扇形喷头结构和压力对微生物农药雾滴分布及活性的影响

刘冬梅，周宏平，茹 煜，曲荣佳



扇形喷头结构和压力对微生物农药雾滴分布及活性的影响

刘冬梅1,2，周宏平1※，茹 煜1，曲荣佳1

（1. 南京林业大学机械电子工程学院，南京 210037；2. 金华职业技术学院，金华 321017）

扇形喷头是各种喷杆式喷雾机最常用的喷头类型。从减少微生物机体损伤、提高活性的角度，为筛选出扇形喷头中适合喷施微生物农药的喷头型号、喷施压力，该文以常用的延长范围扇形喷头XR11002、广角扇形喷头TT11002、气吸扇形喷头AI11003开展了生物农药活性损伤对比试验。利用喷头雾化测试系统测试不同喷雾样本的雾滴分布，以细菌芽孢萌发率及小菜蛾死亡率量化分析喷头结构、压力对细菌、病毒类生物农药活性损伤影响。研究结果表明：喷头型号、压力及喷雾介质对生物农药雾滴粒径分布的影响程度为喷头型号>压力>介质，其中介质对雾滴粒径分布无显著性影响；压力对细菌与病毒类生物农药活性损伤的影响区别明显，压力对细菌类活性损伤的影响呈显著负相关，对病毒类活性损伤无显著影响，主要跟细菌、病毒不同机体结构相关；喷头型号对细菌与病毒类生物农药活性损伤无显著影响，其中流向单一的XR系列扇形喷头对生物活性损伤影响要小于流向多重突变的TT系列和同时受外界气流混入干扰的AI系列扇形喷头。综合各因素，在利用扇形喷头喷施微生物农药时，从雾滴分布及活性角度，优先选用XR系列扇形喷头中的XR11001，喷施压力为0.15 MPa。在喷施病毒类农药时，可忽略喷头型号、压力对病毒活性损伤的影响。

喷头；农药；压力；生物活性

0 引 言

微生物农药是指利用细菌、真菌、病毒等活体对病虫害进行杀灭或抑制的制剂，具有低毒、无残留、不产生抗药性、药效持久，对病虫害杀伤特异性强等优点，已成为全国生物农药的重要推广方向[1-4]。与化学农药不同，微生物农药具有活性，其病虫害防治效果不仅与喷施后雾滴沉积量、覆盖率有关，还与喷施后微生物的活性有关，因此，在喷施微生物农药时，要保持微生物的数量和活性，如孢子（菌）数、活孢（菌）率。在施药技术中，影响生物农药药效的因素有农药种类、喷头型号、压力、喷施高度、流量、风速及温度等。其中，喷头是直接将生物农药喷施到植物靶标上，其性能好坏对施药效果具有重要作用。同一种喷头在不同压力下，雾滴沉积及微生物存活率等施药性能指标都会发生变化，可见，喷头型号及喷施压力是保证微生物农药有效活性、保持药效的关键性因素[5]。

对于喷雾器械及操作参数对微生物农药施药性能的影响，研究者进行了大量的研究工作。Chojnacki研究了喷雾器流量调节阀对昆虫病原线虫存活率的影响，发现通过流量控制阀的压力越大、流量越小其相对线虫存活率下降越显著，且间歇压力不会导致线虫死亡[6-7]。Fife等开展了喷头、压差及流量突然收缩对昆虫病原线虫活性影响，发现中空锥形喷嘴喷施的线虫其相对活力要高于标准平面扇形喷嘴喷施的线虫，压差小于等于1.283 MPa时线虫相对存活率在85%以上，压差继续增大，存活率则迅速下降，同时研究者构建了线虫损害与平均能量耗散率的经验模型，发现喷雾设备部件内能量耗散率低于1×108W/m3时，才能避免流体对线虫造成损坏[8-11]。Molina- Miras等发现剪切应力是影响流体内生物细胞敏感性的关键变量[12]。Hidalgo等实验发现中空锥形液压喷嘴比旋转电喷嘴更适合喷施真菌生物农药[13]。Garcla等学者发现昆虫病原线虫在生物防治中，喷头、压力、温度、紫外线强度、添加剂和搅拌时间、流量都会影响线虫活性、分布及害虫防治效果[14-18]。Gouli等发现利用扇形喷嘴对温室植物喷施真菌剂生物农药，可获得良好喷施效果[19]。李建华等试验发现，当喷雾压力小于0.5 MPa，含酵母菌的流体在流经空心锥雾喷头后，存活率显著降低[20]。张慧春等研究了喷施生物农药专用转笼式、转盘式离心雾化喷头，并测试了其雾化性能和生物活性保持率[21-23]。肖丽萍等利用平面扇形喷嘴和中空锥形喷嘴在不同操作参数下喷施不同生物农药，研究其雾滴特性，为选择合适喷嘴、喷量流速、压力及生物药剂进行生物防治提供借 鉴[24-25]。翟恩昱等利用TP型扇形喷头研究了扇形喷头磨损对微生物农药施药性能的影响，发现扇形喷头球头结构尺寸与雾滴沉积量和活体微生物存活率存在线性关系[5]。

目前国内外还没有开发出生物农药专用喷头，生物农药的喷施主要采用扇形喷头和中空锥形喷头。扇形喷头因喷幅宽度大，雾滴分布均匀，是喷杆式喷雾机最常用的喷头。因微生物农药含有活性成分，对其喷雾研究不仅要考虑雾滴特性，还要考虑活性成分存活率，目前对扇形喷头喷施微生物农药活性损伤的研究主要集中在XR系列，对扇形喷头中广泛使用的TT、AI系列喷头对活性成分损伤影响未见研究。同时，现有XR系列喷头对活性损伤研究多以线虫、菌类微生物为研究对象，未见涉及病毒类微生物。从减少损伤、提高活性角度考虑，为筛选扇形喷头中适合喷施微生物农药的喷头型号、喷施压力，本文以常用XR系列、TT系列、AI系列扇形喷头进行不同生物农药喷施实验，研究了不同型号喷头内部流道结构、喷施压力对菌类、病毒类农药活性损伤影响，以期对工程实践中选择喷头型号、喷施压力提供借鉴。

1 材料与方法

1.1 试验材料

喷雾样本是扬州绿源生物化工有限公司的8 000 IU/mg苏云金杆菌（细菌）、江西省新龙生物科技有限公司的20亿PIB/mL甘蓝夜蛾核型多角体病毒（病毒）2种微生物农药以一定比例兑水后的混合物，根据农药厂家建议，试验时以50 mL苏云金杆菌兑15 kg水、30 mL多角体病毒兑15 kg水的比例配出混合液，同时与普通水进行试验对比[24]。这2种微生物农药在国内有机农场中使用较为普遍，均用于农作物虫害防治，且苏云金杆菌和多角体病毒都属于悬浮剂，其中多角体病毒呈粘稠糊状，苏云金杆菌为液体状。

试验喷头选择美国TeeJet公司的XR11002延长范围扇形喷头、TT11002广角扇形喷头和AI11003气吸扇形喷头，剖面结构如图1所示[26-27]。XR型扇形喷头产生的是细雾，在低喷雾压力下覆盖性能较好，适用压力范围为0.103～0.414 MPa，是大田喷杆式喷雾机最常用的喷头。TT型喷头雾滴尺寸中等，在喷幅上喷雾量分布均匀，不易堵塞，标准工作压力为 0.103～0.621 MPa，比较适合内吸性农药。AI型喷头产生充气的大雾滴，抗漂移性能好，广泛用于除草剂、内吸性杀菌杀虫剂喷施，压力范围为0.207～0.793 MPa。在喷雾压力为0.15 MPa时，XR11002和TT11002的喷嘴流量为0.55 L/min；在0.5 MPa时，XR11002和TT11002的喷嘴流量为1 L/min，AI11003的喷嘴流量为1.46 L/min；在0.8 MPa时，AI11003的喷嘴流量为1.92 L/min[28-29]。

1.2 试验装置

1.2.1 喷头雾化测试系统

喷头雾化测试系统如图2所示，主要由雾化系统、测试系统、接收槽组成，雾化系统包括喷头、泵、调压装置、压力表、水管、水箱、喷头安装架，测试系统由德国新帕泰克公司HELOSQUIXEL型激光粒度分析仪和计算机软件分析系统组成。调节喷头安装架，使喷头距离激光束高度为35 cm，喷头左右对称面与激光束共面，使扇形雾面与激光束垂直。测试时，通过计算机控制激光粒度仪发射并接收激光，测试结果通过系统自带软件记录并显示雾滴测试数据及分布曲线。

图1 不同型号扇形喷头的剖面结构

1. 雾化系统 2. 测试系统 3. 接收槽

1.2.2 微生物农药接收及菌培养装置

苏云金杆菌和多角体病毒的接收装置由药液雾化系统和培养皿组成，调节喷头安装架，使喷头距离培养皿高度为50 cm。培养皿收集的苏云金杆菌经平板菌落计算法前期处理后放在日本Panasonic公司MIR-554-PC温箱进行培养。药液接收装置如图3所示。

1. 雾化系统 2. 培养皿

1.3 试验设计

试验采用延长范围扇形喷头XR11002、广角扇形喷头TT11002和气吸扇形喷头AI11003。为探索喷头型号、喷施压力对菌类、病毒类生物农药活性损伤的影响，本文设计了微生物农药的雾滴粒径分布试验和菌类、病毒类生物活性损伤试验。试验介质为水、苏云金杆菌、多角体病毒，每组试验重复3次，取其平均值作为最终数据。

1.3.1 微生物农药雾滴粒径分布试验

设置喷头距离激光束高度为35 cm，分别用喷头XR11002、TT11002、AI11003进行3种介质喷施。根据3种系列喷头的适用压力范围，其中XR型喷头压力范围为0.103～0.414 MPa，TT型喷头压力范围为0.103～0.621 MPa，AI型喷头压力范围为0.207～0.793 MPa，同时结合试验对比需要，将XR11002、TT11002的喷施压力设为0.15、0.2、0.3、04、0.5、0.6 MPa，因AI11003属粗雾，其压力档位设为0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8 MPa。在喷施苏云金杆菌混合液及多角体病毒混合液时，要充分搅拌水箱中的喷施溶液，使药剂混合均匀。

1.3.2 苏云金杆菌活性损伤试验

为避免数据繁多不易比较，在活性损伤试验中根据各系列喷头的压力范围，同时考虑压力设置范围宽易于试验结果的分析，故将喷头XR11002、TT11002的喷施压力定为0.15、0.3、0.5 MPa，因AI11003属粗雾，压力太小雾滴受力变化不明显，将其试验压力设置为0.3、0.5、0.8 MPa。利用9个已标记的培养皿收集不同喷头不同压力下喷施的苏云金杆菌水溶液，以不经过喷头喷施的苏云金杆菌水溶液作为对照组，每次共10个对比样本，在南京林业大学生物与环境学院无菌实验室进行活性损伤检测试验。将苏云金杆菌水溶液分别稀释10、100、1 000倍，取0.1 mL每个稀释度的样品，加入冷却平板中，用涂布器涂匀后，于28 ℃温箱中培养，每个稀释度取3个样本，培养16 h后统计各试验样本萌发的菌落数。

1.3.3 多角体病毒生物活性损伤试验

通过小菜蛾死亡率来检验喷头及喷施压力对多角体病毒的损伤影响，各喷头喷施压力与苏云金杆菌的设置相同。利用9个培养皿收集不同喷头不同压力下的多角体病毒水溶液。以不经过喷头喷施的多角体病毒水溶液作为对照组，每次共10个对比试验盒，3次重复，在试验盒上用记号笔标记喷头型号及相应的喷施压力。选取孵出8日的小菜蛾2龄虫，每盒装35只，将每盒小菜蛾饥饿2 h。将有机杭白菜洗净、自然晾干，分为10份，每份15 g，将10份有机杭白菜浸入10个培养皿中，10 s后取出，悬置20 s，放入与培养皿标记相同的试验盒中，盖上盖子，防止小菜蛾逃跑。观察16、24和48 h小菜蛾死亡情况，用鹅毛触碰小菜蛾，不动者视为死亡[30]，如图4所示。

1.4 评价指标

苏云金杆菌的活性损伤用菌的芽孢萌发率表示，其中芽孢萌发率用喷头雾化后的苏云金杆菌每毫升菌落数除以未经喷头喷施的苏云金杆菌的菌落数来计算。其中，每毫升菌落数=同一稀释度的平均菌落数´稀释倍数。本文苏云金杆菌水溶液分别稀释10、100、1 000倍，其稀释度分别是10-1、10-2、10-3，选取每个平板上长有30～300个菌落的稀释度来计算苏云金杆菌每毫升菌落数。通过试验，发现稀释度为10-1时，其萌发菌落数太少，稀释度为10-3时，萌发菌落太密集，为便于试验对比及易于清查菌落数目，本次试验稀释度选10-2。为便于统计苏云金杆菌萌发的菌落数，避免菌落太多，培养时间定为16 h。喷头型号及压力对多角体病毒的活性影响用小菜蛾死亡率表示，统计小菜蛾食用浸有多角体病毒的杭白菜后死亡条数，观察多角体病毒在不同压力下经不同喷头雾化后对小菜蛾的毒杀效果，其中小菜蛾死亡率=单个试验盒中小菜蛾死虫数/单个试验盒中小菜蛾总虫数，如图4。

图4 小菜蛾及毒杀试验

2 结果与分析

2.1 喷头型号、压力及介质对雾滴粒径分布影响

3种型号喷头在不同压力下喷施苏云金杆菌、多角体病毒及普通水的雾滴粒径分布如表1所示。利用SPSS软件的组间方差分析检验不同喷头的雾滴体积中径均值的差异显著性，检验结果如表2所示。由表2可看出，总体均值的方差检验中，各喷头的Sig.（Significance）值均小于0.05，说明在5%的显著性水平下，不同喷头的雾滴体积中径均值具有显著性差异。XR11002、TT11002、AI11003喷头雾滴体积中径均值分别为123.8111、212.7611、404.2611m。因大多数生物农药无内吸性，主要毒杀形式为触杀和胃毒杀，喷洒时药液要分布均匀才能起到良好效果，要求药液覆盖密度大、附着能力及穿透性强，而细小雾滴在作物叶片表面的覆盖密度和均匀性远优于粗雾滴,且附着能力好，故利用扇形喷头进行农林业病虫害生物防治时优选XR型扇形喷头。喷头型号、压力、介质对雾滴粒径大小的影响程度如表3所示，在主效应检验中，发现喷头型号、压力的Sig.值均为0.000，而介质Sig.值为0.073，大于0.05，说明喷头型号、压力对雾滴体积中径有显著性影响，介质对雾滴体积中径无显著性影响。根据效应量的度量值偏2判断，喷头型号的偏2最大且通过了显著性检验，压力的偏2次之且通过了显著性检验，介质的偏2最小且未通过显著性检验。因此，试验中喷头型号、压力、介质对雾滴体积中径影响程度从大到小排序为喷头型号、压力、介质，即喷头型号对雾滴体积中径的影响最显著，其次是压力，没有显著影响的是介质。

表1 不同喷头在不同压力下喷施不同介质的雾滴粒径分布参数

注：VMD水表示体积中径，m；表示相对宽度。

Note: VMD水means volume median diameter,m.means relative width.

表2 单因素方差分析

表3 主体间效应的检验

同样，对雾滴谱相对宽度进行均值差异显著性检验，其中，XR11002、AI11003喷头的Sig.值均为0.000，TT11002的Sig.值为0.004，均小于0.05，说明不同喷头的雾滴谱相对宽度均值具有显著性差异。其中，XR11002、TT11002、AI11003的雾滴谱相对宽度均值分别为1.3708、1.6832、1.6057，因雾滴谱相对宽度越小，雾滴雾化越均匀，由此看出XR11002喷头的雾滴分布均匀性要优于TT11002、AI11003。在雾滴谱相对宽度的主效应检验中，喷头型号、压力的测试Sig.值分别为0.000和0.011，有显著性影响，介质的Sig.值为0.093，大于0.05，没有显著性影响；喷头型号的偏2最大，为0.463，压力的偏2次之，为0.336，介质的偏2最小，为0.001，由此可见喷头型号、压力、介质对雾滴谱相对宽度的影响程度从大到小依次为喷头型号、压力、介质。

综合分析可知，喷头型号、压力和介质对微生物农药雾滴粒径大小及均匀性分布影响程度由大到小依次为喷头型号>压力>介质。考虑微生物农药主要是以触杀和胃毒杀方式进行病虫害防治，从药液的覆盖密度、分布均匀性、穿透性及附着能力角度考虑，在农林业病虫害生物防治中优选XR系列扇形喷头。

2.2 喷头型号、压力对苏云金杆菌活性损伤的影响

不同喷头在不同压力下喷施的苏云金杆菌在培养16 h后其芽孢萌发率如表4所示。对芽孢萌发率进行均值差异显著性检验，检验结果如表5所示。由表5可看出，XR11002、TT11002、AI11003喷头的Sig.值分别为0.031、0.001、0.040，均小于0.05，说明苏云金杆菌的芽孢萌发率均值具有显著性差异。其中，XR11002、TT11002、AI11003的芽孢萌发率均值分别为88.87%、81.88%、73.55%，可看出XR11002喷头的苏云金杆菌芽孢萌发率要高于TT11002及AI11003，此结果与各喷头内部流道结构相关，当XR11002喷头喷施菌液时，流体通过2段相同流向的通道流至喷孔喷出，喷施过程中无流体方向的突然改变及外在气流的混入干扰。而TT11002喷头强制改变流体方向，使流体由竖直方向强制进入水平混流室，然后再次由水平流道改为几乎是垂直的喷孔通道[26]；AI11003喷头设置有前置孔，在前置喷孔处因文丘里效应导致空气被吸入喷头[27]，菌体同时受气、液两种流体作用。这些喷头流道的流向突变及有外界气流混入干扰的气、液混流结构都会使菌体受到多重受力，引起菌体结构受损。

表4 喷头型号和压力对苏云金杆菌活性损伤影响

表5 单因素方差分析

喷头型号、压力对苏云金杆菌芽孢萌发率的影响程度如表6所示，在主效应检验中，喷头型号的Sig.值为0.066，略大于0.05，说明喷头型号对芽孢萌发率没有显著性影响；压力的Sig.值为0.000，有显著性影响。从表4中可看出，总体上同一喷头喷施的苏云金杆菌随压力增大其芽孢萌发率呈减少趋势。主要原因是苏云金杆菌具有细胞结构，随压力增大，流体内快速瞬态应力场使菌体受到瞬时拉伸力和剪切力的作用，引起菌体结构发生破坏。一旦细胞壁、细胞膜发生损伤，细菌就很难存活，造成活菌数量及相应子代数减少，从而引起萌发菌落数下降。同时在主效应检验中，压力的偏2为0.336，喷头型号的偏2为0.157，由此也可看出喷头型号、压力对芽孢萌发率的影响程度为压力>喷头型号。

表6 主体间效应的检验

综合分析可知，压力对菌的活性有显著性影响，且为负相关；喷头型号对菌的活性无显著性影响。从提高菌的活性考虑，优先选用XR系列扇形喷头。因生物农药雾滴越小，冠层穿透性和覆盖性能越好，但小于150m的雾滴，易挥发，抗飘移性差，因此生物农药平均体积中径在150m左右比较合适。根据测量及喷头厂家数据，当喷施压力为0.15 MPa时，XR11001和XR11002在最低喷雾高度50 cm下雾滴体积中径分别为140、200m左右，结合雾滴分布及压力对活性的影响，建议选用XR系列中的XR11001，喷施压力为0.15 MPa。

2.3 喷头型号、压力对多角体病毒活性损伤的影响

用浸过多角体病毒的有机杭白菜喂食小菜蛾，记录16、24和48 h后小菜蛾死亡条数，试验数据如表7所示。对小菜蛾死亡率进行均值差异显著性检验，XR11002、TT11002、AI11003喷头的Sig.值分别为0.881、0.817、0.978，均大于0.05，说明小菜蛾死亡率均值没有显著性差异。小菜蛾死亡率的主效应检验结果如表8所示，其中，喷头型号、压力的Sig.值分别为0.171、0.762，均大于0.05，说明喷头型号、压力对小菜蛾死亡率没有显著性影响，也反映了喷头型号、压力对多角体病毒的活性损伤无显著性影响。这主要是由多角体病毒的生物结构决定，多角体病毒无细胞结构，仅由DNA或RNA单个分子构成，其遗传物质包裹在蛋白质外壳内部，压力增大及流向突变等造成的外壳损伤不足以影响病毒活性及繁殖。

在每种喷头不同压力下，小菜蛾死亡率都随时间增长呈逐渐升高趋势。从主效应检验结果中可看到喷头型号、压力的偏2分别为0.123、0.064，且均未通过显著性检验；时间的偏2为0.861，通过显著性检验，由此可看出，时间显著影响小菜蛾的死亡率，喷头型号、压力对小菜蛾死亡率无显著影响。综合分析可知，喷头型号、压力对多角体病毒的活性损伤无显著性影响，在喷施病毒类生物农药时，因病毒无细胞结构、敏感性弱，可忽略喷头型号及压力对多角体病毒活性的影响。

表7 喷头型号及压力对多角体病毒活性损伤影响

表8 主体间效应的检验

3 结 论

论文从减少损伤、提高活性角度，试验研究了具有不同流道结构的XR系列、TT系列、AI系列扇形喷头在不同喷施压力下对微生物农药雾滴分布及活性损伤的影响，结论如下：

1）喷头型号、压力及介质对微生物农药雾滴粒径分布的影响程度为喷头型号>压力>介质。喷头型号、压力对雾滴粒径分布有显著性影响，介质无显著性影响。

2）压力对菌类微生物农药的活性损伤有显著性影响，且呈负相关，喷施压力越大，菌的存活率越低。从提高菌的活性角度，建议XR11002和TT11002喷头的喷施压力不大于0.15 MPa，AI11003的喷施压力不大于0.3 MPa；喷头型号对菌的活性无显著性影响。

3）压力及喷头型号对病毒活性的损伤影响无显著性，主要跟病毒无细胞的特殊机体结构相关。在喷施病毒类生物农药时，喷头型号及喷施压力对病毒活性损伤可忽略不计。

4）利用扇形喷头XR系列、TT系列、AI系列喷施微生物农药时，优先选用XR系列扇形喷头，考虑雾滴分布及活性，建议选用XR系列中的XR11001，喷施压力为0.15 MPa。

[1] 范月蕾，赵晓勤，陈大明，等. 微生物杀虫剂研发现状和产业化发展态势[J]. 生物产业技术，2016(1)：54－58. Fan Yuelei, Zhao Xiaoqin, Chen Daming, et al. Research status and industrialization development trend of microbial pesticide[J]. Industry of Biotechniques, 2016(1): 54－58. (in Chinese with English abstract)

[2] Singh R L. Principles and Applications of Environmental Biotechnology for a Sustainable Future[M]. Singapore Springer: 2017.

[3] Gupta S, Dikshit A K. Biopesticides: an ecofriendly approach for pest control[J]. Journal of Biopesticides, 2010, 3(1): 186－188.

[4] Martín L, Marqués J L, González-Coloma A, et al. Supercritical methodologies applied to the production of biopesticides: a review[J]. Phytochemistry Reviews, 2012, 11(4): 413－431.

[5] 翟恩昱，郑加强，周宏平，等. 扇形雾喷头磨损对微生物农药施药性能的影响[J]. 林业工程学报，2018，3(1)： 109－116. Zhai Enyu, Zheng Jiaqiang, Zhou Hongping, et al. Effects of flat-fan nozzle wear on application of microbial pesticides[J]. Journal of Forestry Engineering, 2018, 3(1): 109－116. (in Chinese with English abstract)

[6] Chojnacki J. Effect of fluid flow through control valve in sprayer installation on viability of entomopathogenic nematodes[J]. Journal of Research & Applications in Agricultural Engineering, 2011, 56(1): 19－25.

[7] Chojnacki J. The investigation of influence of static pressure periods in sprayers on entomopathogenic nematodes viability[J]. Electronic Journal of Polish Agricultural Universities, 2011, 90(6): 825－831.

[8] Fife J P, Derksen R C, Ozkan H E, et al. Effects of pressure differentials on the viability and infectivity of entomopathogenic nematodes[J]. Biological Control, 2003, 27(1): 65－72.

[9] Fife J P, Derksen R C, Ozkan H E, et al. Evaluation of a contraction flow field on hydrodynamic damage to entomopathogenic nematodes-A biological pest control agent.[J]. Biotechnology & Bioengineering, 2004, 86(1): 96－107.

[10] Fife J P, Ozkan H E, Derksen R C, et al. Using computational Fluid dynamics to predict damage of a biological pesticide during passage through a hydraulic nozzle[J]. Biosystems Engineering, 2006, 94(3): 387－396.

[11] Fife J P, Ozkan H E, Derksen R C, et al. Viability of a biological pest control agent through hydraulic nozzles[J]. Transactions of the ASAE, 2005, 48(1): 45－54.

[12] Molina-Miras A, Sánchez-Mirón A, García-Camacho F, et al. CFD-aided optimization of a laboratory-scale centrifugation for a shear-sensitive insect cell line[J]. Food & Bioproducts Processing, 2018, 107: 113－120.

[13] Hidalgo E, Bateman R, Krauss U, et al. A field investigation into delivery systems for agents to controlmoniliophthoraroreri[J]. European Journal of Plant Pathology, 2003, 109(9): 953－961.

[14] Garcla L C, Raetano C G, Wilcken S R S, et al.Pressurization of the spraying suspension and viability of entomopathogens[J].Engenharia Agrícola, 2005, 25(3): 783－790

[15] Lanzoni A, Ade G, Martelli R, et al. Technological aspects of Steinernema carpocapsae spray application alone or mixed with Bacillus thuringiensis aizawai in spinach crop[J]. Bulletin of Insectology, 2014, 67(1): 115－123.

[16] Moreira G F, Batista E S, Campos H B, et al. Spray nozzles, pressures, additives and stirring time on viability and pathogenicity of entomopathogenic nematodes (nematoda: rhabditida) for greenhouses[J]. Plos One, 2013, 8(6): e65759.

[17] ShapiroIlan D I, Gouge D H, Piggott S J, et al. Application technology and environmental considerations for use of entomopathogenic nematodes in biological control[J]. Biological Control, 2006, 38(1): 124－133.

[18] Brusselman E, Beck B, Temmerman F, et al. Distribution of entomopathogenic nematodes in a biopesticide spray[J]. Transactions of the ASABE, 2011, 54(6): 1981－1989.

[19] Gouli V, Kassa A, Skinner M, et al. Fungal conidia distribution on chrysanthemum: varying spray parameters[J]. Archives of Phytopathdogy and Plant Protection, 2011, 44(6): 567－574.

[20] 李建华，郑加强，余果. 喷雾接种生物颗粒两相流及其对菌种活性的影响[J]. 农业工程学报，2014，30(1)：47－54. Li Jianhua, Zheng Jiaqiang, Yu Guo. Solid-liquid two-phase flow of microbial particle spraying inoculation and itsinfluence on microbial viability[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(1): 47－54. (in Chinese with English abstract)

[21] 张慧春，郑加强，周宏平，等. 转笼式生物农药雾化喷头的性能试验[J]. 农业工程学报，2013，29(4)：63－70. Zhang Huichun, Zheng Jiaqiang, Zhou Hongping, et al. Performance experiments of rotary cage atomizer for biologicalpesticide application[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(4): 63－70. (in Chinese with English abstract)

[22] 朱正阳，张慧春，郑加强，等. 风送转盘式生物农药离心雾化喷头的性能[J]. 浙江农林大学学报，2018，35(2)： 361－366.Zhu Zhengyang, Zhang Huichun, Zheng Jiaqiang, et al. Performance of an air-assisted spinning disc nozzle for biological pesticide[J].Journal of Zhejiang A&F University, 2018, 35(2): 361－366. (in Chinese with English abstract)

[23] 宋伟，周宏平，张慧春，等. 转笼式生物农药雾化喷头的性能分析[J]. 南京林业大学学报：自然科学版，2012，36(5)：133－136.Song Wei, Zhou Hongping, Zhang Huichun, et al. Performance analysis on rotating-cage spraying atomizer of biological pesticide[J]. Journal of Nanjing Forestry University: Natural Science Edition, 2012, 36(5): 133－136. (in Chinese with English abstract)

[24] 肖丽萍，刘木华，Zhu Heping，等. 喷嘴喷施不同生物农药雾滴特性研究[J]. 农业机械学报，2018，49(2)：100－106. Xiao Liping, Liu Muhua, Zhu Heping, et al. Spray droplet size characteristics of different biological pesticides with different hydraulic nozzles[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Machinery, 2018, 49(2): 100－106. (in Chinese with English abstract)

[25] 肖丽萍，蔡金平，刘木华，等. 不同生物农药的喷雾覆盖率与页面沉积量的实验研究[J]. 农机化研究，2018，40(9)：189－194. Xiao Liping, Cai Jinping, Liu Muhua, et al. Comparative experimental study on spray coverage and deposition of different bio-pesticides with different hydraulic nozzles[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2018, 40(9): 189－194. (in Chinese with English abstract)

[26] 张慧春，Gary Dorr，郑加强，等. 喷雾飘移的风洞试验和回归模型[J]. 农业工程学报，2015，31(3)：94－100. Zhang Huichun, Gary Dorr, Zheng Jiaqiang, et al. Wind tunnel experiment and regression model for spray drift[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(3): 94－100. (in Chinese with English abstract)

[27] 刘秀娟，周宏平，郑加强. 农药雾滴飘移控制技术研究进展[J]. 农业工程学报，2005，21(1)：186－190.Liu Xiujuan, Zhou Hongping, Zheng Jiaqiang. Research progress of pesticide droplet control technology[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2005, 21(1): 186－190. (in Chinese with English abstract)

[28] 王立军，姜明海，孙文峰，等. 喷雾机设计中喷头的选型[J]. 农机化研究，2005(2)：151－153. Wang Lijun, Jiang Haiming, Sun Wenfeng, et al. The type choice of nozzle in sprayer design[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research,2005(2):151－153. (in Chinese with English abstract)

[29] 边厚望. 广角扇形喷嘴[EB/OL]. 2012-03-03. http://www. doc88.com/p-505548748596.html

[30] 魏书艳，陆德玲，张婧，等. 9种药剂对小菜蛾的室内毒力测定及田间防控试验[J]. 江苏农业科学，2013，41(7)： 116－119.Wei Shuyan, Lu Deling, Zhang Qian, et al. Indoor virulence determination and field control of 9 insecticides against Plutellaxylostella[J]. Jiangsu Agricultural Sciences, 2013, 41(7): 116－119. (in Chinese with English abstract)

Effect of fan nozzle structure and pressure on distribution and activity of microbial pesticide droplets

Liu Dongmei1,2, Zhou Hongping1※, Ru Yu1, Qu Rongjia1

(1.210037,; 2.321017,)

The flat fan nozzle is the most common type of nozzle for various boom sprayers. From the perspective of reducing damage and improving activity, in order to screen the nozzle pattern and spray pressure suitable for spraying microbial pesticide in flat fan nozzles, the comparative experiments of bioactivity damage were carried out for extended range fan nozzle XR, wide-angle fan nozzle TT and air suction fan nozzle AI. The nozzle atomization test system was used to test the droplet distribution of three different spray samples of Bacillus thuringiensis, Brassica californica polyhedrosis virus and water. The influence of nozzle structure and spray pressure on the activity damage of bacteria and virus biological pesticide was quantified by spore germination rate of Bacillus thuringiensis and mortality of Plutella xylostella. The experimental results showed that the XR series fan nozzles with a single direction of flow had less impact on the biological activity than the TT series with multiple flow mutations and the AI series fan nozzles with interference from external air flow. When the XR11002 nozzle sprayed microbial pesticide, the fluid flew through the 2 channels of the same flow direction to the nozzle hole, and there was no sudden change of the fluid direction and no external airflow interference during the spraying process. However, the TT11002 nozzle forcibly changed the direction of the liquid, forcing the fluid to entered the horizontal mixing chamber from the vertical direction, and then changing from the horizontal flow channel to the almost vertical orifice channel, resulting in microbial damage caused by shear stress and normal stress. The AI11003 nozzle was provided with a front hole, and in the hole, the air was sucked into the nozzle due to the Venturi effect. The gas and liquid mixed flow structure caused the microorganism to be subjected to multiple interferences and force, causing damage to biological structures. At 0.5 MPa, after 16 hours culture, the spore germination rate of Bacillus thuringiensis sprayed with XR11002 sprinkler was 83.76%, while that of TT11002 and AI11003 were 65% and 68.33% respectively. Pressure on the bacterial and viral biological pesticide activity difference was obvious. The pressure had a negative correlation to the activity damage of bacteria, and had no obvious effect on the damage of the virus activity, it was mainly related to the structure of bacteria and virus. The bacteria had the cell structure, the increase of pressure caused the increase of damage degree to cell wall and cell membrane, resulting in the decrease of the living bacteria and subalgebra. The virus had no cell structure, its genetic material was wrapped in the protein shell, and the destruction of the shell did not affect the virus activity. The damage degree of nozzle to virus biologic pesticides was less than that of bacteria, which was caused by the different structure of the 2 organisms. Therefore, when using the flat fan nozzle to spray the microbiological pesticide, the XR series fan nozzle was preferred. Therefore, when using the flat fan nozzle to spray the microbiological pesticide, the XR series fan nozzle was preferred. From the angle of reducing the activity damage, it was suggested that the spray pressure of XR11002 and TT11001 were not greater than 0.15MPa, and the spray pressure of AI11003 was not greater than 0.3MPa. In combination with various factors, when spraying microbial pesticides with fan nozzles, XR11001 in XR series fan nozzles was preferred from the viewpoint of droplet distribution and activity, and the spraying pressure was 0.15 MPa. In the spraying of virus pesticides, the impact of the type of nozzle and pressure on the viral activity damage can be ignored. This paper provides a reference for screening the optimal nozzle type and spraying pressure suitable for bio-pesticide spraying.

nozzles; pesticides; pressure; biological activity

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.21.007

S491; S435

A

1002-6819(2018)-21-0057-08

2018-06-21

2018-08-31

国家十三五重点研发计划项目（2018YFD0600202）

刘冬梅，女，博士生，讲师，主要从事植保机械及精准施药技术研究。Email：ldm123ldm@126.com

周宏平，男，教授，博士生导师，主要从事植保机械装备与技术研究。Email：hpzhou@njfu.edu.cn

刘冬梅，周宏平，茹 煜，曲荣佳. 扇形喷头结构和压力对微生物农药雾滴分布及活性的影响[J]. 农业工程学报，2018，34(21)：57－64. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.21.007 http://www.tcsae.org

Liu Dongmei, Zhou Hongping, Ru Yu, Qu Rongjia. Effect of fan nozzle structure and pressure on distribution and activity of microbial pesticide droplets[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(21): 57－64. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.21.007 http://www.tcsae.org