Crop Protection with Unmanned Aerial Vehicle (UAV) in Rice Field

Ma Jinlong; Chen Yin

doi:10.11924/j.issn.1000-6850.casb20190900608

Chinese Agricultural Science Bulletin >

2020 , Vol. 36 >Issue 27: 135 - 141

DOI: https://doi.org/10.11924/j.issn.1000-6850.casb20190900608

Crop Protection with Unmanned Aerial Vehicle (UAV) in Rice Field

Ma Jinlong ,
Chen Yin

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Shenzhen Yuyan Intelligent Technology Services Co., Ltd., Shenzhen Guangdong 518102

Received date: 2019-09-04

Request revised date: 2020-05-04

Online published: 2020-09-23

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Abstract

This research focuses on exploring the efficacy of UAVs on crop protection for rice. Experiment factors include different UAVs, spray volume and flight parameters. Pre-emergence herbicides and pesticides are tested. Results show that when the spray volume is 10650 and 15000 mL/hm², no significant difference is observed for control efficacy on weeds between UAV application and manual application. When the spray volume is 10650 and 15000 mL/hm² in pests and disease control efficacy test, the efficacy is not affected even when the pesticide dosage is decreased by 30% at the spray volume of 15000 mL/hm². Therefore, using UAV to apply pre-emergence herbicides and pesticides is feasible. Selecting appropriate pesticides and scientific spraying parameters can reduce pesticide usage. The application of UAVs in rice crop protection has a broad prospect.

Key words： UAV; rice; low-volume spray; weed management; pest management; pathogen control

Cite this article

Ma Jinlong , Chen Yin . Crop Protection with Unmanned Aerial Vehicle (UAV) in Rice Field[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2020 , 36(27) : 135 -141 . DOI: 10.11924/j.issn.1000-6850.casb20190900608

0 引言

中国农作物种植结构多元化、水稻品种多元化、水稻轻型栽培技术的变化导致水稻整个生长时期的病虫草害在不同区域有不同的表现,加大了水稻病虫害防治的难度。为了保障农产品的产量和质量,水稻种植中的化学防治是控制病虫草害最有效的手段之一,必不可少;另一方面随着水稻面积的不断扩大,对新型的水稻植保防治技术的需求越来越迫切^[1]。

近年来随着新型植保无人机的迅速发展,水稻田的植保无人机应用技术研究与推广越来越广泛。董雪娟^[2]、荀栋^[3]、廖发华^[4]、魏小平^[5]等于无人机行业发展初期对水稻病虫害进行了初步的探索,还缺乏精细化的研究。由于无人机的自重限制,植保无人机的喷洒作业方式均为低容量（雾滴粒径120~300 μm）或超低容量喷洒(80~120 μm)^[6]。因此使用无人机进行药剂喷洒需要综合考虑喷洒液量、药剂组合及防治时期等因素对病虫害的防治效果的影响。王昌龄^[7]研究雾滴沉积与植保无人机飞行速度及高度的相关性表明:雾滴沉积跟速度呈正相关,与高度呈反相关;袁会珠^[8]研究了农药对不同病虫害所需的雾滴粒径范围,表明病虫草害最适当雾滴粒径为50~300 μm;何玲等^[9]、许童羽等^[10]、吴迪等^[11]、陈盛德^[12]、漆海霞等^[13]研究了植保无人机的喷雾雾滴在水稻冠层、中层、下层的沉积分布机理与适合的作业参数与防治效果的相关性,表明植保无人机喷雾雾滴粒径在80~150 μm时,水稻冠层有效沉积率为50%左右,且上中下层覆盖率为54.86%、32.69%、24.7%,表明植保无人机雾滴可在水稻上中下层依据植保无人机飞行参数的有效控制而得到覆盖的保障。何雄奎^[14]肯定了国内植保无人机发展的趋势,又提出了国内植保无人机应用有待深入研究,彭志清等^{[15,16,17,18,19,20,21,22]}研究了植保无人机在水稻病虫害防治中的部分应用技术,防治效果与人工相当。

截至目前,无人机全程植保的研究仍然不足,难以为大田应用提供有效的科学数据支持。因此,本研究验证多旋翼植保无人机在水稻全程飞防的防治效果及植保无人机在中稻田的应用技术,旨在为水稻大面积全程使用多旋翼植保无人机防治病虫草害提供相应的技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验时间、地点

整体田间试验于2018年6月至9月底在江苏省扬州市宝应县进行,全程共进行了4次无人机飞行防治与4次人工喷施试验。

1.2 试验材料

1.2.1 供试药剂 50 g/L五氟磺草胺SC（深圳诺普信农化股份有限公司）,33%二甲戊乐灵EC（广东浩德作物科技有限公司）,30%丙草胺EC（广东浩德作物科技有限公司）,红雨燕低容量喷洒专用助剂（深圳雨燕智能科技服务有限公司）,25%噻虫嗪WDG（东莞市瑞德丰生物科技有限公司）,5%氯虫苯甲酰胺SC（深圳诺普信农化股份有限公司）,30%三环唑SC（江苏剑牌农化股份有限公司）,32%噻呋酰胺·戊唑醇SC（陕西标正作物科学有限公司）,0.01%芸苔素内酯EC（福建新农大正生物工程有限公司）、40%稻瘟灵EC（深圳诺普信农化股份有限公司）、1.8%阿维菌素EC（陕西皇牌作物科技有限公司）45%咪鲜胺EW（陕西皇牌作物科技有限公司）、30%苯甲·嘧菌酯SC（陕西标正作物科学有限公司）阿迈速（深圳润康生态环境股份有限公司）。

1.2.2 试验作物与栽培管理试验品种为‘南粳9108’,采用水直播法种植。水稻播种时间2018年6月17日,播种量为150 kg/hm²。地点位于江苏省宝应县,土壤为砂浆黑土,pH 7.4,肥力水平中等。栽培管理措施与当地农业生产相一致。

1.3 试验方法

1.3.1 试验设计

（1）多旋翼植保无人机封闭除草剂试验设计。扬州市宝应县直播水稻田杂草往年发生以稗草、马唐、蓼草为主,千金子、牛筋草较少发生。其中,稗草中等抗性,马唐、蓼草抗性较低。为验证不同施药器械对直播水稻田稗草、马唐、蓼草为主的防治效果,进行了如下试验方案的设计。本试验共7个处理,其中5个为药剂和喷洒参数（喷洒量、飞行速度和喷幅）处理,1个为人工处理,1个为空白对照（未施药）,小区面积以及试验处理详见表1。除空白对照外的所有处理均加入了1% V:V的红雨燕助剂。除草药剂在水稻播种后出芽前施用,施用时田间湿润但无积水。施药时气温21~30℃,天气晴朗,风力2.5 m/s,施药后7天内气温20~33℃,无降水。

表1 试验小区飞行参数、药剂组合设计

试验处理	面积/ hm²	作业设备	高度/ m	速度/ (m/s)	喷洒量/ (mL/hm²)	喷幅/ m	药剂试验方案/hm²
1	0.24	极飞P20	1.5	5	15000	3	50 g/L五氟磺草胺750 mL+30%丙草胺1200 mL+红雨燕助剂150 mL
2	0.24	极飞P20	1.5	5	15000	3	50 g/L五氟磺草胺750 mL+33%二甲戊灵1200 mL+红雨燕助剂150 mL
3	0.22	大疆MG-1S	1.5	5	15000	4	50 g/L五氟磺草胺750 mL+33%二甲戊灵1200 mL+红雨燕助剂150 mL
4	0.21	大疆MG-1S	1.5	5	15000	4	50 g/L五氟磺草胺750 mL+30%丙草胺1200 mL+红雨燕助剂150 mL
5	0.15	极飞P20	1.5	5	10650	3	50 g/L五氟磺草胺570 mL+30%丙草胺1200 mL+红雨燕助剂150 mL
6	0.14	人工喷药			240000		50 g/L五氟磺草胺750 mL+30%丙草胺1200 mL+红雨燕助剂150 mL
CK	空白对照区

（2）多旋翼植保无人机水稻病虫害防治试验设计。扬州市宝应县直播水稻田主要发生病害为稻瘟病、纹枯病,稻曲病为兼防病害往年均少见发生。主要发生虫害为稻纵卷叶螟、二化螟、稻飞虱,稻蓟马、大螟、三化螟为兼防虫害往年均少见发生,为验证3种施药器械与病虫害药剂减量试验对水稻不同生长时期的主要病虫害防治效果对比,设计了表2~4所示的试验方案。

表2 水稻分蘖末期试验方案

方案名称	有效成分	制剂用量
方案1	25%噻虫嗪WDG	120 g/hm²
	5%氯虫苯甲酰胺SC	600 mL/hm²
	30%三环唑SC	750 mL/hm²
	22%戊唑醇·10%噻呋酰胺SC	300 mL/hm²
	0.0075%芸苔素内酯水剂	300 mL/hm²
	红雨燕低容量喷洒专用助剂	150 mL/hm²

表3 水稻破口初期试验方案

方案名称	有效成分	制剂用量
方案2	25%吡蚜酮SC	300 g/hm²
	5%氯虫苯甲酰胺SC	600 mL/hm²
	40%稻瘟灵EC	1200 mL/hm²
	22%戊唑醇·10%噻呋酰胺SC	300 mL/hm²
	0.01%芸苔素内酯EC	300 mL/hm²
	红雨燕低容量喷洒专用助剂	150 mL/hm²

表4 水稻齐穗期试验方案

方案名称	有效成分	制剂用量/hm²
方案3	25%吡蚜酮SC	300 g/hm²
	1.8%阿维菌素EC	750 mL/hm²
	30%苯甲·嘧菌酯SC	300 mL/hm²
	45%咪鲜胺EW	750 mL/hm²
	阿迈速	300 mL/hm²
	红雨燕低容量喷洒专用助剂	150 mL/hm²

本试验共15个处理,如表5~7所示,药前调查病虫害发生情况,有发生则记录病虫害基数。3次试验MG-1S喷幅固定为4 m、极飞喷幅固定为3 m。2款多旋翼植保无人机飞行高度均为1.5 m。人工背负式电动喷雾器按当地用水量240000 mL/hm²,由农户自行喷施。

表5 分蘖盛期处理及作业参数设计

试验处理	所用方案	器械	喷洒量/(mL/hm²)	飞行速度/(m/s)
1	方案1	P20	10650	5
2	方案1	P20	15000	3.5
3	方案1	MG-1S	15000	5
4	方案1 (70%药量)	P20	15000	3.5
人工	方案1	背负式电动	240000

表6 孕穗末期处理及作业参数设计

试验处理	所用方案	器械	喷洒量/(mL/hm²)	飞行速度/(m/s)
1	方案2	P20	10650	5
2	方案2	P20	15000	3.5
3	方案2	MG-1S	15000	5
4	方案2 (70%药量)	P20	15000	3.5
人工	方案2	背负式电动	240000

表7 抽穗末期处理及作业参数设计

试验处理	所用方案	器械	喷洒量/(mL/hm²)	飞行速度/(m/s)
1	方案3	P20	10650	5
2	方案3	P20	15000	3.5
3	方案3	MG-1S	15000	5
4	方案3 (70%药量)	P20	15000	3.5
人工	方案3	背负式电动	240000

1.3.2 试验仪器多旋翼植保无人机大疆MG-1S配备压力式TeeJet XR11001喷头（深圳市大疆创新科技有限公司）,极飞P20植保无人机配备离心喷头（广州极飞科技有限公司）,人工背负式电动喷雾器(3WBD-20A)。

1.3.3 统计分析（1）杂草防治调查方法和药效评价方法。每个小区在调查样方中调查记录主要杂草种类、数量,同时观察作物生长情况,观察药剂对水稻有无药害,记录药害的类型和程度,描述水稻药害的症状（生长抑制、失绿、枯斑、畸形等）。共调查2次,分别于施药后10、20天。每小区调查3点,每点1.0 m×1.0 m,调查杂草的种类、株数,最后一次称取杂草鲜重（去除根上泥土）。药效计算方法如式(1)所示。

(1)防治防效=(CK-PT)/CK ×100%

式中:CK为空白对照区活草数（鲜重）,PT为试验区残存活草数（鲜重）（2）主要病虫害调查时间、方法及药效评价。水稻孕穗末期,乳熟中后期调查试验田病虫害发生情况（处理后7天）。稻纵卷叶螟:每小区随机5点取样,每点5丛共调查25丛（可双对角线9点取样）,统计卷叶数,计算卷叶率,药前调查卷叶基数,通过卷叶率计算防治效果;若药前没有调查基数,则直接与对照区卷叶率比较,计算相对防效。破口期后,调查顶部三片叶中的卷叶数。药效计算公式如(2)~(3)所示。

(2)卷叶率=调查卷叶数/调查总叶数×100%

(3)相对防效=(CK-PT)/CK×100%

式中:CK为空白对照区药后卷叶率,PT为药剂处理区药后卷叶率。二化螟:平行跳跃式取样,每小区调查25~50丛,统计枯心数或枯白穗数;空白对照区受害状明显或当代为害定型后进行调查。药效计算公式如(4)~(5)所示。

(4)枯心（白穗）率=调查枯心数/调查总株（分蘖）数×100%

(5)相对防效=(CK-PT)/CK×100%

式中:CK为空白对照区药后枯心率,PT为药剂处理区药后枯心率。纹枯病:采用对角线五点取样方法,每小区调查25蔸,发病程度分为0~9级:0级:全株无病;1级:第四叶叶片及其以下各叶鞘、叶片发病（剑叶为第1叶）;3级:第三叶叶片及其以下各叶鞘、叶片发病;5级:第二叶叶片其以下各叶鞘、叶片发病;7级:剑叶叶片其以下各叶鞘、叶片发病;9级:全株发病,提早枯死。病情指数及药效计算如(6)~(7)所示。

(6)病情指数=∑(各级病株数×各级代表值)/(调查总株数×最高级代表值)×100

(7)相对防效=(对照区药后病情指数–处理区药后病情指数)/对照区药后病情指数×100%

稻飞虱:采取盆拍法平行跳跃式调查25点,每点调查2丛水稻上稻飞虱成虫和若虫。药效计算方法如(8)所示。

(8)相对防效=(CK-PT)/CK×100%

式中:CK为空白对照区药后百蔸虫量,PT为药剂处理区药后百蔸虫量。稻瘟病:调查时每小区3点取样,每点取20株,每株调查旗叶及旗叶以下两片叶。记录病株数和病级数,分别计算各处理病情指数和相对防效。病情分级标准为0~9级:0级:无病;1级:叶片病斑少于5个,长度小于1 cm;3级:叶片病斑6~10个,部分病斑长度大于1 cm;5级:叶片病斑11~25个,部分病斑连成片,占叶面积10%~25%;7级:叶片病斑26个以上,病斑连成片,占叶面积26%~50%;9级:病斑连成片,占叶面积50%以上或全叶枯死。药效计算方法如(9)~(10)所示。

(9)病情指数=Σ(各级发病株数×各级代表值)/(调查总株数×最高级代表值)×100

(10)相对防效=(对照区药后病情指数–处理区药后病情指数)/对照区药后病情指数×100%

（3）数据统计及分析。采用SPSS17.0软件进行数据分析及显著性检验,采用LSD方法。

2 结果与分析

2.1 多旋翼植保无人机水稻田封闭除草剂试验结果

2.1.1 不同试验处理对水稻生长情况以及对水稻安全性试验结果表明所有试验区域整体生长情况相近,没有明显的药害。所有处理与对照均无显著差异（表8）。无人机处理安全性良好。

表8 不同处理组水稻生长情况调查结果

试验处理	水稻株高/cm	整体长势等级 (差→优:I、II、III、IV、V)
1	8~15	IV
2	8~16	IV
3	10~22	V
4	9~15	IV
5	10~20	V
6 (人工处理)	9~16	IV
CK	10~22	V

2.1.2 不同试验处理组杂草防除效果试验过程中发现杂草药害症状比较明显,数据显示试验组的杂草数量相比与对照较少。空白对照处理组的稗草、蓼草等杂草数量明显高于试验处理组,杂草生长受到抑制。经过2次的水稻田调查,表9展示了不同处理组合对照组的中稗草株防效和鲜重防效。

表9 不同试验处理组杂草调查结果

试验处理	株防效		鲜重防效
试验处理	株数/棵	防效/%	鲜重/g	防效/%
1	3	93.52b	0.7	99.73a
2	12	74.10c	0.9	99.66a
3	4	91.37b	1	99.62a
4	0.1	99.9a	0.1	99.9a
5	3.6	92.23b	0.89	99.66a
6 (人工处理)	1	97.84ab	0.2	99.9a
CK	46.33	0	262.93	0

注:4处理组未发现杂草,根据整体调查情况进行修正为0.1。

由表9可知,所有试验处理组的杂草（稗草）数量和人工处理组无显著差异,整体株防效达到90%以上。鲜重防效数据显示,空白对照组的杂草生长量显著高于药剂处理组,而试验处理组的杂草鲜重防效普遍达到95%以上,不同处理间无显著差异。

2.2 不同处理对水稻病虫害防治效果

多旋翼植保无人机对水稻整个生长期进行3遍喷施,对各个时期主要病虫害防治效果进行了统计并计算出相对防治效果（表10、表11）。

表10 稻纵卷叶螟、二化螟、纹枯病调查结果

试验处理	稻纵卷叶螟		二化螟		纹枯病
试验处理	卷叶率/%	相对防效/%	枯芯率/%	相对防效/%	病株率/%	病指	相对防效/%
1	2.11	35.48e	0.71	87.52a	16.4	9.9	78.19d
2	0.72	78.06b	0.65	88.47a	13.4	6.2	86.34b
3	0.56	82.80a	0.53	90.60a	12.5	5.2	88.55a
4	1.01	69.03c	0.74	86.87ab	13.6	6.4	85.90b
6 (人工处理)	1.37	58.06d	0.82	85.46b	22.6	8.5	81.28c
CK	3.27		5.64		45.6	45.4

表11 稻飞虱、稻瘟病调查结果

试验处理	稻飞虱		稻瘟病
试验处理	百蔸虫量	相对防效/%	病株率/%	病指	相对防效/%
1	42	91.98c	5.4	5.9	83.33bc
2	35	93.32b	5.1	4.8	86.44b
3	21	95.99a	4.5	4.2	88.13a
4	39	92.55b	6.6	5.4	84.74b
6 (人工处理)	38	92.74b	15.6	6.5	81.63c
CK	524.00		35.6	35.4

对水稻稻纵卷叶螟相对防治效果与人工处理58.06%相比,除无人机处理1为35.48%外,无人机处理2、3、4处理组防效均在69%以上。其中处理A (10650 mL/hm²)防效与其他组相比显著降低的原因由于喷液量不足,相同药剂组合2、3、4处理(15000 mL/hm²)防治效果均在处理A之上,不同喷液量的差异导致A处理与其他处理对稻纵卷叶螟防治效果的差异。

对水稻二化螟相对防治效果与人工85.46%相比,无人机处理3防效最高达到90.60%,处理2、处理1、处理4效果次之,依次为88.47%、87.52%、86.87%。从整体结果可以得出,所有处理之间防治效果差异不显著,均匀人工防治效果相当。

对水稻纹枯病相对防治效果与人工81.28相比,无人机处理3防效最高达到88.55%,、处理2、处理4、处理1效果次之,依次为86.34%、85.90%、78.19%。从整体结果可以得出,所有处理之间防治效果差异不显著,与人工防治效果相当。其中处理A (10650 mL/hm²)防治效果低于其余处理的原因是由于喷洒量的差异导致A处理与其他处理对纹枯病防治效果的差异。

对水稻稻飞虱相对防治效果与人工92.74%相比,无人机处理3防效最高达到95.99%,处理2、处理4、处理1效果次之,93.32%、92.55%、91.98%。从整体结果可以得出,所有处理之间防治效果差异不显著,均匀人工防治效果相当。

对水稻稻瘟病相对防治效果与人工81.63%相比,无人机处理3防效最高达到88.13%,处理2、处理4、处理1效果次之,依次为86.44%、84.74%、83.33%。从整体结果可以得出,所有处理之间防治效果差异不显著,均匀人工防治效果相当。

3 结论与讨论

张海艳等^[23]验证了24%五氟磺草胺60 mL/hm²+30%丙草胺1200 mL/hm²的制剂用药量对直播稻田稗草、千金子有较好的封闭效果。结合文献与上述试验结果可以得出,多旋翼植保无人机封闭除草剂试验结果表明:（1）对于同一套餐（50 g/L五氟磺草胺750 mL+30%丙草胺1200 mL+红雨燕助剂150 mL）3种器械对直播水稻田封闭除草效果无明显差异;（2）对于同样套餐（50 g/L五氟磺草胺750 mL+33%二甲戊灵1200 mL+红雨燕助剂150 mL）而言,同样喷撒量不同无人机对比情况下,对直播水稻田封闭除草效果无明显差异;（3）对于同一套餐（50 g/L五氟磺草胺750 mL+30%丙草胺1200 mL+红雨燕助剂150 mL）、同一无人机（极飞P20）不同亩喷洒量的对比情况下,对直播水稻田封闭除草效果无明显差异。所以可得出使用多旋翼植保无人机进行中稻田封闭化学除草操作具有较高的可行性,选择安全性高安全高效的除草剂,既可以保证除草效果又对水稻生长安全,无抑制作用。

通过本次试验,参考药剂处理后水稻生长情况和杂草综合防效结果,筛选出比较可行的飞行参数和喷洒量组合方案:

大疆无人机系列:飞行高度1.5 m,飞行速度5 m/s,每公顷喷洒量15000 mL,换行间距4 m。

极飞P20无人机系列:飞行高度1.5 m,飞行速度5 m/s,每公顷喷洒量15000 mL,换行间距3 m。

孙娟等^[24]、毕金德等^[25]的研究也刚好印证了上述参数的可行性。另外,使用多旋翼植保无人机进行水稻田封闭化学除草操作,在保证防治效果的同时,还可以有效减轻机械或人为对水稻造成的碾压或损伤,具有一定程度的优势。但是由于除草剂这种农药的特殊性,在应用多旋翼植保无人机进行封闭化学除草时,还应注意以下2点:（1）要选择连片种植的田块,同时注意使用的除草剂对周边种植作物的影响,作业时风速不能超过3级,防止药物漂移;（2）要注意选择安全性高的除草剂。

多旋翼植保无人机水稻病虫害防治试验结果表明:水稻的病虫害防治效果与药剂选择、喷洒量及用药时期三者存在一定的相关性。水稻的稻纵卷叶螟防治效果没有达到理想的防效与喷液量与药剂选择均有一定的相关性,由于无人机1处理喷洒量为10650 mL/hm²,且第一遍用药中无特异性针对稻纵卷叶螟的有效成分。为了保证无人机有较好的防效,喷洒量推荐为15000 mL/hm²。无人机对中稻的二化螟、纹枯病、稻飞虱、稻瘟病的处理防治效果与人工防治效果相当,无显著差异。其中无人机处理4为农药有效成分使用量减少30%,喷洒量为15000 mL/hm²,结合作物生长时期与对症药剂的情况下,对水稻上述病虫害防治效果均与无人机处理1、2、3、人工防治效果相当,无显著差异。表明通过适当的药剂组合、适当的防治时期以及适当的亩喷洒量对中稻的病虫害防治可以实现杀菌剂及杀虫剂的减量使用。

本试验的研究目的就是验证多旋翼植保无人机对水稻的全程病虫草害的防治效果,并结合相关试验设计验证亩喷洒量、药剂选择及适合用药时期对水稻全程病虫草害防治效果的影响。试验结果表明在病虫草害发生情况处于中低水平的情况下,多旋翼植保无人机对水稻全程病虫草害的防治效果能满足基本生产要求,与人工电动喷雾的防治效果相当。同时结合合理的药剂组合、亩喷洒及适当的防治时期能够有效降低农药有效成分的使用量30%。本试验只对比了多旋翼植保无人机与人电动喷雾器对水稻的防治效果,并对推荐了多旋翼植保无人机的飞行参数及喷洒量的组合。卢小平等^[26]对比了4中施药器械对水稻基部病害均匀有较好的防效,但是由于地区特色原因,植保无人机却不是江西地区最佳选择。所以对于不同地区水稻不同病虫草害的防治、不同药剂的筛选结合不同类型植保无人机的使用技术有待进一步研究。

从总体看,多旋翼植保无人机在防效、机动性以及减量使用农药方面具有一定的优势,且具有高效率、节省水资源、人药分离、对操作人员安全等优点。随着植保无人机智能化技术趋于成熟,电池发展技术趋于成熟多旋翼植保无人机的应用场景将更为广泛,在农业病虫草害防治领域中占有的份额将逐步扩大。农业植保无人机将在解决农村劳动力短缺及农业全程现代化的进程中添上浓墨重彩的一笔。

References

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