張莞玲

(西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西西安710089)

0 引言

甘蔗除草可分為出苗前除草和出苗后除草2個(gè)部分，由于出苗前期蔽蔭度低，機(jī)械化除草相對(duì)簡(jiǎn)單，通過拖拉機(jī)噴灑除草劑即可以達(dá)到良好的除草效果。而甘蔗生長(zhǎng)周期較長(zhǎng)，并且春夏季節(jié)的大部分時(shí)間地表基本處于暴露狀態(tài)，出苗后期蔽蔭度高且雜草生長(zhǎng)十分迅速，難以通過拖拉機(jī)實(shí)施除草。無人機(jī)作為一種新型、高效的除草工具已經(jīng)開始應(yīng)用于甘蔗作物的除草工作中[1-4]。

無人機(jī)除草技術(shù)在甘蔗等高桿作物的除草作業(yè)中有著十分明顯的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，無人機(jī)設(shè)備小巧靈活，噴灑效率高，尤其是在雨季里搶農(nóng)時(shí)能夠借助夜間無風(fēng)、高濕度的有利條件開展作業(yè)[5-7]。甘蔗株高在拔節(jié)前后通常已經(jīng)接近 1 m，大型的掛載牽引施藥設(shè)備很有可能引發(fā)斷苗的問題[8-9]。另外，由于不同地區(qū)甘蔗種植行距不一致，并且在地形上存在較大的差異。因此，傳統(tǒng)的拖拉機(jī)牽引設(shè)備或自走式施藥設(shè)備都會(huì)或多或少地遇到作業(yè)困難的問題。而通過無人機(jī)對(duì)甘蔗作物進(jìn)行除草處理則不會(huì)受到地面環(huán)境或作物種植模式的影響，尤其是在無人機(jī)通信能力不斷提高的情況下，無人機(jī)已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)精確定位、航線規(guī)劃以及增強(qiáng)霧化效果等功能。但在實(shí)地應(yīng)用中，無人機(jī)除草仍然普遍面臨著放藥不精準(zhǔn)、霧滴漂移等方面的問題，有必要進(jìn)行更加深入的實(shí)驗(yàn)研究。本次研究利用無人機(jī)裝載高濃度植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑來抑制甘蔗出芽后雜草的生長(zhǎng)，為了進(jìn)一步發(fā)揮無人機(jī)除草的應(yīng)用效果，還需要通過實(shí)驗(yàn)的方式來確定相關(guān)的飛行參數(shù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)地基本情況

試驗(yàn)地點(diǎn)設(shè)在廣西來賓市武宣縣思靈鄉(xiāng)河龍村，中等肥力，沙質(zhì)土壤，天氣晴朗多云，溫度為32.8℃，相對(duì)濕度為95%。

參試品種為甘蔗品種為桂糖42號(hào)，正常農(nóng)藝栽培，寬窄行種植。主要雜草包括單子葉和雙子葉雜草等，主要雜草有稗草[Echinochloa crusgalli(L.)Beauv]、馬唐[Digitaria sanguinalis(L.) Scop.]、牽牛花[Pharbitis nil(L.) Choisy]、勝紅薊(Ageratum conyzoidesL.)、酢漿草(Oxalis corniculataL.)、香附子(Cyperus rotundusL.)等。

1.2 參試材料

1.2.1 參試無人機(jī)設(shè)備

本次實(shí)驗(yàn)所采用的無人機(jī)設(shè)備為廣州極飛科技有限公司生產(chǎn)的P20-2018款RTK版電動(dòng)旋翼無人機(jī)，該機(jī)型采用復(fù)數(shù)槳對(duì)稱分布設(shè)計(jì)，可控性強(qiáng)且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有較強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)性與實(shí)用性，可大大增加甘蔗農(nóng)田的除草效率。

1.2.2 其他的儀器設(shè)備

本次實(shí)驗(yàn)所采用的霧滴測(cè)試設(shè)備包括：掃描儀、自封袋、記號(hào)筆、膠帶、夾子、標(biāo)志牌、移液器、量杯、量筒、風(fēng)速計(jì)等。

1.2.3 供試藥劑

試驗(yàn)采用的除草藥劑選自廣西田園生化股份有限公司生產(chǎn)的復(fù)硝酚鈉，主要用來抑制甘蔗芽后雜草的生長(zhǎng)。高濃度的植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑對(duì)于雜草的生長(zhǎng)有一定的抑制作用，本次研究通過無人機(jī)噴灑5%復(fù)硝酚鈉3500倍液用于甘蔗的苗后除草。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

作業(yè)時(shí)間：2020年5月10日7:00 am，播種后14天；作業(yè)地點(diǎn)：廣西來賓市武宣縣思靈鄉(xiāng)河龍村，上質(zhì)沙壤土，中等肥力；作業(yè)區(qū)面積：無人機(jī)單次作業(yè)面積總計(jì)0.53 hm2，重復(fù)作業(yè)4次，總作業(yè)面積共計(jì)2.13 hm2。

無人機(jī)航行狀態(tài)：無人機(jī)每次飛行藥箱按滿載8 L，飛行速度分別設(shè)定2.5、3.5、4.5 m/s，飛行高度分別設(shè)定1.5、2.5、3.5 m，以7 m為幅寬進(jìn)行測(cè)試，霧滴粒徑設(shè)置為120 μm。

1.4 調(diào)查方法

1.4.1 株數(shù)防效計(jì)算方法

藥后15天統(tǒng)計(jì)株數(shù)，計(jì)算株數(shù)防效。每個(gè)小區(qū)隨機(jī)選取3個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域選擇10株，一共30株，株數(shù)防效計(jì)算公式如下。

式⑴中：R為小區(qū)的雜草株數(shù)防效(%)；X0為噴藥前雜草株數(shù)(株)；X1為噴藥后雜草株數(shù)(株)。

1.4.2 鮮重仿效計(jì)算方法

于藥后 15天調(diào)查鮮重防效，選用絕對(duì)值調(diào)查法，每小區(qū)隨機(jī)取4個(gè)樣方，將雜草地上部分稱重，記錄鮮重；鮮重防效計(jì)算公式如下。

式⑵中：F為雜草鮮重防效(%)；T0為噴藥前的雜草鮮重(g)；T1為噴藥后的雜草鮮重(g)。

2 結(jié)果與分析

根據(jù)圖 1可知，在無人機(jī)飛行速度為 2.5 m/s的情況下，隨著飛行高度的增加，霧滴分布曲線呈扁平化發(fā)展。在飛行高度達(dá)到1.5 m的情況下，最高霧滴數(shù)達(dá)到 162個(gè)/cm3，并且嚴(yán)重集中在中間區(qū)域，噴幅邊緣霧滴數(shù)量下降至11個(gè)/cm3，較為理想的飛行高度為2.5和3.5 m，累計(jì)噴幅霧滴數(shù)量在2.5 m的飛行高度下達(dá)到最大。在飛行高度為3.5 m的情況下，從邊緣區(qū)域到噴幅中間霧滴數(shù)量為33～123個(gè)/cm3時(shí)分布最為理想。

圖1 當(dāng)速度為2.5 m/s時(shí)無人機(jī)在不同高度飛行時(shí)的霧滴數(shù)量

根據(jù)圖2可知，無人機(jī)在作業(yè)過程中一定程度上會(huì)受到風(fēng)力的影響，致使霧滴沉積數(shù)量偏向一側(cè)，但并未明顯改變整體趨勢(shì)。相比于無人機(jī)飛行速度為2.5 m/s的實(shí)驗(yàn)狀況來說，飛行速度為3.5 m/s的無人機(jī)在高度為1.5 m的情況下無明顯差異，同樣存在中間過度集中的問題，并且兩側(cè)邊緣霧滴數(shù)量迅速減少，比較理想的無人機(jī)飛行高度為2.5和3.5 m；在無人機(jī)飛行高度為2.5 m的情況下，霧滴數(shù)量在19～133個(gè)/cm3之間。在無人機(jī)飛行高度為3.5 m的情況下，霧滴數(shù)量在 19～110個(gè)/cm3之間，都比較適合作業(yè)。

根據(jù)圖3可以可知，在無人機(jī)飛行高度為1.5 m且飛行速度達(dá)到4.5 m/s的情況下，噴幅邊緣的霧滴數(shù)量并沒有出現(xiàn)明顯增加，仍然存在中間集中問題，并且相比于其他條件下，兩側(cè)霧滴數(shù)量減少的情況更加明顯。而在無人機(jī)飛行高度為3.5 m的情況下，霧滴漂移情況則出現(xiàn)了明顯的減少，無人機(jī)傾斜向前，噴幅兩側(cè)明顯減少，噴霧形成的帶狀后移。因此，在無人機(jī)飛行高度為2.5 m的情況下比較適合作業(yè)，霧滴數(shù)量在7～115個(gè)/cm3之間。

圖2 當(dāng)速度為3.5 m/s時(shí)無人機(jī)在不同高度飛行時(shí)的霧滴數(shù)量

圖3 當(dāng)速度為4.5 m/s時(shí)無人機(jī)在不同高度飛行時(shí)的霧滴數(shù)量

3 無人機(jī)飛行參數(shù)設(shè)置方案

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：⑴在將無人機(jī)飛行速度維持在2.5～4.5 m/s的情況下，飛行幅寬2.8 m以內(nèi)的霧滴數(shù)量和分布效果與飛行速度之間存在一定的關(guān)系，但都能達(dá)到或接近 80個(gè)/cm3霧滴的理想狀況。然而，在幅寬大于2.8 m的情況下，無人機(jī)的飛行速度將會(huì)顯著影響邊緣位置的霧滴數(shù)量，比如當(dāng)無人機(jī)飛行速度為4.5 m/s的情況下，幅寬邊緣霧滴數(shù)量明顯下降，且該位置雜草的種子如蟲卵般大小，而霧滴密度的提升對(duì)于類似小型靶標(biāo)的防治效果呈現(xiàn)極大的正相關(guān)。

⑵霧滴大量集中在中間部位的原因主要在于無人機(jī)飛行高度過低。并且在無人機(jī)飛行高度過低的情況下，霧滴很容易在未分散的情況下接觸甘蔗作物，進(jìn)而造成甘蔗表面藥物沉積量過大的問題，不僅影響作物品質(zhì)，同時(shí)也會(huì)造成一定程度上的農(nóng)藥浪費(fèi)。

⑶適當(dāng)增加無人機(jī)的飛行高度能夠增加無人機(jī)的作業(yè)幅寬，然而該操作還需要考慮到霧滴所受到的風(fēng)力影響，可能會(huì)出現(xiàn)一定程度的漂移或偏向。不過根據(jù)以往無人機(jī)除草經(jīng)驗(yàn)，在清晨進(jìn)行作業(yè)能夠?qū)L(fēng)力的影響控制在較低限度。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果，應(yīng)用于甘蔗除草作業(yè)的無人機(jī)最佳飛行速度為3.5 m/s，飛行高度為2.5 m，幅寬設(shè)置4 m。

4 甘蔗雜草的防效測(cè)定

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果設(shè)定無人機(jī)飛行參數(shù)為飛行速度為3.5 m/s，飛行高度為2.5 m，幅寬設(shè)置為4 m，噴灑5%復(fù)硝酚鈉3500倍液用于甘蔗的苗后除草。分別調(diào)查了甘蔗出苗后除草15天后的雜草防效，具體結(jié)果如表1所示。

經(jīng)調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，施藥區(qū)各類雜草及總草的株數(shù)與鮮重均大幅低于噴藥前狀態(tài)。其中，單子葉雜草株數(shù)防效可達(dá)89.35%，雙子葉雜草株數(shù)防效可達(dá)99.18%，總雜草株數(shù)防效可達(dá)96.11%；單子葉雜草鮮重防效可達(dá) 85.23%，雙子葉雜草鮮重防效可達(dá)97.12%，總雜草鮮重防效可達(dá)96.33%?？傮w而言，無人機(jī)噴施藥效較為理想。

表1 甘蔗雜草防效調(diào)查結(jié)果

5 結(jié)論

通過甘蔗田間實(shí)驗(yàn)的方式來確定無人機(jī)除草的主要參數(shù)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用于甘蔗除草作業(yè)的無人機(jī)最佳飛行速度為3.5 m/s，飛行高度為 2.5 m，幅寬設(shè)置4 m。該飛行參數(shù)可在噴灑寬幅充分的情況下有效提升霧滴密度，減少農(nóng)藥浪費(fèi)。且無人機(jī)甘蔗除草技術(shù)的應(yīng)用可使苗后總雜草的株數(shù)防效達(dá)到96.11%，鮮重防效水平提升至96.33%，除草效果較為理想。