植保無人機噴霧助劑及噴頭類型對煙田霧滴沉積分布的影響

馮 超，王國賓，鄭成鵬，宗 浩，譚菲菲，陳 丹*

1.中國農業科學院煙草研究所，山東省青島市嶗山區科苑經四路11號 266101

2.山東理工大學，山東省淄博市張店區新村西路266號 255000

3.山東臨沂煙草有限公司，山東省臨沂市蘭山區新華路119號 276000

煙草是我國重要的經濟作物之一，種植面積和產量居世界首位。目前我國防治煙草病蟲害的施藥器械主要為背負式噴霧器，存在噴霧效率低和防治效果差等問題，易造成農藥浪費和環境污染，影響施藥人員健康。因此，煙草病蟲害防治急需以精準高效的施藥方式取代傳統的施藥方式。近年來，植保無人機噴霧技術因具有農藥利用率高、工作效率高、作業靈活等優點在農作物病蟲害防治中廣泛應用［1-2］，解決了高稈作物、水田和丘陵地帶人工和地面機械作業難的問題［3-4］，但在煙田應用研究較少。

植保無人機利用自身旋翼產生的風場將霧化后的藥液帶向作物表面［5］，霧滴在運動過程中，受溫度、濕度和風速的影響，產生蒸發和漂移［6］。當霧滴撞擊葉片后出現粘附、反彈和噴濺3 種形式［7］，造成藥液流失和環境污染。因此減小霧滴漂移和在葉片表面彈跳成為植保無人機施藥的研究熱點［8］。有研究表明，通過添加噴霧助劑和選擇噴頭可減少霧滴飄移，增加藥液潤濕性能，改善霧滴沉積分布，提高對靶準確性［9-10］。目前，噴霧助劑主要有植物油類、表面活性劑類、有機硅類以及高分子聚合物類［11］，其中植物油類噴霧助劑不僅生物降解性好，而且環境適用性廣，常作為配方助劑添加到農藥產品中［12］。霧滴粒徑大小和覆蓋率在很大程度上取決于植保無人機噴頭類型［13］。馮玉茹等［14］研究結果表明，植保無人機采用防漂移噴頭可增加霧滴粒徑。張盼等［15］研究發現，在植保無人機對果園噴霧時，采用壓力式噴頭藥液在葉面的覆蓋率大于離心轉子噴頭，霧滴沉積密度則相反。然而由于作物葉片表面理化性質，助劑所表現的表面張力和接觸角、霧滴粒徑均不同，植保無人機施藥作為一種新興技術，在煙草田施藥方面的應用研究報道較少。在施藥過程中產生的霧滴飄移、彈跳和蒸發問題較背負式噴霧器更為突出。因此，對大疆T20植保無人機在煙草作業模式下，比較3種噴霧助劑（倍達通、邁飛和邁道）和2種噴頭類型（SX11001、IDK120015）對藥液理化性質、霧滴粒徑、霧滴沉積密度和覆蓋率的作用效果，旨在為植保無人機噴霧技術的研發改進和在煙田的應用提供依據。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑和儀器

供試煙田位于山東省臨沂市平邑縣煙草試驗站（經度117°40'1"，緯度35°38'31"），煙草品種為中煙100，試驗煙株處于旺長期，平均株高1.2 m，行間距1.3 m，株間距0.5 m。

指示劑為誘惑紅（浙江吉高德色素科技有限公司）；植物油類噴霧助劑：倍達通、邁飛和邁道（見表1）。本次試驗由大疆T20植保無人機和P4R測繪無人機協同完成（深圳市大疆創新科技有限公司）；噴頭為液力式噴頭SX110015（深圳市大疆創新科技有限公司）、防飄移噴頭IDK120015（德國Lechler 公司）；DP-02型激光粒度分析儀（珠海歐美克儀器有限公司）；JK99B 型全自動張力儀（上海中晨數字技術設備有限公司）；KestrelNK-3500 氣象風速儀（美國NK公司）；Scanjet 200掃描儀（中國惠普有限公司）；采樣架、塑料桿、雙頭夾、銅版紙（3.0 cm×8.0 cm，70.0 g/m2，白色）（Kromekote cards）。

表1 不同噴霧助劑特點Tab.1 Characteristics of three different spray additives

1.2 方法

1.2.1 助劑對藥液表面張力和接觸角影響的測定

將倍達通、邁飛和邁道分別用清水配成1.0%的藥液，記為處理Ⅰ、處理Ⅱ、處理Ⅲ，以未添加助劑的清水作為空白對照（處理Ⅳ），通過測定各個處理的表面張力和接觸角，來確定助劑對藥液表面張力和接觸角變化的影響。分別取100 mL藥液，采用表面張力儀拉起液膜法測定藥液的表面張力；采用視頻光學接觸角測量儀測定藥液在煙草葉片上的接觸角，分別用自動移液槍點滴5 μL的藥液在煙草葉片上，記錄停留15 s時的接觸角［16］。每個處理重復3次。

1.2.2 助劑及噴頭類型對霧滴粒徑影響的測定

利用激光粒度分析儀和噴灑系統測定植保無人機在添加不同助劑和采用不同噴頭時，霧滴粒徑分布范圍。噴灑系統包含噴頭（液力式噴頭SX110015和防飄移噴頭IDK120015）、隔膜泵、流量計、壓力表。激光粒度分析儀接收端和發射端距離為1.5 m，噴頭固定于接收端和發射端中央高0.5 m 處，SX110015 和IDK120015 噴頭噴霧壓力分別設定為0.3 MPa 和0.6 MPa。在噴霧過程中，將全部霧滴的體積從小到大依次累加，當累加值等于全部霧滴體積的10%、50%和90%時，所對應的霧滴直徑分別記作DV0.1、DV0.5和DV0.9，統計霧滴粒徑小于150 μm 的累計分布比例（小霧滴數量占比），計算霧滴譜相對跨度（relative span，RS）［12］。試驗共設置8個處理，如表2所示，每個處理重復6次。RS計算公式：

表2 試驗設計Tab.2 Experimental design

1.2.3 助劑及噴頭類型對霧滴沉積密度和覆蓋率影響的測定

試驗于2021年7月5日在山東省臨沂市平邑縣煙草試驗站進行。試驗處理同1.2.2，如表2所示。植保無人機作業噴幅為5.0 m，飛行速度為3.4 m/s，作業高度距離煙株冠層3.5 m，噴霧量為15.0 L/hm2，作業小區長120.0 m，寬10.0 m。噴施藥液中指示劑誘惑紅用量為450.0 g/hm2。田間試驗氣象條件采用Kestrel 5000 LiNK 氣象站采集，采集頻率為1 min/次，試驗時溫度（28.1±0.8）℃，相對濕度65.0%±3.0%，風速（0.6±0.5）m/s。各處理隨機區組分布，每個處理重復3次。

試驗時無人機采用常規往復施藥模式進行噴霧作業，各條航線之間間隔為5.0 m，試驗地塊開闊無遮擋，且煙草長勢較為一致。試驗前，在各處理小區中間地帶布置3 排間隔為30.0 m 的霧滴采集帶，每條霧滴采集帶含6 個霧滴采集點，每個采集點間隔1.0 m，總長度5.0 m（圖1a）。每個霧滴采集點處插一根采樣桿，用雙頭夾將銅版紙固定在采樣桿上。設置上、中、下3層采樣位置，分別距地面1.0 、0.5 和0.2 m（圖1b）。用于測定煙草上、中、下冠層的霧滴密度和覆蓋率。噴霧結束后，待銅版紙上的霧滴自然晾干后收取并裝入自封袋帶回實驗室。

圖1 試驗方案示意圖Fig.1 Schematic diagram of sampling program

試驗收集的銅版紙逐一使用Scanjet200 掃描儀掃描分辨率為600 dpi的灰度圖像，通過美國農業部Deposit Scan圖像處理軟件進行分析，得到霧滴密度和覆蓋率［16］。

1.2.4 數據處理

采用DPS 和SPSS v22.0 軟件進行數據統計分析，應用Duncan’s新復極差法和t檢驗進行差異顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 添加助劑對藥液表面張力和接觸角的影響

噴霧助劑通過影響藥液表面張力，進而影響藥液的接觸角［10］。添加助劑可顯著降低藥液的表面張力和接觸角（表3），添加倍達通、邁飛和邁道后，藥液的表面張力顯著降低，分別降低58.8%、57.0%和54.5%；在煙草葉片上的接觸角分別降低64.3%、55.0%和46.6%，顯著低于空白對照（處理Ⅳ）。表明添加助劑煙草葉片更容易被潤濕，3種噴霧助劑都具有較明顯的潤濕鋪展性，可實現有效鋪展，對藥液表面張力和接觸角的影響依次為倍達通>邁飛>邁道。在施藥過程中，藥液經噴頭噴出落在作物葉片上會形成不同的接觸角，接觸角越大葉片越難以被潤濕。因此，在田間進行噴霧作業時，可以選擇添加助劑提高霧滴鋪展性，增加葉片的潤濕性，從而提高藥劑與病蟲害的接觸率。

表3 添加噴霧助劑對藥液表面張力和霧滴接觸角的影響①Tab.3 Effects of spray additives on surface tension of solution and the contact angle of droplets on tobacco leaves

2.2 噴霧助劑及噴頭類型對藥液霧滴粒徑的影響

在同一噴頭條件下，與不添加助劑相比，加入1%助劑的藥液霧滴粒徑、小霧滴數量占比和霧滴譜相對跨度有顯著差異，見表4。

表4 噴霧助劑及噴頭類型對藥液霧滴粒徑及分布的影響Tab.4 Effects of spray additives and nozzle types on droplet sizes and distribution of solutions

2.2.1 助劑對藥液霧滴粒徑的影響

采用SX110015 噴霧時，3 種助劑均能提高藥液霧滴粒徑，降低藥液小霧滴數量占比和霧滴譜相對跨度。對DV0.5的影響依次為倍達通>邁飛>邁道，其中，邁飛對DV0.1、DV0.5和DV0.9均有顯著效果，比未添加助劑的處理分別提高17.4%、13.8%和24.6%；添加邁飛小霧滴數量占比降低最為顯著，降低22.7%；添加邁飛霧滴譜相對跨度最小，噴霧更均勻。

采用IDK120015噴霧時，3種助劑均能提高霧滴粒徑、降低小霧滴數量占比和霧滴譜相對跨度，但處理間差異不顯著。倍達通、邁飛和邁道DV0.5比未添加助劑的處理分別提高4.4%、3.6%和2.9%；小霧滴數量占比較未添加助劑的處理分別降低12.7%、20.9% 和13.8%。

2.2.2 噴頭類型對藥液霧滴粒徑的影響

植保無人機采用不同噴頭（SX110015 處理1，IDK120015處理5）進行噴霧處理，處理5比處理1霧滴粒徑顯著提高，DV0.1、DV0.5和DV0.9分別提高67.0%、107.2%和140.9%；小霧滴數量占比明顯降低，降低47.8%；霧滴相對譜跨度變化不大。可見，IDK120015噴頭能顯著提高藥液霧滴沉降，減少藥液霧滴的漂移。

2.3 助劑對藥液霧滴密度和覆蓋率的影響

同一處理，煙草上、中、下冠層的藥液霧滴密度和覆蓋率具有顯著差異，采用同一種噴頭，不同處理間藥液霧滴密度和覆蓋率差異也達到顯著水平，見圖2。

圖2 噴霧助劑對各處理藥液霧滴密度的影響Fig.2 Effects of spray additives on density of droplets

2.3.1 助劑對藥液霧滴密度的影響

采用SX110015噴霧時，添加助劑能夠顯著提高煙草上層和下層的藥液霧滴密度。添加倍達通、邁飛和邁道煙草上層藥液霧滴密度分別提高32.0%、13.7%和9.0%，下層分別提高202.8%、91.3%和130.6%。添加倍達通和邁飛處理的煙草中層藥液霧滴密度分別提高42.1%和46.4%，而添加邁道的處理則降低56.6%。

采用IDK120015 噴霧時，添加助劑能夠提高藥液霧滴在煙草上、中冠層的霧滴密度。煙草上層，添加倍達通、邁飛和邁道助劑的霧滴密度分別提高25.2%、1.4%和6.1%；中層分別提高20.5%、19.9%和1.9%；下層添加邁飛助劑的霧滴密度提高2.7%，而添加倍達通和邁道助劑則分別降低4.8%和0.2%。在煙草上、中、下冠層的藥液霧滴密度均呈遞減的趨勢，下層霧滴密度分別占上層霧滴密度的26.2%、34.9%和32.4%。

2.3.2 助劑對藥液霧滴覆蓋率的影響

如圖3所示，采用SX110015噴霧時，添加助劑能夠顯著提高藥液霧滴在煙草上、中和下冠層的覆蓋率。其中，倍達通助劑的效果最為顯著，分別提高97.9%、106.1%和141.5%，而邁道對煙草下層的藥液霧滴覆蓋率提高92.7%。

圖3 噴霧助劑對各處理藥液霧滴覆蓋率的影響Fig.3 Effects of spray additives on coverage rate of droplets

采用IDK120015噴霧時，3種助劑對提高霧滴在煙草冠層覆蓋率的影響依次為邁飛>倍達通>邁道；邁飛顯著提高煙草上層和中層霧滴覆蓋率，分別提高58.3%和31.3%。

2.4 噴頭類型對藥液霧滴密度和覆蓋率的影響

如圖4所示，與SX110015噴頭相比，IDK120015噴頭可提高藥液霧滴密度，煙草上、中、下冠層分別提高92.9%、101.6%和160.7%；在煙草上、中冠層藥液霧滴覆蓋率分別提高10.0%和20.2%，但在煙草下冠層藥液霧滴覆蓋率則降低13.8%。這是由于IDK120015 噴頭孔徑小，藥液霧滴粒徑更細，而SX110015 噴頭的噴霧藥液霧滴的穿透性更強。因此，在使用時應根據天氣條件和防治對象選擇合適類型的噴頭。

圖4 噴頭類型對藥液霧滴密度和覆蓋率的影響Fig.4 Effects of nozzle types on density and coverage rate of droplets

3 討論

煙草與其他作物相比，葉片易達到親水狀態。本研究結果表明，清水在煙草葉片的表面張力和接觸角分別為71.8 mN/m 和61.1°，添加3 種噴霧助劑后藥液的表面張力和接觸角分別降低54.5%～58.8%和46.6%～64.3%，接觸角越小則葉片越容易被潤濕。因此，在煙草田進行噴霧作業時，可以選擇倍達通、邁飛和邁道中的1種添加到藥液中以提高霧滴鋪展性，增加藥劑接觸病原物和害蟲的概率。添加噴霧助劑改變了藥液的理化性質，增加霧滴粒徑，減少霧滴漂移，提高藥液在作物冠層的沉積密度和覆蓋率，進而減少藥液流失［17］。

藥液霧滴在運動過程中產生蒸發和漂移，選擇不同類型的噴頭可以有效減少漂移，提高霧滴密度和覆蓋率［18-19］。本研究結果表明，采用SX110015 噴頭噴霧時，不同助劑處理間差異顯著，DV0.5增加依次為倍達通>邁飛>邁道；采用IDK120015噴頭噴霧時，不同助劑處理間差異不顯著。在未添加助劑的情況下，與SX110015 噴頭相比，IDK120015 噴頭在煙草上、中、下冠層霧滴密度提高92.9%～160.7%，這是由于IDK120015 噴頭孔徑小，霧滴粒徑細，而SX110015 噴頭的噴霧藥液霧滴穿透性強。可見，IDK120015 噴頭可在增加霧滴粒徑、減少飄移的前提下，藥液霧滴密度和覆蓋率顯著提高。因此，IDK120015噴頭適宜在有風天氣條件下噴灑保護性或內吸性藥劑，在避免飄移的同時保證一定的藥液霧滴覆蓋率。

4 結論

3 種助劑和2 種噴頭可有效提高植保無人機在煙草田間的噴施效果。3 種助劑能有效降低藥液表面張力和接觸角，降低小霧滴數量占比和霧滴譜相對跨度，增加藥液霧滴在煙草冠層的沉積密度和覆蓋率，提高藥液霧滴均勻性。在煙草田中進行植保無人機噴霧時，建議作業噴幅為5.0 m，飛行速度為3.4 m/s。作業高度距離煙草上層3.5 m，噴霧量15.0 L/hm2，在風速≥0.6 m/s的天氣條件下噴灑保護性或內吸性藥劑時使用IDK120015噴頭。