无人机离心喷嘴系统在山地葡萄园中的喷雾沉积效率与植被结构关系研究

推荐：本研究针对山地葡萄园地形复杂导致的植保产品分布不均问题，通过四旋翼无人机(UASS)搭载离心喷嘴，分析170 μm(T1)与305 μm(T2)两种雾滴尺寸在三种坡度带(Z1-Z3)的沉积规律。结果表明：细雾滴在冠层上部覆盖率显著高于粗雾滴(R2=0.78)，且地形坡度通过影响植被指数(NDVI)和冠层面积(CA)间接调控沉积效率，为精准农业技术优化提供新依据。

　　

在传统葡萄种植中，山地地形带来的植保难题长期困扰着果农。陡峭的坡地不仅限制传统机械作业，复杂的微气候和土壤条件更导致葡萄藤生长不均，使得农药喷洒效果参差不齐。联合国2030议程倡导的可持续农业目标，与当前过度依赖化学农药的现状形成鲜明对比。正是在这样的背景下，Palermo大学的Giulio Calderone团队将目光投向了无人机喷雾系统(UASS)这一创新解决方案。

研究团队选择意大利西西里岛Camporeale产区一片具有典型坡度变化(5%-15%以上)的"Catarratto Bianco Lucido"葡萄园作为试验场。这里采用垂直枝蔓定位(VSP)系统，冠层厚度35-50 cm，为研究提供了理想的多层植被结构模型。通过搭载多光谱传感器的DJI Mavic 3无人机，团队首先绘制出详细的数字高程模型(DEM)和植被活力图，将试验区划分为平缓(Z1)、中度(Z2)和陡坡(Z3)三个地形带。

技术方法的核心是ABZ L30四旋翼无人机(载重30L)配备离心喷嘴，采用受控雾滴应用(CDA)技术，通过调节转盘转速(5000/10000 rpm)产生两种雾滴谱(170/305 μm)。在BBCH 87生长阶段，以2 m/s飞行速度、2 m冠层上方高度进行喷雾，使用水敏试纸(WSP)采集冠层上下部及地面的沉积数据。通过DepositScan软件分析覆盖率(%)和相对跨度(RS)等参数，结合NDVI和CA等植被指数建立回归模型。

【4.1 葡萄园空间变异性评估】

数字高程模型揭示地形与植被生长的显著关联：平坦区(Z1)NDVI达0.664，冠层面积2.12 m2，而陡坡区(Z3)相应降至0.482和1.33 m2。地面测量验证了无人机数据，Z1单株叶面积(2.4 m2)显著高于Z3(1.5 m2)，说明坡度通过影响土壤养分分布间接调控藤蔓长势。

【4.2 冠层覆盖沉积】

离心喷嘴在10000 rpm转速下(T1)展现卓越性能，上部冠层覆盖率(26.5%)比T2高17.9%。双因素方差分析显示处理与地形带存在显著交互作用(p<0.001)，细雾滴在Z3陡坡区仍保持23.1%覆盖率，而粗雾滴降至17%。值得注意的是，下部冠层中T1覆盖率(8.6%)近乎T2(4.45%)两倍，证明细雾滴更易被旋翼下洗气流带入冠层内部。

【4.3 坡度对地面流失的影响】

地面沉积分析出现反直觉现象：虽然T2粗雾滴地面覆盖率(28.7%)显著高于T1(16.2%)，但坡度因素对RS参数无显著影响(p=0.281)。这表明地形坡度主要通过改变冠层结构而非直接影响雾滴沉降来调控沉积模式。

【4.4 基于NDVI和冠层面积的回归模型】

上部冠层中，NDVI与T1覆盖率的强相关性(R2=0.78)验证了植被活力对喷雾截获的促进作用。而下部冠层出现有趣反转：T2处理下，较高NDVI反而导致覆盖率下降(R2=0.58)，揭示粗雾滴在茂密冠层中的穿透局限性。

这项发表于《Smart Agricultural Technology》的研究，首次系统阐明了山地葡萄园中UASS喷雾效率与植被结构的量化关系。其核心价值在于：1) 证实离心喷嘴通过转速调节可适应不同坡度条件；2) 建立NDVI指导的精准施药模型，为变量喷洒提供理论依据；3) 揭示地形效应主要通过植被中介作用影响沉积，而非直接改变雾滴运动。这些发现对地中海地区坡地葡萄园的可持续管理具有重要实践意义，特别是为生物刺激素等叶面制剂的无人机应用开辟了新途径。未来研究可结合实时冠层扫描与喷嘴动态调控，进一步优化多层冠层的沉积均匀性。