无人机施药系统在不同叶面湿润度条件下施用内吸性与触杀型除草剂的效能评估

《Smart Agricultural Technology》：Efficacy of UAV-applied systemic and contact herbicides under varying leaf wetness conditions

　　

叶面表面水分，可能由露水、降雨或高湿度条件引起，是传统农业喷雾作业的主要限制因素，因为它会促进药滴径流，减少除草剂在叶面上的滞留量，并增加土壤和水体污染的风险。无人机（UAV）喷雾机以超低喷雾量和更细的雾滴作业，可能使其更适用于湿润叶面环境。本研究比较了研究人员在人工诱导的湿润和干燥冠层条件下，使用无人机和地面喷雾系统施用两种作用机制截然不同的除草剂：草甘膦（内吸性）和敌草快（触杀型）的效果。同时评估了喷雾量（15 vs 8 L ha^-1）、除草剂剂量（草甘膦：5 vs 1.5 L ha^-1；敌草快：5 vs 3.5 L ha^-1）和喷头类型（液压式 vs 离心式）的影响。研究通过杂草生物量和水分含量测定，并结合无人机衍生的植被指数来评估药效。结果表明，即使在降低剂量和喷雾量的情况下，无人机施药也能达到与常规喷雾机相等或更优的杂草抑制效果。叶面湿润度对药效的影响取决于处理方式：草甘膦的药效基本不受影响，而敌草快的反应则在两种施药系统间存在差异。在无人机施药下，湿润叶面改善了低剂量敌草快的性能，产生了更持久的抑制效果；而在地面施药下，叶面湿润则降低了药效。喷头配置进一步调节了这些相互作用，其中液压扇形喷头表现更稳定，而离心喷头则更受益于湿润叶面。植被指数，特别是归一化差异植被指数（NDVI），对早期由水分驱动的冠层变化具有高度响应性。总体而言，无人机施药在干燥和高叶面湿润度条件下均能保持有效的除草剂性能，突显了其在多变环境限制下灵活应用的潜力，尽管这些发现仍需在自然发生的湿润过程中进行进一步验证。

**论文解读：无人机施药系统在不同叶面湿润度条件下对内吸性与触杀型除草剂效能的影响**

**1. 研究背景与问题**

在农业喷施作业中，叶片表面水分（如露水、降雨残留或高湿度）是影响药效的一大限制因素。传统地面喷雾易导致药液在湿润叶面上发生径流和聚并，降低除草剂的滞留与吸收，不仅影响防效，还可能增加环境污染风险。近年来，无人机（UAV）喷雾系统因其灵活、高效、适用于复杂地形而迅速发展。与地面喷雾不同，无人机通常采用超低容量（ULV）喷雾和更细的雾滴，同时旋翼产生的下洗气流可能改变药液的沉积与穿透特性。这些独特的气动和操作特性使得无人机施药在湿润条件下的表现可能与地面系统截然不同。

然而，目前关于无人机施药的研究多集中于干燥冠层条件下，或仅关注物理沉积特性而缺乏生物效果评估。特别是，叶面湿润度、除草剂作用机制（内吸性 vs. 触杀性）、剂量、喷雾量和喷头类型等因素如何共同影响无人机施药效果，尚不明确。为填补这一空白，本研究旨在系统比较无人机与地面喷雾系统在不同叶面湿润度下施用内吸性除草剂草甘膦和触杀型除草剂敌草快的效能，并评估关键操作参数的影响。

**2. 主要关键技术方法**

研究人员在希腊色萨利大学农场（39°24′2.12″N, 22°45′32.27″E）一块自然杂草种群（包括多种阔叶和禾本科杂草）的0.57公顷休耕地上开展田间试验。采用裂区设计，主区为11种不同的喷雾处理组合，子区为叶面湿润度（人工湿润 vs. 自然干燥）。主要关键技术方法包括：

* **喷雾系统**: 使用两架DJI AGRAS T30无人机，分别配备液压扇形喷头和离心喷头；地面处理使用牵引式喷杆喷雾机，配备液压平扇喷头。
* **人工湿润处理**: 在处理区一半面积上，使用次生喷杆喷雾器喷洒清水直至叶面产生可见径流，以模拟饱和冠层状态。
* **地面真值测量**: 在施药前（6 April 2023）及施药后约10天间隔内（至8 May 2023）共进行5次破坏性取样，测量地上部分杂草干重和水分含量。
* **遥感监测**: 使用搭载多光谱传感器（Parrot Sequoia）的无人机和RGB相机（DJI Phantom 4 Pro）定期采集影像，计算归一化差异植被指数（NDVI）、归一化差异红边指数（NDRE）和绿色植被覆盖度（FGCC）。
* **统计分析**: 采用裂区设计的方差分析（ANOVA）评估各主效应及交互作用，使用最小显著差数法（LSD）进行多重比较。

**3. 研究结果**

**3.1. 试验均匀性**
施药前通过干生物量、NDVI和FGCC评估表明，各试验小区的初始植被状况在统计上无显著差异（p > 0.05），确保了基线条件的均一性。

**3.2. 主效应因素**
* **主要因素效应 - 地面真值测量**: 无人机施用的草甘膦处理（DGH, DGL）在21-30天后产生了最强的杂草水分和生物量降低（p < 0.05）。即使低剂量（DGL）也能将水分含量降至25%以下。接触性除草剂处理虽在早期（4天）引起快速萎蔫，但药效短暂，后期水分和生物量回升。超低喷雾量（VL）的无人机草甘膦处理效果良好。离心喷头（NC）处理的草甘膦效果最差。
* **主要因素效应 - 遥感**: NDVI清晰地显示，接触性除草剂处理后NDVI快速下降，但约10天后开始恢复；内吸性草甘膦处理NDVI下降更缓慢但更彻底，且无人机处理（DGH, DGL）的最终NDVI值显著低于地面喷雾器处理（p < 0.05）。低剂量地面喷雾（SGL）的NDVI值最高，效果最差。VL处理与DGL效果相似，NC处理效果最差。NDRE对处理差异的分辨能力较弱，而FGCC能更清晰地捕捉接触性除草剂处理后的冠层恢复动态。
* **植被指数与地面测量回归分析**: 相关性分析表明，NDVI与杂草水分含量相关性最强（r = 0.693, p < 0.001），其次是NDRE（r = 0.591）和FGCC（r = 0.504）。而干物质与所有植被指数均无显著相关。因此，NDVI被认为是评估治疗效应的最佳遥感指标。

**3.3. 主因素-子因素交互作用**
* **施用方法 - 叶面湿润度**: 对于无人机施用的敌草快（触杀型），湿润冠层处理（低剂量在中期显著）比干燥处理表现出更强、更持久的抑制效果（NDVI更低）。相反，地面喷雾器施用的敌草快在湿润条件下药效降低，后期NDVI回升。对于草甘膦，无论何种施用方式和剂量，湿润度的影响均不显著（p > 0.05），显示其内吸作用可缓冲叶面水分的影响。
* **除草剂类型 - 叶面湿润度**: 触杀型除草剂（敌草快）与叶面湿润度的交互作用显著，其影响因施用方法而异（增强或减弱药效）。内吸型除草剂（草甘膦）的效能在不同湿度条件下保持稳定。
* **除草剂剂量 - 叶面湿润度**: 叶面湿润度的影响在低剂量时更明显。低剂量敌草快在无人机施用的湿润条件下药效增强，但在地面施用下药效降低。高剂量下，湿度影响较小。
* **喷雾量 - 叶面湿润度**: 对于无人机施用的草甘膦，将喷雾量从15 L ha^-1降低至8 L ha^-1（VL处理）并未显著影响最终药效。叶面湿润度对此比较影响有限。
* **喷头类型 - 叶面湿润度**: 液压扇形喷头的草甘膦药效在干湿条件下表现稳定。而离心喷头对叶面湿润度更敏感，在湿润条件下（后期显著）NDVI更低，药效增强，但其整体抑制效果仍低于液压喷头，表明叶面湿润度可部分补偿其沉积效率的不足。

**4. 讨论与结论**

**讨论总结**: 本研究表明，叶片表面水分并不总是会降低除草剂药效，其对药效的影响是依赖具体情况的，尤其受到除草剂特性和喷雾输送方式的显著调节。无人机施药系统因其超低喷雾量和特有的下洗气流，在湿润叶面条件下表现出比传统地面喷雾更好的适应性，尤其是对于易受径流影响的触杀型除草剂。而对于内吸性草甘膦，其药效相对稳定，对叶面湿度不敏感。低剂量下不同除草剂和施用方法的反应差异较大，强调了优化参数的重要性。喷头类型和喷雾量等参数也通过影响雾滴沉积和叶面相互作用来调节这些效应。NDVI被证明是评估此类快速水分相关冠层变化的最有效遥感指标。

**翻译研究结论**: 本研究的主要目的是探究叶面湿润度如何与除草剂类型、剂量、喷雾量和喷头配置相互作用，影响无人机和常规地面喷雾系统的除草效能。总体而言，结果表明叶面湿润度并未对除草剂药效产生一致影响。其影响取决于施用系统、除草剂作用模式、施用剂量和喷雾配置之间的相互作用。在本研究受控的高叶面水分条件下，无人机施药通常比常规喷杆喷雾器表现出更稳定的性能。这在敌草快上尤为明显，在无人机施药下，湿润叶面与更强或更持久的杂草抑制效果相关，而地面施药在湿润条件下往往恢复更快。草甘膦对叶面湿润度的敏感度普遍低于敌草快，这与施用系统无关。草甘膦的内吸作用可能缓冲了表面水分的影响，而触杀型除草剂敌草快对湿润冠层条件的反应更多变且更强烈。叶面湿润度效应在低剂量下比高剂量下更明显。低剂量敌草快与湿润度的相互作用最为清晰，在无人机施药下响应增强，但在地面施药下药效降低。相比之下，低剂量草甘膦保持相对稳定，尤其是在无人机施药下。关于喷雾量，将无人机施用草甘膦的喷雾量从15降低到8 L ha^-1并未实质性损害最终药效。叶面湿润度对此比较的影响有限，表明当草甘膦的目标部位保留了足够剂量时，低量无人机喷雾仍可有效。喷头类型对施药性能也有显著影响。液压扇形喷头在干湿叶面上提供的草甘膦性能比离心喷头更一致。尽管湿润叶面改善了离心喷头的响应，但其整体抑制效果仍低于液压喷头，表明喷头效应取决于雾滴特性和叶面湿润度条件。这些发现应在本研究的局限性内进行解释。湿润处理代表人工诱导的饱和冠层条件，而非自然露水形成。此外，未直接量化药滴沉积、滞留和径流。因此，未来的工作应在自然发生的叶面湿润情况下并通过直接测量喷雾沉积和滞留来验证这些发现，以加强机制解释。尽管存在这些局限性，本研究提供了在可控田间条件下，叶面表面水分如何与施用方法、除草剂特性和喷雾配置相互作用的证据，并介绍了一种系统评估此类相互作用的实用实验方法。