喷雾助剂对雾滴粒径、抗蒸发及植保无人机喷施雾滴飘移的影响

林金元,王国宾,况慧云,孙萍东,胡颖雄,孙 建,郑洪建,臧晓韵

(1上海市农业科学院作物育种栽培研究所/CIMMYT-中国特用玉米研究中心,上海 201403;2上海特用玉米工程技术研究中心,上海 201106;3山东理工大学农业工程与食品科学学院,淄博 255049;4上海农科种子种苗有限公司,上海 201106;5上海科立特农科(集团)有限公司,上海 201106)

农药飘移是农药喷施过程中由于气流作用雾滴被带出靶标区的现象。农药飘移在非靶标区会导致严重的危害,如农药有效利用率降低、敏感作物损伤、环境污染及生物健康风险等[1]。农药飘移主要为粒子飘移和蒸发飘移两种形式[2]。粒子飘移是农药飘移中最为常见形式,主要受环境风的影响。蒸发飘移与农药有效成分的蒸气压有关,蒸气压越高,蒸发飘移风险越大。研究表明,在农药喷施过程中有20%以上的农药雾滴会发生飘移[3-4]。农药飘移主要受到4个方面因素的影响:环境参数、施药技术、周围施药环境和喷洒溶液特性[5],其中环境参数包括温湿、风速等,施药技术包括施药设备、施药高度与速度等,周围施药环境主要为周围作物以及遮挡情况,溶液特性主要包括溶液的黏度、表面张力、密度和均一稳定性等。

植保无人机因其飞行高度高、飞行速度快、喷洒农药雾滴浓度高、雾滴粒径小等而被政府、企业以及施药人员广泛关注[6]。王国宾等[7]测定P20型植保无人机在高温干燥的环境下喷施雾滴飘移分布,发现在下风向有效喷幅边缘12 m处的飘移量为沉积区的1/10,部分参数下在50 m处仍具有飘移雾滴。针对植保无人机特有的旋翼风场和下洗气流,采用流体力学软件对单旋翼、四旋翼无人机下的旋翼风场进行模拟,揭示了翼尖涡流及螺旋尾涡对雾滴飘移的影响,并以此结果优化喷嘴布置位置,将其置于旋翼正下方,以避免翼尖涡流的扰动影响[8-9]。喷头为植保无人机的重要部件,其雾化特性对雾滴的沉积与飘移具有重要影响。为此,研究学者针对不同机型的植保无人机研发适用于低容量喷洒的超低容量旋流喷嘴[10]、转盘雾化喷嘴[11]、静电喷雾系统[12]等,用于提高植保无人机喷洒质量和雾化性能,减少雾滴飘移。

改变喷洒药剂溶液特性是减少植保无人机雾滴飘移的另一重要手段,最为常用的方法是添加喷雾助剂。喷雾助剂包括矿物油类、无机盐类、阳离子、阴离子、有机硅、植物油类、高分子材料等[13],而市场上应用最广泛的为植物油和有机硅类喷雾助剂。尤其是植物油类,其原料为可再生资源且环境友好,对农药具有广谱增效的作用[14]。张文君等[15]应用粒子图像分析系统、高速摄影仪和粒径分析仪研究喷雾助剂对水分散粒剂及乳油对雾化的影响,发现随着添加助剂浓度的增加,喷施乳油溶液后的雾滴体积中径(VMD)先增加后减少;张瑞瑞等[16]研究表明,喷雾助剂对雾滴粒径具有显著影响,且助剂与喷头具有交互作用;王潇楠等[2]以VMD和飘移潜在指数DIX为评估指标探究助剂类型及浓度对不同喷头雾滴粒径分布和雾滴飘移的影响,筛选了适宜不同喷头添加的防飘移喷雾助剂。但关于溶液性质与不同喷头雾滴粒径之间的关联及助剂对雾滴抗蒸发影响方面的研究,还未见报道。本研究通过分析喷雾助剂对两种液力式喷头雾滴粒径分布及对雾滴蒸发抑制性能和植保无人机喷施后雾滴飘移的影响,以期为新型喷雾助剂、喷头及雾滴飘移方面的研究提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 喷雾助剂

共选择6种不同的喷雾助剂(表1),喷雾助剂添加量为0.5%。

表1 喷雾助剂Table 1 Test additives

1.1.2 植保无人机

采用国内应用最为广泛的T20植保无人机(深圳大疆创新科技有限公司)测定喷雾助剂溶液对雾滴飘移分布的影响。T20植保无人机安装有液力式喷雾系统,最大有效起飞重量为47.5 kg,药箱容量为20 L,设备长×宽×高(机臂展开,桨叶展开)为2 509 mm×2 213 mm×732 mm,有6个旋翼以及8个液力式雾化喷头,喷头位于旋翼正下方,喷嘴型号为SX110015。该植保无人机均采用锂电池供能,作业参数可由遥控端输入,且喷洒作业参数选择基于病虫害防治喷洒常用参数,无人机采用载波相位差分(Real-time kinematic,RTK)技术进行飞行精准定位。试验时飞行高度为3.0 m,喷幅为5.0 m,飞行速度为5 m/s,流量为2.24 L/min,喷液量为15.0 L/hm2,仅开启机身后方4个喷嘴。

1.2 试验方法

1.2.1 表面张力和黏度的测定

表面张力的测定参考国标GB/T 5549—2010的方法[17],使用JK99B型全自动张力仪(上海中晨数字技术设备有限公司)拉起液膜法测定。液体黏度的测定参考GB/T 22235—2008的方法[18],使用NDJ-1旋转黏度计(力辰科技有限公司)测定。

1.2.2 雾滴粒径的测定

雾滴粒径的测定装置包括DP-02型激光粒度分析仪(珠海欧美克仪器有限公司)、液力式喷洒系统。液力式喷洒系统包含喷头、隔膜泵、流量计、压力表、液力式喷头,其中液力式喷头包括SX110015(深圳市大疆创新科技有限公司)和液力式防飘移喷头IDK120015(德国Lechler公司)2种类型。激光粒度分析仪接收端和发射端距离为1.5 m,液力式雾化喷头固定于接收端和发射端中央高0.5 m处,常规SX110015喷头喷雾压力设定为0.3 MPa,IDK120015喷头喷雾压力设定为0.6 MPa。

雾滴粒径测定试验时,首先打开激光粒度仪接收端和发射端,并打开测试软件,测定清水的雾滴粒径,随后逐次测定喷雾助剂溶液的雾滴粒径分布,注意在每次测量前需要用清水冲洗管路和喷头,并用喷雾助剂溶液润洗,避免各处理之间的相互干扰。

1.2.3 雾滴蒸发抑制性能的测定

首先利用视频光学接触角测量仪OCA 20(德国DATA PHYSICS公司)上的微量注射器吸取助剂溶液,并将温控设备调至30℃,选择操作模式为悬滴。待仪器稳定后,通过微量注射器滴取4μL液滴并悬于针头,置于测量仪的温控盒中。开启视频录制,采用高速摄像机对雾滴进行自动拍摄,记录雾滴蒸发过程,分析1 min时间内每秒雾滴体积的变化,计算雾滴蒸发速率和雾滴蒸发抑制率。

1.2.4 植保无人机喷施飘移的测定

试验在江苏省丹阳市实施,参照民航标准MH/T 1050—2012[19]和国家标准GB/T 24681—2009[20]进行,试验田品种为鲜食甜玉米‘金银918’,玉米高度为(12.1±3.7)cm。共设2个处理:添加0.5%倍达通®助剂处理和清水对照处理,重复3次。试验前在药箱中添加5.0 g/L的荧光示踪剂Rhodamine-B(上海萨恩化学技术有限公司)。采用单行程喷施,在下风向有效喷幅边缘0、2 m、4 m、8 m、12 m、16 m、20 m、30 m、40 m、50 m分别放置3组PVC卡片,每组间隔10 m。PVC卡片水平固定于硬塑料板上,并通过双头夹布置于三脚架上。为避免受到旋翼气流地面效应的影响,PVC卡片距地面1 m,植保无人飞机距PVC卡片2 m。

田间飘移喷施完成后将每个采样点的PVC卡编号后收集到自封袋中。收集过程中勿污染PVC卡片,带回至实验室后冷藏保存。PVC卡片处理流程和回收率分析参照文献[6],向存放有PVC卡片的自封袋中加入超纯水20 mL洗脱,吸取3 mL洗脱液至比色皿中,使用Agilent Cary Eclipse荧光分光光度计(安捷伦科技有限公司)测定荧光值。

试验气象条件利用Kestrel 5000 LiNK气象站(北京金仕特仪器仪表有限公司)采集,采集频率为2 s/次,采集数据包括环境温度、相对湿度以及风速风向。为避免植保无人飞机旋翼风的干扰,气象站放置于距离有效喷幅边缘下风向20 m处。合理设置植保无人机作业方向,保证风向与作业方向夹角在(90±30)°,同时保证PVC卡的布置方向与植保无人机作业方向垂直。

1.3 数据处理与分析

喷头喷雾雾滴粒径采用DV10、DV50、DV90、V＜150μm、RS(Relative Span)指标进行评估,DVm是指总体积的m%的雾滴体积中径的值,其中DV50又称雾滴体积中径。V＜150μm是指雾滴谱中小于150μm的雾滴的比例,是评估易飘移小雾滴的重要参数。RS为雾滴分布跨度或雾滴谱宽,是衡量雾滴粒径分布宽度的指标,RS越大,表示雾滴均一性越低,RS计算如公式(1)。

雾滴蒸发速率基于雾滴体积变化计算得到,计算公式如下:

其中,v为雾滴蒸发速率;v0、v1为液滴初始体积和最终体积,μL;t为蒸发时间,s。

雾滴蒸发抑制率基于助剂溶液的体积变化和清水的体积变化来进行计算,如公式(3):

其中,v0(water)为清水的初始体积;v1(water)为清水的最终体积;v0(additive)为喷雾助剂溶液的初始体积;v1(additive)为喷雾助剂溶液的最终体积。

雾滴沉积量测定基于1.2.4小节测定的荧光值,飘移区的沉积量计算如公式(4)。

其中,βdep为沉积量,μL/cm2;ρsmpl为样品的荧光计读数;ρblk为不含示踪剂的空白采样器荧光计读数;Fcal为校准系数,荧光剂单位刻度对应的浓度,μg/L;Vdil为用于溶解收集器收集的示踪剂的稀释液的体积,L;ρspray为喷雾液浓度,g/L;Acol为收集器上收集喷雾飘移的投影面积,cm2。

飘移区的飘移率计算如公式(5)。

其中,βdep为沉积量,μL/cm2;βv为喷施量,L/hm2。

根据GB/T 24681—2009[20],测得喷雾飘移区沉积量沿采样距离x的衰减曲线:

根据飘移曲线计算累积飘移率Dt,%(公式7)和飘移百分比D,%(公式8):

90%飘移位置定义为D等于90%时的采样距离x的值,m;

不同溶液表面张力、黏度以及雾滴粒径分布数据采用Microsoft Excel 2013软件进行整理与分析,并采用SPSS软件进行方差分析,对分析结果进行Turkey’s HSD多重检验,显著性水平选择α=0.05。

2 结果与分析

2.1 喷雾助剂对溶液表面张力和黏度的影响

与清水相比,添加喷雾助剂的溶液表面张力显著降低,降低比例达44.8%—69.1%,其中有机硅类喷雾助剂Silwet DRS60降低最为显著。添加喷雾助剂黏度显著增加,增加比例达3.4%—96.6%,其中高分子瓜尔胶类喷雾助剂Starguar4A增加最为显著。溶液表面张力和黏度的变化对喷头喷洒后的雾滴粒径可能会产生影响,进一步会影响雾滴在靶标上的沉积与飘移。

表2 喷雾助剂对溶液表面张力和黏度的影响Table 2 Effects of adjuvants on surface tension and viscosity

2.2 喷雾助剂对雾滴粒径的影响

喷雾助剂对植保无人机常用的SX110015喷头和IDK120015喷头雾滴粒径分布的影响差异显著(表3)。对于SX110015喷头,添加迈飞®、DS10870、倍达通®3种喷雾助剂显著增加DV50,增加幅度为5.6%—14.1%,同时小雾滴(V＜150μm)的比例降低,降低幅度为7.4%—22.1%,植物油类喷雾助剂倍达通®影响最为显著。在所有助剂中,仅迈飞®助剂显著降低雾滴均一性,增加了雾滴谱跨度,其余喷雾助剂影响不显著。对于IDK120015喷头,添加喷雾助剂后DV50全部降低,降低幅度在9.5%—26.2%,小雾滴(V＜150μm)的比例增加,增加幅度在10.3%—31.0%,表明喷雾助剂降低了IDK喷头的抗飘移性能,增加了飘移风险。与清水相比,所有喷雾助剂均降低雾滴均一性,增加了雾滴谱跨度,因此在采用IDK喷头喷洒时,不建议添加喷雾助剂来进一步增加抗飘移效果。

表3 不同喷雾助剂对雾滴谱的影响Table 3 Effects of spray additives on droplet size

喷雾助剂对SX喷头与IDK喷头喷洒后的DV50、RS的影响存在显著差异,可能是喷头在设计原理上的差异导致,IDK喷头内部结构设计利用文丘里原理,在喷头内部将吸入的空气与喷雾溶液相混合,使得喷出的雾滴内含小气泡,从而增大雾滴粒径,减少飘移。该设计特征与喷雾助剂存在交互影响。另外,不同喷雾助剂对液力式喷头雾化结果的影响不同也与喷雾助剂溶液的表面张力和黏度有关,除喷雾助剂Vo/2012外,通过添加喷雾助剂,使溶液在一定范围内降低表面张力与增加黏度,有利于增加SX喷头雾化后的DV50,减少小雾滴比例。

2.3 喷雾助剂对雾滴蒸发抑制性能的影响

不同喷雾助剂对雾滴的蒸发速率(图1)和蒸发抑制率(图2)影响差异显著。清水的蒸发速率随蒸发时间先增长后降低,最终稳定在0.001μL/s左右。植物油类喷雾助剂迈飞®和倍达通®蒸发速率相对较低,40 s左右时为0。有机硅类喷雾助剂溶液在大多数时间段内蒸发速率大于清水,即不仅不抗蒸发还会导致蒸发速率增加。雾滴蒸发抑制率结果与蒸发速率结果基本相符,不同喷雾助剂的雾滴蒸发抑制率顺序为:倍达通®＞迈飞®＞Starguar4A＞DS10870＞Vo/2012＞清水＞Silwet DRS60,其中倍达通®的蒸发抑制率最高,为60.3%。助剂对抗蒸发的效果受助剂类型影响,植物油类喷雾助剂在蒸发过程中浓度逐步增大,液滴表面会逐步形成油包水的结构,可减缓液滴蒸发,而有机硅类喷雾助剂溶液因其具有超低的表面张力和超高的扩展能力,则会破坏水分子表面层,促进液滴蒸发。

图1 添加不同喷雾助剂后的雾滴蒸发速率Fig.1 Droplet evaporation rate after adding different spray additives

图2 添加不同喷雾助剂后的雾滴蒸发抑制率Fig.2 The inhibition rate of droplet evaporation after adding different spray additives

2.4 喷雾助剂对植保无人机喷施雾滴飘移影响

通过室内测定喷雾助剂对雾滴粒径分布以及抗蒸发效果的影响,发现植物油类喷雾助剂倍达通®经SX喷头喷洒后可增加DV50、减少小雾滴比例且具有最佳的抗蒸发抑制效果,因此植保无人机田间喷施试验选择添加喷雾助剂倍达通®开展雾滴抗飘移评估。

环境风速是雾滴飘移的主要影响因素,本研究中,风速范围在2.45—3.33 m/s。累积飘移率处理1＞处理2,90%累积飘移位置处理6＞处理5,其他处理下清水及倍达通®溶液累积飘移率和90%累积飘移位置都随着风速的增加而增加(表4)。3个试验风速下,清水的累积飘移率在59.8%—70.2%,而倍达通®溶液的累积飘移率在50.3%—62.6%。清水的90%累积飘移位置在16.6—19.2 m,添加倍达通®助剂后,植保无人机喷施90%累积飘移位置在10.2—14.4 m,相比降低4.8—6.4 m。田间试验表明,植物油类喷雾助剂倍达通®的添加对雾滴飘移具有显著的降低作用。

表4 不同风速下添加喷雾助剂对植保无人机喷施雾滴飘移的影响Table 4 Effects of spray additives on droplet drift of UAV at different wind speeds

3 结论与讨论

本研究表明,喷雾助剂对液滴表面张力和黏度具有显著影响,且喷头不同影响不同。对于SX喷头,大部分喷雾助剂会增加DV50,降低小雾滴比例,与IDK喷头结果相反。赵辉等[21]研究表明,动态表面张力值越低,所形成的雾滴DV50越小,且呈线性相关,与本研究中IDK喷头的结果基本符合,但与SX喷头测定结果相反。喷头雾滴粒径分布受溶液性质(表面张力、黏度、均一性等)、喷头类型、喷雾压力等多因素交互影响。Spanoghe等[22]分析发现,溶液表面张力的降低会降低雾滴粒径,黏度的增加会提高雾滴粒径,部分助剂会在喷雾溶液中形成油滴,例如植物油类、矿物油类和一些表面活性剂类喷雾助剂都可能造成雾滴粒径变化。因此,在田间开展喷雾作业时,应明确喷雾助剂对溶液性质的影响,并明确喷头喷施后雾滴粒径分布,这对于后续的喷雾飘移评估和安全缓冲区设置具有重要意义。

航空喷施由于飞行高度较高且常在高温环境下作业,雾滴蒸发问题更为突出。本研究发现,植物油类喷雾助剂具有较好的抗蒸发性能,可以有效避免雾滴蒸发。周晓欣等[23]提出植保无人机喷雾雾滴蒸发性能评估之悬滴法,其研究表明雾滴蒸发并非恒定不变过程,而是由初始蒸发阶段至平衡蒸发阶段的过程,这与本研究结果基本一致。本研究中,植物油类助剂抑制蒸发效果最为明显,不同喷雾喷雾助剂对溶液蒸发特性的差异与液滴的蒸气压有一定的相关性,添加有植物油类的助剂后显著增加了溶液的沸点,降低了蒸气压,因此,雾滴的抗蒸发效果显著提高,有助于降低雾滴在喷施后的飘移风险。

田间飘移试验测定显示,植保无人机在添加喷雾助剂倍达通后显著较低了累积飘移率和90%累积飘移位置,这一结果与喷雾助剂增加DV50,降低小雾滴比例以及提高抗蒸发性能有关。Lan等[24]在研究载人航空喷施时,发现添加喷雾助剂有助于减少雾滴飘移,提高雾滴沉积。曾爱军等[25]在风洞试验条件下测定喷头及助剂对植保无人机雾滴飘移的影响,发现XR喷头与迈飞助剂的组合有利于减少空中雾滴飘移,且在高温低湿的环境下,抗飘移效果会增加。喷施飘移是植保无人机施药技术中的重要问题之一,如何合理的解决雾滴飘移问题,减少飘移损失,降低对环境的影响将成为植保无人机施药技术未来研究重点。