鄭啟帥，岑海燕，方慧，吳劍堅，肖舒裴，何勇*1

（1.浙江大學生物系統(tǒng)工程與食品科學學院，杭州310058；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部光譜檢測重點實驗室，杭州310058）

葉片主要通過葉面氣孔和表皮親水小孔吸收養(yǎng)分，也可以經(jīng)胞間連絲主動吸收養(yǎng)分。由于雙子葉植物的葉面類型及葉表蠟質(zhì)層結(jié)構(gòu)與組成不同于單子葉植物，使得油菜等雙子葉植物葉片具有良好的液體吸收功能，從而有更好的葉面施肥效果[1-2]。植物葉片主要通過3條途徑與外界進行物質(zhì)交換：第1、2條是具有吸收速效養(yǎng)分能力的途徑（分布在葉面的氣孔和葉表面角質(zhì)層的親水小孔）和葉片細胞的質(zhì)外連絲；第3條是可將營養(yǎng)物質(zhì)主動吸收到葉片內(nèi)部[3]的途徑。在灌漿期，大豆、油菜等植物根部吸收的養(yǎng)分無法很好地滿足作物需求。VASILIS等[4]通過同位素追蹤法試驗得知，超過90%的葉面肥可供作物籽粒灌漿，從而有效提高作物產(chǎn)量，而養(yǎng)分進入葉片細胞后的運輸機制與根部細胞一樣[5]。李瑞海等[6]研究表明，合理的葉面肥噴施可以提高油菜葉片的葉綠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。葉面追肥無論是見效時間還是利用效率都遠遠超過土壤施肥[7-10]，是作物生長后期有效的追肥方式。

航空噴施作業(yè)因其作業(yè)高效、經(jīng)濟、安全等諸多優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用[11-12]，國內(nèi)外學者對提高航空噴施作業(yè)的效果做了諸多研究[13-18]。葉片吸收葉面肥的前提是所施液體能較好地附著于葉片表面，即所施液態(tài)肥要有良好的潤濕性。液體的接觸角和表面張力是衡量液體潤濕性能的重要指標。液體的表面張力不同，其在同一植物表面的接觸角也不同（表面張力降低則接觸角減?。19-20]。MITTAL[19]研究了葉片對不同表面張力的溶液的吸收能力，發(fā)現(xiàn)適當降低溶液的表面張力有利于水溶性養(yǎng)分經(jīng)氣孔進入葉肉細胞，從而促進經(jīng)氣孔途徑吸收養(yǎng)分。此外，BREWER等[21]國外學者對葉片毛狀體、液滴光學特性和葉片潤濕性的相互作用進行了研究；而國內(nèi)相關(guān)研究較少。因此，本文針對航空噴灑液態(tài)肥時影響液滴與葉片之間潤濕性能的因素進行了研究，擬通過正交試驗對多因素進行考察，然后對主要因素的影響規(guī)律進行探究，最后得出影響葉面肥對葉片潤濕性的主要指標，以期為實際作業(yè)提供參考。

1 材料和方法

1.1 主要儀器設(shè)備

接觸角檢測儀器采用德國Dataphysics公司生產(chǎn)的OCA20接觸角測量儀，利用座滴法測量靜態(tài)接觸角。圖1為測量儀工作界面截圖，測量精度為±0.1°。葉片表面性質(zhì)觀察利用日立SU8010高分辨場發(fā)射掃描電鏡。

1.2 試驗材料

圖1 OCA20接觸角測量儀工作界面Fig.1 Working interfaceof the OCA20 contact angle measuring instrument

植物樣本采用“浙大619”油菜品種，在室外正常培養(yǎng)。在蕾薹期，選取長勢相當?shù)闹仓?，每株取相同葉位、外觀基本相似的葉片進行試驗。取葉片兩側(cè)葉脈較少的部位，以提高測量的準確度。利用日立SU8010高分辨場發(fā)射掃描電鏡觀察油菜葉片表面性質(zhì)，制樣及觀察過程按照標準操作進行，葉片掃描電鏡圖如圖2所示。試驗噴灑液體采用民和“新狀態(tài)”葉面肥和以色列“稼多寶”葉面肥，2種葉面肥均是復合型液態(tài)肥料，主要成分均為氮、磷、鉀。助劑選用近年常用的植物油型助劑[22]。因油菜葉片表面有一層蠟質(zhì)，為了提高試驗的準確性，在單因素分析中使用表面平整的植物蠟質(zhì)代替油菜葉片表面。

圖2 油菜葉片表面性質(zhì)電鏡圖片F(xiàn)ig.2 Electron microscopy imagesof surface properties of rape leaves

1.3 試驗方法

1.3.1 儀器操作

使用接觸角檢測儀器時，首先調(diào)整光源和鏡頭以得到清晰的液滴圖像，然后將葉片樣品置于樣品臺，每個液體樣品準備一個注射器并安裝，按照試驗要求通過儀器自帶軟件將液滴滴下，待液滴相對穩(wěn)定地停留在固體表面上后，通過儀器軟件測出接觸角。

1.3.2 溶液配制

液態(tài)肥：因選用的2種液態(tài)肥的推薦使用濃度相近，故根據(jù)二者的推薦稀釋倍數(shù)分別稀釋50倍、17倍、10倍，設(shè)置低、中、高3種試驗濃度，對應(yīng)的體積分數(shù)分別為2%、6%、10%。

助劑：由于添加少量的飛防助劑能夠降低用液量，獲得穩(wěn)定效果，因此本研究在正交試驗中采用不添加、添加1%（正常量）、添加2%（過量）3種助劑濃度。

1.3.3 正交試驗設(shè)計

基于葉面肥對葉片潤濕性物理性質(zhì)和作業(yè)效果的研究結(jié)果[1,16,21-23]，影響噴施液態(tài)肥潤濕性的主要因素有葉片位置、噴施液體種類及濃度、液體接觸速度、助劑和液滴的大小。為考察各個因素對葉面肥潤濕性的影響，設(shè)計正交試驗因素及水平，見表1。正交試驗方案參照L18（6×36）正交表[24]，如表2所示。為確保試驗順序隨機，按照抽簽編號的方式進行，重復試驗10次。

由于影響因素的不同水平會造成不同組之間的數(shù)據(jù)存在差異，以及誤差也會造成同組數(shù)據(jù)之間存在差異，因此用方差分析方法對影響因素的顯著性進行檢驗。F值和P值是方差分析里面對模型和模型的系數(shù)進行顯著性檢驗得到的結(jié)果，F(xiàn)值越大，說明該因素的影響越顯著；P值表示因素各水平有顯著差異時出現(xiàn)誤差的概率，P值越小，表示該因素水平間的差異越顯著。當P＜0.05時可認為該因素對試驗結(jié)果有顯著影響，或者說該因素是影響試驗指標的重要因素。Ti（i取1，2，3）是各因素同一水平結(jié)果的平均值（表3），各因素下該值對應(yīng)的最低水平就是最優(yōu)水平（本試驗中即接觸角越小，潤濕性越好）[24]。

表1 試驗因素和水平Table1 Experimental factorsand levels

表2 試驗方案Table 2 Experimental scheme

2 結(jié)果與分析

2.1 影響因素分析

由表3可知，各因素對葉片與液體之間接觸角的影響作用由大到小排序為D＞B＞E＞C＞A，即助劑＞液體種類＞液滴大小＞液體濃度＞位置。其中因素A（位置）的P＞0.05，故認為葉片的正反面位置對葉片表面與液態(tài)肥的接觸角的影響不大。助劑對接觸角的影響作用最大，當不加助劑的接觸角超過120°時，葉片表現(xiàn)為疏水，而在液體中添加助劑后，接觸角為41°～42°，濃度為1%的助劑與濃度為2%的助劑對應(yīng)的接觸角無顯著差異。液體的種類和濃度、液滴的大小雖顯著影響葉面肥潤濕葉片的特性，但因素之間及水平之間差異不大。從每個參數(shù)的累積值和Ti（i取1，2，3）值可知，葉片保持液滴的最優(yōu)組合為A2B3C3D2E1（噴施葉片反面+高濃度“稼多寶”葉面肥+1%助劑+小液滴），在該條件下，接觸角最低可達到8.5°。

表3 正交試驗結(jié)果Table3 Experimental result

2.2 單因素分析

為進一步探究顯著性因素對葉面肥潤濕葉片性能的影響規(guī)律，本研究進一步采用控制變量法對人為較容易控制的因素進行單因素分析。

2.2.1 助劑濃度對接觸角的影響

將植物油助劑分別按照體積分數(shù)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，然后測量溶液與植物蠟質(zhì)表面的接觸角，結(jié)果如圖3所示?？梢钥闯?，只需微量的助劑，液體與蠟質(zhì)表面的接觸角大幅降低，而隨著助劑濃度的增大，液體潤濕性并沒有得到顯著的提高。

2.2.2 肥料濃度對接觸角的影響

圖3 接觸角隨助劑體積分數(shù)變化關(guān)系Fig.3 Relationship between contact angle and adjuvant concentration

將2種不同的肥料分別按照不稀釋和稀釋2、4、8、16、32、64、100、200、300、400、500、600、700、800、900、1 000倍配制溶液，然后測量溶液與植物蠟質(zhì)表面的接觸角，結(jié)果如圖4所示。從中可知：在稀釋倍數(shù)為0～64區(qū)間內(nèi)，接觸角隨肥料濃度的降低而升高；當稀釋倍數(shù)大于64后，接觸角趨于穩(wěn)定。

圖4 接觸角隨肥料稀釋比例變化關(guān)系Fig.4 Relationship between contact angle and dilution ratio of fertilizer

2.2.3 滴落高度對接觸角的影響

為觀察液滴與固體表面接觸時的瞬時速度對液體潤濕性的影響，將水和體積分數(shù)為0.4%的助劑水溶液分別從不同高度處滴落，觀察溶液與植物蠟質(zhì)表面的接觸角。滴落高度設(shè)置為0～20 cm，間隔0.5 cm，液滴大小為8μL，忽略空氣阻力的影響，根據(jù)自由落體運動速度公式v= 2gh，取g=10 m/s2，則相當于考察液滴與固體表面接觸時的瞬時速度在0～2 m/s范圍。參考宋堅利等[16]所測的噴霧時霧滴運動速度分布，此參考范圍可以滿足實際無人機作業(yè)中液滴接觸葉片時的真實速度。從圖5可以看出，高度（速度）對水的潤濕性影響并不大，而對含助劑的溶液影響顯著。當?shù)温涓叨葹?～12 cm（對應(yīng)速度0～1.55 m/s）時，隨著高度（速度）的增加，助劑溶液的潤濕性也隨之增加；而當?shù)温涓叨葹?3～20 cm（對應(yīng)速度＞1.55～2 m/s）時，隨著高度（速度）的增加，助劑溶液的潤濕性趨于穩(wěn)定，基本保持在25°～30°范圍內(nèi)。

圖5 接觸角隨液滴滴落高度變化關(guān)系Fig.5 Relationship between contact angle and drop height of droplet

3 討論

本文對影響葉面肥潤濕葉片性能的幾個因素進行了主次分析，包括葉片正反面位置、液態(tài)肥的種類、液態(tài)肥的濃度、助劑的濃度、液滴的大??；另外，對助劑濃度、液態(tài)肥濃度、液滴滴落高度進行了單因素分析。

由葉片正反面掃描電鏡圖可以看出，油菜葉片正面和反面構(gòu)造存在明顯差別。油菜葉片正面蠟質(zhì)相對反面較多，而反面的氣孔密度大約是正面的1.5倍，這說明葉片反面更有利于葉面肥發(fā)揮作用，在實際作業(yè)中應(yīng)將葉片反面的液肥沉積量作為一個重要的效果評價指標。且FOQUé等[15]也指出，取樣位置不同時，沉積和覆蓋效果有明顯的差異；盡管葉片背面的沉積量通常很低，但是提高葉片背面沉積量具有重要的生物學效應(yīng)，并且使用合適的噴霧方式可以使葉片背面沉積量提高3.0～4.9倍。

首先，正交試驗結(jié)果顯示，影響葉片與液體之間接觸角大小的最主要因素是助劑，它可使植物葉片表面由疏水變?yōu)橛H水，而其濃度對試驗結(jié)果的影響并不明顯。其次是液體種類和液滴大小，雖各水平之間有所差異，但都表現(xiàn)為親水，考慮到實際應(yīng)用中噴施液體的種類是已定的，且許小龍等[25]已專門研究了霧滴體積對植物葉面霧滴接觸角的影響，故不再贅述液滴大小和液體種類對接觸角的影響。最后是液體濃度，試驗結(jié)果表明噴施液體濃度變大，接觸角減小，即液體潤濕性能提高；而葉片的正反面對接觸角的影響并不顯著，可認為葉面肥對葉片正面和反面的潤濕性相同。

針對上文中的問題，本研究還進行了進一步的單因素探究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在液體中添加微量的助劑即可大大增強液體的潤濕性，而過量添加助劑并不會帶來更加顯著的增強效果，故推薦使用的助劑濃度至少為4‰。當液體被稀釋到一定程度后，接觸角不再有明顯變化，而濃度較高時，接觸角隨液態(tài)肥濃度的降低而升高。對于地面噴灑機械不需考慮液態(tài)肥濃度對液體潤濕性的影響，而航空作業(yè)低量噴施時，藥液濃度高，可在一定程度上增強液體的潤濕性。不過本文只使用了植物油型助劑，對于不同助劑類型和濃度對噴施的影響，王瀟楠等[26]已做過相應(yīng)研究，可參考其研究成果選取符合作業(yè)要求的助劑。

此外，本文還探究了液滴在與葉片接觸瞬間速度對接觸角的影響，結(jié)果顯示：未加助劑的液體表現(xiàn)為疏水，且接觸時瞬間速度的大小對液滴的潤濕性影響不大；而對于添加助劑后的液體，速度的影響作用則較大，即隨著瞬間接觸速度增加，接觸角先減小后保持穩(wěn)定。這說明在實際作業(yè)中，應(yīng)盡量選擇噴出霧滴初速度較高的噴嘴及作業(yè)參數(shù)，使液滴在接觸葉片時的速度高于1.55 m/s，從而使液滴達到最佳的潤濕性能。

4 結(jié)論

為提高航空噴施作業(yè)效果、減少施肥施藥量提供參考，本文研究了航空噴施作業(yè)中液滴與葉片接觸時影響液體潤濕性能的幾個主要因素，并得到以下結(jié)論：

1）影響液體潤濕葉片性能的最主要因素為是否添加助劑。根據(jù)正交試驗和單因素試驗結(jié)果，推薦植物油助劑使用濃度為大于4‰，添加后葉片可由疏水變?yōu)橛H水。

2）雖然葉面肥的濃度增加會提高液體潤濕性，但是因為航空作業(yè)本身采用的液體濃度已經(jīng)很高，如再提高液體濃度很有可能造成葉面灼傷，故不建議通過增大液體濃度的方法提高液體潤濕性。而且為避免高濃度作業(yè)發(fā)生灼傷現(xiàn)象，根據(jù)VASILAS等[4]的試驗經(jīng)驗，建議在下午5點后陽光不是特別強烈時進行噴施作業(yè)。

3）因無人機施肥作業(yè)時，噴出的霧滴到達葉片表面時具有一定速度，故可通過改變檢測時液滴的下落高度來反映速度對接觸角的影響。結(jié)果顯示：高度（速度）對水溶液（不添加助劑溶液）的潤濕性影響并不大；而對含助劑的溶液影響顯著，即速度越大，溶液的潤濕性越好，當速度達到一定值后，溶液的潤濕性保持穩(wěn)定。故在實際作業(yè)時，應(yīng)采取增加水泵壓力等有效措施來適當增加噴霧液滴的速度。