无人机喷雾作业定高对雾滴在竹林中沉降分布及防效的影响

洪宜聪 沈彩霞 郑新英 吴青松

(1 福建省沙县林业局 福建三明 365050；2 福建省三明莘口格氏栲自然保护区服务站 福建三明 365000；3 福建省三明市林业基金站 福建三明 365000)

中国南方复杂的丘陵山地林情给林业有害生物防治工作增添了很多困难，受林情地势的影响，传统常规的施药技术会不可避免地产生施药遗漏或重复施药区域，很难取得理想的防治效果，造成防治效果不佳且人工费用剧增等问题。空中施药是克服上述困难的技术手段之一，但现有的空中施药技术即飞机喷药却受地勤设施和防治面积等因素限制难以推广，如对小面积虫源地的施药防治、防治区域离机场位置较远等。随着科学技术的飞快发展，无人机已广泛应用于有害生物防治领域，目前已有应用于农业病虫防治方面的报道，但在林木有害生物防治方面的应用报道不多。

将无人机施药技术用于林业有害生物防治势在必行，无人机具有体积小巧、操作便捷、工效高、省时节力降费的优点，可以克服丘陵山地复杂的林情地势给防治工作带来的困难，对于推动林木虫害防治施药技术的发展意义重大。但无人机喷雾施药的作业速度和高度对雾滴均匀性、沉积和飘失状况有较大影响，飞行过快过高，雾滴均匀性差、沉积少，会影响防治效果；过慢过低，雾滴均匀性差、沉积过多，则会影响作业效率、增加防治成本。因此，开展无人机施药作业工作参数的研究已成为当前林业生产中急需解决的科学问题。目前国内外只有无人机用于水稻等农作物喷雾作业参数的研究报道[1-4]，尚未见有关无人机用于林业喷雾作业参数的报道。

基于保护生态环境与控制有害生物的目的，2020年本研究选择福建三明市沙县区的毛竹(Phyllostachysedulis)林建立试验区，选用1.5%苦参碱可溶液、1.2%烟碱·苦参碱乳油和4%鱼藤酮乳油等3种植物源农药，采用植保无人机开展不同飞行作业参数的喷雾防治试验。对比无人机不同作业参数雾滴沉降状况以及防治效果，明确无人机喷雾作业参数，构建无人机喷药作业技术体系及低空施药关键技术，以期为推动林业防治技术进步提供科技支撑，实现林业防治技术的集成与创新。

1 试验地概况

选择福建省三明市沙县区(北纬26°06′—26°41′，东经117°32′—118°06′)的毛竹林建立试验林，试验区海拔360～630 m，为山地丘陵区。属亚热带季风气候，年降水量1 510～1 840 mm，年均气温15.2～19.1 ℃，无霜期309 d。试验昆虫为竹镂舟蛾(LoudontadisparKiriakoff)，虫态为3龄幼虫，虫口密度52～106头/株，虫株率为56%～87%。试验区面积为509.2 hm2，竹林伴生树种主要有杉木(Cunninghamialanceolata)、福建青冈(Cyclobalanopsischungii)、闽粤栲(Castanopsisfissa)等。林下植被主要为迎春(Jasminumnudiflorum)、杜鹃(Rhododendronsimsii)、地菍(Melastomadodecandrum)、紫萼(Hostaventricosa)和淡竹叶(Lophatherumgracile)等[5-8]。试验区毛竹林基本情况见表1。

表1 试验区毛竹林概况Tab.1 General situation of Phyllostachys edulis forest in experimental area

2 试验材料与方法

2.1 试验材料

2.1.1 试验昆虫

从野外采集竹镂舟蛾的卵块，于室内孵化为幼虫后置于培养箱，并采摘新鲜的竹叶用清水洗净晾干后喂食，培养箱温度设为(27±1)℃、相对湿度72%、光照时长为14 h。当幼虫饲养至3龄后，依试验方案挑选虫体个头相近且正常活动的幼虫分装至虫笼供试。

2.1.2 器材与农药

器材：养虫笼(L=15 cm)；圆筒状100目铝纱网套笼(L=70 cm，ΦA=30 cm)；TWI280智能恒温恒湿培养箱(上海皓庄仪器有限公司)；大疆T20植保无人机(额定载荷15 L，8个小粒径低量喷头，喷嘴型号为SX11001VS，深圳市大疆创新科技有限公司)；卡纸架。

参试农药：1.5%苦参碱可溶液(内蒙古帅旗生物科技股份有限公司)；1.2%烟碱·苦参碱乳油(苦参碱含量0.7%，烟碱含量0.5%；内蒙古帅旗生物科技股份有限公司)；4%鱼藤酮乳油(河北天顺生物公司)。

试验辅助剂：U伴飞防专用助剂(北京广源益农化学有限责任公司)；水敏纸(重庆六六山下植保科技有限公司)，规格35 mm × 110 mm。

2.2 研究方法

2.2.1 试验区设计

在预定试验林中，沿无人机预定作业方向的中线每间隔10 m设立1个雾滴接收段，共设10个雾滴接收段；每个雾滴接收段向两侧分别以2.5、3.0、3.5、3.75 m等距离各设置a、b、c、d等4个雾滴接收点。各接收点分别在位于竹冠上部、中部和下部等3个高度设置固定雾滴测试卡装置，于无人机施药前在卡纸架上放置水敏纸接收雾滴，要求水敏纸水平朝上，处理设置3组重复。

在预定试验林中按“对角线”方法建立标准地若干个，标准地面积为0.067 hm2，随机选取标准地内毛竹20株定为标准株，同时选取枝叶相对茂盛的枝条为标准枝并套笼，喷药前每个套笼放入20头备试的竹镂舟蛾幼虫[9]。

2.2.2 农药浓度配制

将参试农药按药剂与纯净水的体积比分别配制成以下浓度：1.5%苦参碱可溶液和1.2%烟碱·苦参碱乳油设为1 300倍液[10-11]，4%鱼藤酮乳油设为1 000倍液[12-14]，按225 mL/hm2用量加入飞防专用助剂。

2.2.3 无人机作业参数与施药

根据前期试验，无人机作业高度设置7.5、7.0、6.5、6.0、5.5 m等5个水平，作业飞行速度定为2.0 m/s，药液用量20 L/hm2。

2020年5月15—20日，天气多云到晴，选择于6∶00—9∶30时段，运用大疆T20植保无人机喷施上述浓度的3种农药，作业时风速≤0.62 m/s、空气湿度≥73%，气温≤25.6 ℃，药后48 h内无降水。每个处理3次重复，同时设立对照林分，对照林分则采用喷施与药剂等量的“纯净水+U伴飞防专用助剂”。

2.2.4 雾滴统计分析

施药后2 h，即将各雾滴接收点的水敏试纸分别装入封口袋，于室内逐一扫描后，用雾滴分析软件对图像进行分析，统计药液在不同接收点的沉降率、分布密度和雾滴直径，计算雾滴沉降的变异系数。

雾滴密度变异系数(CV)=样本的标准差(S)/平均雾滴量(X)×100%

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

2.2.5 药剂防效数据处理

药后每天定时观察套笼内竹镂舟蛾幼虫活动状况，以各处理的幼虫死亡率超过95%时即结束观察，停止试验，统计并计算幼虫死亡率和校正死亡率[15-17]。

对试验获取的数据采用SPSS17.0软件进行分析处理，显著性检验则采用新复极差法，检验农药防治效果在P<0.05水平下的差异显著性。

3 结果与分析

3.1 雾滴沉降分布

3.1.1 雾滴沉降率和覆盖密度

无人机不同的工作参数其雾滴沉降率和覆盖密度差异较大。由表2可得，相同雾滴接收点，其雾滴沉降率和覆盖密度由从大到小的无人机作业高度依次为6.5、7.0、6.0、5.5、7.5 m。当作业高度≤6.5 m时相同接收点的雾滴覆盖密度随着高度上升而增大，在作业高度>6.5 m时则随着高度上升而减小。当作业高度为6.5 m时的雾滴沉降率和覆盖密度均显著高于其他作业高度。在作业高度为6.5 m时，a点上雾滴在竹林林冠层的上、中、下层沉降率分别为21.16%、19.01%、17.62%，覆盖密度分别为37.9、35.0、33.7 个/cm2，雾滴在各测试点林冠层的雾滴沉降率和覆盖密度由从大到小依次为上层、中层和下层。方差分析结果显示，雾滴在林冠层的垂直分布差异显著。雾滴不同的接收点即a、b、c和d点间雾滴沉降率和覆盖密度亦有差异，在作业高度为6.0、6.5和7.0 m时，其a、b、c点与d点间雾滴沉降率和覆盖密度差异显著，且a、b点和c点间差异则不显著；在作业高度为7.5、5.5 m时，其各点间雾滴沉降率和覆盖密度差异显著，表明雾滴在林冠沉降率和覆盖密度的水平分布与无人机作业高度关系密切。表明当无人机作业高度为6.5 m时，其雾滴在林冠沉降率和覆盖密度的水平分布与垂直分布为最好。

3.1.2 雾滴沉积分布均匀度和穿透性

雾滴密度变异系数作为衡量喷雾均匀性的标准，反映了喷雾雾滴在竹叶上分布的均匀度，变异系数越小表明雾滴在叶片上分布越均匀。由表2可得，无人机在不同作业高度时，相同的样点上雾滴在林冠层的分布均匀性表现为上层>中层>下层。不同作业高度表现出的雾滴分布均匀性有差异，当作业高度≤6.5 m时其雾滴分布均匀性随着高度上升而增大，在作业高度>6.5 m时则随着高度上升而减小。表明无人机的作业高度对雾滴在林分的分布均匀性影响较大。

表2(续)

雾滴在林冠层的上层、中层和下层沉积密度的变异系数可反映雾滴在林冠层的穿透性，变异系数越小表明雾滴在林冠层的穿透性越好。由表2可得，当作业高度为6.5 m时，a、b、c和d点的变异系数为35.02%～38.71%，变异系数最小，因此其表现出的穿透性最好；当作业高度为7.5 m时，a、b、c和d点的变异系数为43.31%～59.85%，变异系数最大，因此其表现出的穿透性最差。当作业高度低于6.5 m时，变异系数随着作业高度上升而减小，雾滴穿透性是随着作业高度上升而逐渐增强；当作业高度高于6.5 m时，变异系数随着作业高度上升而增大，雾滴穿透性随着作业高度上升而逐渐减弱。表明作业高度对雾滴沉降穿透性影响较大。

3.1.3 有效喷幅和雾滴粒径

由表2可得，无人机不同作业高度其a、b、c和d点的覆盖密度差异显著，本研究药液用量为20 L/hm2，《农业航空作业质量技术指标》[18]规定了喷雾用量为低容量(5～30 L/hm2)其雾滴覆盖密度应符合30～40个/cm2的标准。当无人机作业高度分别为5.5、6.0、6.5、7.0、7.5 m时，其各点接收到符合标准的有效雾滴覆盖密度宽幅分别为6.0 m(a、b点)、7.0 m(a、b、c点)、7.0 m(a、b、c点)、7.0 m(a、b、c点)、5.0 m(a点)，表明无人机作业高度为6.0～7.0 m时其有效雾滴覆盖密度宽幅最大。

由表2可得，不同作业高度雾滴的中值直径(DV.5)以作业高度5.5 m处理的值最大，沉积在竹林林冠上层的主要为较大粒径的雾滴，沉积在下层的主要为较小粒径的雾滴，不同作业高度的雾滴粒径相对粒谱宽度变化不大。

3.2 不同作业高度对害虫的防治效果

表3为3种农药对竹镂舟蛾幼虫的防治效果。由表3可得，药后5 d，试验林分的防治效果由高到低的作业高度依次为6.5、6.0、7.0、5.5、7.5 m，以作业高度为6.5 m的防治效果最好，7.5 m的防治效果最不理想。显著性分析结果显示，药后5 d，相同药剂不同作业高度试验林分的防治效果有较大差异，表明无人机喷药的作业高度与防治效果关系密切，作业高度的高低决定着林分的防治效果。

表3 3种农药对竹镂舟蛾幼虫的防治效果 Tab.3 Control effects of three pesticides on the larvae of Loudonta dispar

4 结论与讨论

研究结果表明，不同作业高度对雾滴在林冠沉降率和覆盖密度的水平分布、林冠层的穿透性和防治效果影响较大，同时作业高度不同其有效喷幅也不同。当无人机作业高度为6.5 m时，其雾滴在林冠沉降率和覆盖密度的水平分布与垂直分布最佳，雾滴在林冠层的穿透性最强，有效喷幅最大，喷药后的防治效果最理想。因此，可将无人机在竹林喷雾定高为6.5 m。

靶标昆虫死亡率取决于所获得农药致死剂量，农药沉积量是指施药后在靶标(作物、有害生物体、地面等需要药剂降落的靶体)上单位面积的沉积药量，农药沉积结构是指农药喷施时单位面积的雾滴密度、雾滴粒径和雾滴的药剂浓度，农药沉积结构通过影响害虫接触药剂的概率和每次接触获得的农药剂量，影响农药的生物效果。单位面积上雾滴密度的增加可提高药剂在靶标上的沉积量，提升与有害生物的接触机率，从而提高防治效果。无人机喷雾雾滴沉降分布与无人机的作业高度和速度等作业参数有关，研究表明雾滴在林冠沉降率和覆盖密度的水平分布与无人机作业高度关系密切，当作业高度为6.5 m以下时，其雾滴分布均匀性随着高度上升而增大，变异系数随着作业高度上升而减小；当作业高度高于6.5 m时，雾滴分布均匀性随高度上升而减小，变异系数随着作业高度上升而增大。表明无人机作业高度过低，产生气流会造成雾滴的过度流失而影响雾滴的沉积，作业高度过高，雾滴易受外界气流干扰产生漂移，造成雾滴穿透性较差，垂直方向沉积不均匀。结果与有关报道相似[19-23]。

无人机低空施药技术操作简单、省时降费，可解决树高林密、地形复杂和水源匮乏的丘陵山地自然条件给有害生物防治带来的难题，与喷粉喷雾等人工地面喷药技术相比，可降低工作强度、大幅降低防治费用，同时无人机施药还可解决常规施药技术所产生重药和漏药问题[24-26]。本研究明确了无人机施药最适作业高度，可应用于林业低空施药。