新型扇形霧射流噴頭霧滴沉積和飄移潛力特性研究

竇碩

(北京市密云區(qū)農(nóng)機(jī)化技術(shù)推廣服務(wù)站, 北京 101500)

我國病蟲草害年發(fā)生面積達(dá)4.67億hm2以上，目前化學(xué)防治仍然是控制農(nóng)作物病蟲草害的主要手段和措施，在保證國家糧食安全中發(fā)揮著不可替代的作用[1]。我國每年在商品糧上的農(nóng)藥使用量近100萬t，農(nóng)藥生產(chǎn)與用量居世界第一位[2]，但是我國農(nóng)藥施用技術(shù)水平遠(yuǎn)落后于世界水平，普遍使用一種機(jī)型和一種噴頭，“打遍百藥”防治各種作物病蟲草害，農(nóng)藥利用效率低，噴灑出去的農(nóng)藥只有20%～30%能夠沉積在靶標(biāo)上，大部分農(nóng)藥流失、飄移到環(huán)境中，造成嚴(yán)重的污染[3-6]。影響農(nóng)藥利用率的主要因素有噴霧機(jī)具性能、操作條件、氣象條件、植株冠層結(jié)構(gòu)、葉片表面特性等，高效植保施藥技術(shù)與機(jī)具的應(yīng)用是提高農(nóng)藥利用率的有效途徑[7-9]。噴頭是農(nóng)藥噴霧技術(shù)中最關(guān)鍵部件，決定了農(nóng)藥霧滴的大小、沉積分布、飄移、作物冠層穿透性等[10-12]。Knoche[13]證明小霧滴比大霧滴具有更好的沉積均勻性和冠層穿透性，但小于100 μm的霧滴易飄移。為減少農(nóng)藥霧滴飄移給環(huán)境造成污染和對(duì)鄰近作物產(chǎn)生藥害，美國Teejet公司、德國Lechler公司近年研制出了防飄、射流和雙扇面等新型扇形霧噴頭，這些噴頭通過增大霧滴粒徑來減少飄失。吳羅羅等[14]和曾愛軍等[15]在風(fēng)洞內(nèi)對(duì)德國Lechler公司和國產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)扇形霧噴頭的飄失特點(diǎn)進(jìn)行了研究,結(jié)果表明，小型號(hào)噴頭的飄移性遠(yuǎn)大于大型號(hào)噴頭；霧滴大小和風(fēng)速是影響飄移的最主要因素。Fergusion等[16]在風(fēng)洞內(nèi)測試并研究了防飄噴頭的霧滴粒徑；楊希娃等[17]使用Lechler公司生產(chǎn)的3種噴頭(普通扇形霧噴頭LU120-02、防飄噴頭AD120-02、射流噴頭IDK120-02)，研究了霧滴尺寸對(duì)小麥冠層藥液沉積和麥蚜防治的影響，表明霧滴大小和工作壓力均為影響飄移的主要因素。張文君[18]使用6種噴頭(標(biāo)準(zhǔn)扇形霧噴頭ST110系列和射流噴頭IDK120系列)研究了農(nóng)藥霧滴霧化與在玉米植株上的沉積特性，表明小容量噴霧、小粒徑噴霧及藥液中添加助劑更有利于藥液在玉米冠層中有效利用。Zhao等[19]研究了3種噴頭(LU120-02、AD120-02和IDK120-02)在小麥田中噴施吡蟲啉時(shí)的飄失情況，表明AD120-02噴頭飄失最低。

2007年,由意大利都靈大學(xué)農(nóng)林與食品科學(xué)系研制成功的農(nóng)藥霧滴飄移潛力測試平臺(tái)可準(zhǔn)確測量行走中噴桿噴霧機(jī)上噴頭的農(nóng)藥霧滴飄移潛力[20-21]，不同于以往風(fēng)洞環(huán)境中噴頭靜態(tài)噴霧條件下農(nóng)藥霧滴飄移測試方法。2011年,針對(duì)該新型測試平臺(tái)制定了相關(guān)的國際標(biāo)準(zhǔn)ISO22369-3[22]。王瀟楠等[23]研發(fā)了噴桿式噴霧機(jī)霧滴飄移測試系統(tǒng)。為大田噴桿噴霧機(jī)合理選用配備噴頭，提高農(nóng)藥有效利用率，減少流失、飄失，本研究依據(jù)ISO24253-1田間噴霧沉積試驗(yàn)測試標(biāo)準(zhǔn)[24]和ISO22369-3農(nóng)藥飄移潛力測試平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)[22]，對(duì)具有代表性的德國Lechler公司生產(chǎn)的射流(IDK系列)和雙扇面射流(IDKT系列)新型大霧滴扇形霧噴頭霧滴譜、霧滴地面沉積分布和飄移潛力進(jìn)行測試分析，并與常用標(biāo)準(zhǔn)扇形霧噴頭Lechler ST、LU系列噴頭進(jìn)行對(duì)比，以期為噴頭的合理選擇與使用提供參考。

1 材料與方法

1.1 儀器設(shè)備

試驗(yàn)采用噴頭類型為德國Lechler公司生產(chǎn)的IDK120-03、IDK120-05、IDKT120-03、IDKT120-05、LU120-03、LU120-05、ST110-03和ST110-05。其中,LU和ST系列為普通扇形霧噴頭，IDK和IDKT系列為射流噴頭。噴頭霧滴粒徑測試儀器為珠海歐美克公司生產(chǎn)的OMEC DP-2型霧滴粒徑儀。

農(nóng)藥霧滴沉積飄移測試平臺(tái)(圖1)基于比利時(shí)Advanced Agricultural Mesurement System公司(A.A.M.S.)生產(chǎn)的農(nóng)藥霧滴飄移潛力測試平臺(tái),改進(jìn)加裝霧滴沉積收集裝置，由霧滴飄移收集裝置和控制系統(tǒng)兩部分組成。霧滴飄移收集裝置由11 m×0.5 m的鋁型材臺(tái)架結(jié)構(gòu)組成，每隔0.5 m有0.5 m×0.2 m大小的凹槽，凹槽中可并列放置2～3個(gè)? 9 cm培養(yǎng)皿，作為飄移霧滴的收集單元，每個(gè)凹槽上面均有滑蓋，控制系統(tǒng)可同時(shí)打開或關(guān)閉所有滑蓋。霧滴沉積收集裝置是在霧滴飄移裝置臺(tái)架一側(cè)每隔3 m安裝霧滴沉積收集平臺(tái)，平臺(tái)上放置100 cm2大小的麥拉片，用于測量沉積分布霧滴的收集。

圖1 霧滴沉積與飄移潛力測試平臺(tái)結(jié)構(gòu)Fig.1 Droplet deposition and potential drift test bench

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1霧滴粒徑測試 隨機(jī)選定每種噴頭10個(gè)，分別重復(fù)3 次測量流量，選取流量測量值與標(biāo)準(zhǔn)值最接近噴頭作為測試噴頭[23]。采用OMEC DP-2型霧滴粒徑儀進(jìn)行測量，測試坐標(biāo)為(0，0，50 cm)，每次測試時(shí)間為60 s[25]，重復(fù)3次。噴霧壓力為0.2、0.3、0.4 MPa，噴霧采用常溫自來水。記錄DV10、DV50、DV90和100 μm以下的霧滴體積百分比(V100)，并計(jì)算霧滴譜相對(duì)寬度(RS)：

RS=(DV90-DV10)/DV50

(1)

式中，DV90為體積累加到90%時(shí)的霧滴直徑，μm；DV10為體積累加到10%時(shí)的霧滴直徑，μm；DV50為霧滴體積中徑，即為體積累加到50%時(shí)的霧滴直徑，μm。

1.2.2霧滴沉積與飄移潛力測試 試驗(yàn)在中國農(nóng)業(yè)大學(xué)藥械與施藥技術(shù)中心室外進(jìn)行，使用環(huán)境探測儀測試并記錄環(huán)境平均溫度為23 ℃，相對(duì)濕度范圍在50%～65%之間，風(fēng)速范圍為0～0.6 m·s-1，平均風(fēng)速為0.45 m·s-1。試驗(yàn)使用北京豐茂植保機(jī)械公司生產(chǎn)的3WX-400型噴桿噴霧機(jī)，噴幅為10 m，噴頭間距為0.5 m，工作壓力范圍0.2～0.4 MPa。調(diào)整噴頭高度距離霧滴沉積與飄移潛力測試平臺(tái)收集裝置為0.5 m，工作壓力分別為0.2、0.3和0.4 MPa，每個(gè)處理重復(fù)3次。

依據(jù)ISO24253-1田間噴霧沉積試驗(yàn)測試標(biāo)準(zhǔn)[24]和ISO22369-3農(nóng)藥飄移潛力測試平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)[22]，測試平臺(tái)放置在噴桿噴霧機(jī)一側(cè)，并與噴桿噴霧機(jī)作業(yè)方向平行，與拖拉機(jī)中心距離為2 m(圖1)。在每個(gè)凹槽中并列放入2個(gè)? 9 cm培養(yǎng)皿收集飄移霧滴，在沉積收集平臺(tái)每隔0.5 m放置一面積為100 cm2的麥拉片收集沉積霧滴。噴霧機(jī)行走方向見圖1，作業(yè)長度51 m，起步正常噴灑到測試平臺(tái)為20 m，經(jīng)過所有的收集裝置后繼續(xù)行走噴霧作業(yè)20 m。試驗(yàn)前，將無蓋培養(yǎng)皿放入凹槽，關(guān)閉滑蓋，當(dāng)噴桿噴霧機(jī)行駛至其上噴頭距平臺(tái)末端的凹槽2 m時(shí)，控制系統(tǒng)打開滑蓋，凹槽內(nèi)培養(yǎng)皿實(shí)時(shí)定點(diǎn)收集飄移霧滴，在滑蓋打開時(shí)開始計(jì)時(shí)，收集時(shí)間為60 s，然后多人同時(shí)迅速蓋上培養(yǎng)皿蓋子，按順序標(biāo)號(hào)并收集，同時(shí)用自封袋收集測試霧滴沉積分布的麥拉片。試驗(yàn)時(shí)，使用5%檸檬黃(上海染料研究所有限公司)作為示蹤物，配制水溶液進(jìn)行測試。將收集的樣品用去離子水洗脫后，使用可見分光光度計(jì)(上海儀電分析儀器有限公司)測定洗脫液吸光度。

1.2.3霧滴沉積和飄移潛力計(jì)算 根據(jù)ISO24253-1田間噴霧沉積試驗(yàn)測試標(biāo)準(zhǔn)[24]和ISO22369-3農(nóng)藥飄移潛力測試平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)[22]，霧滴沉積量和霧滴飄移量計(jì)算公式如下。

βdep或Di=[(ρsmpl-ρblk)×Vdil)]/[ρspray×Acol]

(2)

式中，βdep為單位面積霧滴沉積量，μL·cm-2；Di為單位面積霧滴飄移量，μL·cm-2；ρsmpl為洗脫液吸光度；ρblk為去離子水吸光度；Vdil為加入的洗脫液體積，μL；ρspray為標(biāo)定液吸光度；Acol為收集器面積，cm2。

飄移潛力(dPV)計(jì)算公式為(3)。

dPV= ∑Di/dRS×100%

(3)

式中，dPV為飄移潛力；dRS為理論噴單位面積沉積量，μL·cm-2。

1.3 數(shù)據(jù)分析

本文中所有數(shù)據(jù)采用EXCEL2010分析和制表，采用SPSS17.0進(jìn)行差異性顯著分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 霧滴粒徑及分布

霧滴粒徑是衡量藥液霧化程度和比較各類噴頭霧化質(zhì)量的主要指標(biāo)，決定了農(nóng)藥霧滴的覆蓋密度和飄失性能，是選用噴頭的主要參數(shù)。霧滴粒徑及分布測試結(jié)果見表1，所測標(biāo)準(zhǔn)扇形霧和射流噴頭的霧滴粒徑均隨噴霧壓力的增大而減小,霧滴譜相對(duì)寬度隨噴霧壓力增大而增大，射流噴頭霧滴粒徑大于標(biāo)準(zhǔn)扇形霧噴頭。根據(jù)霧滴分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[24]，ST110-03和LU120-03噴頭在0.2和0.3 MPa噴霧壓力條件下霧滴為細(xì)霧，在0.4 MPa噴霧壓力條件下，為非常細(xì)霧；ST110-05和LU120-05噴頭在所測三種噴霧壓力條件下霧滴均為細(xì)霧；LU型噴頭與ST型噴頭相比，霧滴譜相對(duì)寬度較窄，霧滴粒徑分布相對(duì)均勻。從表1可以看出，在三種噴霧壓力條件下，IDK120-03噴頭霧滴為中等霧，IDK120-05為粗霧和中等霧，IDKT120-03為粗霧，IDKT120-05為粗霧和中等霧。IDK型噴頭與IDKT噴頭相比，霧滴譜相對(duì)寬度較窄。在相同壓力條件下，ST、LU、IDK噴頭隨型號(hào)和流量增大，霧滴粒徑增大，但I(xiàn)DKT噴頭，隨型號(hào)和流量增大，霧滴粒徑減小。射流噴頭采用文丘里原理，當(dāng)高壓藥液進(jìn)入噴頭，空氣亦經(jīng)空氣孔被吸進(jìn)噴頭，氣液混合經(jīng)噴孔噴出后，形成液包氣泡霧滴，霧滴體積變大。當(dāng)霧滴到達(dá)作物表面時(shí)，含有氣泡的霧滴與作物表面發(fā)生碰撞、破碎，破碎后沉積在作物表面的霧滴粒徑及分布密度還有待于進(jìn)一步研究。

2.2 霧滴沉積分布

所測噴頭霧滴沉積分布特點(diǎn)見表2，在相同噴霧壓力條件下，型號(hào)大小相同噴頭霧滴沉積量IDKT120>IDK120>LU120>ST110，經(jīng)單因素方差分析，在0.2 MPa噴霧壓力較低條件下，4種03號(hào)噴頭霧滴沉積量無顯著性差異，但壓力升高到0.3和0.4 MPa時(shí)，03號(hào)兩種射流噴頭霧滴沉積量顯著高于兩種標(biāo)準(zhǔn)扇形霧噴頭(P<0.05)。05號(hào)噴頭中，IDKT120噴頭霧滴沉積量在0.2和0.3 MPa時(shí)顯著高于其他三種噴頭，在0.4 MPa時(shí)與IDK120無顯著性差異，但顯著高于ST110和LU120(P<0.05)。霧滴粒徑大小影響霧滴沉積量，隨著壓力升高，標(biāo)準(zhǔn)扇形霧噴頭V100顯著增大，導(dǎo)致霧滴飄移量增加，沉積量減少。采用變異系數(shù)衡量霧滴沉積分布均勻性，所測噴頭霧滴分布變異系數(shù)均小于8.5%，分布均勻性較好。射流噴頭均隨噴霧壓力的增大，霧滴粒徑減小，霧滴分布變異系數(shù)減小，均勻性提高。

表2 不同噴霧壓力條件下噴頭霧滴沉積量及分布Table 2 Droplet deposition and coefficient of nozzles variation under different pressures

2.3 不同噴頭霧滴的飄移特性

2.3.1不同噴頭霧滴飄移量 使用農(nóng)藥霧滴飄移測試系統(tǒng)對(duì)不同噴頭農(nóng)藥霧滴飄移特性進(jìn)行測試，從圖2可以看出，相同噴霧壓力條件下，標(biāo)準(zhǔn)扇形霧噴頭霧滴飄移量遠(yuǎn)大于射流噴頭，射流噴頭單位面積上的最大飄移量均在0.05 μL·cm-2以下,而普通扇形霧噴頭單位面積上的最大飄移量均達(dá)到了0.20 μL·cm-2以上。各噴頭霧滴飄移量均隨霧滴收集距離增大而呈現(xiàn)減小趨勢，而且飄移均主要集中在前5 m，尤其是標(biāo)準(zhǔn)扇形霧，在0～5 m處的每個(gè)霧滴飄移收集點(diǎn)處單位面積的飄移量之和遠(yuǎn)大于5～10 m處。隨著噴霧壓力增加，噴頭霧滴的飄移量均增加，壓力對(duì)標(biāo)準(zhǔn)扇形霧噴頭霧滴飄移影響來說更加明顯。除IDKT噴頭外，其他05號(hào)噴頭和相應(yīng)類型的03號(hào)噴頭對(duì)比結(jié)果表明，隨著噴頭型號(hào)增加，單位面積的飄失量相應(yīng)減小。

2.3.2不同噴頭霧滴飄移潛力 由式(3)可計(jì)算出各噴頭霧滴飄移潛力(potential drift value,DPV)，結(jié)果見表3，可以看出所測噴頭飄移潛力均隨噴霧壓力增大而增大，標(biāo)準(zhǔn)扇形霧噴頭隨噴霧壓力增大飄移潛力顯著性增大，而射流噴頭飄移潛力增大不顯著(P>0.05)。ST、LU和IDK均隨著型號(hào)的增加其飄移潛力相對(duì)減小，而IDKT相反，IDKT120-05的霧滴粒徑小于IDK120-03，因此其DPV大于IDK120-03。所測標(biāo)準(zhǔn)扇形霧噴頭DPV顯著高于射流噴頭(P<0.05)，標(biāo)準(zhǔn)扇形霧噴頭ST和LU之間DPV無顯著性差異，射流噴頭IDK和IDKT之間DPV無顯著性差異(P>0.05)。分別以ST110-03和ST110-05在0.3 Mpa下的DPV為標(biāo)準(zhǔn)來計(jì)算相應(yīng)型號(hào)射流噴頭的防飄效果(表4)，可以看出，射流噴頭與ST噴頭相比，相對(duì)防飄能力均在55%以上。

圖2 不同噴霧壓力條件下03號(hào)和05號(hào)噴頭霧滴飄移特性Fig.2 Droplets drift character of No.03 and No.05 nozzles under different pressures

3 討論

標(biāo)準(zhǔn)扇形霧噴頭和射流噴頭均隨噴霧壓力增大，霧滴粒徑減小，霧滴譜寬增大，V100增大。標(biāo)準(zhǔn)扇形霧噴頭霧滴為細(xì)霧和非常細(xì)霧，V100最高值為26.46%，LU型噴頭與ST型噴頭相比，霧滴譜相對(duì)寬度較窄，霧滴粒徑分布相對(duì)均勻。射流噴頭霧滴為中等霧和粗霧，V100最高值僅為5.28%，IDK型噴頭與IDKT噴頭相比，霧滴譜相對(duì)寬度較窄。

在相同噴霧壓力條件下，相同型號(hào)噴頭在裸地霧滴沉積量IDKT120>IDK120>LU120>ST110，雙扇面射流噴頭霧滴沉積量最高。隨著噴霧壓力升高，標(biāo)準(zhǔn)扇形霧噴頭V100增高，霧滴飄移增加，射流噴頭霧滴沉積量顯著高于標(biāo)準(zhǔn)扇形霧噴頭(P<0.05)，小型號(hào)噴頭變化更為顯著。霧滴沉積分布均勻性均較好，變異系數(shù)低于8.5%，但射流噴頭液包氣霧滴二次霧化后，沉積在靶標(biāo)上的霧滴粒徑及分布密度還有待于進(jìn)一步研究。

標(biāo)準(zhǔn)扇形霧噴頭和射流噴頭均隨噴霧壓力增大，霧滴飄移量增加，飄移潛力值DPV增大，飄移均主要集中在測試平臺(tái)霧滴收集距離前5 m處。標(biāo)準(zhǔn)扇形霧噴頭DPV顯著高于射流噴頭(P<0.05)，射流噴頭與ST噴頭相比，相對(duì)防飄能力均在55%以上。

表3 不同噴霧壓力條件下噴頭霧滴飄移潛力DPVTable 3 Potential drift value of nozzle under different pressure

表4 不同噴霧壓力條件下射流噴頭相對(duì)ST型噴頭防飄能力值Table 4 Drift reduction value of anti-drift nozzles compared with ST

本試驗(yàn)是在室外平均風(fēng)速為0.45 m·s-1條件下進(jìn)行測試，噴頭霧滴粒徑影響霧滴沉積和飄移，尤其是V100霧滴，但標(biāo)準(zhǔn)扇形霧噴頭和射流噴頭對(duì)風(fēng)速、溫度、濕度等環(huán)境因素及藥液理化特性的適應(yīng)性，IDKT雙扇面噴頭對(duì)霧滴在冠層內(nèi)的穿透性、沉積性，還有待于進(jìn)一步研究。