基于農田環境因子模擬農藥霧滴飄移特性

龔 艷， 張 曉， 王 果， 陳 曉

(農業部南京農業機械化研究所，江蘇南京 210014)

在農作物病蟲草害化學防治過程中，受自然環境、施藥方法與施藥裝備等因素影響，實際沉積于靶標作物上的農藥僅占總噴施量的30%左右，其余農藥則流失、飄失或直接被噴灑到土壤、水體、空氣中，造成嚴重的農業面源污染。飄失的農藥霧滴可隨風做長時間、長距離的遷移，由靶標區到非靶標區，由農業區到非農業區，即使在從未使用過化學農藥的珠穆朗瑪峰，其積雪中也有持久性農藥六六六被檢出[1-2]。飄失的農藥霧滴進入大氣后，可以通過呼吸直接進入人體及其他生物體，或通過干濕沉降落于各處，造成人畜中毒以及靶標區外農作物藥害，甚至對整個生態系統的結構和功能造成不可逆轉的破壞[3]。對玉米等單子葉作物田間噴灑除草劑，造成鄰近地塊豆類、瓜果等作物遭受藥害甚至是絕收的事件時有發生。在蠶桑、蜜蜂、水產養殖區周邊甚至是數千米之外的農田噴施吡蟲啉、毒死蜱、氟蟲腈等農藥，導致桑蠶、蜜蜂、魚蝦大面積死亡的報道也屢見不鮮。可見在農藥的幾個污染途徑中，飄移污染輻射面最廣[4-5]，嚴重影響環境安全、生態安全、農產品質量安全和國民的身體健康。因此，控制農藥飄移一直是施藥技術及植物保護機械領域的研究重點[6-7]。

霧滴的飄移是一個復雜的物理過程，農藥飄移與噴霧參數(霧滴粒徑、霧滴群釋放高度)、氣象環境(風速、風向、溫度)等因素有關[8-9]。野外環境因素的多樣性與多變性致使田間的霧滴飄移特性研究復雜困難，試驗結果存在較大的不確定性。而在風洞可控環境下，通過對農藥噴施現場(田間)近地風場的精確模擬，開展農藥霧滴飄移特性試驗研究，可避免田間試驗研究的諸多弊端[10-11]。因此，本研究針對風速、霧滴粒徑、霧滴群釋放高度等3個影響霧滴飄移特性的主要因素，在低速風洞內對飄移霧滴沿順風方向的水平沉積分布與垂直沉積分布進行定量測試，研究不同風速、霧滴粒徑、霧滴群釋放高度下的霧滴飄移規律，以期為不同環境因子及噴霧參數下的農藥飄移風險評估提供參考，有助于避免因農藥飄移造成的非靶標區藥害、生態環境污染等問題。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與設備

低速風洞為直線開式風洞，主要由風洞主體、驅動系統和測量控制系統組成。風洞主體包括氣流穩定段、收縮段、試驗段、動力段、擴散段等5個部份，其中試驗段為有效測試段。該風洞主體總長20 m，試驗段長×寬×高為8.0 m×1.2 m×1.0 m，試驗段風速范圍為0.5～10.0 m/s，無級可調，氣流紊流度≤1%。風洞驅動系統由風機、變頻器、變頻調速電動機等組成，測量控制系統由控制柜、計算機、傳感器(壓力、風速、溫濕度)、數據采集卡、測控軟件、激光粒度分析儀、多光譜像機、流體分析軟件等組成。

試驗采用的噴頭為離心霧化噴頭，該噴頭的轉速與噴霧高度可分別通過低速風洞內的變頻調速電機與升降機構進行調控，以獲取不同粒徑、不同釋放高度的霧滴群。試驗時間為2016年12月，試驗地點為農業部南京農業機械化研究所植保工程實驗室。

1.2 試驗方法

1.2.1 霧滴飄移量測定試驗 試驗采用0.2 g/L熒光示蹤劑水溶液作為噴霧母液，采用直徑為2 mm的聚乙烯線收集飄失的霧滴，用以分析霧滴的飄移量。

試驗前，將噴頭安裝在風洞內的噴霧管路末端，噴霧方向垂直向下。如圖1所示，沿順風水平方向，在距離地面0.1 m的位置以 1 m 的間距分別放置6根收集線，用來收集距離噴頭噴口(即霧滴群釋放口)1～6 m范圍內飄失的霧滴；在距離噴頭噴口 1 m 處的垂直平面內，以0.1 m的間距放置5根收集線，用來收集距地面0.1～0.5 m范圍內飄失的霧滴。收集線距地最小距離設置為0.1 m，是為了減少霧滴撞擊地面后的反彈與飛濺對收集線的污染， 并避免近地風的湍流對試驗結果產生不利影響。同時在風洞的地面覆蓋人造草皮以減少霧滴與地面撞擊后的反彈與飛濺[12]。

試驗時，按照試驗設計將風洞試驗段內的風速以及噴頭噴口的離地高度(即霧滴群釋放高度)調至試驗所需，噴頭在設定參數下噴霧10 s，待收集線上的霧滴干燥后逐根收集，并用超聲波洗滌器將收集線上的熒光劑洗脫[13]。采用熒光分光光度計(RF-5301PC，島津公司)測定洗脫液中的熒光劑含量。取3次重復試驗的平均值作為最終數據。

1.2.2 霧滴飄移距離測定試驗 試驗采用0.2 g/L誘惑紅示蹤劑水溶液作為噴霧母液，用以分析霧滴的飄移距離。霧滴采樣紙卡采用直徑為9 mm的濾紙(圖2)，沿順風水平方向進行布樣。試驗前，將噴頭安裝在風洞內的噴霧管路末端，噴霧方向垂直向下。沿順風水平方向，在地面以1 m的間距固定霧滴采樣紙卡，布樣長度為60 m，其中0～18 m的采樣紙卡布置在風洞內，19～60 m的采樣紙卡布置在開式風洞外。試驗時，按照試驗設計將風洞試驗段內的風速以及噴頭噴口的離地高度(即霧滴群釋放高度)調至試驗所需，噴頭在設定參數下噴霧10 s，待霧滴采樣紙卡上的霧滴干燥后進行分析。試驗設置3組重復取樣點，取3組數據的平均值作為最終數據。

1.3 試驗設計

在風洞可控環境下，針對風速、霧滴粒徑、霧滴群釋放高度等3個影響霧滴飄移特性的主要因素，設計不同因素水平的對比試驗，定量測試不同因素水平下飄移霧滴沿順風方向的水平沉積分布與垂直沉積分布，研究不同風速、霧滴粒徑、霧滴群釋放高度下的霧滴飄移規律。具體試驗參數如表1所示。

1.4 收集線的飄移指數計算

di=Vi·Ci。

(1)

式中：di代表第i根收集線上示蹤劑的沉積量，μg；Vi代表第i根收集線上示蹤劑的洗脫液體積，L；Ci代表第i根收集線上示蹤劑的濃度，μg/L。

表1 試驗因素設計

T=V·C。

(2)

式中：T代表噴施示蹤劑的總量，μg；V代表示蹤劑噴霧體積，L；C代表示蹤劑濃度，μg/L。

(3)

式中：Si代表單根收集線沉積量占噴施示蹤劑總量的百分比，即單根收集線的飄移指數。

2 結果與分析

2.1 霧滴粒徑對霧滴飄移特性的影響

將試驗噴頭固定在離地50 cm處，在風速為2 m/s的條件下，研究不同霧滴粒徑(50、100、150、200 μm)對霧滴飄移特性的影響。由圖3可知，在水平方向上，粒徑為50 μm的霧滴在4 m處飄移指數為3.9%，而粒徑為200 μm的霧滴在此處的飄移指數僅為 0.8%，隨著霧滴粒徑的增大，霧滴的飄失量明顯減少。由圖4可知，在垂直方向上，距地面距離越大，收集線上的霧滴越少，且霧滴粒徑越大，收集線上的霧滴越少，粒徑為50 μm的霧滴在0.1 m處飄移指數為7.5%，而粒徑為200 μm的霧滴在此處的飄移指數僅為2.0%。

2.2 風速對霧滴飄移特性的影響

將試驗噴頭固定在離地50 cm處，在霧滴粒徑為100 μm條件下，研究不同風速(1、2、4 m/s)對霧滴飄移特性的影響。由圖5可知，在水平方向上，隨著風速的增大，霧滴飄失量呈明顯的遞增趨勢，當風速為1 m/s時，霧滴4 m處的飄移指數僅為0.08%，5、6 m處未采集到霧滴；而風速達到4 m/s時，4、5、6 m處的飄移指數分別為2.8%、1.5%、0.8%。由圖6可知，在垂直方向上，任何風速下霧滴在0.1 m處的沉積量最大；風速越高，霧滴沉積量越大，可見增大風速有助于藥液在靶標作物上的沉積。適當的風速會增加霧滴在靶標作物上的沉積量，但風速過高會使霧滴產生較大的飄移距離。當風速為4 m/s時，霧滴飄移量最大，飄移距離最遠。

2.3 風速與霧滴粒徑交互作用對霧滴飄移特性的影響

通過上述試驗可知，風速和霧滴粒徑是影響霧滴飄移的重要因素，為探明2種因素對霧滴飄移特性的交互影響，在霧滴粒徑為50、100、150、200 μm等4種條件下，研究不同風速(0.5～4.0 m/s)對霧滴飄移特性的影響，其中試驗噴頭固定在離地50 cm處。

由圖7可知，隨著風速的增大，霧滴飄移距離變遠，且粒徑小的霧滴更易飄移至遠處；當霧滴粒徑為200 μm時，由于霧滴自身重力的作用，不易受環境風速影響，其飄移曲線較為平緩。因此，風速過大時，不宜進行低量或超低量噴霧，不僅影響防效，還極易造成霧滴大量飄移，對周圍非靶標區的生態環境造成污染。

2.4 霧滴群釋放高度對霧滴飄移特性的影響

綜合上述試驗結果，在風速為2 m/s，霧滴粒徑為 100 μm 條件下，研究霧滴群釋放高度(50、60、70、80 cm)對霧滴飄移特性的影響。由圖8可知，在水平方向上，當霧滴群釋放高度為50 cm時，6 m處的飄移指數僅為0.03%，而當霧滴群釋放高度為80 cm時，6 m處的飄移指數達到3.0%。由圖9可知，在垂直方向上，當霧滴群釋放高度為50 cm時，0.3 m處的飄移指數為 5.0%，而當霧滴群釋放高度為80 cm時，0.3 m 處的飄移指數僅為 2.1%。可見隨著霧滴群釋放位置的增高，霧滴在遠處的飄移量明顯增多，而向下的沉積量明顯減少，由此可知，霧滴群釋放高度是影響藥液在靶標作物上沉降的重要因素之一，且噴霧高度過高，會使霧滴更易于向遠處飄移。

3 結論

本研究基于低速風洞對溫度、濕度、風場等農田環境因子的精準模擬，設計了不同試驗參數(風速、霧滴粒徑、霧滴群釋放高度)的對比試驗，探討了其對霧滴飄移規律的影響，可為不同環境因子及噴霧參數下的農藥飄移風險評估提供參考，有助于避免因農藥飄移造成的非靶標區藥害、生態環境污染等問題。通過研究結果可知，風速、霧滴粒徑、霧滴群釋放高度是影響霧滴飄移的重要因素。在水平方向上，隨著霧滴粒徑的增大，霧滴的飄失量明顯減少；在垂直方向上，距地面的距離越大，收集線上的霧滴越少，且霧滴粒徑越大，收集線上的霧滴越少。在順風水平方向上，隨著風速的增大，同一采樣點的霧滴飄失量呈明顯的遞增趨勢；在垂直方向上，風速越大，沉積量越大，可見風速增大有助于藥液在靶標作物上的沉積。當風速為4 m/s時，霧滴飄移量最多，飄移距離也最遠。噴霧作業時，小粒徑霧滴的飄移更易受風速影響，低量或超低量噴霧應盡量選擇無風時進行作業，或選擇合適的助劑以避免遠距離飄移。噴霧高度過高，會使霧滴更易于向遠處飄移，因此機具作業時噴頭應與靶標作物保持合理的噴霧距離， 以有效減少霧滴飄移。

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