静电喷雾关键参数对烟叶雾滴沉积分布的影响

张少杰　孙轩　王志江　谢永辉　余杨　张毅杰　艾宇　张天顺

摘要：为探明静电喷雾作业中关键喷雾参数（喷雾高度、喷雾速度、喷雾压力）对烟叶叶面上雾滴沉积分布的影响规律，进行了3种喷雾高度（40、50、60 cm）、3种喷雾速度（0.62、0.79、0.98 m/s）和2种喷雾压力（0.2、0.36 MPa）的影响因素试验。以清水为药剂沉积指示剂，以水敏纸为雾滴检测介质，运用图像分析软件Imaje J获取雾滴沉积分布数据。结果表明：（1）喷雾压力、喷雾速度、喷雾高度对第1、2层正面烟叶雾滴体积中径、雾滴覆盖率、雾滴均匀度、雾滴密度均有极显著影响（P<0.01），对第1、2层反面烟叶雾滴体积中径和雾滴均匀度无显著影响（P>0.05），对1、2层反面烟叶的雾滴密度和覆盖率影响显著（P<0.05）;（2）随着喷雾高度的增加，第1层（烟株顶层）、第2层（烟株中间层）烟叶正面上的雾滴体积中径和雾滴覆盖率降低，雾滴密度和雾滴均匀度增加，第1、2层烟叶反面上的雾滴密度降低和体积中径降低;（3）随着喷雾压力的降低，烟株各层叶面上的雾滴密度、覆盖率和均匀度显著降低，雾滴体积中径增加，喷雾压力为0.36 MPa时获得最优雾化参数;（4）在喷雾高度为50 cm、喷雾压力为0.36 MPa的条件下，随着喷雾速度的增加，第1、2层烟叶正面雾滴体积中径和雾滴覆盖率降低，雾滴均匀度和雾滴密度增加。本研究结果可为烟草等大叶片作物静电喷雾作业提供理论指导和数据支持，并为后续开展大田试验研究提供参考依据。

关键词：静电喷雾;施药参数;沉积分布;喷雾压力;喷雾高度;喷雾速度

中图分类号：S24   文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2020）19-0249-08

收稿日期：2019-12-23

基金项目：云南省烟草公司重大科技专项（编号：2018530000241010）;云南农业大学学生科技创新创业行动基金（编号：2018ZKY046）。

作者简介：张少杰（1992—），男，山东烟台人，硕士研究生，主要从事农业电气化与自动化研究。E-mail：13061322461@163.com。

通信作者：张天顺，硕士，副教授，硕士生导师，主要从事农业工程研究。E-mail：351997207@qq.com。

烟草是我国重要的经济作物，烟草病虫害每年对烟草行业造成巨大的经济损失[1]。现阶段病虫害防治还是以化学防治为主，防治器械以背负式喷雾器为主。近几年静电喷雾已经在农业领域得到一定的应用[2-3]。静电喷雾可以提高农药的有效沉积，提高农药在作物叶背的沉积效率，减少农药飘逸对土壤微生物和环境的污染[4]。但不合理的施药方式造成农药的大量浪费，农药的有效利用率不足30%[5]。国内外专家学者对静电喷雾施药参数进行了大量研究。美国学者Law等研制了静电喷雾系统，并对其在棉花植株上进行应用研究，提出在静电喷雾的基础上加大雾滴运动速度，有助于提高雾滴的附着率和在植株上的穿透率[6-9]。茹煜等研究荷电电压对雾滴沉积特性与作物附着性的影响，对比静电与非静电雾滴沉积分布特性和叶片附着率得出，雾滴荷电可增加雾滴的运动速度与作物的定向移动，静电电荷可增加叶片正面与反面的雾滴密度，减少雾滴的表面张力，提高雾滴的附着率[10]。周良富等研究感应电压、风机频率、喷雾距离和喷雾压力对纺锤型苹果树雾滴沉积分布的影响，结果表明，对雾滴反面吸附性影響程度从充电电压、喷雾距离、喷雾压力、风机频率等方面依次递减[11]。孙国祥等通过Fluent软件模拟分析背负式喷雾器雾滴分布特性，证明模拟仿真与试验分析结果存在明显差异，为了验证实际效果必须进行试验研究[12-13]。周宏平等研究静电电压对雾滴沉积的影响，结果表明，雾滴粒径随着静电电压的增大而降低，且随电压增加分布更加均匀[14]。陈志刚等研究表明，喷雾压力和风速对雾滴沉积分布有显著影响，且喷雾压力影响大于风速[15]。李芳丽研究喷雾高度对雾滴沉积分布的影响，证明喷雾高度对雾滴沉积的影响非常明显，并指出喷雾高度的制定要根据不同的作物形态，且要具体问题具体研究[16]。

从以上文献可以看出，国内外专家学者主要研究风速、静电电压、喷雾压力等对雾滴沉积分布的影响，而针对背负式静电喷雾器不同喷雾压力、喷雾速度、喷雾高度等关键施药参数的综合研究相对较少。而雾滴在不同作物形态叶面上的沉积分布不同，针对烟草作物叶面雾滴沉积分布的研究尚未见报道。

本研究以云烟203品种为试验作物，分析背负式静电喷雾器在3个喷雾高度、2个喷雾压力、3个喷雾速度等不同条件下烟株各层雾滴沉积分布，以期为烟草等大叶片作物的施药提供理论依据，达到节约农药、提高农药利用率的效果。

1 材料与方法

1.1 试验装置

1.1.1 供试静电喷雾器

本试验采用江苏泰御威机电科技有限公司TYW-WJ16静电喷雾器，其工作压力为0.2～0.4 MPa，静电电压为22～30 kV。因喷雾器的喷头类型对雾滴的粒径等有显著影响[17]，为控制变量，试验过程中统一采用切向涡流式喷头，其喷头垫片如图1所示。

1.1.2 试验喷雾试验台

为保证试验过程中喷雾高度、喷雾速度等的准确性，减少试验误差，采用按国际标准[IS0 5682-1 ∶1996（E）]设计的喷雾试验台控制喷雾速度和喷雾高度。将喷雾器的喷杆固定在横轴上，由单片机和电位器控制横轴运动，以实现不同速度需求;在横轴上加立杆实现不同的喷雾高度。喷雾试验台如图2所示。

1.1.3 试验水敏纸

采用重庆六六山下植保科技有限公司生产的水敏纸雾滴测试卡进行试验，为方便数据对比，统一采用3 cm×8 cm的水敏纸。水敏纸遇水由黄色变为蓝色，通过图像处理软件分析雾滴粒径等数据。

1.2 试验设计

试验配置TYW-WJ16静电喷雾器，喷雾速度设为0.62、0.79、0.98 m/s;喷雾高度设为40、50、60 cm，喷雾高度是喷头距离烟株顶端的距离;喷雾压力设为0.36、0.20 MPa，进行3个因素全面试验，每组试验喷雾3株烟草，试验示意如图3所示，水敏纸布置如图4所示。

1.2.1 采样点设计

烟草作物的叶面特性和植株外形与花生等其他作物不同，烟叶的面积较大。根据烟草农艺师的指导，在烟草整个生长周期中选择

烟株高度40 cm时进行病虫害防治，因此选取3株形态相近、高度约40 cm的烟株作为试验材料。为了研究整体烟株的雾滴沉积特性，采样点分为3层，第1层为烟草顶部的烟叶;第2层为烟株中间部分的烟叶，即距离烟草顶部20 cm的烟叶;第3层为地面，分为2部分，即距离烟株根部20 cm为地面1层，距离烟株根部40 cm为地面2层。

1.2.2 烟株叶面雾滴采样设计

烟株顶部烟叶较嫩，易发生病虫灾害，在距离烟株顶端20 cm的部位烟叶较为密集，且烟叶较大，是烟叶易发生病虫害的重要位置。第1层烟叶的面积较小，将3 cm×8 cm 的水敏纸沿烟叶的形状布置在每个烟叶的中心位置，布置方向与喷雾方向呈近似45°与135°，共布置4张水敏纸，即为第1层正面4张水敏纸，在每张水敏纸所在烟叶反面相同位置分别贴4张水敏纸，即为第1层反面;在第2层以相同的方法布置水敏纸，共布置3株烟草，视为3次重复。为减少试验随机误差，每株烟草每层每面的4张水敏纸数据取平均值记作1个数据，3株烟草视为3次重复，取平均值。

1.2.4 喷雾作业参数

为减少试验的随机误差，保证试验的准确度，选取3株形状长势相近、高度约40 cm的烟株为试验材料，每次试验都保证静电喷雾器处于满电状态，使静电雾滴带电量基本形同。为保证采集雾滴的准确性，试验测试所用水敏纸统一采用3 cm×8 cm规格，且每次在第1株烟株前1 m 处待喷雾稳定后进行试验，相关参数见表1。

2 数据处理方法

每次喷雾试验结束，等水敏纸干后，马上用扫描仪按照相关的规定参数进行扫描，电子图像通过美国农业部图像处理软件Imaje-J中的DepositScan进行分析，得到雾滴体积中径、雾滴密度、雾滴均匀度和雾滴覆盖率等雾滴数据[18]。运用SPSS 22.0进行显著性分析，采用Origin19进行图表绘制。

2.1 雾滴体积中径

雾滴体积中值直径（中径）是指雾滴直径按照从小到大排列，雾滴体积累计达到雾滴总体积的50%时的雾滴直径，用VMD表示[19]。计算公式如下：

VMD=3（∑D3iNi│∑Ni）。（1）

式中：Di表示第i个雾滴的直径;Ni表示第i个雾滴数。VMD值越小，代表雾化效果越好。

2.2 雾滴均匀度

雾滴均匀度表示雾滴群的离散程度，是评价雾化沉积性能的重要指标，为雾滴数量中值中径和雾滴体积中值直径的比值，用DR来表示。公式如下：

DR=NMDVMD。（2）

式中：NMD表示雾滴数量中径（μm）;VMD表示雾滴体积中径（μm）。DR值越小表示越不均匀，均匀度若小于0.67，表示不均匀，若大于0.67，表示比较均匀，DR值越接近于1，表示雾滴粒径分布越均匀[16]。

2.3 雾滴密度

雾滴密度是指单位面积上雾滴的沉积数量，用ρ表示，单位为个/cm2，公式如下：

ρ=NS。（3）

式中：N表示测试收集雾滴的总个数;S表示测试的水敏纸面积。

2.4 雾滴覆盖率

雾滴覆盖率是指单位面积上雾滴所覆盖的面积，单位为%，公式如下：

P=s/S。（4）

式中：s表示水敏纸上雾滴所覆盖的面积;S表示测试的水敏纸面积。

3 结果与分析

3.1 显著性分析

从表2、表3可以看出，喷雾压力、喷雾速度、喷雾高度对第1、2层正面烟叶雾滴体积中径、雾滴覆盖率、雾滴均匀度、雾滴密度均有极显著影响（P<0.01），对第1、2层反面烟叶雾滴体积中径、雾滴均匀度无显著影响（P>0.05），对第1、2层反面烟叶的雾滴密度、雾滴覆盖率影响显著（P<0.05）。

3.2 喷雾高度对烟草各层雾滴沉积分布的影响

在静电喷雾中，试验设定风速0 m/s、喷雾速度0.62 m/s、喷雾压力0.36 MPa，研究喷雾高度（40、50、60 cm）对烟叶雾滴沉积分布的影响。由图5-a可知，随着喷雾高度的增加，烟叶叶面上的雾滴体积中径降低。喷雾高度为40、50、60 cm时，第1层正面烟叶雾滴体积中径分别为244.0、223.4、183.8 μm，噴雾高度从40 cm至50 cm、从50 cm至60cm下降幅度分别为8.4%和17.7%;第2层正面烟叶雾滴体积中径分别为176.0、165.0、143.3 μm，喷雾高度从40 cm至50 cm、从50 cm至60cm下降幅度分别为6.25%和13.20%，说明60 cm喷雾高度更加影响雾滴体积中径。相同喷雾高度下，烟叶各层雾滴体积中径表现依次为第1层正面>第2层正面>第1层反面>第2层反面。第1、2层反面雾滴体积中径为73.9～113.0 μm，明显小于第1、2层正面雾滴体积中径（143.3～244.0 μm），说明小雾滴更易吸附在烟叶反面。由图5-b可知，随着喷雾高度的增加，烟叶正面的雾滴密度增加，而烟叶反面雾滴密度降低，其中第1层反面烟叶上的雾滴密度为34.8～76.3个/cm2，明显多于第2层反面烟叶的雾滴密度（6.7～28.9个/cm2）， 说明喷雾距离明显影响雾滴静电吸附能力。在40、50、60 cm的喷雾高度下，第1层和第2层反面烟叶的平均雾滴密度分别占其正面烟叶的36.35%、20.78%、11.73%。图5-c表明，随着喷雾高度的增加，烟叶正面雾滴均匀度提高，而烟叶反面雾滴均匀度未发生明显变化，且烟叶反面雾滴均匀度明显高于烟叶正面，雾滴均匀度大部分在0.67以上，说明静电喷雾的雾滴沉积均匀。图5-d表明，随着喷雾高度的增加，烟叶各层雾滴覆盖率降低，喷雾高度从40 cm增加至50 cm时，烟叶正面雾滴覆盖率变化不明显，但当喷雾高度增加至60 cm时，烟叶雾滴覆盖率明显减少。

3.3 喷雾压力对烟株各层雾滴沉积分布的影响

为研究喷雾压力对烟株各层雾滴沉积分布的影响，试验选定喷雾速度0.62 m/s、喷雾高度50 cm，压力变量分别为0.20、0.36 MPa，分析烟株第1层正面、第2层正面、第1层反面、第2层反面烟叶的雾滴体积中径、雾滴密度、雾滴均匀度、雾滴覆盖率的变化规律，结果如图6所示。

由图6-a可知，随着喷雾压力的减少，烟株各层雾滴体积中径增加，烟叶第1层正面、第1层反面雾滴体积中径增幅分别为21.48%、6.18%，烟叶第2层正面、第2层反面雾滴体积中径增幅分别为26.55%、1.26%，第2层烟叶的雾滴体积中径增幅总体大于第1层。图6-b表明，随着喷雾压力减小，烟株各层雾滴密度均明显降低，第1层正面、第2层正面、第1层反面、第2层反面烟叶的雾滴密度降幅分别为41.9%、31.7%、43.9%、59.4%，说明喷雾压力明显影响烟叶的雾滴沉积密度，且第2层反面的烟叶雾滴密度过小，仅为5.6～13.8个/cm2。图6-c表明，随着喷雾压力的减小，第1层正面、第2层正面烟叶的雾滴均匀度降低，第1层反面、第2层反面烟叶的雾滴均匀度未发生明显变化。烟叶反面的雾滴均匀度明显高于烟叶正面的雾滴均匀度。图6-d表明，随着喷雾压力减小，烟株各层雾滴覆盖率降低，等1、2层正面烟叶雾滴覆盖率明显降低，反面烟叶雾滴覆盖率未发生明显变化。

3.4 喷雾速度对烟草各层雾滴沉积分布的影响

在静电喷雾试验中，试验风速0 m/s， 选取喷雾压力为0.36 MPa，喷雾高度为50 cm，将喷雾速度分别设为0.62、0.79、0.98 m/s，研究喷雾速度对各层烟叶的雾滴沉积分布的影响。喷雾速度对雾滴体积中径、雾滴密度、雾滴均匀度、雾滴覆盖率的影响见图7。

图7-a表明，随着喷雾速度的提高，第1层和第2层正面烟叶上的雾滴体积中径明显变小，第1层和第2层反面烟叶上的雾滴体积中径变小，但并不明显。在3个速度下，第1、2层烟叶正面的雾滴体积中径分布在147.5～223.4 μm之间，第1、2层烟叶反面的雾滴体积中径分布在78.5～100.4 μm之间。喷雾速度从0.62 m/s增加至0.79 m/s，第1层和第2层正面烟叶的雾滴体积中径降幅分别为4.48%和6.06%，喷雾速度从0.79 m/s增加至0.98 m/s，第1层和第2层正面烟叶的雾滴体积中径降幅分别为17.24%和4.84%，说明0.98 m/s的喷雾速度明显影响烟叶上的雾滴体积中径。由图7-b 可知，随着喷雾速度增加，第1、2层正面烟叶上的雾滴密度增大，但第1、2层反面烟叶上的雾滴密度降低。图7-c表明，随着喷雾速度的提高，第1、2层正面烟叶的雾滴均匀度提高，第1、2层反面烟叶的雾滴均匀度未发生明显变化。烟叶反面平均雾滴均匀度（0.91～0.93）明显高于烟叶正面平均雾滴均匀度（0.60～0.82）。图7-d表明，随着喷雾速度的提高，各层烟叶的雾滴覆盖率降低。在0.79～0.98 m/s喷雾速度下，第1、2层正面雾滴覆盖率变化程度逐渐增大。反面烟叶的雾滴覆盖率明显低于正面烟叶的雾滴覆盖率。

4 结论

（1）喷雾压力、喷雾速度、喷雾高度等对第1、2层正面烟叶雾滴体积中径、雾滴覆盖率、雾滴均匀度、雾滴密度均有极显著影响（P<0.01），对第1、2层反面烟叶雾滴体积中径和雾滴均匀度无显著影响（P>0.05），对第1、2层反面烟叶的雾滴密度和覆盖率影响显著（P<0.05）。

（2）在喷雾速度为0.62 m/s和喷雾压力为0.36 MPa下，喷雾高度对烟叶上雾滴体积中径、雾滴密度、雾滴均匀度、雾滴覆盖率影响较大。随着喷雾高度增加，第1、2层正面雾滴体积中径、雾滴覆盖率降低，第1、2层正面烟叶的雾滴密度、雾滴均匀度增大，第1、2层反面烟叶的雾滴密度降低。在40、50、60 cm的喷雾高度下，第1、2层反面烟叶的平均雾滴密度占第1、2层正面烟叶的平均雾滴密度百分比分别为36.35%、20.78%、11.73%。最佳喷雾高度为40～50 cm。

（3）在喷雾速度为0.62 m/s和喷雾高度为50 cm 下，喷雾压力对各层烟叶上的雾滴体积中径、雾滴密度、第1、2层烟叶正面上的雾滴均匀度和雾滴覆盖率影响较大。与0.36 MPa的喷雾压力相比，0.20 MPa喷雾压力下的第1、2层烟叶雾滴体积中径增大，雾滴密度、雾滴均匀度和雾滴覆盖率降低，喷雾压力从0.36 MPa降低至0.20 MPa时，第1、2层正面烟叶雾滴覆盖率分别由40.09%、25.29%降为31.06%、20.59%，降幅分别为22.52%、18.58%。0.36 MPa噴雾压力效果优于0.2 MPa喷雾压力。

（4）随着喷雾速度的提高，第1、2层烟叶正面上的雾滴体积中径和覆盖率明显降低，雾滴密度、雾滴均匀度明显增加，喷雾速度对第1、2层烟叶反面雾滴体积中径无明显影响。在50 cm喷雾高度、0.36 MPa 喷雾压力，喷雾速度为0.62～0.98 m/s下，第1、2层烟叶正面雾滴体积中径为147.5～223.4 μm，第1、2层烟叶反面雾滴体积中径为78.5～100.4 μm，烟叶各层雾滴均匀度均在0.6以上。考虑烟叶正面与反面的雾滴沉积分布情况，最佳喷雾速度为0.62～0.79 m/s。

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