靜電噴霧對農(nóng)藥飄移及沉積分布的影響

貢常委，劉 越，馬 鈺，3，詹小旭，周增梅，朱新成，王學貴*

（1.四川農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院/無公害農(nóng)藥研究實驗室，成都 611130；2.安陽全豐生物科技有限公司/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部航空植保重點實驗室，河南安陽 455000；3.甘肅省隴南市經(jīng)濟作物技術推廣總站，甘肅隴南 746000；4.四川省筠連縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，四川宜賓 645250；5.成都綠金高新技術股份有限公司，成都 610023）

近年來，伴隨植保無人飛機等新型植保器械的快速發(fā)展，我國水稻、玉米和小麥等三大糧食作物的農(nóng)藥利用率逐年提高，2020年農(nóng)藥利用率達40.6%，比2013年提升了6個百分點，但與發(fā)達國家相比，仍有很大的進步空間[1]。王明等[2]比較了3種植保無人機(單旋翼油動、單旋翼電動和六旋翼電動)和3種傳統(tǒng)施藥器械（擔架式動力噴霧機、背負式手動噴霧器和背負式電動噴霧器）在防控茶園小綠葉蟬的效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，植保無人機噴霧的農(nóng)藥沉積量（0.57～0.70 μg/cm2）和利用率（49.3%～58.2%）均高于3種傳統(tǒng)施藥器械的。對于植保無人飛機，受氣流等的影響，藥液的有效沉積對農(nóng)藥利用率的提升至關重要，也是評價其噴霧質(zhì)量的重要指標。農(nóng)藥霧化后形成的霧滴在靶標作物上的沉積是一個復雜的動態(tài)過程，不僅受作物表面微觀結(jié)構的影響，還與霧化特性等因素顯著相關[3]。比如小霧滴所占總量的百分比減小和霧滴粒徑增大均能顯著降低藥液的飄移量，然而大霧滴具有更高動能，到達靶標生物界面時更易發(fā)生高能碰撞，更大概率產(chǎn)生碎裂飛濺或是彈回地面[4]，這一矛盾可以通過靜電噴霧技術緩解，因為它具有使沉積特性良好和飄移損失較小等特性[5]。目前國內(nèi)市場流行的植保無人機動力來源多為電動式，盧佳節(jié)[6]通過改進植保無人機噴霧系統(tǒng)，利用高壓靜電發(fā)生器和適配器，成功將靜電噴霧系統(tǒng)應用在植保無人機上。噴嘴作為植保無人飛機核心組件，是影響噴霧質(zhì)量的關鍵因素。本文利用高壓靜電發(fā)生器感應充電達到靜電噴霧效果，然后比較靜電噴霧和非靜電噴霧對霧滴粒徑特征、霧滴表面張力、接觸角、靶標沉積量和飄移沉積量的影響，評價靜電噴霧技術在植保無人飛機防控病蟲害的應用潛力，為農(nóng)藥減施增效奠定基礎。

靜電噴霧是利用電暈、感應和接觸等[7]充電方式使霧滴帶靜電，靜電霧滴下定向運動并被吸附到作物葉片上。近幾年靜電噴霧已經(jīng)在植物保護領域得到了一定的應用，因為它不僅提高農(nóng)藥的有效沉積，還能減少農(nóng)藥飄移及對土壤微生物和環(huán)境的污染[8]。余泳昌等[9]采用組合充電式靜電噴霧裝置改進手動噴霧噴霧器YS-18，發(fā)現(xiàn)靜電噴霧的霧滴譜較窄，農(nóng)藥有效沉積量顯著增加。最早將靜電噴霧技術應用于農(nóng)業(yè)航空領域是美國農(nóng)業(yè)部J.B.Calton和D.A.Isler，他們在20世紀60年代研制出了一種利用高壓充電環(huán)給霧滴充電的電動旋轉(zhuǎn)式噴嘴[10]，相對來說我國在農(nóng)業(yè)航空靜電噴霧領域的研究起步比較晚。茹煜等[11]對XY8D型無人機進行了靜電噴霧系統(tǒng)整體設計，發(fā)現(xiàn)靜電噴霧能夠增加在靶標冠層，中層和下層的霧滴覆蓋率及藥液沉積量。霧滴荷質(zhì)比的優(yōu)化在靜電噴霧技術研究中始終處于關鍵地位[12]，王亞濤等[13]利用感應式荷電的原理對多旋翼植保無人機設計了靜電噴霧系統(tǒng)，得到最佳荷質(zhì)比的噴霧霧滴。

本文采用麥拉片和相片紙在風洞中收集不同噴霧方式的地面飄移量[14]，D.B.Smith等[15]采用麥拉片分別在田間和風洞中收集地面飄移沉積量，得到了體積中徑D50、ΦVol<150μm、風速和噴嘴高度等參數(shù)是影響噴霧飄移的關鍵因素；擬采用鉑金環(huán)法[16]和座滴法[17]分別評測靜電噴霧和非靜電噴霧霧滴的表面張力和接觸角；以期為靜電噴霧技術在植保無人飛機防控水稻田病蟲草害的推廣應用提供理論基礎。通過比較靜電噴霧和非靜電噴霧的霧滴粒徑特征和霧滴理化性質(zhì)，明確荷電特性對噴嘴霧化性能、飄移沉積和藥液沉積的影響，為靜電噴霧技術在農(nóng)業(yè)航空領域的應用提供助力。

1 材料和方法

1.1 試驗材料和測試平臺

本研究測試的噴嘴為北京科豐佳華噴霧系統(tǒng)公司生產(chǎn)的靜電噴嘴，由噴嘴和高壓靜電發(fā)生器[10]（輸出電壓為10～20 kV，功率為小于4 W，輸入電壓為12 V直流電壓）組成，它利用感應式帶電荷模式，在高壓靜電發(fā)生器作用下使霧滴擁有電荷；噴嘴類型為實心錐80°，輸入電壓由12 V蓄電池（天威6-FM-8，12V8AH/20HR）提供。

霧滴測試平臺為安陽全豐航空植?？萍脊煞萦邢薰咎峁?，包括噴霧系統(tǒng)、粒徑測試系統(tǒng)，噴霧系統(tǒng)實現(xiàn)藥液在不同工作壓力下的供給和噴灑；粒徑測試系統(tǒng)由激光粒度儀采集系統(tǒng)（DP-2，珠海歐美克儀器有限公司）和計算機。

風洞測試平臺為安陽全豐生物科技有限公司構建，該風洞長7.5 m，寬、高各1 m的方形風洞，進風一頭由梳風柵引導風向，另一頭有一個直徑為0.9 m的軸流式風扇，該風扇可在工作空間內(nèi)形成穩(wěn)定的單向0～8 m/s無級調(diào)節(jié)的風速；風速由風速儀測定后，在微機的屏幕上顯示風速值。

1.2 實驗試劑及溶液配制

實驗試劑：誘惑紅（上海源葉生物科技有限公司），25 g/L五氟磺草胺（penoxsulam）可分散油懸浮劑（稻杰，陶氏益農(nóng)農(nóng)業(yè)科技（江蘇）有限公司）。

配制質(zhì)量體積比為5 g/L的誘惑紅示蹤劑水溶液[18]。每升示蹤劑水溶液添加1.5 mL 25 g/L五氟磺草胺可分散油懸浮劑，作為待試溶液。

1.3 方法

1.3.1 不同噴霧方式霧滴粒徑特征

靜電噴嘴垂直安裝在測試區(qū)激光束上方2 m處，噴霧壓力為0.3 MPa；靜電發(fā)生器輸入端正負極分別連接蓄電池的正負極，輸出端的正極連接靜電噴嘴感應圈，輸出端的負極連接地板；選用的試液為待試溶液，控制靜電發(fā)生器與蓄電池的連接和斷開，比較分析靜電噴霧和非靜電噴霧的霧滴粒劑分布，并用玻璃燒杯分別收集靜電噴霧和非靜電噴霧溶液。用曲線圖表示霧滴粒徑分布狀況，并記錄D10、D50和D90的霧滴粒徑數(shù)值。霧滴累計分布為10%的霧滴直徑D10，即小于此霧滴直徑的霧粒體積占全部霧粒體積的10%；霧滴累計分布為50%的霧滴直徑D50，即小于此霧滴直徑的霧粒體積占全部霧粒體積50%，也稱為體積中徑。霧滴累計分布為90%的霧滴直徑D90；分布跨度S是霧滴粒徑分布寬度的一種度量，S=(D90－D10)/D50；尺寸小于150 μm的霧滴占全部霧粒體積的百分比ΦVol＜150μm[14]。

1.3.2 噴霧霧滴表面張力的測定

儀器為ZL-2型全自動表面張力儀（山東三普科森儀器有限公司）。使用鉑金環(huán)法，在溫度為(25.5±0.2)℃和濕度為(56.4±0.5)%（由RS-WS-N01-2C-*濕度變送器監(jiān)測，山東仁科測控技術有限公司）條件下，監(jiān)測時間范圍為0～180 s，比較靜電噴霧和非靜電噴霧溶液的表面張力。所有處理均設置為3次重復，重復之間的差異在1 mN/m以內(nèi)[16]。

1.3.3 噴霧霧滴與稗草葉片接觸角的測定

儀器為SD-100S接觸角儀（東莞市盛鼎精密儀器有限公司）。將高齡期稗草葉片用剪刀剪成1 cm×1 cm正方形，使用座滴法在溫度為(25.5±0.2)℃和濕度為(56.4±0.5)%環(huán)境下，比較靜電噴霧和非靜電噴霧溶液與稗草葉片的表面張力，所有處理均設置為3次重復[17]。

1.3.4 不同噴霧方式對飄移的影響

飄移試驗在風洞中進行，噴霧測試環(huán)境溫度為(25.5±0.2)°C，相對濕度為(56.4±0.5)%。靜電噴霧高度為0.9 m，風向垂直于扇形霧面。在離噴嘴下風向1、2和3 m處，在垂直于氣流方向的平面內(nèi)和風洞中線的交叉處布置霧滴收集器（5 cm×8 cm麥拉片和3 cm×8 cm相片紙），并在1 m處放置種植有兩葉期稗草的苗盤。如1.3.1中控制靜電噴嘴的噴霧方式，測試前首先按照ISO22369-2-2010測試規(guī)程及依據(jù)調(diào)節(jié)噴霧參數(shù)。測量在2 m/s風速和0.3 MPa壓力下不同噴霧方式的地面飄移沉積量和霧化性能，每個處理設置3次重復[19]。

1.3.5 噴霧方式對霧滴飄移沉積分布規(guī)律的影響

用掃描儀（EPSON,V600）掃描每個處理的相片紙，并做好標記；然后用霧滴分析軟件Depositscan分析不同噴霧方式及飄移距離對霧滴飄移沉積分布的影響[20]。

1.3.6 防飄移效果和靶標沉積量測定

準確稱取誘惑紅0.384 5 g于100 mL容量瓶，去離子水定容，即得3 845 mg/L誘惑紅母液，等梯度稀釋到384.5、192.3、96.1、48.1、24.0和12.0 mg/L誘惑紅標準溶液，而后用酶標儀于514 nm檢測其吸光值，獲取誘惑紅標準曲線（y=0.013 2x+0.035 6，R2=0.999 6）。

用5 mL去離子水經(jīng)超聲波洗脫器洗脫麥拉片和30株稗草的誘惑紅，用酶標儀(美谷分子儀器(上海)有限公司，型號CMax Plus)測定514 nm檢測其吸光值，根據(jù)誘惑紅標樣的“濃度-吸光值”標準曲線可計算出洗脫液中誘惑紅的沉積量，實現(xiàn)精確測定藥液在單位面積上的沉積[21]。

防飄移效果參考行業(yè)標準《MH_T1050-2012飛機噴霧飄移現(xiàn)場測量方法》和盧佳節(jié)[6]關于飄移率的公式，試驗防飄移效果RT的公式為：

pvC：非靜電噴霧在不同飄移距離飄移量；pvT：靜電噴霧在不同飄移距離飄移量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

通過SPSS 17.0版軟件包的方差分析（ANOVA）和Tukey's檢驗進行多重比較（P<0.05），比較不同噴霧方式沉積霧滴S值、ΦVol＜150μm、D50、抗飄移效果、表面張力和接觸角（P<0.05），并由Sigmaplot 12.5繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 荷電特性對霧滴粒徑特征的影響

在噴霧壓力為0.3 MPa下比較分析靜電噴霧和非靜電噴霧的粒劑特征，體積中徑D50，ΦVol＜150μm及分布跨度S結(jié)果詳見表1和圖1。相對非靜電噴霧，靜電噴霧的D50增大（從150.847 μm增加到 154.567 μm），D90減?。◤?237.443 μm 減少到223.993 μm），但他們的差異均不顯著；分布跨度S顯著降低（從0.973降低到0.832）；ΦVol＜150μm同樣降低（從47.647降低到44.493），但差異不顯著。靜電噴霧和非靜電噴霧的霧滴粒徑峰值均在176.4 μm，但靜電噴霧的微分(22.95±0.83)%高于非靜電噴霧的(21.03±0.83)%；且靜電噴霧峰值附近粒徑的微分均高于非靜電噴霧，而在兩側(cè)粒徑微分均低于非靜電噴霧，如靜電噴霧粒徑為147.58 μm的微分(18.09±0.83)%高于非靜電噴霧的(17.64±0.58)%，粒徑為430.36 μm的微分(0.11±0.08)%低于非靜電噴霧的(0.45±0.21)%。

圖1 靜電噴霧和非靜電噴霧的霧滴粒劑分布規(guī)律Figure 1 Distribution of droplet diameter of electrostatic spray and non-electrostatic spray

表1 靜電噴霧和非靜電噴霧的霧滴粒劑特征比較Table 1 Comparison of spray atomization performance of electrostatic spray and non-electrostatic spray

2.2 荷電特性對霧滴表面張力及其與稗草葉片間的接觸角的影響

如表2所示，靜電噴霧霧滴的表面張力（40.8 mN/m）顯著低于非靜電噴霧的（58.9 mN/m）；采用座滴法測量霧滴與稗草葉片的接觸角（圖2），相比于非靜電噴霧霧滴，靜電噴霧霧滴與葉片在200、400和600 ms的接觸角，分別從83.403°顯著地降低到57.714°，從83.318°顯著地降低到49.737°，從78.044°顯著地降低到44.026°。

表2 靜電噴霧和非靜電噴霧霧滴理化性質(zhì)比較Table 2 Comparison of the physical and chemical properties of electrostatic spray and non-electrostatic spray droplets

圖2 靜電噴霧和非靜電噴霧的霧滴與稗草葉片在200、400和600 ms的接觸角Figure 2 The contact angle between the rice leaf and the droplet of electrostatic spray and non-electrostatic spray at 200,400,600 milliseconds

2.3 荷電特性對霧滴飄移沉積分布規(guī)律的影響

掃描相片紙（圖3）后，使用Depositscan分析軟件比較靜電噴霧和非靜電噴霧的飄移沉積規(guī)律（表3），發(fā)現(xiàn)在相同噴霧量的情況下，非靜電噴霧霧滴的體積 中 徑D50（547.111 μm）高 于 靜 電 噴 霧 的（456.333 μm），且差異顯著；非靜電噴霧霧滴的分布跨度S（1.457）也高于靜電噴霧的S（1.186），差異不顯著；同樣，非靜電噴霧霧滴的覆蓋率（32.174%）和飄移量（2.794 μL/cm2）均高于靜電噴霧的（29.523%和2.201 μL/cm2），它們之間的差異卻不顯著；但非靜電噴霧霧滴的密度（106.844個/cm2）低于靜電噴霧的（116.222個/cm2），差異不顯著。洗脫麥拉片后，測定了不同噴霧方式沉積到麥拉片上的誘惑量，非靜電噴霧的沉積量（0.121 μg）高于靜電噴霧的（0.120 μg）。

圖3 不同噴霧方式在不同飄移距離的沉積霧滴性能參數(shù)Figure 3 Performance parameters of deposition droplets with different spray methods at different drift distances

表3 靜電噴霧和非靜電噴霧飄移沉積霧滴粒徑及飄移沉積量比較Table 3 Comparison of the droplet size and drift deposition amount of electrostatic spray and non-electrostatic spray droplets

比較噴霧霧滴在不同飄移距離的沉積規(guī)律（表4），發(fā)現(xiàn)飄移距離為1 m的霧滴體積中徑D50（622.000 μm）和飄移量（3.278 μL/cm2）均顯著高于 3 m 的（420.667 μm 和1.898 μL/cm2），2 m的霧滴體積中徑D50（462.500 μm）顯著高于3 m的，但2 m的飄移量（2.316 μL/cm2）和3 m的差異不顯著；飄移距離為1 m的霧滴分布跨度S（1.595）和覆蓋率（34.418%）均高于2 m的（1.245和31.148%）和3 m的（1.150和26.980%），差異不顯著；但飄移距離為2 m的霧滴密度（128.288個/cm2）均高于1 m的（90.267個/cm2）和3 m的（116.050個/cm2），差異不顯著。洗脫麥拉片后，測定了不同飄移距離沉積到麥拉片上的誘惑量，飄移距離為2 m的沉積量（0.139 μg）均高于1 m的（0.138 μg），但差異不顯著，它們均顯著高于3 m的（0.086 μg）。

表4 噴霧霧滴在不同飄移距離的沉積霧滴粒徑及飄移沉積量比較Table 4 Comparison of the droplet size and drift deposition amount of spray droplets at different distances

2.4 荷電特性對霧滴防飄移及靶標沉積的影響

洗脫稗草葉片和麥拉片后，測定了靜電噴霧和非靜電噴霧靶標沉積量和飄移量。結(jié)果發(fā)現(xiàn)（圖4），相對于非靜電噴霧，靜電噴霧顯著地增加了靶標沉積量（F1,4=24.448,P=0.001），從0.049 6增加到0.073 4 g，但兩者間的防飄移效果不顯著（F1,4=0.022,P=0.890），在-0.925%～0.000%之間。

圖4 不同噴霧方式對靶標沉積量和防飄移效果的影響Figure 4 The influence of different spray methods on target deposition and anti-drift effect

3 討論

靜電噴霧使藥液帶與電場相同的電荷，在電場力和表面張力共同作用下，大霧滴破碎為較小的霧滴，霧滴均勻性增加[22]。許晏銘等[23]研究發(fā)現(xiàn)在一定的電壓范圍內(nèi)，隨著電壓升高，大液滴被霧化為更加細小的帶電霧滴，溶液的電導率較小時，荷電電壓對霧滴粒徑分布起著主要作用，溶液的黏度和表面張力對液體霧化具有抑制作用。本研究靜電噴霧的霧滴分布跨度顯著低于非靜電噴霧，霧滴粒徑分布譜變窄，但體積中徑D50明顯增加，而增加幅度只有3 μm左右，霧滴直徑D90卻降低，減低幅度在13 μm左右；這與賈衛(wèi)東等[24]發(fā)現(xiàn)高壓靜電能使平均粒徑下降的結(jié)論存在差異，但賈衛(wèi)東等[24]同時發(fā)現(xiàn)在30 kV電壓以內(nèi)，隨電壓的增加，霧滴平均粒徑增加，分布均勻性增加，與我們的結(jié)果一致，表明高壓靜電的電壓對霧滴粒徑和分布跨度有顯著的影響。我們推測體積中徑D50等小霧滴受噴嘴孔徑、噴霧壓力及霧滴內(nèi)聚力的影響更大，內(nèi)聚力使得靜電小霧滴，聚集增大；但是D90等大霧滴受到表面張力和電荷作用破碎為較小的霧滴，霧滴均勻性增加[22]。

本研究發(fā)現(xiàn)靜電噴霧不僅對霧滴粒徑特征分布有顯著影響，霧滴的表面張力和其與稗草葉片的接觸角均顯著降低，與茹煜等[5]結(jié)果一致。靜電噴霧能提高霧滴在靶標表面的吸附能力和活性，能降低霧滴表面張力，降低霧滴霧化的阻力，液體霧化是由于外界干擾引起液體表面不穩(wěn)定，從而導致液體分離、細化而形成霧滴的過程[25]。張建桃等[26]研究發(fā)現(xiàn)隨著荷電電壓的增大，液滴在水稻葉片表面接觸角，整體呈先減小后增大的趨勢，接觸角在荷電電壓為4 kV時達到最小值。大量的研究表明，靜電可以提高液滴在作物葉片表面潤濕展布性能，減小液滴的表面張力，減小液滴在作物葉片表面靜態(tài)接觸角，提高液滴在植株葉片表面的有效沉積率，減少藥液的飄移散失[27]，這與我們的結(jié)果一致，表明高壓靜電的電壓對霧滴表面張力和接觸角有顯著的影響。

徐德進等[28]研究，也表明藥液表面張力的降低有助于提高霧滴在靶標作物上的沉積率，本研究發(fā)現(xiàn)靜電噴霧顯著地增加了靶標沉積量，與茹煜等[5]結(jié)果一致。Zhang Y.L.等[29]發(fā)現(xiàn)當噴霧高度為50 cm，噴霧壓力為0.3 MPa，充電電壓為9 kV時，相對于非靜電噴霧，靜電噴霧在靶標作物冠層和中層的沉積密度分別提高了13.6%和32.6%。但對于靜電噴霧對噴霧飄移的影響，不同的研究有不同的結(jié)果。楊洲等[30]研究不同側(cè)風和靜電電壓對靜電噴霧霧滴飄移的影響時，發(fā)現(xiàn)側(cè)風風速為2 m/s時，6～8 kV靜電噴霧的霧滴飄失率均顯著高于非靜電噴霧的霧滴飄失率，但茹煜等[11]研究發(fā)現(xiàn)靜電噴霧方式對抑制霧滴飄移的作用不大。本研究同樣發(fā)現(xiàn)相對于非靜電噴霧，靜電噴霧的防飄移效果不顯著。相對于非靜電噴霧，靜電噴霧能夠顯著降低霧滴粒徑的分布跨度，增加霧滴的分布均勻性，降低霧滴粒徑D90，降低表面張力和其與稗草葉片的接觸角，增加霧滴靶標沉積率，表明靜電噴霧技術在植保無人飛機防控水稻田病蟲草害的應用上具有較大的潛力。