農(nóng)藥噴施過程中霧滴沉積分布與脫靶飄移研究

張慧春 鄭加強 周宏平 DORR G J

(1.南京林業(yè)大學機械電子工程學院， 南京 210037； 2.昆士蘭大學理學院， 布里斯班 4343)

農(nóng)藥噴施過程中霧滴沉積分布與脫靶飄移研究

張慧春1鄭加強1周宏平1DORR G J2

(1.南京林業(yè)大學機械電子工程學院， 南京 210037； 2.昆士蘭大學理學院， 布里斯班 4343)

對農(nóng)藥通過空氣運輸并沉積到靶標植物表面(葉片或其它部位)、地面(土壤表層)以及大氣(隨風飄移)等不同部分的沉積進行研究。以苦苣菜、棉花和稗草作為靶標植物，取其不同生長階段(總葉面積分別為15、135、300 cm2)作為研究對象。在開路式風洞噴施加有熒光示蹤劑噴霧介質(zhì)，通過清洗并分析植物葉片、地面上放置的聚酯薄膜卡和風洞中懸掛的聚乙烯線測定熒光劑含量，分析不同體積中徑、噴霧角、霧滴速度、流量、噴頭高度、風速、植物類型、生長階段等因素時的農(nóng)藥霧化后的分配過程，定量測試不同參數(shù)對農(nóng)藥在植物、地面和大氣中的沉積比例分配的影響。建立了基于跨幀技術的粒子圖像測速系統(tǒng)來增加測速范圍，包括激光成像系統(tǒng)、脈沖發(fā)生器和分析軟件。結果表明，噴霧角、霧滴速度、流量、植物類型等參數(shù)對植物、地面和大氣等不同部分農(nóng)藥分配比例的影響不大，而霧滴粒徑、噴頭高度、風速、植物生長階段對植物、地面和大氣等不同部分農(nóng)藥分配比例的影響顯著。當霧滴粒徑由445 μm減小到181 μm時，地面上的沉積比例由82.7%減少到57.7%，空氣中飄移部分的比例由30%減少到0.8%。當噴霧高度為40～60 cm、風速2～4 m/s時，農(nóng)藥在植物上的沉積比例都達到13.4%以上。因此，噴施農(nóng)藥時，應盡量使噴霧高度為40～60 cm，風速小于4 m/s，并根據(jù)防治目標、附近環(huán)境確定霧滴粒徑。當噴施土壤活性除草劑等農(nóng)藥時，應選擇產(chǎn)生較大的霧滴粒徑，以增加在地面(土壤)上的沉積比例；而對于防治飛行類害蟲，農(nóng)藥在空氣中飄移部分的比例可以提高防治效果，所以較小的霧滴更加有效。靶標植物本身的特性也會影響農(nóng)藥的有效沉積效率，植物的生長階段越靠后，葉面積越大，農(nóng)藥在植物上的沉積比例越高，在地面上沉積部分的比例越低，噴施除草劑時，盡量減少藥劑在單子葉作物葉片上的沉積，增加在雙子葉靶標雜草上的沉積量。選擇不同的參數(shù)，將導致植物上的藥劑有效沉積明顯不同，也會引起農(nóng)藥流失部分的明顯不同。

農(nóng)藥沉積; 跨幀技術; 靶標植物; 生長階段; 隨風飄移

引言

噴施農(nóng)藥能迅速有效地控制農(nóng)林病蟲害的爆發(fā)和蔓延[1]，目標是以對非靶標生物風險最小的方法把少量高效的農(nóng)藥有效成分分散、傳遞到生物靶標上實現(xiàn)病蟲害防治[2]。而農(nóng)藥施用是農(nóng)藥的輸送過程，目的在于把農(nóng)藥從噴頭輸送到靶標植物上，然后發(fā)生農(nóng)藥的劑量轉移，直接或間接地轉移到有害生物體上，既減少有害生物數(shù)量(如雜草、害蟲和真菌)，又盡量減輕由此導致的對環(huán)境的毒性影響[3]。施藥時，不僅要考慮對病蟲害的致死效果，還要預測環(huán)境風險，評估農(nóng)藥施用對周圍不同對象的影響[4]。

國內(nèi)很多學者開展了農(nóng)藥沉積與飄移的研究。王玲等[5]設計了微型無人機脈寬調(diào)制型變量噴藥系統(tǒng)，并利用風洞的可控多風速環(huán)境，通過熒光粉測試方法對懸停無人機變量噴藥的霧滴沉積規(guī)律進行了試驗研究。李慧等[6]基于CFD三維模擬技術，建立了常溫煙霧機在密閉溫室內(nèi)作業(yè)的氣流速度場模型及霧滴沉積分布模型，并進行了試驗驗證。邱白晶等[7]采用二因素三水平試驗方法進行了小型無人直升機噴灑農(nóng)藥試驗，研究了飛行高度與飛行速度對農(nóng)藥沉積濃度、沉積均勻性的影響，并建立了回歸模型。宋堅利等[8]針對農(nóng)藥霧滴難以在水稻葉片上沉積持留的問題，采用掃描電鏡法觀察研究了兩種水稻品種在分蘗期、孕穗期葉片正、反面的顯微結構，研究了農(nóng)藥藥液在水稻葉片的主要沉積部位。

國外的專家學者不僅開展了大量的農(nóng)藥噴霧沉積與飄移研究，也研究了農(nóng)藥使用技術評價模型。BIRKVED等[9]建立了一個基于農(nóng)藥壽命周期評價的模塊化模型，推導出了不同施用時間和類型、植物品種、生長階段、噴施區(qū)域時空條件等因子下的數(shù)學模型，稱為PestLCI 1.0模型。DIJKMAN等[10]在此基礎上進行深入研究，增加了農(nóng)藥使用后對水體環(huán)境的污染風險評估，包括農(nóng)藥對地表水(通過徑流、灌溉等)和對地下水(通過降雨、淋溶等)的污染，并發(fā)展建立了PestLCI 2.0模型。

國內(nèi)外運用水敏紙、采集卡等模擬植物葉片，進行了大量不同施藥器械、不同施藥技術等因素對農(nóng)藥在植物靶標上的沉積研究，但器械和操作因素對大氣和土壤等環(huán)境的影響沒有進行過定量分析，尚無人開展農(nóng)藥噴施分配過程中在地面、大氣和植物等不同部分的沉積比例研究。本文從農(nóng)藥噴施分配過程的角度出發(fā)，對防治效果和環(huán)境安全進行綜合考慮，研究霧滴粒徑、噴霧角等噴頭結構參數(shù)，霧滴速度、流量、噴頭高度、風速等噴施操作參數(shù)，植物類型、生長階段等靶標參數(shù)對農(nóng)藥噴施分配的影響，定量分析不同參數(shù)時，農(nóng)藥在地面、大氣和植物等部分的沉積比例，不僅重視其在靶標植物上發(fā)揮藥效的有效沉積部分，也關注其在地面(土壤)和大氣飄移的無效流失部分，以提高霧滴在植株靶標上的沉積分布、減少脫靶飄移、預測農(nóng)藥對環(huán)境的污染。

1 農(nóng)藥噴施的分配過程分析

農(nóng)藥藥液從噴霧機噴頭噴射出去后，不可能完全按照操作者的意愿全部沉積到靶標植物上[11]，而是霧滴通過空氣輸運分別沉積到靶標植物表面(葉片或其它部位)、地面(土壤表層)以及大氣(隨風飄移)，過程如圖1所示。這3部分(植物、地面和空氣)的農(nóng)藥總和等于噴頭霧化噴射出的量。

圖1 農(nóng)藥霧化后的分配過程示意圖Fig.1 Pesticide distribution between deposition on plants, ground and that moved off field in wind drift

沉積到靶標植物表面(葉片或其它部位)的藥劑被葉片吸收(如除草劑、殺菌劑)及在昆蟲體內(nèi)消化(如殺蟲劑)，從而發(fā)揮藥效；沉積到地面(土壤表層)的藥劑通過降解消失部分藥性，通過地表徑流、排水系統(tǒng)等用藥性影響著地表水，通過大孔隙流、滲透、淋溶等用藥性影響著地下水，通過吸附滯留在土壤中；在大氣中(隨風飄移)的藥劑隨著蒸發(fā)影響著空氣，其對環(huán)境的綜合影響如圖2所示。因此，在施藥過程中，農(nóng)藥離開靶標，造成藥劑損失和環(huán)境污染，不僅容易導致鄰近作物等藥害事故，還會嚴重污染空氣和水源，是農(nóng)藥使用中的重要問題。農(nóng)藥的脫靶流失進入土壤和空氣，在生態(tài)系統(tǒng)中擴散，擴大了污染范圍，甚至在南極人跡稀少地帶的企鵝體內(nèi)也積蓄了農(nóng)藥中的有害成分，可見，農(nóng)藥直接影響整個生物圈[12]。已有大量動物在地球上滅絕，由大自然演變造成的只有1/4左右，3/4是人為造成的，其中重要原因是農(nóng)藥的大量無效使用。已經(jīng)證實不少鳥類的滅絕與有機氯農(nóng)藥的使用有關，一些魚類和野生動物的絕跡也與農(nóng)藥有關[13]。農(nóng)藥對環(huán)境的污染已成為人們非常關切的社會公害問題，因此，施藥過程中，防治效果和環(huán)境安全要進行綜合考慮。

圖2 農(nóng)藥霧化后對環(huán)境的綜合影響示意圖Fig.2 Total environmental impact after applying pesticide

實際應用過程中，噴頭性能、噴霧流量、氣象條件、植物生長階段、植株冠層結構、葉片表面特性對農(nóng)藥的分配有決定性的影響[14]，防治植物病蟲害，總希望有更多的藥劑沉積到生物靶標上，流失到大氣中的藥劑則越少越好，而農(nóng)藥在植物葉片上的最終沉積分布是噴頭的霧滴粒徑、霧滴運行速度、噴霧角、操作參數(shù)、氣象環(huán)境、藥液的物化特性、葉片表面結構、冠層結構等多方面因子決定的[15-17]。在作業(yè)過程中，不可避免地會出現(xiàn)農(nóng)藥霧滴的飄移、蒸發(fā)、流失等農(nóng)藥損耗，因此，大部分的農(nóng)藥霧滴難以到達預定的靶標葉片上，從而限制了藥效的發(fā)揮；與此同時，農(nóng)藥霧滴飄移會給附近農(nóng)作物、水源等敏感區(qū)域造成危害，進入空氣的農(nóng)藥又會污染環(huán)境。若要提高農(nóng)藥的利用率、減少農(nóng)藥負效應，則必須掌握農(nóng)藥的分配規(guī)律，減少農(nóng)藥的不必要流失，明確農(nóng)藥在靶標上的沉積[18-19]。

2 試驗材料與方法

2.1 試驗裝置與試驗設計

采用AI 110015型氣吸扇形噴頭、TT 11002型廣角扇形噴頭、XR 8002型和XR 11002型延長范圍扇形噴頭作為供試噴頭。試驗在澳大利亞昆士蘭大學農(nóng)藥應用與安全研究中心(The Center for Pesticide Application and Safety，CPAS)的風洞實驗室進行，該風洞由75 kW變速電動機驅(qū)動的離心風機、流量校正部分、開路式風洞、工作區(qū)和排氣濾凈系統(tǒng)組成[20]，長、寬、高分別為10、1.75、1.75 m的工作區(qū)能進行霧滴在空氣中的運動研究[21-23]。風洞內(nèi)風速、噴霧流量可調(diào)，噴頭被固定在距離風洞地面0.6 m高的中心位置，確定噴頭方向垂直向下，所依據(jù)的原則是：噴霧羽流的長軸和風向是相互垂直的。噴頭的流量由電子計時器控制，噴頭沿著滑軌在風洞的上方勻速移動以模擬戶外田間作業(yè)時橫桿式噴霧機的作業(yè)情況[24]，其勻速移動的速度為1 m/s。霧滴的隨風飄移部分由直徑為2 mm的聚乙烯線收集。沿水平方向在距離地面0.1 m高的位置以1 m的間隔距離分別放置6根收集線，來檢測噴霧從2 m到7 m范圍內(nèi)的水平飄移，分別命名為H1、H2、H3、H4、H5和H6。噴頭正下方地面上擺放植物來收集在靶標植物上沉積的霧滴。地面上放置10 cm×10 cm的聚酯薄膜卡來收集在地面上沉積的霧滴。利用三維數(shù)字化儀(Freepoint XL2，GTCO數(shù)控繪圖機，墨西哥)進行靶標植物形態(tài)數(shù)字化，數(shù)據(jù)經(jīng)Floradig 3.0軟件處理后得到植物葉面積大小[25-26]，本文所選靶標植物為苦苣菜、棉花和稗草，選取其在不同生長階段(總葉面積分別為15、135、300 cm2)作為噴施植物對象，栽培在直徑為15 cm

的容器中[27]，栽培用土壤為美國加州大學盆栽混合類型C土。為了減少液體飛濺、卷揚的影響和霧滴接觸地面后的反彈，風洞地面鋪有人造草皮作為虛擬地面。試驗系統(tǒng)原理如圖3所示。選擇Pyranine(D & C，綠色，8號)熒光示蹤劑與清水按照0.3 g/L的濃度配比后作為噴霧介質(zhì)。噴霧完成后，把聚乙烯線、目標植物和聚酯薄膜卡分別放置在不同的自封袋中，測試時加入60 mL的去離子水充分振蕩洗滌，洗脫液由校準過的熒光分析儀(Turner-Sequia，型號450，美國)測定熒光劑含量。

圖3 測試農(nóng)藥霧化后分配過程的風洞試驗系統(tǒng)原理圖Fig.3 Schematic diagram of wind tunnel measuring layout chart of distribution of pesticide

在體積中徑、噴霧角、霧滴速度、流量、噴頭高度、風速、植物類型、生長階段(用葉面積表示)等不同參數(shù)下，定量測試農(nóng)藥霧化后的分配過程，試驗參數(shù)設置見表1。測試過程中室溫恒定，每組試驗重復3次，取其平均值作為最終數(shù)據(jù)。

表1 農(nóng)藥噴施過程中農(nóng)藥沉積試驗的8因素3水平試驗設計Tab.1 Eight-factor and three-level experiment design to measure pesticide deposition for distribution of pesticide

2.2 測試系統(tǒng)及技術

噴頭霧化產(chǎn)生的霧滴粒徑由安裝R7鏡頭的Sympatec HELOS VARIO Helios激光粒度儀(Sympatec GmbH，德國)進行測試(0.5～3 500 μm的動態(tài)尺寸范圍)[28]。噴霧角由牛津激光成像系統(tǒng)(Oxford，英國)和圖像分析系統(tǒng)(Image Pro Plus，英國)進行測試[29]。

粒子圖像測速(Particle image velocimetry，PIV)技術所獲得的粒子圖像信號是二維的，從粒子圖像中獲取速度信息研究的是2個離散的圖像信號的相似程度，因此圖像的匹配問題即二維相關函數(shù)的形式非常重要。相關測量作為圖像處理中的主要手段，包括自相關與互相關。在PIV 技術的圖像處理方法中，互相關法優(yōu)于自相關法，它既可以精確地重建粒子圖像的位移場，也可以自動識別位移方向[30]。利用互相關法顯著提高PIV精度的有效途徑是跨幀(Frame straddling)技術。

本文的霧滴速度在PIV系統(tǒng)上采用跨幀技術進行測試。跨幀技術顯著提高了PIV精度，解決了記錄兩幅時間間隔很小(微秒量級)圖像的問題，它通過控制激光脈沖與電荷耦合器件(Charge coupled device，CCD) 攝像機的同步和延時，使第1個光脈沖在時序上位于第1幀即將結束的位置，而第2個光脈沖位于第2幀剛剛開始的位置，使2個光脈沖的時間間隔縮小到10 μs量級，明顯改善PIV互相關技術的測速上限，目前可實現(xiàn)100 m/s左右的速度測量。因此，跨幀技術在粒子圖像測速系統(tǒng)上的應用大大縮短了兩幀之間的時間間隔，增加了測速范圍[31]?？鐜夹g采用二維PIV測試系統(tǒng)實現(xiàn)，該系統(tǒng)由高速數(shù)字攝像機(Oxford，Photron Fastcam Ultima 512，英國)、銅氖脈沖激光儀(Oxford，LS20-50，英國)、脈沖發(fā)生器(BNC model 500，Berkely Nucleonisc Corp)和數(shù)據(jù)分析軟件(VidPIV 4.0)組成。攝像機對圖像采集速度設置為2 000 f/s來實現(xiàn)圖像的最大分辨率(512像素×512像素)。脈沖發(fā)生器實現(xiàn)激光脈沖和攝像機工作時序的完全同步。數(shù)據(jù)分析軟件為粒子圖像測速軟件，通過它實時控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、處理和圖像顯示并完成相關分析。

圖4所示為本文測試霧滴速度采用跨幀技術的系統(tǒng)原理圖。常規(guī)技術只能拍攝霧滴的流場分布，由于采集連續(xù)圖像之間的運動太大以致于無法測量霧滴速度，因此不能取得霧滴速度的具體值。使用脈沖發(fā)生器使雙脈沖激光分別工作在CCD攝像機第1幀脈沖的最后以及第2幀脈沖的開始，即鏡頭幀的圖像只有當激光脈沖器打開時才可見，當鏡頭幀結束時激光發(fā)出一束短脈沖光線，而下一幀開始時發(fā)出另一束短脈沖光線，所以圖像之間的時間就是激光脈沖之間而不是攝像機圖像之間的時間。從圖4可見，攝像機原本的圖像采集速度為2 000 f/s，即連續(xù)圖像之間的時間間隔為500 μs，使用跨幀技術后，實現(xiàn)了圖像采集速度25 000 f/s，即幀1和幀2連續(xù)圖像對之間時間間隔為40 μs?？梢?，跨幀技術的使用顯著提高了圖像采集速度。

圖4 測試霧滴速度采用的跨幀技術原理圖Fig.4 Schematic diagram of frame straddling technique used to measure droplet velocity

2.3 計算方法

噴霧過程中，霧滴的隨風飄移部分質(zhì)量用Sd表示，算法為用飄移的示蹤劑測試量除以噴頭輸出量(噴施的示蹤劑的總量)[32]。

噴霧過程中，沉積到靶標植物的農(nóng)藥部分質(zhì)量用Bd表示，即沉積到靶標植物的示蹤劑測試量占噴頭輸出量(噴施的示蹤劑的總量)的百分比。

(1)

式中I——由熒光分析儀得到的質(zhì)量濃度，μg/L

V——洗脫液體積，L

AR——理論施用量，L/m2

C——示蹤劑質(zhì)量濃度，μg/L

S——目標植物表面積，cm2

噴霧過程中，沉積到地面的農(nóng)藥部分質(zhì)量用Td表示。

顯然從農(nóng)藥施用的分配過程分析可知

Sd+Bd+Td=100%

(2)

3 結果與分析

農(nóng)藥噴施分配過程中，通過對比測試霧滴粒徑、噴霧角、霧滴速度等噴頭性能參數(shù)，流量、噴頭高度等操作參數(shù)，風速等氣象參數(shù)和植物類型、生長階段等靶標參數(shù)與農(nóng)藥在地面、植物、大氣(飄移)等部分的沉積比例的關系，得到結果如圖5所示。

由圖5a可知，霧滴粒徑與不同部分農(nóng)藥分配比例顯著相關，當霧滴粒徑分別為181、293、445 μm時，根據(jù)美國農(nóng)業(yè)工程師協(xié)會制訂的霧譜標準，分別為細、中等和粗霧滴，對應農(nóng)藥在植物上的沉積比例分別為12.3%、15.2%和16.9%，變化不大，而地面上和大氣中隨風飄移部分的比例變化劇烈，地面的沉積比例分別為57.7%、79.0%和82.3%，大氣的農(nóng)藥比例分別為30.0%、5.8%和0.8%。因此，霧滴粒徑大，會有更多的霧滴沉積到地面(土壤)中，造成農(nóng)藥的浪費和環(huán)境的潛在污染；霧滴粒徑小，本身質(zhì)量輕，在空氣中懸浮、順風飄失的可能性更高。

由圖5b可知，噴霧角對于不同部分農(nóng)藥分配比例的影響不大，當噴霧角分別為80°、110°和130°時，對應農(nóng)藥在植物上的沉積比例分別為16.5%、13.8%和15.2%，地面的沉積比例分別為78.7%、80.8%和79.0%，大氣中隨風飄移的農(nóng)藥比例分別為4.8%、5.4%和5.8%。噴霧角度的確定更多是為了保證霧滴的分布和覆蓋范圍，對環(huán)境的影響不顯著。

圖5 不同因素對地面、植物和飄移等部分農(nóng)藥分配比例的影響Fig.5 Influence of various factors on spray distributions (fractions of spray deposited on ground, plant and drift)

由圖5c可知，霧滴速度與不同部分農(nóng)藥分配比例的關聯(lián)不大，當霧滴速度分別為8、14、20 m/s時，對應農(nóng)藥在植物上的沉積比例分別為16.1%、15.0%和15.2%，地面的沉積比例分別為75.0%、77.7%和79.0%，大氣中隨風飄移的農(nóng)藥比例分別為8.9%、7.3%和5.8%。霧滴一旦從噴頭釋放，就會在空氣中下降，由于阻力和周圍氣流的作用，它的速度逐漸減小。速度快的霧滴很快失去初始速度而達到最終速度，速度慢的霧滴在達到最終速度之前會運動更遠距離，所以速度快的農(nóng)藥霧滴在大氣中隨風飄移的比例要低于速度慢的霧滴。

由圖5d可知，流量對于不同部分農(nóng)藥分配比例的影響不大，當流量分別為0.48、0.84、1.20 L/min時，對應農(nóng)藥在植物上的沉積比例分別為15.1%、15.5%和15.2%，地面的沉積比例分別為78.9%、78.3%和79.0%，大氣中隨風飄移的農(nóng)藥比例分別為5.9%、6.0%和5.8%。流量主要影響噴霧持續(xù)作業(yè)時間，對環(huán)境的影響不顯著。

由圖5e可知，噴頭高度對于不同部分農(nóng)藥分配比例的影響顯著，當噴頭高度分別為40、60、80 cm時，對應農(nóng)藥在植物上的沉積比例分別為23.5%、15.2%和13.3%，地面的沉積比例分別為74.1%、79.0%和76.5%，大氣中隨風飄移的農(nóng)藥比例分別為2.4%、5.8%和10.2%。當噴頭高度越大，噴頭與噴霧區(qū)域間的距離越大時，空氣中的農(nóng)藥懸浮沉積(飄移)越多，對環(huán)境的污染越嚴重。因此，不要在高于噴頭制造商建議的高度進行噴霧，一般推薦噴頭離靶標植物的高度為小于60 cm。

由圖5f可知，風速對于不同部分農(nóng)藥分配比例的影響也是顯著的，當風速分別為2、4、6 m/s時，對應農(nóng)藥在植物上的沉積比例分別為15.2%、13.4%和11.1%，地面的沉積比例分別為79.0%、75.1%和71.5%，大氣中隨風飄移的農(nóng)藥比例分別為5.8%、11.5%和17.4%。在影響農(nóng)藥飄移的氣象條件中，風速是主要因素。隨著風速的增加，空氣中的農(nóng)藥懸浮沉積(飄移)的趨勢越明顯。由此產(chǎn)生的環(huán)境污染越嚴重，而在植物靶標上的有效沉積越少。通常風速在一天中經(jīng)常會發(fā)生變化，因此，在清晨和傍晚風速比較小的時候進行噴霧作業(yè)能取得更好的防治效果，付出更少的環(huán)境代價。

由圖5g可知，植物生長階段對于不同部分農(nóng)藥分配比例的影響是顯著的，當苦苣菜葉面積分別為15、135、300 cm2時，對應農(nóng)藥在植物上的沉積比例分別為3.5%、9.7%和12.1%，在地面的沉積比例分別為89.9%、84.0%和81.7%；當棉花葉面積分別為15、135、300 cm2時(圖5h)，對應農(nóng)藥在植物上的沉積比例分別為2.7%、15.2%和20.7%，在地面的沉積比例分別為90.8%、79.0%和73.8%；當稗草葉面積分別為15、135、300 cm2時(圖5i)，對應農(nóng)藥在植物上的沉積比例分別為4.4%、13.5%和14.8%，在地面的沉積比例分別為89.2%、80.4%和79.3%。當植物生長階段越靠后，葉面積越大，沉積在植物上的農(nóng)藥比例越高，而在地面的沉積比例越低，空氣中的農(nóng)藥懸浮沉積(飄移)變化不明顯。3種植物中，棉花隨著植物生長階段的變化，農(nóng)藥在植物上的沉積增加幅度最大。

噴頭性能和操作、氣象參數(shù)與農(nóng)藥在地面、植物、大氣(飄移)等部分的沉積比例的相關分析見表2。從表2中可以看出，霧滴粒徑與農(nóng)藥在地面上的沉積比例呈極顯著正相關關系(相關系數(shù)為0.45，p<0.01)，霧滴粒徑與植物的沉積比例呈顯著正相關關系(相關系數(shù)為0.19，p<0.05)，霧滴粒徑與農(nóng)藥在空氣中的飄移比例呈極顯著負相關關系(相關系數(shù)為-0.57，p<0.01)，農(nóng)藥藥液在離開噴頭向靶標運動的過程中，當霧滴粒徑增大時，農(nóng)藥在地面上的沉積明顯增多，在植物上的沉積也增多，但是大霧滴不易受氣流影響，減少了飄移。噴頭高度對農(nóng)藥在地面上的沉積比例影響不大(p>0.05)，噴頭高度與農(nóng)藥在植物的沉積比例呈極顯著負相關關系(相關系數(shù)為-0.29，p<0.01)，噴頭高度與農(nóng)藥在空氣中的飄移比例呈極顯著正相關關系(相關系數(shù)為0.35，p<0.01)，噴頭到靶標距離增大，農(nóng)藥在植物上的沉積減少，更容易隨風飄移，即飄移增多。風速與農(nóng)藥在地面和植物上的沉積均呈顯著負相關關系(相關系數(shù)分別為-0.12和-0.18，p<0.05)，風速與農(nóng)藥在空氣中的飄移比例呈極顯著正相關關系(相關系數(shù)為0.41，p<0.01)，過高的風速會造成嚴重的霧滴飄移，降低在植物上的靶標沉積量。植物生長階段與農(nóng)藥在地面上的沉積呈極顯著負相關關系(相關系數(shù)為-0.84，p<0.01)，與農(nóng)藥在植物上的沉積比例呈極顯著正相關關系(相關系數(shù)為0.81，p<0.01)，與農(nóng)藥在空氣中的飄移呈顯著負相關關系(相關系數(shù)為-0.74，p<0.05)?？嘬牟撕兔藁殚熑~作物(屬于雙子葉)，稗草為禾本科雜草(屬于單子葉)，對于這3種植物，植物類型對于農(nóng)藥在不同部分的沉積比例影響并不顯著，但是葉面積不同，即植物生長階段不同，對于農(nóng)藥的沉積比例有顯著影響。噴施除草劑時，通過調(diào)整噴霧高度、選擇產(chǎn)生合適霧滴粒徑的噴頭、確定適宜的風速，減少藥劑在單子葉作物葉片上的沉積，增加在雙子葉靶標雜草上的沉積量，提高除草劑的利用效率。在本文所選取設置的參數(shù)范圍內(nèi)，噴霧角、霧滴速度、流量和植物類型對于農(nóng)藥各部分的沉積比例影響不大。

表2 不同參數(shù)與農(nóng)藥在地面、植物、大氣等部分沉積 比例的相關分析Tab.2 Correlations between different factors and spray distribution

注：*p<0.05; **p<0.01。

4 結論

本文將農(nóng)藥噴施后輸運去向分為3方面：植物(靶標)、地面(土壤)和大氣(飄移)，并進行了噴頭性能(霧滴粒徑、噴霧角、霧滴速度)、操作條件(流量和噴頭高度)、氣象環(huán)境(風速)、靶標植物(植物類型、生長階段)等不同參數(shù)下農(nóng)藥在植物、地面和大氣等不同部分的沉積比例試驗，得到如下結論：

(1)噴霧角、霧滴速度、流量等參數(shù)對于植物、地面和大氣等不同部分農(nóng)藥分配比例的影響不大。霧滴粒徑、噴頭高度、風速對于植物、地面和大氣等不同部分農(nóng)藥分配比例的影響顯著，選擇不同的參數(shù)，將導致農(nóng)藥在植物上的有效沉積明顯不同，也會引起農(nóng)藥在地面和大氣等的無效沉積明顯不同，這對于提高農(nóng)藥防治病蟲害效果、減少環(huán)境污染至關重要，如附近存在魚塘、敏感作物、水源等，應使用可產(chǎn)生粗霧滴的噴頭、適當降低噴頭高度或選擇風速小的時段來減少農(nóng)藥在空氣中飄移部分的比例。

(2)當噴霧高度由40 cm提高到80 cm時，農(nóng)藥在植物上的沉積減少了43%，而在空氣中飄移部分的比例則上升了3.21倍。因此，應盡量使噴霧高度為40～60 cm，以確保農(nóng)藥在植物上的沉積，避免其在大氣中的飄移。當風速由2 m/s提高到6 m/s時，農(nóng)藥在植物上的沉積減少了27%，而在空氣中飄移部分的比例則上升了2倍。因此，在風速為1～2 m/s時，適合噴施農(nóng)藥；風速為2～4 m/s時，適合噴施殺菌劑和殺蟲劑，不適合噴施除草劑，此時容易引起飄移、危害周圍敏感作物；當風速大于4 m/s時，避免施藥。

(3)當霧滴粒徑越大，在地面和植物上沉積部分的比例越大，在空氣中飄移部分的比例越小，當霧滴粒徑由181 μm增大到445 μm時，農(nóng)藥在植物上的沉積增加了34.1%，地面上的沉積比例增加了43.3%，空氣中飄移部分的比例降低為原來的1/37.5。當噴施土壤活性除草劑等農(nóng)藥時，應選擇產(chǎn)生較大的霧滴粒徑，以增加在其地面(土壤)上的沉積比例。根據(jù)“生物最佳粒徑原理”，懸浮在空氣中的霧滴有助于在昆蟲振翅時農(nóng)藥沿蟲體各方向的附著，當防治蝗蟲這樣大面積的蟲害時，增加農(nóng)藥在空氣中飄移部分的比例可以提高防治效果，所以，較小的霧滴對于飛行類害蟲的防治更加有效。

(4)靶標植物的生長階段越靠后，葉面積越大，農(nóng)藥在植物上的沉積比例越高，在地面上沉積部分的比例越低，而在空氣中飄移部分的比例變化不明顯。當葉面積由15 cm2變化到300 cm2時，農(nóng)藥在苦苣菜、棉花和稗草上的沉積比例分別增大了2.5倍、6.7倍和2.4倍，其中，棉花隨植物生長階段的變化在植物上農(nóng)藥的沉積增加幅度最大。噴施除草劑時，應盡量減少藥劑在單子葉作物葉片上的沉積，增加在雙子葉靶標雜草上的沉積量。同時，從植物學角度而言，植物處于不同的生長階段對藥劑的抵抗能力也不同，一般在生長階段初期對外界不良環(huán)境的抵御力都不是很強，容易發(fā)生藥害，此時期應盡可能少施藥。

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Droplet Deposition Distribution and Off-target Drift during Pesticide Spraying Operation

ZHANG Huichun1ZHENG Jiaqiang1ZHOU Hongping1DORR G J2

(1.CollegeofMechanicalandElectronicEngineering,NanjingForestryUniversity,Nanjing210037,China2.FacultyofScience,TheUniversityofQueensland,Brisbane4343,Australia)

Due to great human awareness of environmental conservation and public health, pesticides must be applied in economically viable and environmentally sensitive ways, and it requires deep understanding on the distributions of pesticide application. The distribution is the process occurring immediately after application. When applied, the pesticide can distribute in the following way: loss by wind drift, deposition on leaves or other parts of the target plant and deposition on ground (soil). The sum of these three components (plant, soil and drift) should equal to the amount of spray emitted. However, there are concerns over the intended effect (deposition on plant) and unintended effect (deposition on ground and wind drift) of pesticide application on the effectiveness and risks associated with the use of pesticides. Oriented to distribution of pesticide application, droplet deposition on different parts was measured in the research. Spray deposition was tested by recovery of a fluorescent tracer (pyranine) in the 1.75 m wide, 1.75 m high and 10 m long working section of the wind tunnel. A single nozzle was positioned in the centre of the wind tunnel at a height of 0.6 m above the wind tunnel floor and then sprayed moving along the length of the tunnel at a speed of 1 m/s. The nozzle moved over the top of the plant so that application amount was the same to a typical spray in agriculture and the pesticide distribution was measured. Mylar cards (plastic) were used to collect the deposition on ground, diameter polythene lines were horizontally mounted to provide an estimate of the wind drift of spray, and the sow thistle plant was put under the nozzle to test the deposition on the target. To evaluate the influence of different factors on spray distribution, the trial was carried out for three plant types (sow thistle, cotton and barnyard grass) at three growth stages (leaf area were 15 cm2, 135 cm2and 300 cm2, respectively). After spraying, fluorescent dyes were easily washed off the three different samples so good recoveries can be got. The amount of spray on the plant, ground and wind drift was calculated and expressed as a percent (or fraction) of the amount of spray that came out of the nozzle. Based on the frame straddling technique, velocity of droplet was investigated by particle image velocimetry (PIV), and the test system included laser imaging system, pulse generator and analysis software. The influences of droplet size (VMD), droplet velocity, spray angle, flow rate, height of nozzle, wind speed and growth stage of plant on deposition at various parts were investigated. Correlation between different factors and spray distribution (fraction of spray deposited on ground, plant and drift) was calculated to judge the impact. The results indicated that the distribution of the spray was influenced by droplet size, release height wind speed and growth stage. Meanwhile, spray angle, sheet velocity flow rate and plant type had no significant effect on the spray distribution. The ground deposition was the lowest with the fine sprays. It was found that ground deposition from application of pesticides was 57.7% for finer droplet(VMD was 181 μm) which was increased to 82.7% for coarser droplet (VMD was 445 μm). Deposition on plant surfaces was also found to be more than 13.4% with release height at 40 cm to 60 cm and wind speed less than 4 m/s. For soil-active herbicide, a proportion of deposit on the ground was increased by bigger VMD, and this is a desirable result. For controlling flying pest, airborne deposit can increase chemical’s spread on its body, so smaller VMD was more effective. It was also shown that the proportion of spray depositing on plant surfaces was increased as the plants got larger and the amount depositing on the ground was decreased. The result can be used to effectively aid spray decisions to maximize the effectiveness of pesticides and minimize risks to the environment from chemical spraying activities. Chemical application must be as precise as possible, so populations of unwanted organisms (insects or diseases) can be reduced and less environmental impacts created in the agricultural production. An understanding of the pesticide application process can be utilized to improve the estimate of the distribution on pesticide from a spray operation.

pesticide deposition; frame straddling technique; target plant; growth stage; wind drift

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.08.012

2016-12-08

2017-01-10

國家自然科學基金項目(31371963)、江蘇省自然科學基金項目(BK20130965)、“十二五”國家科技支撐計劃項目(2014BAD08B04)、江蘇省杰出青年教師培育聘專項目(2012256)、江蘇省青藍工程項目和江蘇高校優(yōu)勢學科建設工程項目

張慧春(1978—)，女，教授，博士，主要從事智能植保機械和農(nóng)藥精確使用技術研究，E-mail: njzhanghc@hotmail.com

S499； V211.74

A

1000-1298(2017)08-0114-09