靜電噴霧關(guān)鍵參數(shù)對(duì)煙葉霧滴沉積分布的影響

張少杰　孫軒　王志江　謝永輝　余楊　張毅杰　艾宇　張?zhí)祉?/p>

摘要：為探明靜電噴霧作業(yè)中關(guān)鍵噴霧參數(shù)（噴霧高度、噴霧速度、噴霧壓力）對(duì)煙葉葉面上霧滴沉積分布的影響規(guī)律，進(jìn)行了3種噴霧高度（40、50、60 cm）、3種噴霧速度（0.62、0.79、0.98 m/s）和2種噴霧壓力（0.2、0.36 MPa）的影響因素試驗(yàn)。以清水為藥劑沉積指示劑，以水敏紙為霧滴檢測(cè)介質(zhì)，運(yùn)用圖像分析軟件Imaje J獲取霧滴沉積分布數(shù)據(jù)。結(jié)果表明：（1）噴霧壓力、噴霧速度、噴霧高度對(duì)第1、2層正面煙葉霧滴體積中徑、霧滴覆蓋率、霧滴均勻度、霧滴密度均有極顯著影響（P<0.01），對(duì)第1、2層反面煙葉霧滴體積中徑和霧滴均勻度無顯著影響（P>0.05），對(duì)1、2層反面煙葉的霧滴密度和覆蓋率影響顯著（P<0.05）;（2）隨著噴霧高度的增加，第1層（煙株頂層）、第2層（煙株中間層）煙葉正面上的霧滴體積中徑和霧滴覆蓋率降低，霧滴密度和霧滴均勻度增加，第1、2層煙葉反面上的霧滴密度降低和體積中徑降低;（3）隨著噴霧壓力的降低，煙株各層葉面上的霧滴密度、覆蓋率和均勻度顯著降低，霧滴體積中徑增加，噴霧壓力為0.36 MPa時(shí)獲得最優(yōu)霧化參數(shù);（4）在噴霧高度為50 cm、噴霧壓力為0.36 MPa的條件下，隨著噴霧速度的增加，第1、2層煙葉正面霧滴體積中徑和霧滴覆蓋率降低，霧滴均勻度和霧滴密度增加。本研究結(jié)果可為煙草等大葉片作物靜電噴霧作業(yè)提供理論指導(dǎo)和數(shù)據(jù)支持，并為后續(xù)開展大田試驗(yàn)研究提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：靜電噴霧;施藥參數(shù);沉積分布;噴霧壓力;噴霧高度;噴霧速度

中圖分類號(hào)：S24?? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2020）19-0249-08

收稿日期：2019-12-23

基金項(xiàng)目：云南省煙草公司重大科技專項(xiàng)（編號(hào)：2018530000241010）;云南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)生科技創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)行動(dòng)基金（編號(hào)：2018ZKY046）。

作者簡(jiǎn)介：張少杰（1992—），男，山東煙臺(tái)人，碩士研究生，主要從事農(nóng)業(yè)電氣化與自動(dòng)化研究。E-mail：13061322461@163.com。

通信作者：張?zhí)祉?，碩士，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事農(nóng)業(yè)工程研究。E-mail：351997207@qq.com。

煙草是我國(guó)重要的經(jīng)濟(jì)作物，煙草病蟲害每年對(duì)煙草行業(yè)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失[1]?，F(xiàn)階段病蟲害防治還是以化學(xué)防治為主，防治器械以背負(fù)式噴霧器為主。近幾年靜電噴霧已經(jīng)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域得到一定的應(yīng)用[2-3]。靜電噴霧可以提高農(nóng)藥的有效沉積，提高農(nóng)藥在作物葉背的沉積效率，減少農(nóng)藥飄逸對(duì)土壤微生物和環(huán)境的污染[4]。但不合理的施藥方式造成農(nóng)藥的大量浪費(fèi)，農(nóng)藥的有效利用率不足30%[5]。國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)靜電噴霧施藥參數(shù)進(jìn)行了大量研究。美國(guó)學(xué)者Law等研制了靜電噴霧系統(tǒng)，并對(duì)其在棉花植株上進(jìn)行應(yīng)用研究，提出在靜電噴霧的基礎(chǔ)上加大霧滴運(yùn)動(dòng)速度，有助于提高霧滴的附著率和在植株上的穿透率[6-9]。茹煜等研究荷電電壓對(duì)霧滴沉積特性與作物附著性的影響，對(duì)比靜電與非靜電霧滴沉積分布特性和葉片附著率得出，霧滴荷電可增加霧滴的運(yùn)動(dòng)速度與作物的定向移動(dòng)，靜電電荷可增加葉片正面與反面的霧滴密度，減少霧滴的表面張力，提高霧滴的附著率[10]。周良富等研究感應(yīng)電壓、風(fēng)機(jī)頻率、噴霧距離和噴霧壓力對(duì)紡錘型蘋果樹霧滴沉積分布的影響，結(jié)果表明，對(duì)霧滴反面吸附性影響程度從充電電壓、噴霧距離、噴霧壓力、風(fēng)機(jī)頻率等方面依次遞減[11]。孫國(guó)祥等通過Fluent軟件模擬分析背負(fù)式噴霧器霧滴分布特性，證明模擬仿真與試驗(yàn)分析結(jié)果存在明顯差異，為了驗(yàn)證實(shí)際效果必須進(jìn)行試驗(yàn)研究[12-13]。周宏平等研究靜電電壓對(duì)霧滴沉積的影響，結(jié)果表明，霧滴粒徑隨著靜電電壓的增大而降低，且隨電壓增加分布更加均勻[14]。陳志剛等研究表明，噴霧壓力和風(fēng)速對(duì)霧滴沉積分布有顯著影響，且噴霧壓力影響大于風(fēng)速[15]。李芳麗研究噴霧高度對(duì)霧滴沉積分布的影響，證明噴霧高度對(duì)霧滴沉積的影響非常明顯，并指出噴霧高度的制定要根據(jù)不同的作物形態(tài)，且要具體問題具體研究[16]。

從以上文獻(xiàn)可以看出，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者主要研究風(fēng)速、靜電電壓、噴霧壓力等對(duì)霧滴沉積分布的影響，而針對(duì)背負(fù)式靜電噴霧器不同噴霧壓力、噴霧速度、噴霧高度等關(guān)鍵施藥參數(shù)的綜合研究相對(duì)較少。而霧滴在不同作物形態(tài)葉面上的沉積分布不同，針對(duì)煙草作物葉面霧滴沉積分布的研究尚未見報(bào)道。

本研究以云煙203品種為試驗(yàn)作物，分析背負(fù)式靜電噴霧器在3個(gè)噴霧高度、2個(gè)噴霧壓力、3個(gè)噴霧速度等不同條件下煙株各層霧滴沉積分布，以期為煙草等大葉片作物的施藥提供理論依據(jù)，達(dá)到節(jié)約農(nóng)藥、提高農(nóng)藥利用率的效果。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

1.1.1 供試靜電噴霧器

本試驗(yàn)采用江蘇泰御威機(jī)電科技有限公司TYW-WJ16靜電噴霧器，其工作壓力為0.2～0.4 MPa，靜電電壓為22～30 kV。因噴霧器的噴頭類型對(duì)霧滴的粒徑等有顯著影響[17]，為控制變量，試驗(yàn)過程中統(tǒng)一采用切向渦流式噴頭，其噴頭墊片如圖1所示。

1.1.2 試驗(yàn)噴霧試驗(yàn)臺(tái)

為保證試驗(yàn)過程中噴霧高度、噴霧速度等的準(zhǔn)確性，減少試驗(yàn)誤差，采用按國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)[IS0 5682-1 ∶1996（E）]設(shè)計(jì)的噴霧試驗(yàn)臺(tái)控制噴霧速度和噴霧高度。將噴霧器的噴桿固定在橫軸上，由單片機(jī)和電位器控制橫軸運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)不同速度需求;在橫軸上加立桿實(shí)現(xiàn)不同的噴霧高度。噴霧試驗(yàn)臺(tái)如圖2所示。

1.1.3 試驗(yàn)水敏紙

采用重慶六六山下植?？萍加邢薰旧a(chǎn)的水敏紙霧滴測(cè)試卡進(jìn)行試驗(yàn)，為方便數(shù)據(jù)對(duì)比，統(tǒng)一采用3 cm×8 cm的水敏紙。水敏紙遇水由黃色變?yōu)樗{(lán)色，通過圖像處理軟件分析霧滴粒徑等數(shù)據(jù)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)配置TYW-WJ16靜電噴霧器，噴霧速度設(shè)為0.62、0.79、0.98 m/s;噴霧高度設(shè)為40、50、60 cm，噴霧高度是噴頭距離煙株頂端的距離;噴霧壓力設(shè)為0.36、0.20 MPa，進(jìn)行3個(gè)因素全面試驗(yàn)，每組試驗(yàn)噴霧3株煙草，試驗(yàn)示意如圖3所示，水敏紙布置如圖4所示。

1.2.1 采樣點(diǎn)設(shè)計(jì)

煙草作物的葉面特性和植株外形與花生等其他作物不同，煙葉的面積較大。根據(jù)煙草農(nóng)藝師的指導(dǎo)，在煙草整個(gè)生長(zhǎng)周期中選擇

煙株高度40 cm時(shí)進(jìn)行病蟲害防治，因此選取3株形態(tài)相近、高度約40 cm的煙株作為試驗(yàn)材料。為了研究整體煙株的霧滴沉積特性，采樣點(diǎn)分為3層，第1層為煙草頂部的煙葉;第2層為煙株中間部分的煙葉，即距離煙草頂部20 cm的煙葉;第3層為地面，分為2部分，即距離煙株根部20 cm為地面1層，距離煙株根部40 cm為地面2層。

1.2.2 煙株葉面霧滴采樣設(shè)計(jì)

煙株頂部煙葉較嫩，易發(fā)生病蟲災(zāi)害，在距離煙株頂端20 cm的部位煙葉較為密集，且煙葉較大，是煙葉易發(fā)生病蟲害的重要位置。第1層煙葉的面積較小，將3 cm×8 cm 的水敏紙沿?zé)熑~的形狀布置在每個(gè)煙葉的中心位置，布置方向與噴霧方向呈近似45°與135°，共布置4張水敏紙，即為第1層正面4張水敏紙，在每張水敏紙所在煙葉反面相同位置分別貼4張水敏紙，即為第1層反面;在第2層以相同的方法布置水敏紙，共布置3株煙草，視為3次重復(fù)。為減少試驗(yàn)隨機(jī)誤差，每株煙草每層每面的4張水敏紙數(shù)據(jù)取平均值記作1個(gè)數(shù)據(jù)，3株煙草視為3次重復(fù)，取平均值。

1.2.4 噴霧作業(yè)參數(shù)

為減少試驗(yàn)的隨機(jī)誤差，保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確度，選取3株形狀長(zhǎng)勢(shì)相近、高度約40 cm的煙株為試驗(yàn)材料，每次試驗(yàn)都保證靜電噴霧器處于滿電狀態(tài)，使靜電霧滴帶電量基本形同。為保證采集霧滴的準(zhǔn)確性，試驗(yàn)測(cè)試所用水敏紙統(tǒng)一采用3 cm×8 cm規(guī)格，且每次在第1株煙株前1 m 處待噴霧穩(wěn)定后進(jìn)行試驗(yàn)，相關(guān)參數(shù)見表1。

2 數(shù)據(jù)處理方法

每次噴霧試驗(yàn)結(jié)束，等水敏紙干后，馬上用掃描儀按照相關(guān)的規(guī)定參數(shù)進(jìn)行掃描，電子圖像通過美國(guó)農(nóng)業(yè)部圖像處理軟件Imaje-J中的DepositScan進(jìn)行分析，得到霧滴體積中徑、霧滴密度、霧滴均勻度和霧滴覆蓋率等霧滴數(shù)據(jù)[18]。運(yùn)用SPSS 22.0進(jìn)行顯著性分析，采用Origin19進(jìn)行圖表繪制。

2.1 霧滴體積中徑

霧滴體積中值直徑（中徑）是指霧滴直徑按照從小到大排列，霧滴體積累計(jì)達(dá)到霧滴總體積的50%時(shí)的霧滴直徑，用VMD表示[19]。計(jì)算公式如下：

VMD=3（∑D3iNi│∑Ni）。（1）

式中：Di表示第i個(gè)霧滴的直徑;Ni表示第i個(gè)霧滴數(shù)。VMD值越小，代表霧化效果越好。

2.2 霧滴均勻度

霧滴均勻度表示霧滴群的離散程度，是評(píng)價(jià)霧化沉積性能的重要指標(biāo)，為霧滴數(shù)量中值中徑和霧滴體積中值直徑的比值，用DR來表示。公式如下：

DR=NMDVMD。（2）

式中：NMD表示霧滴數(shù)量中徑（μm）;VMD表示霧滴體積中徑（μm）。DR值越小表示越不均勻，均勻度若小于0.67，表示不均勻，若大于0.67，表示比較均勻，DR值越接近于1，表示霧滴粒徑分布越均勻[16]。

2.3 霧滴密度

霧滴密度是指單位面積上霧滴的沉積數(shù)量，用ρ表示，單位為個(gè)/cm2，公式如下：

ρ=NS。（3）

式中：N表示測(cè)試收集霧滴的總個(gè)數(shù);S表示測(cè)試的水敏紙面積。

2.4 霧滴覆蓋率

霧滴覆蓋率是指單位面積上霧滴所覆蓋的面積，單位為%，公式如下：

P=s/S。（4）

式中：s表示水敏紙上霧滴所覆蓋的面積;S表示測(cè)試的水敏紙面積。

3 結(jié)果與分析

3.1 顯著性分析

從表2、表3可以看出，噴霧壓力、噴霧速度、噴霧高度對(duì)第1、2層正面煙葉霧滴體積中徑、霧滴覆蓋率、霧滴均勻度、霧滴密度均有極顯著影響（P<0.01），對(duì)第1、2層反面煙葉霧滴體積中徑、霧滴均勻度無顯著影響（P>0.05），對(duì)第1、2層反面煙葉的霧滴密度、霧滴覆蓋率影響顯著（P<0.05）。

3.2 噴霧高度對(duì)煙草各層霧滴沉積分布的影響

在靜電噴霧中，試驗(yàn)設(shè)定風(fēng)速0 m/s、噴霧速度0.62 m/s、噴霧壓力0.36 MPa，研究噴霧高度（40、50、60 cm）對(duì)煙葉霧滴沉積分布的影響。由圖5-a可知，隨著噴霧高度的增加，煙葉葉面上的霧滴體積中徑降低。噴霧高度為40、50、60 cm時(shí)，第1層正面煙葉霧滴體積中徑分別為244.0、223.4、183.8 μm，噴霧高度從40 cm至50 cm、從50 cm至60cm下降幅度分別為8.4%和17.7%;第2層正面煙葉霧滴體積中徑分別為176.0、165.0、143.3 μm，噴霧高度從40 cm至50 cm、從50 cm至60cm下降幅度分別為6.25%和13.20%，說明60 cm噴霧高度更加影響霧滴體積中徑。相同噴霧高度下，煙葉各層霧滴體積中徑表現(xiàn)依次為第1層正面>第2層正面>第1層反面>第2層反面。第1、2層反面霧滴體積中徑為73.9～113.0 μm，明顯小于第1、2層正面霧滴體積中徑（143.3～244.0 μm），說明小霧滴更易吸附在煙葉反面。由圖5-b可知，隨著噴霧高度的增加，煙葉正面的霧滴密度增加，而煙葉反面霧滴密度降低，其中第1層反面煙葉上的霧滴密度為34.8～76.3個(gè)/cm2，明顯多于第2層反面煙葉的霧滴密度（6.7～28.9個(gè)/cm2）， 說明噴霧距離明顯影響霧滴靜電吸附能力。在40、50、60 cm的噴霧高度下，第1層和第2層反面煙葉的平均霧滴密度分別占其正面煙葉的36.35%、20.78%、11.73%。圖5-c表明，隨著噴霧高度的增加，煙葉正面霧滴均勻度提高，而煙葉反面霧滴均勻度未發(fā)生明顯變化，且煙葉反面霧滴均勻度明顯高于煙葉正面，霧滴均勻度大部分在0.67以上，說明靜電噴霧的霧滴沉積均勻。圖5-d表明，隨著噴霧高度的增加，煙葉各層霧滴覆蓋率降低，噴霧高度從40 cm增加至50 cm時(shí)，煙葉正面霧滴覆蓋率變化不明顯，但當(dāng)噴霧高度增加至60 cm時(shí)，煙葉霧滴覆蓋率明顯減少。

3.3 噴霧壓力對(duì)煙株各層霧滴沉積分布的影響

為研究噴霧壓力對(duì)煙株各層霧滴沉積分布的影響，試驗(yàn)選定噴霧速度0.62 m/s、噴霧高度50 cm，壓力變量分別為0.20、0.36 MPa，分析煙株第1層正面、第2層正面、第1層反面、第2層反面煙葉的霧滴體積中徑、霧滴密度、霧滴均勻度、霧滴覆蓋率的變化規(guī)律，結(jié)果如圖6所示。

由圖6-a可知，隨著噴霧壓力的減少，煙株各層霧滴體積中徑增加，煙葉第1層正面、第1層反面霧滴體積中徑增幅分別為21.48%、6.18%，煙葉第2層正面、第2層反面霧滴體積中徑增幅分別為26.55%、1.26%，第2層煙葉的霧滴體積中徑增幅總體大于第1層。圖6-b表明，隨著噴霧壓力減小，煙株各層霧滴密度均明顯降低，第1層正面、第2層正面、第1層反面、第2層反面煙葉的霧滴密度降幅分別為41.9%、31.7%、43.9%、59.4%，說明噴霧壓力明顯影響煙葉的霧滴沉積密度，且第2層反面的煙葉霧滴密度過小，僅為5.6～13.8個(gè)/cm2。圖6-c表明，隨著噴霧壓力的減小，第1層正面、第2層正面煙葉的霧滴均勻度降低，第1層反面、第2層反面煙葉的霧滴均勻度未發(fā)生明顯變化。煙葉反面的霧滴均勻度明顯高于煙葉正面的霧滴均勻度。圖6-d表明，隨著噴霧壓力減小，煙株各層霧滴覆蓋率降低，等1、2層正面煙葉霧滴覆蓋率明顯降低，反面煙葉霧滴覆蓋率未發(fā)生明顯變化。

3.4 噴霧速度對(duì)煙草各層霧滴沉積分布的影響

在靜電噴霧試驗(yàn)中，試驗(yàn)風(fēng)速0 m/s， 選取噴霧壓力為0.36 MPa，噴霧高度為50 cm，將噴霧速度分別設(shè)為0.62、0.79、0.98 m/s，研究噴霧速度對(duì)各層煙葉的霧滴沉積分布的影響。噴霧速度對(duì)霧滴體積中徑、霧滴密度、霧滴均勻度、霧滴覆蓋率的影響見圖7。

圖7-a表明，隨著噴霧速度的提高，第1層和第2層正面煙葉上的霧滴體積中徑明顯變小，第1層和第2層反面煙葉上的霧滴體積中徑變小，但并不明顯。在3個(gè)速度下，第1、2層煙葉正面的霧滴體積中徑分布在147.5～223.4 μm之間，第1、2層煙葉反面的霧滴體積中徑分布在78.5～100.4 μm之間。噴霧速度從0.62 m/s增加至0.79 m/s，第1層和第2層正面煙葉的霧滴體積中徑降幅分別為4.48%和6.06%，噴霧速度從0.79 m/s增加至0.98 m/s，第1層和第2層正面煙葉的霧滴體積中徑降幅分別為17.24%和4.84%，說明0.98 m/s的噴霧速度明顯影響煙葉上的霧滴體積中徑。由圖7-b 可知，隨著噴霧速度增加，第1、2層正面煙葉上的霧滴密度增大，但第1、2層反面煙葉上的霧滴密度降低。圖7-c表明，隨著噴霧速度的提高，第1、2層正面煙葉的霧滴均勻度提高，第1、2層反面煙葉的霧滴均勻度未發(fā)生明顯變化。煙葉反面平均霧滴均勻度（0.91～0.93）明顯高于煙葉正面平均霧滴均勻度（0.60～0.82）。圖7-d表明，隨著噴霧速度的提高，各層煙葉的霧滴覆蓋率降低。在0.79～0.98 m/s噴霧速度下，第1、2層正面霧滴覆蓋率變化程度逐漸增大。反面煙葉的霧滴覆蓋率明顯低于正面煙葉的霧滴覆蓋率。

4 結(jié)論

（1）噴霧壓力、噴霧速度、噴霧高度等對(duì)第1、2層正面煙葉霧滴體積中徑、霧滴覆蓋率、霧滴均勻度、霧滴密度均有極顯著影響（P<0.01），對(duì)第1、2層反面煙葉霧滴體積中徑和霧滴均勻度無顯著影響（P>0.05），對(duì)第1、2層反面煙葉的霧滴密度和覆蓋率影響顯著（P<0.05）。

（2）在噴霧速度為0.62 m/s和噴霧壓力為0.36 MPa下，噴霧高度對(duì)煙葉上霧滴體積中徑、霧滴密度、霧滴均勻度、霧滴覆蓋率影響較大。隨著噴霧高度增加，第1、2層正面霧滴體積中徑、霧滴覆蓋率降低，第1、2層正面煙葉的霧滴密度、霧滴均勻度增大，第1、2層反面煙葉的霧滴密度降低。在40、50、60 cm的噴霧高度下，第1、2層反面煙葉的平均霧滴密度占第1、2層正面煙葉的平均霧滴密度百分比分別為36.35%、20.78%、11.73%。最佳噴霧高度為40～50 cm。

（3）在噴霧速度為0.62 m/s和噴霧高度為50 cm 下，噴霧壓力對(duì)各層煙葉上的霧滴體積中徑、霧滴密度、第1、2層煙葉正面上的霧滴均勻度和霧滴覆蓋率影響較大。與0.36 MPa的噴霧壓力相比，0.20 MPa噴霧壓力下的第1、2層煙葉霧滴體積中徑增大，霧滴密度、霧滴均勻度和霧滴覆蓋率降低，噴霧壓力從0.36 MPa降低至0.20 MPa時(shí)，第1、2層正面煙葉霧滴覆蓋率分別由40.09%、25.29%降為31.06%、20.59%，降幅分別為22.52%、18.58%。0.36 MPa噴霧壓力效果優(yōu)于0.2 MPa噴霧壓力。

（4）隨著噴霧速度的提高，第1、2層煙葉正面上的霧滴體積中徑和覆蓋率明顯降低，霧滴密度、霧滴均勻度明顯增加，噴霧速度對(duì)第1、2層煙葉反面霧滴體積中徑無明顯影響。在50 cm噴霧高度、0.36 MPa 噴霧壓力，噴霧速度為0.62～0.98 m/s下，第1、2層煙葉正面霧滴體積中徑為147.5～223.4 μm，第1、2層煙葉反面霧滴體積中徑為78.5～100.4 μm，煙葉各層霧滴均勻度均在0.6以上?？紤]煙葉正面與反面的霧滴沉積分布情況，最佳噴霧速度為0.62～0.79 m/s。

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