喷嘴喷施不同生物农药雾滴特性研究

肖丽萍 刘木华 ZHU Heping 蔡金平 林金龙 欧鸣雄

(1.江西农业大学工学院， 南昌 330045; 2.美国农业部农业应用技术研究所， 伍斯特 OH 44691；3.江苏大学现代农业装备与技术教育部重点实验室， 镇江 212013)

0 引言

生物农药(又称天然农药)通过使用天然存在的活生物体来控制或抑制病虫害，包括微生物、细菌、植物提取物或其他代谢物，具有毒性低、残留量低、持久性好等特点。生物农药相比于常规化学农药更安全，可快速分解而不产生耐药性，且具有较长的产品生命周期，以无毒友好机制防治病害虫[1-4]。生物农药活性成分不同，其种类繁多，可以生产出植物源、动物源或微生物等产品，所以在使用过程中，需要不同的喷雾技术去满足生物农药施用的需要，因此造成生物农药的费用昂贵和某些应用技术的困难[5-6]。目前，世界范围内大概销售有约1 400种生物农药产品[7-8]。

使用生物农药防治农作物病虫害是一种必然的趋势，且使用传统喷雾技术喷施生物农药，不仅方便，也可降低使用的费用。液压喷嘴通常用于将农药输送到目标区域进行病虫草害防治，正确选择喷头对农药的喷雾效果具有较大影响。不同的喷头产生的雾滴直径和幅宽不同，喷雾液滴粒径尺寸、体积若过大发生重叠而浪费，而液滴尺寸太小、太轻容易发生漂移损失，所以雾滴粒径大小分布和幅宽直接影响到雾滴在空间的运动轨迹及与植株靶标界面的相互作用关系，从而影响喷雾覆盖率和沉积质量[9-11]。对于化学农药，文献[12-16]对不同液压喷嘴的喷雾雾滴性能均做了大量的实验，得出大量的比较数据，对化学农药喷雾喷嘴的选择提供了参考数据。目前对于生物农药采用传统喷雾技术的应用较少，HIDALGO等[17]对真菌剂的应用进行了比较，认为中空锥形液压喷嘴比旋转电喷嘴更适合。GOULIA等[18]同样也认为平面扇形喷嘴可以更好地为温室植物提供真菌剂生物农药的喷施效果。GAN-MOR等[19]开发了用于食用油的现场乳化的Chico喷雾器，具有利用静电改进沉积量的能力。

目前国内外还没有一系列关于生物农药应用方法的标准。本文对几种生物农药采用不同类型喷嘴喷雾的雾滴粒径和喷幅宽度等进行分析，为选择具有高质量生物农药喷雾效果的喷嘴提供参考数据，更有效地对病虫害进行生物控制。液压喷嘴是农药的典型应用设备，不同的喷嘴孔径、不同的喷雾压力和喷雾高度等对喷雾效果有不同的影响[20-21]。本文在实验室条件下对4种喷嘴、6种生物农药和水的喷雾雾滴粒径尺寸分布、喷幅宽度等特性进行对比试验分析，以期为生物农药的喷雾应用技术提供理论依据。

1 材料和方法

试验于2016年10月—2017年2月期间在美国俄亥俄州农业研究与发展中心(Ohio agricultural research & development center，OARDC)农业部农业应用技术研究所实验室完成。

1.1 试验材料

喷雾样本是美国BioWorks公司的Suffoil-X(植物油)、Cease(细菌类)、Milstop(矿物类)、Molt-X(昆虫生长调节剂)、BotaniGard ES和BotaniGard 22WP(真菌类)等6种生物农药与水以一定比例的混合物，同时与普通水来进行对比试验。这6种生物农药在美国本地大型温室种植中使用较为普遍，其中除了Cease用于农作物病毒防治，其余均用于农作物虫害防治[22]，且Milstop和BotaniGard 22WP是粉末状，其它均为液体状。

按顺序测量给定时间内收集了凹槽中喷雾液体的亚克力管内样本体积，依次记录，并将数据标准化，然后根据整个喷幅内体积总量的99%来计算喷幅宽度，如图5所示。若20个亚克力管中只有19个收集到液体，将该19个亚克力管中的液体量出体积后，计算每一个管中液体体积占总体积的百分比(标准化)，然后去除边缘占总体积量近1%的亚克力管数量，剩余的数量乘以5.8 cm为该喷嘴的喷幅宽度。

相同喷雾压力下不同喷嘴的雾滴直径分布如图7所示，XR8004喷雾液滴直径尺寸较大，其他3个喷嘴的液滴直径尺寸没有较大差异。无论是从喷嘴尺寸大小来看，还是从流量速率来看，由于是多种喷雾样本，试验的4种喷嘴的喷雾雾滴直径目前还未出现规律性分布。

1.2 试验装置

1.3.1液滴直径分布测定方法

目前，我国股票市场正处于快速发展阶段，在始于2015年的“股灾”还未完全消退的背景下研究中国股票市场与国际股票市场间的相依性问题，对金融市场的风险控制、金融监管以及对投资者投资策略构建等均具有重要的现实意义。

图1 雾滴粒径分布测定试验装置Fig.1 Experimental equipment for droplet size analysis1.机械手 2.高速摄像机 3.激光器 4.喷雾系统 5.粒度分析系统 6.喷头

图2 雾滴粒径测定工作示意图Fig.2 Schematic of droplet size distribution measurement1.高速摄像机 2.喷杆 3.扇形喷头 4.平面扇形喷雾层面 5.激光器 6.中空锥形喷头 7.锥形喷雾层面

图3是喷幅宽度测定装置。该装置由水箱、液滴收集板、挡板、动力装置箱、喷杆组合和亚克力管等组成。水箱和动力装置箱并列置于水平试验桌上；由20个等宽5.8 cm的三角凹槽组成的液滴收集板固定于水箱上，总宽116 cm，并与水平面前后方向呈6°夹角，便于喷洒在凹槽上的液滴向前流动；挡板用于防止喷雾时的液体飞溅；喷头安装于收集板上方50 cm处；压力表控制喷嘴的喷雾压力。通过动力装置和喷杆组合将水箱中喷雾样本在276 kPa压力下向下喷洒在收集板上，然后分别用20个亚克力管在限定时间内(XR11004收集20 s，其余40 s)收集每个凹槽中的液体，并分别测出液体体积。对于幅宽小于116 cm的喷头，安装于喷杆中间位置，测试其整个喷幅宽度；对于幅宽大于116 cm的喷头，安装于喷杆靠边位置，测试其半个幅宽，然后求其2倍值以得到整个幅宽。

图3 喷雾幅宽测定装置Fig.3 Experimental equipment for spray pattern width measuring1.液滴收集板 2.挡板 3.水箱 4.喷头组合 5.喷杆组合 6.压力表 7.亚克力管

1.3 试验方法

雾滴直径直接关系到雾滴喷雾覆盖率和沉积的质量，由于测试样本较多，为避免数据繁多不易比较，本试验在无任何外界因素影响的实验室环境下进行。采用4种不同喷嘴在相同压力276 kPa条件下和相同喷雾高度50 cm下，对7种不同喷雾样本的喷雾液滴的直径分布和喷幅宽度，以及同一喷嘴2种不同压力(276、621 kPa)条件下和相同喷雾高度50 cm下对7种不同喷雾样本的喷雾液滴直径分布进行分析。每一种生物农药用4种喷头分别喷雾3次，取平均值。

基于学习产出的教育(Outcome Based Education，简称OBE)，也称为目标导向的教育，核心教育理念是面向行业需求，实时动态的设计培养目标，并及时调整毕业能力要求。围绕学生毕业知识、能力、素质需达到的指标全面构建课程体系，进行教学设计以及教学资源的配置[1-3]。

供试田间试验点位于广东省韶关市某镉砷复合污染水稻田。稻田土壤为典型红壤，属花岗岩发育土类，土层深厚，质地较粘重。粘粒质量分数为438.6 g·kg-1，沙粒为 166.2 g·kg-1。供试土壤基本理化性质见表1。供试早稻水稻（Oryza sativa L.）品种为天优998，晚稻品种为五优613。

喷雾液滴粒径分布分析试验装置如图1所示。该装置由激光粒度分析仪(Oxford lasers VisiSize 6.403)和三维空间机械手(Velmex)两部分组建而成。激光粒度分析仪由喷雾系统、激光器、高速摄像机和粒度分析系统组成，其中，喷雾系统由气压产生系统、电磁阀、喷管、喷杆、压力表和喷头组件等部分组成。三维空间机械手由控制部分和执行部分组成，其运动空间在1 800 mm×1 300 mm×1 300 mm之间。激光发射器与高速摄像机安装在同一水平线上，喷头置于激光束上方50 cm处。测试时，使平面扇形喷雾液滴层面与激光束垂直，如图2a所示。对于中空锥形喷雾液滴层，则调整喷雾角度，使锥形液滴层锥面与激光束垂直，如图2b所示。每一次试验中，安装在机械手上的喷头随机械手从测试中心沿幅宽一侧方向0～35 cm之间匀速往复运动，以测试半个幅宽上液滴直径分布。

目前,对谷物类作物平衡水分的研究比较多,也得出了大部分谷物类作物的平衡水分的数学方程,但研究与谷物类作物化学成分有甚大差别的植物和中药材平衡水分的很少。因此，此实验对金银花的干燥、贮藏、加工有着重要的实际意义和理论价值。

图4 喷雾雾滴阴影Fig.4 Shadow of spray droplet size

激光束照射在液滴层面因不能穿透液滴而形成液滴阴影，高速摄像机以20 f/s左右速度拍摄阴影，图片立即传输到计算机，图4所示为拍摄的液滴阴影图片。当收集10 000个左右雾滴后，拍摄自动停止，配套VisiSize软件会在去除拍摄面内边缘处不完整液滴阴影后分析计算出液滴粒径尺寸分布情况。根据美国农业与生物工程学会(ASABE)和美国国家标准局572.1标准[24]，喷雾液滴粒径以Dv0.1、Dv0.5和Dv0.9来标定，分别表示直径小于Dv0.1、Dv0.5和Dv0.9的液滴分别占拍摄雾滴液体总体积的10%、50%和90%，通常以中径Dv0.5来表达液滴直径平均分布情况。

对于喷雾装置制造公司来说，其喷嘴成品的好坏测试大部分是用水作为测试样本。图8a更清晰表达了各生物农药与水的相对跨度的变化趋势，从图中可知，6种生物农药的液滴直径相对跨度的变化趋势与水的变化趋势没有较大差异，可见，虽然前面分析不同喷嘴的喷雾雾滴时，发现不同喷嘴的雾滴直径分布没有规律，但随着喷量速率的增大，喷雾雾滴直径分布的均匀度减小。图8b是喷嘴XR8004的雾滴直径分布图，其雾滴粒径有大有小，非常明显，不集中。图8c为喷嘴TXVK8004的雾滴直径分布图，其雾滴粒径虽小，但分布非常均匀。

用于试验的喷嘴是美国Teejet公司的平面扇形喷嘴80°XR8004和110°XR11004以及中空锥形喷嘴TXA8002和TXVK8004等4种喷嘴。平面扇形喷嘴多在105～420 kPa的喷雾压力下各种喷杆式喷雾机上广泛使用，而中空锥形喷嘴多用于果园或特殊农作物的风送式喷雾[23]。在喷雾压力为276 kPa时，80°XR8004和110°XR11004的喷量速率为1.5 L/min，TXA8002和TXVK8004的喷量速率分别为0.76 L/min和0.25 L/min；在喷雾压力为621 kPa时，TXVK8004的喷量速率为0.36 L/min。

图5 喷幅宽度计算示意图Fig.5 Schematic of spray pattern width calculation

2 试验结果与分析

2.1 相同喷雾压力下不同生物农药的喷雾雾滴粒径分布

表1给出了4种喷嘴和7种喷雾样本(BE为BotaniGard ES, SX为Suffoil-X, MX为Molt-X, C为Cease, W为Water, MS为Milstop, BW为BotaniGard 20WP)在相同喷雾压力下的喷雾液滴中径Dv0.5平均值，且利用SAS软件对同一种喷头不同喷雾样本的喷雾液滴中径进行多因素差异性分析的结果(显著性水平α=0.05)。结合图6可知，生物农药与水的雾滴粒径分布之间，真菌类BotaniGard ES的中径尺寸最大，其次是植物油类Suffoil-X和油性昆虫生长调节剂类Molt-X，尺寸最小的是真菌类BotaniGard 20WP和矿物类Milstop，细菌类Cease和水的雾滴中径尺寸处于中间。由此可见，雾滴粒径大小与喷雾样本的存在形式有关，液态与粉末状生物农药的喷雾液滴尺寸具有较大差异，液态比粉末状雾滴尺寸大；细菌类与水的雾滴尺寸差异不显著。

表1 相同喷雾压力下喷雾液滴中径Dv0.5平均值Tab.1 Average Dv0.5 for seven spray samples with four nozzles at the same spray pressure μm

注：同列数值后相同字母表示同一列数值差异性不显著，不同字母表示差异显著(α=0.05)，下同。

图6 相同喷雾压力下不同生物农药样本与水的喷雾液滴中径平均值Fig.6 Average droplet size for six bio-pesticides and water at the same spray pressure

2.2 相同喷雾压力下不同喷嘴的喷雾雾滴直径分布

本论文使用Google word2vec来表示关键句子的矩阵。在试验中，我们使用京东评论数据集作为训练和测试数据集，并设计了五组实验进行比较。实验结果表明，训练数据的准确率达到了98.81%，测试数据的准确率达到了86.39%。

图7 相同喷雾压力下不同喷嘴的喷雾液滴中径平均值Fig.7 Average droplet size with different nozzles at the same spray pressure

2.3 相同喷雾压力下雾滴粒径分布均匀度

1.3.2喷幅宽度测定方法

表2 相同喷雾压力下4种喷嘴、6种生物农药样本与水的喷雾液滴直径相对跨度Tab.2 Average relative span for six bio-pesticides and water with four nozzles at the same spray pressure

2.4 相同喷嘴不同喷雾压力下生物农药雾滴粒径分布

图9给出了采用喷嘴TXVK8004对7种喷雾样本在2种不同喷雾压力(276 kPa和621 kPa)下的喷雾液滴中径Dv0.5平均值比较情况。从图中可以看出，7种喷雾样本在喷雾压力621 kPa下的雾滴粒径均比喷雾压力276 kPa下的粒径小，可见随着压力的增大，生物农药雾滴的粒径会减小。

图8 相同喷雾压力下不同喷嘴的雾滴粒径相对跨度比较图Fig.8 Average relative span comparisons for six bio-pesticides and water with different nozzles at the same spray pressure

图9 不同喷雾压力下相同喷嘴的喷雾液滴中径平均值Fig.9 Average droplet size with the same nozzles at different spray pressures

2.5 相同喷雾压力下不同生物农药幅宽上喷量分布

从喷雾机行走方向上看，整个喷嘴喷幅层面上不同位置的喷雾量不同，图10为亚克力管收集的喷嘴XR8004的喷雾量，类似正态分布，中间多两边少。所以为了在实际田间喷雾中整个喷杆上喷雾量均匀，需要使两临近喷头的边缘喷雾层重叠一部分，这就取决于喷头的安装间距，而喷幅宽度确定了喷头安装间距的选择。

双溪村：土壤中全钾为丰富水平，铜、钙、锰、硒为中等水平，镁、钼、全氮、全磷、硫为缺乏水平，显示了营养元素严重失衡，且养分元素含量均较低。

图10 亚克力管收集的喷雾量分布Fig.10 Spray volume distribution for Acrylic tubes collection

测量每一次试验的亚克力管中的液体体积，并百分比标准化，取平均值，得到每一种喷雾样本的不同喷嘴的幅宽上喷量的标准百分比，如图11所示。从图中可知，平面扇形喷嘴幅宽上的喷量呈类似正态分布，中间多两边少，所以适合喷杆式喷雾机上使用。中空锥面喷嘴幅宽上的喷量凹凸形，两边缘和中间喷量少，其他部分喷量较多，所以该喷嘴不适合喷杆式喷雾机上使用，喷雾不均匀，适合在风送式果园喷雾机上使用。

图11 亚克力管收集的不同生物农药喷雾量标准化平均值Fig.11 Spray volume distributions for Acrylic tubes collection

2.6 相同喷雾压力下不同生物农药的喷幅宽度比较

除去幅宽上喷量正态分布的边缘数据，取标准值的99%的量作为喷幅宽度来计算，结果如图12所示。从图可知，对于同一个喷嘴的不同喷雾样本，喷幅宽度的差异性较小；而对于同一种喷雾样本不同喷嘴来说，喷幅宽度的差异性较大，XR11004的幅宽最大，超过116 cm，而其他3种喷嘴的幅宽均小于116 cm，可见角度110°的喷嘴幅宽明显比80°的大。

根据高水分小麦热风干燥试验数据，分别绘制出不同热风温度、不同风速及不同物料薄层厚度下-lnMR——t曲线和ln(-lnMR)——lnt曲线，如图7和图8所示。

图12 喷幅宽度比较Fig.12 Spray pattern width comparisons for seven spray samples with four nozzles

3 结论

(1) 雾滴粒径大小与喷雾样本的原存在状态有关，液态与粉末状生物农药的喷雾液滴尺寸具有较大差异，液态比粉末状雾滴尺寸大。生物农药的雾滴粒径大小随喷雾压力的增大而减小。

(2)随着喷嘴喷量速率的增大，喷雾雾滴粒径分布的均匀度减小。

(3)平面扇形喷嘴幅宽上的喷量中间多两边少，适合喷杆式喷雾机上使用。中空锥面喷嘴幅宽上的喷量凹形，两边缘和中间喷量少，而其余位置喷量较多，适合在风送式果园喷雾机上使用。

(4)喷嘴的喷雾角度大，则喷雾幅宽也大。角度为110°的喷嘴幅宽大于116 cm,而角度为80°喷嘴的幅宽小于116 cm。

(5)研究了在避免田间现场许多无法控制的变量条件下的喷嘴喷雾质量特性，结论可能不完全适用于各种田间条件下的喷雾性能，但是该研究结果表明不同喷嘴类型、不同喷雾样本的喷雾性能，可作为根据喷雾样本或喷嘴标签上喷雾粒径和幅宽要求的选择基准，也可以作为比较田间现场条件下喷嘴与农作物数据的测试依据。

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