張少杰　孫軒　王志江　謝永輝　余楊　張毅杰　艾宇　張?zhí)祉?/p>

摘要：為探明靜電噴霧作業(yè)中關鍵噴霧參數(shù)（噴霧高度、噴霧速度、噴霧壓力）對煙葉葉面上霧滴沉積分布的影響規(guī)律，進行了3種噴霧高度（40、50、60 cm）、3種噴霧速度（0.62、0.79、0.98 m/s）和2種噴霧壓力（0.2、0.36 MPa）的影響因素試驗。以清水為藥劑沉積指示劑，以水敏紙為霧滴檢測介質，運用圖像分析軟件Imaje J獲取霧滴沉積分布數(shù)據(jù)。結果表明：（1）噴霧壓力、噴霧速度、噴霧高度對第1、2層正面煙葉霧滴體積中徑、霧滴覆蓋率、霧滴均勻度、霧滴密度均有極顯著影響（P<0.01），對第1、2層反面煙葉霧滴體積中徑和霧滴均勻度無顯著影響（P>0.05），對1、2層反面煙葉的霧滴密度和覆蓋率影響顯著（P<0.05）;（2）隨著噴霧高度的增加，第1層（煙株頂層）、第2層（煙株中間層）煙葉正面上的霧滴體積中徑和霧滴覆蓋率降低，霧滴密度和霧滴均勻度增加，第1、2層煙葉反面上的霧滴密度降低和體積中徑降低;（3）隨著噴霧壓力的降低，煙株各層葉面上的霧滴密度、覆蓋率和均勻度顯著降低，霧滴體積中徑增加，噴霧壓力為0.36 MPa時獲得最優(yōu)霧化參數(shù);（4）在噴霧高度為50 cm、噴霧壓力為0.36 MPa的條件下，隨著噴霧速度的增加，第1、2層煙葉正面霧滴體積中徑和霧滴覆蓋率降低，霧滴均勻度和霧滴密度增加。本研究結果可為煙草等大葉片作物靜電噴霧作業(yè)提供理論指導和數(shù)據(jù)支持，并為后續(xù)開展大田試驗研究提供參考依據(jù)。

關鍵詞：靜電噴霧;施藥參數(shù);沉積分布;噴霧壓力;噴霧高度;噴霧速度

中圖分類號：S24?? 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2020）19-0249-08

收稿日期：2019-12-23

基金項目：云南省煙草公司重大科技專項（編號：2018530000241010）;云南農業(yè)大學學生科技創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)行動基金（編號：2018ZKY046）。

作者簡介：張少杰（1992—），男，山東煙臺人，碩士研究生，主要從事農業(yè)電氣化與自動化研究。E-mail：13061322461@163.com。

通信作者：張?zhí)祉槪T士，副教授，碩士生導師，主要從事農業(yè)工程研究。E-mail：351997207@qq.com。

煙草是我國重要的經濟作物，煙草病蟲害每年對煙草行業(yè)造成巨大的經濟損失[1]?，F(xiàn)階段病蟲害防治還是以化學防治為主，防治器械以背負式噴霧器為主。近幾年靜電噴霧已經在農業(yè)領域得到一定的應用[2-3]。靜電噴霧可以提高農藥的有效沉積，提高農藥在作物葉背的沉積效率，減少農藥飄逸對土壤微生物和環(huán)境的污染[4]。但不合理的施藥方式造成農藥的大量浪費，農藥的有效利用率不足30%[5]。國內外專家學者對靜電噴霧施藥參數(shù)進行了大量研究。美國學者Law等研制了靜電噴霧系統(tǒng)，并對其在棉花植株上進行應用研究，提出在靜電噴霧的基礎上加大霧滴運動速度，有助于提高霧滴的附著率和在植株上的穿透率[6-9]。茹煜等研究荷電電壓對霧滴沉積特性與作物附著性的影響，對比靜電與非靜電霧滴沉積分布特性和葉片附著率得出，霧滴荷電可增加霧滴的運動速度與作物的定向移動，靜電電荷可增加葉片正面與反面的霧滴密度，減少霧滴的表面張力，提高霧滴的附著率[10]。周良富等研究感應電壓、風機頻率、噴霧距離和噴霧壓力對紡錘型蘋果樹霧滴沉積分布的影響，結果表明，對霧滴反面吸附性影響程度從充電電壓、噴霧距離、噴霧壓力、風機頻率等方面依次遞減[11]。孫國祥等通過Fluent軟件模擬分析背負式噴霧器霧滴分布特性，證明模擬仿真與試驗分析結果存在明顯差異，為了驗證實際效果必須進行試驗研究[12-13]。周宏平等研究靜電電壓對霧滴沉積的影響，結果表明，霧滴粒徑隨著靜電電壓的增大而降低，且隨電壓增加分布更加均勻[14]。陳志剛等研究表明，噴霧壓力和風速對霧滴沉積分布有顯著影響，且噴霧壓力影響大于風速[15]。李芳麗研究噴霧高度對霧滴沉積分布的影響，證明噴霧高度對霧滴沉積的影響非常明顯，并指出噴霧高度的制定要根據(jù)不同的作物形態(tài)，且要具體問題具體研究[16]。

從以上文獻可以看出，國內外專家學者主要研究風速、靜電電壓、噴霧壓力等對霧滴沉積分布的影響，而針對背負式靜電噴霧器不同噴霧壓力、噴霧速度、噴霧高度等關鍵施藥參數(shù)的綜合研究相對較少。而霧滴在不同作物形態(tài)葉面上的沉積分布不同，針對煙草作物葉面霧滴沉積分布的研究尚未見報道。

本研究以云煙203品種為試驗作物，分析背負式靜電噴霧器在3個噴霧高度、2個噴霧壓力、3個噴霧速度等不同條件下煙株各層霧滴沉積分布，以期為煙草等大葉片作物的施藥提供理論依據(jù)，達到節(jié)約農藥、提高農藥利用率的效果。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

1.1.1 供試靜電噴霧器

本試驗采用江蘇泰御威機電科技有限公司TYW-WJ16靜電噴霧器，其工作壓力為0.2～0.4 MPa，靜電電壓為22～30 kV。因噴霧器的噴頭類型對霧滴的粒徑等有顯著影響[17]，為控制變量，試驗過程中統(tǒng)一采用切向渦流式噴頭，其噴頭墊片如圖1所示。

1.1.2 試驗噴霧試驗臺

為保證試驗過程中噴霧高度、噴霧速度等的準確性，減少試驗誤差，采用按國際標準[IS0 5682-1 ∶1996（E）]設計的噴霧試驗臺控制噴霧速度和噴霧高度。將噴霧器的噴桿固定在橫軸上，由單片機和電位器控制橫軸運動，以實現(xiàn)不同速度需求;在橫軸上加立桿實現(xiàn)不同的噴霧高度。噴霧試驗臺如圖2所示。

1.1.3 試驗水敏紙

采用重慶六六山下植?？萍加邢薰旧a的水敏紙霧滴測試卡進行試驗，為方便數(shù)據(jù)對比，統(tǒng)一采用3 cm×8 cm的水敏紙。水敏紙遇水由黃色變?yōu)樗{色，通過圖像處理軟件分析霧滴粒徑等數(shù)據(jù)。

1.2 試驗設計

試驗配置TYW-WJ16靜電噴霧器，噴霧速度設為0.62、0.79、0.98 m/s;噴霧高度設為40、50、60 cm，噴霧高度是噴頭距離煙株頂端的距離;噴霧壓力設為0.36、0.20 MPa，進行3個因素全面試驗，每組試驗噴霧3株煙草，試驗示意如圖3所示，水敏紙布置如圖4所示。

1.2.1 采樣點設計

煙草作物的葉面特性和植株外形與花生等其他作物不同，煙葉的面積較大。根據(jù)煙草農藝師的指導，在煙草整個生長周期中選擇

煙株高度40 cm時進行病蟲害防治，因此選取3株形態(tài)相近、高度約40 cm的煙株作為試驗材料。為了研究整體煙株的霧滴沉積特性，采樣點分為3層，第1層為煙草頂部的煙葉;第2層為煙株中間部分的煙葉，即距離煙草頂部20 cm的煙葉;第3層為地面，分為2部分，即距離煙株根部20 cm為地面1層，距離煙株根部40 cm為地面2層。

1.2.2 煙株葉面霧滴采樣設計

煙株頂部煙葉較嫩，易發(fā)生病蟲災害，在距離煙株頂端20 cm的部位煙葉較為密集，且煙葉較大，是煙葉易發(fā)生病蟲害的重要位置。第1層煙葉的面積較小，將3 cm×8 cm 的水敏紙沿煙葉的形狀布置在每個煙葉的中心位置，布置方向與噴霧方向呈近似45°與135°，共布置4張水敏紙，即為第1層正面4張水敏紙，在每張水敏紙所在煙葉反面相同位置分別貼4張水敏紙，即為第1層反面;在第2層以相同的方法布置水敏紙，共布置3株煙草，視為3次重復。為減少試驗隨機誤差，每株煙草每層每面的4張水敏紙數(shù)據(jù)取平均值記作1個數(shù)據(jù)，3株煙草視為3次重復，取平均值。

1.2.4 噴霧作業(yè)參數(shù)

為減少試驗的隨機誤差，保證試驗的準確度，選取3株形狀長勢相近、高度約40 cm的煙株為試驗材料，每次試驗都保證靜電噴霧器處于滿電狀態(tài)，使靜電霧滴帶電量基本形同。為保證采集霧滴的準確性，試驗測試所用水敏紙統(tǒng)一采用3 cm×8 cm規(guī)格，且每次在第1株煙株前1 m 處待噴霧穩(wěn)定后進行試驗，相關參數(shù)見表1。

2 數(shù)據(jù)處理方法

每次噴霧試驗結束，等水敏紙干后，馬上用掃描儀按照相關的規(guī)定參數(shù)進行掃描，電子圖像通過美國農業(yè)部圖像處理軟件Imaje-J中的DepositScan進行分析，得到霧滴體積中徑、霧滴密度、霧滴均勻度和霧滴覆蓋率等霧滴數(shù)據(jù)[18]。運用SPSS 22.0進行顯著性分析，采用Origin19進行圖表繪制。

2.1 霧滴體積中徑

霧滴體積中值直徑（中徑）是指霧滴直徑按照從小到大排列，霧滴體積累計達到霧滴總體積的50%時的霧滴直徑，用VMD表示[19]。計算公式如下：

VMD=3（∑D3iNi│∑Ni）。（1）

式中：Di表示第i個霧滴的直徑;Ni表示第i個霧滴數(shù)。VMD值越小，代表霧化效果越好。

2.2 霧滴均勻度

霧滴均勻度表示霧滴群的離散程度，是評價霧化沉積性能的重要指標，為霧滴數(shù)量中值中徑和霧滴體積中值直徑的比值，用DR來表示。公式如下：

DR=NMDVMD。（2）

式中：NMD表示霧滴數(shù)量中徑（μm）;VMD表示霧滴體積中徑（μm）。DR值越小表示越不均勻，均勻度若小于0.67，表示不均勻，若大于0.67，表示比較均勻，DR值越接近于1，表示霧滴粒徑分布越均勻[16]。

2.3 霧滴密度

霧滴密度是指單位面積上霧滴的沉積數(shù)量，用ρ表示，單位為個/cm2，公式如下：

ρ=NS。（3）

式中：N表示測試收集霧滴的總個數(shù);S表示測試的水敏紙面積。

2.4 霧滴覆蓋率

霧滴覆蓋率是指單位面積上霧滴所覆蓋的面積，單位為%，公式如下：

P=s/S。（4）

式中：s表示水敏紙上霧滴所覆蓋的面積;S表示測試的水敏紙面積。

3 結果與分析

3.1 顯著性分析

從表2、表3可以看出，噴霧壓力、噴霧速度、噴霧高度對第1、2層正面煙葉霧滴體積中徑、霧滴覆蓋率、霧滴均勻度、霧滴密度均有極顯著影響（P<0.01），對第1、2層反面煙葉霧滴體積中徑、霧滴均勻度無顯著影響（P>0.05），對第1、2層反面煙葉的霧滴密度、霧滴覆蓋率影響顯著（P<0.05）。

3.2 噴霧高度對煙草各層霧滴沉積分布的影響

在靜電噴霧中，試驗設定風速0 m/s、噴霧速度0.62 m/s、噴霧壓力0.36 MPa，研究噴霧高度（40、50、60 cm）對煙葉霧滴沉積分布的影響。由圖5-a可知，隨著噴霧高度的增加，煙葉葉面上的霧滴體積中徑降低。噴霧高度為40、50、60 cm時，第1層正面煙葉霧滴體積中徑分別為244.0、223.4、183.8 μm，噴霧高度從40 cm至50 cm、從50 cm至60cm下降幅度分別為8.4%和17.7%;第2層正面煙葉霧滴體積中徑分別為176.0、165.0、143.3 μm，噴霧高度從40 cm至50 cm、從50 cm至60cm下降幅度分別為6.25%和13.20%，說明60 cm噴霧高度更加影響霧滴體積中徑。相同噴霧高度下，煙葉各層霧滴體積中徑表現(xiàn)依次為第1層正面>第2層正面>第1層反面>第2層反面。第1、2層反面霧滴體積中徑為73.9～113.0 μm，明顯小于第1、2層正面霧滴體積中徑（143.3～244.0 μm），說明小霧滴更易吸附在煙葉反面。由圖5-b可知，隨著噴霧高度的增加，煙葉正面的霧滴密度增加，而煙葉反面霧滴密度降低，其中第1層反面煙葉上的霧滴密度為34.8～76.3個/cm2，明顯多于第2層反面煙葉的霧滴密度（6.7～28.9個/cm2）， 說明噴霧距離明顯影響霧滴靜電吸附能力。在40、50、60 cm的噴霧高度下，第1層和第2層反面煙葉的平均霧滴密度分別占其正面煙葉的36.35%、20.78%、11.73%。圖5-c表明，隨著噴霧高度的增加，煙葉正面霧滴均勻度提高，而煙葉反面霧滴均勻度未發(fā)生明顯變化，且煙葉反面霧滴均勻度明顯高于煙葉正面，霧滴均勻度大部分在0.67以上，說明靜電噴霧的霧滴沉積均勻。圖5-d表明，隨著噴霧高度的增加，煙葉各層霧滴覆蓋率降低，噴霧高度從40 cm增加至50 cm時，煙葉正面霧滴覆蓋率變化不明顯，但當噴霧高度增加至60 cm時，煙葉霧滴覆蓋率明顯減少。

3.3 噴霧壓力對煙株各層霧滴沉積分布的影響

為研究噴霧壓力對煙株各層霧滴沉積分布的影響，試驗選定噴霧速度0.62 m/s、噴霧高度50 cm，壓力變量分別為0.20、0.36 MPa，分析煙株第1層正面、第2層正面、第1層反面、第2層反面煙葉的霧滴體積中徑、霧滴密度、霧滴均勻度、霧滴覆蓋率的變化規(guī)律，結果如圖6所示。

由圖6-a可知，隨著噴霧壓力的減少，煙株各層霧滴體積中徑增加，煙葉第1層正面、第1層反面霧滴體積中徑增幅分別為21.48%、6.18%，煙葉第2層正面、第2層反面霧滴體積中徑增幅分別為26.55%、1.26%，第2層煙葉的霧滴體積中徑增幅總體大于第1層。圖6-b表明，隨著噴霧壓力減小，煙株各層霧滴密度均明顯降低，第1層正面、第2層正面、第1層反面、第2層反面煙葉的霧滴密度降幅分別為41.9%、31.7%、43.9%、59.4%，說明噴霧壓力明顯影響煙葉的霧滴沉積密度，且第2層反面的煙葉霧滴密度過小，僅為5.6～13.8個/cm2。圖6-c表明，隨著噴霧壓力的減小，第1層正面、第2層正面煙葉的霧滴均勻度降低，第1層反面、第2層反面煙葉的霧滴均勻度未發(fā)生明顯變化。煙葉反面的霧滴均勻度明顯高于煙葉正面的霧滴均勻度。圖6-d表明，隨著噴霧壓力減小，煙株各層霧滴覆蓋率降低，等1、2層正面煙葉霧滴覆蓋率明顯降低，反面煙葉霧滴覆蓋率未發(fā)生明顯變化。

3.4 噴霧速度對煙草各層霧滴沉積分布的影響

在靜電噴霧試驗中，試驗風速0 m/s， 選取噴霧壓力為0.36 MPa，噴霧高度為50 cm，將噴霧速度分別設為0.62、0.79、0.98 m/s，研究噴霧速度對各層煙葉的霧滴沉積分布的影響。噴霧速度對霧滴體積中徑、霧滴密度、霧滴均勻度、霧滴覆蓋率的影響見圖7。

圖7-a表明，隨著噴霧速度的提高，第1層和第2層正面煙葉上的霧滴體積中徑明顯變小，第1層和第2層反面煙葉上的霧滴體積中徑變小，但并不明顯。在3個速度下，第1、2層煙葉正面的霧滴體積中徑分布在147.5～223.4 μm之間，第1、2層煙葉反面的霧滴體積中徑分布在78.5～100.4 μm之間。噴霧速度從0.62 m/s增加至0.79 m/s，第1層和第2層正面煙葉的霧滴體積中徑降幅分別為4.48%和6.06%，噴霧速度從0.79 m/s增加至0.98 m/s，第1層和第2層正面煙葉的霧滴體積中徑降幅分別為17.24%和4.84%，說明0.98 m/s的噴霧速度明顯影響煙葉上的霧滴體積中徑。由圖7-b 可知，隨著噴霧速度增加，第1、2層正面煙葉上的霧滴密度增大，但第1、2層反面煙葉上的霧滴密度降低。圖7-c表明，隨著噴霧速度的提高，第1、2層正面煙葉的霧滴均勻度提高，第1、2層反面煙葉的霧滴均勻度未發(fā)生明顯變化。煙葉反面平均霧滴均勻度（0.91～0.93）明顯高于煙葉正面平均霧滴均勻度（0.60～0.82）。圖7-d表明，隨著噴霧速度的提高，各層煙葉的霧滴覆蓋率降低。在0.79～0.98 m/s噴霧速度下，第1、2層正面霧滴覆蓋率變化程度逐漸增大。反面煙葉的霧滴覆蓋率明顯低于正面煙葉的霧滴覆蓋率。

4 結論

（1）噴霧壓力、噴霧速度、噴霧高度等對第1、2層正面煙葉霧滴體積中徑、霧滴覆蓋率、霧滴均勻度、霧滴密度均有極顯著影響（P<0.01），對第1、2層反面煙葉霧滴體積中徑和霧滴均勻度無顯著影響（P>0.05），對第1、2層反面煙葉的霧滴密度和覆蓋率影響顯著（P<0.05）。

（2）在噴霧速度為0.62 m/s和噴霧壓力為0.36 MPa下，噴霧高度對煙葉上霧滴體積中徑、霧滴密度、霧滴均勻度、霧滴覆蓋率影響較大。隨著噴霧高度增加，第1、2層正面霧滴體積中徑、霧滴覆蓋率降低，第1、2層正面煙葉的霧滴密度、霧滴均勻度增大，第1、2層反面煙葉的霧滴密度降低。在40、50、60 cm的噴霧高度下，第1、2層反面煙葉的平均霧滴密度占第1、2層正面煙葉的平均霧滴密度百分比分別為36.35%、20.78%、11.73%。最佳噴霧高度為40～50 cm。

（3）在噴霧速度為0.62 m/s和噴霧高度為50 cm 下，噴霧壓力對各層煙葉上的霧滴體積中徑、霧滴密度、第1、2層煙葉正面上的霧滴均勻度和霧滴覆蓋率影響較大。與0.36 MPa的噴霧壓力相比，0.20 MPa噴霧壓力下的第1、2層煙葉霧滴體積中徑增大，霧滴密度、霧滴均勻度和霧滴覆蓋率降低，噴霧壓力從0.36 MPa降低至0.20 MPa時，第1、2層正面煙葉霧滴覆蓋率分別由40.09%、25.29%降為31.06%、20.59%，降幅分別為22.52%、18.58%。0.36 MPa噴霧壓力效果優(yōu)于0.2 MPa噴霧壓力。

（4）隨著噴霧速度的提高，第1、2層煙葉正面上的霧滴體積中徑和覆蓋率明顯降低，霧滴密度、霧滴均勻度明顯增加，噴霧速度對第1、2層煙葉反面霧滴體積中徑無明顯影響。在50 cm噴霧高度、0.36 MPa 噴霧壓力，噴霧速度為0.62～0.98 m/s下，第1、2層煙葉正面霧滴體積中徑為147.5～223.4 μm，第1、2層煙葉反面霧滴體積中徑為78.5～100.4 μm，煙葉各層霧滴均勻度均在0.6以上?？紤]煙葉正面與反面的霧滴沉積分布情況，最佳噴霧速度為0.62～0.79 m/s。

參考文獻：

[1]屠豫欽，李秉禮. 農藥應用工藝學導論[M]. 北京：化學工業(yè)出版社，2006：34-52.

[2]何雄奎. 改變我國植保機械和施藥技術嚴重落后的現(xiàn)狀[J]. 農業(yè)工程學報，2004，20（1）：13-15.

[3]Patel M K. Technological improvements in electrostatic spraying and its iMPact to agriculture during the last decade and future research perspectives-a review[J]. Engineering in Agriculture，Environment and Food，2016，9（1）：92-100.

[4]Zhang X，Kobayashi I，Uemura K，et al. Direct observation and characterization of the generation of organic solvent droplets with and without triglyceride oil by electrospraying[J]. Colloids and Surfaces A（Physicochemical and Engineering Aspects），2013，436（5）：937-943.

[5]周良富，張 玲，薛新宇，等. 農藥靜電噴霧技術研究進展及應用現(xiàn)狀分析[J]. 農業(yè)工程學報，2018，34（18）：1-11.

[6]Law S E，Bowen H D. Charging liquid sray by electrostatic induction[J]. Transaction of ASAE，1966，9（4）：501-506.

[7]Law S E，Steven C C. Depositional characteristics of charged and uncharged droplets applied by an orchard air carrier sprayer[J]. Transactions of the ASAE，1988，31（4）：0984-0989.

[8]Law S E. Electrostatic pesticide spraying：concepts and practice[J]. IEEE Transactions on Industry Applications，1983，19（2）：160-168.

[9]Law S E. Agricultural electrostatic spray application：a review of significant research and development during the 20th century[J]. Journal of Electrostatics，2001，51/52：25-42.

[10]茹 煜，金 蘭，周宏平，等. 霧滴荷電特性對其沉積分布及黏附靶標的影響[J]. 南京林業(yè)大學學報（自然科學版），2014，38（3）：129-133.

[11]周良富，張 玲，丁為民，等. 風送靜電噴霧覆蓋率響應面模型與影響因素分析[J]. 農業(yè)工程學報，2015，31（增刊2）：52-59.

[12]孫國祥，李永博，汪小旵，等. 背負式噴霧器霧滴分布特性的CFD模擬與試驗[J]. 農業(yè)工程學報，2012，28（20）：73-79.

[13]孫國祥，汪小旵，丁為民，等. 基于CFD離散相模型霧滴沉積特性的模擬分析[J]. 農業(yè)工程學報，2012，28（6）：13-19.

[14]周宏平，茹 煜，舒朝然，等. 航空靜電噴霧裝置的改進及效果試驗[J]. 農業(yè)工程學報，2012，28（12）：7-12，封2.

[15]陳志剛，于成程，杜彥生，等. 風速、噴霧壓力和靜電電壓對霧滴沉積性的影響[J]. 江蘇農業(yè)科學，2018，46（23）：97-101.

[16]李芳麗. 多功能靜電噴霧器的沉積特性研究[D]. 南京：南京農業(yè)大學，2012：12-18.

[17]陸 軍，李萍萍，賈衛(wèi)東，等. 3種噴頭霧滴輸運沉積參數(shù)的試驗與分析[J]. 農業(yè)機械學報，2009，40（10）：53-57.

[18]王 娟，蘭玉彬，姚偉祥，等. 單旋翼無人機作業(yè)高度對檳榔霧滴沉積分布與飄移影響[J]. 農業(yè)機械學報，2019，50（7）：109-119.

[19]蘭玉彬，彭 瑾，金 濟. 農藥噴霧粒徑的研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J]. 華南農業(yè)大學學報，2016，37（6）：1-9.