噴嘴噴施不同生物農(nóng)藥霧滴特性研究

肖麗萍 劉木華 ZHU Heping 蔡金平 林金龍 歐鳴雄

(1.江西農(nóng)業(yè)大學工學院， 南昌 330045; 2.美國農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)應(yīng)用技術(shù)研究所， 伍斯特 OH 44691；3.江蘇大學現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)教育部重點實驗室， 鎮(zhèn)江 212013)

0 引言

生物農(nóng)藥(又稱天然農(nóng)藥)通過使用天然存在的活生物體來控制或抑制病蟲害，包括微生物、細菌、植物提取物或其他代謝物，具有毒性低、殘留量低、持久性好等特點。生物農(nóng)藥相比于常規(guī)化學農(nóng)藥更安全，可快速分解而不產(chǎn)生耐藥性，且具有較長的產(chǎn)品生命周期，以無毒友好機制防治病害蟲[1-4]。生物農(nóng)藥活性成分不同，其種類繁多，可以生產(chǎn)出植物源、動物源或微生物等產(chǎn)品，所以在使用過程中，需要不同的噴霧技術(shù)去滿足生物農(nóng)藥施用的需要，因此造成生物農(nóng)藥的費用昂貴和某些應(yīng)用技術(shù)的困難[5-6]。目前，世界范圍內(nèi)大概銷售有約1 400種生物農(nóng)藥產(chǎn)品[7-8]。

使用生物農(nóng)藥防治農(nóng)作物病蟲害是一種必然的趨勢，且使用傳統(tǒng)噴霧技術(shù)噴施生物農(nóng)藥，不僅方便，也可降低使用的費用。液壓噴嘴通常用于將農(nóng)藥輸送到目標區(qū)域進行病蟲草害防治，正確選擇噴頭對農(nóng)藥的噴霧效果具有較大影響。不同的噴頭產(chǎn)生的霧滴直徑和幅寬不同，噴霧液滴粒徑尺寸、體積若過大發(fā)生重疊而浪費，而液滴尺寸太小、太輕容易發(fā)生漂移損失，所以霧滴粒徑大小分布和幅寬直接影響到霧滴在空間的運動軌跡及與植株靶標界面的相互作用關(guān)系，從而影響噴霧覆蓋率和沉積質(zhì)量[9-11]。對于化學農(nóng)藥，文獻[12-16]對不同液壓噴嘴的噴霧霧滴性能均做了大量的實驗，得出大量的比較數(shù)據(jù)，對化學農(nóng)藥噴霧噴嘴的選擇提供了參考數(shù)據(jù)。目前對于生物農(nóng)藥采用傳統(tǒng)噴霧技術(shù)的應(yīng)用較少，HIDALGO等[17]對真菌劑的應(yīng)用進行了比較，認為中空錐形液壓噴嘴比旋轉(zhuǎn)電噴嘴更適合。GOULIA等[18]同樣也認為平面扇形噴嘴可以更好地為溫室植物提供真菌劑生物農(nóng)藥的噴施效果。GAN-MOR等[19]開發(fā)了用于食用油的現(xiàn)場乳化的Chico噴霧器，具有利用靜電改進沉積量的能力。

目前國內(nèi)外還沒有一系列關(guān)于生物農(nóng)藥應(yīng)用方法的標準。本文對幾種生物農(nóng)藥采用不同類型噴嘴噴霧的霧滴粒徑和噴幅寬度等進行分析，為選擇具有高質(zhì)量生物農(nóng)藥噴霧效果的噴嘴提供參考數(shù)據(jù)，更有效地對病蟲害進行生物控制。液壓噴嘴是農(nóng)藥的典型應(yīng)用設(shè)備，不同的噴嘴孔徑、不同的噴霧壓力和噴霧高度等對噴霧效果有不同的影響[20-21]。本文在實驗室條件下對4種噴嘴、6種生物農(nóng)藥和水的噴霧霧滴粒徑尺寸分布、噴幅寬度等特性進行對比試驗分析，以期為生物農(nóng)藥的噴霧應(yīng)用技術(shù)提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

試驗于2016年10月—2017年2月期間在美國俄亥俄州農(nóng)業(yè)研究與發(fā)展中心(Ohio agricultural research & development center，OARDC)農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)應(yīng)用技術(shù)研究所實驗室完成。

1.1 試驗材料

噴霧樣本是美國BioWorks公司的Suffoil-X(植物油)、Cease(細菌類)、Milstop(礦物類)、Molt-X(昆蟲生長調(diào)節(jié)劑)、BotaniGard ES和BotaniGard 22WP(真菌類)等6種生物農(nóng)藥與水以一定比例的混合物，同時與普通水來進行對比試驗。這6種生物農(nóng)藥在美國本地大型溫室種植中使用較為普遍，其中除了Cease用于農(nóng)作物病毒防治，其余均用于農(nóng)作物蟲害防治[22]，且Milstop和BotaniGard 22WP是粉末狀，其它均為液體狀。

按順序測量給定時間內(nèi)收集了凹槽中噴霧液體的亞克力管內(nèi)樣本體積，依次記錄，并將數(shù)據(jù)標準化，然后根據(jù)整個噴幅內(nèi)體積總量的99%來計算噴幅寬度，如圖5所示。若20個亞克力管中只有19個收集到液體，將該19個亞克力管中的液體量出體積后，計算每一個管中液體體積占總體積的百分比(標準化)，然后去除邊緣占總體積量近1%的亞克力管數(shù)量，剩余的數(shù)量乘以5.8 cm為該噴嘴的噴幅寬度。

相同噴霧壓力下不同噴嘴的霧滴直徑分布如圖7所示，XR8004噴霧液滴直徑尺寸較大，其他3個噴嘴的液滴直徑尺寸沒有較大差異。無論是從噴嘴尺寸大小來看，還是從流量速率來看，由于是多種噴霧樣本，試驗的4種噴嘴的噴霧霧滴直徑目前還未出現(xiàn)規(guī)律性分布。

1.2 試驗裝置

1.3.1液滴直徑分布測定方法

目前，我國股票市場正處于快速發(fā)展階段，在始于2015年的“股災(zāi)”還未完全消退的背景下研究中國股票市場與國際股票市場間的相依性問題，對金融市場的風險控制、金融監(jiān)管以及對投資者投資策略構(gòu)建等均具有重要的現(xiàn)實意義。

圖1 霧滴粒徑分布測定試驗裝置Fig.1 Experimental equipment for droplet size analysis1.機械手 2.高速攝像機 3.激光器 4.噴霧系統(tǒng) 5.粒度分析系統(tǒng) 6.噴頭

圖2 霧滴粒徑測定工作示意圖Fig.2 Schematic of droplet size distribution measurement1.高速攝像機 2.噴桿 3.扇形噴頭 4.平面扇形噴霧層面 5.激光器 6.中空錐形噴頭 7.錐形噴霧層面

圖3是噴幅寬度測定裝置。該裝置由水箱、液滴收集板、擋板、動力裝置箱、噴桿組合和亞克力管等組成。水箱和動力裝置箱并列置于水平試驗桌上；由20個等寬5.8 cm的三角凹槽組成的液滴收集板固定于水箱上，總寬116 cm，并與水平面前后方向呈6°夾角，便于噴灑在凹槽上的液滴向前流動；擋板用于防止噴霧時的液體飛濺；噴頭安裝于收集板上方50 cm處；壓力表控制噴嘴的噴霧壓力。通過動力裝置和噴桿組合將水箱中噴霧樣本在276 kPa壓力下向下噴灑在收集板上，然后分別用20個亞克力管在限定時間內(nèi)(XR11004收集20 s，其余40 s)收集每個凹槽中的液體，并分別測出液體體積。對于幅寬小于116 cm的噴頭，安裝于噴桿中間位置，測試其整個噴幅寬度；對于幅寬大于116 cm的噴頭，安裝于噴桿靠邊位置，測試其半個幅寬，然后求其2倍值以得到整個幅寬。

圖3 噴霧幅寬測定裝置Fig.3 Experimental equipment for spray pattern width measuring1.液滴收集板 2.擋板 3.水箱 4.噴頭組合 5.噴桿組合 6.壓力表 7.亞克力管

1.3 試驗方法

霧滴直徑直接關(guān)系到霧滴噴霧覆蓋率和沉積的質(zhì)量，由于測試樣本較多，為避免數(shù)據(jù)繁多不易比較，本試驗在無任何外界因素影響的實驗室環(huán)境下進行。采用4種不同噴嘴在相同壓力276 kPa條件下和相同噴霧高度50 cm下，對7種不同噴霧樣本的噴霧液滴的直徑分布和噴幅寬度，以及同一噴嘴2種不同壓力(276、621 kPa)條件下和相同噴霧高度50 cm下對7種不同噴霧樣本的噴霧液滴直徑分布進行分析。每一種生物農(nóng)藥用4種噴頭分別噴霧3次，取平均值。

基于學習產(chǎn)出的教育(Outcome Based Education，簡稱OBE)，也稱為目標導向的教育，核心教育理念是面向行業(yè)需求，實時動態(tài)的設(shè)計培養(yǎng)目標，并及時調(diào)整畢業(yè)能力要求。圍繞學生畢業(yè)知識、能力、素質(zhì)需達到的指標全面構(gòu)建課程體系，進行教學設(shè)計以及教學資源的配置[1-3]。

供試田間試驗點位于廣東省韶關(guān)市某鎘砷復(fù)合污染水稻田。稻田土壤為典型紅壤，屬花崗巖發(fā)育土類，土層深厚，質(zhì)地較粘重。粘粒質(zhì)量分數(shù)為438.6 g·kg-1，沙粒為 166.2 g·kg-1。供試土壤基本理化性質(zhì)見表1。供試早稻水稻（Oryza sativa L.）品種為天優(yōu)998，晚稻品種為五優(yōu)613。

噴霧液滴粒徑分布分析試驗裝置如圖1所示。該裝置由激光粒度分析儀(Oxford lasers VisiSize 6.403)和三維空間機械手(Velmex)兩部分組建而成。激光粒度分析儀由噴霧系統(tǒng)、激光器、高速攝像機和粒度分析系統(tǒng)組成，其中，噴霧系統(tǒng)由氣壓產(chǎn)生系統(tǒng)、電磁閥、噴管、噴桿、壓力表和噴頭組件等部分組成。三維空間機械手由控制部分和執(zhí)行部分組成，其運動空間在1 800 mm×1 300 mm×1 300 mm之間。激光發(fā)射器與高速攝像機安裝在同一水平線上，噴頭置于激光束上方50 cm處。測試時，使平面扇形噴霧液滴層面與激光束垂直，如圖2a所示。對于中空錐形噴霧液滴層，則調(diào)整噴霧角度，使錐形液滴層錐面與激光束垂直，如圖2b所示。每一次試驗中，安裝在機械手上的噴頭隨機械手從測試中心沿幅寬一側(cè)方向0～35 cm之間勻速往復(fù)運動，以測試半個幅寬上液滴直徑分布。

目前,對谷物類作物平衡水分的研究比較多,也得出了大部分谷物類作物的平衡水分的數(shù)學方程,但研究與谷物類作物化學成分有甚大差別的植物和中藥材平衡水分的很少。因此，此實驗對金銀花的干燥、貯藏、加工有著重要的實際意義和理論價值。

圖4 噴霧霧滴陰影Fig.4 Shadow of spray droplet size

激光束照射在液滴層面因不能穿透液滴而形成液滴陰影，高速攝像機以20 f/s左右速度拍攝陰影，圖片立即傳輸?shù)接嬎銠C，圖4所示為拍攝的液滴陰影圖片。當收集10 000個左右霧滴后，拍攝自動停止，配套VisiSize軟件會在去除拍攝面內(nèi)邊緣處不完整液滴陰影后分析計算出液滴粒徑尺寸分布情況。根據(jù)美國農(nóng)業(yè)與生物工程學會(ASABE)和美國國家標準局572.1標準[24]，噴霧液滴粒徑以Dv0.1、Dv0.5和Dv0.9來標定，分別表示直徑小于Dv0.1、Dv0.5和Dv0.9的液滴分別占拍攝霧滴液體總體積的10%、50%和90%，通常以中徑Dv0.5來表達液滴直徑平均分布情況。

對于噴霧裝置制造公司來說，其噴嘴成品的好壞測試大部分是用水作為測試樣本。圖8a更清晰表達了各生物農(nóng)藥與水的相對跨度的變化趨勢，從圖中可知，6種生物農(nóng)藥的液滴直徑相對跨度的變化趨勢與水的變化趨勢沒有較大差異，可見，雖然前面分析不同噴嘴的噴霧霧滴時，發(fā)現(xiàn)不同噴嘴的霧滴直徑分布沒有規(guī)律，但隨著噴量速率的增大，噴霧霧滴直徑分布的均勻度減小。圖8b是噴嘴XR8004的霧滴直徑分布圖，其霧滴粒徑有大有小，非常明顯，不集中。圖8c為噴嘴TXVK8004的霧滴直徑分布圖，其霧滴粒徑雖小，但分布非常均勻。

用于試驗的噴嘴是美國Teejet公司的平面扇形噴嘴80°XR8004和110°XR11004以及中空錐形噴嘴TXA8002和TXVK8004等4種噴嘴。平面扇形噴嘴多在105～420 kPa的噴霧壓力下各種噴桿式噴霧機上廣泛使用，而中空錐形噴嘴多用于果園或特殊農(nóng)作物的風送式噴霧[23]。在噴霧壓力為276 kPa時，80°XR8004和110°XR11004的噴量速率為1.5 L/min，TXA8002和TXVK8004的噴量速率分別為0.76 L/min和0.25 L/min；在噴霧壓力為621 kPa時，TXVK8004的噴量速率為0.36 L/min。

圖5 噴幅寬度計算示意圖Fig.5 Schematic of spray pattern width calculation

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 相同噴霧壓力下不同生物農(nóng)藥的噴霧霧滴粒徑分布

表1給出了4種噴嘴和7種噴霧樣本(BE為BotaniGard ES, SX為Suffoil-X, MX為Molt-X, C為Cease, W為Water, MS為Milstop, BW為BotaniGard 20WP)在相同噴霧壓力下的噴霧液滴中徑Dv0.5平均值，且利用SAS軟件對同一種噴頭不同噴霧樣本的噴霧液滴中徑進行多因素差異性分析的結(jié)果(顯著性水平α=0.05)。結(jié)合圖6可知，生物農(nóng)藥與水的霧滴粒徑分布之間，真菌類BotaniGard ES的中徑尺寸最大，其次是植物油類Suffoil-X和油性昆蟲生長調(diào)節(jié)劑類Molt-X，尺寸最小的是真菌類BotaniGard 20WP和礦物類Milstop，細菌類Cease和水的霧滴中徑尺寸處于中間。由此可見，霧滴粒徑大小與噴霧樣本的存在形式有關(guān)，液態(tài)與粉末狀生物農(nóng)藥的噴霧液滴尺寸具有較大差異，液態(tài)比粉末狀霧滴尺寸大；細菌類與水的霧滴尺寸差異不顯著。

表1 相同噴霧壓力下噴霧液滴中徑Dv0.5平均值Tab.1 Average Dv0.5 for seven spray samples with four nozzles at the same spray pressure μm

注：同列數(shù)值后相同字母表示同一列數(shù)值差異性不顯著，不同字母表示差異顯著(α=0.05)，下同。

圖6 相同噴霧壓力下不同生物農(nóng)藥樣本與水的噴霧液滴中徑平均值Fig.6 Average droplet size for six bio-pesticides and water at the same spray pressure

2.2 相同噴霧壓力下不同噴嘴的噴霧霧滴直徑分布

本論文使用Google word2vec來表示關(guān)鍵句子的矩陣。在試驗中，我們使用京東評論數(shù)據(jù)集作為訓練和測試數(shù)據(jù)集，并設(shè)計了五組實驗進行比較。實驗結(jié)果表明，訓練數(shù)據(jù)的準確率達到了98.81%，測試數(shù)據(jù)的準確率達到了86.39%。

圖7 相同噴霧壓力下不同噴嘴的噴霧液滴中徑平均值Fig.7 Average droplet size with different nozzles at the same spray pressure

2.3 相同噴霧壓力下霧滴粒徑分布均勻度

1.3.2噴幅寬度測定方法

表2 相同噴霧壓力下4種噴嘴、6種生物農(nóng)藥樣本與水的噴霧液滴直徑相對跨度Tab.2 Average relative span for six bio-pesticides and water with four nozzles at the same spray pressure

2.4 相同噴嘴不同噴霧壓力下生物農(nóng)藥霧滴粒徑分布

圖9給出了采用噴嘴TXVK8004對7種噴霧樣本在2種不同噴霧壓力(276 kPa和621 kPa)下的噴霧液滴中徑Dv0.5平均值比較情況。從圖中可以看出，7種噴霧樣本在噴霧壓力621 kPa下的霧滴粒徑均比噴霧壓力276 kPa下的粒徑小，可見隨著壓力的增大，生物農(nóng)藥霧滴的粒徑會減小。

圖8 相同噴霧壓力下不同噴嘴的霧滴粒徑相對跨度比較圖Fig.8 Average relative span comparisons for six bio-pesticides and water with different nozzles at the same spray pressure

圖9 不同噴霧壓力下相同噴嘴的噴霧液滴中徑平均值Fig.9 Average droplet size with the same nozzles at different spray pressures

2.5 相同噴霧壓力下不同生物農(nóng)藥幅寬上噴量分布

從噴霧機行走方向上看，整個噴嘴噴幅層面上不同位置的噴霧量不同，圖10為亞克力管收集的噴嘴XR8004的噴霧量，類似正態(tài)分布，中間多兩邊少。所以為了在實際田間噴霧中整個噴桿上噴霧量均勻，需要使兩臨近噴頭的邊緣噴霧層重疊一部分，這就取決于噴頭的安裝間距，而噴幅寬度確定了噴頭安裝間距的選擇。

雙溪村：土壤中全鉀為豐富水平，銅、鈣、錳、硒為中等水平，鎂、鉬、全氮、全磷、硫為缺乏水平，顯示了營養(yǎng)元素嚴重失衡，且養(yǎng)分元素含量均較低。

圖10 亞克力管收集的噴霧量分布Fig.10 Spray volume distribution for Acrylic tubes collection

測量每一次試驗的亞克力管中的液體體積，并百分比標準化，取平均值，得到每一種噴霧樣本的不同噴嘴的幅寬上噴量的標準百分比，如圖11所示。從圖中可知，平面扇形噴嘴幅寬上的噴量呈類似正態(tài)分布，中間多兩邊少，所以適合噴桿式噴霧機上使用。中空錐面噴嘴幅寬上的噴量凹凸形，兩邊緣和中間噴量少，其他部分噴量較多，所以該噴嘴不適合噴桿式噴霧機上使用，噴霧不均勻，適合在風送式果園噴霧機上使用。

圖11 亞克力管收集的不同生物農(nóng)藥噴霧量標準化平均值Fig.11 Spray volume distributions for Acrylic tubes collection

2.6 相同噴霧壓力下不同生物農(nóng)藥的噴幅寬度比較

除去幅寬上噴量正態(tài)分布的邊緣數(shù)據(jù)，取標準值的99%的量作為噴幅寬度來計算，結(jié)果如圖12所示。從圖可知，對于同一個噴嘴的不同噴霧樣本，噴幅寬度的差異性較?。欢鴮τ谕环N噴霧樣本不同噴嘴來說，噴幅寬度的差異性較大，XR11004的幅寬最大，超過116 cm，而其他3種噴嘴的幅寬均小于116 cm，可見角度110°的噴嘴幅寬明顯比80°的大。

根據(jù)高水分小麥熱風干燥試驗數(shù)據(jù)，分別繪制出不同熱風溫度、不同風速及不同物料薄層厚度下-lnMR——t曲線和ln(-lnMR)——lnt曲線，如圖7和圖8所示。

圖12 噴幅寬度比較Fig.12 Spray pattern width comparisons for seven spray samples with four nozzles

3 結(jié)論

(1) 霧滴粒徑大小與噴霧樣本的原存在狀態(tài)有關(guān)，液態(tài)與粉末狀生物農(nóng)藥的噴霧液滴尺寸具有較大差異，液態(tài)比粉末狀霧滴尺寸大。生物農(nóng)藥的霧滴粒徑大小隨噴霧壓力的增大而減小。

(2)隨著噴嘴噴量速率的增大，噴霧霧滴粒徑分布的均勻度減小。

(3)平面扇形噴嘴幅寬上的噴量中間多兩邊少，適合噴桿式噴霧機上使用。中空錐面噴嘴幅寬上的噴量凹形，兩邊緣和中間噴量少，而其余位置噴量較多，適合在風送式果園噴霧機上使用。

(4)噴嘴的噴霧角度大，則噴霧幅寬也大。角度為110°的噴嘴幅寬大于116 cm,而角度為80°噴嘴的幅寬小于116 cm。

(5)研究了在避免田間現(xiàn)場許多無法控制的變量條件下的噴嘴噴霧質(zhì)量特性，結(jié)論可能不完全適用于各種田間條件下的噴霧性能，但是該研究結(jié)果表明不同噴嘴類型、不同噴霧樣本的噴霧性能，可作為根據(jù)噴霧樣本或噴嘴標簽上噴霧粒徑和幅寬要求的選擇基準，也可以作為比較田間現(xiàn)場條件下噴嘴與農(nóng)作物數(shù)據(jù)的測試依據(jù)。

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