稻稈葉鞘表面霧滴沉積特性試驗

李東紅，王德福，江志國，李利橋，李 超

(東北農(nóng)業(yè)大學 工程學院，哈爾濱 150030)

稻稈葉鞘表面霧滴沉積特性試驗

李東紅，王德福，江志國，李利橋，李 超

(東北農(nóng)業(yè)大學 工程學院，哈爾濱 150030)

為研究稻稈青貯時噴灑的乳酸菌稀釋液在稻稈葉鞘表面上的沉積性能，依據(jù)對葉鞘表面進行電鏡掃描及形態(tài)分析，利用設(shè)計的液體添加裝置，在固定噴量條件下，選取取樣部位、噴嘴角度和噴嘴直徑為試驗因素，以單位葉鞘面積上生物染料麗春紅S(示蹤劑)的沉積量為試驗評價指標，進行3因素5水平正交旋轉(zhuǎn)噴霧沉積試驗。結(jié)果表明:各因素對沉積量的影響規(guī)律為：取樣部位、噴嘴角度對沉積影響極顯著，噴嘴直徑對沉積影響不顯著。

稻稈；葉鞘；沉積

0 引言

我國的稻稈產(chǎn)量已超2億t[1]。近幾年，為了充分利用豐富的稻稈資源，我國開始對稻稈進行青貯處理[2]。在由鋼輥式圓捆機將切割并鋪放在稻田地里的秸稈打捆收獲時，需噴灑乳酸菌稀釋液，以提高稻稈打捆青貯的質(zhì)量。為獲得較高的青貯品質(zhì)，應(yīng)使噴灑的乳酸菌稀釋液有效地沉積在稻稈上。經(jīng)半喂入式水稻收獲機獲得的完整稻稈，由莖、稻葉和穗組成，葉互生于莖的兩側(cè)，主莖生長的稻葉數(shù)與莖節(jié)數(shù)一致。稻葉可分為連接在一起的葉鞘和葉片兩部分，葉鞘卷抱在莖的周圍[3]。經(jīng)測量，葉鞘外露有效面積占稻葉面積的53%左右，因自然狀態(tài)下葉片已蜷曲(外露有效面積更少)。因此，進行稻稈噴灑乳酸菌稀釋液打捆時，葉鞘為主要的沉積靶標。

稻稈葉鞘與葉片表面特性相似，蠟質(zhì)層較厚且具有很強的疏水性，霧滴在其上的滾動和流淌受葉片傾角、霧滴大小及表面特性的影響[4]。目前，霧滴在葉片表面上的沉積特性研究報道較多。例如，楊希娃得出葉片表面性質(zhì)、葉片傾角對農(nóng)藥沉積量影響差異顯著[5]；Smith得出霧滴大小和葉片表面性質(zhì)對沉積量有一定的影響等[6]。然而，基于霧滴在葉鞘表面上的沉積特性研究尚未見報道。

為此，本文以生物染料麗春紅S為示蹤劑，進行葉鞘表面噴霧沉積試驗，明確乳酸菌稀釋液在葉鞘上的沉積性能，從而為提高乳酸菌稀釋液的高效施用提供參考。

1 試驗設(shè)備和方法

1.1 噴霧沉積試驗臺結(jié)構(gòu)及工作原理

噴霧沉積試驗臺由自制的液體添加裝置和帶式輸送機(長度4000 mm)組成，分別配備YE2-132S-4型三相交流電動機(南京環(huán)球電機有限公司)、FR-F740-45K-CHT1型變頻器(日本三菱公司)，以實現(xiàn)驅(qū)動和調(diào)速。圖1為噴霧沉積試驗臺結(jié)構(gòu)示意圖。

1.帶式輸送機 2.噴嘴 3.噴嘴支架 4.傳送帶電機 5.液體添 加裝置支架 6.高壓噴霧泵 7.液壓泵電機 8.進液管 9.藥液箱 10.回水管圖1 噴霧試驗臺結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Experimental equipment of spray test bench

其他儀器包括FEI Sirion掃描電子顯微鏡(荷蘭飛利浦公司)、T6新世紀紫外線可見分光光度計(北京普析通用儀器有限公司)及MFC-7470D Brother激光掃描儀。

1.2 液體添加裝置設(shè)計及工作原理

液體添加裝置配裝于鋼輥式圓捆機上，主要由藥液箱(容積為35L)、帶離合裝置的高壓齒輪泵(工作壓力為0.8～2.6MPa)、直動式溢流閥(最大工作壓力為4MPa)、噴嘴(選用蘇州藍翱精密塑膠有限公司生產(chǎn)的N·LANAO F110系列扇形噴嘴，噴霧角為110°，噴嘴直徑分別為1.5、2、3、4、5mm)等組成。圖2為液體添加裝置示意圖。

1.藥液箱 2.進液管 3.壓力表 4.齒輪泵 5.溢流閥 6.噴嘴 7.液體分配管 8、9.調(diào)節(jié)閥門 10.主回流管 11.細回流管 12.液體攪拌器圖2 液體添加裝置系統(tǒng)示意圖Fig.2 Sketch of liquid-spraying system

工作時，通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)中溢流閥的壓力來控制系統(tǒng)壓力，改變系統(tǒng)的單位時間噴量[7]。通過調(diào)節(jié)噴嘴直徑，獲得不同的霧滴大小。當噴霧壓力為0.8MPa時，測定其噴嘴流量，如表1所示。

表1 各噴嘴所測流量

1.3 試驗材料及試驗條件

采用哈爾濱香坊區(qū)經(jīng)半喂入式水稻收獲機獲得的完整稻稈，稻稈平均長度為750mm，含水率20%；用麗春紅S加蒸餾水配置濃度為0.15%的溶液代替乳酸菌稀釋液進行噴霧。

試驗前，將稻稈從根部往上依次切割成5段(每段長150mm)，取下葉鞘，分別對應(yīng)根部、中下部、中部、中上部、梢部(各取樣部位依次用1～5表示，見圖3)；試驗時，按要求在不同取樣部位選取寬20mm、長30mm的葉鞘，用雙面膠粘于載玻片上，正面朝上，按編號對載玻片上葉鞘各取樣部位進行掃描，并用DepositScan軟件計算稻稈葉鞘面積。

參照相關(guān)文獻[8]，設(shè)定噴霧壓力為0.8MPa，噴嘴距葉鞘距離為500mm。

圖3 完整稻稈分段圖Fig.3 Section diagram of intact rice straw

1.4 試驗評價指標

噴霧結(jié)束后將載玻片取出，將葉鞘撕下放入裝有5mL去離子水的試管中反復(fù)洗滌；收集洗滌液在分光光度計波長為510nm處測定吸光度，根據(jù)生物染料麗春紅S的標準曲線和葉鞘面積，計算單位葉鞘面積上麗春紅S的沉積量為試驗評價指標。參考徐德進[9]等方法建立麗春紅S質(zhì)量濃度(X)與吸光度(Y)的標準曲線為

Y=3.658x-0.2418

R2=0.9991

2 葉鞘表面特性及其表面沉積量影響因素分析

2.1 葉鞘表面特性分析

采用荷蘭飛利浦公司生產(chǎn)的FEI Sirion掃描電子顯微鏡對不同取樣部位的稻稈葉鞘表面微觀結(jié)構(gòu)觀察。經(jīng)過修剪與調(diào)整對比度、色階后，選取圖4(a)、(b)、(c)做葉鞘表面特性分析，如圖4所示。

稻稈葉鞘表面結(jié)構(gòu)主要分為硅化-木栓帶與氣孔帶兩部分。電鏡掃描結(jié)果表明：葉鞘表面由多個單元組成，每個單元具有相似結(jié)構(gòu)；葉鞘從根部到梢部鉤毛及球狀凸起的數(shù)量、密度變化差異顯著。

2.2 葉鞘表面霧滴沉積量影響因素分析

霧滴與葉面撞擊過程中，霧滴大小、葉面表面特性及葉面傾角對霧滴在葉面上的滾動和流淌有一定的影響[10]。因此，選擇葉鞘不同取樣部位、噴嘴角度和噴嘴直徑3個因素進行試驗研究，具體的取值說明如下：

1)取樣部位。由圖3中可知：葉鞘從根部到梢部，表面鉤毛及球狀凸起的數(shù)量、密度變化差異顯著。霧滴沉積時，鉤毛容易刺穿霧滴表面，使霧滴在葉鞘面上的接觸角變小，使其容易潤濕。凸起的形態(tài)結(jié)構(gòu)對霧滴的承接能力有一定的影響，故選擇葉鞘不同取樣部位為試驗因素。

2)噴嘴角度。噴嘴相對葉鞘的傾角不同，霧滴與凸起和鉤毛的接觸面積不同，使霧滴與葉鞘碰撞后發(fā)生彈跳和飛濺的概率不同。通過調(diào)節(jié)噴嘴的角度來模擬田間葉鞘存在的傾角，噴嘴角度分別為5°、15°、30°、45°、55°(0°代表垂直于地面，90°代表平行于地面)。利用東北農(nóng)業(yè)大學植保實驗室的噴霧試驗臺，對N·LANAO F110系列噴嘴進行霧滴分布均勻性預(yù)試驗發(fā)現(xiàn)：當噴嘴角度大于60°時，霧滴分布均勻性差，噴霧過程中霧滴損失較大。因此，確定噴嘴角度的試驗范圍為5～55°。

3)噴嘴直徑。噴霧壓力一定時，相同類型、不同直徑的噴嘴產(chǎn)生的霧滴大小不同，使霧滴與葉鞘碰壁后產(chǎn)生粘附、反彈、飛濺等物理現(xiàn)象[11]。細霧滴因動能不足隨氣流場作用發(fā)生飄移，粗霧滴因其動能過大與葉鞘接觸后會裂變成多個細小霧滴，故選擇噴嘴直徑作為試驗因素。當噴霧壓力為0.8MPa時，利用水敏紙(霧滴檢測卡)，測得不同直徑大小的噴嘴產(chǎn)生的校正霧滴體積中徑，如表2所示。

圖4 稻稈葉鞘的SEM照片(1 000倍)Fig.4 SEM image of rice leaf surface(1000-fold)表2 各噴嘴所測量的霧滴體積中徑Table2 VMD of each nozzle μm

3 噴霧沉積試驗

3.1 試驗方法

試驗時，設(shè)定噴霧壓力為0.8MPa，噴嘴距葉鞘距離為500mm。通過調(diào)節(jié)傳送帶的速度，使單位面積下的葉鞘噴量均勻，選用一個噴嘴，將載玻片置于扇形霧的中軸線并放在傳送帶上，噴霧后將載玻片取出。

通過預(yù)試驗分析可知：葉鞘表面霧滴沉積量主要與葉鞘取樣部位、噴嘴角度和噴嘴直徑有關(guān)。在單因素試驗分析基礎(chǔ)上，結(jié)合Design-Expert軟件，設(shè)定葉鞘取樣部位1～5，噴嘴角度5°～55°，噴嘴直徑1.5～5mm，進行3因素5水平正交旋轉(zhuǎn)組合試驗。按照試驗設(shè)計要求做23組試驗(其中心零點重復(fù)做9組)，每組試驗重復(fù)5次，各因素水平編碼表如表3所示。

表3 試驗因素編碼

3.2 試驗結(jié)果與分析

利用Design-Expert軟件對試驗結(jié)果進行處理，獲得霧滴沉積量的回歸模型為

X= 0.2-0.06A-0.018B+0.019AB-0.016BC+

0.016A2+0.017C2

方差分析結(jié)果如表4所示。

表4 沉積試驗回歸模型的方差分析

續(xù)表4

由表4可知：沉積試驗回歸模型顯著，失擬項不顯著。這說明，噴霧沉積試驗回歸模型合適。

通過各因素的一次項系數(shù)絕對值及F值可以看出：單因素取樣部位、噴嘴角度對沉積影響極顯著，噴嘴直徑對沉積影響不顯著。各因素對試驗評價指標的貢獻率為：取樣部位(181.68)>噴嘴角度(16.88)>噴嘴直徑(4.59)。

交互因素對評價指標響應(yīng)曲面如圖5所示。圖5(a)為噴嘴直徑固定為中心水平時取樣部位和噴嘴角度交互作用對霧滴沉積量的影響。由圖5(a)可以看出：當取樣部位靠近根部時，隨著噴嘴角度的減小，葉鞘表面霧滴沉積量有增加的趨勢。這是因為取樣部位越靠近根部，葉鞘表面鉤毛和球狀凸起的密度及直徑越大，霧滴沉積時鉤毛容易刺穿霧滴表面，使其容易潤濕；同時，凸起承接霧滴能力越強，霧滴與葉鞘接觸后發(fā)生彈跳和流失的概率降低，減少霧滴的流失，加上噴嘴角度小，使霧滴與鉤毛和凸起接觸面積變大，使霧滴穩(wěn)定持留。當取樣部位靠近梢部時，隨著噴嘴角度的增加，葉鞘表面霧滴沉積量變化趨勢不明顯。這是因為葉鞘梢部表面鉤毛和凸起尺寸和密度較小，并且呈球形，不能刺破浸入表面的霧滴，從而導致霧滴難以持留。

圖5(b)為將取樣部位固定位于中心水平時，噴嘴直徑和噴嘴角度交互作用對霧滴沉積量的影響。由圖5(b)可以看出：當噴嘴直徑小時，隨著噴嘴角度的增加，沉積量無明顯變化趨勢。這是因為不同噴嘴直徑產(chǎn)生的霧滴大小不同，與葉鞘碰壁后會產(chǎn)生粘附、反彈、飛濺等霧滴現(xiàn)象。小噴嘴直徑產(chǎn)生的霧滴體積中徑較小，細霧滴因動能不足隨氣流場作用產(chǎn)生飄移，損失較大，即使改變噴嘴角度也無法提高沉積量。當噴嘴直徑大時，隨著噴嘴角度的增加，葉鞘表面霧滴沉積量越少。這是因為大噴嘴直徑產(chǎn)生的霧滴體積中徑較大，產(chǎn)生的粗霧滴具有較高的動能和重力，霧滴產(chǎn)生飄移現(xiàn)象減弱，同時小的噴嘴角度使霧滴與凸起和鉤毛接觸面積變大，霧滴與葉鞘接觸后發(fā)生裂變的概率小，霧滴容易被持留；而噴嘴角度較大時，接觸面積較小，霧滴容易流失。

圖5 雙因素交互作用對評價指標的影響Fig.5 Effects of two factors on the evaluation index

4 結(jié)論

1)通過對葉鞘表面進行電鏡掃描及形態(tài)分析可知：稻稈葉鞘從根部到梢部鉤毛及球狀凸起的數(shù)量、密度及尺寸逐漸減小且變化差異顯著。

2)通過試驗研究可得：選取的3因素對葉鞘表面霧滴沉積量貢獻率順序為葉鞘取樣部位、噴嘴角度、噴嘴直徑。取樣部位越靠近根部、噴嘴角度越小，越有助于提高沉積量。噴嘴直徑對霧滴沉積量影響不顯著，所以在稻稈葉鞘上使用液體添加劑時應(yīng)慎重考慮霧滴譜。

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ID:1003-188X(2018)02-0179-EA

Experiment of Droplets Deposit Characteristics in Rice Leaf Sheath

Li Donghong， Wang Defu， Jiang Zhiguo， Li Liqiao， Li Chao

(College of Engineering, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China)

Abstract： In order to clarify the deposit characteristics of lactic acid bacteria dilution on the surface of rice leaf sheath, the liquid addition device is installed to spray deposition test. Scanning and morphological analysis of leaf sheath surface by using the electron microscope showed the surface morphology of leaf sheath from roots to shoots differed significantly. Under the condition of fixed spray volume, the sampling position, nozzle angle and nozzle diameter were selected as experimental factors, and the deposition amount of Ponceau S in the unit area was used as the evaluation index, the experiment was done. Experimental results showed that: the sampling position, nozzle angle on the results are significant, the nozzle diameter on the result is not significant. The closer the sampling position to the root, the greater the deposition, the smaller angle of the nozzle will help to increase the deposition.

rice; leaf sheath; deposition

2017-01-24

國家自然科學基金項目(51405076)

李東紅(1991-),男，遼寧丹東人，碩士研究生，(E-mail)donghong2016@126.com。

王德福(1964-)，男，哈爾濱人，教授，(E-mail)dfwang640203@sohu.com。

S491

A

1003-188X(2018)02-0179-04