超聲氣力噴霧對稻飛虱防治試驗

繆 宏，江 城，張燕軍，戈林泉，張 臣

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超聲氣力噴霧對稻飛虱防治試驗

繆 宏1,2，江 城1，張燕軍1，戈林泉3※，張 臣1

（1. 揚州大學機械工程學院，揚州 225000；2. 農業部現代農業裝備重點實驗室，南京 210014； 3. 揚州大學園藝與植物保護學院，揚州 225000）

為系統研究超聲氣力噴霧對稻飛虱的防治效果，該文利用自制的超聲氣力噴霧系統，搭建稻飛虱超聲氣力噴霧試驗平臺，模擬水稻稻飛虱的生長環境。研究藥液濃度、噴霧高度、移動速度、氣力值不同作業參數對超聲氣力霧化幅寬、霧滴粒徑的影響規律，并試驗驗證超聲氣力噴霧稻飛虱防治效果。試驗結果表明：當噴頭移動速度160 mm/s、流量5.5 mL/min時，其霧化率高，霧化效果更好，并且流量為5.5 mL/min時，農藥利用率更高；通過統一其他參量發現：不同氣力值下，粒徑的平均值基本相同，都在25m左右，并且在氣壓值為20 kPa，霧化寬幅達到240 mm；霧滴形成后，在葉片上的附著效果受到噴霧流量、霧滴直徑、風速以及葉片傾斜角度的影響；對比普通噴霧，超聲氣力噴霧的農藥利用率提高了35%～45%，對稻飛虱的控制效果提高了10%～36%。該項試驗研究結果對于改進施藥機具和技術卻相對落后的現狀，提高機械化化學農藥防治技術具有指導意義和實際利用價值。

農業機械；噴霧；農藥；超聲氣力噴霧；稻飛虱；防治；風速；氣力值

0 引 言

在農業植保技術不斷發展的今天，植物保護的方法有很多，按其原理及應用可分為：農業技術防治、物理機械防治、生物防治和化學農藥防治[1]。目前，雖然中國有很多機械化化學農藥防治方法，但施藥機具和技術卻相對落后，病蟲害防治過程中的農藥利用率低、噴藥效果差，而且還造成了農產品中農藥殘留超標、環境污染、作物藥害和操作者中毒等一系列問題[2-4]。常用機具有存在明顯的“跑、冒、滴、漏”現象。同時，當前機械施藥技術缺乏安全性，農民沒有經過完善的施藥培訓指導，每年因化學農藥使用錯誤而產生的中毒傷亡高達幾十人次[5-7]。

在當前中國水稻植保機械中，手工、半機械化的手動、小型電動噴霧機仍然占據主導地位[8-10]。農業部南京農業機械化研究所龔艷等研制了高效寬幅遠射程機動噴霧機，其施藥液量450～600 L/hm2，作業效率1.33～2.67 hm2/h[11]。中國農業大學何雄奎等研制了一種可實現低量風送精確噴霧的水田風送低量噴桿噴霧機，可進行150～180 L/hm2的低容量噴霧作業[12]。西北農林科技大學翟長元等設計了一種車載式變量施藥系統，可以根據行駛速度自動變換噴藥量，解決了植保機械移動速度與施藥量不匹配的問題，避免農藥使用浪費或施藥不足[13]。丹麥Hardy公司研制了Alpha4100型自走式噴藥機，在保證一定范圍施藥量的情況下，有效地控制化學農藥的使用，提高了農藥利用率，同時該公司研制的Alpha2000型風送式噴桿噴霧機，采用了氣力輔助技術，顯著提高了霧滴在作物各個部位的附著量[14]。Bertelli Randell公司生產了靜電噴頭，提高了霧滴的附著率，比普通噴頭減少藥液損失65%以上[15]。由此可見，超低量噴霧技術是目前國內外研究的熱點，如果在植保作業中采用低量噴霧技術，農藥有效利用率可增加35%～45%，化學農藥使用量節約40%，可有效提高田間農藥有效利用率，減少環境污染和作物殘留，以最少的農藥達到最高的防治效果，從病蟲害防治中收到良好的經濟效益、社會效益和生態效益[16-20]。

為了使霧化產生的霧滴粒徑更小，分布更均勻，便于控制，從而能夠節省大量農藥，避免環境污染。以實現化學農藥施藥中低量噴霧的要求。本文研究的目的就是要將超聲和氣力噴霧技術結合起來應用到植保機械中，研制出低量高效施藥機械，進而為改善植保機械現狀提供參考和依據。通過模擬水稻稻飛虱的生長環境，研究藥液濃度、噴霧高度、移動速度、氣力值等不同作業參數對超聲氣力霧化幅寬、霧滴粒徑等性能的影響規律，并試驗驗證超聲氣力噴霧的稻飛虱防治效果。

1 超聲霧化原理及噴頭結構

1.1 超聲霧化原理

超聲霧化技術主要是通過在超聲頻率下，液體振動失穩，在氣相中分散而形成細微霧滴[21]。其中引起超聲振動的方式主要有3種：壓電效應法、流體動力法和磁致伸縮效應法[22]。鑒于壓電效應法的壓電材料性價比高，本文采取基于壓電效應法的超聲噴頭，其核心部件是夾心式壓電換能器，主要特點是將超聲電信號轉化為高頻率的機械震蕩。超聲噴頭的換能器由一對或多對壓電陶瓷組成，其夾在鈦金屬外殼中。超聲霧化的工作原理如圖1所示：壓電陶瓷作為高頻電輸入的一極，另一極作為金屬外殼。高頻輸入信號激勵兩極極性往復變化，壓電陶瓷就會發生振動，其振動頻率與輸入信號相同，在經過放大變換之后，振動產生的壓力波引起噴頭端面振動。當液體經過液路接觸到換能器激勵下振動的噴頭端面時，一層波狀液體薄膜會在固體表面形成，當其振幅不斷增大，表面波也會增大，若液膜表面波的振幅增大到相應值，表面波就會碎裂，從噴口處溢出許多霧狀液滴液體經液路到達噴口處形成霧狀液滴。噴嘴的設計長度是一個波長，壓力波在噴頭內部來回傳播形成標準波模式，波峰在左右端面處，其中噴頭出口端振幅明顯大于入口端，增大的幅值與噴嘴直徑的變化呈正比例關系[23-24]。

圖1 超聲霧化原理示意圖[23]

1.2 超聲霧化噴頭結構

超聲霧化噴頭由前端蓋，后端蓋，換能器等組成，結構如圖2所示。后端蓋布置有進氣口，進液口。超聲變幅桿中心軸處設有液路。換能器與變幅桿直接接觸，其包括換能器后端、壓電振子組、電級焊片。電級焊片引出壓電振子組的電極。圓環狀壓電陶瓷片需為偶數，并聯方式連接，共同組合成壓電振子組。該組合中的一極與換能器前段和后端連接。

前后端蓋與變幅桿中間形成腔體，空氣壓縮機產生的氣體經后端蓋進氣口進入該氣腔；壓力泵提供的液體經后端蓋進液口進入液路，如圖2所示。由于超聲噴頭噴嘴為外部混合空氣助力噴嘴，所以它能避免回流氣路，同時它還包含內部助力噴嘴霧化效果好，它在任何液體流量下都能保持噴霧錐角基本不變，在需要擴大或縮小錐角的情況下，通過增加氣力值，可以改變錐角大小。

1. 前端蓋 2. 換能器 3. 換能器后蓋 4. 壓電振子組 5. 電機焊片 6. 腔體 7. 后端蓋 8. 進氣口 9. 進液口 10. 液路 11. 超聲變幅桿

2 試驗材料與方法

針對稻飛虱的習性搭建稻飛虱超聲氣力噴霧試驗平臺，在平臺中進行有關超聲氣力噴霧性能的試驗，試驗主要包括霧化分布試驗、霧滴粒徑測量試驗以及霧化寬幅測量試驗，用以確定稻飛虱防治試驗中超聲氣力噴頭的位置高度、流量以及氣力值等重要參數。

2.1 超聲氣力噴霧試驗平臺設計

根據25株水稻種植面積及水稻最大生長高度設計稻飛虱超聲氣力噴霧試驗平臺，內部尺寸為1 780 mm′1 170 mm′520 mm，試驗平臺主結構分為上部施藥機構與下部水稻擺臺底座部分，右側面分別開三孔做為通風口，左右兩側設計有手柄，便于玻璃罩裝卸。有機玻璃罩殼可配合在底座四邊的卡槽中，采用一種龍門架直線導軌滑臺實現超聲氣力噴霧裝置在水平面上的運動，如圖3a所示。

1. 支架 2. 導軌 3. 噴頭 4. 坦克鏈 5. 鋁合金底座 6. 玻璃罩殼 7. 伺服電機 8. 通風口 9. 超聲發生器 10. 控制柜 11. 風扇

為防止試驗過程中稻飛虱從平臺中逃逸，在底座與玻璃罩的對接卡槽中摻入水，形成水封閉結構，并在有機玻璃罩左右兩側的開孔處設置濾網，底座側面開直徑80 mm的孔；用于布置內外超聲噴霧電源線及各種信號線，采用PID控制系統自動控制超聲噴霧試驗平臺的溫度，如圖3b所示。玻璃罩殼高度為800 mm，罩殼左側面中心開孔直徑250 mm安裝風扇，如圖3c所示。

2.2 試驗方法

2.2.1 霧化分布試驗

在霧化分布試驗中，用生物染料“麗春紅-G”為示蹤劑與蒸餾水混合配置成與農藥密度及黏性相等的噴液，加入水稻稻飛虱超聲噴霧平臺的藥液箱中，濾紙采用 1 500 mm′1 000 mm的定性濾紙。經由超聲噴頭噴出的霧狀液滴，采用定性濾紙直接定性觀測，霧化后的紅色液滴散落在濾紙上，通過觀測畫面分布狀況對比各參數下的噴霧效果[22-24]。變量參數包括高度、速度及流量。噴頭高度按照水稻噴藥時期的生長高度可以設置為500、950 mm。噴頭的移動速度可以設置為160、400 mm/s。設置流量值為5.5、15、35 mL/min。對各參數進行正交試驗。其它參數為固定值，設置超聲功率為2.5 W，噴霧氣力值為0 kPa，風速為0 mm/s。測試不同風速下的霧化效果時，設置參數如下：噴頭高度為950 mm，流量為5.5 mL/min，噴頭移動速度為0 mm/s，氣力值為0 kPa，超聲功率為2.5 W，風速分別設置為：零級風（0 mm/s），一級風（1 000 mm/s），二級風（2 000 mm/ s），三級風（4 000 mm/s）。

2.2.2 霧滴粒徑測試試驗

在霧滴粒徑測量試驗中，用白油作為捕集液，其他材料有白凡士林，測試工具有500倍顯微鏡和測微尺。將玻璃培養器洗凈，在其底部均勻涂一層白凡士林，在凡士林上抹一層約2～3 mm深的白油，收集霧滴使霧滴均勻懸浮在油中，在500倍顯微鏡中放置測微尺，將培養器移置顯微鏡下，焦距調至能看清霧滴，隨機在測微尺上讀取霧滴，邊讀邊記錄。最后，計算霧滴體積中徑，方差，數量中徑及擴散比[25-26]。測試氣力值與霧滴粒徑的關系時，設置參數如下：噴頭高速為950 mm，流量為5.5 mL/min，噴頭移動速度為0 mm/s，超聲功率為2.5 W，風度：零級風（0 mm/s）。氣力值設置為0、10、15、20 kPa。測試流量與霧滴粒徑的關系時，設置參數如下：噴霧高度為500 mm，噴頭移動速度為160 mm/s，流量為自變量，分別為2、4、6、8、10、12、14、16 mL/min。

2.2.3 霧化寬幅測量試驗

在霧化寬幅測量試驗中，利用高倍相機直接記錄，讀取試驗平臺的網格線測量噴霧幅寬。截取距各噴頭垂直高度為150 mm處（截距過大，霧滴隨氣流影響其軌跡變化較大，造成試驗誤差過大）的霧化寬幅，繪制二維坐標折線圖[27]。設置氣壓值分別為：0、5、10、15、20 kPa。保持噴頭移動速度為0 mm/s，流量為5.5 mL/min，噴頭高度500 mm。

2.2.4 稻飛虱防治試驗

在稻飛虱防治試驗中，采用的試藥劑為常州農藥廠生產的10%吡蟲啉；選擇試驗水稻品種為武運粳24，水稻秧苗共計180株，施肥水平中等，pH值為7.1，試驗用60株水稻分為12組樣品，每組5株水稻，共重復3次；試驗選用的褐飛虱種群最初來自中國水稻研究所，在揚州大學生態實驗室溫室中飼養，飼養在溫度（26± 1）℃，相對濕度70%～80%，光照周期16 h/8 h的環境下，屬敏感種群。

分別采用普通氣力噴頭（手動長江16型噴霧器）與及超聲氣力噴頭噴霧作業。普通氣力噴霧的氣力值為10 kPa；超聲氣力噴霧的主要參數為：噴頭高度為500 mm，流量為5.5 mL/min，氣力值為10 kPa，超聲功率為2.5 W。試驗分4個作業參數：用藥量為460 g/hm2，采用普通噴頭；用藥量為620 g/hm2，采用普通噴頭；用藥量為260 g/hm2，采用超聲氣力噴頭；用藥量為320 g/hm2，采用超聲氣力噴頭。共設置12組水稻樣品，每組5株水稻，每組投放三齡若蟲約100頭。于藥后7、15 d進行藥效調查，計算飛虱死亡和存活數目。試驗共重復3次。

3 結果與分析

3.1 霧化分布效果

各種條件下霧化分布效果如圖4所示，當噴頭移動速度為160 mm/s時，霧滴覆蓋率較高，在濾紙上的噴霧分布效果要好于速度為400 mm/s時的情況；當噴頭移動速度為400 mm/s時，存在若干空白區域，該速度不利于水稻滅蟲；流量為5.5與15 mL/min時的分布效果相差不大，但當流量為35 mL/min時，會發生明顯的抱團聚集現象；當噴霧高度為500 mm與噴霧高度為950 mm時的噴霧附著效果相差甚微，表明噴霧高度對霧化分布無明顯影響。

如圖4b所示，根據濾紙霧滴呈像圖，噴頭移動速度為160 mm/s、流量為5.5 mL/min時，其霧化率高，霧化效果更好；對比圖4a與圖4e、4b與4f，發現相比于流量為15 mL/min時，流量為5.5 mL/min的霧化分布效果與之相差不大，當施藥時間相同，那么流量為5.5 mL/min的施藥量更少，農藥利用率可以更高。

圖4 不同速度、流量、高度條件下霧化效果分布圖

3.2 風速的影響

如圖5a所示，0 mm/s風速霧滴垂直降落，水稻稻飛虱噴霧作業時零級風速為假想風速，因噴頭本身移動時不可避免的產生氣流，所以實際施藥時不存在0 mm/s風速。如圖5b所示，1 000 mm/s風速下的超聲氣力噴霧霧滴飄移程度較小。如圖5c所示，2 000 mm/s風速下超聲氣力噴霧霧滴飄移程度明顯增大，在空間中懸浮后霧滴下沉。如圖5d所示，4 000 mm/s風速下超聲氣力噴霧霧滴彌散在空間中，致使藥液與稻葉的接觸機率下降。對風速的適應性較弱是超聲氣力噴頭應用在水稻稻飛虱噴霧作業的不足之處，可在使用前利用順逆風選擇噴霧移動方向，以提高施藥率。同時，增加氣力值同樣可以提高超聲氣力噴霧對風速的適應性。

圖5 不同風速下霧滴軌跡

3.3 不同氣力值的影響

如圖6與圖7所示，氣壓值為0 kPa時，霧化最大寬幅不超過80 mm，隨著氣壓值的增加，達到5 kPa時，霧化最大寬幅緩慢逐步增加，達到100 mm，在氣壓值超過5 kPa，達到10 kPa時，霧化最大寬幅明顯急劇增大，達到200 mm，當氣壓值超過10 kPa后，霧化最大寬幅增加趨勢逐步降低，在氣壓值為20 kPa，霧化最大寬幅達到240 mm。

如圖8所示，在顯微鏡下放大用測微尺獲取數據后發現，氣力值為0 kPa時霧化粒徑相對均勻，氣力值為10 kPa時的霧化粒徑跨度變化不大，粒徑的平均值都在25m左右。而氣力值在15和20 kPa下的霧化粒徑均值依舊在25m左右，表明隨氣力值變化，霧滴粒徑均值幾乎不變。但是對比圖8a、8b與圖8c、8d，明顯看出氣力值為15和20 kPa時出現了許多零碎的微小液滴。選取噴霧霧滴集中區域，通過計數和計算發現，0和10 kPa時的霧滴粒徑在15～35m的分布量高達98.87%，而氣力值大于等于15 kPa時，在15～35m的分布量明顯減少，只有88.2%，在霧滴粒徑小于15m這一區間的分布量明顯增加，達到了10%以上。這種現象的原因為氣力值越大，液體平面液膜碎裂程度越高，霧滴間的凝聚抱團幾率也隨之增大[28-29]。

圖6 不同氣壓值下超聲氣力噴頭作業狀況

圖7 超聲氣力噴頭不同氣壓值下的最大霧化幅寬

3.4 影響超聲氣力噴霧霧滴附著效果的因素

影響農藥霧滴在水稻葉片上附著效果的因素有很多，其中最大的影響因子是農藥霧滴粒徑的大小[30]。較大的霧滴粒徑受重力影響更為嚴重，在噴霧過程中更容易發生濺落現象，如圖9a所示。噴霧流量較大時，水稻稻葉一定范圍內的液滴分布量較為密集，霧滴之間容易發生凝聚或吸附反應[31]，施藥量遠遠超過了殺滅稻飛虱所需的藥量，農藥浪費嚴重，如圖9b所示。由于環境因素中風力及稻葉擺動的影響，霧滴粒徑大的液滴吸附在稻葉表面時會產生彈跳或者濺落的現象。如圖9c所示。稻飛虱以及水稻表面有拒水層，稻葉的傾斜角度會加劇霧滴的滾落，因而造成農藥的浪費，如圖9d所示。

圖8 超聲氣力噴頭在不同氣壓值下的霧滴放大圖

圖9 影響超聲氣力噴霧霧滴附著效果的主要因素

3.5 超聲氣力噴霧霧滴對稻飛虱的防治效果

如表1所示，普通噴霧用藥量合計6.75 mg，藥后7 d后防治效果平均減退率為80.695%，藥后14 d后防治效果平均減退率為39.66%；超聲氣力噴霧用藥量合計4.25 mg，藥后7 d后防治效果平均減退率為90.765%，藥后14 d后防治效果平均減退率為75.65%。超聲氣力噴霧的用藥量明顯少于普通噴霧，但是超聲氣力噴霧的稻飛虱減退率卻高于普通噴霧。可見，超聲氣力噴霧的農藥利用率高，對稻飛虱的控制效果明顯好于普通噴霧，相對而言，超聲氣力噴霧的農藥利用率提高了35%～45%，對稻飛虱的控制效果提高了10%～36%，可節約約40%的農藥。

表1 不同噴霧對稻飛虱的防治效果

4 結 論

1）超聲氣力噴霧噴頭移動速度為160 mm/s、流量為5.5 mL/min時，其霧化率高，霧化效果更好，并且相比于流量為15 mL/min時，流量為5.5 mL/min的霧化分布效果與之相差不大，施藥時間相同，則流量為5.5 mL/min的施藥量更少，農藥利用率更高，在稻飛虱防治試驗時可以取得更好的實驗效果；噴頭高度對霧化分布沒有明顯影響。

2）在影響超聲力氣噴霧噴霧效果的因素中，風速影響噴霧軌跡和霧滴分布，由于稻飛虱防治試驗在溫室內進行，可通過增大氣力值等方法使噴霧正常作業；氣力值影響霧滴粒徑的均勻性，雖然總體平均直徑在25m左右，但是方差隨著氣力值增大而增大，在稻飛虱防治試驗時可以選取10 kP的參數，以免粒徑不均勻對試驗造成影響；氣力值主要影響噴霧幅寬，總體上是氣力值越大，幅寬越大，在氣壓值為20 kPa，霧化寬幅達到240 mm；

3）噴霧流量、霧滴直徑、風速以及葉片傾斜角度都會影響霧滴的在葉片上的附著效果，從而影響農藥的有效利用；通過試驗對比普通噴霧，明顯看出超聲氣力噴霧的農藥利用率提高了35%～45%，對稻飛虱的控制效果提高了10%～36，可節約約40%的農藥。

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Experiment on prevention and control of rice planthopper by ultrasonic pneumatic spray

Miao Hong1,2, Jiang Cheng1, Zhang Yanjun1, Ge Linquan3※, Zhang Chen1

(1.225000,; 2.210014,; 3.225000,)

In the current, ultrasonic atomization technology is becoming the key technology of ultra-low volume spray technology in facility agriculture. In order to systemically research the factors affecting the control effect of ultrasonic pneumatic spray on rice planthopper, in this study, the ultrasonic pneumatic spray test platform for rice planthopper was built. This test platform simulated the growth environment of rice planthopper by controlling the temperature, air flow and soil environment. The temperature of the test platform was adjusted by the heater through the PID (proportion, integral, derivative) control system. The air flow was controlled by the electric fan which was placed on the side. The soil was taken directly from the experimental plot in the Yangzhou University. The effects of different operating parameters such as liquid concentration, spray height, moving speed and strength value on the performance, wide width of spray and droplet size of ultrasonic aerosol were studied, and the control effect of ultrasonic aerodynamic spraying on rice planthopper was tested and verified. The biological dye Ponceau-G, which was used as tracer, and distilled water were mixed to be the hydrojet that had the same density and viscosity as pesticide. This kind of hydrojet can leave a trace that is not easy to spread on the qualitative filter paper. The performance and wide width of spray could be qualitatively observed on filter paper. The spray droplets were collected by the white oil which was used as the collection liquid. The droplet size was obtained by 500 times microscope and measuring micro ruler. The rice planthopper and rice seedlings from the Ecological Laboratory of Yangzhou University were placed in the test platform, and using the same configuration of imidacloprid, the control effects of ordinary spray and ultrasonic pneumatic spray on rice planthopper were compared. The experimental results show that when the nozzle moves at a speed of 160 mm/s and a flow rate of 5.5 mL/min, the atomization rate is the highest and the atomization effect is better than others. When the flow rate is 5.5 mL/min, the pesticide utilization rate is the highest. The average values of particle size are basically the same at different pneumatic values, all of which are about 25 μm, and when the air pressure is 20 kPa, the width of atomization reaches 240 mm. Because the particle size of the aerosol spray droplets is very small, the wind speed has a great influence on the droplet trajectory, which can ensure the normal operation of the spray in the greenhouse by increasing the air force value. The adhesion effect of droplets on the blade will be affected by spray flow, droplet diameter, wind speed and blade tilt angle. In comparison with ordinary spray, the pesticide utilization rate of ultrasonic pneumatic spray is increased by 35%-45%, and the control effect on rice planthopper is increased by 10%-36%. The experimental results are of guiding significance and practical value to improve the status quo of relatively backward equipment and technology, and to improve the mechanized control technology of chemical pesticide.

agricultural machinery; spraying; pesticides; ultrasonic pneumatic spraying; rice planthopper; prevention and treatment; the wind speed; pneumatic value

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.23.010

S491

A

1002-6819(2017)-23-0073-07

2017-07-21

2017-10-30

江蘇省科技計劃項目（BE2016708）；農業部現代農業裝備重點實驗室開放基金項目（201604003）；江蘇省科技項目（BE2015338 BE2016346）；江蘇省科技計劃項目（BE2016134）

繆 宏，江蘇宜興人，副教授，博士，主要從事智能農業裝備、植保機械與施藥技術研究。Email：mh0514@163.com

戈林泉，江西撫州人，副教授，博士，主要從事昆蟲分子生態及害蟲綜合治理技術研究。Email：lqge@yzu.cn