李傳友, 竇碩, 熊波, 張莉, 李震,滕飛, 劉京蕊, 楊燁, 陳玉梅
(1.北京市農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)鑒定推廣站, 北京 100079;2.北京市密云區(qū)農(nóng)機(jī)化技術(shù)推廣服務(wù)站, 北京 101500)
目前,我國(guó)蔬菜栽培面積達(dá)2 044萬(wàn)hm2[1]。其中,溫室栽培面積約366萬(wàn)hm2,位居世界第一[2]。由于溫室中環(huán)境封閉、溫度高、濕度大等因素,導(dǎo)致病蟲害發(fā)病重、繁殖快、防治更加困難[3-5]。此外,溫室中作物冠層高大密集,葉片相互遮蔽,霧滴很難穿透冠層而沉積到行間。加之溫室的封閉條件和種植模式,導(dǎo)致施藥機(jī)具難以進(jìn)入[6]。因此,研發(fā)適于溫室中病蟲害防治的植保機(jī)械具有十分重要的意義。
近年來(lái),針對(duì)溫室病蟲害的防治,我國(guó)研發(fā)并改進(jìn)了許多先進(jìn)的植保機(jī)械,例如,自動(dòng)導(dǎo)航噴霧機(jī)、垂直噴桿噴霧機(jī)、風(fēng)送式噴霧機(jī)、基于超聲波和機(jī)器視覺的自動(dòng)對(duì)靶噴霧機(jī)等[6-9],但由于機(jī)具成本和溫室內(nèi)作物行間及地頭窄小的作業(yè)環(huán)境限制,這些先進(jìn)的施藥機(jī)具并沒有得到大面積推廣應(yīng)用。目前,我國(guó)在設(shè)施農(nóng)業(yè)中的植保機(jī)械仍以手動(dòng)或電動(dòng)背負(fù)式噴霧器為主,作業(yè)效率低,勞動(dòng)強(qiáng)度大,傳統(tǒng)的大容量噴霧技術(shù)進(jìn)一步增加了溫室的濕度,更容易誘發(fā)病蟲害的發(fā)生。常規(guī)的施藥機(jī)具和方法已不能滿足無(wú)公害和綠色蔬菜的生產(chǎn)要求[10-12]。為改變目前溫室施藥機(jī)具落后、施藥困難的問(wèn)題,國(guó)內(nèi)出現(xiàn)一些新型的溫室植保機(jī)具,如電動(dòng)背負(fù)式風(fēng)送噴霧器、旋轉(zhuǎn)噴槍、熱煙霧機(jī)、常溫?zé)熿F機(jī)、溫室軌道式彌霧機(jī)、背負(fù)式靜電噴霧器等[13-15]。
常溫?zé)熿F機(jī)是我國(guó)設(shè)施蔬菜生產(chǎn)中常用的植保機(jī)械。本文通過(guò)測(cè)定架式番茄不同生長(zhǎng)期、常溫?zé)熿F機(jī)不同作業(yè)方式及作業(yè)參數(shù)條件下,番茄冠層內(nèi)的霧滴沉積分布規(guī)律、藥液沉積量、地面流失以及農(nóng)藥有效利用率等,旨在確定該機(jī)溫室植保作業(yè)的適宜作業(yè)方式,減少農(nóng)藥施用量。
在中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)藥械與施藥技術(shù)研究中心實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行機(jī)具基本性能參數(shù)測(cè)試,溫室內(nèi)作業(yè)測(cè)試選用北京市延慶區(qū)綠富隆觀光園內(nèi)帶后墻日光溫室,其東西長(zhǎng)度為240 m,南北跨度12 m,脊高4 m,室內(nèi)過(guò)道寬度1 m。溫室內(nèi)番茄為大壟雙行栽培,壟距為1.5 m,行距0.45 m,行內(nèi)株距0.4 m,壟間機(jī)具可使用寬度為0.55 m。溫室溫度29~31 ℃,濕度48%。
JT 3YCB1200D-Ⅲ手推/背負(fù)電動(dòng)式常溫?zé)熿F機(jī)[精韜偉業(yè)(天津)環(huán)保能源科技發(fā)展有限公司]由移動(dòng)發(fā)電推車與背負(fù)式常溫?zé)熿F機(jī)主機(jī)組成。其中,常溫?zé)熿F機(jī)主機(jī)組件包含機(jī)架、霧化器、電控箱、藥箱、軟管和噴嘴等;移動(dòng)推車提供電能、電纜線與常溫?zé)熿F機(jī)相連接,為主機(jī)提供電力,同時(shí)也是其運(yùn)輸移動(dòng)工具。
分光光度計(jì)[AA-7000,島津(上海)實(shí)驗(yàn)器材有限公司]、超聲儀(BLS-X3,徐州貝爾斯電子科技有限公司)、掃描儀、霧滴圖像處理軟件等。
1.3.1霧滴粒徑測(cè)定 將常溫?zé)熿F機(jī)放置在激光粒徑分析儀(S3500,美國(guó)麥奇克有限公司)通道一側(cè),噴霧霧滴粒徑測(cè)試時(shí),使激光束照射到噴霧霧面,通過(guò)測(cè)量散射光的強(qiáng)度來(lái)完成霧滴粒徑測(cè)量,包括Dv10(體積累加到10%時(shí)的霧滴直徑,μm)、Dv50(體積累加到50%時(shí)的霧滴直徑,μm)、Dv90(體積累加到90%時(shí)的霧滴直徑,μm)。然后利用激光粒徑分析儀分析計(jì)算散射光譜圖的霧滴譜相對(duì)寬度(RS)。
1.3.2流量測(cè)定 在常溫?zé)熿F機(jī)藥液箱中裝入至少10 L清水。打開機(jī)具開關(guān),正常噴霧,完全排出管道內(nèi)空氣,使整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)充滿清水。使用雙層12號(hào)自封袋承接,噴灑20 s,稱重計(jì)量,重復(fù)3次,確定噴霧機(jī)流量(mL·min-1)。
1.3.3射程測(cè)定 在無(wú)風(fēng)、濕度較大的空曠場(chǎng)地設(shè)置水敏紙采樣點(diǎn),水敏紙放置在培養(yǎng)皿上。每隔1 m布置一個(gè)采樣點(diǎn),共布置15 m。距離第一采樣點(diǎn)1 m遠(yuǎn)處固定待測(cè)常溫?zé)熿F機(jī),常溫?zé)熿F機(jī)噴管噴灑方向軸線與射程采樣點(diǎn)布置方向重合,噴管與地面夾角設(shè)置分別為水平0°、向下15°和30°、向上15°和30°。噴管距離地面高度1 m,噴霧時(shí)間5 s,計(jì)數(shù)確定水敏紙上單位面積霧滴數(shù)量,重復(fù)3次,確定噴管不同噴灑角度條件下射程以及射程內(nèi)霧滴沉積分布。水敏紙上霧滴沉積數(shù)大于20滴·cm-2,視為有效射程。
1.3.4番茄冠層內(nèi)霧滴的沉積分布 霧滴密度和覆蓋率是霧滴沉積的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)。霧滴在葉片上的覆蓋密度和覆蓋率與防效相關(guān),依據(jù)NY/T 650—2013《噴霧機(jī)(器)作業(yè)質(zhì)量》[16]中低容量噴霧要求,殺蟲劑要求霧滴密度大于25滴·cm-2,覆蓋率為0.3%。其中,內(nèi)吸性殺菌劑要求霧滴密度大于20滴·cm-2,覆蓋率為0.25%;非內(nèi)吸性殺菌劑要求霧滴密度大于50滴·cm-2,覆蓋率為0.6%。本研究中,在番茄開花期,由于番茄冠層小,葉片的藥液沉積量較大,沉積在冠層葉片或水敏紙上的霧滴會(huì)出現(xiàn)搭接,導(dǎo)致測(cè)量時(shí)霧滴粒徑數(shù)值增大、霧滴密度數(shù)值降低,因此,在番茄開花期以霧滴覆蓋率作為霧滴沉積分布的主要評(píng)價(jià)參數(shù);在番茄結(jié)果期,由于番茄冠層較高,霧滴分布較為清晰,用霧滴密度和覆蓋率作為霧滴沉積分布的評(píng)價(jià)參數(shù)。
由熟練操作常溫?zé)熿F機(jī)的人員進(jìn)行作業(yè),作業(yè)方式分為兩種:一是行間作業(yè)。作業(yè)人員進(jìn)入行間由里向外倒退作業(yè),作業(yè)速度1 m·s-1。番茄開花期,噴管單行行上噴灑;番茄結(jié)果期,噴管兩側(cè)上下擺動(dòng)作業(yè)。二是過(guò)道作業(yè)。作業(yè)人員行走在溫室過(guò)道,由棚里向外背負(fù)機(jī)具倒退行進(jìn)。番茄開花期,噴管與行軸線重合噴灑,每行上停留作業(yè)時(shí)間為11 s;番茄結(jié)果期,行間冠層兩側(cè)噴管上下擺動(dòng)噴灑,停留作業(yè)時(shí)間為11 s。兩種作業(yè)方式噴量一致,約為100.5 L·hm-2。在番茄開花期,冠層較矮,作業(yè)時(shí)在冠層頂部噴灑,冠層分為上、中、下3個(gè)區(qū)域,每行5株,噴灑3行作為重復(fù);在番茄結(jié)果期,冠層較高,呈籬壁狀,作業(yè)時(shí)分別從兩側(cè)噴灑,將雙行栽培的番茄植株劃分為左、中、右和上、中、下3層,共9個(gè)區(qū)域(圖1),每行5株,噴灑3行作為重復(fù)。在番茄結(jié)果期,為了驗(yàn)證冠層噴霧效果,分別在離過(guò)道較近的冠層前部、中部、后部設(shè)置3個(gè)布樣點(diǎn),選取3棵番茄測(cè)定冠層前、中、后部葉片正面的霧滴覆蓋率。
圖1 番茄植株冠層的區(qū)域劃分Fig.1 Regional division of tomato canopy
在各區(qū)域位置典型葉片的正反面分別固定水敏紙用于接收沉積霧滴,顯示霧滴沉積分布狀態(tài)。機(jī)具作業(yè)完畢后,待沉積霧滴充分干燥后,將水敏紙收集并干燥密封保存。于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)使用掃描儀在600 dpi分辨率下掃描,將掃描所得圖片使用Depositsan軟件處理,獲取不同冠層處沉積霧滴的霧滴密度和覆蓋率。
1.3.5番茄葉片農(nóng)藥沉積量和地面流失量測(cè)定
霧滴覆蓋密度和覆蓋率可直觀表征霧滴的沉積分布情況,但當(dāng)霧滴沉積量較大時(shí),霧滴有疊加和聚并現(xiàn)象,不能有效反映藥液?jiǎn)挝幻娣e的沉積量。因此,選用濾紙接收沉積藥液并測(cè)定番茄葉片農(nóng)藥沉積量。具體操作是:在靠近霧滴沉積分布水敏紙布樣位置旁分別于番茄葉片正反面布置濾紙,接收沉積藥液。待常溫?zé)熿F機(jī)作業(yè)完成后,將濾紙分別裝入做好標(biāo)記的自封袋中密封,于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)加入定量體積的去離子水超聲洗脫,使用722型分光光度計(jì)(梅特勒上海有限公司)在501 nm波長(zhǎng)下測(cè)定洗脫液的吸光值,并計(jì)算葉片單位面積上的沉積量。
此外,在番茄植株冠層左、中、右布樣位置正下方以及壟間地面放置濾紙接收冠層下的地面藥液流失,測(cè)定地面流失量,并計(jì)算地面流失率。
1.3.6番茄冠層農(nóng)藥沉積量和農(nóng)藥利用率的測(cè)定 常溫?zé)熿F機(jī)作業(yè)前,選取5株番茄植株地上部分作為空白對(duì)照,使用2 L去離子水對(duì)植株洗脫,測(cè)定洗脫液的吸光值。在番茄開花期和結(jié)果期,待常溫?zé)熿F機(jī)作業(yè)完成后,在行間作業(yè)和過(guò)道作業(yè)兩個(gè)區(qū)域內(nèi)分別取5株番茄植株地上部分。各植株分別使用2 L去離子水洗脫,測(cè)定洗脫液的吸光值,并減去空白對(duì)照的吸光值,計(jì)算各行單植株藥液的平均沉積量,然后乘以種植密度,得到番茄冠層單位面積農(nóng)藥沉積量,再利用下面公式計(jì)算農(nóng)藥利用率。
采用Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和制表,用SPSS 17.0進(jìn)行差異顯著性分析。
通常密閉空間內(nèi),霧滴越細(xì),沉積覆蓋靶標(biāo)物的表面積也越大,防治效果就會(huì)越高,同時(shí)農(nóng)藥用量就會(huì)減少。本研究中常溫?zé)熿F機(jī)的霧滴粒徑和譜寬見表1。霧滴體積中徑(Dv50)平均值為41 μm,屬于極細(xì)霧滴;霧滴譜寬(RS)為1.27,霧滴分布較均勻。結(jié)果表明,常溫?zé)熿F機(jī)霧滴粒徑適用于溫室高濕條件下,且易于實(shí)現(xiàn)低量噴霧。
表1 常溫?zé)熿F機(jī)的霧滴粒徑和霧滴譜寬Table 1 Droplet diameter and RS of cold aerosol sprayer
經(jīng)測(cè)定,常溫?zé)熿F機(jī)的流量為(896±13.7)mL·min-1。作業(yè)時(shí),可根據(jù)作物冠層特征,確定畝噴量;根據(jù)常溫?zé)熿F機(jī)的流量,確定作業(yè)速度。
由圖2可知,該噴霧機(jī)噴管向下傾斜30°、15°以及水平0°噴灑時(shí),霧滴在水敏紙的沉積霧滴數(shù)10 m內(nèi)大于20滴·cm-2,射程為10 m,與該溫室作物種植壟長(zhǎng)一致。向下30°和15°時(shí),霧滴主要沉積在1~6 m處;水平0°時(shí)霧滴主要沉積在2~9 m處;向下傾角及水平時(shí)峰值均在3~5 m處。噴管向上15°和30°時(shí),霧滴沉積集中在6~10 m處,峰值在8 m處,射程可達(dá)12 m,超出溫室作物種植壟長(zhǎng)和溫室作物種植跨度,易導(dǎo)致霧滴沉積到溫室棚壁,造成溫室內(nèi)壁污染。噴管向上30°噴灑時(shí),霧滴主要沉積在7~10 m處,靠近噴霧機(jī)近處?kù)F滴沉積較少。
圖2 常溫?zé)熿F機(jī)噴管不同角度的噴灑射程及霧滴密度Fig.2 Spraying range and droplet density at different angles of sprayer nozzle of cold aerosol sprayer
2.4.1番茄開花期兩種作業(yè)方式下作物冠層內(nèi)霧滴的沉積分布 由表2可知,在番茄開花期,行間作業(yè)和過(guò)道作業(yè)兩種方式下,霧滴在葉片正面的覆蓋率均高于葉片背面,而且葉片正面的分布均勻性也好于葉片背面;葉片正面和背面的霧滴覆蓋率均呈上層、中層、下層逐漸遞減的趨勢(shì),尤其是過(guò)道作業(yè)冠層下層霧滴覆蓋率急劇減少。從作業(yè)方式來(lái)看,番茄冠層的上層、中層和下層均呈現(xiàn)行間作業(yè)的霧滴覆蓋率高于過(guò)道作業(yè)的趨勢(shì),且行間作業(yè)的葉片正面和背面霧滴覆蓋率平均值比過(guò)道作業(yè)共計(jì)高出16.67%,尤其是葉片背面,過(guò)道作業(yè)遠(yuǎn)低于行間作業(yè)。行間作業(yè)霧滴的沉積分布均勻性也好于過(guò)道作業(yè)。
表2 番茄開花期兩種作業(yè)方式下冠層的霧滴覆蓋率Table 2 Droplet coverage rate of the canopy at tomato flowering stage under two operation ways
2.4.2番茄結(jié)果期兩種作業(yè)方式下作物冠層霧滴的沉積分布 由表3可知,番茄結(jié)果期間作業(yè)方式下,在冠層左、中、右區(qū)域中,葉片正面霧滴覆蓋率為9.55%~34.37%,霧滴覆蓋密度均大于100滴·cm-2,滿足作業(yè)質(zhì)量要求;葉片背面覆蓋率為0.21%~13.19%,88.0%以上符合作業(yè)質(zhì)量要求。因?yàn)樾虚g作業(yè)時(shí),從冠層左右兩側(cè)向中間噴灑藥液,由于左右兩側(cè)冠層葉片攔截作用,所以冠層中間的霧滴覆蓋率低于左右兩側(cè)。因噴霧時(shí)手持噴管邊倒退邊上下左右噴灑,所以冠層從上到下覆蓋率沒有明顯遞增或遞減規(guī)律。表4結(jié)果顯示,番茄結(jié)果期過(guò)道作業(yè)時(shí),在冠層左、中、右不同區(qū)域中葉片正面霧滴覆蓋率為1.60%~46.97%,霧滴覆蓋密度均大于70滴·cm-2,滿足作業(yè)質(zhì)量要求;葉片背面覆蓋率為0.22%~19.87%,88.0%以上符合作業(yè)質(zhì)量要求。同樣,過(guò)道作業(yè)時(shí)冠層中間霧滴覆蓋率也低于左右兩側(cè)。因噴霧時(shí)手持噴管站在過(guò)道上下噴灑,所以冠層從上到下覆蓋率沒有明顯遞增或遞減規(guī)律。此外,在番茄結(jié)果期兩種作業(yè)方式下,葉片背面的霧滴覆蓋率均低于葉片正面。雖然兩種作業(yè)方式滿足作業(yè)質(zhì)量的比例相同,但行間作業(yè)時(shí)冠層葉片正面和背面霧滴覆蓋率均高于過(guò)道作業(yè),葉片正面高約6.0%,葉片背面高約3.4%。兩種作業(yè)方式下,葉片正面的覆蓋率變異系數(shù)均低于葉片背面,葉片正面霧滴沉積分布均勻性好于葉片背面,行間作業(yè)好于過(guò)道作業(yè)。表5結(jié)果顯示,行間作業(yè)時(shí),由于從行間后部倒退行走噴灑作業(yè),所以冠層前、中、后部霧滴覆蓋率沒有明顯差異(P>0.05);過(guò)道作業(yè)時(shí),霧滴覆蓋率在冠層前、中、后部均呈遞減趨勢(shì),尤其冠層后部沉積覆蓋率小,說(shuō)明在過(guò)道作業(yè)時(shí),前面冠層對(duì)霧滴有攔截作用,減少了冠層后面的霧滴沉積量。
表3 番茄結(jié)果期行間作業(yè)下冠層霧滴的沉積分布Table 3 Droplets deposition distribution of canopy at tomato fruiting stage under aisle operation
表4 番茄結(jié)果期過(guò)道作業(yè)下冠層霧滴的沉積分布Table 4 Droplets deposition distribution of canopy at tomato fruiting stage under inter-row operation
表5 番茄結(jié)果期兩種作業(yè)方式下冠層前、中、后部的霧滴覆蓋率Table 5 Droplet coverage rate of the canopy front, middle and back at tomato fruiting stage under two operation ways (%)
兩種作業(yè)方式下,番茄冠層葉片的農(nóng)藥沉積量以及地面藥液流失量結(jié)果見表6。從表6可以看出,葉片農(nóng)藥沉積結(jié)果與水敏紙霧滴覆蓋率規(guī)律一致。在番茄兩個(gè)生長(zhǎng)期,行間作業(yè)時(shí)葉片的農(nóng)藥沉積量均高于過(guò)道作業(yè),葉片正面的農(nóng)藥沉積量均好于背面,開花期的農(nóng)藥沉積量高于結(jié)果期。此外,行間作業(yè)的地面流失量均高于過(guò)道作業(yè)。行間作業(yè)番茄開花期的地面流失率最高,達(dá)到26.47%,主要該時(shí)期冠層較低,作業(yè)時(shí)噴霧機(jī)噴管朝下噴灑作業(yè),高流速霧滴穿過(guò)冠層沉積到地面;結(jié)果期次之,為21.56%。過(guò)道作業(yè)番茄結(jié)果期的地面流失率為17.64%,開花期地面流失率為10.78%。本研究未對(duì)溫室棚壁霧滴沉積流失進(jìn)行測(cè)試,但目測(cè)溫室大棚棚壁有霧滴沉積流失,后續(xù)研究應(yīng)對(duì)棚壁農(nóng)藥污染進(jìn)行測(cè)定。
表6 番茄葉片農(nóng)藥沉積量和地面流失量Table 6 Pesticide deposition on tomato leaf and ground loss
表7結(jié)果顯示,番茄結(jié)果期農(nóng)藥沉積量和農(nóng)藥利用率均高于開花期,行間作業(yè)的農(nóng)藥利用率高于過(guò)道作業(yè)。其中,行間作業(yè)時(shí)農(nóng)藥沉積量為4.57 L,農(nóng)藥利用率最高為68.3%。番茄開花期過(guò)道作業(yè)的農(nóng)藥沉積量為2.94 L,農(nóng)藥利用率最低為43.9%,該時(shí)期噴霧作業(yè)時(shí),噴管基本為水平和向下15°左右噴灑,導(dǎo)致較多細(xì)霧滴彌漫在空中,不能沉降。
表7 番茄不同生長(zhǎng)期兩種作業(yè)方式下的農(nóng)藥沉積量和農(nóng)藥利用率Table 7 Pesticide deposition and pesticide utilization rate at different growth stages of tomato under different operation ways
本研究結(jié)果顯示,溫室架式番茄不同生長(zhǎng)期行間作業(yè)的農(nóng)藥覆蓋率和沉積量均好于過(guò)道作業(yè);番茄不同生長(zhǎng)期不同作業(yè)方式下,葉片正面的農(nóng)藥覆蓋率和沉積量均好于葉片背面。這與本課題組之前的研究結(jié)果[11]一致。常溫?zé)熿F機(jī)靠霧滴自由沉降吸附在高作物冠層上,以至于沉積到冠層上頂部的藥液較多,沉積到中下層的較少。因此,建議在冷棚高架蔬菜植保作業(yè)時(shí)采取行間作業(yè)方式。番茄不同生長(zhǎng)期行間作業(yè)的農(nóng)藥沉積分布均勻性均好于過(guò)道作業(yè);番茄不同生長(zhǎng)期不同作業(yè)方式條件下,葉片正面的農(nóng)藥沉積分布均勻性均好于葉片背面。番茄結(jié)果期,兩種作業(yè)方式下籬壁行冠層中間霧滴沉積分布均較兩側(cè)少;番茄開花期,兩種作業(yè)方式下,霧滴沉積分布均按照上、中、下層逐漸減少。過(guò)道作業(yè)時(shí),無(wú)論是番茄開花期還是結(jié)果期,后部冠層的霧滴沉積均少于前、中部。
在實(shí)際植保作業(yè)時(shí),操作人員通常都使用常溫?zé)熿F機(jī)在過(guò)道行走作業(yè),作業(yè)效率高,但是植保效果和農(nóng)藥利用率均不理想。鑒于本研究測(cè)定結(jié)果,建議當(dāng)溫室內(nèi)病蟲害防治需要較大噴量、作物冠層較好霧滴覆蓋率時(shí),應(yīng)進(jìn)行行間噴霧作業(yè);當(dāng)溫室內(nèi)作物預(yù)防性作業(yè)或噴灑農(nóng)藥內(nèi)吸性較好,不需要較高冠層霧滴覆蓋率時(shí),可進(jìn)行過(guò)道噴灑作業(yè),噴管角度在±15°范圍內(nèi)調(diào)整,保證前、中、后部霧滴沉積分布均勻。