靜電噴霧關鍵參數對煙葉霧滴沉積分布的影響

張少杰　孫軒　王志江　謝永輝　余楊　張毅杰　艾宇　張天順

摘要：為探明靜電噴霧作業中關鍵噴霧參數（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據。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時獲得最優霧化參數;（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提供理論指導和數據支持，并為后續開展大田試驗研究提供參考依據。

關鍵詞：靜電噴霧;施藥參數;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）;云南農業大學學生科技創新創業行動基金（編號：2018ZKY046）。

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

通信作者：張天順，碩士，副教授，碩士生導師，主要從事農業工程研究。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造成巨大的經濟損失[1]。現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進行了大量研究。美國學者Law等研制了靜電噴霧系統，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不同的作物形態，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的綜合研究相對較少。而霧滴在不同作物形態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，達到節約農藥、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，以實現不同速度需求;在橫軸上加立桿實現不同的噴霧高度。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保科技有限公司生產的水敏紙霧滴測試卡進行試驗，為方便數據對比，統一采用3 cm×8 cm的水敏紙。水敏紙遇水由黃色變為藍色，通過圖像處理軟件分析霧滴粒徑等數據。

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張水敏紙數據取平均值記作1個數據，3株煙草視為3次重復，取平均值。

1.2.4 噴霧作業參數

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，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一采用3 cm×8 cm規格，且每次在第1株煙株前1 m 處待噴霧穩定后進行試驗，相關參數見表1。

2 數據處理方法

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定參數進行掃描，電子圖像通過美國農業部圖像處理軟件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據[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。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;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。考慮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。

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