農藥液滴在玉米葉片表面鋪展面積的影響因素

高 榮，黃路生，文 晟，尹選春，張建桃,3

農藥液滴在玉米葉片表面鋪展面積的影響因素

高 榮1,2，黃路生1,2，文 晟2，尹選春2，張建桃1,2,3※

（1. 華南農業大學數學與信息學院，廣州 510642；2. 國家精準農業航空施藥技術國際聯合研究中心，廣州 510642；3. 農業農村部華南熱帶智慧農業技術重點實驗室，廣州 510642）

農藥液滴在植物葉面上最大鋪展面積，決定了農藥有效成分作用范圍、蒸發時間和葉面吸收效果。為了探究液滴粒徑、農藥潤濕性能和葉面傾角對液滴在玉米葉面上鋪展面積的影響機理，通過試驗方式產生548、675、756、877、973m粒徑的液滴，利用質量分數為0、0.005%、0.01%、0.1%的OP-10表面活性劑代表潤濕性能不同的農藥，設定葉面傾角為0°、15°、30°、45°、60°、75°，進行全因子試驗。結果表明：液滴粒徑、表面活性劑濃度、葉面傾角均對鋪展面積影響顯著（<0.001），三者增大均能提高液滴在玉米葉面上的最大鋪展面積。在不同角度下，增大液滴粒徑和溶液的潤濕性能都能增加液滴在玉米葉面上的鋪展面積。藥液潤濕性能差時，鋪展面積隨葉面傾角的變化不夠明顯，潤濕性能較好時，鋪展面積呈現出隨葉面傾角先上升后下降的趨勢，粒徑為548m液滴鋪展面積的最大值出現在葉面傾角45°左右。通過表面活性劑的單位濃度鋪展面積評估了不同濃度的OP-10液滴的鋪展能力，發現0.005%鋪展能力大于其他濃度，說明在溶液中加入少量OP-10就可以顯著改變溶液潤濕性能。研究結果有助于理解葉面鋪展潤濕機理，并為通過調控農藥潤濕性能和藥液粒徑來實現農藥減量增效提供了理論支撐。

農藥液滴；潤濕性能；鋪展面積；表面活性劑；液滴粒徑；黏附功

0 引 言

農藥的低效利用導致大量化學成分進入生態環境，對空氣、水體和土壤造成嚴重的污染，同時造成了許多資源浪費。農藥施用主要通過噴霧方式[1-2]，然而大部分農藥液滴極其容易在靶標葉片表面蒸發、反彈、滾落，大約只有0.1%的農藥有效成分達到了施用目標[3]。農藥液滴在植物葉片上的鋪展面積影響農藥有效成分的作用范圍[4]、蒸發時間[5-6]和葉面吸收效果[7]。調控農藥液滴在植物葉片上的鋪展面積是提高農藥利用率的有效途徑，對實現農藥減量增效和降低環境污染有重要作用。

農藥霧滴在植物葉片表面的潤濕性能是決定鋪展面積的關鍵因素。植物葉片表面主要為外蠟質層，其化學成分[8-9]、表面拓撲形貌[10]及表面自由能等[2,11-12]，共同決定了植物葉面的被潤濕能力。植物葉面特性是固有屬性，在實際農業生產中很難通過改變葉面特性來提高農藥霧滴的鋪展面積，一般只能通過提高對不同葉面特性的認知水平來開發或選擇適合的農藥[12]。前人研究表明，在農藥制劑中添加適宜的表面活性劑是提高藥液對靶潤濕的有效方法[11]。Xu等[13]研究了4種不同濃度的助劑在蠟質和多毛植物葉面上鋪展、蒸發的過程，發現液滴的鋪展面積隨助劑濃度的增加而增加，并在一定濃度下達到峰值；不同種類的助劑在兩種植物葉面上的最大鋪展面積不同，通過調控助劑濃度和種類可以增加不同作物表面上的農藥霧滴的覆蓋面積，從而實現農藥減量增效的目的。Kraemer等[14]將0.5和1L草甘膦溶液滴加到難潤濕和易潤濕的兩種植物葉片表面上，液滴蒸發后觀察液滴擴散面積和草甘膦殘留痕跡，發現在難潤濕葉片上，液滴體積從0.5增加至1L，其鋪展面積僅略微增加；在易潤濕葉片上，鋪展面積顯著增大；當在草甘膦溶液中加入表面活性劑時，兩種葉片上的鋪展面積都有所增大，但難潤濕葉片上鋪展面積增加更為明顯。Oliveira等[15]研究了4種粒徑的2,4-D除草劑液滴在雜草葉面的鋪展。結果表明，800和950m的液滴顯著增加了除草劑在了兩種雜草葉表面的滯留量，且液滴滯留量與葉片表面特性和溶液的物理和化學性質高度相關。上述研究充分說明了液滴在植物葉面上的鋪展面積與液滴粒徑、溶液性質有關，且兩者存在一定交互作用。在實際生產過程中農藥液滴需要在不同角度的植物葉面上附著、鋪展，目前有關液滴在植物葉面上鋪展行為的研究大多集中于平面研究上，而對斜面上的液滴行為研究較少[16]。文獻[17-20]研究發現，葉片傾角對液滴在植物葉面上的覆蓋面積、覆蓋率有顯著影響，但試驗均采用大規模噴霧方式，藥液呈霧滴群形態撞擊到植物葉面，液滴的粒徑、飛行速度無法保持在同一水平，由粒徑、速度造成的鋪展面積增加無法評估，所以本文設計單液滴試驗來保證液滴粒徑和速度相對固定。

綜上所述，研究傾斜葉片上的霧滴潤濕展布現象對提高農藥有效利用率和降低農藥面源污染有重要的實際意義，但目前相關研究還不夠充足。本文通過試驗測定了不同濃度的非離子表面活性劑OP-10溶液在玉米葉面上的潤濕性能，篩選出潤濕性有明顯差異的4種濃度，利用液滴發生器產生5種粒徑的單個液滴，對其在不同傾角的玉米葉片上的鋪展面積開展研究。分析液滴粒徑、溶液潤濕性能和葉面傾角對鋪展面積的影響及其交互影響，以期為提高農藥有效利用率提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗采用非離子表面活性劑OP-10（烷基酚聚氧乙烯醚，天津市科密歐化學試劑有限公司）配置成不同濃度的水溶液，用于改變液滴在玉米葉面上的潤濕性能。OP-10是農藥制劑中常用的潤濕劑、展著劑，調控其濃度可以實現不同的潤濕效果；染色劑誘惑紅（純度99%，河南祥意商貿有限公司）；去離子水；新鮮玉米葉片（品種為金香糯），取拔節期玉米葉片進行試驗。

1.2 儀器與設備

全自動水滴角測試儀（型號CAPST-2000At，東莞市普賽特檢測設備有限公司）；自動表面張力儀（型號EZ-Pi Plus，芬蘭Kibron公司）；體式顯微鏡（型號SZX16，日本Olympus公司）；液滴發生器（Ultimus I-II型高精度點膠機，美國EFD公司，OLF750AF型氣體壓縮機，上海捷豹壓縮機制造有限公司）；自制可調整角度的斜板。

1.3 研究方法

1.3.1 溶液表面張力及在玉米葉片上潤濕性能測定

試驗采用去離子水與OP-10試劑配制5種濃度的OP-10水溶液，質量分數分別為0.001%、0.005%、0.01%、0.05%、0.1%（溶液配置后2 h內完成試驗）。然后，通過自動表面張力儀，使用Wilhelmy平板法，測量不同濃度溶液的表面張力，每種濃度重復測量10次，取平均值，試驗溫度為（25±1）℃，相對濕度（67±5）%。

接觸角測定：取拔節期新鮮玉米葉片，沿玉米主葉脈對稱剪下3×3 cm部分作為試驗樣本，保持自然狀態平整地固定在全自動水滴角測試儀的載物臺上，用微量注射器將2L液滴點滴在玉米葉面上，用全自動水滴角測試儀上的CCD攝像頭每10 s攝下葉面上的液滴，輸入電腦，用測試儀內置的擬合分析法計算出各濃度OP-10液滴在玉米葉面上90 s時的穩定接觸角，測定時的溫度為（25±1）℃，相對濕度（67±5）%。

根據熱力學定義，在恒溫恒壓條件下，液滴在接觸固體表面時會自動鋪展，液-氣界面取代固-氣界面，黏附功W是指液體潤濕固體界面的過程需要做的功，它是液體能否潤濕固體的一種度量[21]。

式（1）為熱力學表達式，其中W為黏附功，J/m2；γ、γ、γ分別為固-氣、液-氣、固-液界面張力，mN/m。

當液滴的三相接觸線處達到應力平衡狀態時，根據Young氏方程可得[22]

式（1）、式（2）聯立得到黏附功

式中為接觸角，（°）。

1.3.2 液滴發生器粒徑校準方法

液滴發生器[15,23]由高精度點膠機和空氣壓縮機構成，液滴發生器能夠產生200～2 000m的單個液滴，可以通過設置觸發時間、氣壓和真空等參數來控制液滴粒徑的大小，不受液體性質影響。在試驗前，采用Lin等[24]的方法，對液滴發生器產生液滴粒徑進行校準。液滴發生器產生的液滴直徑由水敏紙上的斑點圖像面積獲得，通過下式計算[25]

式中為液滴在水敏紙上的斑點面積。掃描水敏紙獲得液滴在水敏紙上的斑點圖像像素，然后除以掃描分辨率得到值，掃描分辨率為2400 dpi，10.58m/pixel。通過改變觸發時間、氣壓和真空參數并在水敏紙上多次測試得到粒徑為548、675、756、877、973m的5個液滴。

1.3.3 液滴在玉米葉片上的鋪展面積

選擇新鮮健康的玉米葉片進行液滴鋪展試驗，將玉米葉片裁剪為3 cm×5 cm的長條，用雙面膠固定在自制可調角度的斜板上，設置斜板與水平面的角度分別為0°、15°、30°、45°、60°、75°，斜板角度可以覆蓋大部分自然生長的植物葉面傾角。以粒徑為548、675、756、877、973m的液滴為試驗對象，研究不同粒徑大小的液滴在玉米葉面上的鋪展面積。液滴產生后會懸掛在微量注射器的針頭處，垂直移動微量注射器，讓液滴以零速度接觸到植物葉面，液滴與植物葉面接觸后，移動微量注射器，針頭與液滴脫離，操作過程中避免針頭接觸到植物葉面，防止破壞葉面結構。試驗溶液由表面活性劑OP-10和誘惑紅復配，根據溶液在玉米葉片上潤濕性能的差異，選擇4種接觸角有顯著差別的溶液進行試驗，OP-10濃度分別為0、0.005%、0.01%、0.1%，誘惑紅濃度為0.5%。Gao等[26]驗證了在農藥制劑中加入誘惑紅，不會對溶液性質產生影響。試驗設計為3因素多水平的全因子試驗，共120種不同處理，每種處理重復10次。待液滴完全蒸發后，將試驗葉片放置在體式顯微鏡下，用高清數碼相機拍攝液滴鋪展痕跡。液滴鋪展圖片用image J圖像處理軟件進行處理，得到實際鋪展面積。試驗裝置如圖1所示。

1.3.4 表面活性劑濃度對液滴鋪展能力的影響

在溶液中加入表面活性劑會對液滴的鋪展產生顯著影響。然而，這并不能體現不同OP-10濃度對液滴鋪展能力的作用。因此，利用液滴的鋪展面積與表面活性劑濃度的比值來評估鋪展效率[24]。該比值的實際含義為每百分比表面活性劑濃度的鋪展面積，下文中稱為單位濃度鋪展面積，mm2/%。

圖1 試驗裝置示意圖

1.4 數據處理

在IBM SPSS Statistics 28（美國IBM公司）上進行方差分析（ANOVA）和相關性（Pearson）分析，置信區間設為95%。采用箱形圖剔除極端異常值，并用均值替代。使用Duncan新復極差法進行事后比較，分析每種因素不同水平的差異。通過MATLAB軟件對液滴鋪展面積數據進行插值，繪制不同因素交互的曲面響應圖，分析各因素之間的交互作用。

2 結果與分析

2.1 不同濃度OP-10溶液的表面張力及在玉米葉片上的潤濕性能

噴霧藥液的表面張力是決定液滴能否在作物葉面上潤濕鋪展的關鍵因素，液體表面張力過高會導致液滴撞擊植物葉片時發生彈跳、滾落現象，導致藥液無法沉積在植物葉面。溶液的表面張力隨OP-10表面活性劑濃度上升而降低，在到達濃度0.005%后表面張力保持穩定，其表面張力為35.9 mN/m，表面活性劑OP-10在溶液濃度為0.005%左右達到臨界膠束濃度。溶液在玉米葉片上的穩定接觸角，隨溶液濃度升高而降低，在到達臨界膠束濃度前，接觸角迅速下降；當溶液濃度到達臨界膠束濃度后，接觸角下降趨勢減緩，最后達到穩定。黏附功隨OP-10濃度增加而增加，在溶液濃度為0.1%時達到最大值58.82 J/m2，試驗結果如表1所示。為模擬不同潤濕性能的農藥在不同角度玉米葉面上的鋪展面積，根據接觸角大小選擇可代表不同潤濕能力的濃度水平，選擇濃度為0、0.1%、0.01%、0.005%OP-10溶液進行下一步試驗。徐廣春等[27]研究了常用農藥在推薦濃度下的表面張力，大部分農藥在推薦濃度下表面張力均在30～72 mN/m之間。本文選取的試驗溶液可以代表大部分農藥在玉米葉面上的潤濕性能。

表1 不同濃度OP-10水溶液的表面張力、在玉米葉片上的穩定接觸角及黏附功

2.2 最大鋪展面積的三因素方差分析（ANOVA）

方差分析（ANOVA）結果如表2所示。OP-10濃度、葉面傾角、液滴粒徑三種試驗因素均對液滴的鋪展面積產生了顯著影響，且三因素之間存在顯著的交互作用（<0.001）。方差整體模型對試驗結果有較好的解釋性，可解釋試驗87.5%（調整后2=0.875）的變異來源。其中溶液的偏Eta平方值為0.857，為試驗因素及交互作用中的最大值，可認為溶液類型對總體變異的貢獻大于其他因素及交互作用。葉面傾角對總體變異的貢獻最小，偏Eta平方值為0.073。在交互作用的效應量比較中，液滴粒徑×葉面傾角×溶液的偏Eta平方（0.257）>葉面傾角×溶液（0.24）>液滴粒徑×溶液（0.108）>液滴粒徑×葉面傾角（0.1），效應量的比較說明了三因素之間的交互作用對總體變異的貢獻大小。

表2 溶液、葉面傾角、液滴粒徑及相互作用對鋪展面積影響的方差分析

注：2=0.887（調整后2=0.875）。

Note:2=0.887 (Adjusted2=0.875).

為了解各因素不同水平之間的差異，采用Duncan新復極差法對不同水平的均數進行事后檢驗，對液滴粒徑、葉面傾角、OP-10濃度3個因素分別進行討論。在對單一因素進行事后檢驗時，鋪展面積為另外兩種因素所有水平的平均值。由表3可知，葉面傾角對鋪展面積影響的整體趨勢為隨葉面傾角增大，鋪展面積增加，但15°、30°、45°、60°傾角的鋪展面積較為接近，葉面傾角為75°時為1.51 mm2，相比于0°、45°角，鋪展面積平均增大了18.0%、11.9%；鋪展面積隨液滴粒徑增加而增加，其中675、756m的兩種液滴的鋪展面積沒有顯著性差異（>0.05），分析原因可能是兩種液滴粒徑的初始差值不夠大，導致其鋪展面積接近。如圖2所示，液滴粒徑和鋪展面積之間呈現線性關系，液滴粒徑從548m增加到973m，鋪展面積增加了71.2%。對液滴粒徑和鋪展面積進行擬合，擬合方程為=0.0017+0.0223，擬合系數0.969，表明液滴粒徑每增加100m，液滴的最大鋪展面積平均增加0.17 mm2；不同濃度的OP-10溶液的鋪展面積均有顯著差別。液滴的最大鋪展面積隨溶液表面活性劑濃度增加而增加，在0.1%的濃度下鋪展面積達到最大值2.22 mm2，去離子水的平均鋪展面積為最小值0.33 mm2。與去離子水相比，0.1%濃度下的OP-10在玉米葉面上的鋪展面積平均增加了572.7%。

表3 液滴粒徑、葉面傾角、OP-10濃度的事后檢驗

注：小寫字母代表在0.05水平下差異顯著。

Note: Lowercase letters represent significant differences at the 0.05 level.

圖2 最大鋪展面積和液滴粒徑關系

綜上所述，葉面傾角、液滴粒徑、OP-10濃度都對液滴的鋪展有明顯影響。在本文設置的試驗參數中，OP-10濃度對液滴的鋪展面積影響最大，液滴粒徑次之，葉面傾角最小，且三者存在一定交互作用。

2.3 葉面傾角、液滴粒徑、溶液潤濕性的交互作用分析

對溶液的表面張力、接觸角，黏附功和鋪展面積之間進行相關性分析，結果如表4所示。溶液表面張力和鋪展面積之間呈現不顯著負相關（=-0.871，=0.129），鋪展面積增大趨勢和液滴在玉米葉片上接觸角減小的趨勢呈現出一致性（=-0.986，=0.014），黏附功W和鋪展面積之間呈現出顯著正相關（=0.995，=0.009）。接觸角和黏附功均是衡量液滴在玉米葉面上潤濕性能的指標，但通過相關性分析發現，黏附功的大小可以更好地反應液滴在玉米葉片上的鋪展面積趨勢。下面將用黏附功代替對應的OP-10溶液濃度，分析溶液的潤濕性能和葉面傾角、液滴粒徑對鋪展面積造成的交互影響。

表4 各變量間相關系數

注：*<0.05級別（雙尾），**<0.01級別（雙尾），相關性顯著。

Note: *<0.05 level (two-tailed), **<0.01 level (two-tailed), significant correlation.

為分析溶液潤濕性能和液滴粒徑對鋪展面積的交互影響，繪制交互效應曲面圖，如圖3所示。在所有角度下，都呈現出隨黏附功和液滴粒徑的增大，鋪展面積也隨之增大的趨勢，且在黏附功和液滴粒徑交叉方向上曲面上升最為陡峭。在葉面傾角為15°時，曲面整體上升比較平緩，鋪展面積最大值為2.42 mm2，最小值為0.24 mm2，最大值約為最小值的10倍。在葉面傾角為45°時，曲面較15°時更加陡峭，在黏附功為58.82 J/m2，液滴粒徑為973m時鋪展面積達到最大值2.83 mm2；黏附功為26.49 J/m2，液滴粒徑548m時，鋪展面積有最小值0.77 mm2，最大值約為最小值的3.7倍。在葉面傾角為75°時，在黏附功和液滴粒徑增大的方向上，曲面呈現出先平緩上升后陡峭上升的趨勢，且在黏附功為58.82 J/m2，液滴粒徑為973m時，鋪展面積達到最大值4.31 mm2遠大于其他條件下的鋪展面積。在不同角度下，增大液滴粒徑和溶液的潤濕性能均能增加液滴在玉米葉面上的鋪展面積，但在不同角度下提高鋪展面積的能力有所區別，在農藥施用過程中可根據靶標葉面的傾角來選擇適宜的噴施粒徑和溶液潤濕性。

在方差分析中發現溶液的潤濕性能對液滴鋪展面積影響最大，為探究溶液潤濕性能和葉面傾角交互作用對液滴鋪展面積的影響，固定液滴粒徑為548m，繪制鋪展面積交互效應曲面圖，如圖4所示。在溶液的黏附功較低時，鋪展面積隨葉面傾角的變化不夠明顯；在溶液黏附功較高時，潤濕性能較好，鋪展面積呈現出隨葉面傾角先上升后下降的趨勢。鋪展面積最大值在葉面傾角為45°時，黏附功為58.4 J/m2時取得，最大值為2.24 mm2。

圖3 液滴粒徑和潤濕性能的交互影響

注：固定液滴粒徑為548 μm。

圖5為0.01%OP-10溶液的液滴粒徑和葉面傾角的交互效應圖。液滴粒徑和葉面傾角交互作用的整體趨勢為鋪展面積隨液滴粒徑和葉面傾角的增大而增大，但葉面傾角對鋪展面積的影響不夠明顯且小于液滴粒徑對鋪展面積的影響。曲面的整體趨勢較為平緩，當液滴粒徑和葉面傾角較小時，鋪展面積處于曲面上的低點，液滴粒徑和葉面傾角較大時，鋪展面積為曲面上的高點，最大值和最小值分別為2.11、0.88 mm2。

注：固定黏附功為22.7 J·m-2。

2.4 表面活性劑濃度對液滴鋪展能力的影響

為探究不同濃度OP-10對液滴鋪展能力的影響，根據1.3.4節的研究方法，固定液滴粒徑為548m，計算不同葉面傾角下的單位濃度鋪展面積，結果如圖6所示。OP-10濃度和單位濃度鋪展面積之間呈現出明顯趨勢，6種葉面傾角的單位濃度鋪展面積均為0.005%濃度>0.01%濃度>0.1%濃度，這表明在0.005%濃度下的溶液對鋪展面積增加的效率最高。OP-10溶液在濃度0.005%時達到臨界膠束濃度，濃度從0.005%增加到0.01%、0.1%的過程中，溶液的表面張力保持穩定不再變化，但繼續增加表面活性劑濃度還會增加鋪展面積，但鋪展面積增加效率顯著降低，OP-10濃度達到0.1%時，降到最低。根據單位濃度鋪展面積隨溶液濃度降低的趨勢，推斷繼續增大表面活性劑的濃度，液滴的鋪展面積達到最大值后也將維持穩定。葉面傾角對單位濃度鋪展面積的影響沒有明顯規律，但從圖6可以看出，在葉面傾角為75°時，0.005%濃度下液滴的鋪展能力最高，191.5 mm2/%，葉面傾角為0°時，0.1%濃度下液滴的鋪展能力最低，15.4 mm2/%。

注：固定液滴粒徑為548 μm。

去離子水在玉米葉面上的接觸角約為129.2°，難以鋪展。在去離子水中加入OP-10表面活性劑后溶液表面張力顯著降低，同時接觸角快速下降，當OP-10濃度達到0.005%后表面張力不再降低，但0.01%、0.1%OP-10溶液在玉米葉面上的最大鋪展面積仍然增大。表面活性劑分子結構具有雙向性，一端為親水基團，另一端為疏水基團，當溶液中的表面活性劑含量較少時，表面活性劑分子的親水基向水，疏水基向空氣，被吸附在水的表面上，形成定向的單分子層，使得水-空氣界面被表面活性劑的親油基-空氣界面所取代，水表面的親水性變成了親油性，從而降低了水的表面張力[27]。當表面活性劑分子達到飽和狀態時，溶液內部的表面活性劑分子形成親油基向內、親水基向外的膠束，即達到了臨界膠束濃度，此時繼續增大表面活性劑濃度，溶液的表面張力將不再降低。表面活性劑OP-10溶液形成液滴后，在玉米葉面上進行鋪展，此時液滴表面積擴大，產生了新的氣-液界面，溶液內部的膠束便向新生成界面轉移，繼續在氣-液界面處形成定向的單分子層。在試驗中，0.005%OP-10溶液的表面活性劑分子剛達到飽和的臨界值，變成液滴后溶液內部的表面活性劑分子向新形成的氣-液界面轉移上，此時由于溶液內部的表面活性劑分子數量較少，導致氣-液界面的表面活性劑分子密度降低[28]，所以潤濕性有限。在0.01%、0.1%濃度下的OP-10溶液內部含有的表面活性劑分子更多，變成液滴擴大氣-液界面后，界面處的表面活性劑分子密度更高所以潤濕性更好、鋪展面積更大。所以，在使用農藥助劑時要注意用量，不僅需要讓溶液的表面張力低于葉面的臨界表面張力，還需要讓助劑濃度顯著大于其臨界膠束濃度，才能保證藥液霧化后還能有較好的鋪展性能。

3 討 論

本文使用不同質量分數的OP-10溶液模擬潤濕性能不同的農藥，通過試驗方法研究了液滴粒徑、農藥潤濕性能和葉面傾角對液滴在玉米葉面上鋪展面積的影響。液滴在植物葉面上的鋪展面積決定了農藥有效成分作用范圍、蒸發時間和葉面吸收效果。根據Muntahli等[29]提出的單液滴殺傷面積理論，單個液滴的作用范圍遠大于其液滴粒徑，液滴在植物葉面上的覆蓋范圍越大，其殺傷面積也就越大。液滴蒸發時間與鋪展面積的關系為同體積的液滴鋪展面積越大，蒸發速度越快，蒸發時間越短[30]，當液滴完全蒸發后葉面的吸收效果基本消失[31]。本文探究的液滴粒徑、農藥潤濕性能和葉面傾角及其交互作用均對液滴的鋪展面積產生了顯著影響。在施藥中，葉面傾角為靶標植物固有屬性，藥液的潤濕性能和液滴粒徑是人為可控因素。農藥的潤濕性能可通過添加助劑、表面活性劑來調控；液滴粒徑可通過調節壓力噴頭的壓力值、更換噴嘴或改變離心噴頭霧化盤轉速來控制。在實際應用中應通過農藥施用目的來確定適宜的粒徑和藥液潤濕性能。例如，施用植物生長調節劑等內吸性藥劑時，應適當調節降低溶液潤濕性，降低其在葉面上的鋪展面積，控制蒸發速度，保證葉面吸收效果。針對不同蟲害的為害部位施藥時，可根據靶標葉面傾角來精準控制粒徑和藥液潤濕性能，提高施藥效果。例如，玉米螟蟲為害玉米心葉，而心葉的葉傾角較大但開口面積較小。小液滴更易進入葉心，更強的藥液潤濕性能提高小液滴的覆蓋面積，增加作用范圍。液滴粒徑和藥液潤濕性的交互作用分析顯示，二者為協同關系，在不同水平的液滴粒徑下，增加藥液潤濕性均能提高液滴的鋪展面積。

4 結 論

本研究探究了OP-10表面活性劑濃度、液滴粒徑和葉片傾角三種因素對液滴在玉米葉片上鋪展面積的影響，得到如下結論：

1）在本文設置的試驗參數中，三種因素均對液滴在玉米葉片上的鋪展面積有顯著影響（<0.001），且影響大小依次為表面活性劑濃度、液滴粒徑、葉面傾角。

2）液滴粒徑和鋪展面積之間呈現線性關系，擬合系數為0.969，鋪展面積隨液滴粒徑增加而增加，液滴粒徑從548m增加到973m，鋪展面積平均增加了71.2%；葉面傾角對鋪展面積的影響為隨葉傾角的增大而增加，葉面傾角為75°時平均鋪展面積為1.51 mm2，相比于0°、45°角，鋪展面積增大了18.0%、11.9%；液滴的鋪展面積隨表面活性劑濃度增加而增加，與去離子水相比，0.1%濃度下的OP-10在玉米葉面上的鋪展面積平均增加了572.7%。

3）在不同角度下，增大液滴粒徑和溶液的潤濕性能均能增加液滴在玉米葉面上的鋪展面積，但在不同角度下提高鋪展面積的能力有所區別。溶液潤濕性能和葉面傾角的交互作用體現在，藥液潤濕性能差時，鋪展面積隨葉面傾角的變化不夠明顯，潤濕性能較好，鋪展面積呈現出隨葉面傾角先上升后下降的趨勢。鋪展面積最大值在葉面傾角為45°左右。在實際應用中應通過施用目的來確定適宜的粒徑和藥液潤濕性能，精準控制液滴在靶標葉面上的鋪展面積，來提高農藥利用率。

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Factors influencing the spreading areas of pesticide droplets on the surface of maize leaves

Gao Rong1,2, Huang Lusheng1,2, Wen Sheng2, Yin Xuanchun2, Zhang Jiantao1,2,3※

(1.,,510642,;2.,510642,; 3.,,510642,)

Pesticide wastes have caused serious pollution to the air, water, and soil in recent years. It is a high demand to clarify the spreading behavior of pesticide droplets on the plant leaves, particularly for the better utility efficiency of pesticides. Among them, the maximum spreading area of pesticide droplets on the plant leaves can dominate the action range, evaporation time, and foliar absorption of active ingredients in the pesticides. This study aims to explore the influence mechanism of droplet size, surfactant concentration, and leaf inclination on the maximum spreading area of droplets on the corn leaves. The leaf inclination angles were set as 0°, 15°, 30°, 45°, 60°, and 75°. The droplet sizes were 548, 675, 756, 877, and 973m. A droplet generator was used to produce the droplets of different sizes, further to reach the plant leaves at the free velocity. The solutions were utilized the 0, 0.1%, 0.01%, and 0.005% of OP-10 surfactant. A full factorial experiment was designed with a total of 120 tests. The results show that there were significant effects of droplet size, surfactant concentration, and leaf inclination on the maximum spreading area (<0.001). The influencing factors were ranked in the order of the surfactant concentration > droplet size > leaf angle. The partial-eta squares were 0.857, 0.473, and 0.073, respectively. A linear relationship was observed between the droplet size and the spreading area. The spreading area also increased with the increase of the droplet size, leaf angle, and solution surfactant concentration. Once the droplet size increased from 548 to 973m, the spreading area increased by 71.2% on average. When the leaf inclination angle was 75°, the average spreading area was 1.512 4 mm2. The spreading area increased by 18.0%, and 11.9%, compared with the 0° and 45°. The spreading area of 0.1% OP-10 on the maize leaves increased by an average of 572.7%, compared with the deionized water. Therefore, the droplet size increased the maximum spreading area of the droplets on the corn leaf surface with the same increased efficiency under different leaf inclination angles. Furthermore, the relationship between the droplet size and the maximum spreading area was=0.001 7+0.022 3, where the goodness of fit2was 0.969. It infers that the maximum spreading area of the droplet increased by 0.17 mm2on average, particularly for every 100m increase in the droplet size. The highest value of 4.13mm2was achieved in the maximum spreading area of 973m droplets at 0.1% concentration, when the leaf inclination angle was 75°. By contrast, the average level of the spread area was significantly higher at the 0.1% concentration, compared to the rest groups. The Pearson correlation analysis was carried out between the surface tension, contact angle, adhesion work, and spreading area of the solution. It was found that there was a significant positive correlation between the adhesion work and the spreading area (=0.995,=0.009). The adhesion work was well represented by the spreading area trend of the droplets on the leaf. Correspondingly, the surface tension of the liquid medicine was lower than the critical surface tension of the leaves in actual agricultural production. Furthermore, a greater surfactant composition was required for better wetting after atomization in the liquid medicine, compared with the critical micelle concentration. The 0.01%-0.1% OP-10 solution can be expected as a reference surfactant for higher spreading efficiency and better performance at a high level. The findings can provide a strong reference to understanding the spreading mechanism of pesticide droplets on the plant leaves. The particle size of pesticide droplets and the concentration of surfactants can also be adjusted for better spreading performance at the different leaf inclination angles.

pesticide droplet; wetting performance; spread area; surfactant; droplet size; adhesion work

10.11975/j.issn.1002-6819.2022.20.005

S48

A

1002-6819(2022)-20-0041-08

高榮，黃路生，文晟，等. 農藥液滴在玉米葉片表面鋪展面積的影響因素[J]. 農業工程學報，2022，38(20)：41-48.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.20.005 http://www.tcsae.org

Gao Rong, Huang Lusheng, Wen Sheng, et al. Factors influencing the spreading areas of pesticide droplets on the surface of maize leaves[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(20): 41-48. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.20.005 http://www.tcsae.org

2022-06-15

2022-08-15

廣東省普通高校特色創新類項目（2019KZDZX1002）；廣東省自然科學基金項目（2022A1515011008）；國家自然科學基金面上項目（61773171）；高等學校學科創新引智計劃項目（D18019）

高榮，研究方向為農業精準噴霧技術。Email：gaorong17694804202@163.com

張建桃，博士，副教授，研究方向為農用無人機和人工智能。Email：zhangjiantao@yeah.net