冠層推撥裝置對噴桿噴霧機(jī)霧滴飄失與沉積特性的影響

王士林 李雪 雷嘵暉 顧煬 HERBST Andreas BONDS Jane 呂曉蘭

摘要 ：噴桿噴霧機(jī)具有作業(yè)效率高、霧滴覆蓋率高、沉積分布均勻、防治效果好等優(yōu)點(diǎn)，是目前大田作物最主要的施藥機(jī)具。但受作物冠層遮擋和側(cè)風(fēng)等氣象條件的影響，導(dǎo)致噴桿噴霧機(jī)作業(yè)時霧滴難以穿透到植株中下部并伴隨飄失。為改善噴桿噴霧機(jī)噴霧霧滴在作物冠層的穿透性并降低飄移量，本文優(yōu)化設(shè)計(jì)了一種適用于大田作物的噴桿噴霧機(jī)冠層推撥裝置。并分別使用兩種噴頭（標(biāo)準(zhǔn)扇形霧噴頭ST11002、射流噴頭IDK12002）對該裝置的減飄性和在小麥上的沉積特性進(jìn)行了對比試驗(yàn)。結(jié)果表明：該冠層推撥裝置對標(biāo)準(zhǔn)扇形霧噴頭ST11002的減飄效果強(qiáng)于射流噴頭IDK12002，其減飄效果分別為59.0%和9.5%;冠層推撥裝置可以提高藥液的沉積率，對于ST11002噴頭可增加18.0%，IDK12002噴頭增加了8.6%;同時該推撥裝置對小麥植株的推撥作用增加了霧滴向冠層中下方的穿透效果，有利于藥液在植株上的均勻沉積。

關(guān)鍵詞 ：噴桿噴霧機(jī); 推撥裝置; 飄失; 霧滴; 沉積

中圖分類號：

S 491文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

DOI： 10.16688/j.zwbh.2019541

Influences of canopypushing plate on droplet drift and deposition characteristics of boom sprayer

WANG Shilin1，2， LI Xue1，2， LEI Xiaohui1， GU Yang1， HERBSTAndreas3， BONDS Jane4， L Xiaolan1，2*

（1. Institute of Agricultural Facilities and Equipment， Jiangsu Academy of Agricultural Sciences， Nanjing 210014， China;

2. Key Laboratory of Agricultural Engineering in the Middle and Lower Reaches of Yangtze River， Ministry of Agriculture and

Rural Affairs， Nanjing 210014， China; 3. Institute for Chemical Application Technology of JKI， Braunschweig D38104，

Germany; 4. Bonds Consulting Group LLC， Panama City Florida 32408， USA）

Abstract ：Boom sprayer is one of the most important sprayers for field crops due to its advantages of high working efficiency， droplet coverage， uniform droplet distribution and good biological control effect. However， due to the density of plant canopy and meteorological conditions such as crosswind， the droplets are very difficult to penetrate into the middle and lower parts of the plant and tend to drift into nontarget areas. In order to improve the penetrability of droplets in crop canopy and reduce the potential spray drift of boom sprayer， a canopypushing plate of boom sprayer was designed and optimized. Two kinds of nozzles （standard flat fan nozzle ST11002 and air injection nozzle IDK12002） were used to compare the characteristics of drift reduction and droplet deposition on wheat between conventional boom sprayer and canopypushing plate boom sprayer. The results showed that the pushing plate could effectively reduce drift， and the effect on the standard flat fan nozzle ST11002 was stronger than on the air injection nozzle IDK12002. The drift reduction rates in ST11002 and IDK12002 nozzle were 59.0% and 9.5%， respectively. The canopypushing plate could increase the deposition rate of spray liquid by 18.0% for the ST11002 nozzle and 8.6% for the IDK12002 nozzle. Whats more， the canopypushing plate could also improve the penetration effect of droplets into the lower parts of canopy， which is favorable for the uniform deposition of the spray liquid on the plant.

Key words ：boom sprayer; canopypushing plate; drift; droplet; deposition

噴桿噴霧機(jī)的作業(yè)效率高，藥液噴灑均勻、防治效果好，因此被廣泛用于小麥、水稻、玉米等大田作物的病蟲草害防治[12]。隨著我國農(nóng)業(yè)種植規(guī)模的不斷擴(kuò)大，噴桿噴霧技術(shù)發(fā)揮了越來越重要的作用并成為了國內(nèi)應(yīng)用最為廣泛的植保機(jī)具，目前國內(nèi)約有52.25%的農(nóng)戶選擇自走式噴桿噴霧機(jī)進(jìn)行田間施藥[34]。

然而，噴桿噴霧機(jī)在進(jìn)行施藥作業(yè)時，其噴霧扇面內(nèi)的細(xì)小霧滴極易在周圍氣流的脅迫之下運(yùn)動至遠(yuǎn)離靶標(biāo)區(qū)域的范圍，造成農(nóng)藥的飄失與浪費(fèi)、降低病蟲害的防治效果，甚至?xí)鸱前袠?biāo)區(qū)域作物藥害以及環(huán)境污染等問題[57]。此外，由于稻、麥等防治作物種植密度較大，葉片交錯重疊，導(dǎo)致噴桿噴霧機(jī)噴灑出的農(nóng)藥霧滴難以穿透作物冠層而沉積到植株中下部位[8]，這在一定程度上降低了作物冠層中下部位病蟲害的防治效果。

為有效降低噴桿噴霧機(jī)作業(yè)過程中農(nóng)藥霧滴的飄移并提高霧滴在作物冠層內(nèi)的穿透效果，科研人員先后對噴桿噴霧機(jī)的噴桿結(jié)構(gòu)[9]、減震裝置[10]和智能控制系統(tǒng)[11]等進(jìn)行了深入研究，但這些研究僅是改善了農(nóng)藥霧滴的沉積分布均勻性，并沒有解決農(nóng)藥的飄失與穿透效果差的問題。在隨后的研究中發(fā)現(xiàn)通過改變噴頭周圍氣流的速度和方向，使氣流運(yùn)動利于霧滴的沉降，可以增加霧滴在作物冠層的沉積并減少霧滴向非靶標(biāo)區(qū)域飄失，由此風(fēng)幕裝置[12]和罩蓋推撥裝置[1314]開始被用于噴桿噴霧機(jī)上。

風(fēng)幕裝置是在噴桿噴霧機(jī)的噴桿部分上加裝風(fēng)機(jī)或風(fēng)筒等，以在噴桿噴霧機(jī)噴霧方向上產(chǎn)生輔助氣流帶動噴霧霧滴向靶標(biāo)移動，從而增加農(nóng)藥霧滴的穿透效果并降低飄失[15]。罩蓋推撥裝置是通過在噴桿上增加導(dǎo)流板來引導(dǎo)和改變噴頭周圍氣流運(yùn)動的路徑，同時對防治作物產(chǎn)生推撥作用而促進(jìn)霧滴向冠層中下部位的沉積。相比而言，罩蓋推撥裝置結(jié)構(gòu)簡單、投入成本更低、更有利于大規(guī)模的推廣應(yīng)用[14]。因此本文優(yōu)化設(shè)計(jì)了一種冠層推撥裝置，并對安裝該裝置的噴桿噴霧機(jī)的霧滴飄移及田間沉積效果進(jìn)行了對比試驗(yàn)，以期降低噴桿噴霧機(jī)施藥時的農(nóng)藥飄移并提高霧滴的沉積效果。

1 材料與方法

1.1 推撥裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)

推撥裝置的作用原理如圖1所示：作業(yè)前噴桿噴霧機(jī)通過液壓驅(qū)動噴桿的升降，使得推撥裝置深入到作物冠層內(nèi)部，當(dāng)噴桿噴霧機(jī)行駛作業(yè)時推撥裝置在噴桿的帶動下將作物冠層撥開，使得噴頭噴出的農(nóng)藥霧滴噴施到冠層內(nèi)部[16]，同時推撥裝置對外界自然風(fēng)形成了阻擋作用降低了農(nóng)藥霧滴的飄失風(fēng)險。

為有效提升推撥裝置的防飄與促沉降效果并提升其結(jié)構(gòu)剛度，參照張京等[17]在風(fēng)洞和田間對不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的推撥裝置的對比試驗(yàn)結(jié)果，利用有限元理論找出推撥裝置固定支架的應(yīng)力集中部位，并在其原有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，以增強(qiáng)其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和機(jī)械抗震性。最終確定推撥裝置的結(jié)構(gòu)如圖2所示：固定支架為平行四邊形結(jié)構(gòu)，相鄰兩邊長分別為250、350 mm（其中250 mm為豎直方向的邊長），夾角為50°，支架寬為30 mm，板厚為4 mm。在平行四邊形固定支架的右上角內(nèi)部（相鄰兩邊長度的三分之一處）增加一條加強(qiáng)筋，厚度為4 mm。推撥板寬為350 mm，固定在支架下方，與水平方向的夾角為40°。噴頭位于固定支架右上角，方向與推撥板平行，噴頭安裝間距為50 cm。

1.2 試驗(yàn)方法

為研究所設(shè)計(jì)冠層推撥裝置對噴桿噴霧機(jī)施藥霧滴的飄移與沉積特性的影響，將該冠層推撥裝置安裝于3WZP600型自走式水旱兩用噴桿噴霧機(jī)（山東綠田農(nóng)業(yè)機(jī)械有限公司）與未安裝推撥裝置的該噴桿噴霧機(jī)進(jìn)行對比試驗(yàn)。噴桿噴霧機(jī)的噴幅寬度為12 m，噴頭間距為0.5 m，試驗(yàn)分別選用標(biāo)準(zhǔn)扇形霧噴頭ST11002與射流噴頭IDK12002進(jìn)行，兩種噴頭的噴霧壓力均為0.3 MPa。試驗(yàn)期間安裝冠層推撥裝置與未安裝推撥裝置條件下的噴桿噴霧機(jī)行進(jìn)速度分別為1.18 m/s和1.21 m/s，噴霧壓力為0.3 MPa，單噴頭的流量均為0.80 L/min。為對霧滴的飄移與沉積進(jìn)行定量，向噴霧液中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.5%的誘惑紅作為示蹤劑，試驗(yàn)結(jié)束后對所收集的樣品進(jìn)行洗脫并測定洗脫溶液的吸光值。

1.2.1 霧滴飄失測試

根據(jù)ISO223693農(nóng)藥飄移潛力測試平臺試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)[18]對噴桿噴霧機(jī)的飄移特性進(jìn)行測定，該平臺（見圖3）是在比利時由Advanced Agricultural Measurement System公司（A.A.M.S.）生產(chǎn)，它由垂直桿、霧滴沉積和飄移收集裝置和控制單元組成?？刂茊卧呻娍叵到y(tǒng)、氣泵和電池組成，電控系統(tǒng)的開關(guān)通過電信號與氣動聯(lián)動開啟或閉合霧滴飄移收集裝置上方的滑蓋。

當(dāng)待測噴桿噴霧機(jī)以平行于平臺的霧滴沉積和飄移收集裝置方向前進(jìn)時，噴出的粒徑較大的霧滴會直接沉積到噴桿正下方區(qū)域，而粒徑較小的潛在飄移霧滴會在空中懸浮并增加沉降時間，當(dāng)噴桿噴霧機(jī)行駛至垂直桿處噴桿會觸碰垂直桿，此時控制單元接收信號后由氣動閥打開霧滴飄移收集裝置上方的滑蓋進(jìn)而收集潛在飄移霧滴。同時霧滴飄移測試系統(tǒng)的前端有兩個暴露的凹槽可放置培養(yǎng)皿用于收集噴霧扇面內(nèi)沉積霧滴與空中飄移霧滴沉降后沉積量的總和。霧滴飄移收集裝置長度為11 m，每隔0.5 m處有一個凹槽（共計(jì)22個）用于擺放培養(yǎng)皿作為飄移霧滴的收集單元，每個凹槽上面均有滑蓋，控制系統(tǒng)可同時打開或關(guān)閉所有滑蓋。

待測噴桿噴霧機(jī)的飄移特性表示為飄移潛力（dPV），其計(jì)算公式如下：

dPV=∑Di/dRS×100%（1）

式中：Di是單位面積飄移量，單位：μL/cm2;dRS是單位面積總的沉積量，單位：μL/cm2;dPV是飄移潛力值，單位：%。

1.2.2 霧滴田間沉積效果

試驗(yàn)在灌漿期的麥田進(jìn)行，小麥株高約60 cm，株密度為667株/m2，試驗(yàn)期間田間溫度為21.6～22.9℃，相對濕度48.5%～56.7%。根據(jù)ISO242531田間噴霧沉積試驗(yàn)測試標(biāo)準(zhǔn)[19]對噴桿噴霧機(jī)的沉積效果進(jìn)行測定，分別對比安裝標(biāo)準(zhǔn)扇形霧噴頭ST11002與射流噴頭IDK12002時冠層推撥裝置對霧滴沉積效果的影響，噴霧完成后在各處理作業(yè)區(qū)內(nèi)隨機(jī)選取5個采樣點(diǎn)，每個采樣點(diǎn)收集不少于10株小麥。采樣后將各采樣點(diǎn)小麥植株剪切為等高的三段，由上到下分別為上層、中層和下層，對各層植株進(jìn)行稱重后洗脫并測定洗脫液吸光值，

根據(jù)式（2）計(jì)算各層植株上的沉積量Vs，并基于各層植株高度計(jì)算單位高度上的藥液沉積量d（式3）。

Vs=Vw×FLsN×FLa×103（2）

d=Vsl（3）

式中Vs為靶標(biāo)沉積量，μL;Vw為洗脫液體積，mL;FLs為洗脫液吸光值;FLa為噴霧液稀釋液的吸光值;N為噴霧液的稀釋倍數(shù);d為單位高度沉積量，μL/cm;l為植株各層的高度，cm。

2 結(jié)果與分析

2.1 霧滴飄移測試結(jié)果

圖5顯示使用標(biāo)準(zhǔn)扇形霧噴頭ST11002時常規(guī)噴桿噴霧機(jī)與推撥噴桿噴霧機(jī)在不同距離下的霧滴飄移量。ST110型噴頭作為目前噴桿噴霧機(jī)使用最為廣泛的標(biāo)準(zhǔn)扇形霧噴頭之一，使用該類型噴頭的霧滴飄移量能夠極大程度上反應(yīng)噴桿噴霧機(jī)作業(yè)時噴霧霧滴的飄移情況，由圖5可知霧滴的飄移量隨著距離的增加均呈減少趨勢且在各距離下常規(guī)噴桿噴霧機(jī)的霧滴飄移量均大于推撥噴桿噴霧機(jī)，結(jié)果表明在噴桿噴霧機(jī)上加裝的該推撥裝置可有效減少霧滴的飄移，從而改善霧滴沉積的靶向性。

圖6顯示使用射流噴頭IDK12002時常規(guī)噴桿噴霧機(jī)與推撥噴桿噴霧機(jī)在不同距離下的霧滴飄移量。IDK型噴頭又名空氣誘導(dǎo)型扇形噴頭，與常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)扇形霧噴頭相比，IDK型噴頭內(nèi)部包含由噴射器與進(jìn)氣口形成的文丘里結(jié)構(gòu)[20]，因而提前了IDK12002噴頭噴霧液膜的霧化過程并增大了其霧滴粒徑。在0.3 MPa噴霧壓力下IDK12002的霧滴粒體積中值中徑約為350 μm，遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)扇形霧噴頭ST11002約為170 μm的粒徑[21]，因此IDK型噴頭具有較好的防飄移效果常被用于噴桿噴霧機(jī)噴施除草劑與植物生長調(diào)節(jié)劑。由于IDK120型噴頭具有防飄移作用，因此圖6所顯示的使用該噴頭的常規(guī)噴桿噴霧機(jī)與推撥噴桿噴霧機(jī)在不同距離下的霧滴飄移量并沒有明顯的差異。

為更為直觀地對該推撥裝置的防飄效果進(jìn)行定量，分別計(jì)算使用兩種噴頭時常規(guī)噴桿噴霧機(jī)與推撥噴桿噴霧機(jī)的飄移潛力，并以常規(guī)噴桿噴霧機(jī)的飄移潛力為基準(zhǔn)計(jì)算使用兩種噴頭時推撥噴桿噴霧機(jī)的減飄率。表1顯示使用兩種噴頭時常規(guī)噴桿噴霧機(jī)與推撥噴桿噴霧機(jī)的霧滴飄移潛力與減飄率，結(jié)果顯示使用標(biāo)準(zhǔn)扇形霧噴頭ST11002時常規(guī)噴桿噴霧機(jī)的飄移潛力為39.7%，增加推撥裝置的噴桿噴霧機(jī)的飄移潛力為16.3%;使用射流噴頭IDK12002時常規(guī)噴桿噴霧機(jī)的飄移潛力為14.3%，增加推撥裝置的噴桿噴霧機(jī)的飄移潛力為12.9%。減飄率的結(jié)果顯示當(dāng)使用標(biāo)準(zhǔn)扇形ST11002噴頭時推撥裝置的減飄率可達(dá)59.0%，使用射流噴頭IDK12002時推撥裝置的減飄率為9.5%。以上結(jié)果表明：在噴桿噴霧機(jī)上加裝該推撥裝置可以有效減少傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)扇形霧噴頭作業(yè)時霧滴的飄移;而該裝置對防飄噴頭的減飄效果有所下降，但該裝置在一定程度上能夠進(jìn)一步降低防飄噴頭的霧滴飄移。

2.2 霧滴田間沉積結(jié)果

圖7為使用標(biāo)準(zhǔn)扇形噴頭ST11002時常規(guī)噴桿噴霧機(jī)與推撥噴桿噴霧機(jī)施藥在小麥上的沉積結(jié)果。常規(guī)噴桿噴霧機(jī)在小麥植株上、中、下層的沉積量分別為7.94、2.93 μL/cm和3.44 μL/cm;而增加推撥裝置的噴桿噴霧機(jī)在小麥植株上、中、下層的沉積量分別為9.03、3.53 μL/cm和4.33 μL/cm。與常規(guī)噴桿噴霧機(jī)相比，加裝推撥裝置后霧滴在小麥植株上、中、下三層的沉積量分別增加了13.7%、20.5%和25.8%，藥液在小麥植株上的總沉積量增加了18.0%。這一結(jié)果表明該推撥裝置可以有效提高農(nóng)藥霧滴的有效利用率，而增加的這部分霧滴的有效利用率主要來源于推撥裝置的防飄作用。

圖8為使用射流噴頭IDK12002時常規(guī)噴桿噴霧機(jī)與推撥噴桿噴霧機(jī)施藥在小麥上的沉積結(jié)果。常規(guī)噴桿噴霧機(jī)在小麥植株上、中、下層的沉積量分別為7.14、4.33 μL/cm和3.08 μL/cm;而增加推撥裝置的噴桿噴霧機(jī)在小麥植株上、中、下層的沉積量分別為7.39、4.99 μL/cm和3.42 μL/cm。與常規(guī)噴桿噴霧機(jī)相比，加裝推撥裝置后霧滴在小麥植株上、中、下三層的沉積量分別增加了3.5%、15.2%和11.0%，藥液在小麥植株上的總沉積量增加了8.6%。與使用標(biāo)準(zhǔn)扇形噴頭ST11002的沉積結(jié)果相對比發(fā)現(xiàn)，射流噴頭IDK12002對提高農(nóng)藥霧滴有效利用率的作用效果有所下降，這是由于IDK12002噴頭具備防飄作用弱化了該推撥裝置的作用效果，這一結(jié)果與霧滴的飄移測試結(jié)果相一致，這也進(jìn)一步說明了該推撥裝置可以改變噴頭周圍的氣流運(yùn)動而起到減飄的作用。

農(nóng)藥霧滴的有效沉積率是病蟲害有效防治的前提，而防治效果的好壞與藥液在植株上的沉積分布均勻效果有直接的關(guān)系。為驗(yàn)證該推撥裝置對霧滴在小麥植株冠層中下部位的沉積效果，引入變異系數(shù)作為霧滴在植株冠層各層沉積分布均勻性的評價指標(biāo)，變異系數(shù)越小說明霧滴在各層的沉積均勻性越好。表2為使用兩種噴頭時常規(guī)噴桿噴霧機(jī)和推撥噴桿噴霧機(jī)在小麥植株冠層上沉積量的變異系數(shù)結(jié)果，結(jié)果顯示加裝推撥裝置可使標(biāo)準(zhǔn)扇形噴頭ST11002沉積量的變異系數(shù)由57.8%降低到52.4%，IDK12002沉積量的變異系數(shù)由43.8%降低到38.7%，由此可知推撥裝置促進(jìn)了霧滴向小麥植株中下層部分的沉積，提高了霧滴在植株上、中、下層沉積分布的均勻性，更有利于植株中下部位病蟲害的防治效果。

3 結(jié)論與討論

噴桿噴霧機(jī)是目前我國大田糧食作物病蟲草害防治最為有效的施藥機(jī)具，但其噴霧霧滴的飄移和在作物冠層中下部穿透效果在一定程度上降低了農(nóng)藥的有效利用率和沉積分布效果。為改善噴桿噴霧機(jī)噴霧霧滴在作物冠層的穿透性并降低農(nóng)藥的飄移量，優(yōu)化設(shè)計(jì)了該噴桿噴霧機(jī)冠層推撥裝置。

分別使用兩種噴頭（標(biāo)準(zhǔn)扇形霧噴頭ST11002、射流噴頭IDK12002）對該冠層推撥裝置的減飄性和在小麥上的沉積特性進(jìn)行了對比試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明該冠層推撥裝置可降低噴桿噴霧機(jī)施藥作業(yè)時農(nóng)藥霧滴的飄移量，且該冠層推撥裝置對標(biāo)準(zhǔn)扇形霧噴頭ST11002的減飄效果強(qiáng)于具有防飄效果的射流噴頭IDK12002，其減飄效果分別為59.0%和9.5%;同時該冠層推撥裝置還可以提高農(nóng)藥霧滴的有效沉積率和霧滴在小麥植株上沉積的均勻性，當(dāng)噴桿噴霧機(jī)使用標(biāo)準(zhǔn)扇形霧噴頭ST11002時可提高18.0%的藥液沉積率，使用射流噴頭IDK12002時可增加8.6%的藥液利用率。

農(nóng)藥利用率是衡量施藥水平的重要指標(biāo)，也是評價農(nóng)藥減量增效的重要指標(biāo)。施藥器械是影響農(nóng)藥綜合利用率的主要影響因素，為提高農(nóng)藥的有效利用率國內(nèi)外先后研發(fā)了多種先進(jìn)的施藥機(jī)具，如對靶噴霧機(jī)、仿形噴霧機(jī)、變量噴霧機(jī)和靜電噴霧機(jī)等，但這些新型的施藥機(jī)具往往成本較高，極大程度地限制了其應(yīng)用推廣。本文中所優(yōu)化設(shè)計(jì)的冠層推撥裝置成本較低，易于在目前廣泛使用的噴桿噴霧機(jī)上進(jìn)行改裝，同時具有減少飄失、提高農(nóng)藥利用率和霧滴穿透性等多重效果，為促進(jìn)我國農(nóng)藥使用零增長具有較好的推廣價值。

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（責(zé)任編輯：田 喆）