高振剛，王 寧，郝一軍，杭 蓋，王萬(wàn)勇

（1.鄂爾多斯應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000；2.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051；3.鄂爾多斯市凱圖科技有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017004）

0 引言

玉米是我國(guó)第一大糧食作物，內(nèi)蒙古自治區(qū)是我國(guó)玉米的主產(chǎn)區(qū)之一，玉米產(chǎn)量位居全國(guó)第三，2022 年內(nèi)蒙古自治區(qū)玉米種植面積約5600 萬(wàn)hm2，玉米產(chǎn)量占全區(qū)糧食總產(chǎn)量的74%。內(nèi)蒙古自治區(qū)屬溫帶大陸性氣候和溫帶季風(fēng)性氣候，玉米病蟲害常有發(fā)生，主要的病蟲害有玉米螟、地下害蟲、蚜蟲、玉米大小斑病、葉螨（紅蜘蛛）、瘤黑粉等，會(huì)不同程度地影響玉米產(chǎn)量；同時(shí)玉米在生長(zhǎng)期缺少肥料及一些微量元素也會(huì)影響玉米產(chǎn)量，因此進(jìn)行病蟲害施藥防治及葉面施肥是保證玉米產(chǎn)量的重要手段。目前，主要的病蟲害防治施藥方式有背負(fù)式噴霧器、小型農(nóng)機(jī)噴藥器以及植保無(wú)人機(jī)噴藥。背負(fù)式噴霧器需要作業(yè)人員背負(fù)，不僅重量大、農(nóng)藥利用率低，還容易造成農(nóng)藥殘留污染，使作業(yè)人員中毒；小型農(nóng)機(jī)噴藥器只適用于玉米秸稈低矮時(shí)使用，容易造成壓苗現(xiàn)象。植保無(wú)人機(jī)作為近幾年新興的農(nóng)用機(jī)械在水田和果園已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，在旱田的應(yīng)用也在快速發(fā)展。植保無(wú)人機(jī)體積小，攜帶便捷，將人與農(nóng)藥分離，避免了作業(yè)人員直接接觸農(nóng)藥；而且植保無(wú)人機(jī)施藥方便，無(wú)論是成片的大面積地塊還是零散的小面積地塊，無(wú)人機(jī)都可有效施藥，提高了農(nóng)藥的利用率[1-2]。同時(shí)，植保無(wú)人機(jī)還可用于玉米中后期葉面肥的噴灑，以幫助玉米補(bǔ)充微量元素，助其更好地生長(zhǎng)[3]。

植保無(wú)人機(jī)噴施作業(yè)過程中，霧滴漂移會(huì)造成藥液浪費(fèi)、引發(fā)環(huán)境污染等問題，霧滴沉積是評(píng)價(jià)無(wú)人機(jī)作業(yè)質(zhì)量的重要指標(biāo)。無(wú)人機(jī)的作業(yè)參數(shù)（飛行高度、飛行速度等）、噴頭類型及噴頭間距均對(duì)霧滴沉積量有著很大的影響[4-6]。高圓圓等[7]研究了AF-811 型植保無(wú)人機(jī)在不同的飛行高度下對(duì)玉米不同層高的霧滴沉積密度的影響。研究表明：飛行高度為2.5 m 時(shí)，霧滴沉積密度最大，并從上層向下層逐層降低。秦維彩等[8]研究了單旋翼N-3 型植保無(wú)人機(jī)在3 個(gè)飛行高度和噴頭條件下對(duì)玉米冠層的霧滴沉積分布的影響。李建偉等[9]研究了無(wú)人機(jī)飛行高度、飛行速度、旋翼轉(zhuǎn)速對(duì)紫花苜蓿病蟲害治理效果的影響，無(wú)人機(jī)對(duì)紫花苜蓿植保噴施的霧滴沉積密度的影響主次因素為：飛行速度>飛行高度>旋翼轉(zhuǎn)速；對(duì)霧滴乘積均勻度的影響主次因素為：飛行高度>飛行速度>旋翼轉(zhuǎn)速。謝英杰等[10]研究了植保無(wú)人機(jī)噴施除草劑噴頭選擇對(duì)霧滴覆蓋率的影響。劉琪等[11]在研究航空植保參數(shù)對(duì)蘋果樹霧滴沉積特性影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，噴頭間距對(duì)噴幅影響極其顯著。

考慮到飛行作業(yè)參數(shù)是影響霧滴沉積指標(biāo)的重要因素，同時(shí)，因不同類型植保無(wú)人機(jī)的機(jī)身構(gòu)造不一，對(duì)作業(yè)高度、作業(yè)速度等的參數(shù)要求也不同，本文選取玉米大田為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，通過正交試驗(yàn)對(duì)比不同飛行參數(shù)下的霧滴沉積量，以期為植保無(wú)人機(jī)在玉米病蟲害防治以及葉面肥噴施作業(yè)的飛行參數(shù)選擇提供參考。

1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用無(wú)人機(jī)為大疆T30 植保無(wú)人機(jī)（大疆創(chuàng)新科技有限公司，深圳市），型號(hào)為3WWDZ-30A，施藥噴頭為壓力型015 噴頭，霧滴采集試紙為水敏試紙（重慶六六山下植保科技有限公司，重慶），試驗(yàn)藥劑為蕓苔素內(nèi)酯和淝爾神葉面肥，邁飛飛防助劑。

2 試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)因素設(shè)置

選擇無(wú)人機(jī)的飛行高度、飛行速度為試驗(yàn)因素，在設(shè)定農(nóng)田位置后自動(dòng)巡航作業(yè)模式下進(jìn)行。飛行高度、飛行速度通過遙控器直接設(shè)定，噴灑用量設(shè)定為1.3 L/hm2，噴幅設(shè)定為6 m。

根據(jù)植保無(wú)人機(jī)作業(yè)的工作經(jīng)驗(yàn)，選定植保無(wú)人機(jī)作業(yè)較好的參數(shù)范圍為飛行高度2～3 m，飛行速度為5～7 m/s。采用混合正交水平試驗(yàn)法，即L9（32），試驗(yàn)因素水平設(shè)置見表1[12]。

表1 試驗(yàn)因素水平設(shè)置

2.2 試驗(yàn)環(huán)境條件

在內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市某高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田玉米試驗(yàn)用地開展試驗(yàn)，玉米地塊為生長(zhǎng)良好、密度較大的正常種植田地。玉米高度為190～200 cm，采集點(diǎn)處玉米行距為25～30 cm，風(fēng)速為2～3 級(jí)，溫度為20～25 ℃。

2.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.3.1 采樣點(diǎn)設(shè)置

使用無(wú)人機(jī)進(jìn)行GPS 定位，選取30×30 m 的試驗(yàn)區(qū)，在此區(qū)域內(nèi)設(shè)置無(wú)人機(jī)飛行航線，在航線的中央?yún)^(qū)域布置采樣點(diǎn)，避免無(wú)人機(jī)因起飛、降落、轉(zhuǎn)向等導(dǎo)致漏噴、多噴，每個(gè)采樣點(diǎn)間隔50～60 cm，采樣點(diǎn)設(shè)置在玉米植株的上、中、下3 層，距地面高度分別為180、140、100 cm。

2.3.2 噴灑藥劑調(diào)配

為不影響玉米生長(zhǎng)，選用葉面肥藥劑進(jìn)行試驗(yàn)。每次試驗(yàn)向無(wú)人機(jī)中添加6 L 左右的水，然后加入定量的葉面肥和飛防助劑。

2.3.3 試紙采集與數(shù)據(jù)處理

采用無(wú)人機(jī)施藥后，等待5 分鐘使霧滴完全沉降，收集試紙并待試紙上的霧滴干燥之后按上、中、下的順序依次收集試紙并將其放入收集袋，標(biāo)上試驗(yàn)序號(hào)。將收集的水敏紙掃描成灰度圖片，然后使用python-3.6.1-amd64 軟件對(duì)圖片中的信息進(jìn)行處理，得到試驗(yàn)紙上霧滴沉積密度、霧滴沉積均勻度等數(shù)據(jù)。

2.3.4 試驗(yàn)指標(biāo)

霧滴沉積密度采用玉米同一采樣層上所有采集點(diǎn)的霧滴沉積密度的平均值表示，計(jì)算公式為

式中：

X——霧滴沉積密度，個(gè)/cm2；

N——水敏紙上的霧滴數(shù)目，個(gè)；

s——水敏紙有效處理面積，cm2；

n——同一采樣層上采樣點(diǎn)的數(shù)目，個(gè)。

霧滴沉積均勻度采用霧滴沉積密度的變異系數(shù)CV 表示，計(jì)算公式為

式中：

xi——每個(gè)采樣點(diǎn)的霧滴沉積密度，個(gè)/cm2。

3 結(jié)果與分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

表2 為在各類作業(yè)參數(shù)下，玉米上、中、下層的霧滴沉積密度和均勻度統(tǒng)計(jì)結(jié)果[13-14]。由表2 數(shù)據(jù)可知，在同一作業(yè)條件下，霧滴沉積密度在上、中、下3 層呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，這與作業(yè)過程中藥液首先接觸上層葉面的實(shí)際情況是相符的，而霧滴沉積均勻度在上、中、下層呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，這與霧滴最后接觸下層葉面、具有更長(zhǎng)的漂浮時(shí)間從而形成較為均勻分布的實(shí)際情況也是相符的，在一定程度上驗(yàn)證了本試驗(yàn)的有效性。上、中、下層霧滴沉積密度的變化范圍分別為4.13～10.89、1.80～4.18、1.65～2.65 個(gè)/cm2。霧滴沉積均勻度的變化范圍分別為12.66%～38.75%、27.40%～45.21%、32.92%～48.56%。

3.2 試驗(yàn)因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)影響主次順序分析

表3 為各作業(yè)參數(shù)下，玉米上、中、下3 層的霧滴沉積量極差分析結(jié)果。由表3 數(shù)據(jù)可知，植保無(wú)人機(jī)作業(yè)時(shí)，無(wú)人機(jī)飛行高度和速度影響玉米上、中、下層霧滴沉積密度的主次順序分別為：A＜B、A＞B、A＞B，其中最優(yōu)組合分別為：A2B1、A2B1、A2B1；影響霧滴沉積均勻度的主次順序分別為：A＞B、A＜B、A＜B，其中最優(yōu)組合分別為：A2B3、A1B3、A2B1。

3.3 試驗(yàn)因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響顯著性分析

表4 為作業(yè)過程中的霧滴沉積量方差分析結(jié)果，由表4 數(shù)據(jù)可知：植保無(wú)人機(jī)的飛行高度對(duì)玉米上層的霧滴沉積密度的影響不顯著，對(duì)玉米中層的霧滴沉積密度的影響顯著，對(duì)玉米下層的霧滴沉積密度影響極顯著，分析原因可能為玉米上層無(wú)遮擋且最先接觸霧滴，因此無(wú)人機(jī)飛行高度對(duì)玉米上層的影響最?。欢?、下層由于有玉米葉子遮擋，且飛行高度對(duì)霧滴漂移率和無(wú)人機(jī)機(jī)翼產(chǎn)生的向下氣流的大小影響較大，影響霧滴向中、下層輸送的數(shù)量，進(jìn)而影響霧滴沉積密度。飛行速度對(duì)玉米上層的霧滴沉積密度的影響顯著，對(duì)玉米中、下層的霧滴沉積密度均影響不顯著，分析原因可能為在無(wú)人機(jī)噴頭流量一定的情況下，飛行速度越快，單位面積內(nèi)的霧滴數(shù)量越少，對(duì)落在玉米上層的霧滴數(shù)量影響最大，而由于遮擋、霧滴飄移等因素影響，落在中、下層的霧滴數(shù)量不會(huì)有明顯差異，因此飛行速度對(duì)玉米中、下層的影響不顯著。

表4 霧滴沉積量方差分析結(jié)果

飛行高度對(duì)玉米上、下層的霧滴沉積均勻度均影響顯著，對(duì)玉米中層的霧滴沉積均勻度影響不顯著，分析原因可能為不同高度會(huì)影響漂移率的大小，漂移率越小，單位面積內(nèi)霧滴數(shù)量越多，進(jìn)而導(dǎo)致多霧滴融合使霧滴重量和粒徑變大，霧滴粒徑變大會(huì)導(dǎo)致霧滴沉積不均勻，而霧滴越重向下層飄落的概率越大，因此飛行高度對(duì)上、下層的霧滴沉積均勻度影響較大[15]。飛行速度對(duì)玉米上、中層的霧滴沉積均勻度影響不顯著，對(duì)玉米下層的霧滴沉積均勻度影響顯著，分析原因可能為同一高度下，飛行速度越快，單位面積內(nèi)霧滴數(shù)量越少，霧滴向下飄落過程中霧滴融合概率變小，飄移概率變大，因而飛行速度對(duì)玉米下層的霧滴沉積均勻度影響最大。

3.4 作業(yè)因素水平的綜合分析

根據(jù)本次試驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)合對(duì)數(shù)據(jù)的極差和方差的分析結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：試驗(yàn)中，飛行高度A 為2.5 m，飛行速度B 為5 m/s 時(shí)（第4 組試驗(yàn)），植保無(wú)人機(jī)整體噴施效果最優(yōu)。

根據(jù)植保無(wú)人機(jī)實(shí)際作業(yè)中的經(jīng)驗(yàn)，噴施作業(yè)過程中，由于工作現(xiàn)場(chǎng)的復(fù)雜性及其他因素的影響，3 個(gè)飛行高度都會(huì)使用，為了對(duì)玉米植保作業(yè)有更好的幫助，對(duì)無(wú)人機(jī)在3 個(gè)飛行高度的最優(yōu)作業(yè)參數(shù)進(jìn)行總結(jié)梳理，即飛行高度為2 m 時(shí)最優(yōu)作業(yè)速度為5 m/s；飛行高度為2.5 m 時(shí)最優(yōu)作業(yè)速度為5 m/s；飛行高度為3 m 時(shí)最優(yōu)作業(yè)速度為5 m/s。

4 結(jié)論

植保無(wú)人機(jī)作業(yè)效果受到多種因素的影響，如農(nóng)作物種類、作業(yè)參數(shù)、噴頭數(shù)量和位置、噴桿的分布和尺寸、環(huán)境因素等，在現(xiàn)有的無(wú)人機(jī)作業(yè)參數(shù)與施藥效果的影響研究中，大多集中在果樹、低矮植物如紫花苜蓿、水稻等方面，對(duì)高桿植物研究較少。本文研究了無(wú)人機(jī)對(duì)玉米作物施藥時(shí)，飛行速度和高度對(duì)玉米上、中、下層霧滴沉積密度和霧滴沉積均勻度的影響，旨在為無(wú)人機(jī)在高桿作物的施藥工作中提供作業(yè)參數(shù)參考。經(jīng)過試驗(yàn)研究，無(wú)人機(jī)的飛行高度對(duì)玉米上、中、下3 個(gè)高度層級(jí)的霧滴沉積量影響較大，飛行速度的影響則較弱于飛行高度。