基于農(nóng)田環(huán)境因子模擬農(nóng)藥霧滴飄移特性

龔 艷， 張 曉， 王 果， 陳 曉

(農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，江蘇南京 210014)

在農(nóng)作物病蟲草害化學(xué)防治過程中，受自然環(huán)境、施藥方法與施藥裝備等因素影響，實(shí)際沉積于靶標(biāo)作物上的農(nóng)藥僅占總噴施量的30%左右，其余農(nóng)藥則流失、飄失或直接被噴灑到土壤、水體、空氣中，造成嚴(yán)重的農(nóng)業(yè)面源污染。飄失的農(nóng)藥霧滴可隨風(fēng)做長時(shí)間、長距離的遷移，由靶標(biāo)區(qū)到非靶標(biāo)區(qū)，由農(nóng)業(yè)區(qū)到非農(nóng)業(yè)區(qū)，即使在從未使用過化學(xué)農(nóng)藥的珠穆朗瑪峰，其積雪中也有持久性農(nóng)藥六六六被檢出[1-2]。飄失的農(nóng)藥霧滴進(jìn)入大氣后，可以通過呼吸直接進(jìn)入人體及其他生物體，或通過干濕沉降落于各處，造成人畜中毒以及靶標(biāo)區(qū)外農(nóng)作物藥害，甚至對整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能造成不可逆轉(zhuǎn)的破壞[3]。對玉米等單子葉作物田間噴灑除草劑，造成鄰近地塊豆類、瓜果等作物遭受藥害甚至是絕收的事件時(shí)有發(fā)生。在蠶桑、蜜蜂、水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)周邊甚至是數(shù)千米之外的農(nóng)田噴施吡蟲啉、毒死蜱、氟蟲腈等農(nóng)藥，導(dǎo)致桑蠶、蜜蜂、魚蝦大面積死亡的報(bào)道也屢見不鮮。可見在農(nóng)藥的幾個(gè)污染途徑中，飄移污染輻射面最廣[4-5]，嚴(yán)重影響環(huán)境安全、生態(tài)安全、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全和國民的身體健康。因此，控制農(nóng)藥飄移一直是施藥技術(shù)及植物保護(hù)機(jī)械領(lǐng)域的研究重點(diǎn)[6-7]。

霧滴的飄移是一個(gè)復(fù)雜的物理過程，農(nóng)藥飄移與噴霧參數(shù)(霧滴粒徑、霧滴群釋放高度)、氣象環(huán)境(風(fēng)速、風(fēng)向、溫度)等因素有關(guān)[8-9]。野外環(huán)境因素的多樣性與多變性致使田間的霧滴飄移特性研究復(fù)雜困難，試驗(yàn)結(jié)果存在較大的不確定性。而在風(fēng)洞可控環(huán)境下，通過對農(nóng)藥噴施現(xiàn)場(田間)近地風(fēng)場的精確模擬，開展農(nóng)藥霧滴飄移特性試驗(yàn)研究，可避免田間試驗(yàn)研究的諸多弊端[10-11]。因此，本研究針對風(fēng)速、霧滴粒徑、霧滴群釋放高度等3個(gè)影響霧滴飄移特性的主要因素，在低速風(fēng)洞內(nèi)對飄移霧滴沿順風(fēng)方向的水平沉積分布與垂直沉積分布進(jìn)行定量測試，研究不同風(fēng)速、霧滴粒徑、霧滴群釋放高度下的霧滴飄移規(guī)律，以期為不同環(huán)境因子及噴霧參數(shù)下的農(nóng)藥飄移風(fēng)險(xiǎn)評估提供參考，有助于避免因農(nóng)藥飄移造成的非靶標(biāo)區(qū)藥害、生態(tài)環(huán)境污染等問題。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

低速風(fēng)洞為直線開式風(fēng)洞，主要由風(fēng)洞主體、驅(qū)動系統(tǒng)和測量控制系統(tǒng)組成。風(fēng)洞主體包括氣流穩(wěn)定段、收縮段、試驗(yàn)段、動力段、擴(kuò)散段等5個(gè)部份，其中試驗(yàn)段為有效測試段。該風(fēng)洞主體總長20 m，試驗(yàn)段長×寬×高為8.0 m×1.2 m×1.0 m，試驗(yàn)段風(fēng)速范圍為0.5～10.0 m/s，無級可調(diào)，氣流紊流度≤1%。風(fēng)洞驅(qū)動系統(tǒng)由風(fēng)機(jī)、變頻器、變頻調(diào)速電動機(jī)等組成，測量控制系統(tǒng)由控制柜、計(jì)算機(jī)、傳感器(壓力、風(fēng)速、溫濕度)、數(shù)據(jù)采集卡、測控軟件、激光粒度分析儀、多光譜像機(jī)、流體分析軟件等組成。

試驗(yàn)采用的噴頭為離心霧化噴頭，該噴頭的轉(zhuǎn)速與噴霧高度可分別通過低速風(fēng)洞內(nèi)的變頻調(diào)速電機(jī)與升降機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)控，以獲取不同粒徑、不同釋放高度的霧滴群。試驗(yàn)時(shí)間為2016年12月，試驗(yàn)地點(diǎn)為農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所植保工程實(shí)驗(yàn)室。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 霧滴飄移量測定試驗(yàn) 試驗(yàn)采用0.2 g/L熒光示蹤劑水溶液作為噴霧母液，采用直徑為2 mm的聚乙烯線收集飄失的霧滴，用以分析霧滴的飄移量。

試驗(yàn)前，將噴頭安裝在風(fēng)洞內(nèi)的噴霧管路末端，噴霧方向垂直向下。如圖1所示，沿順風(fēng)水平方向，在距離地面0.1 m的位置以 1 m 的間距分別放置6根收集線，用來收集距離噴頭噴口(即霧滴群釋放口)1～6 m范圍內(nèi)飄失的霧滴；在距離噴頭噴口 1 m 處的垂直平面內(nèi)，以0.1 m的間距放置5根收集線，用來收集距地面0.1～0.5 m范圍內(nèi)飄失的霧滴。收集線距地最小距離設(shè)置為0.1 m，是為了減少霧滴撞擊地面后的反彈與飛濺對收集線的污染， 并避免近地風(fēng)的湍流對試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生不利影響。同時(shí)在風(fēng)洞的地面覆蓋人造草皮以減少霧滴與地面撞擊后的反彈與飛濺[12]。

試驗(yàn)時(shí)，按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)將風(fēng)洞試驗(yàn)段內(nèi)的風(fēng)速以及噴頭噴口的離地高度(即霧滴群釋放高度)調(diào)至試驗(yàn)所需，噴頭在設(shè)定參數(shù)下噴霧10 s，待收集線上的霧滴干燥后逐根收集，并用超聲波洗滌器將收集線上的熒光劑洗脫[13]。采用熒光分光光度計(jì)(RF-5301PC，島津公司)測定洗脫液中的熒光劑含量。取3次重復(fù)試驗(yàn)的平均值作為最終數(shù)據(jù)。

1.2.2 霧滴飄移距離測定試驗(yàn) 試驗(yàn)采用0.2 g/L誘惑紅示蹤劑水溶液作為噴霧母液，用以分析霧滴的飄移距離。霧滴采樣紙卡采用直徑為9 mm的濾紙(圖2)，沿順風(fēng)水平方向進(jìn)行布樣。試驗(yàn)前，將噴頭安裝在風(fēng)洞內(nèi)的噴霧管路末端，噴霧方向垂直向下。沿順風(fēng)水平方向，在地面以1 m的間距固定霧滴采樣紙卡，布樣長度為60 m，其中0～18 m的采樣紙卡布置在風(fēng)洞內(nèi)，19～60 m的采樣紙卡布置在開式風(fēng)洞外。試驗(yàn)時(shí)，按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)將風(fēng)洞試驗(yàn)段內(nèi)的風(fēng)速以及噴頭噴口的離地高度(即霧滴群釋放高度)調(diào)至試驗(yàn)所需，噴頭在設(shè)定參數(shù)下噴霧10 s，待霧滴采樣紙卡上的霧滴干燥后進(jìn)行分析。試驗(yàn)設(shè)置3組重復(fù)取樣點(diǎn)，取3組數(shù)據(jù)的平均值作為最終數(shù)據(jù)。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在風(fēng)洞可控環(huán)境下，針對風(fēng)速、霧滴粒徑、霧滴群釋放高度等3個(gè)影響霧滴飄移特性的主要因素，設(shè)計(jì)不同因素水平的對比試驗(yàn)，定量測試不同因素水平下飄移霧滴沿順風(fēng)方向的水平沉積分布與垂直沉積分布，研究不同風(fēng)速、霧滴粒徑、霧滴群釋放高度下的霧滴飄移規(guī)律。具體試驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

1.4 收集線的飄移指數(shù)計(jì)算

di=Vi·Ci。

(1)

式中：di代表第i根收集線上示蹤劑的沉積量，μg；Vi代表第i根收集線上示蹤劑的洗脫液體積，L；Ci代表第i根收集線上示蹤劑的濃度，μg/L。

表1 試驗(yàn)因素設(shè)計(jì)

T=V·C。

(2)

式中：T代表噴施示蹤劑的總量，μg；V代表示蹤劑噴霧體積，L；C代表示蹤劑濃度，μg/L。

(3)

式中：Si代表單根收集線沉積量占噴施示蹤劑總量的百分比，即單根收集線的飄移指數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 霧滴粒徑對霧滴飄移特性的影響

將試驗(yàn)噴頭固定在離地50 cm處，在風(fēng)速為2 m/s的條件下，研究不同霧滴粒徑(50、100、150、200 μm)對霧滴飄移特性的影響。由圖3可知，在水平方向上，粒徑為50 μm的霧滴在4 m處飄移指數(shù)為3.9%，而粒徑為200 μm的霧滴在此處的飄移指數(shù)僅為 0.8%，隨著霧滴粒徑的增大，霧滴的飄失量明顯減少。由圖4可知，在垂直方向上，距地面距離越大，收集線上的霧滴越少，且霧滴粒徑越大，收集線上的霧滴越少，粒徑為50 μm的霧滴在0.1 m處飄移指數(shù)為7.5%，而粒徑為200 μm的霧滴在此處的飄移指數(shù)僅為2.0%。

2.2 風(fēng)速對霧滴飄移特性的影響

將試驗(yàn)噴頭固定在離地50 cm處，在霧滴粒徑為100 μm條件下，研究不同風(fēng)速(1、2、4 m/s)對霧滴飄移特性的影響。由圖5可知，在水平方向上，隨著風(fēng)速的增大，霧滴飄失量呈明顯的遞增趨勢，當(dāng)風(fēng)速為1 m/s時(shí)，霧滴4 m處的飄移指數(shù)僅為0.08%，5、6 m處未采集到霧滴；而風(fēng)速達(dá)到4 m/s時(shí)，4、5、6 m處的飄移指數(shù)分別為2.8%、1.5%、0.8%。由圖6可知，在垂直方向上，任何風(fēng)速下霧滴在0.1 m處的沉積量最大；風(fēng)速越高，霧滴沉積量越大，可見增大風(fēng)速有助于藥液在靶標(biāo)作物上的沉積。適當(dāng)?shù)娘L(fēng)速會增加霧滴在靶標(biāo)作物上的沉積量，但風(fēng)速過高會使霧滴產(chǎn)生較大的飄移距離。當(dāng)風(fēng)速為4 m/s時(shí)，霧滴飄移量最大，飄移距離最遠(yuǎn)。

2.3 風(fēng)速與霧滴粒徑交互作用對霧滴飄移特性的影響

通過上述試驗(yàn)可知，風(fēng)速和霧滴粒徑是影響霧滴飄移的重要因素，為探明2種因素對霧滴飄移特性的交互影響，在霧滴粒徑為50、100、150、200 μm等4種條件下，研究不同風(fēng)速(0.5～4.0 m/s)對霧滴飄移特性的影響，其中試驗(yàn)噴頭固定在離地50 cm處。

由圖7可知，隨著風(fēng)速的增大，霧滴飄移距離變遠(yuǎn)，且粒徑小的霧滴更易飄移至遠(yuǎn)處；當(dāng)霧滴粒徑為200 μm時(shí)，由于霧滴自身重力的作用，不易受環(huán)境風(fēng)速影響，其飄移曲線較為平緩。因此，風(fēng)速過大時(shí)，不宜進(jìn)行低量或超低量噴霧，不僅影響防效，還極易造成霧滴大量飄移，對周圍非靶標(biāo)區(qū)的生態(tài)環(huán)境造成污染。

2.4 霧滴群釋放高度對霧滴飄移特性的影響

綜合上述試驗(yàn)結(jié)果，在風(fēng)速為2 m/s，霧滴粒徑為 100 μm 條件下，研究霧滴群釋放高度(50、60、70、80 cm)對霧滴飄移特性的影響。由圖8可知，在水平方向上，當(dāng)霧滴群釋放高度為50 cm時(shí)，6 m處的飄移指數(shù)僅為0.03%，而當(dāng)霧滴群釋放高度為80 cm時(shí)，6 m處的飄移指數(shù)達(dá)到3.0%。由圖9可知，在垂直方向上，當(dāng)霧滴群釋放高度為50 cm時(shí)，0.3 m處的飄移指數(shù)為 5.0%，而當(dāng)霧滴群釋放高度為80 cm時(shí)，0.3 m 處的飄移指數(shù)僅為 2.1%。可見隨著霧滴群釋放位置的增高，霧滴在遠(yuǎn)處的飄移量明顯增多，而向下的沉積量明顯減少，由此可知，霧滴群釋放高度是影響藥液在靶標(biāo)作物上沉降的重要因素之一，且噴霧高度過高，會使霧滴更易于向遠(yuǎn)處飄移。

3 結(jié)論

本研究基于低速風(fēng)洞對溫度、濕度、風(fēng)場等農(nóng)田環(huán)境因子的精準(zhǔn)模擬，設(shè)計(jì)了不同試驗(yàn)參數(shù)(風(fēng)速、霧滴粒徑、霧滴群釋放高度)的對比試驗(yàn)，探討了其對霧滴飄移規(guī)律的影響，可為不同環(huán)境因子及噴霧參數(shù)下的農(nóng)藥飄移風(fēng)險(xiǎn)評估提供參考，有助于避免因農(nóng)藥飄移造成的非靶標(biāo)區(qū)藥害、生態(tài)環(huán)境污染等問題。通過研究結(jié)果可知，風(fēng)速、霧滴粒徑、霧滴群釋放高度是影響霧滴飄移的重要因素。在水平方向上，隨著霧滴粒徑的增大，霧滴的飄失量明顯減少；在垂直方向上，距地面的距離越大，收集線上的霧滴越少，且霧滴粒徑越大，收集線上的霧滴越少。在順風(fēng)水平方向上，隨著風(fēng)速的增大，同一采樣點(diǎn)的霧滴飄失量呈明顯的遞增趨勢；在垂直方向上，風(fēng)速越大，沉積量越大，可見風(fēng)速增大有助于藥液在靶標(biāo)作物上的沉積。當(dāng)風(fēng)速為4 m/s時(shí)，霧滴飄移量最多，飄移距離也最遠(yuǎn)。噴霧作業(yè)時(shí)，小粒徑霧滴的飄移更易受風(fēng)速影響，低量或超低量噴霧應(yīng)盡量選擇無風(fēng)時(shí)進(jìn)行作業(yè)，或選擇合適的助劑以避免遠(yuǎn)距離飄移。噴霧高度過高，會使霧滴更易于向遠(yuǎn)處飄移，因此機(jī)具作業(yè)時(shí)噴頭應(yīng)與靶標(biāo)作物保持合理的噴霧距離， 以有效減少霧滴飄移。

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