植保无人机喷施液滴润湿性探究

郑启帅，岑海燕，方慧，吴剑坚，肖舒裴，何勇*1

（1.浙江大学生物系统工程与食品科学学院，杭州310058；2.农业农村部光谱检测重点实验室，杭州310058）

叶片主要通过叶面气孔和表皮亲水小孔吸收养分，也可以经胞间连丝主动吸收养分。由于双子叶植物的叶面类型及叶表蜡质层结构与组成不同于单子叶植物，使得油菜等双子叶植物叶片具有良好的液体吸收功能，从而有更好的叶面施肥效果[1-2]。植物叶片主要通过3条途径与外界进行物质交换：第1、2条是具有吸收速效养分能力的途径（分布在叶面的气孔和叶表面角质层的亲水小孔）和叶片细胞的质外连丝；第3条是可将营养物质主动吸收到叶片内部[3]的途径。在灌浆期，大豆、油菜等植物根部吸收的养分无法很好地满足作物需求。VASILIS等[4]通过同位素追踪法试验得知，超过90%的叶面肥可供作物籽粒灌浆，从而有效提高作物产量，而养分进入叶片细胞后的运输机制与根部细胞一样[5]。李瑞海等[6]研究表明，合理的叶面肥喷施可以提高油菜叶片的叶绿素含量并使光合速率升高20%以上，而生物量可以提高30%以上。叶面追肥无论是见效时间还是利用效率都远远超过土壤施肥[7-10]，是作物生长后期有效的追肥方式。

航空喷施作业因其作业高效、经济、安全等诸多优势被广泛应用[11-12]，国内外学者对提高航空喷施作业的效果做了诸多研究[13-18]。叶片吸收叶面肥的前提是所施液体能较好地附着于叶片表面，即所施液态肥要有良好的润湿性。液体的接触角和表面张力是衡量液体润湿性能的重要指标。液体的表面张力不同，其在同一植物表面的接触角也不同（表面张力降低则接触角减小）[19-20]。MITTAL[19]研究了叶片对不同表面张力的溶液的吸收能力，发现适当降低溶液的表面张力有利于水溶性养分经气孔进入叶肉细胞，从而促进经气孔途径吸收养分。此外，BREWER等[21]国外学者对叶片毛状体、液滴光学特性和叶片润湿性的相互作用进行了研究；而国内相关研究较少。因此，本文针对航空喷洒液态肥时影响液滴与叶片之间润湿性能的因素进行了研究，拟通过正交试验对多因素进行考察，然后对主要因素的影响规律进行探究，最后得出影响叶面肥对叶片润湿性的主要指标，以期为实际作业提供参考。

1 材料和方法

1.1 主要仪器设备

接触角检测仪器采用德国Dataphysics公司生产的OCA20接触角测量仪，利用座滴法测量静态接触角。图1为测量仪工作界面截图，测量精度为±0.1°。叶片表面性质观察利用日立SU8010高分辨场发射扫描电镜。

1.2 试验材料

图1 OCA20接触角测量仪工作界面Fig.1 Working interfaceof the OCA20 contact angle measuring instrument

植物样本采用“浙大619”油菜品种，在室外正常培养。在蕾薹期，选取长势相当的植株，每株取相同叶位、外观基本相似的叶片进行试验。取叶片两侧叶脉较少的部位，以提高测量的准确度。利用日立SU8010高分辨场发射扫描电镜观察油菜叶片表面性质，制样及观察过程按照标准操作进行，叶片扫描电镜图如图2所示。试验喷洒液体采用民和“新状态”叶面肥和以色列“稼多宝”叶面肥，2种叶面肥均是复合型液态肥料，主要成分均为氮、磷、钾。助剂选用近年常用的植物油型助剂[22]。因油菜叶片表面有一层蜡质，为了提高试验的准确性，在单因素分析中使用表面平整的植物蜡质代替油菜叶片表面。

图2 油菜叶片表面性质电镜图片Fig.2 Electron microscopy imagesof surface properties of rape leaves

1.3 试验方法

1.3.1 仪器操作

使用接触角检测仪器时，首先调整光源和镜头以得到清晰的液滴图像，然后将叶片样品置于样品台，每个液体样品准备一个注射器并安装，按照试验要求通过仪器自带软件将液滴滴下，待液滴相对稳定地停留在固体表面上后，通过仪器软件测出接触角。

1.3.2 溶液配制

液态肥：因选用的2种液态肥的推荐使用浓度相近，故根据二者的推荐稀释倍数分别稀释50倍、17倍、10倍，设置低、中、高3种试验浓度，对应的体积分数分别为2%、6%、10%。

助剂：由于添加少量的飞防助剂能够降低用液量，获得稳定效果，因此本研究在正交试验中采用不添加、添加1%（正常量）、添加2%（过量）3种助剂浓度。

1.3.3 正交试验设计

基于叶面肥对叶片润湿性物理性质和作业效果的研究结果[1,16,21-23]，影响喷施液态肥润湿性的主要因素有叶片位置、喷施液体种类及浓度、液体接触速度、助剂和液滴的大小。为考察各个因素对叶面肥润湿性的影响，设计正交试验因素及水平，见表1。正交试验方案参照L18（6×36）正交表[24]，如表2所示。为确保试验顺序随机，按照抽签编号的方式进行，重复试验10次。

由于影响因素的不同水平会造成不同组之间的数据存在差异，以及误差也会造成同组数据之间存在差异，因此用方差分析方法对影响因素的显著性进行检验。F值和P值是方差分析里面对模型和模型的系数进行显著性检验得到的结果，F值越大，说明该因素的影响越显著；P值表示因素各水平有显著差异时出现误差的概率，P值越小，表示该因素水平间的差异越显著。当P＜0.05时可认为该因素对试验结果有显著影响，或者说该因素是影响试验指标的重要因素。Ti（i取1，2，3）是各因素同一水平结果的平均值（表3），各因素下该值对应的最低水平就是最优水平（本试验中即接触角越小，润湿性越好）[24]。

表1 试验因素和水平Table1 Experimental factorsand levels

表2 试验方案Table 2 Experimental scheme

2 结果与分析

2.1 影响因素分析

由表3可知，各因素对叶片与液体之间接触角的影响作用由大到小排序为D＞B＞E＞C＞A，即助剂＞液体种类＞液滴大小＞液体浓度＞位置。其中因素A（位置）的P＞0.05，故认为叶片的正反面位置对叶片表面与液态肥的接触角的影响不大。助剂对接触角的影响作用最大，当不加助剂的接触角超过120°时，叶片表现为疏水，而在液体中添加助剂后，接触角为41°～42°，浓度为1%的助剂与浓度为2%的助剂对应的接触角无显著差异。液体的种类和浓度、液滴的大小虽显著影响叶面肥润湿叶片的特性，但因素之间及水平之间差异不大。从每个参数的累积值和Ti（i取1，2，3）值可知，叶片保持液滴的最优组合为A2B3C3D2E1（喷施叶片反面+高浓度“稼多宝”叶面肥+1%助剂+小液滴），在该条件下，接触角最低可达到8.5°。

表3 正交试验结果Table3 Experimental result

2.2 单因素分析

为进一步探究显著性因素对叶面肥润湿叶片性能的影响规律，本研究进一步采用控制变量法对人为较容易控制的因素进行单因素分析。

2.2.1 助剂浓度对接触角的影响

将植物油助剂分别按照体积分数0.0%、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%、0.7%、0.8%、0.9%、1.0%配制溶液，然后测量溶液与植物蜡质表面的接触角，结果如图3所示。可以看出，只需微量的助剂，液体与蜡质表面的接触角大幅降低，而随着助剂浓度的增大，液体润湿性并没有得到显著的提高。

2.2.2 肥料浓度对接触角的影响

图3 接触角随助剂体积分数变化关系Fig.3 Relationship between contact angle and adjuvant concentration

将2种不同的肥料分别按照不稀释和稀释2、4、8、16、32、64、100、200、300、400、500、600、700、800、900、1 000倍配制溶液，然后测量溶液与植物蜡质表面的接触角，结果如图4所示。从中可知：在稀释倍数为0～64区间内，接触角随肥料浓度的降低而升高；当稀释倍数大于64后，接触角趋于稳定。

图4 接触角随肥料稀释比例变化关系Fig.4 Relationship between contact angle and dilution ratio of fertilizer

2.2.3 滴落高度对接触角的影响

为观察液滴与固体表面接触时的瞬时速度对液体润湿性的影响，将水和体积分数为0.4%的助剂水溶液分别从不同高度处滴落，观察溶液与植物蜡质表面的接触角。滴落高度设置为0～20 cm，间隔0.5 cm，液滴大小为8μL，忽略空气阻力的影响，根据自由落体运动速度公式v= 2gh，取g=10 m/s2，则相当于考察液滴与固体表面接触时的瞬时速度在0～2 m/s范围。参考宋坚利等[16]所测的喷雾时雾滴运动速度分布，此参考范围可以满足实际无人机作业中液滴接触叶片时的真实速度。从图5可以看出，高度（速度）对水的润湿性影响并不大，而对含助剂的溶液影响显著。当滴落高度为0～12 cm（对应速度0～1.55 m/s）时，随着高度（速度）的增加，助剂溶液的润湿性也随之增加；而当滴落高度为13～20 cm（对应速度＞1.55～2 m/s）时，随着高度（速度）的增加，助剂溶液的润湿性趋于稳定，基本保持在25°～30°范围内。

图5 接触角随液滴滴落高度变化关系Fig.5 Relationship between contact angle and drop height of droplet

3 讨论

本文对影响叶面肥润湿叶片性能的几个因素进行了主次分析，包括叶片正反面位置、液态肥的种类、液态肥的浓度、助剂的浓度、液滴的大小；另外，对助剂浓度、液态肥浓度、液滴滴落高度进行了单因素分析。

由叶片正反面扫描电镜图可以看出，油菜叶片正面和反面构造存在明显差别。油菜叶片正面蜡质相对反面较多，而反面的气孔密度大约是正面的1.5倍，这说明叶片反面更有利于叶面肥发挥作用，在实际作业中应将叶片反面的液肥沉积量作为一个重要的效果评价指标。且FOQUÉ等[15]也指出，取样位置不同时，沉积和覆盖效果有明显的差异；尽管叶片背面的沉积量通常很低，但是提高叶片背面沉积量具有重要的生物学效应，并且使用合适的喷雾方式可以使叶片背面沉积量提高3.0～4.9倍。

首先，正交试验结果显示，影响叶片与液体之间接触角大小的最主要因素是助剂，它可使植物叶片表面由疏水变为亲水，而其浓度对试验结果的影响并不明显。其次是液体种类和液滴大小，虽各水平之间有所差异，但都表现为亲水，考虑到实际应用中喷施液体的种类是已定的，且许小龙等[25]已专门研究了雾滴体积对植物叶面雾滴接触角的影响，故不再赘述液滴大小和液体种类对接触角的影响。最后是液体浓度，试验结果表明喷施液体浓度变大，接触角减小，即液体润湿性能提高；而叶片的正反面对接触角的影响并不显著，可认为叶面肥对叶片正面和反面的润湿性相同。

针对上文中的问题，本研究还进行了进一步的单因素探究，结果发现，在液体中添加微量的助剂即可大大增强液体的润湿性，而过量添加助剂并不会带来更加显著的增强效果，故推荐使用的助剂浓度至少为4‰。当液体被稀释到一定程度后，接触角不再有明显变化，而浓度较高时，接触角随液态肥浓度的降低而升高。对于地面喷洒机械不需考虑液态肥浓度对液体润湿性的影响，而航空作业低量喷施时，药液浓度高，可在一定程度上增强液体的润湿性。不过本文只使用了植物油型助剂，对于不同助剂类型和浓度对喷施的影响，王潇楠等[26]已做过相应研究，可参考其研究成果选取符合作业要求的助剂。

此外，本文还探究了液滴在与叶片接触瞬间速度对接触角的影响，结果显示：未加助剂的液体表现为疏水，且接触时瞬间速度的大小对液滴的润湿性影响不大；而对于添加助剂后的液体，速度的影响作用则较大，即随着瞬间接触速度增加，接触角先减小后保持稳定。这说明在实际作业中，应尽量选择喷出雾滴初速度较高的喷嘴及作业参数，使液滴在接触叶片时的速度高于1.55 m/s，从而使液滴达到最佳的润湿性能。

4 结论

为提高航空喷施作业效果、减少施肥施药量提供参考，本文研究了航空喷施作业中液滴与叶片接触时影响液体润湿性能的几个主要因素，并得到以下结论：

1）影响液体润湿叶片性能的最主要因素为是否添加助剂。根据正交试验和单因素试验结果，推荐植物油助剂使用浓度为大于4‰，添加后叶片可由疏水变为亲水。

2）虽然叶面肥的浓度增加会提高液体润湿性，但是因为航空作业本身采用的液体浓度已经很高，如再提高液体浓度很有可能造成叶面灼伤，故不建议通过增大液体浓度的方法提高液体润湿性。而且为避免高浓度作业发生灼伤现象，根据VASILAS等[4]的试验经验，建议在下午5点后阳光不是特别强烈时进行喷施作业。

3）因无人机施肥作业时，喷出的雾滴到达叶片表面时具有一定速度，故可通过改变检测时液滴的下落高度来反映速度对接触角的影响。结果显示：高度（速度）对水溶液（不添加助剂溶液）的润湿性影响并不大；而对含助剂的溶液影响显著，即速度越大，溶液的润湿性越好，当速度达到一定值后，溶液的润湿性保持稳定。故在实际作业时，应采取增加水泵压力等有效措施来适当增加喷雾液滴的速度。