影響農(nóng)藥霧滴在煙葉上沉積的關鍵因子分析

李莫飛，王志江，呂明站，王揮華，謝永輝，郭宜秀，詹莜國*

1. 北京航空航天大學云南創(chuàng)新研究院，昆明市盤龍區(qū)世博路8 號 650233

2. 云南省煙草公司昆明市公司，昆明市盤龍區(qū)北京路523 號 650051

煙草生長的中后期是病蟲害的高發(fā)階段，嚴重時發(fā)病率可高達90%，對煙葉產(chǎn)量和品質(zhì)造成嚴重影響［1］。病蟲害發(fā)生的主要部位是葉片，病蟲害的防控以噴灑農(nóng)藥防治為主［2］。生產(chǎn)上常因農(nóng)藥霧滴附著率低而導致防治效果不理想。因此，如何提高農(nóng)藥霧滴在葉面的有效附著能力，是煙草病害防治上急需解決的問題。

農(nóng)藥霧滴在單位面積植株葉片上沉積的物理量稱為霧滴沉積，是藥液施用效率高低的重要指標之一，決定其在病蟲害防治中的使用效果［3］。有研究表明，葉傾角［4］、藥液表面張力［5-6］、葉片表面結(jié)構［7-9］和噴霧距離［10］等均會顯著影響藥液霧滴在植株葉片上的沉積。作物葉片對藥液霧滴的承載存在一個臨界點，當藥液噴施量超過該臨界點后，葉面的藥液會自動發(fā)生流失，這個臨界點被稱為流失點（Point of Runoff，POR）。當施藥量超過流失點發(fā)生流失并達到穩(wěn)定狀態(tài)時，藥液在植物葉面達到最大穩(wěn)定持留量（Maximum Retention，Rm）［11-12］。藥液霧滴發(fā)生匯聚、流失后形成的最大穩(wěn)定持留量值遠遠小于流失點［12］，大量流失的藥液還會造成環(huán)境污染。因此，在農(nóng)藥噴施過程中嚴格控制施藥量在流失點以內(nèi)，對于提高農(nóng)藥利用效率和減少環(huán)境污染至關重要。

目前，葉面農(nóng)藥霧滴沉積在作物上的相關研究報道較多。楊希娃等［13］對棉花、水稻與小麥葉片傾角為 0°、15°、30°、45°、60°和75°的試驗表明：葉片表面性質(zhì)、葉片傾角對沉積量影響差異顯著；減小葉片傾角有助于增加沉積量；葉片微結(jié)構可能是影響作物沉積量的原因之一。徐廣春等［14］研究表明，水稻葉片的強疏水性主要歸因于其表面布滿了包被著蠟質(zhì)的乳頭狀突起，同時還可能與其葉表面的腺毛長度和氣孔密度密切相關；水稻葉片正、反面的臨界表面張力估值分別為29.90 和31.22 mN/m；霧滴在傾角較低時（30°）能粘附在葉片上，較高時（60°）滾落。袁會珠［6］測定了相同噴霧距離下小麥葉片分別在30°、60°和90°葉傾角時的流失點和最大穩(wěn)定持留量，發(fā)現(xiàn)葉傾角越小，流失點和最大穩(wěn)定持留量越高，沉積在葉面的霧滴越多；葉傾角越大，流失點和最大穩(wěn)定持留量越低，沉積在葉面的霧滴越少。朱金文等［15］的研究也表明，葉傾角越大其流失點和最大穩(wěn)定持留量越低。不同作物葉片的臨界表面張力差異很大，顧中言等［16］研究了包菜、水稻、雀麥等13種植物，發(fā)現(xiàn)其葉片的臨界表面張力值為36.26～71.81 mN/m不等。而煙草K326和云煙87的葉片臨界表面張力分別為 30.41 mN/m［17］、29.46 mN/m［18］，表明這兩個品種葉片臨界表面張力相近，且低于小麥、棉花、茄子等［16］。陸軍等［10］對水平靜電噴霧條件下不同噴霧距離對黃瓜葉片流失點和最大穩(wěn)定持留量的影響進行試驗，發(fā)現(xiàn)隨著軸向噴霧距離（25～375 cm）的增加黃瓜葉片的流失點先上升后下降，在125 cm噴霧距離時流失點達到最大值。但煙草上對農(nóng)藥在葉面的沉積、潤濕和持留等方面的相關研究卻報道較少，綜合噴霧距離和葉傾角兩方面因素對煙草葉片流失點和最大穩(wěn)定持留量的影響方面還鮮見報道。因此，對影響成熟期煙草農(nóng)藥霧滴附著的關鍵指標如臨界表面張力、葉傾角、噴霧距離、流失點和最大穩(wěn)定持流量等因子進行了試驗，旨在為提高農(nóng)藥霧滴附著效率和農(nóng)藥有效性提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料和儀器

供試煙草品種為紅花大金元。于2020 年7 月17—21日選取云南省石林縣云葉烤煙技術研究合作社種植的處于成熟期（移栽后100 d 左右）的煙株進行測定。

采用表面張力分別為38、48和60 mN/m達因液和純水（表面張力為72 mN/m）測定液滴在葉片表面的接觸角。利用光學數(shù)碼顯微鏡（G1200型，深圳智達發(fā)電子有限公司）進行接觸角圖像采集，用Canny邊緣檢測算法進行液滴輪廓提取。根據(jù)孫統(tǒng)等［19］的發(fā)明專利自制葉傾角測量儀測定不同葉位的葉傾角。采用靜電噴霧器（3WBJ-16型，貴州黔霖農(nóng)業(yè)發(fā)展有限公司）、參考呂曉蘭等［20］的發(fā)明專利自制設備測定不同葉傾角下葉片表面沉積的霧滴量。

1.2 方法

1.2.1 接觸角的測定及臨界表面張力的計算

接觸角（θ）是指在固、液、氣三相交界處，自固-液界面經(jīng)液體內(nèi)部到氣-液界面之間的夾角［21］。選取3株健康煙草中部葉片，截取葉片中間不包含主脈和粗大支脈的部分（取下后1 h內(nèi)使用），將葉片切成長1.0～1.5 cm，寬小于5.0 mm 的細條（盡可能減小寬度以消除顯微鏡背景的影響）。將葉片水平置于顯微鏡載物臺上，調(diào)整載物臺高度至與顯微鏡觀測鏡中心平齊，用微量注射器分別取0.5 μL 不同表面張力的測試液，滴落至載物臺上的葉片上；待液滴穩(wěn)定持留120 s后，用顯微鏡（×1 000）進行觀測并拍照（圖1 A）；利用Canny邊緣檢測算法［22］對所拍攝圖片中的測試液滴進行輪廓提取（圖1 B），手動去除背景中的白色像素點，得到干擾較少的液滴輪廓，擬合輪廓曲線（圖1 C），對擬合出的輪廓做切線，得到接觸角值（圖1 D）。每次測試后更換新葉片，每種不同表面張力的測試液重復測定3次。

圖1 用Canny邊緣檢測算法測定接觸角Fig.1 Measurement of contact angle by Canny edge detection algorithm

采用不同表面張力測試液測出接觸角（θ）后，計算其余弦值（cosθ）。將不同測試液的表面張力與cosθ進行相關分析，根據(jù)文獻［5］提出的測定植物臨界表面張力法，cosθ=1 處所對應的液體表面張力即為煙草葉片的臨界表面張力。

1.2.2 葉傾角的測定

葉傾角是葉片腹部法線與地面法線的夾角，不同生長階段的煙株葉片數(shù)量與葉傾角不同。隨機選取10株健康煙株，按照從冠層至根的順序?qū)⑷~片進行編號，采用葉傾角測量儀依次測定每片煙葉的葉傾角。

1.2.3 不同噴霧高度下的流失點和最大穩(wěn)定持留量的測定

流失點和最大穩(wěn)定持留量的測定裝置見圖2。將噴霧器固定在可變高度噴霧架上，噴頭與地面垂直，分別設置噴嘴下沿與葉片中心垂直距離50、100、150 和200 cm 4 種噴霧距離，噴霧器中裝入水，進行噴霧時關閉靜電功能。測定裝置由載物臺、電子秤和防霧滴沉積罩3部分組成［22］。其中載物臺可進行90°以內(nèi)的傾斜角度調(diào)整；電子秤精度為0.01 g（YH-50002 型，東陽市英衡智能設備有限公司）；防護罩為透明的亞克力材料制成，防止霧滴沉積到電子秤上。

圖2 流失點和最大穩(wěn)定持留量值的測定裝置Fig.2 Testing apparatus for POR and Rm

選擇3 株煙草，取中部鮮煙葉葉片（采收后1 h內(nèi)），將葉片中間部位不包含主脈和粗大支脈的部分裁剪成5 cm×10 cm長方形，裁剪過程中不可接觸葉片表面，避免破壞葉片表面結(jié)構。將剪好的葉片背面用雙面膠粘在載物臺上，置于霧化噴頭正下方50、100、150 和200 cm 的距離，按照測量的葉傾角作為載物臺傾斜角度測定流失點。葉片粘貼牢固并且調(diào)整好載物臺角度后，將電子秤清零開始噴霧，當葉面的藥液霧滴開始在葉片上匯聚、滴落時，讀取最大讀數(shù)，即為流失點；停止噴霧后到藥液不再從葉片流落且電子秤顯示數(shù)字穩(wěn)定，此時的讀數(shù)即為最大穩(wěn)定持留量。每次噴霧后更換葉片，重復3次。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel軟件進行試驗數(shù)據(jù)的整理與制圖，并進行一元線性回歸和相關性分析。采用單因素方差分析法進行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，采用LSD 法進行數(shù)據(jù)間差異的顯著性檢驗。

2 結(jié)果與討論

2.1 葉片的臨界表面張力分析

葉片臨界表面張力直接影響藥液在葉片表面的沉積特性，臨界表面張力越小越不利于藥液霧滴的沉積、潤濕和展布［5］。測試液的表面張力與cosθ間呈顯著負相關關系（圖3），其擬合方程為y=0.020 0x+1.628 8（r=0.969 8），其中x為表面張力，y為cosθ。根據(jù)擬合方程計算得到煙草葉片的臨界表面張力為31.44 mN/m。與王亞虹等［17］和陳海濤等［19］測定的K326和云87兩個煙草品種相近，表明不同煙草品種葉片臨界表面張力值差異不大，且明顯低于小麥、棉花和茄子等［16］，說明普通農(nóng)藥霧滴不容易在煙草葉片表面潤濕和展布，因此需要合理使用助劑降低農(nóng)藥藥液的表面張力至低于煙草葉片臨界表面張力［17］。

圖3 表面張力與接觸角的關系Fig.3 Relationship between surface tension and contact angle

2.2 葉傾角

葉傾角對霧滴沉積的作用強于葉面結(jié)構，在噴施農(nóng)藥時應優(yōu)先考慮［7］。表1表明，成熟期煙株上部葉傾角大多集中在60°～70°之間；中部葉傾角居中，集中在50°～60°之間；下部葉傾角較小，集中在20°～40°之間。

表1 不同部位煙葉葉傾角的比較Tab.1 Comparison of inclination angles among tobacco leaves from different stalk positions （°）

2.3 流失點和最大穩(wěn)定持留量分析

流失點是農(nóng)藥噴施量的關鍵決定參數(shù)，當農(nóng)藥噴施量超過流失點，會減少藥液在葉片表面的持留量，降低藥效且造成農(nóng)藥的浪費［12］。圖4表明，流失點與葉傾角呈顯著負相關，且隨著噴霧距離增加，斜率降低，說明葉傾角和噴霧距離對流失點均有顯著影響。

圖4 不同噴霧距離下流失點與葉傾角關系Fig.4 Relationship between POR and leaf inclination angle at different spray distances

在不同噴霧距離和葉傾角條件下，煙草葉片的流失點和最大穩(wěn)定持留量的變化見圖5。圖5表明：①流失點高于最大穩(wěn)定持留量，二者間的差值較大（1.0～19.8 μL/cm2）。葉傾角越大，二者的差值越小。②相同噴霧距離下，葉傾角越大流失點越低。傾角為70°葉片的流失點僅是葉傾角為20°葉片的30%～43%。這種變化趨勢與在小麥［6，12］和水稻［15］等作物上的測定結(jié)果一致。從葉位上來看，煙草上部葉農(nóng)藥霧滴容易流失，而下部葉農(nóng)藥霧滴容易沉積。③不同噴霧距離下，葉傾角為20°和30°時葉片流失點在噴霧距離為50 cm 時最高，分別為29.0 μL/cm2和27.1 μL/cm2，噴霧距離增加到100 cm時分別降低至 20.5 μL/cm2和16.3 μL/cm2，之后基本保持穩(wěn)定；傾角為40°～70°時葉片在各噴霧距離下流失點均保持穩(wěn)定，說明噴霧距離對下部葉的流失點影響較大，而對中部葉和上部葉的影響較小。與陸軍等［10］在黃瓜上的研究結(jié)果存在差異，可能是由于水平噴霧方式和垂直噴霧方式對流失點和最大穩(wěn)定持留量影響不同所致。

圖5 不同噴霧距離和葉傾角條件下的流失點（POR）和最大穩(wěn)定持留量（Rm）Fig.5 POR and Rm at different spray distances and leaf inclination angles

3 結(jié)論

①煙草（紅花大金元）成熟期葉片的臨界表面張力較小，為31.44 mN/m，施藥時應該通過添加助劑等方式降低農(nóng)藥藥液的表面張力。②成熟期煙草不同部位的葉片葉傾角差異顯著，上部葉片葉傾角大多集中在60°～70°之間，中部葉為50°～60°，下部葉為20°～40°。③流失點與葉傾角呈顯著負相關。按葉位劃分，上部葉農(nóng)藥霧滴容易流失，下部葉農(nóng)藥霧滴容易沉積，因此在施藥時要按煙葉部位控制施藥量在流失點以內(nèi)。④噴霧距離影響農(nóng)藥霧滴沉積，煙草下部葉噴施時噴霧口與靶標葉片之間的距離應大于100 cm，中部和上部葉噴施時噴霧口與靶標葉片之間的距離應大于50 cm。