密植矮化茶园地面低容量仿形喷雾液滴沉积性能研究

刘冬梅 杨杭旭 周宏平 茹 煜 郑加强 南玉龙

(1.南京林业大学机械电子工程学院， 南京 210037； 2.金华职业技术学院机电工程学院， 金华 321017)

0 引言

农药防治是茶树病虫害综合防治的重要组成部分，其在病虫害突发或爆发时具有快速、高效的优势。农药过量喷施及低利用率将影响茶园生态环境和茶叶品质安全[1-2]。目前，茶园地面施药多采用常规喷雾，施药液量多在600～1 050 L/hm2[3-4]，不仅造成药液流失、环境污染和水资源浪费，而且降低了药剂作用效果和农药器械作业效率。研究发现，农药使用的最佳效率是将适量农药剂量输送到靶标上，以获得预期的生物效果[5]。在农药喷雾中，每个农药雾滴都有其“杀伤半径”，且其半径值远大于单个雾滴本身的雾滴粒径[6-7]，喷雾施药时只需一定的雾滴覆盖密度即可达到良好的防治效果，并不需要采用大容量淋洗式喷雾方式[8]。研究人员通过室内及田间试验发现，在喷施相对少量的农药雾滴时，对害虫的防治效果就能达到80%以上，而增加雾滴数量的防治效果提高不明显，更多的是导致药液的流失和浪费[8-10]。

喷雾施药时，雾滴密度不宜过大或过小，过大容易造成流失，过小由于漂移及不易沉积等问题而不能收到理想的防治效果[8]。近年来，喷雾技术及装备的发展使低容量喷雾逐渐成为农药喷雾的主流。低容量喷雾通过增加单位面积的雾滴个数提高对作物的覆盖率，根据中国农业科学院植物保护研究所喷雾方式的划分，低容量喷雾的喷雾量为49.5～199.5 L/hm2，为达到对生物靶标的有效覆盖，低容量喷雾的雾滴粒径一般为150～250 μm[11-12]。随着国内外对茶叶农残限量标准的逐步严格，低容量喷雾已成为茶园农药防治时实现减量施药的重要手段。目前，部分学者利用植保无人机或静电喷雾器进行茶园低容量喷雾作业[13-14]。试验发现，无人机可实现低容量及超低容量喷雾，但雾滴沉积均匀性较差，喷雾压力不稳定，难以实现精准施药[15]；而静电喷雾器多为人工背负，无法保证喷雾时行走速度的均匀一致性，易造成少喷及过喷。研究发现，农药喷施效果不仅与施药液量相关，还受到喷施方向、喷雾高度、风速等多种因素的影响[16-23]，对茶树喷雾施药时，根据茶树冠层形貌信息，调节喷头组达到理想的喷雾距离和角度，实现仿形喷雾，将有助于提高农药利用率和病虫害防治效果[24-28]。

受茶园地面工况复杂、栽培管理未实现标准化等方面的限制，目前针对密植矮化茶园自走式低容量喷雾沉积性能的研究尚未见报道。为验证茶园自走式低容量喷雾沉积性能是否满足国家植保作业标准要求，本文以设计的密植矮化茶园低容量仿形喷雾轨道式测试系统为喷雾载体，进行茶园低容量喷雾田间试验，以期为茶树病虫害防治和减量施药提供新方法。

1 材料与方法

1.1 试验装置

1.1.1低容量仿形喷雾轨道式测试系统

为测试茶园地面低容量喷雾的雾滴沉积性能，设计了一套茶园低容量仿形喷雾轨道式测试系统，以其作为茶园喷雾试验的机械载体，如图1所示。该系统主要是由雾化系统、调节系统和导轨滑台移动系统组成。雾化系统主要包括水泵、压力表、稳压罐、降压模块、水箱、水管、风扇、喷头及喷雾与风量控制系统。调节系统主要包括高度调节杆、角度旋转支架及仿形臂组件。喷雾测试系统结构左右对称，可实现双侧喷雾作业，每组仿形臂包括2个水平调节杆、旋转臂、喷头、无刷电机和风扇(1045MR无人机螺旋桨)，其中无刷电机和喷头安装时要保持轴线共线，以保证风送方向与喷雾方向一致。每组仿形臂可水平左右调节以匹配茶行位置，旋转臂可0°～180°旋转，以使2个喷头弧线与茶树冠层轮廓匹配。导轨滑台移动系统主要包括导轨、滑台、带轮、同步带、喷雾机架、伺服电机、地面支撑架及移动速度控制系统。

图1 低容量仿形喷雾测试系统Fig.1 Low-capacity profiling spray test systems1.调节系统 2.雾化系统 3.喷雾与风量控制系统 4.导轨滑台移动系统 5.高度调节杆 6.角度旋转支架

1.1.2控制系统硬件电路

低容量喷雾轨道式测试系统的控制部分包括喷雾与风量控制系统和导轨滑台移动速度控制系统。喷雾与风量控制系统硬件电路如图2所示，主要包括水泵、降压模块、STM32核心板、电源转接板、红外信号接收头、无刷电机转速指示灯、5 V及12 V电源、继电器、TD-2030接线端子排及无刷电子调速器。

红外遥控器发射红外控制信号，STM32核心板STM32F103RCT6(广州星翼电子科技有限公司)通过红外信号接收头IRM-3638T(亿光电子工业股份有限公司)接收信号指令来控制喷雾与风量电路系统。STM32核心板通过控制继电器1实现喷雾开启和关闭，降压模块XL4016E1(深圳市北科商贸有限公司)通过调节12V电源供给水泵的电压实现喷雾压力调节。STM32核心板控制继电器2实现无刷电子调速器开启和关闭，同时通过控制向无刷电子调速器XRotor-20A-亚太版(深圳市好盈科技有限公司)发出PWM信号的频率来实现对4个无刷电机X2212-13 KV980(中山市朗宇模型有限公司)转速的调节。无刷电机转速设置为2 000、4 000、6 000 r/min共3挡，并通过无刷电机转速指示灯指示当前无刷电机转速挡位。12 V电源通过TD-2030接线端子排(温州金柯电气科技有限公司)实现对无刷电子调速器与水泵的供电，5 V电源通过电源转接板向STM32核心板、继电器1和继电器2供电。

图2 喷雾与风量控制系统硬件电路Fig.2 Spray and air volume control system hardware circuit1.水泵 2.降压模块 3.电源转接板 4.红外信号接收头 5.STM32核心板 6.无刷电机转速指示灯 7.5 V电源 8.12 V电源 9.继电器1 10.继电器2 11.TD-2030接线端子排 12.无刷电子调速器

导轨滑台移动速度控制系统硬件电路如图3所示，主要包括STM32核心板、控制按键与状态指示灯、电源转接板、电平转换模块、5 V电源、86伺服步进电机、电机驱动器和48 V电源。STM32核心板通过控制向电机驱动器发送脉冲的频率来控制步进电机转速，使导轨上滑台以1.6 m/s速度带动喷雾机架移动。通过按键实现导轨滑台启停、正反向移动，并由状态指示灯指示导轨滑台当前的运行状态。电平转换模块(4路，深圳市科比微电子有限公司)将STM32核心板发出的脉冲信号电平从3.3 V转换成5 V。48 V电源向步进电机驱动器供电，5 V电源向STM32核心板、电源转接板和电平转换模块供电。

1.1.3喷头安装参数

国内常用植保喷头的喷雾角多为80°和110°，考虑喷头选择通用性，低容量喷雾时，为匹配茶树冠层修剪轮廓，每个茶垄设计安装2个喷头。现以茶树冠层顶面为水平基准面，垄宽的中心对称面为竖直基准面，建立直角坐标系xOy，如图4所示。

图4 喷头布置示意图Fig.4 Spray head layout

茶树喷雾施药时为实现全面覆盖和均匀喷雾，喷头安装需满足约束条件

(1)

(2)

(3)

(4)

式中k1——最小重叠系数

k2——最大重叠系数

x0——喷头到垄宽中心的水平距离，m

L——茶树垄宽，m

f——喷头安装竖直面右侧幅宽，m

f′——舍弃喷幅，m

f″——单喷头喷幅，m

h——喷头到冠层顶面距离，m

α——喷头与水平面夹角，(°)

β——喷头标定喷雾角，(°)

γ——舍弃的局部喷雾角，(°)

将式(2)～(4)代入式(1)得x0、α的求解公式

(5)

其中，喷头位置O1坐标为(-x0,h)，另一喷头位置O2坐标为(x0,h)。根据喷头公司建议，茶树低容量喷雾时，建议k1取10%，k2取20%，γ取5°～10°。考虑低容量喷雾时雾滴均为细雾，为减少雾滴飘移，建议喷雾高度取30～50 cm，调研发现L一般在1～1.5 m，其中以1.1 m左右为主[14,29]。以L=1.1 m，h=30 cm，γ=5°，XR8001喷头为例，其标定喷雾角为86°，当喷头与水平面倾角α=75°时，通过式(5)得41.613 cm≤x0≤ 42.265 cm，取x0=42 cm，即两喷头间距为84 cm。

1.2 试验方法

试验测试场地为南京市中山陵茶园，茶树株高约1 m，垄宽1.1 m，垄间距0.5 m，品种为“龙井43”。试验时间为2019年7月14—16日，温度26～30℃，环境风速为0～1.6 m/s，相对湿度76%～80%。喷雾样本为诱惑红示踪剂(上海染料研究所有限公司南通分公司)，试验时配置成质量浓度为1 g/L的水溶液。

喷头选用TeeJet公司的标准扇形喷头TP8001、双扇面扇形喷头TJ60-8001、延长范围扇形喷头XR8001和XR11001共4种常用扇形喷头。喷雾行走速度为1.6 m/s，喷雾压力为0.3 MPa，在0.3 MPa压力下，4种喷头的雾滴均为细雾[11]，且流量均为0.39 L/min，施药量为50.85 L/hm2。研究发现，茶树病虫害绝大部分发生在叶部，而茶树一般有80%～90%的叶量集中分布在树冠0～20 cm的表层[30]，为探究茶树低容量喷雾，本文仅以茶树表层0～20 cm梯度内叶部为研究对象，以表层顶面为上部，表层向下10、20 cm为冠层中、下部，研究不同喷施参数下低容量喷雾时雾滴沉积分布情况。为验证茶树低容量喷雾的雾滴沉积密度和雾滴分布均匀性是否符合NY/T 650—2013《喷雾机(器)作业质量》的标准要求，同时探明喷头类型、喷雾高度、喷施方向(喷头与竖直面夹角)、风扇转速对茶树冠层内雾滴沉积密度、沉积均匀性和雾滴沉积量的影响，本文采用正交试验设计方法进行试验研究，其正交试验因素水平如表1所示。由于试验场地内茶树非机械化修剪，为考虑误差对结果影响，正交试验方案设计时加入误差列，利用SPSS软件设计的混合正交试验方案如表2所示(x1、x2、x3、x4、x5、x6分别为A、B、C、D、E和误差列的水平值)。

表1 因素水平Tab.1 Factors and levels

表2 正交试验方案Tab.2 Orthogonal test schemes

试验时，选取冠层参数基本一致的茶行，每个处理在茶树冠层横截面上采用5点取样法，即左右两侧各布置2点，中间布置1点，如图5所示。其中水敏纸左右两侧布置线距茶行边缘8%～15%，中间点布置在外侧4点的对角线交点处，要求5个布点在同一高度。在每个测点布置1张水敏纸(3 cm×8 cm，重庆六六山下植保科技有限公司)，喷雾试验后，待各测点水敏纸干燥后将其装入相应标记的自封袋内，实验室内用扫描仪进行灰度扫描，生成分辨率600像素×600像素的PNG格式，用水敏纸自带软件(六六山下雾滴分析软件)读取雾滴沉积密度、沉积量数据。本研究以雾滴沉积密度和雾滴分布均匀性作为喷雾效果的主要评价指标，其中，雾滴沉积密度指低量喷雾沉积在作物单位面积上的雾滴数，通过读取各测点水敏试纸显示的雾滴个数获得；雾滴分布均匀性指喷洒的雾滴在作业区内表面分布的均匀程度，用变异系数表示[31-32]。

图5 茶树冠层5点取样分布Fig.5 5-point sampling distribution of tea tree canopy1.水敏纸布置左侧线 2.茶行中心线 3.水敏纸测点 4.水敏纸布置右侧线

2 结果与分析

2.1 喷施参数对雾滴沉积密度的影响

不同喷施参数下各测点的雾滴沉积密度如表3所示，从表中可看出，不同处理下雾滴平均沉积密度均大于26个/cm2，高于JB/T 9782—2014《植保机械通用试验方法》对风送喷雾中喷幅界定的20个/cm2要求[33]。利用SPSS软件的二维组间方差分析检验不同喷雾高度、喷施方向、风扇转速、喷头类型和冠层梯度对雾滴沉积密度的影响，检验结果如表4所示。在主效应检验中，整体模型F为4.296，P为0.021，小于0.05，表明在5%显著性水平下方差分析模型整体显著。冠层梯度P<0.001，而喷雾高度、喷施方向、风扇转速、喷头类型P>0.05，表明冠层梯度对雾滴沉积密度有显著性影响，喷雾高度、喷施方向、风扇转速、喷头类型对雾滴沉积密度无显著性影响。根据效应量的度量值偏Eta平方值判断，冠层梯度偏Eta平方值最大且通过了显著性检验，喷雾高度、喷施方向、喷头类型、风扇转速偏Eta平方值依次减小且均未通过显著性检验。因偏Eta平方值越大，该因素对雾滴沉积密度的影响越大，因此，试验中各喷施参数对雾滴沉积密度的影响程度从大到小依次为冠层梯度、喷雾高度、喷施方向、喷头类型、风扇转速。

表3 雾滴沉积密度正交试验结果Tab.3 Orthogonal test results of droplet deposition density

表4 雾滴沉积密度主体间效应的检验Tab.4 Inspection of inter-subject effect of droplet density

表5 冠层梯度和喷雾高度对雾滴沉积密度LSD多重比较Tab.5 LSD multiple comparisons of canopy gradient and spray height on droplet deposition density

2.2 雾滴沉积分布均匀性分析

雾滴分布均匀性以雾滴沉积密度变异系数来表征。从表3可看出，茶树低容量喷雾时冠层顶部变异系数均不大于0.501 8，满足NY/T 650—2013《喷雾机(器)作业质量》行业标准中对机动喷雾机在低容量喷雾时变异系数的要求[32]。雾滴分布均匀性受多种因素影响，其中喷雾高度、喷施方向、风扇转速、喷头类型和冠层梯度对雾滴沉积均匀性的影响如表6所示。从表6可看出，冠层梯度P<0.001，喷施方向P=0.023，均小于0.05，对雾滴分布均匀性有显著性影响；喷雾高度、喷头类型和风扇转速的P>0.05，对雾滴分布均匀性无显著性影响。冠层梯度的偏Eta平方值最大，为0.869，喷施方向的偏Eta平方值次之，为0.677，喷头类型、喷雾高度和风扇转速的偏Eta平方值依次递减，分别为0.569、0.502、0.475，根据偏Eta平方值越大，该因素对雾滴分布均匀性影响越大的原则，可得各喷施参数对雾滴分布均匀性的影响程度从大到小依次为冠层梯度、喷施方向、喷头类型、喷雾高度和风扇转速。

表6 雾滴分布均匀性主体间效应的检验Tab.6 Inspection of inter-subject effect of droplet distribution uniformity

喷施方向、冠层梯度作为雾滴分布均匀性的显著影响因素，其不同水平对雾滴分布均匀性的影响如表7所示。在多重比较中由平均值差值发现喷施方向45°时，雾滴分布均匀性最差，其变异系数均值为0.610，显著大于0°、15°、30°时的变异系数均值0.445、0.487、0.420(P<0.05)，这主要是由于喷施方向越大，雾滴竖直方向上有效初始速度越小，雾滴更易发生飘移。喷施方向0°、15°、30°时的变异系数差异不显著(P>0.05)，因此，在喷雾作业时应尽量使喷头处于或接近竖直平面以保证雾滴分布均匀性。由冠层梯度多重比较可看出，冠层上、中、下部雾滴分布均匀性差异显著(P<0.05)，其中冠层上部雾滴分布最均匀，冠层中部雾滴分布均匀性最差，这主要是由于冠层上部无叶片遮挡，避免了叶片着生分布如叶片稠密稀疏、倾斜角度、叶片大小对雾滴分布的影响。冠层中部因同时受到叶片着生分布和风送辅助的双重影响，其雾滴分布最不均匀。而冠层下部整体叶量比中部少，同时其受风送的影响程度要弱于冠层中部，其雾滴分布均匀性介于冠层上、中部之间。

2.3 喷施参数对雾滴沉积量的影响

雾滴撞击到茶树叶片上经过反复铺展和回缩，最终持留在茶树叶片上的雾滴才是有效雾滴。传统观念认为沉积量越大越好，而实际上由于雾滴具有一定杀伤半径，施药时只需一定的雾滴沉积量即能达到病虫害防治效果，过量喷施容易引起农药浪费、环境污染和茶叶农残。不同喷施参数下各测点的雾滴沉积量如表8所示，从表中可看出与常规喷雾相比，低容量喷雾的雾滴沉积量整体偏小。各喷施参数对雾滴沉积量的影响如表9所示，在主效应检验中，冠层梯度对沉积量有显著性影响，其P值小于0.001。喷雾高度、喷施方向、风扇转速、喷头类型的P值分别为0.248、0.134、0.231、0.344，均大于0.05，则这些因素对沉积量无显著性影响。冠层梯度的偏Eta平方值最大，为0.970，喷施方向、风扇转速、喷头类型、喷雾高度的偏Eta平方值依次递减，分别为0.484、0.399、0.325、0.294，根据偏Eta平方值，可看出上述各因素对雾滴沉积量的影响程度大小为冠层梯度、喷施方向、风扇转速、喷头类型、喷雾高度。

表7 喷施方向和冠层梯度对雾滴分布均匀性LSD多重比较Tab.7 LSD multiple comparisons of spray direction and canopy gradient on droplet distribution uniformity

表8 雾滴沉积量正交试验结果Tab.8 Orthogonal test results of droplet deposition

表9 雾滴沉积量主体间效应的检验Tab.9 Inspection of inter-subject effect of droplet deposition

冠层梯度、喷施方向各水平对雾滴沉积量的影响程度如表10所示。冠层上、中、下部沉积量均值分别为0.608、0.104、0.095 μL/cm2，由P值可看出，冠层上部沉积量显著大于中、下部沉积量(P<0.05)，而中、下部雾滴沉积量差异不显著(P=0.840>0.05)。这主要是由于冠层上部无叶片遮挡，其沉积量最大，而中、下部叶片密集簇生，到达中、下部的雾滴个数显著减少，其沉积量也相应显著变少。喷施方向0°时，其雾滴沉积量均值最大，为0.311 μL/cm2，且显著大于沉积量均值最小的45°方向(P=0.028<0.05)。喷施方向15°、30°、45°的沉积量均值为0.273、0.294、0.198 μL/cm2，彼此间雾滴沉积量差异不显著(P>0.05)。这主要是由于0°时，雾滴竖直方向上有效初始速度最大，雾滴有足够能量到达叶片表面，而45°时竖直方向上雾滴有效初始速度最小，雾滴飘移风险大，15°、30°时的雾滴竖直方向上有效初始速度介于0°与45°之间。

表10 冠层梯度和喷施方向对沉积量LSD多重比较Tab.10 LSD multiple comparisons of canopy gradient and spray direction on sediment amount

3 结论

(1)茶树低容量喷雾时，雾滴平均沉积密度均大于26个/cm2，满足JB/T 9782—2014《植保机械通用试验方法》中对风送喷雾的雾滴沉积密度要求。冠层梯度对雾滴沉积密度有显著性影响，且冠层上、中、下部雾滴数量依次减少，其中冠层上部雾滴数量明显高于中、下部，而中、下部雾滴个数无显著性差异。喷雾高度与雾滴沉积密度呈负相关，且高度30 cm时雾滴数量明显多于50 cm时的雾滴数量，而40 cm与30、50 cm时雾滴数量差异不显著。冠层梯度、喷雾高度、喷施方向、喷头类型、风扇转速对雾滴沉积密度的影响程度依次递减。

(2)茶树冠层顶部变异系数均满足NY/T 650—2013《喷雾机(器)作业质量》行业标准中对机动喷雾机低容量喷雾时变异系数的要求，不大于0.5。喷施方向、冠层梯度对雾滴沉积均匀性有显著性影响。喷施方向45°时，雾滴分布均匀性最差，其变异系数均值为0.610，显著大于0°、15°、30°时的变异系数，而0°、15°、30°时变异系数无显著性差异。茶树冠层上、中、下部雾滴分布均匀性差异显著，其中冠层上部雾滴分布最均匀，冠层中部雾滴分布均匀性最差。

(3)与常规喷雾相比，低容量喷雾的雾滴沉积量整体偏小；冠层梯度对雾滴沉积量有显著性影响，冠层上部沉积量均值为0.608 μL/cm2，显著大于中、下部沉积量，而中、下部雾滴沉积量无显著性差异；喷施方向0°时，其雾滴沉积量最大，显著大于沉积量最小的45°方向，而15°、30°、45°时的沉积量差异不显著。

(4)考虑雾滴沉积量及雾滴分布均匀性，在实际喷雾施药时应使喷头处于竖直状态，即喷施方向为0°。