冠層推撥裝置對噴桿噴霧機霧滴飄失與沉積特性的影響

王士林 李雪 雷嘵暉 顧煬 HERBST Andreas BONDS Jane 呂曉蘭

摘要 ：噴桿噴霧機具有作業效率高、霧滴覆蓋率高、沉積分布均勻、防治效果好等優點，是目前大田作物最主要的施藥機具。但受作物冠層遮擋和側風等氣象條件的影響，導致噴桿噴霧機作業時霧滴難以穿透到植株中下部并伴隨飄失。為改善噴桿噴霧機噴霧霧滴在作物冠層的穿透性并降低飄移量，本文優化設計了一種適用于大田作物的噴桿噴霧機冠層推撥裝置。并分別使用兩種噴頭（標準扇形霧噴頭ST11002、射流噴頭IDK12002）對該裝置的減飄性和在小麥上的沉積特性進行了對比試驗。結果表明：該冠層推撥裝置對標準扇形霧噴頭ST11002的減飄效果強于射流噴頭IDK12002，其減飄效果分別為59.0%和9.5%;冠層推撥裝置可以提高藥液的沉積率，對于ST11002噴頭可增加18.0%，IDK12002噴頭增加了8.6%;同時該推撥裝置對小麥植株的推撥作用增加了霧滴向冠層中下方的穿透效果，有利于藥液在植株上的均勻沉積。

關鍵詞 ：噴桿噴霧機; 推撥裝置; 飄失; 霧滴; 沉積

中圖分類號：

S 491文獻標識碼： A

DOI： 10.16688/j.zwbh.2019541

Influences of canopypushing plate on droplet drift and deposition characteristics of boom sprayer

WANG Shilin1，2， LI Xue1，2， LEI Xiaohui1， GU Yang1， HERBSTAndreas3， BONDS Jane4， L Xiaolan1，2*

（1. Institute of Agricultural Facilities and Equipment， Jiangsu Academy of Agricultural Sciences， Nanjing 210014， China;

2. Key Laboratory of Agricultural Engineering in the Middle and Lower Reaches of Yangtze River， Ministry of Agriculture and

Rural Affairs， Nanjing 210014， China; 3. Institute for Chemical Application Technology of JKI， Braunschweig D38104，

Germany; 4. Bonds Consulting Group LLC， Panama City Florida 32408， USA）

Abstract ：Boom sprayer is one of the most important sprayers for field crops due to its advantages of high working efficiency， droplet coverage， uniform droplet distribution and good biological control effect. However， due to the density of plant canopy and meteorological conditions such as crosswind， the droplets are very difficult to penetrate into the middle and lower parts of the plant and tend to drift into nontarget areas. In order to improve the penetrability of droplets in crop canopy and reduce the potential spray drift of boom sprayer， a canopypushing plate of boom sprayer was designed and optimized. Two kinds of nozzles （standard flat fan nozzle ST11002 and air injection nozzle IDK12002） were used to compare the characteristics of drift reduction and droplet deposition on wheat between conventional boom sprayer and canopypushing plate boom sprayer. The results showed that the pushing plate could effectively reduce drift， and the effect on the standard flat fan nozzle ST11002 was stronger than on the air injection nozzle IDK12002. The drift reduction rates in ST11002 and IDK12002 nozzle were 59.0% and 9.5%， respectively. The canopypushing plate could increase the deposition rate of spray liquid by 18.0% for the ST11002 nozzle and 8.6% for the IDK12002 nozzle. Whats more， the canopypushing plate could also improve the penetration effect of droplets into the lower parts of canopy， which is favorable for the uniform deposition of the spray liquid on the plant.

Key words ：boom sprayer; canopypushing plate; drift; droplet; deposition

噴桿噴霧機的作業效率高，藥液噴灑均勻、防治效果好，因此被廣泛用于小麥、水稻、玉米等大田作物的病蟲草害防治[12]。隨著我國農業種植規模的不斷擴大，噴桿噴霧技術發揮了越來越重要的作用并成為了國內應用最為廣泛的植保機具，目前國內約有52.25%的農戶選擇自走式噴桿噴霧機進行田間施藥[34]。

然而，噴桿噴霧機在進行施藥作業時，其噴霧扇面內的細小霧滴極易在周圍氣流的脅迫之下運動至遠離靶標區域的范圍，造成農藥的飄失與浪費、降低病蟲害的防治效果，甚至會引起非靶標區域作物藥害以及環境污染等問題[57]。此外，由于稻、麥等防治作物種植密度較大，葉片交錯重疊，導致噴桿噴霧機噴灑出的農藥霧滴難以穿透作物冠層而沉積到植株中下部位[8]，這在一定程度上降低了作物冠層中下部位病蟲害的防治效果。

為有效降低噴桿噴霧機作業過程中農藥霧滴的飄移并提高霧滴在作物冠層內的穿透效果，科研人員先后對噴桿噴霧機的噴桿結構[9]、減震裝置[10]和智能控制系統[11]等進行了深入研究，但這些研究僅是改善了農藥霧滴的沉積分布均勻性，并沒有解決農藥的飄失與穿透效果差的問題。在隨后的研究中發現通過改變噴頭周圍氣流的速度和方向，使氣流運動利于霧滴的沉降，可以增加霧滴在作物冠層的沉積并減少霧滴向非靶標區域飄失，由此風幕裝置[12]和罩蓋推撥裝置[1314]開始被用于噴桿噴霧機上。

風幕裝置是在噴桿噴霧機的噴桿部分上加裝風機或風筒等，以在噴桿噴霧機噴霧方向上產生輔助氣流帶動噴霧霧滴向靶標移動，從而增加農藥霧滴的穿透效果并降低飄失[15]。罩蓋推撥裝置是通過在噴桿上增加導流板來引導和改變噴頭周圍氣流運動的路徑，同時對防治作物產生推撥作用而促進霧滴向冠層中下部位的沉積。相比而言，罩蓋推撥裝置結構簡單、投入成本更低、更有利于大規模的推廣應用[14]。因此本文優化設計了一種冠層推撥裝置，并對安裝該裝置的噴桿噴霧機的霧滴飄移及田間沉積效果進行了對比試驗，以期降低噴桿噴霧機施藥時的農藥飄移并提高霧滴的沉積效果。

1 材料與方法

1.1 推撥裝置結構參數

推撥裝置的作用原理如圖1所示：作業前噴桿噴霧機通過液壓驅動噴桿的升降，使得推撥裝置深入到作物冠層內部，當噴桿噴霧機行駛作業時推撥裝置在噴桿的帶動下將作物冠層撥開，使得噴頭噴出的農藥霧滴噴施到冠層內部[16]，同時推撥裝置對外界自然風形成了阻擋作用降低了農藥霧滴的飄失風險。

為有效提升推撥裝置的防飄與促沉降效果并提升其結構剛度，參照張京等[17]在風洞和田間對不同結構參數的推撥裝置的對比試驗結果，利用有限元理論找出推撥裝置固定支架的應力集中部位，并在其原有結構基礎上進行拓撲優化設計，以增強其結構強度和機械抗震性。最終確定推撥裝置的結構如圖2所示：固定支架為平行四邊形結構，相鄰兩邊長分別為250、350 mm（其中250 mm為豎直方向的邊長），夾角為50°，支架寬為30 mm，板厚為4 mm。在平行四邊形固定支架的右上角內部（相鄰兩邊長度的三分之一處）增加一條加強筋，厚度為4 mm。推撥板寬為350 mm，固定在支架下方，與水平方向的夾角為40°。噴頭位于固定支架右上角，方向與推撥板平行，噴頭安裝間距為50 cm。

1.2 試驗方法

為研究所設計冠層推撥裝置對噴桿噴霧機施藥霧滴的飄移與沉積特性的影響，將該冠層推撥裝置安裝于3WZP600型自走式水旱兩用噴桿噴霧機（山東綠田農業機械有限公司）與未安裝推撥裝置的該噴桿噴霧機進行對比試驗。噴桿噴霧機的噴幅寬度為12 m，噴頭間距為0.5 m，試驗分別選用標準扇形霧噴頭ST11002與射流噴頭IDK12002進行，兩種噴頭的噴霧壓力均為0.3 MPa。試驗期間安裝冠層推撥裝置與未安裝推撥裝置條件下的噴桿噴霧機行進速度分別為1.18 m/s和1.21 m/s，噴霧壓力為0.3 MPa，單噴頭的流量均為0.80 L/min。為對霧滴的飄移與沉積進行定量，向噴霧液中加入質量分數為2.5%的誘惑紅作為示蹤劑，試驗結束后對所收集的樣品進行洗脫并測定洗脫溶液的吸光值。

1.2.1 霧滴飄失測試

根據ISO223693農藥飄移潛力測試平臺試驗標準[18]對噴桿噴霧機的飄移特性進行測定，該平臺（見圖3）是在比利時由Advanced Agricultural Measurement System公司（A.A.M.S.）生產，它由垂直桿、霧滴沉積和飄移收集裝置和控制單元組成。控制單元由電控系統、氣泵和電池組成，電控系統的開關通過電信號與氣動聯動開啟或閉合霧滴飄移收集裝置上方的滑蓋。

當待測噴桿噴霧機以平行于平臺的霧滴沉積和飄移收集裝置方向前進時，噴出的粒徑較大的霧滴會直接沉積到噴桿正下方區域，而粒徑較小的潛在飄移霧滴會在空中懸浮并增加沉降時間，當噴桿噴霧機行駛至垂直桿處噴桿會觸碰垂直桿，此時控制單元接收信號后由氣動閥打開霧滴飄移收集裝置上方的滑蓋進而收集潛在飄移霧滴。同時霧滴飄移測試系統的前端有兩個暴露的凹槽可放置培養皿用于收集噴霧扇面內沉積霧滴與空中飄移霧滴沉降后沉積量的總和。霧滴飄移收集裝置長度為11 m，每隔0.5 m處有一個凹槽（共計22個）用于擺放培養皿作為飄移霧滴的收集單元，每個凹槽上面均有滑蓋，控制系統可同時打開或關閉所有滑蓋。

待測噴桿噴霧機的飄移特性表示為飄移潛力（dPV），其計算公式如下：

dPV=∑Di/dRS×100%（1）

式中：Di是單位面積飄移量，單位：μL/cm2;dRS是單位面積總的沉積量，單位：μL/cm2;dPV是飄移潛力值，單位：%。

1.2.2 霧滴田間沉積效果

試驗在灌漿期的麥田進行，小麥株高約60 cm，株密度為667株/m2，試驗期間田間溫度為21.6～22.9℃，相對濕度48.5%～56.7%。根據ISO242531田間噴霧沉積試驗測試標準[19]對噴桿噴霧機的沉積效果進行測定，分別對比安裝標準扇形霧噴頭ST11002與射流噴頭IDK12002時冠層推撥裝置對霧滴沉積效果的影響，噴霧完成后在各處理作業區內隨機選取5個采樣點，每個采樣點收集不少于10株小麥。采樣后將各采樣點小麥植株剪切為等高的三段，由上到下分別為上層、中層和下層，對各層植株進行稱重后洗脫并測定洗脫液吸光值，

根據式（2）計算各層植株上的沉積量Vs，并基于各層植株高度計算單位高度上的藥液沉積量d（式3）。

Vs=Vw×FLsN×FLa×103（2）

d=Vsl（3）

式中Vs為靶標沉積量，μL;Vw為洗脫液體積，mL;FLs為洗脫液吸光值;FLa為噴霧液稀釋液的吸光值;N為噴霧液的稀釋倍數;d為單位高度沉積量，μL/cm;l為植株各層的高度，cm。

2 結果與分析

2.1 霧滴飄移測試結果

圖5顯示使用標準扇形霧噴頭ST11002時常規噴桿噴霧機與推撥噴桿噴霧機在不同距離下的霧滴飄移量。ST110型噴頭作為目前噴桿噴霧機使用最為廣泛的標準扇形霧噴頭之一，使用該類型噴頭的霧滴飄移量能夠極大程度上反應噴桿噴霧機作業時噴霧霧滴的飄移情況，由圖5可知霧滴的飄移量隨著距離的增加均呈減少趨勢且在各距離下常規噴桿噴霧機的霧滴飄移量均大于推撥噴桿噴霧機，結果表明在噴桿噴霧機上加裝的該推撥裝置可有效減少霧滴的飄移，從而改善霧滴沉積的靶向性。

圖6顯示使用射流噴頭IDK12002時常規噴桿噴霧機與推撥噴桿噴霧機在不同距離下的霧滴飄移量。IDK型噴頭又名空氣誘導型扇形噴頭，與常規標準扇形霧噴頭相比，IDK型噴頭內部包含由噴射器與進氣口形成的文丘里結構[20]，因而提前了IDK12002噴頭噴霧液膜的霧化過程并增大了其霧滴粒徑。在0.3 MPa噴霧壓力下IDK12002的霧滴粒體積中值中徑約為350 μm，遠大于標準扇形霧噴頭ST11002約為170 μm的粒徑[21]，因此IDK型噴頭具有較好的防飄移效果常被用于噴桿噴霧機噴施除草劑與植物生長調節劑。由于IDK120型噴頭具有防飄移作用，因此圖6所顯示的使用該噴頭的常規噴桿噴霧機與推撥噴桿噴霧機在不同距離下的霧滴飄移量并沒有明顯的差異。

為更為直觀地對該推撥裝置的防飄效果進行定量，分別計算使用兩種噴頭時常規噴桿噴霧機與推撥噴桿噴霧機的飄移潛力，并以常規噴桿噴霧機的飄移潛力為基準計算使用兩種噴頭時推撥噴桿噴霧機的減飄率。表1顯示使用兩種噴頭時常規噴桿噴霧機與推撥噴桿噴霧機的霧滴飄移潛力與減飄率，結果顯示使用標準扇形霧噴頭ST11002時常規噴桿噴霧機的飄移潛力為39.7%，增加推撥裝置的噴桿噴霧機的飄移潛力為16.3%;使用射流噴頭IDK12002時常規噴桿噴霧機的飄移潛力為14.3%，增加推撥裝置的噴桿噴霧機的飄移潛力為12.9%。減飄率的結果顯示當使用標準扇形ST11002噴頭時推撥裝置的減飄率可達59.0%，使用射流噴頭IDK12002時推撥裝置的減飄率為9.5%。以上結果表明：在噴桿噴霧機上加裝該推撥裝置可以有效減少傳統標準扇形霧噴頭作業時霧滴的飄移;而該裝置對防飄噴頭的減飄效果有所下降，但該裝置在一定程度上能夠進一步降低防飄噴頭的霧滴飄移。

2.2 霧滴田間沉積結果

圖7為使用標準扇形噴頭ST11002時常規噴桿噴霧機與推撥噴桿噴霧機施藥在小麥上的沉積結果。常規噴桿噴霧機在小麥植株上、中、下層的沉積量分別為7.94、2.93 μL/cm和3.44 μL/cm;而增加推撥裝置的噴桿噴霧機在小麥植株上、中、下層的沉積量分別為9.03、3.53 μL/cm和4.33 μL/cm。與常規噴桿噴霧機相比，加裝推撥裝置后霧滴在小麥植株上、中、下三層的沉積量分別增加了13.7%、20.5%和25.8%，藥液在小麥植株上的總沉積量增加了18.0%。這一結果表明該推撥裝置可以有效提高農藥霧滴的有效利用率，而增加的這部分霧滴的有效利用率主要來源于推撥裝置的防飄作用。

圖8為使用射流噴頭IDK12002時常規噴桿噴霧機與推撥噴桿噴霧機施藥在小麥上的沉積結果。常規噴桿噴霧機在小麥植株上、中、下層的沉積量分別為7.14、4.33 μL/cm和3.08 μL/cm;而增加推撥裝置的噴桿噴霧機在小麥植株上、中、下層的沉積量分別為7.39、4.99 μL/cm和3.42 μL/cm。與常規噴桿噴霧機相比，加裝推撥裝置后霧滴在小麥植株上、中、下三層的沉積量分別增加了3.5%、15.2%和11.0%，藥液在小麥植株上的總沉積量增加了8.6%。與使用標準扇形噴頭ST11002的沉積結果相對比發現，射流噴頭IDK12002對提高農藥霧滴有效利用率的作用效果有所下降，這是由于IDK12002噴頭具備防飄作用弱化了該推撥裝置的作用效果，這一結果與霧滴的飄移測試結果相一致，這也進一步說明了該推撥裝置可以改變噴頭周圍的氣流運動而起到減飄的作用。

農藥霧滴的有效沉積率是病蟲害有效防治的前提，而防治效果的好壞與藥液在植株上的沉積分布均勻效果有直接的關系。為驗證該推撥裝置對霧滴在小麥植株冠層中下部位的沉積效果，引入變異系數作為霧滴在植株冠層各層沉積分布均勻性的評價指標，變異系數越小說明霧滴在各層的沉積均勻性越好。表2為使用兩種噴頭時常規噴桿噴霧機和推撥噴桿噴霧機在小麥植株冠層上沉積量的變異系數結果，結果顯示加裝推撥裝置可使標準扇形噴頭ST11002沉積量的變異系數由57.8%降低到52.4%，IDK12002沉積量的變異系數由43.8%降低到38.7%，由此可知推撥裝置促進了霧滴向小麥植株中下層部分的沉積，提高了霧滴在植株上、中、下層沉積分布的均勻性，更有利于植株中下部位病蟲害的防治效果。

3 結論與討論

噴桿噴霧機是目前我國大田糧食作物病蟲草害防治最為有效的施藥機具，但其噴霧霧滴的飄移和在作物冠層中下部穿透效果在一定程度上降低了農藥的有效利用率和沉積分布效果。為改善噴桿噴霧機噴霧霧滴在作物冠層的穿透性并降低農藥的飄移量，優化設計了該噴桿噴霧機冠層推撥裝置。

分別使用兩種噴頭（標準扇形霧噴頭ST11002、射流噴頭IDK12002）對該冠層推撥裝置的減飄性和在小麥上的沉積特性進行了對比試驗。試驗結果表明該冠層推撥裝置可降低噴桿噴霧機施藥作業時農藥霧滴的飄移量，且該冠層推撥裝置對標準扇形霧噴頭ST11002的減飄效果強于具有防飄效果的射流噴頭IDK12002，其減飄效果分別為59.0%和9.5%;同時該冠層推撥裝置還可以提高農藥霧滴的有效沉積率和霧滴在小麥植株上沉積的均勻性，當噴桿噴霧機使用標準扇形霧噴頭ST11002時可提高18.0%的藥液沉積率，使用射流噴頭IDK12002時可增加8.6%的藥液利用率。

農藥利用率是衡量施藥水平的重要指標，也是評價農藥減量增效的重要指標。施藥器械是影響農藥綜合利用率的主要影響因素，為提高農藥的有效利用率國內外先后研發了多種先進的施藥機具，如對靶噴霧機、仿形噴霧機、變量噴霧機和靜電噴霧機等，但這些新型的施藥機具往往成本較高，極大程度地限制了其應用推廣。本文中所優化設計的冠層推撥裝置成本較低，易于在目前廣泛使用的噴桿噴霧機上進行改裝，同時具有減少飄失、提高農藥利用率和霧滴穿透性等多重效果，為促進我國農藥使用零增長具有較好的推廣價值。

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（責任編輯：田 喆）