雙風(fēng)送靜電噴霧中霧滴在果園空間沉積分布試驗

周良富 張玲 薛新宇

摘要：為評價所設(shè)計的雙風(fēng)送靜電果園噴霧機室外性能，測試噴霧機在Y形梨樹園內(nèi)的霧量分布。以紙卡為樣本、麗春紅溶液為示蹤劑，測試區(qū)域采樣與斷面采樣對試驗結(jié)果影響及不同作業(yè)速度下的田間霧量分布，分析靜電噴霧效果。結(jié)果表明，區(qū)域采樣策略和斷面采樣對冠層平均霧滴覆蓋密度的結(jié)果影響不大，但斷面采樣策略比區(qū)域采樣策略所得的霧滴覆蓋密度具有更大的變異系數(shù);作業(yè)速度是影響靜電噴霧效果的一個重要因素，Ⅱ、Ⅳ檔速度下靜電噴霧的反面霧滴覆蓋率分別提高40%、17%，但對正面的霧滴覆蓋密度基本沒有影響，甚至略低于非靜電噴霧;靜電噴霧有助于抑制霧滴飄移，試驗結(jié)果顯示在5.0～12.5 m的采樣區(qū)域內(nèi)，靜電噴霧的的飄移量比非靜電噴霧減少18%;該噴霧機在同類型果園應(yīng)用中，防蟲時可以采用Ⅲ檔及以下作業(yè)速度，防病選用Ⅱ檔及以下速度可以滿足防治要求，但Ⅰ檔作業(yè)時地面沉積量明顯高于其他作業(yè)速度，不建議使用。

關(guān)鍵詞：植保機械;果園噴霧機;風(fēng)送噴霧;靜電噴霧;霧量分布;田間試驗

中圖分類號： S491 ?文獻標志碼： A ?文章編號：1002-1302（2019）12-0242-05

3WQ-400型雙氣輔助靜電果園噴霧機結(jié)合了風(fēng)送噴霧與靜電噴霧技術(shù)，離心風(fēng)機氣流有助于荷電霧滴快速擺脫強電場區(qū)，同時增加霧滴荷電量，與軸流風(fēng)機共同作用輸運霧滴到作物靶標以降低荷電量的衰減。靜電噴霧有助于霧滴在靶標背面沉積，降低農(nóng)藥地面沉積和飄移。風(fēng)送靜電噴霧研究主要有場地試驗與田間試驗，楊洲等研究了不同側(cè)風(fēng)和靜電電壓對靜電噴霧霧滴飄移的影響規(guī)律[5]。茹煜等研究了在風(fēng)洞條件下霧滴飄移影響因素分析，初步建立了霧滴飄移的數(shù)學(xué)模型[6]。賈衛(wèi)東等設(shè)計了靜電感應(yīng)噴頭，并在風(fēng)幕式噴桿噴霧機上運用，試驗了靜電噴霧的沉積特性[7]。周宏平等在優(yōu)化設(shè)計航空靜電噴霧裝置的基礎(chǔ)上，掛載于輕型蜜蜂飛機上與原有的靜電噴頭及傳統(tǒng)的扇形噴頭進行了松毛蟲防治對比試驗研究[8]。邱威等以蟲口減退率和病情指數(shù)為指標，測試了風(fēng)送噴霧對梨蚜蟲、梨黑斑病的田間防治效果[9]。張京等進行了Π型循環(huán)噴霧機與常規(guī)風(fēng)送噴霧機的防飄性能的對比試驗[10]。Duga等研究了風(fēng)送噴霧機類型、果樹修剪方式與冠層特征對梨果樹上的霧滴沉積分布影響[11-12]。上述研究所采用的方法為本研究提供了技術(shù)指導(dǎo)。

以Y形梨樹為試驗對象，測試所研制的噴霧機在田間的霧量分布，對比靜電噴霧與非靜電噴霧對冠層霧滴覆蓋密度、地面沉積與飄移的影響。同時，測試不同速度下田間霧量分布，以期驗證噴霧機具設(shè)計目標，探尋靜電噴霧的最佳作業(yè)速度。

1 材料與方法

1.1 主要材料

1.1.1 噴霧機及性能參數(shù) 依據(jù)GB/T 32244—2015《植物保護機械 喬木和灌木作物噴霧量分布的田間測定》方法要求對試驗用噴霧機進行描述。

1.1.2 主要結(jié)構(gòu)與原理 3WQ-400型雙風(fēng)送靜電果園噴霧機是農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所自行研制成功的，其主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。噴霧液體在隔膜泵的高壓作用下，由噴嘴霧化成霧滴并在電極區(qū)感應(yīng)帶電，荷電后的霧滴在離心風(fēng)機氣流作用下快速脫離強電場區(qū)，并在外軸流風(fēng)機氣流的共同作用下輸運到冠層靶標。該機具克服了荷電霧滴在電極附近吸附及荷電量的快速衰減，保證輸運到靶標的霧滴依然具有較強的靜電能力，確保霧滴在葉片背面的沉積。

1.1.3 噴頭與霧量分布 噴霧機選用噴嘴為LurMark公司的TXR800071VK空心圓錐霧噴嘴，噴頭采用雙側(cè)同時噴霧，每側(cè)5個噴頭，共10個噴頭，額定噴霧壓力為0.5 MPa，噴頭的平均流量為350 mL/min，其霧滴直徑VMD<150 μm。每個噴頭布置的具體位置與方向見表1。在該布置方式下使用垂直霧量分布試驗臺測定噴霧距離（風(fēng)機軸心位置）為 2.5 m 的垂直霧量分布情況，試驗結(jié)果如圖2所示，可以看出噴霧量主要分布在高度為1.0～2.5 m處，這與冠層生物量分布式基本一致的。

1.1.4 氣流場分布 依照GB/T 24683—2009《植物保護機械 灌木和喬木作物用風(fēng)送式噴霧機試驗方法》測試軸流風(fēng)機轉(zhuǎn)速為1 400 r/min，離心風(fēng)機轉(zhuǎn)速為1 800 r/min下噴霧機射流中心截面的氣流速度分布散點數(shù)據(jù)，利用Surfer 8.0軟件（美國Golden Software公司）繪制氣流場速度等值圖如圖3。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗條件 試驗時間為2016年9月5—10日，試驗期間環(huán)境溫度為18～34 ℃，相對濕度為45%～70%，自然風(fēng)速為陣風(fēng)1.5～3.0 m/s，試驗地點為江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院白馬試驗基地，試驗區(qū)為50 m×50 m的現(xiàn)代化標準梨園，行間地面平整，地頭有4 m的農(nóng)機作業(yè)道;試驗對象為Y拱形棚架優(yōu)質(zhì)梨新品種，樹齡為5年，每年收獲后將修剪掉Y形中間的枝條以增加光合作用。行距為5 m，株距為4 m。試驗時正值果品收獲后期。在0.8、1.2、1.5、2.2、3.0 m高處，其冠層寬度分別為0.7、1.6、2.4、3.6、4.0 m，在Y形樹干附近處的葉面積體密度為6.5 m2/m3，但在分叉后中間部位的葉面積體密度為1.5 m2/m3，噴霧機作業(yè)現(xiàn)場照片如圖4所示。

1.2.2 試驗儀器與材料 示蹤劑為0.5%色素麗春紅2R溶液（北京化學(xué)試劑廠），樣本為76 mm×76 mm的百事貼便簽紙（得力集團有限公司），風(fēng)速儀、溫濕度計、掃描儀（Canoscan Lide25，掃描像素為760×760）及其他常用工具。

1.2.3 試驗方法與數(shù)據(jù)處理 根據(jù)前期氣流場測試結(jié)果，結(jié)合果樹冠層特征，選擇軸流風(fēng)機轉(zhuǎn)速為1 400 r/min，離心風(fēng)機轉(zhuǎn)速為1 800 r/min，噴霧壓力為0.5 MPa。測試拖拉機在工作Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ檔全油門速度下靜電噴霧與非靜電噴霧田間霧量分布規(guī)律，其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ檔對應(yīng)的工作速度為034、0.52、0.84、1.05 m/s。

每組試驗果樹均采用雙側(cè)噴霧，噴霧后待紙卡晾干后采集裝入密封袋后，標記采集點（不取下固定夾）以保證后續(xù)試驗同一的采集位置。在試驗室條件下將樣本掃描，避免樣本邊界干擾，用圖像處理軟件截取60 mm×60 mm樣本讀取霧滴覆蓋率（霧滴覆蓋面積與樣本面積之比）和霧滴覆蓋密度（單位面積所具有的霧滴點數(shù)，個/cm2）。

采用Excel 2010進行數(shù)據(jù)處理與曲線繪制。

1.2.4 霧量分布采樣策略

1.2.4.1 冠層靶標霧量分布采樣 目前冠層沉積分布試驗大多采用區(qū)域采樣，而且在同一區(qū)域內(nèi)僅采了1～3個樣本量，得到霧滴覆蓋率和覆蓋密度，而且各類研究得到的試驗結(jié)果差異較大。本研究同時采用斷面采樣法和區(qū)域采樣法，對比不同采用策略對試驗結(jié)果的影響，采樣示意如圖5所示。斷面采樣是在果樹樹干斷面上布置樣本，在高度方向上采樣間距為0.25 m，當冠層厚度為0.5 m時在冠層內(nèi)部布置采樣點。區(qū)域采樣法是在果樹高度0.9、1.65、2.2 m上，將果樹分成9個采樣區(qū)域，外側(cè)的每個區(qū)域取3個采樣點，中間的區(qū)域取6個采樣點，試驗結(jié)果為每個區(qū)域采樣點平均值。

1.2.4.2 非靶標霧量分布采樣 非靶標區(qū)包括地面沉積及空中飄移兩部分，圖6為地面沉積與空中飄移的沉積采集布置示意圖。其中，在作業(yè)樹行下面布置4個采集點，左右兩側(cè)分別布置8個采樣點，分別以數(shù)字為編號，以R、L分別代替左右側(cè)。在噴霧下風(fēng)區(qū)5.0、7.5、10.0、12.5 m處布置第4個采集桿，每個采集桿上1、2、3 m等3個采集點，以3個采集點霧滴覆蓋密度的平均值作為每個采集桿的試驗結(jié)果。

2 結(jié)果與分析

2.1 采樣策略對試驗結(jié)果影響

將斷面采樣策略的試驗結(jié)果，在Excel中繪制不同位置上沉積高度與葉片正反面霧滴覆蓋密度的關(guān)系曲線。不同位置上（E、N、E′）區(qū)域采樣策略的試驗結(jié)果求平均值后，繪制不同位置上葉片正反面霧滴覆蓋密度柱狀圖（圖7）。

由圖7可知，正面的平均霧滴覆蓋密度為193個/cm2，最少為52個/cm2，變異系數(shù)為47.08%。反面的平均霧滴覆蓋密度為36個/cm2，最少為5個/cm2，變異系數(shù)為96.5%。而采用區(qū)域采樣法得到正面的平均霧滴覆蓋密度為 240個/cm2，變異系數(shù)為24.6%;反面的平均霧滴覆蓋密度為31.7個/cm2，變異系數(shù)為39.17%。由此可知，不同采樣策略所得到霧滴平均覆蓋密度差異不大，但斷面采樣策略比區(qū)域采用策略所得的霧滴覆蓋密度具有更大的變異系數(shù)。

2.2 靜電噴霧效果分析

用同一噴霧機在靜電開與關(guān)情況下，采用區(qū)域采樣法測試靜電噴霧與非靜電噴霧時冠層的霧滴分布。由于果樹冠層的不完全對稱性，而且受采樣點具有人為因素，所以試驗結(jié)果為不同位置上（E、N、E′列）的樣本平均值。

圖8為噴霧機在作業(yè)速度Ⅱ檔和Ⅳ檔下靜電噴霧與非靜電噴霧的冠層正反面霧滴覆蓋密度對比圖。由圖8可知，靜電噴霧有助于霧滴在葉片反面沉積，Ⅱ檔和Ⅳ檔速度下反面霧滴覆蓋率分別提高40%、17%，但對正面的霧滴覆蓋密度基本沒有影響，甚至略低于非靜電噴霧。因此，作業(yè)速度是影響靜電噴霧效果的一個重要因素。

2.3 作業(yè)速度對冠層分布影響

采用區(qū)域采樣法測試不同作業(yè)速度下的冠層霧滴分布，將兩外側(cè)E、E′的9個樣本、內(nèi)部的18個樣本的正反面霧滴覆蓋密度分別求平均值，得到不同位置上葉片正反面霧滴平均覆蓋密度，如圖9所示。試驗結(jié)果顯示，在Ⅰ檔作業(yè)時，正反面的平均霧滴覆蓋密度分別達到350、110個/cm2，超過防治病蟲害的要求。Ⅱ檔作業(yè)時，正反面的平均霧滴覆蓋密度分別達到220、60個/cm2，基本達到防治病蟲害的要求。而Ⅲ檔作業(yè)時，正反面的平均霧滴覆蓋密度分別達到150、35個/cm2，其正面達到防治病蟲害效果，反面只能達到防蟲的要求。Ⅳ檔作業(yè)時，正反面的平均霧滴覆蓋密度分別達到110、20個/cm2，其正面達到防治病蟲害要求的70個/cm2，反面已經(jīng)不能達到防蟲要求的25個/cm2。因此，該噴霧機在同類型果園應(yīng)用中，防蟲時可以采用Ⅲ檔及以下作業(yè)速度，防病時須選用Ⅱ檔及以下速度。

2.4 作業(yè)速度對地面分布影響

霧滴在地面的沉積特性是衡量噴霧機性能的指標之一，也是農(nóng)藥浪費和土壤污染的主要渠道之一。因此，以達到防治病蟲害效果為前提下，選擇地面沉積較少的作業(yè)工況是研究的主要目的。圖10為不同作業(yè)速度下地面的沉積分布曲線，試驗結(jié)果顯示噴霧機作業(yè)時地面沉積主要分布在10 m范圍內(nèi)，而且地面的霧滴覆蓋密度較高，地面沉積量與作業(yè)速度呈正相關(guān)，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ檔的最大霧滴覆蓋密度分別達到450、280、220、100個/cm2。Ⅰ檔作業(yè)時，地面沉積量明顯高于其他作業(yè)速度，結(jié)合作業(yè)速度與冠層分布關(guān)系，不建議采用Ⅰ檔作業(yè)。

2.5 靜電噴霧對飄移的影響

飄移試驗按圖6-b所示對果樹行進行1個來回噴霧兩側(cè)噴霧， 試驗時環(huán)境溫度為30.5 ℃， 相對濕度為60%，自然風(fēng)速為2.5 m/s陣風(fēng)（氣象條件為果樹上方1 m處測得）。在噴霧區(qū)下風(fēng)向5 m開始測試飄移量，為增大飄移損失量顯著性，靜電噴霧與非靜電噴霧試驗結(jié)果均為工作Ⅱ檔和Ⅳ檔的累積效果，將每個測試距離在3個樣本求平均值并繪制曲線，如圖11所示。

由圖11可知，靜電噴霧的飄移量比非靜電噴霧減少18%，但在5 m處的霧滴覆蓋密度依然還有47個/cm2，且沿射程方向快速衰減，10 m處的霧滴覆蓋密度為10個/cm2，在12 m外基本檢測不到霧滴飄移。

3 結(jié)論

區(qū)域采樣和斷面采樣對冠層平均霧滴覆蓋密的結(jié)果影響不大，但斷面采樣策略比區(qū)域采樣策略所得的霧滴覆蓋密度具有更大的變異系數(shù)。作業(yè)速度是影響靜電噴霧效果的一個重要因素。Ⅱ檔和Ⅳ檔速度下靜電噴霧的反面霧滴覆蓋率分別提高40%、17%，但對正面的霧滴覆蓋密度基本沒有影響，甚至略低于非靜電噴霧。該噴霧機在同類型果園應(yīng)用中，防蟲時可以采用Ⅲ檔及以下作業(yè)速度，防病選用Ⅱ檔及以下速度可以滿足防治要求，但Ⅰ檔作業(yè)時地面沉積量明顯高于其他作業(yè)速度。靜電噴霧有助于抑制霧滴飄移，試驗結(jié)果顯示在5.0～12.5 m的采樣區(qū)域內(nèi)，靜電噴霧的的飄移量比非靜電噴霧減少18%。

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