静电喷雾对农药飘移及沉积分布的影响

贡常委，刘 越，马 钰，3，詹小旭，周增梅，朱新成，王学贵*

（1.四川农业大学农学院/无公害农药研究实验室，成都 611130；2.安阳全丰生物科技有限公司/农业农村部航空植保重点实验室，河南安阳 455000；3.甘肃省陇南市经济作物技术推广总站，甘肃陇南 746000；4.四川省筠连县农业农村局，四川宜宾 645250；5.成都绿金高新技术股份有限公司，成都 610023）

近年来，伴随植保无人飞机等新型植保器械的快速发展，我国水稻、玉米和小麦等三大粮食作物的农药利用率逐年提高，2020年农药利用率达40.6%，比2013年提升了6个百分点，但与发达国家相比，仍有很大的进步空间[1]。王明等[2]比较了3种植保无人机(单旋翼油动、单旋翼电动和六旋翼电动)和3种传统施药器械（担架式动力喷雾机、背负式手动喷雾器和背负式电动喷雾器）在防控茶园小绿叶蝉的效果，结果发现，植保无人机喷雾的农药沉积量（0.57～0.70 μg/cm2）和利用率（49.3%～58.2%）均高于3种传统施药器械的。对于植保无人飞机，受气流等的影响，药液的有效沉积对农药利用率的提升至关重要，也是评价其喷雾质量的重要指标。农药雾化后形成的雾滴在靶标作物上的沉积是一个复杂的动态过程，不仅受作物表面微观结构的影响，还与雾化特性等因素显著相关[3]。比如小雾滴所占总量的百分比减小和雾滴粒径增大均能显著降低药液的飘移量，然而大雾滴具有更高动能，到达靶标生物界面时更易发生高能碰撞，更大概率产生碎裂飞溅或是弹回地面[4]，这一矛盾可以通过静电喷雾技术缓解，因为它具有使沉积特性良好和飘移损失较小等特性[5]。目前国内市场流行的植保无人机动力来源多为电动式，卢佳节[6]通过改进植保无人机喷雾系统，利用高压静电发生器和适配器，成功将静电喷雾系统应用在植保无人机上。喷嘴作为植保无人飞机核心组件，是影响喷雾质量的关键因素。本文利用高压静电发生器感应充电达到静电喷雾效果，然后比较静电喷雾和非静电喷雾对雾滴粒径特征、雾滴表面张力、接触角、靶标沉积量和飘移沉积量的影响，评价静电喷雾技术在植保无人飞机防控病虫害的应用潜力，为农药减施增效奠定基础。

静电喷雾是利用电晕、感应和接触等[7]充电方式使雾滴带静电，静电雾滴下定向运动并被吸附到作物叶片上。近几年静电喷雾已经在植物保护领域得到了一定的应用，因为它不仅提高农药的有效沉积，还能减少农药飘移及对土壤微生物和环境的污染[8]。余泳昌等[9]采用组合充电式静电喷雾装置改进手动喷雾喷雾器YS-18，发现静电喷雾的雾滴谱较窄，农药有效沉积量显著增加。最早将静电喷雾技术应用于农业航空领域是美国农业部J.B.Calton和D.A.Isler，他们在20世纪60年代研制出了一种利用高压充电环给雾滴充电的电动旋转式喷嘴[10]，相对来说我国在农业航空静电喷雾领域的研究起步比较晚。茹煜等[11]对XY8D型无人机进行了静电喷雾系统整体设计，发现静电喷雾能够增加在靶标冠层，中层和下层的雾滴覆盖率及药液沉积量。雾滴荷质比的优化在静电喷雾技术研究中始终处于关键地位[12]，王亚涛等[13]利用感应式荷电的原理对多旋翼植保无人机设计了静电喷雾系统，得到最佳荷质比的喷雾雾滴。

本文采用麦拉片和相片纸在风洞中收集不同喷雾方式的地面飘移量[14]，D.B.Smith等[15]采用麦拉片分别在田间和风洞中收集地面飘移沉积量，得到了体积中径D50、ΦVol<150μm、风速和喷嘴高度等参数是影响喷雾飘移的关键因素；拟采用铂金环法[16]和座滴法[17]分别评测静电喷雾和非静电喷雾雾滴的表面张力和接触角；以期为静电喷雾技术在植保无人飞机防控水稻田病虫草害的推广应用提供理论基础。通过比较静电喷雾和非静电喷雾的雾滴粒径特征和雾滴理化性质，明确荷电特性对喷嘴雾化性能、飘移沉积和药液沉积的影响，为静电喷雾技术在农业航空领域的应用提供助力。

1 材料和方法

1.1 试验材料和测试平台

本研究测试的喷嘴为北京科丰佳华喷雾系统公司生产的静电喷嘴，由喷嘴和高压静电发生器[10]（输出电压为10～20 kV，功率为小于4 W，输入电压为12 V直流电压）组成，它利用感应式带电荷模式，在高压静电发生器作用下使雾滴拥有电荷；喷嘴类型为实心锥80°，输入电压由12 V蓄电池（天威6-FM-8，12V8AH/20HR）提供。

雾滴测试平台为安阳全丰航空植保科技股份有限公司提供，包括喷雾系统、粒径测试系统，喷雾系统实现药液在不同工作压力下的供给和喷洒；粒径测试系统由激光粒度仪采集系统（DP-2，珠海欧美克仪器有限公司）和计算机。

风洞测试平台为安阳全丰生物科技有限公司构建，该风洞长7.5 m，宽、高各1 m的方形风洞，进风一头由梳风栅引导风向，另一头有一个直径为0.9 m的轴流式风扇，该风扇可在工作空间内形成稳定的单向0～8 m/s无级调节的风速；风速由风速仪测定后，在微机的屏幕上显示风速值。

1.2 实验试剂及溶液配制

实验试剂：诱惑红（上海源叶生物科技有限公司），25 g/L五氟磺草胺（penoxsulam）可分散油悬浮剂（稻杰，陶氏益农农业科技（江苏）有限公司）。

配制质量体积比为5 g/L的诱惑红示踪剂水溶液[18]。每升示踪剂水溶液添加1.5 mL 25 g/L五氟磺草胺可分散油悬浮剂，作为待试溶液。

1.3 方法

1.3.1 不同喷雾方式雾滴粒径特征

静电喷嘴垂直安装在测试区激光束上方2 m处，喷雾压力为0.3 MPa；静电发生器输入端正负极分别连接蓄电池的正负极，输出端的正极连接静电喷嘴感应圈，输出端的负极连接地板；选用的试液为待试溶液，控制静电发生器与蓄电池的连接和断开，比较分析静电喷雾和非静电喷雾的雾滴粒剂分布，并用玻璃烧杯分别收集静电喷雾和非静电喷雾溶液。用曲线图表示雾滴粒径分布状况，并记录D10、D50和D90的雾滴粒径数值。雾滴累计分布为10%的雾滴直径D10，即小于此雾滴直径的雾粒体积占全部雾粒体积的10%；雾滴累计分布为50%的雾滴直径D50，即小于此雾滴直径的雾粒体积占全部雾粒体积50%，也称为体积中径。雾滴累计分布为90%的雾滴直径D90；分布跨度S是雾滴粒径分布宽度的一种度量，S=(D90－D10)/D50；尺寸小于150 μm的雾滴占全部雾粒体积的百分比ΦVol＜150μm[14]。

1.3.2 喷雾雾滴表面张力的测定

仪器为ZL-2型全自动表面张力仪（山东三普科森仪器有限公司）。使用铂金环法，在温度为(25.5±0.2)℃和湿度为(56.4±0.5)%（由RS-WS-N01-2C-*湿度变送器监测，山东仁科测控技术有限公司）条件下，监测时间范围为0～180 s，比较静电喷雾和非静电喷雾溶液的表面张力。所有处理均设置为3次重复，重复之间的差异在1 mN/m以内[16]。

1.3.3 喷雾雾滴与稗草叶片接触角的测定

仪器为SD-100S接触角仪（东莞市盛鼎精密仪器有限公司）。将高龄期稗草叶片用剪刀剪成1 cm×1 cm正方形，使用座滴法在温度为(25.5±0.2)℃和湿度为(56.4±0.5)%环境下，比较静电喷雾和非静电喷雾溶液与稗草叶片的表面张力，所有处理均设置为3次重复[17]。

1.3.4 不同喷雾方式对飘移的影响

飘移试验在风洞中进行，喷雾测试环境温度为(25.5±0.2)°C，相对湿度为(56.4±0.5)%。静电喷雾高度为0.9 m，风向垂直于扇形雾面。在离喷嘴下风向1、2和3 m处，在垂直于气流方向的平面内和风洞中线的交叉处布置雾滴收集器（5 cm×8 cm麦拉片和3 cm×8 cm相片纸），并在1 m处放置种植有两叶期稗草的苗盘。如1.3.1中控制静电喷嘴的喷雾方式，测试前首先按照ISO22369-2-2010测试规程及依据调节喷雾参数。测量在2 m/s风速和0.3 MPa压力下不同喷雾方式的地面飘移沉积量和雾化性能，每个处理设置3次重复[19]。

1.3.5 喷雾方式对雾滴飘移沉积分布规律的影响

用扫描仪（EPSON,V600）扫描每个处理的相片纸，并做好标记；然后用雾滴分析软件Depositscan分析不同喷雾方式及飘移距离对雾滴飘移沉积分布的影响[20]。

1.3.6 防飘移效果和靶标沉积量测定

准确称取诱惑红0.384 5 g于100 mL容量瓶，去离子水定容，即得3 845 mg/L诱惑红母液，等梯度稀释到384.5、192.3、96.1、48.1、24.0和12.0 mg/L诱惑红标准溶液，而后用酶标仪于514 nm检测其吸光值，获取诱惑红标准曲线（y=0.013 2x+0.035 6，R²=0.999 6）。

用5 mL去离子水经超声波洗脱器洗脱麦拉片和30株稗草的诱惑红，用酶标仪(美谷分子仪器(上海)有限公司，型号CMax Plus)测定514 nm检测其吸光值，根据诱惑红标样的“浓度-吸光值”标准曲线可计算出洗脱液中诱惑红的沉积量，实现精确测定药液在单位面积上的沉积[21]。

防飘移效果参考行业标准《MH_T1050-2012飞机喷雾飘移现场测量方法》和卢佳节[6]关于飘移率的公式，试验防飘移效果RT的公式为：

pvC：非静电喷雾在不同飘移距离飘移量；pvT：静电喷雾在不同飘移距离飘移量。

1.4 数据处理

通过SPSS 17.0版软件包的方差分析（ANOVA）和Tukey's检验进行多重比较（P<0.05），比较不同喷雾方式沉积雾滴S值、ΦVol＜150μm、D50、抗飘移效果、表面张力和接触角（P<0.05），并由Sigmaplot 12.5绘制。

2 结果与分析

2.1 荷电特性对雾滴粒径特征的影响

在喷雾压力为0.3 MPa下比较分析静电喷雾和非静电喷雾的粒剂特征，体积中径D50，ΦVol＜150μm及分布跨度S结果详见表1和图1。相对非静电喷雾，静电喷雾的D50增大（从150.847 μm增加到 154.567 μm），D90减小（从 237.443 μm 减少到223.993 μm），但他们的差异均不显著；分布跨度S显著降低（从0.973降低到0.832）；ΦVol＜150μm同样降低（从47.647降低到44.493），但差异不显著。静电喷雾和非静电喷雾的雾滴粒径峰值均在176.4 μm，但静电喷雾的微分(22.95±0.83)%高于非静电喷雾的(21.03±0.83)%；且静电喷雾峰值附近粒径的微分均高于非静电喷雾，而在两侧粒径微分均低于非静电喷雾，如静电喷雾粒径为147.58 μm的微分(18.09±0.83)%高于非静电喷雾的(17.64±0.58)%，粒径为430.36 μm的微分(0.11±0.08)%低于非静电喷雾的(0.45±0.21)%。

图1 静电喷雾和非静电喷雾的雾滴粒剂分布规律Figure 1 Distribution of droplet diameter of electrostatic spray and non-electrostatic spray

表1 静电喷雾和非静电喷雾的雾滴粒剂特征比较Table 1 Comparison of spray atomization performance of electrostatic spray and non-electrostatic spray

2.2 荷电特性对雾滴表面张力及其与稗草叶片间的接触角的影响

如表2所示，静电喷雾雾滴的表面张力（40.8 mN/m）显著低于非静电喷雾的（58.9 mN/m）；采用座滴法测量雾滴与稗草叶片的接触角（图2），相比于非静电喷雾雾滴，静电喷雾雾滴与叶片在200、400和600 ms的接触角，分别从83.403°显著地降低到57.714°，从83.318°显著地降低到49.737°，从78.044°显著地降低到44.026°。

表2 静电喷雾和非静电喷雾雾滴理化性质比较Table 2 Comparison of the physical and chemical properties of electrostatic spray and non-electrostatic spray droplets

图2 静电喷雾和非静电喷雾的雾滴与稗草叶片在200、400和600 ms的接触角Figure 2 The contact angle between the rice leaf and the droplet of electrostatic spray and non-electrostatic spray at 200,400,600 milliseconds

2.3 荷电特性对雾滴飘移沉积分布规律的影响

扫描相片纸（图3）后，使用Depositscan分析软件比较静电喷雾和非静电喷雾的飘移沉积规律（表3），发现在相同喷雾量的情况下，非静电喷雾雾滴的体积 中 径D50（547.111 μm）高 于 静 电 喷 雾 的（456.333 μm），且差异显著；非静电喷雾雾滴的分布跨度S（1.457）也高于静电喷雾的S（1.186），差异不显著；同样，非静电喷雾雾滴的覆盖率（32.174%）和飘移量（2.794 μL/cm2）均高于静电喷雾的（29.523%和2.201 μL/cm2），它们之间的差异却不显著；但非静电喷雾雾滴的密度（106.844个/cm2）低于静电喷雾的（116.222个/cm2），差异不显著。洗脱麦拉片后，测定了不同喷雾方式沉积到麦拉片上的诱惑量，非静电喷雾的沉积量（0.121 μg）高于静电喷雾的（0.120 μg）。

图3 不同喷雾方式在不同飘移距离的沉积雾滴性能参数Figure 3 Performance parameters of deposition droplets with different spray methods at different drift distances

表3 静电喷雾和非静电喷雾飘移沉积雾滴粒径及飘移沉积量比较Table 3 Comparison of the droplet size and drift deposition amount of electrostatic spray and non-electrostatic spray droplets

比较喷雾雾滴在不同飘移距离的沉积规律（表4），发现飘移距离为1 m的雾滴体积中径D50（622.000 μm）和飘移量（3.278 μL/cm2）均显著高于 3 m 的（420.667 μm 和1.898 μL/cm2），2 m的雾滴体积中径D50（462.500 μm）显著高于3 m的，但2 m的飘移量（2.316 μL/cm2）和3 m的差异不显著；飘移距离为1 m的雾滴分布跨度S（1.595）和覆盖率（34.418%）均高于2 m的（1.245和31.148%）和3 m的（1.150和26.980%），差异不显著；但飘移距离为2 m的雾滴密度（128.288个/cm2）均高于1 m的（90.267个/cm2）和3 m的（116.050个/cm2），差异不显著。洗脱麦拉片后，测定了不同飘移距离沉积到麦拉片上的诱惑量，飘移距离为2 m的沉积量（0.139 μg）均高于1 m的（0.138 μg），但差异不显著，它们均显著高于3 m的（0.086 μg）。

表4 喷雾雾滴在不同飘移距离的沉积雾滴粒径及飘移沉积量比较Table 4 Comparison of the droplet size and drift deposition amount of spray droplets at different distances

2.4 荷电特性对雾滴防飘移及靶标沉积的影响

洗脱稗草叶片和麦拉片后，测定了静电喷雾和非静电喷雾靶标沉积量和飘移量。结果发现（图4），相对于非静电喷雾，静电喷雾显著地增加了靶标沉积量（F1,4=24.448,P=0.001），从0.049 6增加到0.073 4 g，但两者间的防飘移效果不显著（F1,4=0.022,P=0.890），在-0.925%～0.000%之间。

图4 不同喷雾方式对靶标沉积量和防飘移效果的影响Figure 4 The influence of different spray methods on target deposition and anti-drift effect

3 讨论

静电喷雾使药液带与电场相同的电荷，在电场力和表面张力共同作用下，大雾滴破碎为较小的雾滴，雾滴均匀性增加[22]。许晏铭等[23]研究发现在一定的电压范围内，随着电压升高，大液滴被雾化为更加细小的带电雾滴，溶液的电导率较小时，荷电电压对雾滴粒径分布起着主要作用，溶液的黏度和表面张力对液体雾化具有抑制作用。本研究静电喷雾的雾滴分布跨度显著低于非静电喷雾，雾滴粒径分布谱变窄，但体积中径D50明显增加，而增加幅度只有3 μm左右，雾滴直径D90却降低，减低幅度在13 μm左右；这与贾卫东等[24]发现高压静电能使平均粒径下降的结论存在差异，但贾卫东等[24]同时发现在30 kV电压以内，随电压的增加，雾滴平均粒径增加，分布均匀性增加，与我们的结果一致，表明高压静电的电压对雾滴粒径和分布跨度有显著的影响。我们推测体积中径D50等小雾滴受喷嘴孔径、喷雾压力及雾滴内聚力的影响更大，内聚力使得静电小雾滴，聚集增大；但是D90等大雾滴受到表面张力和电荷作用破碎为较小的雾滴，雾滴均匀性增加[22]。

本研究发现静电喷雾不仅对雾滴粒径特征分布有显著影响，雾滴的表面张力和其与稗草叶片的接触角均显著降低，与茹煜等[5]结果一致。静电喷雾能提高雾滴在靶标表面的吸附能力和活性，能降低雾滴表面张力，降低雾滴雾化的阻力，液体雾化是由于外界干扰引起液体表面不稳定，从而导致液体分离、细化而形成雾滴的过程[25]。张建桃等[26]研究发现随着荷电电压的增大，液滴在水稻叶片表面接触角，整体呈先减小后增大的趋势，接触角在荷电电压为4 kV时达到最小值。大量的研究表明，静电可以提高液滴在作物叶片表面润湿展布性能，减小液滴的表面张力，减小液滴在作物叶片表面静态接触角，提高液滴在植株叶片表面的有效沉积率，减少药液的飘移散失[27]，这与我们的结果一致，表明高压静电的电压对雾滴表面张力和接触角有显著的影响。

徐德进等[28]研究，也表明药液表面张力的降低有助于提高雾滴在靶标作物上的沉积率，本研究发现静电喷雾显著地增加了靶标沉积量，与茹煜等[5]结果一致。Zhang Y.L.等[29]发现当喷雾高度为50 cm，喷雾压力为0.3 MPa，充电电压为9 kV时，相对于非静电喷雾，静电喷雾在靶标作物冠层和中层的沉积密度分别提高了13.6%和32.6%。但对于静电喷雾对喷雾飘移的影响，不同的研究有不同的结果。杨洲等[30]研究不同侧风和静电电压对静电喷雾雾滴飘移的影响时，发现侧风风速为2 m/s时，6～8 kV静电喷雾的雾滴飘失率均显著高于非静电喷雾的雾滴飘失率，但茹煜等[11]研究发现静电喷雾方式对抑制雾滴飘移的作用不大。本研究同样发现相对于非静电喷雾，静电喷雾的防飘移效果不显著。相对于非静电喷雾，静电喷雾能够显著降低雾滴粒径的分布跨度，增加雾滴的分布均匀性，降低雾滴粒径D90，降低表面张力和其与稗草叶片的接触角，增加雾滴靶标沉积率，表明静电喷雾技术在植保无人飞机防控水稻田病虫草害的应用上具有较大的潜力。