《Pest Management Science》：Targeted herbicide spraying systems: role of nozzle type, number of nozzle activation, nozzle orientation, and boom height on spray coverage and weed control
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这篇综述聚焦于靶向除草剂应用技术（THATs）的优化配置，探讨了喷嘴类型（TP40015E vs. DG80015）、激活喷嘴数量（单个 vs. 多个）、喷嘴朝向（常规0° vs. 30°后倾）及喷杆高度（53 cm vs. 76 cm）在不同风速条件下对喷雾覆盖率及杂草防效的影响。研究表明，无论环境如何，激活多个喷嘴均能获得更优的喷雾覆盖率与杂草控制效果。该研究为农业植保领域的精准施药技术与装备优化提供了重要的实验依据。
1. 引言
实现除草剂在靶标区域的精准投放，对于优化药效、实现有效杂草控制至关重要。喷洒除草剂是一个复杂过程，需仔细关注喷雾配置参数，以确保雾滴到达预定目标。错误的喷嘴选择、非理想的喷杆高度以及设备校准不当，都可能对除草剂投放的准确性、喷雾分布均匀性及覆盖率产生负面影响，最终降低杂草防效。因此，选择最优的喷洒配置对于确保除草剂精准投放到目标至关重要。
过去十年，地面喷洒技术的进步推动了靶向除草剂应用技术的发展，这些系统能够实现特定地点的杂草检测与处理。这些现代系统将基于摄像头的传感技术与机器学习算法（通常基于人工智能）相结合，以区分杂草与作物，并激活特定喷嘴，仅在杂草存在的地方施用除草剂，为传统全面喷洒提供了更精准的替代方案。不同靶向施药系统（在文献中也称为智能喷洒机、靶向喷洒机、光学喷洒机等）在制造商之间存在差异，特别是在所使用的检测技术类型、推荐的喷嘴类型、喷嘴激活配置（涉及单个均一喷嘴或多重重叠喷嘴激活）以及喷嘴朝向上存在不同。
尽管有报道称靶向除草剂应用技术能提供与全面喷洒相当的杂草控制水平，但在多变的田间条件下，激活单个均一或多个重叠喷嘴可能导致除草剂投送到靶标不足。均一与重叠喷嘴类型的选择显著影响喷雾特性，包括雾滴尺寸分布、覆盖均匀性和飘移风险。此外，在每个喷嘴类别内，喷雾角度、工作压力、喷嘴朝向和喷嘴间距等因素进一步调节喷雾性能及脱靶移动的风险。
虽然已有关于单个喷嘴类型雾滴尺寸的数据，但喷嘴激活、喷嘴朝向和喷杆高度对靶向施药系统喷雾覆盖率和杂草控制的具体影响尚不清楚，有待进一步研究。了解喷嘴和喷杆配置如何影响喷雾覆盖率，特别是在有风条件下，对于优化靶向除草剂应用、确保药效以及支持该技术的更广泛采用至关重要。
2. 材料与方法
本研究通过五项实验评估了模拟靶向施药系统的喷雾覆盖率和杂草控制效果。实验在田间和受控环境下进行，评估了喷嘴类型、激活喷嘴数量、喷嘴朝向和喷杆高度等因素的影响。
2.1. 喷雾覆盖率评估
田间试验于2023年和2024年在美国威斯康星州阿灵顿农业研究站进行，评估了不同喷嘴和喷杆高度处理下的喷雾覆盖率。实验采用2×2×2因子设计，包括喷嘴类型、喷嘴数量和喷杆高度三个因素。使用水敏感卡收集喷雾数据，并通过图像处理软件估算喷雾覆盖率。
2.2. 风对喷雾覆盖率的影响
在受控环境中进行的研究，探讨了风速对喷雾覆盖率的影响。实验设置包括有无风条件，并使用风扇模拟侧风。水敏感卡用于测量不同处理下的喷雾覆盖率。
2.3. 不同喷洒器设置下杂草的生物学反应
在威斯康星州两个地点进行的田间研究，评估了不同喷嘴配置对杂草防效的影响。主要杂草种类为普通豚草和巨豚草。所有处理均施用草铵膦，并在处理后14天评估视觉杂草控制效果和生物量减少。
2.4. 不同喷嘴角度对喷雾覆盖率的影响
受控环境研究评估了喷嘴朝向对喷雾覆盖率的影响，同样考虑了有风和无风条件。
2.5. 不同喷嘴角度对杂草的生物学反应
裸地田间研究评估了喷嘴朝向对杂草控制的影响，主要杂草种类为水麻。施用草铵膦后评估防效。
2.6. 数据分析
所有数据均使用RStudio统计软件进行分析。采用广义线性混合模型，并使用Tukey's HSD检验进行均值分离。
3. 结果
3.1. 喷雾覆盖率评估
喷嘴类型与喷嘴数量之间的交互作用以及喷杆高度的主效应影响了喷雾覆盖率。多个TP40015E喷嘴提供了最好的喷雾覆盖率（43%）。53 cm的喷杆高度比76 cm提供了更大的喷雾覆盖率（34% vs. 28%）。
3.2. 风对喷雾覆盖率的影响
喷嘴类型×喷嘴数量、喷嘴类型×风、喷嘴数量×风以及喷杆高度×风的交互作用对喷雾覆盖率有显著影响。在无风条件下，多个喷嘴提供了最高的喷雾覆盖率（58%），而在有风条件下，单个喷嘴的喷雾覆盖率最低（19%）。有风时，提高喷杆高度会显著降低喷雾覆盖率，在76 cm高度使用单个喷嘴时覆盖率最低（18%）。
3.3. 不同喷洒器设置下杂草的生物学反应
对于普通豚草，使用多个喷嘴提供了更好的杂草控制（92%）和生物量减少（96%），优于单个喷嘴（78%控制，87%生物量减少）。53 cm喷杆高度比76 cm提供了更大的生物量减少（94% vs. 88%）。对于巨豚草，多个喷嘴也优于单个喷嘴，53 cm喷杆高度的效果优于76 cm。
3.4. 不同喷嘴朝向对喷雾覆盖率的影响
喷杆高度×风和喷嘴朝向×风的交互作用影响了喷雾覆盖率。在无风条件下，两种喷嘴朝向提供了相似的喷雾覆盖率（约42%）；而在有风条件下，30°后倾喷嘴的覆盖率最低（16%）。
3.5. 不同喷嘴朝向对杂草的生物学反应
在该田间研究中，喷嘴朝向和喷杆高度对视觉杂草控制评估和生物量减少没有影响。所有处理均提供了>97%的水麻控制和99%的生物量减少。
4. 讨论
本研究结果与先前研究一致，证实了在田间条件下，使用均一和重叠喷嘴均可实现超过88%的杂草控制。在无风条件下，两种喷嘴类型提供了相似水平的杂草控制和喷雾覆盖率。然而，使用单个均一喷嘴，特别是在喷洒过程中存在风和喷杆晃动时，可能导致喷雾覆盖率不足、低于标签剂量的除草剂施用以及喷雾带位移/脱靶移动。
在本研究中，使用多个喷嘴比使用单个喷嘴产生了更好的喷雾覆盖率、杂草控制和生物量减少，且不受喷嘴类型或喷杆高度的影响。此外，激活多个喷嘴可以通过重叠的喷雾模式，偶然处理未被摄像头系统检测到的杂草，从而改善控制效果。我们的结果支持使用多个喷嘴来提高喷雾覆盖率，并确保靶向施药系统下的有效杂草控制，特别是在可能存在喷雾带位移的有风条件下。
喷嘴朝向影响了受控环境研究中的喷雾覆盖率，但并未导致田间实验中杂草控制或生物量减少的差异。这与田间试验在无风条件下进行有关。从靶向施药的角度来看，后倾喷嘴为实时杂草检测提供了优势，因为处理单元有更多时间识别杂草，并可能实现更高的行进速度。未来的研究应确定这种配置是否可以在不影响杂草控制的情况下允许更高的行进速度。
喷杆高度在最小化飘移、实现预期喷雾覆盖率和杂草控制方面起着关键作用。我们的研究结果进一步支持，53 cm的喷杆高度在有无风条件下都提供了更好的喷雾覆盖率，并导致比76 cm喷杆高度更大的杂草控制和生物量减少。虽然降低喷杆高度有明显好处，但过低的高度会损害喷雾均匀性，并因垂直喷杆晃动/移动而增加喷杆接触地面损坏的风险。此外，为避免宽幅喷杆接触地面，操作员可能会在次优的较高高度下作业。本研究的发现强调了选择最佳喷杆高度和保持喷杆稳定性以实现一致有效除草剂施用的重要性。
5. 结论
本研究表明，喷嘴类型、激活喷嘴数量、喷嘴朝向、喷杆高度和风况可显著影响靶向施药系统的喷雾覆盖率和后续杂草防效。激活多个喷嘴比激活单个喷嘴能持续改善喷雾覆盖率、杂草控制和生物量减少，且不受喷嘴类型或喷杆高度影响。本实验推荐的53 cm喷杆高度提供了更大的喷雾覆盖率，特别是在有风条件下，以及更好的杂草控制。在无风条件下，两种喷嘴朝向提供了相似的喷雾覆盖率和杂草控制。然而，在有风条件下，76 cm喷杆高度下的30°后倾喷嘴提供了最低的喷雾覆盖率。这些发现证实了先前关于重叠喷嘴价值的模型预测，并突出了喷杆稳定性对于优化靶向施药系统的操作重要性。在单个均一喷嘴策略针对多变的田间和环境条件进行优化以实现稳定性能之前，激活多个重叠喷嘴仍然是使用靶向施药系统进行有效杂草管理的更可靠方法。
