植保無人機(jī)噴霧助劑及噴頭類型對(duì)煙田霧滴沉積分布的影響

馮 超，王國(guó)賓，鄭成鵬，宗 浩，譚菲菲，陳 丹*

1.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院煙草研究所，山東省青島市嶗山區(qū)科苑經(jīng)四路11號(hào) 266101

2.山東理工大學(xué)，山東省淄博市張店區(qū)新村西路266號(hào) 255000

3.山東臨沂煙草有限公司，山東省臨沂市蘭山區(qū)新華路119號(hào) 276000

煙草是我國(guó)重要的經(jīng)濟(jì)作物之一，種植面積和產(chǎn)量居世界首位。目前我國(guó)防治煙草病蟲害的施藥器械主要為背負(fù)式噴霧器，存在噴霧效率低和防治效果差等問題，易造成農(nóng)藥浪費(fèi)和環(huán)境污染，影響施藥人員健康。因此，煙草病蟲害防治急需以精準(zhǔn)高效的施藥方式取代傳統(tǒng)的施藥方式。近年來，植保無人機(jī)噴霧技術(shù)因具有農(nóng)藥利用率高、工作效率高、作業(yè)靈活等優(yōu)點(diǎn)在農(nóng)作物病蟲害防治中廣泛應(yīng)用［1-2］，解決了高稈作物、水田和丘陵地帶人工和地面機(jī)械作業(yè)難的問題［3-4］，但在煙田應(yīng)用研究較少。

植保無人機(jī)利用自身旋翼產(chǎn)生的風(fēng)場(chǎng)將霧化后的藥液帶向作物表面［5］，霧滴在運(yùn)動(dòng)過程中，受溫度、濕度和風(fēng)速的影響，產(chǎn)生蒸發(fā)和漂移［6］。當(dāng)霧滴撞擊葉片后出現(xiàn)粘附、反彈和噴濺3 種形式［7］，造成藥液流失和環(huán)境污染。因此減小霧滴漂移和在葉片表面彈跳成為植保無人機(jī)施藥的研究熱點(diǎn)［8］。有研究表明，通過添加噴霧助劑和選擇噴頭可減少霧滴飄移，增加藥液潤(rùn)濕性能，改善霧滴沉積分布，提高對(duì)靶準(zhǔn)確性［9-10］。目前，噴霧助劑主要有植物油類、表面活性劑類、有機(jī)硅類以及高分子聚合物類［11］，其中植物油類噴霧助劑不僅生物降解性好，而且環(huán)境適用性廣，常作為配方助劑添加到農(nóng)藥產(chǎn)品中［12］。霧滴粒徑大小和覆蓋率在很大程度上取決于植保無人機(jī)噴頭類型［13］。馮玉茹等［14］研究結(jié)果表明，植保無人機(jī)采用防漂移噴頭可增加霧滴粒徑。張盼等［15］研究發(fā)現(xiàn)，在植保無人機(jī)對(duì)果園噴霧時(shí)，采用壓力式噴頭藥液在葉面的覆蓋率大于離心轉(zhuǎn)子噴頭，霧滴沉積密度則相反。然而由于作物葉片表面理化性質(zhì)，助劑所表現(xiàn)的表面張力和接觸角、霧滴粒徑均不同，植保無人機(jī)施藥作為一種新興技術(shù)，在煙草田施藥方面的應(yīng)用研究報(bào)道較少。在施藥過程中產(chǎn)生的霧滴飄移、彈跳和蒸發(fā)問題較背負(fù)式噴霧器更為突出。因此，對(duì)大疆T20植保無人機(jī)在煙草作業(yè)模式下，比較3種噴霧助劑（倍達(dá)通、邁飛和邁道）和2種噴頭類型（SX11001、IDK120015）對(duì)藥液理化性質(zhì)、霧滴粒徑、霧滴沉積密度和覆蓋率的作用效果，旨在為植保無人機(jī)噴霧技術(shù)的研發(fā)改進(jìn)和在煙田的應(yīng)用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑和儀器

供試煙田位于山東省臨沂市平邑縣煙草試驗(yàn)站（經(jīng)度117°40'1"，緯度35°38'31"），煙草品種為中煙100，試驗(yàn)煙株處于旺長(zhǎng)期，平均株高1.2 m，行間距1.3 m，株間距0.5 m。

指示劑為誘惑紅（浙江吉高德色素科技有限公司）；植物油類噴霧助劑：倍達(dá)通、邁飛和邁道（見表1）。本次試驗(yàn)由大疆T20植保無人機(jī)和P4R測(cè)繪無人機(jī)協(xié)同完成（深圳市大疆創(chuàng)新科技有限公司）；噴頭為液力式噴頭SX110015（深圳市大疆創(chuàng)新科技有限公司）、防飄移噴頭IDK120015（德國(guó)Lechler 公司）；DP-02型激光粒度分析儀（珠海歐美克儀器有限公司）；JK99B 型全自動(dòng)張力儀（上海中晨數(shù)字技術(shù)設(shè)備有限公司）；KestrelNK-3500 氣象風(fēng)速儀（美國(guó)NK公司）；Scanjet 200掃描儀（中國(guó)惠普有限公司）；采樣架、塑料桿、雙頭夾、銅版紙（3.0 cm×8.0 cm，70.0 g/m2，白色）（Kromekote cards）。

表1 不同噴霧助劑特點(diǎn)Tab.1 Characteristics of three different spray additives

1.2 方法

1.2.1 助劑對(duì)藥液表面張力和接觸角影響的測(cè)定

將倍達(dá)通、邁飛和邁道分別用清水配成1.0%的藥液，記為處理Ⅰ、處理Ⅱ、處理Ⅲ，以未添加助劑的清水作為空白對(duì)照（處理Ⅳ），通過測(cè)定各個(gè)處理的表面張力和接觸角，來確定助劑對(duì)藥液表面張力和接觸角變化的影響。分別取100 mL藥液，采用表面張力儀拉起液膜法測(cè)定藥液的表面張力；采用視頻光學(xué)接觸角測(cè)量?jī)x測(cè)定藥液在煙草葉片上的接觸角，分別用自動(dòng)移液槍點(diǎn)滴5 μL的藥液在煙草葉片上，記錄停留15 s時(shí)的接觸角［16］。每個(gè)處理重復(fù)3次。

1.2.2 助劑及噴頭類型對(duì)霧滴粒徑影響的測(cè)定

利用激光粒度分析儀和噴灑系統(tǒng)測(cè)定植保無人機(jī)在添加不同助劑和采用不同噴頭時(shí)，霧滴粒徑分布范圍。噴灑系統(tǒng)包含噴頭（液力式噴頭SX110015和防飄移噴頭IDK120015）、隔膜泵、流量計(jì)、壓力表。激光粒度分析儀接收端和發(fā)射端距離為1.5 m，噴頭固定于接收端和發(fā)射端中央高0.5 m 處，SX110015 和IDK120015 噴頭噴霧壓力分別設(shè)定為0.3 MPa 和0.6 MPa。在噴霧過程中，將全部霧滴的體積從小到大依次累加，當(dāng)累加值等于全部霧滴體積的10%、50%和90%時(shí)，所對(duì)應(yīng)的霧滴直徑分別記作DV0.1、DV0.5和DV0.9，統(tǒng)計(jì)霧滴粒徑小于150 μm 的累計(jì)分布比例（小霧滴數(shù)量占比），計(jì)算霧滴譜相對(duì)跨度（relative span，RS）［12］。試驗(yàn)共設(shè)置8個(gè)處理，如表2所示，每個(gè)處理重復(fù)6次。RS計(jì)算公式：

表2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)Tab.2 Experimental design

1.2.3 助劑及噴頭類型對(duì)霧滴沉積密度和覆蓋率影響的測(cè)定

試驗(yàn)于2021年7月5日在山東省臨沂市平邑縣煙草試驗(yàn)站進(jìn)行。試驗(yàn)處理同1.2.2，如表2所示。植保無人機(jī)作業(yè)噴幅為5.0 m，飛行速度為3.4 m/s，作業(yè)高度距離煙株冠層3.5 m，噴霧量為15.0 L/hm2，作業(yè)小區(qū)長(zhǎng)120.0 m，寬10.0 m。噴施藥液中指示劑誘惑紅用量為450.0 g/hm2。田間試驗(yàn)氣象條件采用Kestrel 5000 LiNK 氣象站采集，采集頻率為1 min/次，試驗(yàn)時(shí)溫度（28.1±0.8）℃，相對(duì)濕度65.0%±3.0%，風(fēng)速（0.6±0.5）m/s。各處理隨機(jī)區(qū)組分布，每個(gè)處理重復(fù)3次。

試驗(yàn)時(shí)無人機(jī)采用常規(guī)往復(fù)施藥模式進(jìn)行噴霧作業(yè)，各條航線之間間隔為5.0 m，試驗(yàn)地塊開闊無遮擋，且煙草長(zhǎng)勢(shì)較為一致。試驗(yàn)前，在各處理小區(qū)中間地帶布置3 排間隔為30.0 m 的霧滴采集帶，每條霧滴采集帶含6 個(gè)霧滴采集點(diǎn)，每個(gè)采集點(diǎn)間隔1.0 m，總長(zhǎng)度5.0 m（圖1a）。每個(gè)霧滴采集點(diǎn)處插一根采樣桿，用雙頭夾將銅版紙固定在采樣桿上。設(shè)置上、中、下3層采樣位置，分別距地面1.0 、0.5 和0.2 m（圖1b）。用于測(cè)定煙草上、中、下冠層的霧滴密度和覆蓋率。噴霧結(jié)束后，待銅版紙上的霧滴自然晾干后收取并裝入自封袋帶回實(shí)驗(yàn)室。

圖1 試驗(yàn)方案示意圖Fig.1 Schematic diagram of sampling program

試驗(yàn)收集的銅版紙逐一使用Scanjet200 掃描儀掃描分辨率為600 dpi的灰度圖像，通過美國(guó)農(nóng)業(yè)部Deposit Scan圖像處理軟件進(jìn)行分析，得到霧滴密度和覆蓋率［16］。

1.2.4 數(shù)據(jù)處理

采用DPS 和SPSS v22.0 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，應(yīng)用Duncan’s新復(fù)極差法和t檢驗(yàn)進(jìn)行差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 添加助劑對(duì)藥液表面張力和接觸角的影響

噴霧助劑通過影響藥液表面張力，進(jìn)而影響藥液的接觸角［10］。添加助劑可顯著降低藥液的表面張力和接觸角（表3），添加倍達(dá)通、邁飛和邁道后，藥液的表面張力顯著降低，分別降低58.8%、57.0%和54.5%；在煙草葉片上的接觸角分別降低64.3%、55.0%和46.6%，顯著低于空白對(duì)照（處理Ⅳ）。表明添加助劑煙草葉片更容易被潤(rùn)濕，3種噴霧助劑都具有較明顯的潤(rùn)濕鋪展性，可實(shí)現(xiàn)有效鋪展，對(duì)藥液表面張力和接觸角的影響依次為倍達(dá)通>邁飛>邁道。在施藥過程中，藥液經(jīng)噴頭噴出落在作物葉片上會(huì)形成不同的接觸角，接觸角越大葉片越難以被潤(rùn)濕。因此，在田間進(jìn)行噴霧作業(yè)時(shí)，可以選擇添加助劑提高霧滴鋪展性，增加葉片的潤(rùn)濕性，從而提高藥劑與病蟲害的接觸率。

表3 添加噴霧助劑對(duì)藥液表面張力和霧滴接觸角的影響①Tab.3 Effects of spray additives on surface tension of solution and the contact angle of droplets on tobacco leaves

2.2 噴霧助劑及噴頭類型對(duì)藥液霧滴粒徑的影響

在同一噴頭條件下，與不添加助劑相比，加入1%助劑的藥液霧滴粒徑、小霧滴數(shù)量占比和霧滴譜相對(duì)跨度有顯著差異，見表4。

表4 噴霧助劑及噴頭類型對(duì)藥液霧滴粒徑及分布的影響Tab.4 Effects of spray additives and nozzle types on droplet sizes and distribution of solutions

2.2.1 助劑對(duì)藥液霧滴粒徑的影響

采用SX110015 噴霧時(shí)，3 種助劑均能提高藥液霧滴粒徑，降低藥液小霧滴數(shù)量占比和霧滴譜相對(duì)跨度。對(duì)DV0.5的影響依次為倍達(dá)通>邁飛>邁道，其中，邁飛對(duì)DV0.1、DV0.5和DV0.9均有顯著效果，比未添加助劑的處理分別提高17.4%、13.8%和24.6%；添加邁飛小霧滴數(shù)量占比降低最為顯著，降低22.7%；添加邁飛霧滴譜相對(duì)跨度最小，噴霧更均勻。

采用IDK120015噴霧時(shí)，3種助劑均能提高霧滴粒徑、降低小霧滴數(shù)量占比和霧滴譜相對(duì)跨度，但處理間差異不顯著。倍達(dá)通、邁飛和邁道DV0.5比未添加助劑的處理分別提高4.4%、3.6%和2.9%；小霧滴數(shù)量占比較未添加助劑的處理分別降低12.7%、20.9% 和13.8%。

2.2.2 噴頭類型對(duì)藥液霧滴粒徑的影響

植保無人機(jī)采用不同噴頭（SX110015 處理1，IDK120015處理5）進(jìn)行噴霧處理，處理5比處理1霧滴粒徑顯著提高，DV0.1、DV0.5和DV0.9分別提高67.0%、107.2%和140.9%；小霧滴數(shù)量占比明顯降低，降低47.8%；霧滴相對(duì)譜跨度變化不大。可見，IDK120015噴頭能顯著提高藥液霧滴沉降，減少藥液霧滴的漂移。

2.3 助劑對(duì)藥液霧滴密度和覆蓋率的影響

同一處理，煙草上、中、下冠層的藥液霧滴密度和覆蓋率具有顯著差異，采用同一種噴頭，不同處理間藥液霧滴密度和覆蓋率差異也達(dá)到顯著水平，見圖2。

圖2 噴霧助劑對(duì)各處理藥液霧滴密度的影響Fig.2 Effects of spray additives on density of droplets

2.3.1 助劑對(duì)藥液霧滴密度的影響

采用SX110015噴霧時(shí)，添加助劑能夠顯著提高煙草上層和下層的藥液霧滴密度。添加倍達(dá)通、邁飛和邁道煙草上層藥液霧滴密度分別提高32.0%、13.7%和9.0%，下層分別提高202.8%、91.3%和130.6%。添加倍達(dá)通和邁飛處理的煙草中層藥液霧滴密度分別提高42.1%和46.4%，而添加邁道的處理則降低56.6%。

采用IDK120015 噴霧時(shí)，添加助劑能夠提高藥液霧滴在煙草上、中冠層的霧滴密度。煙草上層，添加倍達(dá)通、邁飛和邁道助劑的霧滴密度分別提高25.2%、1.4%和6.1%；中層分別提高20.5%、19.9%和1.9%；下層添加邁飛助劑的霧滴密度提高2.7%，而添加倍達(dá)通和邁道助劑則分別降低4.8%和0.2%。在煙草上、中、下冠層的藥液霧滴密度均呈遞減的趨勢(shì)，下層霧滴密度分別占上層霧滴密度的26.2%、34.9%和32.4%。

2.3.2 助劑對(duì)藥液霧滴覆蓋率的影響

如圖3所示，采用SX110015噴霧時(shí)，添加助劑能夠顯著提高藥液霧滴在煙草上、中和下冠層的覆蓋率。其中，倍達(dá)通助劑的效果最為顯著，分別提高97.9%、106.1%和141.5%，而邁道對(duì)煙草下層的藥液霧滴覆蓋率提高92.7%。

圖3 噴霧助劑對(duì)各處理藥液霧滴覆蓋率的影響Fig.3 Effects of spray additives on coverage rate of droplets

采用IDK120015噴霧時(shí)，3種助劑對(duì)提高霧滴在煙草冠層覆蓋率的影響依次為邁飛>倍達(dá)通>邁道；邁飛顯著提高煙草上層和中層霧滴覆蓋率，分別提高58.3%和31.3%。

2.4 噴頭類型對(duì)藥液霧滴密度和覆蓋率的影響

如圖4所示，與SX110015噴頭相比，IDK120015噴頭可提高藥液霧滴密度，煙草上、中、下冠層分別提高92.9%、101.6%和160.7%；在煙草上、中冠層藥液霧滴覆蓋率分別提高10.0%和20.2%，但在煙草下冠層藥液霧滴覆蓋率則降低13.8%。這是由于IDK120015 噴頭孔徑小，藥液霧滴粒徑更細(xì)，而SX110015 噴頭的噴霧藥液霧滴的穿透性更強(qiáng)。因此，在使用時(shí)應(yīng)根據(jù)天氣條件和防治對(duì)象選擇合適類型的噴頭。

圖4 噴頭類型對(duì)藥液霧滴密度和覆蓋率的影響Fig.4 Effects of nozzle types on density and coverage rate of droplets

3 討論

煙草與其他作物相比，葉片易達(dá)到親水狀態(tài)。本研究結(jié)果表明，清水在煙草葉片的表面張力和接觸角分別為71.8 mN/m 和61.1°，添加3 種噴霧助劑后藥液的表面張力和接觸角分別降低54.5%～58.8%和46.6%～64.3%，接觸角越小則葉片越容易被潤(rùn)濕。因此，在煙草田進(jìn)行噴霧作業(yè)時(shí)，可以選擇倍達(dá)通、邁飛和邁道中的1種添加到藥液中以提高霧滴鋪展性，增加藥劑接觸病原物和害蟲的概率。添加噴霧助劑改變了藥液的理化性質(zhì)，增加霧滴粒徑，減少霧滴漂移，提高藥液在作物冠層的沉積密度和覆蓋率，進(jìn)而減少藥液流失［17］。

藥液霧滴在運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生蒸發(fā)和漂移，選擇不同類型的噴頭可以有效減少漂移，提高霧滴密度和覆蓋率［18-19］。本研究結(jié)果表明，采用SX110015 噴頭噴霧時(shí)，不同助劑處理間差異顯著，DV0.5增加依次為倍達(dá)通>邁飛>邁道；采用IDK120015噴頭噴霧時(shí)，不同助劑處理間差異不顯著。在未添加助劑的情況下，與SX110015 噴頭相比，IDK120015 噴頭在煙草上、中、下冠層霧滴密度提高92.9%～160.7%，這是由于IDK120015 噴頭孔徑小，霧滴粒徑細(xì)，而SX110015 噴頭的噴霧藥液霧滴穿透性強(qiáng)。可見，IDK120015 噴頭可在增加霧滴粒徑、減少飄移的前提下，藥液霧滴密度和覆蓋率顯著提高。因此，IDK120015噴頭適宜在有風(fēng)天氣條件下噴灑保護(hù)性或內(nèi)吸性藥劑，在避免飄移的同時(shí)保證一定的藥液霧滴覆蓋率。

4 結(jié)論

3 種助劑和2 種噴頭可有效提高植保無人機(jī)在煙草田間的噴施效果。3 種助劑能有效降低藥液表面張力和接觸角，降低小霧滴數(shù)量占比和霧滴譜相對(duì)跨度，增加藥液霧滴在煙草冠層的沉積密度和覆蓋率，提高藥液霧滴均勻性。在煙草田中進(jìn)行植保無人機(jī)噴霧時(shí)，建議作業(yè)噴幅為5.0 m，飛行速度為3.4 m/s。作業(yè)高度距離煙草上層3.5 m，噴霧量15.0 L/hm2，在風(fēng)速≥0.6 m/s的天氣條件下噴灑保護(hù)性或內(nèi)吸性藥劑時(shí)使用IDK120015噴頭。