背負(fù)式靜電噴霧機(jī)噴霧沉積性能試驗(yàn)研究

李宇飛，胡軍，劉崇林，張偉

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院，大慶 163319）

靜電噴霧近年來被廣泛應(yīng)用植物保護(hù)領(lǐng)域。藥液霧滴荷電后，在電場力作用下，霧滴命中率顯著地提高；覆蓋均勻，沉降速度快，在作物上的附著量增大，特別是增強(qiáng)了作物下部和葉背的附著能力；與常規(guī)噴霧技術(shù)相比，農(nóng)藥利用率提高了20%～30%，減少了霧滴漂移損失和農(nóng)藥對環(huán)境的污染，可以用較低的施藥量達(dá)到防治病蟲草害的目的。

1 靜電噴霧技術(shù)應(yīng)用研究現(xiàn)狀

1.1 國外研究現(xiàn)狀

國外對于靜電噴霧技術(shù)的研究較早，靜電噴霧技術(shù)應(yīng)用相對成熟，已具備較強(qiáng)的專利技術(shù)儲備。自20 世紀(jì)70 年代中期，以美國為代表的發(fā)達(dá)國家，開始大量將此項(xiàng)技術(shù)轉(zhuǎn)化應(yīng)用[1-3]。美國喬治亞大學(xué)Law 研制了嵌入式靜電感應(yīng)噴頭，并用于大田作物的防治，取得了較好的效果。除此之外還研制了自動高速靜電噴霧機(jī)、離心式靜電噴霧機(jī)[4-5]。美國ESS 公司在Law 研制的噴頭基礎(chǔ)上經(jīng)過研究改進(jìn)，成功研制了氣流輔助式靜電感應(yīng)噴頭，應(yīng)用該噴頭的植保機(jī)具現(xiàn)已商品化生產(chǎn)，該類植保機(jī)具可廣泛應(yīng)用于大田作物、溫室、果園等植保作業(yè)[6-8]。德國也曾對背負(fù)式噴霧機(jī)、手持式轉(zhuǎn)盤噴霧器、噴煙機(jī)等用不同的充電方式進(jìn)行了大量的靜電噴霧性能試驗(yàn)研究。日本在實(shí)驗(yàn)室中對電暈式靜電噴霧噴槍、接觸式微型錐孔旋轉(zhuǎn)靜電噴頭、接觸式彌霧靜電噴頭和常溫?zé)熿F式靜電噴霧機(jī)做了靜電噴霧特性試驗(yàn)研究，從霧滴帶電后的總附著量、附著密度和葉片背面的附著量等多角度檢測靜電噴霧效果；千葉大學(xué)還試制了雙流體靜電噴頭[9-11]。試驗(yàn)表明：該噴頭所噴出霧滴荷質(zhì)比隨氣流壓力的增加呈現(xiàn)遞增趨勢。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國對靜電噴霧技術(shù)的研究開始于20 世紀(jì)70年代末，相繼試制了手持式靜電噴霧器、手持電場擊碎式靜電噴霧器、高射程靜電噴霧車和風(fēng)動轉(zhuǎn)籠式靜電噴霧機(jī)，并在多種目標(biāo)物上進(jìn)行了大量噴霧性能和病蟲害防治效果的測定[12-16]。江蘇工學(xué)院對靜電噴霧理論及其測試技術(shù)進(jìn)行了研究，并進(jìn)行了樣機(jī)的試制。其研制的樣機(jī)和噴頭有：手持式靜電微量噴霧器、風(fēng)動轉(zhuǎn)籠式靜電噴頭、靜電擊碎式液力噴頭、氣流撞擊式靜電噴頭和雙轉(zhuǎn)盤式靜電噴頭[17-25]。他們與新疆農(nóng)機(jī)研究所聯(lián)合研制的靜電滅蝗車對新疆草原進(jìn)行了滅蝗試驗(yàn)，效果顯著[26-31]。中國農(nóng)業(yè)大學(xué)何雄奎研制的果園自動對靶靜電噴霧機(jī)可用于果園病蟲害的防治[32-34]。山西農(nóng)業(yè)大學(xué)的任蕙芳針對現(xiàn)有噴頭存在漏電、反向電離現(xiàn)象嚴(yán)重等問題設(shè)計(jì)了氣力式靜電噴頭，并對其噴霧效果進(jìn)行了試驗(yàn)研究[35-36]。

對比國內(nèi)外研究現(xiàn)狀后發(fā)現(xiàn)，目前我國的靜電噴霧技術(shù)研究逐漸深入，但在技術(shù)推廣和商品轉(zhuǎn)化上還需要一段時間，除此之外受我國地形復(fù)雜、地塊小而分散等問題的限制，在部分地區(qū)大型植保機(jī)具難以進(jìn)地作業(yè)，傳統(tǒng)背負(fù)式噴霧機(jī)依然作為植保作業(yè)環(huán)節(jié)中重要工具被繼續(xù)應(yīng)用[37-40]?？紤]到傳統(tǒng)背負(fù)式噴霧機(jī)噴霧均勻性差、防治效果不佳和短時間內(nèi)無法完全被替代的現(xiàn)實(shí)情況，國內(nèi)植保學(xué)者和噴霧機(jī)制造商試圖將靜電噴霧技術(shù)應(yīng)用于背負(fù)式噴霧機(jī)以減輕藥液飄移、減少用藥量、提升噴霧均勻度。從作業(yè)原理上看，應(yīng)用靜電噴霧技術(shù)能夠促進(jìn)霧滴的霧化和沉積，但由于各種作物表面性狀存在較大差異，且針對背負(fù)式靜電噴霧缺少細(xì)致分析和田間試驗(yàn)研究，導(dǎo)致人們對背負(fù)式靜電噴霧機(jī)作業(yè)效果還不夠明晰，因此開展背負(fù)式靜電噴霧沉積性能研究意義重大。

研究旨在通過對比靜電噴霧機(jī)和常規(guī)背負(fù)噴霧機(jī)實(shí)際作業(yè)效果，分析靜電噴霧的霧化沉積特點(diǎn)，并從沉積性角度，評估靜電噴霧的作業(yè)性能優(yōu)勢，并通過改變噴霧高度和噴頭型號等方式，找到最佳噴霧作業(yè)條件，為進(jìn)一步改進(jìn)靜電噴霧裝置和作業(yè)規(guī)程提供理論指導(dǎo)和數(shù)據(jù)支撐。

2 材料和方法

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)為田間試驗(yàn)，在試驗(yàn)進(jìn)行過程中應(yīng)準(zhǔn)確記錄當(dāng)?shù)乜諝鉁貪穸燃皩?shí)時風(fēng)速情況，所選用的試驗(yàn)材料為風(fēng)速儀、米尺、水敏紙、背負(fù)式靜電噴霧器、電動背負(fù)式噴霧器、掃描儀、計(jì)算機(jī)、自封袋、曲別針、光合營養(yǎng)液、自來水。主要試驗(yàn)材料及其具體用途如下表1。

表1 主要試驗(yàn)材料與用途Table 1 Main test materials and uses

試驗(yàn)同時選取背負(fù)式靜電噴霧機(jī)和普通電動背負(fù)式噴霧器進(jìn)行對比試驗(yàn)，其中靜電噴霧機(jī)由江蘇霧星靜電噴霧器工廠生產(chǎn)，其容量為16 L，噴霧壓力為0.15～0.4 Mpa。電池容量12 v/7 aH，額定噴幅2 m，公頃用水量45 L，流量12 L·h-1。試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集選取重慶六六山下公司生產(chǎn)的霧滴檢測專用水敏紙，配以愛普生V17 激光掃描儀進(jìn)行圖像掃描處理工作。

2.2 試驗(yàn)地點(diǎn)簡介

試驗(yàn)地點(diǎn)選擇在黑龍江省農(nóng)墾九三管理局尖山農(nóng)場進(jìn)行，該農(nóng)場始建于1949 年3 月，地處世界著名三大黑土帶之一的松嫩平原腹地，屬于寒溫帶大陸性季風(fēng)性氣候，是典型的旱地農(nóng)作物生產(chǎn)區(qū)。最高溫度36 ℃左右，最低溫度-38 ℃左右。年≥10 ℃積溫在2 000～2 300 ℃，無霜期115～120 d。年降雨量500～600 mm，多集中在7、8 月間。轄區(qū)土地面積400 km2，其中耕地 2.57 萬 hm2，林地 0.73 萬 hm2，草原 0.4 萬 hm2，水面 0.013 萬 hm2。農(nóng)場下轄 7 個農(nóng)業(yè)管理區(qū)和17 個企事業(yè)單位，總?cè)丝?.5 萬人，職工4 700 余人。尖山農(nóng)場是全國農(nóng)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化示范場和現(xiàn)代化大農(nóng)業(yè)示范區(qū)。主要農(nóng)作物有大豆、玉米、馬鈴薯等，經(jīng)濟(jì)作物包括中草藥、黑大豆、雙青豆、紅小豆、矮高粱等。

2.3 試驗(yàn)方案

為研究背負(fù)式靜電噴霧實(shí)際工作過程中的霧滴飄移和作物冠層穿透情況。試驗(yàn)分別設(shè)置了單壟作物穿透性試驗(yàn)行和多壟飄移試驗(yàn)檢測行。該種布點(diǎn)方式可一次完成兩個指標(biāo)的測試，試驗(yàn)噴施靶標(biāo)作物選取玉米、水稻、大豆等3 種作物分別進(jìn)行靜電與非靜電噴霧試驗(yàn)，噴施方案為：選擇非地頭相鄰兩壟為試驗(yàn)布點(diǎn)區(qū)域，按照風(fēng)向選擇試驗(yàn)行和飄移檢測行。試驗(yàn)行和飄移行壟作業(yè)長度均為30 m，按照每10 m 改變1 個噴霧高度進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)噴霧高度梯度為40、50、60 cm。試驗(yàn)布點(diǎn)位置情況如圖1 所示。試驗(yàn)行單株作物按照位置的不同，布點(diǎn)數(shù)為3，位置分別位于植株頂部葉片正面、株頂部葉片反面、下部冠層正面。分別為測量噴霧沉積均勻性和穿透性，飄移檢測行在株頂部葉片正面位置進(jìn)行布點(diǎn)，試驗(yàn)噴霧工作參數(shù)如下表2，作物冠層布點(diǎn)方式如圖2 所示。

圖1 布點(diǎn)區(qū)域位置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the layout area

表2 試驗(yàn)噴霧工作參數(shù)Table 2 Test spray working parameters

圖2 作物冠層布點(diǎn)示意圖Fig.2 Schematic diagram of crop canopy layout

2.4 數(shù)據(jù)處理

氣象數(shù)據(jù)：在試驗(yàn)進(jìn)行中利用手持式小型風(fēng)速儀和溫濕度測量儀對場地內(nèi)的實(shí)時側(cè)風(fēng)風(fēng)速、空氣溫濕度進(jìn)行測量。為降低外界環(huán)境對噴霧試驗(yàn)的干擾，三個作物的噴霧試驗(yàn)同步進(jìn)行，試驗(yàn)安排緊湊，空氣溫濕度保持在同一水平范圍內(nèi)，溫濕度測量值取平均值，平均溫度21.2 ℃，平均濕度72.5%。測量實(shí)時風(fēng)速為1.1～2.6 m·s-1，并注意風(fēng)向，以確定霧滴飄移檢測行的位置，正確布置霧滴采樣點(diǎn)。

水敏紙霧滴數(shù)據(jù)處理：將晾干的水敏紙按照編號順序收集到自封袋中，帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行圖像掃描，將掃描后的圖像輸入軟件中處理，可得到各采樣點(diǎn)的霧滴粒徑和平均沉積量。在此過程中可根據(jù)霧滴沉積量的變異系數(shù)CV 值來評價霧滴沉積均勻性。

圖3 作物冠層實(shí)地布點(diǎn)圖Fig.3 Field map of crop canopy

式中：

S—同一次采集樣本標(biāo)準(zhǔn)差；

Xi—各采樣點(diǎn)霧滴沉積量，μL·cm-2；

N—各次采樣點(diǎn)數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 霧滴沉積均勻性對比分析

對幾次試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集匯總，得到如下表3信息匯總表，為簡化記錄和統(tǒng)計(jì)霧化指標(biāo)變化量，分別將大豆、玉米、水稻分別用字母A、B、C 代替。靜電噴霧則用+號表示。由表中數(shù)據(jù)可以分析得出由于作物種類的差異以及外界自然側(cè)風(fēng)的實(shí)時變化，不同作物的表面冠層沉積變異系數(shù)存在一定差異，但變化趨勢趨于一致，即在噴霧高度40～60 cm 的范圍內(nèi)，霧滴沉積均勻度呈現(xiàn)先增大后下降的變化。

對比靜電噴霧與非靜電噴霧在相同條件下，靜電噴霧的霧滴沉積均勻度變異系數(shù)普遍減少15%左右，除此之外加入靜電后的噴霧作業(yè)質(zhì)量明顯受噴霧高度和自然環(huán)境的影響更小。證明了使用靜電噴霧機(jī)不但能夠提高噴霧均勻性，還能夠在一定程度上擴(kuò)大作業(yè)指標(biāo)的合理范圍，提高作業(yè)寬容度，減輕用戶勞動強(qiáng)度，最終提高生產(chǎn)率。

表3 霧滴采集信息匯總表Table 3 Summary of mist collection information

3.2 霧滴穿透性對比分析

試驗(yàn)過程中，通過對霧滴在葉片背面和冠層下部附著情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以此為根據(jù)，對比靜電噴霧和普通噴霧在穿透性方面的區(qū)別，以霧滴在大豆上層葉片反面和下層正面的附著情況為例，將收集的水敏試紙進(jìn)行編號、掃描、圖像后處理得到如下圖4 的霧滴沉積痕跡圖，通過圖中霧滴在水敏紙上留下的沉積痕跡，經(jīng)過計(jì)算機(jī)軟件圖像處理和霧滴尺寸及分布的自動計(jì)算，可以得出兩種噴霧機(jī)所噴出的霧滴數(shù)據(jù)特征。

圖4 霧滴沉積痕跡圖Fig.4 Traces of mist droplet deposition

根據(jù)軟件掃描結(jié)果顯示，采用常規(guī)噴霧方式葉片的背面很難附著上霧滴，而靜電噴霧相比與常規(guī)噴霧，霧滴在作物葉片背面的沉積密度和沉積量分別提升6.1 倍和27 倍，可有效提升藥液在植物葉片背面的附著量。在作物冠層下層的沉積量方面，常規(guī)噴霧由于霧滴粒徑更大，霧滴運(yùn)動慣性較大，更有利于穿透作物冠層表面沉積在植株的下層，但通過分析圖像可知，沉積在冠層下部的霧滴粒徑較大且受上層葉片阻擋等因素的影響，存在分布不均的問題，由于作物葉片表面存在蠟質(zhì)層的作物，霧滴會聚集呈流向地表流失，造成農(nóng)藥浪費(fèi)。

表4 噴霧穿透性掃描數(shù)據(jù)對比表Table 4 Comparison table of spray penetration scan data

3.3 霧滴飄移分析

為對比靜電噴霧與普通噴霧在飄移性方面的區(qū)別，噴霧高度調(diào)整按照40、50、60 cm 的梯度按順序進(jìn)行，根據(jù)風(fēng)向的變化選擇在與試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)行相鄰的壟上作物布置水敏紙，并對試驗(yàn)水敏紙進(jìn)行編號、整理、掃描、圖像后處理等到霧滴飄移數(shù)據(jù)。

對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集匯總，得到如下表5 信息匯總表，為簡化記錄和統(tǒng)計(jì)霧化指標(biāo)變化量，考慮到在其他條件保持不變的情況下，作物種類不會影響霧滴飄移數(shù)據(jù)，因此將大豆作為飄移試驗(yàn)的主要目標(biāo)作物進(jìn)行分析。表中靜電噴霧則用+號表示。噴霧高度分別記錄為40、50、60 cm。

從霧滴飄移數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果來看，在噴霧高度相同的情況下，運(yùn)用背負(fù)式靜電噴霧機(jī)可平均降低霧滴飄移量41.5%，霧滴粒徑平均降低51.6%，以下圖噴霧高度50 cm 噴霧霧滴飄移沉積痕跡圖為例，可明顯發(fā)現(xiàn)使用靜電噴霧技術(shù)，飄移霧滴粒徑更小，藥液飄移量更低。

表5 霧滴飄移信息采集匯總表Table 5 Summary of mist droplet drift information collection

在噴霧高度不同的條件下，隨噴霧高度的上升，兩種噴霧方式的霧滴飄移量均增加。為更加明確噴霧高度對噴霧質(zhì)量的影響，在背負(fù)式噴霧機(jī)常規(guī)噴霧高度40～60 cm 范圍內(nèi)，采用分段形式進(jìn)行分析，第一階段為40～50 cm，霧滴的體積中徑、飄移沉積量受噴霧高度影響的程度不明顯，兩種噴霧機(jī)所噴霧滴體積中徑絕對變化量分別為11.8%和11.4%，飄移沉積量絕對變化量分別為4.6%和8.7%。而50～60 cm，霧滴的體積中徑、飄移沉積量受噴霧高度影響的程度較大，兩種噴霧機(jī)所噴霧滴體積中徑絕對變化量分別為17.5%和20.2%，飄移沉積量絕對變化量分別為40.7%和48.9%，變化趨勢一致，均隨噴霧高度的上升，霧滴飄移量和霧滴體積中徑增大。

根據(jù)上述結(jié)果分析得出，無論是背負(fù)式靜電噴霧機(jī)還是普通背負(fù)式噴霧機(jī)，噴霧飄移沉積量均會受到噴霧高度的影響，但影響程度并不相同，因此綜合考慮霧化效果和有效沉積，背負(fù)式靜電噴霧機(jī)最佳噴霧高度在50 cm 左右。

圖5 大豆50 cm 噴霧霧滴飄移沉積痕跡圖Fig.5 Traces of drift deposition of soybean 50 cm spray mist droplets

4 結(jié)論與展望

4.1 結(jié)論

研究圍繞背負(fù)式靜電噴霧機(jī)噴霧沉積性能開展試驗(yàn)研究，通過對比靜電噴霧機(jī)與普通噴霧機(jī)的噴霧均勻性、霧滴作物冠層穿透性、霧滴飄移性等噴霧沉積性能參數(shù)，分析得出靜電噴霧技術(shù)的優(yōu)勢和特點(diǎn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，背負(fù)式靜電噴霧器的合適噴霧高度在50 cm 左右，過高會降低藥液的有效沉積量，而過低會降低霧滴的沉積均勻性，相較于普通噴霧器，使用靜電噴霧機(jī)能夠提高霧滴沉積均勻度15%左右，而霧滴在作物葉片背面的沉積密度和沉積量分別提升6.1 倍和27 倍，證明了背負(fù)式靜電可噴霧器可有效提升藥液在植物葉片背面的附著量。增加藥液在植物葉片背面的沉積幾率，除此之外，靜電噴霧的霧滴飄移量更小，可平均降低霧滴飄移量41.5%，霧滴粒徑平均降低51.6%，從這方面看，使用靜電噴霧器可相應(yīng)減少農(nóng)藥的使用量，不但降低了種植成本更有利于對環(huán)境的保護(hù)，降低藥害的發(fā)生概率。

4.2 展望

目前背負(fù)式靜電噴霧機(jī)已逐漸得到人們的關(guān)注，但在試驗(yàn)和推廣中發(fā)現(xiàn)還存在兩方面的不足，一是機(jī)具本身的噴霧穿透能力不足，由于靜電噴霧機(jī)產(chǎn)生的霧滴粒徑較小，造成霧滴運(yùn)動沉積過程中動能較低，較難穿透作物葉片重疊區(qū)域，造成穿透能力下降。因此，下一步研究還應(yīng)對背負(fù)式靜電噴霧機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過增加葉片擾動裝置、加裝集成式風(fēng)助系統(tǒng)、以及加入專用噴霧助劑等方式，提高靜電霧滴在作物冠層下部的沉積量，以充分發(fā)揮靜電噴霧技術(shù)的能力。二是機(jī)具價格較高，靜電噴霧機(jī)相較于普通壓力式噴霧機(jī)貴大約4 倍，比普通電動噴霧機(jī)貴2 倍，因此在推廣過程中存在一定難度，要解決這一問題首先應(yīng)提高使用者對新技術(shù)的認(rèn)識程度，做好推廣示范工作，除此之外也應(yīng)對機(jī)具本身設(shè)計(jì)不斷創(chuàng)新，以更高的質(zhì)量和更低的使用成本滿足使用者的實(shí)際需求。