)/cm2之間，葉片背面在28～48個(gè)/cm2之間；垂直方向不同冠層(上、中、下層)葉片正反面霧滴沉積密度在27～112個(gè)/cm2之間，均達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，最低值為中層葉背的27個(gè)/cm2。(3)經(jīng)過適當(dāng)修剪的樹體，通風(fēng)透光，樹冠各層無(wú)人機(jī)作業(yè)風(fēng)場(chǎng)風(fēng)力增加，有利于穿透冠層，促使霧滴在冠層各部位的較好分布[8]，同時(shí)，最大風(fēng)力(15.507 m/s)也基本不會(huì)對(duì)植株造成機(jī)械損傷。

無(wú)人機(jī)基本可以勝任于柑桔園日常的打藥施肥作業(yè)，特別是在大面積的柑桔黃龍病統(tǒng)防統(tǒng)治中用于柑桔木虱的防控作業(yè)具有重要意義。生產(chǎn)中，部分柑桔的病蟲害存在于葉片背面，如何保證樹冠內(nèi)膛和葉片背面充分受藥，仍是柑桔無(wú)人機(jī)飛防作業(yè)需要攻克的難點(diǎn)。