水稻Oryza sativaL.是我国主要的粮食作物之一，种植面积广泛，总种植面积约占粮食作物种植面积的1/3，病虫害种类繁多，高达139余种^[1-2]，主要的病害包括稻瘟病、纹枯病和病毒病等，主要的虫害包括稻飞虱Nilaparvata lugens、稻纵卷叶螟Cnaphalocrocis medinalis和螟虫等，稻纵卷叶螟寄生于水稻中部的叶片上，以幼虫为害水稻，缀叶成纵苞，躲藏其中取食上表皮及叶肉，仅留下白色下表皮；稻飞虱则聚生于水稻中下部吸食植株，造成水稻大面积的“冒穿”^[3]。水稻生长后期株叶茂盛，传统植保技术喷洒药剂难以穿透水稻冠层而沉积到水稻中下部，导致对生存于水稻中下部的病虫害防治效果不佳，严重影响水稻的产量与质量^[2]。农用无人机施药技术是近几年逐渐兴起的一种植保技术，解决了传统植保技术受作物长势和地理因素限制等弊端^[4-7]，无人机旋翼产生的旋翼风场，不仅加速药液的沉积、减少雾滴飘移，同时扰动水稻冠层，使水稻冠层出现间隙，有利于药液沉积到水稻中下部，从而提高药液对寄生于水稻中下部病虫害的防治效果^[8]。薛新宇等^[9]研究结果表明，N-3型农用植保无人机喷施对稻飞虱和稻纵卷叶螟的防治效果均优于传统担架式喷雾机，并探究了N-3型农用植保无人机防治水稻病虫害的应用前景。陈盛德等^[10-12]针对无人机旋翼风场、无人机作业参数等因素对雾滴在水稻上沉积和分布的影响规律进行了多次试验研究分析，积累了大量无人机在水稻田的作业参数数据，为无人机水稻植保作业参数的选择提供指导。对植保无人机大田作业规律的探究中，大部分工作都是将不同机型的植保无人机分开研究，虽在理论上明确了各机型植保无人机的旋翼风场特点，但在田间试验中，验证并对比拥有不同旋翼风场的各植保无人机田间作业效果的试验研究较少，机型对植保无人机作业效果的影响尚不明确。本研究对HY-B-15L型电动单旋翼与MG-1S型电动多旋翼2款不同机型的植保无人机进行田间试验，探究植保无人机机型、作业高度和农药喷洒量等因素对雾滴在水稻冠层沉积分布规律及对稻飞虱、稻纵卷叶螟等5种主要水稻病虫害防治效果的影响，以期为植保无人机在水稻田间作业中无人机机型和作业参数的选择等提供理论支撑和技术指导。

1 材料与方法 1.1 无人机机型和作业参数

植保无人机机型有2个，分别为HY-B-15L型电动单旋翼植保无人机（手动飞行方式）和MG-1S型电动多旋翼植保无人机（手/自动飞行方式）各1架。无人机主要性能参数如表1所示。具体作业参数设计如表2所示，农药喷洒量设计了3个水平值，分别为46.67、66.67和100.00 mL·hm^–2，3个喷洒量中，纳米农药与水的体积比分别为2∶5、1∶4和2∶13；根据田间作业经验，无人机作业高度设计了2个水平：1.5和2.5 m。每组试验重复3次，试验过程中，温度27 ℃左右，湿度78%左右，风速在0.8~1.2 m·s^–1之间变化。

1.2 试验药剂

喷施的农药为善思纳米农药（善思纳米农药公司提供），其主要成分包括辛菌胺、氨基寡糖素和呋虫胺等，不含任何有机溶剂和基酚结构，完全以水为介质，对环境友好，是基于纳米农药技术研制推出的纳米级航空植保专用药剂，可以解决植保无人机喷施高浓度传统农药时所出现的喷头堵塞问题，提高植保无人机作业效率和防治效果。按1 L善思纳米农药中掺入5 g罗丹明B粉末的比例配置成含荧光示踪剂的农药试剂。采用水敏纸和麦乐卡收集雾滴，水敏纸尺寸为25 mm×75 mm，麦乐卡尺寸为50 mm×80 mm。

1.3 无人机施药试验与防治效果调查

试验在云南省勐海县农业部指定的水稻重大病虫害绿色防控示范区内进行。作业对象是分蘖期的水稻，水稻株高30 cm。试验进行前，在3.33 hm²水稻田中用彩带规划出25个矩形小区(25 m×27 m)，其中，1个小区为空白对照小区，其他24个小区为施药小区，每个小区间都留有0.5 m的保护带(图1a)。

为了测试不同作业参数条件下2架植保无人机喷施的药液在靶标上沉积分布情况，按图1b所示的布点方式在1~8施药小区布置采样点，并按表2的试验参数依次进行施药试验。

无人机作业和田间布点图如图2所示。试验前，请勐海县植保质检站工作人员调查田间的病虫害发生情况，发现水稻患有的虫害主要有稻秆潜蝇Chlorops oryzae、稻飞虱、稻纵卷叶螟等，病害主要有细菌性条斑病和稻瘟病等。为了测试植保无人机作业参数对上述水稻病虫害防治效果的影响，结束图1a中第1行1~8小区的植保无人机喷施雾滴的沉积分布试验后，在剩余的16个小区完成8个处理的重复试验，并在施药前和施药3 d后，统计24个试验小区和空白对照组中稻飞虱等水稻病虫害的防治情况，计算不同施药条件下，农药对水稻病虫害的防治效果：

1)稻飞虱: 每试验小区采用平行跳跃法调查施药前虫口基数，施药3 d后，调查每个试验小区内稻飞虱数量。调查时用15 cm×40 cm白瓷盘每小区随机拍15盘，每盘拍2丛水稻，每个试验小区共调查30丛水稻。不区分稻飞虱种类和虫龄，计算总稻飞虱防效。稻飞虱的调查、记录参考农药田间药效试验准则^[13] 。根据各小区施药前和施药后调查的活虫数，计算虫口减退率和校正防效。

虫口减退率 = （施药前活虫数−施药后活虫数）/施药前活虫数×100%，

校正防效 = （施药区虫口减退率−对照区虫口减退率）/（100−对照区虫口减退率）×100%。

2)稻纵卷叶螟和稻秆潜蝇: 施药前和施药3 d后，各调查1次试验小区内稻纵卷叶螟的病害情况。每个小区采用五点平行取样的方法，每个点5穴，共25穴。调查、记录总叶片数和卷叶数，计算卷叶率和相对防效。调查时采下所有虫苞，带回实验室检查残留活虫数。计算虫口下降率和活虫防效。稻纵卷叶螟的调查、记录参考农药田间药效试验准则^[14] 。

保叶效果 = （对照区虫苞数−防治区虫苞数）/对照区虫苞数×100%，

防治效果 = （对照区活虫数−施药区活虫数）/对照区活虫数×100%。

3)稻瘟病：施药前调查病情基数，施药3 d后，调查病害的防治情况，每个小区采用五点平行取样的方法，每点取50株，每株调查旗叶及旗叶以下2片叶。记录总叶片数和发病叶片数，确定稻瘟病的发病级别，计算稻瘟病的病情指数和防治效果。稻瘟病的调查、记录参考农药田间药效试验准则^[15]。

病情指数 = $\displaystyle\sum$ （各级病叶穗数×相对级数值）/（调查总数×9）×100，

$ {\text{防治效果}}{\rm{ = }}\left( {{\rm{1 - }}\frac{{{\rm{C}}{{\rm{K}}_{\rm{0}}}{\rm{ \times P}}{{\rm{T}}_{\rm{1}}}}}{{{\rm{C}}{{\rm{K}}_{\rm{1}}}{\rm{ \times P}}{{\rm{T}}_{\rm{0}}}}}} \right) \times 100{\rm\text{\% }}{\text{，}} $

式中，CK₀为空白对照区施药前病情指数，CK₁为空白对照区施药后病情指数，PT₀为药剂处理区施药前病情指数，PT₁为药剂处理区施药后病情指数。

4)细菌性条斑病：施药前调查病情基数，施药3 d后，调查病害的防治情况。每个小区采用五点平行取样的方法，每点调查25丛，记录水稻总叶片数和发病叶片数，确定细菌性条斑病的发病级别，计算细菌性条斑病的病情指数和防治效果。细菌性条斑病的调查、记载参考农药田间药效试验准则^[16]

1.4 喷嘴雾滴粒径信息测定

雾滴粒径是影响雾滴在靶标上沉积的重要因素之一^[17-18]。为了更全面地分析不同浓度的纳米农药在水稻上的沉积结果，大田试验前在实验室内通过激光粒度仪对2个型号喷嘴雾化的雾滴粒径信息进行采集、计算和分析。试验时，喷嘴放置于激光粒度仪的激光发射装置与激光接收装置正中间、激光光束正上方0.35 m处，试验过程中，11001 VS型喷嘴和110-015-VP型喷嘴的喷施流量分别为250和300 mL·min^–1，2种喷嘴的喷施流量保持不变，仅改变农药的喷施浓度，每次试验采样时间为1 min。

1.5 数据处理

每次试验完成，待采集卡上的雾滴干燥后，按照序号收集雾滴采集卡，并逐一放入相对应的密封袋中。回到酒店后，将收集的水敏纸逐一用扫描仪扫描，扫描后的图像通过图像分析软件DepositScan进行分析，获得纳米农药不同喷施条件下在水稻上的沉积密度。由于荧光分光光度计体积过大，无法携带，因此麦乐卡采集回来后放入冰盒，低温收藏，带回实验室处理，处理方法为：根据麦乐卡的着色情况，预估示踪剂的沉积浓度在1.500 μg·mL^–1以内，因此本次处理配置了6个质量浓度的标准溶液，分别为0.005、0.300、0.600、0.900、1.200和1.500 μg·mL^–1，用这6个标准溶液完成标准浓度曲线拟合(拟合度为0.996 7)。然后，用蒸馏水清洗麦乐卡2~3次，将麦乐卡上的荧光示踪剂洗净，转移到对应编号的比色管内，用比色皿装样，利用已经拟合好的标准曲线逐点进行测量。

2 结果与分析 2.1 无人机有效沉积区域的判定

表3是2架无人机上安装的喷嘴雾化的雾滴粒径测定信息。从表3可以看出，随着药液喷洒量的增加，2个喷嘴的雾滴体积中径(D_V0.5)均减小，但减小趋势较平缓，喷洒量为100.00 mL·hm^–2时，2个喷嘴雾化的雾滴体积中径最小，11001VS喷嘴的体积中径为108.20 μm，110-015-VP喷嘴的体积中径为123.60 μm；在相同喷洒量条件下，110-015-VP喷嘴雾化的雾滴体积中径均大于11001 VS喷嘴雾化的雾滴的体积中径。

表4为2架无人机在各个采样点上的雾滴沉积密度结果。根据表4的结果及有效沉积区域的判定方法，对2架无人机的有效沉积区域进行判定，2架无人机的有效沉积区域结果如表5所示。由表5可见，在1.5 m的作业高度下，HY-B-15L型单旋翼植保无人机在46.67、66.67和100.00 mL·hm^–2喷洒量的喷施条件下有效沉积区域分别为–2~2、–2~2和–3~3，MG-1S型多旋翼植保无人机分别为–3~2、–3~2和–3~3；在2.5 m作业高度和46.67 mL·hm^–2的喷施条件下，2架无人机的有效沉积区域分别为–3~2和–3~2。

由表5可见，当农药喷洒量为46.67和66.67 mL·hm^–2 时，2架植保无人机的有效沉积区域并未随农药喷洒量的增加而发生变化，但当农药喷洒量增加至100.00 mL·hm^–2时，2架植保无人机的有效沉积区域均增加，且2架植保无人机有效沉积区域相同；当植保无人机作业高度为1.5 m、农药喷洒量为46.67 mL·hm^–2时，HY-B-15L型单旋翼植保无人机的有效沉积区域为–2~2，MG-1S型多旋翼植保无人机的有效沉积区域为–3~2；当植保无人机作业高度增加至2.5 m时，2架植保无人机的有效沉积区域均为–3~2，HY-B-15L型植保无人机有效沉积区域增加，而MG-1S型植保无人机的有效沉积区域未发生变化；在前2个处理条件下，MG-1S型多旋翼植保无人机的有效沉积区域高于HY-B-15L型单旋翼植保无人机，但在后2个处理中，2架无人机的有效沉积区域相同。

以表5中2架植保无人机的有效沉积区域为参考，对有效沉积点上的沉积量数据进行统计学处理，得到表6所示的结果。

2.2 农药喷洒量对雾滴沉积效果的影响

在1.5 m作业高度下，无人机在各个采样点的雾滴沉积量见图3。由图3可以看出，随着喷洒量的增加，2架无人机喷施的雾滴在各采样点上的沉积量均出现增加趋势，当喷洒量为66.67和100.00 mL·hm^–2时，HY-B-15L型无人机在采样点上的平均沉积量比喷洒量为46.67 mL·hm^–2时分别增加了48.50%和137.73%，MG-1S型无人机分别增加了66.60%和111.88%。2架无人机喷施的雾滴在采样点上沉积的均匀性随喷洒量的增加出现波动，其中，HY-B-15L型无人机在喷洒量为66.67 mL·hm^–2时，雾滴的均匀性最好，雾滴沉积量变异系数为29.50%；MG-1S型无人机在喷洒量为100.00 mL·hm^–2 时，雾滴沉积均匀性最好，雾滴沉积量的变异系数为25.65%（表6）。

从图3也可以看出，在各喷施条件下，HY-B-15L型单旋翼无人机在采样点上的沉积量均高于MG-1S型多旋翼无人机。结合表6可知，在T1~T3的3个喷洒条件下，HY-B-15L型单旋翼无人机喷施的雾滴在采样点上的沉积量比MG-1S型多旋翼无人机依次高出85.8%、26.5%和59.4%。原因可能是：多旋翼植保无人机的旋翼风场由多个无人机旋翼产生的旋翼风场及自然风场等多个风场耦合形成，使多旋翼的旋翼风场较复杂，存在多个协迫雾滴沉降的方向，使有效沉积方向上的雾滴数量减少；单旋翼植保无人机的旋翼风场仅由1个旋翼产生，旋翼风场结构相比于多旋翼的旋翼风场简单，由翼尖涡等非有效旋翼风卷走的雾滴数量较少。同时，由表3可知，单旋翼无人机上的喷嘴所雾化的雾滴粒径较大，抗风场干扰能力较强，使得翼尖涡等非沉积方向的风力携带走的雾滴较少，因此，单旋翼无人机喷施的农药在采样点上的沉积量高于多旋翼无人机。

仅从沉积量角度考虑，在3个喷洒量中，喷洒量为100.00 mL·hm^–2时，善思纳米农药在靶标上的沉积量最高；HY-B-15L型单旋翼在靶标上的沉积效果稍好于MG-1S型多旋翼无人机。

2.3 无人机作业高度对雾滴沉积效果的影响

图4描述了2架无人机在1.5和2.5 m作业高度条件下，雾滴在各个采样点上的沉积量情况。由图4知，2架无人机在1.5 m作业高度时，雾滴在采样点上的沉积量和沉积均匀性均高于2.5 m作业高度。当作业高度由1.5 m增加至2.5 m时，HY-B-15L型单旋翼无人机和MG-1S型多旋翼无人机在采样点上的沉积量分别降低了19.3%和48.7%，雾滴沉积均匀性降低了53.6%和22.9%。

结合表6中T4和T8的试验结果可知，在2.5 m作业高度时，HY-B-15L型单旋翼无人机喷施的雾滴在采样点上的沉积量高于MG-1S型多旋翼无人机，且增加了123.4%。出现这个现象的原因与“2.2”中阐述的原因一样：单旋翼植保无人机的旋翼风场分布较简单，协迫雾滴沉积于靶标上的气流较强，因此，单旋翼植保无人机喷施的雾滴中，在旋翼风场下洗气流的协迫下沉降的雾滴数量更多，且这些雾滴的沉降速度更快、沉降时间更短，蒸发和飘移损失的雾滴数量减少，所以，雾滴沉降量更大。

2.4 农药喷洒量对水稻病虫害防效的影响

从图5a可以看出，当农药喷洒量为46.67 mL·hm^–2时，HY-B-15L型电动单旋翼植保无人机喷施的农药对稻飞虱、稻纵卷叶螟、稻秆潜蝇、细菌性条纹病和稻瘟病等水稻病虫害的防治效果最好，防效分别为87.63%、76.67%、84.08%、59.26%和82.33%。从图5b可以看出，在喷洒量为66.67 mL·hm^–2时，MG-1S型电动多旋翼植保无人机喷施的农药对稻飞虱等水稻病虫害防治效果最好，防效分别为86.54%、78.62%、89.47%、66.67%和83.33%。

2.5 无人机作业高度对水稻病虫害的影响

从图6可以看出，2架植保无人机在1.5 m作业高度条件下，农药对稻飞虱等水稻病虫害的防治效果更好；综合“2.4”的结果表明，HY-B-15L型单旋翼植保无人机在1.5 m和46.67 mL·hm^–2的喷施条件下的作业效果最好，MG-1S型电动多旋翼植保无人机在1.5 m和66.67 mL·hm^–2的喷施条件下的作业效果最好。

3 结论

HY-B-15L型单旋翼植保无人机和MG-1S型多旋翼植保无人机喷施的雾滴在各采样点上的沉积量随农药喷洒量的增加而增加，当喷洒量为66.67和100.00 mL·hm^–2时，HY-B-15L型单旋翼无人机在各采样点上的沉积量比喷洒量为46.67 mL·hm^–2的分别增加了48.50%和137.73%，MG-1S型多旋翼无人机分别增加66.60%和111.88%。2架植保无人机在1.5 m作业高度条件下，喷施的雾滴在采样点上的沉积量和沉积均匀性均高于2.5 m作业高度，当作业高度为2.5 m时，HY-B-15L型单旋翼无人机和MG-1S型多旋翼无人机喷施的雾滴在采样点上的沉积量比作业高度1.5 m时分别降低了19.3%和48.7%，沉积均匀性分别降低了53.6%和22.9%。在4个喷施条件下，HY-B-15L型单旋翼无人机在采样点上的沉积量比MG-1S型多旋翼无人机同条件下高出85.8%、26.5%、59.4%和123.4%，喷施效果稍好。

HY-B-15L型单旋翼无人机在1.5 m和46.67 mL·hm^–2作业条件下，农药对稻飞虱、稻纵卷叶螟、稻秆蝇、细菌性条纹病和稻飞虱等水稻病虫害防治效果最好，防效分别为87.63%、76.67%、84.08%、59.26%和82.33%；MG-1S型多旋翼无人机在1.5 m和66.67 mL·hm^–2作业条件下，农药对稻飞虱、稻纵卷叶螟稻秆蝇、细菌性条纹病和稻飞虱等水稻病虫害的防治效果最好，防效分别为86.54%、78.62%、89.47%、66.67%和83.33%。2种型号植保无人机喷施农药对水稻病虫害的防治效果差异不大。