《Precision Agriculture》：Comparison of low-volume spray application rates using UASS: implications for vine canopy deposition, spray quality, and in-field ground losses
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本研究旨在为葡萄园冠层定向单向条带喷雾模式确定特定生育期的无人机航空施药系统（UASS）操作参数设置。为此，研究人员量化了三个葡萄生育期间冠层沉积、田间地面损失与喷雾质量之间的权衡关系。田间试验在葡萄早期（BBCH 55）、中期（BBCH 75）和晚期（BBC
本研究旨在为葡萄园冠层定向单向条带喷雾模式确定特定生育期的无人机航空施药系统（UASS）操作参数设置。为此，研究人员量化了三个葡萄生育期间冠层沉积、田间地面损失与喷雾质量之间的权衡关系。田间试验在葡萄早期（BBCH 55）、中期（BBCH 75）和晚期（BBCH 81）三个生育期进行，采用固定飞行高度的冠层定向单向条带喷雾模式。在选定的喷嘴和压力配置下，测试了五种操作设置，对应54.2、72.9、90.6、105.8和142.2 L ha?1的施药量。研究人员使用染料示踪剂对放置在冠层内及地面的收集器上的沉积量进行定量。通过水敏纸（WSP）评估喷雾质量，以获取叶片上表面和下表面的喷雾覆盖率（%）及覆盖密度（No. stains cm?2）。
结果显示，绝对冠层沉积量随施药量的增加而增加；然而，垂直分布始终向上部冠层偏移，且该趋势在生育后期更为显著，表明葡萄带（grape band）内的沉积量减少。田间地面损失随施药量急剧增加（从54.2 L ha?1到142.2 L ha?1增加了233%）。喷雾覆盖率也随施药量增加，而覆盖密度则表现出显著的生育期-施药量交互作用，表明存在生育期依赖的最优值。
研究结论指出，在测试配置下，最有前景的特定生育期操作设置为：早期采用ISO 015喷嘴、0.30 MPa（54.2 L ha?1），中期采用ISO 03喷嘴、0.30 MPa（105.8 L ha?1），晚期采用ISO 04喷嘴、0.25 MPa（142.2 L ha?1）。这些结果应被理解为在测试喷嘴、压力和飞行高度条件下的配置特异性操作建议，而非普遍适用的随物候调整的药量处方。要进一步改善对葡萄带的喷雾输送，可能需要在选择施药量的同时调整飞行高度，尽管这将取决于葡萄园采用的架式系统。
葡萄园和果园是植物保护中最具挑战性的作物类型之一，其冠层不连续、垂直发育且经历快速的季节性生长。在这些系统中，植物保护产品（PPPs）的施用是综合害虫管理（IPM）的核心农业操作，但同时也是主要的成本驱动因素以及操作者、旁观者和居民暴露及环境污染的关键潜在来源。当效率低下时，后果不仅限于即时的农艺表现，还包括增加PPPs抗性的选择压力，以及通过空气飘移、径流、淋溶和田间地面损失等途径增强的污染。这一问题在陡坡葡萄栽培中更为尖锐，机械化受限，作物保护常需人工或在困难操作条件下使用小型拖拉机驱动的喷雾机完成。人工操作增加了直接接触PPPs的可能性，而陡坡地形的拖拉机操作则引入了众所周知的安全风险。同时，狭窄的作业窗口和突发的天气变化可能限制施药的及时性，特别是在冠层茂密、病害压力高时。这些限制共同强化了对替代农药施用设备（PAE）的需求，以在保证处理及时性和生物活性的同时，减少操作者暴露并降低非靶标损失。
无人机航空施药系统（UASSs）作为作物保护的潜在使能技术正受到关注，尤其在出入困难、减少操作者暴露为优先事项的地区。然而，大多数UASSs主要是为耕地作物的 broadcast applications（广播式施药）开发的，使用相邻飞行路径和重叠条带喷洒连续的二维靶标。将这一范式转换到葡萄园并非直截了当：冠层呈行排列，地面未被植被均匀覆盖，农学目标是在最小化地面和周围环境损失的同时将PPPs输送至冠层。UASS喷洒的物理背景与传统地面PAEs根本不同：喷嘴安装在冠层上方，液滴与旋翼下洗气流（rotor downwash）相互作用，产生复杂的非定常流动，影响液滴轨迹、冠层穿透和非靶标损失。旋翼下洗气流还会扰动冠层，可能以传统地面辅助空气喷雾机从行间操作很少相关的方式改变拦截和喷雾输送。
冠层沉积、田间地面损失和喷雾质量的权衡：研究背景与问题
UASS在葡萄园中操作的关键实践问题之一是选择适宜的季节性操作设置。在此情境下，施药量并非孤立变量，而是喷嘴尺寸、操作压力、流量和飞行几何组合的结果，这些共同影响平均喷雾输送量和在冠层内获得充足喷雾质量（喷雾覆盖率和覆盖密度）的概率。对于传统PAEs，葡萄栽培已受益于将冠层发育与推荐施药量相关联的校准方法和决策支持系统，有助于避免施药不足和过量。此外，变量施药和冠层自适应喷雾概念在果园和其他三维作物中的UASS应用中也日益受到讨论。尽管地面设备取得了这些进展，针对UASS葡萄园应用的等效操作框架仍然缺失。
UASS操作受有效载荷和泵送能力限制，这缩小了可实现操作设置和由此产生施药量的范围。因此，为辅助空气地面喷雾机制定的指导无法直接转移，需要特定生育期证据来识别哪些操作设置在采用冠层定向UASS的葡萄园中既技术上可实现又具有农学意义。同时，评估UASS喷雾性能的标准化方法正在出现，包括受控的三维收集器布局和点喷测试协议，以提高跨配置和操作设置的可比性。
在欧盟政策背景下，这种比较正变得越来越重要。根据指令2009/128/EC（可持续使用指令，SUD），航空喷洒被禁止，但在严格条件下可获得豁免。2025年12月16日，欧盟委员会提出了OMNIBUS X提案，将修订该指令，引入成员国豁免某些UASS类型免于航空喷洒禁令的可能性，前提是评估显示其风险等于或低于同用途地面PAEs的风险。这一途径仍将以PPPs在法规（EC）第1107/2009号下明确授权UASS使用为条件，并依赖欧洲食品安全局（EFSA）的相关风险评估指南。这些发展突显了对喷雾沉积和田间地面损失的稳健、分生育期证据的需求，以支持比较风险评估和适当的操作限制。
研究设计与关键技术方法
为填补这一空白，研究人员评估了为葡萄园冠层定向单向条带施药定制的UASS的喷雾性能。田间试验在意大利Castagnole Monferrato的一处垂直新梢定位（VSP）、居约式修剪的Ruché品种葡萄园进行，种植密度为5,000株ha
?1。试验在早期（BBCH 55）、中期（BBCH 75）和晚期（BBCH 81）三个葡萄生育期进行，每个生育期测试五种施药量（54.2、72.9、90.6、105.8、142.2 L ha
?1），通过更换ISO 015、02、025、03和04喷嘴实现，ISO 04因泵容量限制在0.25 MPa操作，其余在0.30 MPa。采用六旋翼DJI Matrice 600 Pro无人机，配备两个30°窄喷雾角空心锥形喷嘴，在2.70 m地面高度以上以1.5 m s
?1速度沿葡萄行飞行，喷嘴对准葡萄行进行单向条带喷雾。
研究人员使用基于染料示踪剂（E102 Tartrazine yellow，10 g L
?1）的方法定量冠层沉积和田间地面损失。冠层沉积采用滤纸（? 120 mm）作为人工采样器， clip到叶片上表面和下表面；田间地面损失使用跨行排列的塑料培养皿（? 140 mm）收集，采样点包括行下（0 m）及两侧0.63 m和1.25 m处。喷雾质量通过水敏纸（WSPs）评估，获取上表面和下表面的喷雾覆盖率（%）和覆盖密度（No. stains cm
?2）。为克服算术平均值描述高变异性的局限，研究人员进行了累积频率分析。
多准则决策采用逼近理想解排序法（TOPSIS），结合标准化冠层沉积、田间地面损失、喷雾覆盖率和覆盖密度，按权重0.4、0.2、0.2、0.2进行综合排序，识别各生育期的最优操作设置，并通过灵敏度分析验证结果稳健性。统计分析采用R环境中lme4包的线性混合效应模型，生长阶段、施药量及其交互作用为固定效应，时间重复为随机截距。
研究结果
**冠层沉积结果**
生长阶段和施药量显著影响绝对冠层沉积，但交互作用不显著。随施药量增加，绝对冠层沉积从54.2 L ha
?1时的0.13 μL cm
?2增至142.2 L ha
?1时的0.35 μL cm
?1（+169%）。然而，标准化冠层沉积在各施药量间变化较窄（0.23-0.27 μL cm
?2），表明主要限制在于冠层穿透和垂直再分配而非总喷雾体积。生长阶段影响显著，中期最低（0.17 μL cm
?2），早期和晚期较高且相近。
按叶片表面分析，早期下表面沉积高于上表面；中期分布更均匀；晚期上表面明显占优，142.2 L ha
?1时上表面沉积是下表面的两倍。垂直分布方面，沉积量从葡萄带向冠层上部递增的趋势在所有生育期均存在。早期，1.4 m处沉积占58.8%-69.2%，0.8 m处占30.8%-41.2%；中期，1.8 m处占58.5%-65.5%，0.8 m处仅占6.5%-12.8%；晚期失衡更剧，2.0 m处占68.6%-78.6%，0.8 m处仅8.0%-15.7%，142.2 L ha
?1时最为极端。
**田间地面损失结果**
生长阶段和施药量均显著影响绝对和标准化田间地面损失，交互作用不显著。平均而言，绝对损失从54.2 L ha
?1时的0.18 μL cm
?2增至142.2 L ha
?1时的0.60 μL cm
?2（+233%）。标准化损失也随施药量增加，从0.34增至0.47 μL cm
?2。中期损失最高（0.40 μL cm
?2），较早期高8.1%，较晚期高14.3%。大部分损失集中在行下条带（±0.63 m），占57.1%-83.1%，但90.6 L ha
?1时条带外比例达42.9%。
**喷雾质量结果**
喷雾覆盖率随施药量增加（54.2到142.2 L ha
?1增加86.7%），生长阶段无显著主效应，叶片表面效应显著，上表面始终高于下表面。早期下表面覆盖较中期和晚期高，差异幅度随生育期变化。过度喷洒（覆盖率>30%）的WSPs比例始终低于2.5%。覆盖密度无显著主效应，但存在显著的生育期-施药量交互作用。早期54.2 L ha
?1最高（36.11 stains cm
?2），中期105.8 L ha
?1最高（30.9 stains cm
?2），晚期90.6 L ha
?1最高（20.07 stains cm
?2）。按参考阈值评估，>30 stains cm
?2（杀虫剂参考）在早期90.6 L ha
?1时达标率最高（33.3%），中期105.8 L ha
?1最优（34.3%），晚期54.2 L ha
?1稍优（26.5%）。>70 stains cm
?2（杀菌剂参考）达标率普遍较低。
**特定生育期操作设置选择**
基于TOPSIS综合排序，参考权重方案下：早期最优为ISO 015/0.30 MPa（54.2 L ha
?1，ξ
i=0.65），中期为ISO 03/0.30 MPa（105.8 L ha
?1，ξ
i=0.61），晚期为ISO 04/0.25 MPa（142.2 L ha
?1，ξ
i=0.65）。灵敏度分析显示，早期和中期排序稳定，晚期在更看重地面损失时54.2 L ha
?1变为最优，表明晚期优化更依赖于对覆盖率相关参数与降低地面损失之间的相对优先性权衡。
讨论总结
研究人员讨论了天气条件的影响，指出部分中期和晚期试验在高温低湿条件下进行，增加了蒸发风险，但反映了北意大利春夏恶劣天气下种植者面临的现实约束。冠层定向单向条带喷雾是从广播式向定向喷雾转变的实用模式。研究发现，尽管增加施药量可提高绝对冠层沉积，但标准化后各施药量差异缩小，表明冠层穿透和垂直再分配是主要限制因素，而非总喷雾体积。
旋翼下洗气流与冠层的相互作用解释了叶片表面沉积模式：早期和中期冠层较稀疏，叶片可自由摆动，间歇暴露两面；晚期冠层致密，压缩和叶片重叠限制了下部叶片暴露。垂直分布失衡随生育期加剧，上部冠层成为液滴主要汇，单纯增加施药量对葡萄带输送的边际效益递减，除非同时调整飞行高度等几何参数。
田间地面损失是过顶UASS在成排作物中的重要非靶标途径。损失随施药量急剧增加，标准化后仍呈增加趋势，表明高效率下的应用效率降低。中期最高损失归因于固定飞行高度下冠层增高减小了喷嘴-冠层距离，增强了近冠层下洗气流。行下条带集中了大部分损失，但条带外比例受轨迹对齐敏感性影响。
喷雾质量方面，WSP数据需谨慎解读因污渍重叠和合并的固有限制。喷雾覆盖率随施药量增加，而覆盖密度呈非单调响应，存在生育期依赖的最优值。避免过度喷洒相对容易，但达到覆盖密度目标更具挑战性且强烈依赖生育期。 solely降低施药量可能导致覆盖密度不足，特别是在自上而下的拦截和有限穿透已使冠层区域处于劣势的情况下。
研究局限性包括单点、单一品种、单一架式系统和固定飞行模式，结果应被视为配置特异性指导，而非普遍适用的处方。
研究结论
本研究量化了施药量与葡萄物候学的交互作用对过顶单向条带UASS应用中靶沉积、田间地面损失和喷雾质量的影响。绝对冠层沉积随施药量增加，但标准化沉积在各施药量间相对稳定，表明主要的季节性限制是冠层穿透和垂直再分配，而非施用的总喷雾体积。与此同时，田间地面损失随施药量急剧增加，确认了成排作物中过顶单向条带UASS应用将大量喷雾转移至土壤。该效应在冠层发育减小喷嘴-冠层距离的固定飞行高度下尤为显著。喷雾覆盖率随施药量增加，而覆盖密度表现出显著的生育期-施药量交互作用，表明在平衡喷雾覆盖率、覆盖密度和田间地面损失时，最适合的施药量取决于冠层发育阶段。
在测试的操作几何条件下（固定飞行高度和冠层定向单向条带模式），结果支持特定生育期的操作设置而非固定药量处方。在这些条件下，最适合的设置分别为：早期BBCH 55采用ISO 015喷嘴、0.30 MPa（54.2 L ha
），中期BBCH 75采用ISO 03喷嘴、0.30 MPa（105.8 L ha?1），晚期BBCH 81采用ISO 04喷嘴、0.25 MPa（142.2 L ha?1）。这些建议应被理解为针对测试喷嘴组、压力和飞行配置的权衡知情操作指导，而非普遍适用的随物候调整的喷雾体积处方。替代约束（如更严格的地面损失限制或更高的喷雾质量目标）可能会改变首选设置。
