植保無人機霧滴在水稻葉片表面結(jié)構(gòu)附著規(guī)律

吳 笛,李君興,董云哲,于海濤,史云天,袁洪印

(1.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院,長春 130118;2.吉林省農(nóng)業(yè)機械研究院,長春 130022)

0 引言

農(nóng)業(yè)航空植保發(fā)展如火如荼,植保無人機憑借獨有的旋翼下壓風(fēng)場、高效率及智能化等優(yōu)勢,成為了植保界的新寵。本著提高農(nóng)藥利用率及保護環(huán)境的原則,植保無人機進行噴灑作業(yè)后,噴灑霧滴在水稻葉片表面的附著率一直是研究的熱點,也是難點[1-3]。

在植株病蟲害的防治過程中,農(nóng)藥霧滴的沉積量和植物葉片表面的附著率是評判噴施效果的最佳標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)Himel和Uk的生物最佳粒徑理論,即最易被生物體捕獲并能取得最佳防治效果的農(nóng)藥霧滴直徑或尺度稱為生物最佳粒徑[4]。對于飛行昆蟲而言,生物最佳粒徑在10～50μm之間,對作物葉片爬行類害蟲幼蟲,生物最佳粒徑在30～150μm之間,對植物病害和雜草生物的最佳生物粒徑分別在30～150μm和100～300μm之間[5]。影響農(nóng)藥霧滴的沉積量和葉片表面附著率的因素除了農(nóng)藥霧滴的粒徑大小之外還有其他因素。相關(guān)試驗證明：在一定范圍內(nèi),葉片傾角的大小與農(nóng)藥沉積量成反比;葉片的微觀結(jié)構(gòu)各不相同,吸附能力也不盡相同[6]。宋堅利以水稻葉片潤濕性理論為基礎(chǔ),推導(dǎo)出霧滴臨界脫落直徑,輔以試驗證明：農(nóng)藥霧滴沉積主要部位在水稻葉片硅化木帶上且鉤毛上最穩(wěn)定[7]。

本文利用植保無人機進行噴灑試驗,進行稻葉的采集,采集后的稻葉置于顯微鏡下觀測,并從微觀上總結(jié)分析水稻葉片結(jié)合外來霧滴的吸附特性及附著規(guī)律。

1 試驗條件及方法

1.1 試驗條件

試驗所選用植保無人機是吉林省農(nóng)業(yè)機械研究院自行開發(fā)的NJY-1206型植保無人機。噴灑試劑以20g/L濃度的誘惑紅水溶液代替農(nóng)藥,該染色劑為食品級染色劑,對環(huán)境無害。選用鳳凰光學(xué)三目生物顯微鏡PH100-3B41L觀察水稻葉片微觀表面,以及YGY-FSXY1風(fēng)速風(fēng)向儀。

植保無人機主要技術(shù)參數(shù)：

藥箱容積/L：10

藥泵壓力/MPa：0.2

對角旋翼距離/mm：1 206

噴頭數(shù)量/個：3

單個噴頭流量/L·min-1：0.46

噴桿長度/m：2

噴頭間距/m：0.5

田間試驗于2016年7月27日在吉林省長春市吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗田(經(jīng)緯度125.4°,43.8°)進行。試驗對象選擇品種為松風(fēng)899,稻齡為127天的水稻。環(huán)境溫度28℃,稻葉溫度25.6℃;風(fēng)向東偏南25°,風(fēng)速2.6m/s。

1.2 試驗方法

1.2.1 植保無人機噴灑作業(yè)

將試驗田劃分為3塊區(qū)域,每一區(qū)域內(nèi)設(shè)置有5個采樣點,各采樣點間隔如圖1所示。飛機噴灑以距離植株頂端1m的高度,A、B、C3塊作業(yè)區(qū)域?qū)?yīng)3種飛行速度,分別是3、4、5m/s。試驗工作現(xiàn)場如圖2所示。噴灑試驗結(jié)束后,根據(jù)圖1分別在5個采樣點隨機采集上、中、下3個部位的稻葉。

圖1 作業(yè)區(qū)域采樣點分布Fig.1 Distribution of sampling points in the job area

圖2 飛機工作現(xiàn)場Fig.2 Aircraft work site

1.2.2 樣本采集與標(biāo)本制作

每一個采樣點周圍分別采集取距水面高度為30、60、90cm的上中下稻葉作為觀察對象,共45片稻葉。將水稻葉放入直徑2cm、深度15cm試管內(nèi)保存,試管底部放入少量水,以防止水稻放生卷曲現(xiàn)象。為了保持離體的植株葉片活性,試管在運輸過程,保存在0℃左右的保溫箱中,且保持垂直狀態(tài)放置,以免試管底部液體沖刷葉片,造成數(shù)據(jù)失真。

使用鑷子夾住稻葉的末端拿出試管,平整放置于準(zhǔn)備好的吸水紙上。吸水紙上、下方放置平板,平板上放置重物,作為壓制葉片之用,壓制時必須要注意葉片要平整,壓制要全面。兩天更換一次紙張,否則葉片會因潮濕而彎曲變形。

1.2.3 稻葉微觀數(shù)據(jù)的獲取

標(biāo)本制作完成后,使用取樣器對每片稻葉截取3個面積為1cm2樣本。使用光學(xué)顯微鏡對稻葉進行觀察,將稻葉表面的微觀結(jié)構(gòu)劃分為3個部分,分別是毛刺區(qū)、硅化木帶區(qū)和其他區(qū),如圖3所示。統(tǒng)計染色劑霧滴在稻葉上的展布后痕跡大小,分為50μm、50～100μm之間及100μm以上3個區(qū)間,如圖4、圖5所示。

a.毛刺區(qū) b.硅化木帶區(qū) c.其他區(qū)圖3 水稻葉片采樣后在100倍鏡下的表面結(jié)構(gòu)Fig.3 Surface structure of rice leaves under 100-fold microscope after sampling

2 結(jié)果與分析

顯微鏡觀察中發(fā)現(xiàn)硅化木帶及其他區(qū)存在毛刺,從空間位置來看,由上到下的次序是：毛刺—硅化木帶—毛刺—其他部位。霧滴在葉片表面不同位置的附著占比如圖4～圖6所示。

圖5 硅化木帶區(qū)附著點痕徑(比例尺150∶1)Fig.5 The adherent point track of the silicified wood zone(scale 150∶1)

圖6 飛行速度 為3m/s,霧滴不同附著位置的附著占比Fig.6 The flying speed is 3m/s, the attachment proportion of fog drops at different attachment positions

霧滴的大小以霧滴附著在稻葉上展布后痕徑最大方向上的大小為準(zhǔn),霧滴附著痕徑附著占比如圖7～圖11所示。以飛機的飛行速度作為因素,不同速度作為水平,染色劑霧滴附著的不同位置附著占比及染色劑霧滴附著葉片上的不同痕徑范圍附著占比作為試驗指標(biāo),利用SPSS對本次試驗進行了單因素方差分析,如表1～表6所示。

圖7 飛行速度為4m/s,霧滴不同附著位置的附著占比Fig.7 The flying speed is 4m/s, the attachment proportion of fog drops at different attachment positions

圖8 飛行速度為5m/s,霧滴不同附著位置的附著占比Fig.8 The flying speed is 5m/s, the attachment proportion of fog drops at different attachment positions

結(jié)合圖6～圖8可以看出：3種飛行速度下,霧滴在葉片表面微觀結(jié)構(gòu)的附著規(guī)律基本一致。毛刺區(qū)域附著占比達到80%左右,硅化木帶區(qū)域附著占比在14%左右;其他區(qū)域的附著占比在10%以下,毛刺區(qū)域上附著占比最高,硅化木帶上附著占比高于其他區(qū)域;飛行速度的變化對霧滴在葉片表面不同附著位置的附著占比不存在鮮明的影響。

圖9 飛行速度為3m/s,霧滴在葉片附著痕徑不同大小附著占比Fig.9 The flying speed is 3m/s, and the adhesion ratio of fog drops in different sizes of blade adhesion scar diameter is different

圖10 飛行速度為4m/s,霧滴葉片附著痕徑不同大小附著占比Fig.10 The flying speed is 4m/s, and the adhesion ratio of fog drops in different sizes of blade adhesion scar diameter is different

圖11 飛行速度為5m/s,霧滴葉片附著痕徑不同大小附著占比Fig.11 The flying speed is 3m/s, and the adhesion ratio of fog drops in different sizes of blade adhesion scar diameter is different

表1 飛行速度對毛刺附著占比的影響Fig 1 Effect of flight speed on the attachment ratio of burrs

表2 飛行速度對硅化木帶附著占比的影響Table 2 The influence of flight speed on the adhesion ratio of silicified wood belt

表3 飛行速度對其他區(qū)附著占比的影響Table 3 The influence of flight speed on the adhesion ratio of other areas

根據(jù)表1～表3可以看出：P1、P2、P3皆大于0.05,飛行速度與霧滴附著不同位置的附著占比不存在顯著性差異,飛行速度對霧滴附著不同位置的附著占比影響不大。

表4 飛行速度對痕徑在50μm以下附著占比的影響Table 4 The effect of flying speed on the adhesion ratio of the trace diameter below 50 microns

表5 飛行速度對痕徑在50～100μm之間附著占比的影響Table 5 The effect of the flying speed on the adhesion ratio of the indentation diameter between 50 microns and 100 microns

表6 飛行速度對痕徑在100μm以上附著占比的影響Table 6 The influence of flight speed on the adhesion ratio of trace diameter over 100 microns

結(jié)合圖9～圖11可以看出：不同飛行速度對霧滴附著葉片痕徑不同大小的附著占比影響不大,飛行速度在5m/s時,50μm以下的霧滴附著占比有降低的趨勢,這可能是霧滴漂移導(dǎo)致的;痕徑大小在50μm以下的附著占比達到80%以上,痕徑大小在50～100μm之間的附著占比與100μm以上的附著占比均處于10%左右,兩者之間的大小關(guān)系不明顯。根據(jù)表4～表6可以看出：P4、P5皆大于0.05,P6小于0.05。飛行速度與霧滴痕徑在50μm以下附著占比及霧滴痕徑在50～100μm之間的附著占比無顯著性差異,飛行速度對兩者的影響不大;飛行速度與霧滴痕徑在100μm以上附著占比存在顯著性差異,飛行速度的大小變化對霧滴痕徑在100μm以上附著占比存在顯著影響。

3 結(jié)論

1)稻葉表面毛刺及硅化木帶吸附外來霧滴的能力明顯強于其他區(qū)域,霧滴附著占比達80%以上。毛刺具有獨特的刺狀特征,易于破壞外來霧滴的表面張力,使霧滴更易附著于毛刺上。硅化木帶區(qū)域硬度相對較大,擁有破壞霧滴表面張力,具有易吸附外來霧滴的能力。其他區(qū)域多乳凸,表面呈球粒狀,不易破壞霧滴表面張力,乳凸與霧滴水膜間產(chǎn)生氣泡,水膜被抬起,導(dǎo)致霧滴難以附著在氣孔帶上。

2)霧滴附著在葉片表面形成的痕徑上50μm以下附著占比最高,在80%以上。形成以上特點的原因可能是：①小粒徑霧滴動量小,撞擊到葉片上不易反彈;②小粒徑霧滴的積累,不易形成徑流,造成藥液流失的可能性低;③小粒徑霧滴動態(tài)表面張力小,潤濕性能好,易于附著。

3)植保無人機飛行速度的變化與霧滴附著不同位置附著占比之間不存在顯著性差異;飛行速度變化與霧滴痕徑在100μm以上附著占比存在顯著性差異,與霧滴痕徑在50μm以下及50～100μm之間的附著占比不存在顯著性差異。