雙風送靜電噴霧中霧滴在果園空間沉積分布試驗

周良富 張玲 薛新宇

摘要：為評價所設計的雙風送靜電果園噴霧機室外性能，測試噴霧機在Y形梨樹園內的霧量分布。以紙卡為樣本、麗春紅溶液為示蹤劑，測試區域采樣與斷面采樣對試驗結果影響及不同作業速度下的田間霧量分布，分析靜電噴霧效果。結果表明，區域采樣策略和斷面采樣對冠層平均霧滴覆蓋密度的結果影響不大，但斷面采樣策略比區域采樣策略所得的霧滴覆蓋密度具有更大的變異系數;作業速度是影響靜電噴霧效果的一個重要因素，Ⅱ、Ⅳ檔速度下靜電噴霧的反面霧滴覆蓋率分別提高40%、17%，但對正面的霧滴覆蓋密度基本沒有影響，甚至略低于非靜電噴霧;靜電噴霧有助于抑制霧滴飄移，試驗結果顯示在5.0～12.5 m的采樣區域內，靜電噴霧的的飄移量比非靜電噴霧減少18%;該噴霧機在同類型果園應用中，防蟲時可以采用Ⅲ檔及以下作業速度，防病選用Ⅱ檔及以下速度可以滿足防治要求，但Ⅰ檔作業時地面沉積量明顯高于其他作業速度，不建議使用。

關鍵詞：植保機械;果園噴霧機;風送噴霧;靜電噴霧;霧量分布;田間試驗

中圖分類號： S491 ?文獻標志碼： A ?文章編號：1002-1302（2019）12-0242-05

3WQ-400型雙氣輔助靜電果園噴霧機結合了風送噴霧與靜電噴霧技術，離心風機氣流有助于荷電霧滴快速擺脫強電場區，同時增加霧滴荷電量，與軸流風機共同作用輸運霧滴到作物靶標以降低荷電量的衰減。靜電噴霧有助于霧滴在靶標背面沉積，降低農藥地面沉積和飄移。風送靜電噴霧研究主要有場地試驗與田間試驗，楊洲等研究了不同側風和靜電電壓對靜電噴霧霧滴飄移的影響規律[5]。茹煜等研究了在風洞條件下霧滴飄移影響因素分析，初步建立了霧滴飄移的數學模型[6]。賈衛東等設計了靜電感應噴頭，并在風幕式噴桿噴霧機上運用，試驗了靜電噴霧的沉積特性[7]。周宏平等在優化設計航空靜電噴霧裝置的基礎上，掛載于輕型蜜蜂飛機上與原有的靜電噴頭及傳統的扇形噴頭進行了松毛蟲防治對比試驗研究[8]。邱威等以蟲口減退率和病情指數為指標，測試了風送噴霧對梨蚜蟲、梨黑斑病的田間防治效果[9]。張京等進行了Π型循環噴霧機與常規風送噴霧機的防飄性能的對比試驗[10]。Duga等研究了風送噴霧機類型、果樹修剪方式與冠層特征對梨果樹上的霧滴沉積分布影響[11-12]。上述研究所采用的方法為本研究提供了技術指導。

以Y形梨樹為試驗對象，測試所研制的噴霧機在田間的霧量分布，對比靜電噴霧與非靜電噴霧對冠層霧滴覆蓋密度、地面沉積與飄移的影響。同時，測試不同速度下田間霧量分布，以期驗證噴霧機具設計目標，探尋靜電噴霧的最佳作業速度。

1 材料與方法

1.1 主要材料

1.1.1 噴霧機及性能參數 依據GB/T 32244—2015《植物保護機械 喬木和灌木作物噴霧量分布的田間測定》方法要求對試驗用噴霧機進行描述。

1.1.2 主要結構與原理 3WQ-400型雙風送靜電果園噴霧機是農業農村部南京農業機械化研究所自行研制成功的，其主要結構如圖1所示。噴霧液體在隔膜泵的高壓作用下，由噴嘴霧化成霧滴并在電極區感應帶電，荷電后的霧滴在離心風機氣流作用下快速脫離強電場區，并在外軸流風機氣流的共同作用下輸運到冠層靶標。該機具克服了荷電霧滴在電極附近吸附及荷電量的快速衰減，保證輸運到靶標的霧滴依然具有較強的靜電能力，確保霧滴在葉片背面的沉積。

1.1.3 噴頭與霧量分布 噴霧機選用噴嘴為LurMark公司的TXR800071VK空心圓錐霧噴嘴，噴頭采用雙側同時噴霧，每側5個噴頭，共10個噴頭，額定噴霧壓力為0.5 MPa，噴頭的平均流量為350 mL/min，其霧滴直徑VMD<150 μm。每個噴頭布置的具體位置與方向見表1。在該布置方式下使用垂直霧量分布試驗臺測定噴霧距離（風機軸心位置）為 2.5 m 的垂直霧量分布情況，試驗結果如圖2所示，可以看出噴霧量主要分布在高度為1.0～2.5 m處，這與冠層生物量分布式基本一致的。

1.1.4 氣流場分布 依照GB/T 24683—2009《植物保護機械 灌木和喬木作物用風送式噴霧機試驗方法》測試軸流風機轉速為1 400 r/min，離心風機轉速為1 800 r/min下噴霧機射流中心截面的氣流速度分布散點數據，利用Surfer 8.0軟件（美國Golden Software公司）繪制氣流場速度等值圖如圖3。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗條件 試驗時間為2016年9月5—10日，試驗期間環境溫度為18～34 ℃，相對濕度為45%～70%，自然風速為陣風1.5～3.0 m/s，試驗地點為江蘇省農業科學院白馬試驗基地，試驗區為50 m×50 m的現代化標準梨園，行間地面平整，地頭有4 m的農機作業道;試驗對象為Y拱形棚架優質梨新品種，樹齡為5年，每年收獲后將修剪掉Y形中間的枝條以增加光合作用。行距為5 m，株距為4 m。試驗時正值果品收獲后期。在0.8、1.2、1.5、2.2、3.0 m高處，其冠層寬度分別為0.7、1.6、2.4、3.6、4.0 m，在Y形樹干附近處的葉面積體密度為6.5 m2/m3，但在分叉后中間部位的葉面積體密度為1.5 m2/m3，噴霧機作業現場照片如圖4所示。

1.2.2 試驗儀器與材料 示蹤劑為0.5%色素麗春紅2R溶液（北京化學試劑廠），樣本為76 mm×76 mm的百事貼便簽紙（得力集團有限公司），風速儀、溫濕度計、掃描儀（Canoscan Lide25，掃描像素為760×760）及其他常用工具。

1.2.3 試驗方法與數據處理 根據前期氣流場測試結果，結合果樹冠層特征，選擇軸流風機轉速為1 400 r/min，離心風機轉速為1 800 r/min，噴霧壓力為0.5 MPa。測試拖拉機在工作Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ檔全油門速度下靜電噴霧與非靜電噴霧田間霧量分布規律，其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ檔對應的工作速度為034、0.52、0.84、1.05 m/s。

每組試驗果樹均采用雙側噴霧，噴霧后待紙卡晾干后采集裝入密封袋后，標記采集點（不取下固定夾）以保證后續試驗同一的采集位置。在試驗室條件下將樣本掃描，避免樣本邊界干擾，用圖像處理軟件截取60 mm×60 mm樣本讀取霧滴覆蓋率（霧滴覆蓋面積與樣本面積之比）和霧滴覆蓋密度（單位面積所具有的霧滴點數，個/cm2）。

采用Excel 2010進行數據處理與曲線繪制。

1.2.4 霧量分布采樣策略

1.2.4.1 冠層靶標霧量分布采樣 目前冠層沉積分布試驗大多采用區域采樣，而且在同一區域內僅采了1～3個樣本量，得到霧滴覆蓋率和覆蓋密度，而且各類研究得到的試驗結果差異較大。本研究同時采用斷面采樣法和區域采樣法，對比不同采用策略對試驗結果的影響，采樣示意如圖5所示。斷面采樣是在果樹樹干斷面上布置樣本，在高度方向上采樣間距為0.25 m，當冠層厚度為0.5 m時在冠層內部布置采樣點。區域采樣法是在果樹高度0.9、1.65、2.2 m上，將果樹分成9個采樣區域，外側的每個區域取3個采樣點，中間的區域取6個采樣點，試驗結果為每個區域采樣點平均值。

1.2.4.2 非靶標霧量分布采樣 非靶標區包括地面沉積及空中飄移兩部分，圖6為地面沉積與空中飄移的沉積采集布置示意圖。其中，在作業樹行下面布置4個采集點，左右兩側分別布置8個采樣點，分別以數字為編號，以R、L分別代替左右側。在噴霧下風區5.0、7.5、10.0、12.5 m處布置第4個采集桿，每個采集桿上1、2、3 m等3個采集點，以3個采集點霧滴覆蓋密度的平均值作為每個采集桿的試驗結果。

2 結果與分析

2.1 采樣策略對試驗結果影響

將斷面采樣策略的試驗結果，在Excel中繪制不同位置上沉積高度與葉片正反面霧滴覆蓋密度的關系曲線。不同位置上（E、N、E′）區域采樣策略的試驗結果求平均值后，繪制不同位置上葉片正反面霧滴覆蓋密度柱狀圖（圖7）。

由圖7可知，正面的平均霧滴覆蓋密度為193個/cm2，最少為52個/cm2，變異系數為47.08%。反面的平均霧滴覆蓋密度為36個/cm2，最少為5個/cm2，變異系數為96.5%。而采用區域采樣法得到正面的平均霧滴覆蓋密度為 240個/cm2，變異系數為24.6%;反面的平均霧滴覆蓋密度為31.7個/cm2，變異系數為39.17%。由此可知，不同采樣策略所得到霧滴平均覆蓋密度差異不大，但斷面采樣策略比區域采用策略所得的霧滴覆蓋密度具有更大的變異系數。

2.2 靜電噴霧效果分析

用同一噴霧機在靜電開與關情況下，采用區域采樣法測試靜電噴霧與非靜電噴霧時冠層的霧滴分布。由于果樹冠層的不完全對稱性，而且受采樣點具有人為因素，所以試驗結果為不同位置上（E、N、E′列）的樣本平均值。

圖8為噴霧機在作業速度Ⅱ檔和Ⅳ檔下靜電噴霧與非靜電噴霧的冠層正反面霧滴覆蓋密度對比圖。由圖8可知，靜電噴霧有助于霧滴在葉片反面沉積，Ⅱ檔和Ⅳ檔速度下反面霧滴覆蓋率分別提高40%、17%，但對正面的霧滴覆蓋密度基本沒有影響，甚至略低于非靜電噴霧。因此，作業速度是影響靜電噴霧效果的一個重要因素。

2.3 作業速度對冠層分布影響

采用區域采樣法測試不同作業速度下的冠層霧滴分布，將兩外側E、E′的9個樣本、內部的18個樣本的正反面霧滴覆蓋密度分別求平均值，得到不同位置上葉片正反面霧滴平均覆蓋密度，如圖9所示。試驗結果顯示，在Ⅰ檔作業時，正反面的平均霧滴覆蓋密度分別達到350、110個/cm2，超過防治病蟲害的要求。Ⅱ檔作業時，正反面的平均霧滴覆蓋密度分別達到220、60個/cm2，基本達到防治病蟲害的要求。而Ⅲ檔作業時，正反面的平均霧滴覆蓋密度分別達到150、35個/cm2，其正面達到防治病蟲害效果，反面只能達到防蟲的要求。Ⅳ檔作業時，正反面的平均霧滴覆蓋密度分別達到110、20個/cm2，其正面達到防治病蟲害要求的70個/cm2，反面已經不能達到防蟲要求的25個/cm2。因此，該噴霧機在同類型果園應用中，防蟲時可以采用Ⅲ檔及以下作業速度，防病時須選用Ⅱ檔及以下速度。

2.4 作業速度對地面分布影響

霧滴在地面的沉積特性是衡量噴霧機性能的指標之一，也是農藥浪費和土壤污染的主要渠道之一。因此，以達到防治病蟲害效果為前提下，選擇地面沉積較少的作業工況是研究的主要目的。圖10為不同作業速度下地面的沉積分布曲線，試驗結果顯示噴霧機作業時地面沉積主要分布在10 m范圍內，而且地面的霧滴覆蓋密度較高，地面沉積量與作業速度呈正相關，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ檔的最大霧滴覆蓋密度分別達到450、280、220、100個/cm2。Ⅰ檔作業時，地面沉積量明顯高于其他作業速度，結合作業速度與冠層分布關系，不建議采用Ⅰ檔作業。

2.5 靜電噴霧對飄移的影響

飄移試驗按圖6-b所示對果樹行進行1個來回噴霧兩側噴霧， 試驗時環境溫度為30.5 ℃， 相對濕度為60%，自然風速為2.5 m/s陣風（氣象條件為果樹上方1 m處測得）。在噴霧區下風向5 m開始測試飄移量，為增大飄移損失量顯著性，靜電噴霧與非靜電噴霧試驗結果均為工作Ⅱ檔和Ⅳ檔的累積效果，將每個測試距離在3個樣本求平均值并繪制曲線，如圖11所示。

由圖11可知，靜電噴霧的飄移量比非靜電噴霧減少18%，但在5 m處的霧滴覆蓋密度依然還有47個/cm2，且沿射程方向快速衰減，10 m處的霧滴覆蓋密度為10個/cm2，在12 m外基本檢測不到霧滴飄移。

3 結論

區域采樣和斷面采樣對冠層平均霧滴覆蓋密的結果影響不大，但斷面采樣策略比區域采樣策略所得的霧滴覆蓋密度具有更大的變異系數。作業速度是影響靜電噴霧效果的一個重要因素。Ⅱ檔和Ⅳ檔速度下靜電噴霧的反面霧滴覆蓋率分別提高40%、17%，但對正面的霧滴覆蓋密度基本沒有影響，甚至略低于非靜電噴霧。該噴霧機在同類型果園應用中，防蟲時可以采用Ⅲ檔及以下作業速度，防病選用Ⅱ檔及以下速度可以滿足防治要求，但Ⅰ檔作業時地面沉積量明顯高于其他作業速度。靜電噴霧有助于抑制霧滴飄移，試驗結果顯示在5.0～12.5 m的采樣區域內，靜電噴霧的的飄移量比非靜電噴霧減少18%。

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