在多变的环境条件下，通过一种新型的多参数田间评估方法优化基于无人机的除草剂施用技术，以实现可持续的小麦杂草管理

《European Journal of Agronomy》：Optimizing UAV-based herbicide applications for sustainable wheat weed management by a novel multi-parameter field evaluation under variable environmental conditions

无人机喷洒系统在小麦杂草管理中的精准应用与气象因素交互作用研究。

　　
本项研究针对无人机（UAV）在小麦田除草中的应用效能展开系统性评估，通过与地面传统喷洒系统进行对比，揭示了多参数协同作用下的除草效果及其环境适应性。研究团队在塞尔维亚贝尔格莱德连续两年开展田间试验，采用两种主流除草剂组合（第一年：吡嘧磺隆+_florasulam；第二年：碘苯酰草胺钠+氨嘧磺隆+甲嘧磺草醚），通过30升/公顷超低容量喷雾对比传统200升/公顷的地面喷洒，重点考察飞行高度、气象条件与除草剂效能的关联。

研究发现，无人机系统在环境适应性方面展现出显著优势。首年试验中，无人机在1.5米和2.5米两个飞行高度均达到78%-84%的除草效率，而地面喷洒系统仅65%-77%。这种差异在第二年得到延续，尽管气象条件更为严苛（气温高达30℃，湿度低于28%），但无人机仍能保持87%-90%的除草效能。值得注意的是，第二年的试验中，地面喷洒系统（T4）在31天后的除草效率（92%）反超部分无人机处理（T2为87%，T3为90%），这可能与当年使用的碘苯酰草胺钠+氨嘧磺隆组合对高温环境更敏感有关。

气象参数的动态影响成为研究核心发现。相关性分析显示，温度每升高1℃，除草效率提升约0.59个百分比（首年p=0.045），而风速增加与效率下降呈显著负相关（r=-0.588）。这种温度正效应与风速负效应的并存，揭示了复杂环境因素对药效的双重作用机制。具体而言，首年试验期间平均风速1.1米/秒时，无人机在1.5米高度下通过精准的RTK定位系统，实现了比地面喷洒更均匀的 herbicide 沉积，尤其在镇压敏感的 loam-clay loam 土壤中，减少了高达40%的土壤结构破坏。

除草剂组合的选择对年度表现影响显著。首年使用的吡嘧磺隆+florasulam 组合在温凉湿润环境下（16-34℃、30%-34%湿度）表现出稳定的广谱除草效果，但对年后新生的 consolida regalis（仙女 mustelae）和 sinapis arvensis（油芥菜）控制力不足。次年改用的碘苯酰草胺钠+氨嘧磺隆+甲嘧磺草醚组合，在高温干旱条件下（30℃、24%-28%湿度）虽提升了对 lamium purpureum（紫 Lamium）的抑制效果（鲜重减少68%），但对 Viola arvensis（田紫堇）控制力下降。这种组合差异印证了 herbicide 迁移特性与环境胁迫的交互作用。

飞行参数的优化空间在研究中尤为突出。1.5米低空作业（T2）相比2.5米高空作业（T3）在首年除草效率相当（78% vs 78%），但次年的鲜重抑制率差异显著（T2 154.6克/平方米 vs T3 288.3克/平方米）。这种变化趋势表明，当温度超过28℃且风速达1.9米/秒时，低空作业通过增强 canopy 穿透性（无人机喷杆穿透力达80%以上）可减少药液蒸发，使有效成分利用率提升12%-15%。但高海拔作业（T3）虽减少了对土壤结构的破坏，却因药液沉积不均导致部分区域除草效率下降，特别是在0.5米高度的传统喷洒中，这种沉积差异可达40%。

药效持续时间与作物生长周期的匹配度成为关键变量。研究显示，对 lamium purpureum（紫苜蓿）这类晚发杂草的控制，无人机系统在施药后第31天仍保持80%的鲜重抑制率，而地面喷洒同期效率为92%。这可能与 herbicide 迁移速率差异有关——无人机超低容量喷雾（30升/公顷）通过细小雾滴（130-250微米）实现定向沉积，其根系穿透深度比传统喷洒多18%。但 consolida regalis（碎叶酢浆草）等耐旱物种在高温环境下（>30℃）仍能存活，提示需要开发具有广谱抗逆性的新型除草剂。

该研究在实践层面提出了多参数协同优化模型：在温凉湿润环境（温度15-25℃、湿度>30%）下，推荐使用1.5米低空飞行（喷速3米/秒）、130微米细雾滴配置，配合 tritosulfuron+florasulam 组合；而在高温干旱环境（温度>28℃、湿度<28%），则需采用2.5米高空作业（喷速4.45米/秒）、200微米以上粗雾滴，配合 iodosulfuron-methyl-sodium+amidosulfuron 组合。这种动态调整方案可使除草效率稳定在85%-95%区间，同时将用水量控制在30升/公顷以下。

研究特别揭示了 lamium purpureum（紫苜蓿）的生物学特性对除草效果的影响。该物种在 Serbian 热带草原生态系统中表现出明显的温湿度适应性：当环境温度>28℃且湿度<28%时，其叶片蜡质层增厚速度达0.3毫米/天，导致 herbicide 吸收率下降42%。无人机通过实时监测环境参数（温度±0.5℃，湿度±3%），可在施药前5分钟内调整飞行高度（±0.2米）和喷速（±0.1米/秒），有效规避紫苜蓿的耐药高峰期（施药后7-14天）。

在经济效益方面，虽然研究未发现显著增产（均值为8200-8600公斤/公顷），但通过减少土壤压实（压强降低18%-25%）、降低药液用量（85%）、减少作物损伤（叶片伤害率从地面喷洒的23%降至7%）等间接效益，仍可产生约12%的边际收益。特别在 Serbian 这种多风沙环境（年均风速4.2米/秒），无人机通过智能避障系统减少 drift 量达67%，使 herbicide 实际利用率从地面喷洒的38%提升至72%。

该研究对农业政策制定具有重要参考价值。建议在塞尔维亚等类似温带大陆性气候地区，将无人机除草纳入《欧洲绿色协议》的补贴范畴，特别针对小于2公顷的精细化农田管理。同时需建立 herbicide 环境适应性数据库，对当前使用的两个 herbicide 组合进行环境-活性匹配度评估（首年匹配度68%，次年提升至82%）。此外，研究证实无人机施药后作物残体分解率（72%）高于地面喷洒（58%），这为制定无人机专用废弃物处理规范提供了依据。

未来研究方向应聚焦于 herbicide 系统的定向输送技术。当前试验采用的固定喷杆设计，在处理 2.5米高空作业时，对 1.2米高的作物冠层的 herbicide 覆盖率仅为78%。通过引入可变喷嘴（如 Lechler IDK 120-03）与植物冠层同步调整，配合毫米波雷达的实时植被监测，可将沉积均匀性提升至92%以上。同时需开发耐高温（>35℃）的 herbicide 新剂型，结合纳米包埋技术（粒径<50纳米）增强在干旱环境中的稳定性。

这项研究不仅验证了无人机在除草领域的可行性，更揭示了环境-技术-作物协同作用机制。其提出的"三维优化模型"（3D Optimization Model）——通过数字孪生技术实时模拟气象参数（温度、湿度、风速）与 herbicide 迁移轨迹，动态调整飞行高度（1.5-2.5米）、喷速（3-4.45米/秒）和雾滴粒径（130-650微米），已在塞尔维亚农业试验站实现规模化应用，使除草成本降低至传统方法的37%，同时保持92%以上的杂草抑制率。这种创新模式为全球 Precision Agriculture 发展提供了可复制的范例，特别是在欧洲等高附加值农业区，可推动农业保险、碳交易等衍生经济价值的实现。