双风送静电喷雾中雾滴在果园空间沉积分布试验

周良富 张玲 薛新宇

摘要：为评价所设计的双风送静电果园喷雾机室外性能，测试喷雾机在Y形梨树园内的雾量分布。以纸卡为样本、丽春红溶液为示踪剂，测试区域采样与断面采样对试验结果影响及不同作业速度下的田间雾量分布，分析静电喷雾效果。结果表明，区域采样策略和断面采样对冠层平均雾滴覆盖密度的结果影响不大，但断面采样策略比区域采样策略所得的雾滴覆盖密度具有更大的变异系数;作业速度是影响静电喷雾效果的一个重要因素，Ⅱ、Ⅳ档速度下静电喷雾的反面雾滴覆盖率分别提高40%、17%，但对正面的雾滴覆盖密度基本没有影响，甚至略低于非静电喷雾;静电喷雾有助于抑制雾滴飘移，试验结果显示在5.0～12.5 m的采样区域内，静电喷雾的的飘移量比非静电喷雾减少18%;该喷雾机在同类型果园应用中，防虫时可以采用Ⅲ档及以下作业速度，防病选用Ⅱ档及以下速度可以满足防治要求，但Ⅰ档作业时地面沉积量明显高于其他作业速度，不建议使用。

关键词：植保机械;果园喷雾机;风送喷雾;静电喷雾;雾量分布;田间试验

中图分类号： S491  文献标志码： A  文章编号：1002-1302（2019）12-0242-05

3WQ-400型双气辅助静电果园喷雾机结合了风送喷雾与静电喷雾技术，离心风机气流有助于荷电雾滴快速摆脱强电场区，同时增加雾滴荷电量，与轴流风机共同作用输运雾滴到作物靶标以降低荷电量的衰减。静电喷雾有助于雾滴在靶标背面沉积，降低农药地面沉积和飘移。风送静电喷雾研究主要有场地试验与田间试验，杨洲等研究了不同侧风和静电电压对静电喷雾雾滴飘移的影响规律[5]。茹煜等研究了在风洞条件下雾滴飘移影响因素分析，初步建立了雾滴飘移的数学模型[6]。贾卫东等设计了静电感应喷头，并在风幕式喷杆喷雾机上运用，试验了静电喷雾的沉积特性[7]。周宏平等在优化设计航空静电喷雾装置的基础上，挂载于轻型蜜蜂飞机上与原有的静电喷头及传统的扇形喷头进行了松毛虫防治对比试验研究[8]。邱威等以蟲口减退率和病情指数为指标，测试了风送喷雾对梨蚜虫、梨黑斑病的田间防治效果[9]。张京等进行了Π型循环喷雾机与常规风送喷雾机的防飘性能的对比试验[10]。Duga等研究了风送喷雾机类型、果树修剪方式与冠层特征对梨果树上的雾滴沉积分布影响[11-12]。上述研究所采用的方法为本研究提供了技术指导。

以Y形梨树为试验对象，测试所研制的喷雾机在田间的雾量分布，对比静电喷雾与非静电喷雾对冠层雾滴覆盖密度、地面沉积与飘移的影响。同时，测试不同速度下田间雾量分布，以期验证喷雾机具设计目标，探寻静电喷雾的最佳作业速度。

1 材料与方法

1.1 主要材料

1.1.1 喷雾机及性能参数 依据GB/T 32244—2015《植物保护机械 乔木和灌木作物喷雾量分布的田间测定》方法要求对试验用喷雾机进行描述。

1.1.2 主要结构与原理 3WQ-400型双风送静电果园喷雾机是农业农村部南京农业机械化研究所自行研制成功的，其主要结构如图1所示。喷雾液体在隔膜泵的高压作用下，由喷嘴雾化成雾滴并在电极区感应带电，荷电后的雾滴在离心风机气流作用下快速脱离强电场区，并在外轴流风机气流的共同作用下输运到冠层靶标。该机具克服了荷电雾滴在电极附近吸附及荷电量的快速衰减，保证输运到靶标的雾滴依然具有较强的静电能力，确保雾滴在叶片背面的沉积。

1.1.3 喷头与雾量分布 喷雾机选用喷嘴为LurMark公司的TXR800071VK空心圆锥雾喷嘴，喷头采用双侧同时喷雾，每侧5个喷头，共10个喷头，额定喷雾压力为0.5 MPa，喷头的平均流量为350 mL/min，其雾滴直径VMD<150 μm。每个喷头布置的具体位置与方向见表1。在该布置方式下使用垂直雾量分布试验台测定喷雾距离（风机轴心位置）为 2.5 m 的垂直雾量分布情况，试验结果如图2所示，可以看出喷雾量主要分布在高度为1.0～2.5 m处，这与冠层生物量分布式基本一致的。

1.1.4 气流场分布 依照GB/T 24683—2009《植物保护机械 灌木和乔木作物用风送式喷雾机试验方法》测试轴流风机转速为1 400 r/min，离心风机转速为1 800 r/min下喷雾机射流中心截面的气流速度分布散点数据，利用Surfer 8.0软件（美国Golden Software公司）绘制气流场速度等值图如图3。

1.2 试验方法

1.2.1 试验条件 试验时间为2016年9月5—10日，试验期间环境温度为18～34 ℃，相对湿度为45%～70%，自然风速为阵风1.5～3.0 m/s，试验地点为江苏省农业科学院白马试验基地，试验区为50 m×50 m的现代化标准梨园，行间地面平整，地头有4 m的农机作业道;试验对象为Y拱形棚架优质梨新品种，树龄为5年，每年收获后将修剪掉Y形中间的枝条以增加光合作用。行距为5 m，株距为4 m。试验时正值果品收获后期。在0.8、1.2、1.5、2.2、3.0 m高处，其冠层宽度分别为0.7、1.6、2.4、3.6、4.0 m，在Y形树干附近处的叶面积体密度为6.5 m2/m3，但在分叉后中间部位的叶面积体密度为1.5 m2/m3，喷雾机作业现场照片如图4所示。

1.2.2 试验仪器与材料 示踪剂为0.5%色素丽春红2R溶液（北京化学试剂厂），样本为76 mm×76 mm的百事贴便签纸（得力集团有限公司），风速仪、温湿度计、扫描仪（Canoscan Lide25，扫描像素为760×760）及其他常用工具。

1.2.3 试验方法与数据处理 根据前期气流场测试结果，结合果树冠层特征，选择轴流风机转速为1 400 r/min，离心风机转速为1 800 r/min，喷雾压力为0.5 MPa。测试拖拉机在工作Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ档全油门速度下静电喷雾与非静电喷雾田间雾量分布规律，其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ档对应的工作速度为034、0.52、0.84、1.05 m/s。

每组试验果树均采用双侧喷雾，喷雾后待纸卡晾干后采集装入密封袋后，标记采集点（不取下固定夹）以保证后续试验同一的采集位置。在试验室条件下将样本扫描，避免样本边界干扰，用图像处理软件截取60 mm×60 mm样本读取雾滴覆盖率（雾滴覆盖面积与样本面积之比）和雾滴覆盖密度（单位面积所具有的雾滴点数，个/cm2）。

采用Excel 2010进行数据处理与曲线绘制。

1.2.4 雾量分布采样策略

1.2.4.1 冠层靶标雾量分布采样 目前冠层沉积分布试验大多采用区域采样，而且在同一区域内仅采了1～3个样本量，得到雾滴覆盖率和覆盖密度，而且各类研究得到的试验结果差异较大。本研究同时采用断面采样法和区域采样法，对比不同采用策略对试验结果的影响，采样示意如图5所示。断面采樣是在果树树干断面上布置样本，在高度方向上采样间距为0.25 m，当冠层厚度为0.5 m时在冠层内部布置采样点。区域采样法是在果树高度0.9、1.65、2.2 m上，将果树分成9个采样区域，外侧的每个区域取3个采样点，中间的区域取6个采样点，试验结果为每个区域采样点平均值。

1.2.4.2 非靶标雾量分布采样 非靶标区包括地面沉积及空中飘移两部分，图6为地面沉积与空中飘移的沉积采集布置示意图。其中，在作业树行下面布置4个采集点，左右两侧分别布置8个采样点，分别以数字为编号，以R、L分别代替左右侧。在喷雾下风区5.0、7.5、10.0、12.5 m处布置第4个采集杆，每个采集杆上1、2、3 m等3个采集点，以3个采集点雾滴覆盖密度的平均值作为每个采集杆的试验结果。

2 结果与分析

2.1 采样策略对试验结果影响

将断面采样策略的试验结果，在Excel中绘制不同位置上沉积高度与叶片正反面雾滴覆盖密度的关系曲线。不同位置上（E、N、E′）区域采样策略的试验结果求平均值后，绘制不同位置上叶片正反面雾滴覆盖密度柱状图（图7）。

由图7可知，正面的平均雾滴覆盖密度为193个/cm2，最少为52个/cm2，变异系数为47.08%。反面的平均雾滴覆盖密度为36个/cm2，最少为5个/cm2，变异系数为96.5%。而采用区域采样法得到正面的平均雾滴覆盖密度为 240个/cm2，变异系数为24.6%;反面的平均雾滴覆盖密度为31.7个/cm2，变异系数为39.17%。由此可知，不同采样策略所得到雾滴平均覆盖密度差异不大，但断面采样策略比区域采用策略所得的雾滴覆盖密度具有更大的变异系数。

2.2 静电喷雾效果分析

用同一喷雾机在静电开与关情况下，采用区域采样法测试静电喷雾与非静电喷雾时冠层的雾滴分布。由于果树冠层的不完全对称性，而且受采样点具有人为因素，所以试验结果为不同位置上（E、N、E′列）的样本平均值。

图8为喷雾机在作业速度Ⅱ档和Ⅳ档下静电喷雾与非静电喷雾的冠层正反面雾滴覆盖密度对比图。由图8可知，静电喷雾有助于雾滴在叶片反面沉积，Ⅱ档和Ⅳ档速度下反面雾滴覆盖率分别提高40%、17%，但对正面的雾滴覆盖密度基本没有影响，甚至略低于非静电喷雾。因此，作业速度是影响静电喷雾效果的一个重要因素。

2.3 作业速度对冠层分布影响

采用区域采样法测试不同作业速度下的冠层雾滴分布，将两外侧E、E′的9个样本、内部的18个样本的正反面雾滴覆盖密度分别求平均值，得到不同位置上叶片正反面雾滴平均覆盖密度，如图9所示。试验结果显示，在Ⅰ档作业时，正反面的平均雾滴覆盖密度分别达到350、110个/cm2，超过防治病虫害的要求。Ⅱ档作业时，正反面的平均雾滴覆盖密度分别达到220、60个/cm2，基本达到防治病虫害的要求。而Ⅲ档作业时，正反面的平均雾滴覆盖密度分别达到150、35个/cm2，其正面达到防治病虫害效果，反面只能达到防虫的要求。Ⅳ档作业时，正反面的平均雾滴覆盖密度分别达到110、20个/cm2，其正面达到防治病虫害要求的70个/cm2，反面已经不能达到防虫要求的25个/cm2。因此，该喷雾机在同类型果园应用中，防虫时可以采用Ⅲ档及以下作业速度，防病时须选用Ⅱ档及以下速度。

2.4 作业速度对地面分布影响

雾滴在地面的沉积特性是衡量喷雾机性能的指标之一，也是农药浪费和土壤污染的主要渠道之一。因此，以达到防治病虫害效果为前提下，选择地面沉积较少的作业工况是研究的主要目的。图10为不同作业速度下地面的沉积分布曲线，试验结果显示喷雾机作业时地面沉积主要分布在10 m范围内，而且地面的雾滴覆盖密度较高，地面沉积量与作业速度呈正相关，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ档的最大雾滴覆盖密度分别达到450、280、220、100个/cm2。Ⅰ档作业时，地面沉积量明显高于其他作业速度，结合作业速度与冠层分布关系，不建议采用Ⅰ档作业。

2.5 静电喷雾对飘移的影响

飘移试验按图6-b所示对果树行进行1个来回喷雾两侧喷雾， 试验时环境温度为30.5 ℃， 相对湿度为60%，自然风速为2.5 m/s阵风（气象条件为果树上方1 m处测得）。在喷雾区下风向5 m开始测试飘移量，为增大飘移损失量显著性，静电喷雾与非静电喷雾试验结果均为工作Ⅱ档和Ⅳ档的累积效果，将每个测试距离在3个样本求平均值并绘制曲线，如图11所示。

由图11可知，静电喷雾的飘移量比非静电喷雾减少18%，但在5 m处的雾滴覆盖密度依然还有47个/cm2，且沿射程方向快速衰减，10 m处的雾滴覆盖密度为10个/cm2，在12 m外基本检测不到雾滴飘移。

3 结论

区域采样和断面采样对冠层平均雾滴覆盖密的结果影响不大，但断面采样策略比区域采样策略所得的雾滴覆盖密度具有更大的变异系数。作业速度是影响静电喷雾效果的一个重要因素。Ⅱ档和Ⅳ档速度下静电喷雾的反面雾滴覆盖率分别提高40%、17%，但对正面的雾滴覆盖密度基本没有影响，甚至略低于非静电喷雾。该喷雾机在同类型果园应用中，防虫时可以采用Ⅲ档及以下作业速度，防病选用Ⅱ档及以下速度可以满足防治要求，但Ⅰ档作业时地面沉积量明显高于其他作业速度。静电喷雾有助于抑制雾滴飘移，试验结果显示在5.0～12.5 m的采样区域内，静电喷雾的的飘移量比非静电喷雾减少18%。

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