竇碩

(北京市密云區(qū)農機化技術推廣服務站, 北京 101500)

我國病蟲草害年發(fā)生面積達4.67億hm2以上，目前化學防治仍然是控制農作物病蟲草害的主要手段和措施，在保證國家糧食安全中發(fā)揮著不可替代的作用[1]。我國每年在商品糧上的農藥使用量近100萬t，農藥生產與用量居世界第一位[2]，但是我國農藥施用技術水平遠落后于世界水平，普遍使用一種機型和一種噴頭，“打遍百藥”防治各種作物病蟲草害，農藥利用效率低，噴灑出去的農藥只有20%～30%能夠沉積在靶標上，大部分農藥流失、飄移到環(huán)境中，造成嚴重的污染[3-6]。影響農藥利用率的主要因素有噴霧機具性能、操作條件、氣象條件、植株冠層結構、葉片表面特性等，高效植保施藥技術與機具的應用是提高農藥利用率的有效途徑[7-9]。噴頭是農藥噴霧技術中最關鍵部件，決定了農藥霧滴的大小、沉積分布、飄移、作物冠層穿透性等[10-12]。Knoche[13]證明小霧滴比大霧滴具有更好的沉積均勻性和冠層穿透性，但小于100 μm的霧滴易飄移。為減少農藥霧滴飄移給環(huán)境造成污染和對鄰近作物產生藥害，美國Teejet公司、德國Lechler公司近年研制出了防飄、射流和雙扇面等新型扇形霧噴頭，這些噴頭通過增大霧滴粒徑來減少飄失。吳羅羅等[14]和曾愛軍等[15]在風洞內對德國Lechler公司和國產標準扇形霧噴頭的飄失特點進行了研究,結果表明，小型號噴頭的飄移性遠大于大型號噴頭；霧滴大小和風速是影響飄移的最主要因素。Fergusion等[16]在風洞內測試并研究了防飄噴頭的霧滴粒徑；楊希娃等[17]使用Lechler公司生產的3種噴頭(普通扇形霧噴頭LU120-02、防飄噴頭AD120-02、射流噴頭IDK120-02)，研究了霧滴尺寸對小麥冠層藥液沉積和麥蚜防治的影響，表明霧滴大小和工作壓力均為影響飄移的主要因素。張文君[18]使用6種噴頭(標準扇形霧噴頭ST110系列和射流噴頭IDK120系列)研究了農藥霧滴霧化與在玉米植株上的沉積特性，表明小容量噴霧、小粒徑噴霧及藥液中添加助劑更有利于藥液在玉米冠層中有效利用。Zhao等[19]研究了3種噴頭(LU120-02、AD120-02和IDK120-02)在小麥田中噴施吡蟲啉時的飄失情況，表明AD120-02噴頭飄失最低。

2007年,由意大利都靈大學農林與食品科學系研制成功的農藥霧滴飄移潛力測試平臺可準確測量行走中噴桿噴霧機上噴頭的農藥霧滴飄移潛力[20-21]，不同于以往風洞環(huán)境中噴頭靜態(tài)噴霧條件下農藥霧滴飄移測試方法。2011年,針對該新型測試平臺制定了相關的國際標準ISO22369-3[22]。王瀟楠等[23]研發(fā)了噴桿式噴霧機霧滴飄移測試系統(tǒng)。為大田噴桿噴霧機合理選用配備噴頭，提高農藥有效利用率，減少流失、飄失，本研究依據(jù)ISO24253-1田間噴霧沉積試驗測試標準[24]和ISO22369-3農藥飄移潛力測試平臺標準[22]，對具有代表性的德國Lechler公司生產的射流(IDK系列)和雙扇面射流(IDKT系列)新型大霧滴扇形霧噴頭霧滴譜、霧滴地面沉積分布和飄移潛力進行測試分析，并與常用標準扇形霧噴頭Lechler ST、LU系列噴頭進行對比，以期為噴頭的合理選擇與使用提供參考。

1 材料與方法

1.1 儀器設備

試驗采用噴頭類型為德國Lechler公司生產的IDK120-03、IDK120-05、IDKT120-03、IDKT120-05、LU120-03、LU120-05、ST110-03和ST110-05。其中,LU和ST系列為普通扇形霧噴頭，IDK和IDKT系列為射流噴頭。噴頭霧滴粒徑測試儀器為珠海歐美克公司生產的OMEC DP-2型霧滴粒徑儀。

農藥霧滴沉積飄移測試平臺(圖1)基于比利時Advanced Agricultural Mesurement System公司(A.A.M.S.)生產的農藥霧滴飄移潛力測試平臺,改進加裝霧滴沉積收集裝置，由霧滴飄移收集裝置和控制系統(tǒng)兩部分組成。霧滴飄移收集裝置由11 m×0.5 m的鋁型材臺架結構組成，每隔0.5 m有0.5 m×0.2 m大小的凹槽，凹槽中可并列放置2～3個? 9 cm培養(yǎng)皿，作為飄移霧滴的收集單元，每個凹槽上面均有滑蓋，控制系統(tǒng)可同時打開或關閉所有滑蓋。霧滴沉積收集裝置是在霧滴飄移裝置臺架一側每隔3 m安裝霧滴沉積收集平臺，平臺上放置100 cm2大小的麥拉片，用于測量沉積分布霧滴的收集。

圖1 霧滴沉積與飄移潛力測試平臺結構Fig.1 Droplet deposition and potential drift test bench

1.2 試驗方法

1.2.1霧滴粒徑測試 隨機選定每種噴頭10個，分別重復3 次測量流量，選取流量測量值與標準值最接近噴頭作為測試噴頭[23]。采用OMEC DP-2型霧滴粒徑儀進行測量，測試坐標為(0，0，50 cm)，每次測試時間為60 s[25]，重復3次。噴霧壓力為0.2、0.3、0.4 MPa，噴霧采用常溫自來水。記錄DV10、DV50、DV90和100 μm以下的霧滴體積百分比(V100)，并計算霧滴譜相對寬度(RS)：

RS=(DV90-DV10)/DV50

(1)

式中，DV90為體積累加到90%時的霧滴直徑，μm；DV10為體積累加到10%時的霧滴直徑，μm；DV50為霧滴體積中徑，即為體積累加到50%時的霧滴直徑，μm。

1.2.2霧滴沉積與飄移潛力測試 試驗在中國農業(yè)大學藥械與施藥技術中心室外進行，使用環(huán)境探測儀測試并記錄環(huán)境平均溫度為23 ℃，相對濕度范圍在50%～65%之間，風速范圍為0～0.6 m·s-1，平均風速為0.45 m·s-1。試驗使用北京豐茂植保機械公司生產的3WX-400型噴桿噴霧機，噴幅為10 m，噴頭間距為0.5 m，工作壓力范圍0.2～0.4 MPa。調整噴頭高度距離霧滴沉積與飄移潛力測試平臺收集裝置為0.5 m，工作壓力分別為0.2、0.3和0.4 MPa，每個處理重復3次。

依據(jù)ISO24253-1田間噴霧沉積試驗測試標準[24]和ISO22369-3農藥飄移潛力測試平臺標準[22]，測試平臺放置在噴桿噴霧機一側，并與噴桿噴霧機作業(yè)方向平行，與拖拉機中心距離為2 m(圖1)。在每個凹槽中并列放入2個? 9 cm培養(yǎng)皿收集飄移霧滴，在沉積收集平臺每隔0.5 m放置一面積為100 cm2的麥拉片收集沉積霧滴。噴霧機行走方向見圖1，作業(yè)長度51 m，起步正常噴灑到測試平臺為20 m，經過所有的收集裝置后繼續(xù)行走噴霧作業(yè)20 m。試驗前，將無蓋培養(yǎng)皿放入凹槽，關閉滑蓋，當噴桿噴霧機行駛至其上噴頭距平臺末端的凹槽2 m時，控制系統(tǒng)打開滑蓋，凹槽內培養(yǎng)皿實時定點收集飄移霧滴，在滑蓋打開時開始計時，收集時間為60 s，然后多人同時迅速蓋上培養(yǎng)皿蓋子，按順序標號并收集，同時用自封袋收集測試霧滴沉積分布的麥拉片。試驗時，使用5%檸檬黃(上海染料研究所有限公司)作為示蹤物，配制水溶液進行測試。將收集的樣品用去離子水洗脫后，使用可見分光光度計(上海儀電分析儀器有限公司)測定洗脫液吸光度。

1.2.3霧滴沉積和飄移潛力計算 根據(jù)ISO24253-1田間噴霧沉積試驗測試標準[24]和ISO22369-3農藥飄移潛力測試平臺標準[22]，霧滴沉積量和霧滴飄移量計算公式如下。

βdep或Di=[(ρsmpl-ρblk)×Vdil)]/[ρspray×Acol]

(2)

式中，βdep為單位面積霧滴沉積量，μL·cm-2；Di為單位面積霧滴飄移量，μL·cm-2；ρsmpl為洗脫液吸光度；ρblk為去離子水吸光度；Vdil為加入的洗脫液體積，μL；ρspray為標定液吸光度；Acol為收集器面積，cm2。

飄移潛力(dPV)計算公式為(3)。

dPV= ∑Di/dRS×100%

(3)

式中，dPV為飄移潛力；dRS為理論噴單位面積沉積量，μL·cm-2。

1.3 數(shù)據(jù)分析

本文中所有數(shù)據(jù)采用EXCEL2010分析和制表，采用SPSS17.0進行差異性顯著分析。

2 結果與分析

2.1 霧滴粒徑及分布

霧滴粒徑是衡量藥液霧化程度和比較各類噴頭霧化質量的主要指標，決定了農藥霧滴的覆蓋密度和飄失性能，是選用噴頭的主要參數(shù)。霧滴粒徑及分布測試結果見表1，所測標準扇形霧和射流噴頭的霧滴粒徑均隨噴霧壓力的增大而減小,霧滴譜相對寬度隨噴霧壓力增大而增大，射流噴頭霧滴粒徑大于標準扇形霧噴頭。根據(jù)霧滴分級標準[24]，ST110-03和LU120-03噴頭在0.2和0.3 MPa噴霧壓力條件下霧滴為細霧，在0.4 MPa噴霧壓力條件下，為非常細霧；ST110-05和LU120-05噴頭在所測三種噴霧壓力條件下霧滴均為細霧；LU型噴頭與ST型噴頭相比，霧滴譜相對寬度較窄，霧滴粒徑分布相對均勻。從表1可以看出，在三種噴霧壓力條件下，IDK120-03噴頭霧滴為中等霧，IDK120-05為粗霧和中等霧，IDKT120-03為粗霧，IDKT120-05為粗霧和中等霧。IDK型噴頭與IDKT噴頭相比，霧滴譜相對寬度較窄。在相同壓力條件下，ST、LU、IDK噴頭隨型號和流量增大，霧滴粒徑增大，但IDKT噴頭，隨型號和流量增大，霧滴粒徑減小。射流噴頭采用文丘里原理，當高壓藥液進入噴頭，空氣亦經空氣孔被吸進噴頭，氣液混合經噴孔噴出后，形成液包氣泡霧滴，霧滴體積變大。當霧滴到達作物表面時，含有氣泡的霧滴與作物表面發(fā)生碰撞、破碎，破碎后沉積在作物表面的霧滴粒徑及分布密度還有待于進一步研究。

2.2 霧滴沉積分布

所測噴頭霧滴沉積分布特點見表2，在相同噴霧壓力條件下，型號大小相同噴頭霧滴沉積量IDKT120>IDK120>LU120>ST110，經單因素方差分析，在0.2 MPa噴霧壓力較低條件下，4種03號噴頭霧滴沉積量無顯著性差異，但壓力升高到0.3和0.4 MPa時，03號兩種射流噴頭霧滴沉積量顯著高于兩種標準扇形霧噴頭(P<0.05)。05號噴頭中，IDKT120噴頭霧滴沉積量在0.2和0.3 MPa時顯著高于其他三種噴頭，在0.4 MPa時與IDK120無顯著性差異，但顯著高于ST110和LU120(P<0.05)。霧滴粒徑大小影響霧滴沉積量，隨著壓力升高，標準扇形霧噴頭V100顯著增大，導致霧滴飄移量增加，沉積量減少。采用變異系數(shù)衡量霧滴沉積分布均勻性，所測噴頭霧滴分布變異系數(shù)均小于8.5%，分布均勻性較好。射流噴頭均隨噴霧壓力的增大，霧滴粒徑減小，霧滴分布變異系數(shù)減小，均勻性提高。

表2 不同噴霧壓力條件下噴頭霧滴沉積量及分布Table 2 Droplet deposition and coefficient of nozzles variation under different pressures

2.3 不同噴頭霧滴的飄移特性

2.3.1不同噴頭霧滴飄移量 使用農藥霧滴飄移測試系統(tǒng)對不同噴頭農藥霧滴飄移特性進行測試，從圖2可以看出，相同噴霧壓力條件下，標準扇形霧噴頭霧滴飄移量遠大于射流噴頭，射流噴頭單位面積上的最大飄移量均在0.05 μL·cm-2以下,而普通扇形霧噴頭單位面積上的最大飄移量均達到了0.20 μL·cm-2以上。各噴頭霧滴飄移量均隨霧滴收集距離增大而呈現(xiàn)減小趨勢，而且飄移均主要集中在前5 m，尤其是標準扇形霧，在0～5 m處的每個霧滴飄移收集點處單位面積的飄移量之和遠大于5～10 m處。隨著噴霧壓力增加，噴頭霧滴的飄移量均增加，壓力對標準扇形霧噴頭霧滴飄移影響來說更加明顯。除IDKT噴頭外，其他05號噴頭和相應類型的03號噴頭對比結果表明，隨著噴頭型號增加，單位面積的飄失量相應減小。

2.3.2不同噴頭霧滴飄移潛力 由式(3)可計算出各噴頭霧滴飄移潛力(potential drift value,DPV)，結果見表3，可以看出所測噴頭飄移潛力均隨噴霧壓力增大而增大，標準扇形霧噴頭隨噴霧壓力增大飄移潛力顯著性增大，而射流噴頭飄移潛力增大不顯著(P>0.05)。ST、LU和IDK均隨著型號的增加其飄移潛力相對減小，而IDKT相反，IDKT120-05的霧滴粒徑小于IDK120-03，因此其DPV大于IDK120-03。所測標準扇形霧噴頭DPV顯著高于射流噴頭(P<0.05)，標準扇形霧噴頭ST和LU之間DPV無顯著性差異，射流噴頭IDK和IDKT之間DPV無顯著性差異(P>0.05)。分別以ST110-03和ST110-05在0.3 Mpa下的DPV為標準來計算相應型號射流噴頭的防飄效果(表4)，可以看出，射流噴頭與ST噴頭相比，相對防飄能力均在55%以上。

圖2 不同噴霧壓力條件下03號和05號噴頭霧滴飄移特性Fig.2 Droplets drift character of No.03 and No.05 nozzles under different pressures

3 討論

標準扇形霧噴頭和射流噴頭均隨噴霧壓力增大，霧滴粒徑減小，霧滴譜寬增大，V100增大。標準扇形霧噴頭霧滴為細霧和非常細霧，V100最高值為26.46%，LU型噴頭與ST型噴頭相比，霧滴譜相對寬度較窄，霧滴粒徑分布相對均勻。射流噴頭霧滴為中等霧和粗霧，V100最高值僅為5.28%，IDK型噴頭與IDKT噴頭相比，霧滴譜相對寬度較窄。

在相同噴霧壓力條件下，相同型號噴頭在裸地霧滴沉積量IDKT120>IDK120>LU120>ST110，雙扇面射流噴頭霧滴沉積量最高。隨著噴霧壓力升高，標準扇形霧噴頭V100增高，霧滴飄移增加，射流噴頭霧滴沉積量顯著高于標準扇形霧噴頭(P<0.05)，小型號噴頭變化更為顯著。霧滴沉積分布均勻性均較好，變異系數(shù)低于8.5%，但射流噴頭液包氣霧滴二次霧化后，沉積在靶標上的霧滴粒徑及分布密度還有待于進一步研究。

標準扇形霧噴頭和射流噴頭均隨噴霧壓力增大，霧滴飄移量增加，飄移潛力值DPV增大，飄移均主要集中在測試平臺霧滴收集距離前5 m處。標準扇形霧噴頭DPV顯著高于射流噴頭(P<0.05)，射流噴頭與ST噴頭相比，相對防飄能力均在55%以上。

表3 不同噴霧壓力條件下噴頭霧滴飄移潛力DPVTable 3 Potential drift value of nozzle under different pressure

表4 不同噴霧壓力條件下射流噴頭相對ST型噴頭防飄能力值Table 4 Drift reduction value of anti-drift nozzles compared with ST

本試驗是在室外平均風速為0.45 m·s-1條件下進行測試，噴頭霧滴粒徑影響霧滴沉積和飄移，尤其是V100霧滴，但標準扇形霧噴頭和射流噴頭對風速、溫度、濕度等環(huán)境因素及藥液理化特性的適應性，IDKT雙扇面噴頭對霧滴在冠層內的穿透性、沉積性，還有待于進一步研究。