影响农药雾滴在烟叶上沉积的关键因子分析

李莫飞，王志江，吕明站，王挥华，谢永辉，郭宜秀，詹莜国*

1. 北京航空航天大学云南创新研究院，昆明市盘龙区世博路8 号 650233

2. 云南省烟草公司昆明市公司，昆明市盘龙区北京路523 号 650051

烟草生长的中后期是病虫害的高发阶段，严重时发病率可高达90%，对烟叶产量和品质造成严重影响［1］。病虫害发生的主要部位是叶片，病虫害的防控以喷洒农药防治为主［2］。生产上常因农药雾滴附着率低而导致防治效果不理想。因此，如何提高农药雾滴在叶面的有效附着能力，是烟草病害防治上急需解决的问题。

农药雾滴在单位面积植株叶片上沉积的物理量称为雾滴沉积，是药液施用效率高低的重要指标之一，决定其在病虫害防治中的使用效果［3］。有研究表明，叶倾角［4］、药液表面张力［5-6］、叶片表面结构［7-9］和喷雾距离［10］等均会显著影响药液雾滴在植株叶片上的沉积。作物叶片对药液雾滴的承载存在一个临界点，当药液喷施量超过该临界点后，叶面的药液会自动发生流失，这个临界点被称为流失点（Point of Runoff，POR）。当施药量超过流失点发生流失并达到稳定状态时，药液在植物叶面达到最大稳定持留量（Maximum Retention，Rm）［11-12］。药液雾滴发生汇聚、流失后形成的最大稳定持留量值远远小于流失点［12］，大量流失的药液还会造成环境污染。因此，在农药喷施过程中严格控制施药量在流失点以内，对于提高农药利用效率和减少环境污染至关重要。

目前，叶面农药雾滴沉积在作物上的相关研究报道较多。杨希娃等［13］对棉花、水稻与小麦叶片倾角为 0°、15°、30°、45°、60°和75°的试验表明：叶片表面性质、叶片倾角对沉积量影响差异显著；减小叶片倾角有助于增加沉积量；叶片微结构可能是影响作物沉积量的原因之一。徐广春等［14］研究表明，水稻叶片的强疏水性主要归因于其表面布满了包被着蜡质的乳头状突起，同时还可能与其叶表面的腺毛长度和气孔密度密切相关；水稻叶片正、反面的临界表面张力估值分别为29.90 和31.22 mN/m；雾滴在倾角较低时（30°）能粘附在叶片上，较高时（60°）滚落。袁会珠［6］测定了相同喷雾距离下小麦叶片分别在30°、60°和90°叶倾角时的流失点和最大稳定持留量，发现叶倾角越小，流失点和最大稳定持留量越高，沉积在叶面的雾滴越多；叶倾角越大，流失点和最大稳定持留量越低，沉积在叶面的雾滴越少。朱金文等［15］的研究也表明，叶倾角越大其流失点和最大稳定持留量越低。不同作物叶片的临界表面张力差异很大，顾中言等［16］研究了包菜、水稻、雀麦等13种植物，发现其叶片的临界表面张力值为36.26～71.81 mN/m不等。而烟草K326和云烟87的叶片临界表面张力分别为 30.41 mN/m［17］、29.46 mN/m［18］，表明这两个品种叶片临界表面张力相近，且低于小麦、棉花、茄子等［16］。陆军等［10］对水平静电喷雾条件下不同喷雾距离对黄瓜叶片流失点和最大稳定持留量的影响进行试验，发现随着轴向喷雾距离（25～375 cm）的增加黄瓜叶片的流失点先上升后下降，在125 cm喷雾距离时流失点达到最大值。但烟草上对农药在叶面的沉积、润湿和持留等方面的相关研究却报道较少，综合喷雾距离和叶倾角两方面因素对烟草叶片流失点和最大稳定持留量的影响方面还鲜见报道。因此，对影响成熟期烟草农药雾滴附着的关键指标如临界表面张力、叶倾角、喷雾距离、流失点和最大稳定持流量等因子进行了试验，旨在为提高农药雾滴附着效率和农药有效性提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料和仪器

供试烟草品种为红花大金元。于2020 年7 月17—21日选取云南省石林县云叶烤烟技术研究合作社种植的处于成熟期（移栽后100 d 左右）的烟株进行测定。

采用表面张力分别为38、48和60 mN/m达因液和纯水（表面张力为72 mN/m）测定液滴在叶片表面的接触角。利用光学数码显微镜（G1200型，深圳智达发电子有限公司）进行接触角图像采集，用Canny边缘检测算法进行液滴轮廓提取。根据孙统等［19］的发明专利自制叶倾角测量仪测定不同叶位的叶倾角。采用静电喷雾器（3WBJ-16型，贵州黔霖农业发展有限公司）、参考吕晓兰等［20］的发明专利自制设备测定不同叶倾角下叶片表面沉积的雾滴量。

1.2 方法

1.2.1 接触角的测定及临界表面张力的计算

接触角（θ）是指在固、液、气三相交界处，自固-液界面经液体内部到气-液界面之间的夹角［21］。选取3株健康烟草中部叶片，截取叶片中间不包含主脉和粗大支脉的部分（取下后1 h内使用），将叶片切成长1.0～1.5 cm，宽小于5.0 mm 的细条（尽可能减小宽度以消除显微镜背景的影响）。将叶片水平置于显微镜载物台上，调整载物台高度至与显微镜观测镜中心平齐，用微量注射器分别取0.5 μL 不同表面张力的测试液，滴落至载物台上的叶片上；待液滴稳定持留120 s后，用显微镜（×1 000）进行观测并拍照（图1 A）；利用Canny边缘检测算法［22］对所拍摄图片中的测试液滴进行轮廓提取（图1 B），手动去除背景中的白色像素点，得到干扰较少的液滴轮廓，拟合轮廓曲线（图1 C），对拟合出的轮廓做切线，得到接触角值（图1 D）。每次测试后更换新叶片，每种不同表面张力的测试液重复测定3次。

图1 用Canny边缘检测算法测定接触角Fig.1 Measurement of contact angle by Canny edge detection algorithm

采用不同表面张力测试液测出接触角（θ）后，计算其余弦值（cosθ）。将不同测试液的表面张力与cosθ进行相关分析，根据文献［5］提出的测定植物临界表面张力法，cosθ=1 处所对应的液体表面张力即为烟草叶片的临界表面张力。

1.2.2 叶倾角的测定

叶倾角是叶片腹部法线与地面法线的夹角，不同生长阶段的烟株叶片数量与叶倾角不同。随机选取10株健康烟株，按照从冠层至根的顺序将叶片进行编号，采用叶倾角测量仪依次测定每片烟叶的叶倾角。

1.2.3 不同喷雾高度下的流失点和最大稳定持留量的测定

流失点和最大稳定持留量的测定装置见图2。将喷雾器固定在可变高度喷雾架上，喷头与地面垂直，分别设置喷嘴下沿与叶片中心垂直距离50、100、150 和200 cm 4 种喷雾距离，喷雾器中装入水，进行喷雾时关闭静电功能。测定装置由载物台、电子秤和防雾滴沉积罩3部分组成［22］。其中载物台可进行90°以内的倾斜角度调整；电子秤精度为0.01 g（YH-50002 型，东阳市英衡智能设备有限公司）；防护罩为透明的亚克力材料制成，防止雾滴沉积到电子秤上。

图2 流失点和最大稳定持留量值的测定装置Fig.2 Testing apparatus for POR and Rm

选择3 株烟草，取中部鲜烟叶叶片（采收后1 h内），将叶片中间部位不包含主脉和粗大支脉的部分裁剪成5 cm×10 cm长方形，裁剪过程中不可接触叶片表面，避免破坏叶片表面结构。将剪好的叶片背面用双面胶粘在载物台上，置于雾化喷头正下方50、100、150 和200 cm 的距离，按照测量的叶倾角作为载物台倾斜角度测定流失点。叶片粘贴牢固并且调整好载物台角度后，将电子秤清零开始喷雾，当叶面的药液雾滴开始在叶片上汇聚、滴落时，读取最大读数，即为流失点；停止喷雾后到药液不再从叶片流落且电子秤显示数字稳定，此时的读数即为最大稳定持留量。每次喷雾后更换叶片，重复3次。

1.3 数据处理

采用Excel软件进行试验数据的整理与制图，并进行一元线性回归和相关性分析。采用单因素方差分析法进行数据的统计分析，采用LSD 法进行数据间差异的显著性检验。

2 结果与讨论

2.1 叶片的临界表面张力分析

叶片临界表面张力直接影响药液在叶片表面的沉积特性，临界表面张力越小越不利于药液雾滴的沉积、润湿和展布［5］。测试液的表面张力与cosθ间呈显著负相关关系（图3），其拟合方程为y=0.020 0x+1.628 8（r=0.969 8），其中x为表面张力，y为cosθ。根据拟合方程计算得到烟草叶片的临界表面张力为31.44 mN/m。与王亚虹等［17］和陈海涛等［19］测定的K326和云87两个烟草品种相近，表明不同烟草品种叶片临界表面张力值差异不大，且明显低于小麦、棉花和茄子等［16］，说明普通农药雾滴不容易在烟草叶片表面润湿和展布，因此需要合理使用助剂降低农药药液的表面张力至低于烟草叶片临界表面张力［17］。

图3 表面张力与接触角的关系Fig.3 Relationship between surface tension and contact angle

2.2 叶倾角

叶倾角对雾滴沉积的作用强于叶面结构，在喷施农药时应优先考虑［7］。表1表明，成熟期烟株上部叶倾角大多集中在60°～70°之间；中部叶倾角居中，集中在50°～60°之间；下部叶倾角较小，集中在20°～40°之间。

表1 不同部位烟叶叶倾角的比较Tab.1 Comparison of inclination angles among tobacco leaves from different stalk positions （°）

2.3 流失点和最大稳定持留量分析

流失点是农药喷施量的关键决定参数，当农药喷施量超过流失点，会减少药液在叶片表面的持留量，降低药效且造成农药的浪费［12］。图4表明，流失点与叶倾角呈显著负相关，且随着喷雾距离增加，斜率降低，说明叶倾角和喷雾距离对流失点均有显著影响。

图4 不同喷雾距离下流失点与叶倾角关系Fig.4 Relationship between POR and leaf inclination angle at different spray distances

在不同喷雾距离和叶倾角条件下，烟草叶片的流失点和最大稳定持留量的变化见图5。图5表明：①流失点高于最大稳定持留量，二者间的差值较大（1.0～19.8 μL/cm2）。叶倾角越大，二者的差值越小。②相同喷雾距离下，叶倾角越大流失点越低。倾角为70°叶片的流失点仅是叶倾角为20°叶片的30%～43%。这种变化趋势与在小麦［6，12］和水稻［15］等作物上的测定结果一致。从叶位上来看，烟草上部叶农药雾滴容易流失，而下部叶农药雾滴容易沉积。③不同喷雾距离下，叶倾角为20°和30°时叶片流失点在喷雾距离为50 cm 时最高，分别为29.0 μL/cm2和27.1 μL/cm2，喷雾距离增加到100 cm时分别降低至 20.5 μL/cm2和16.3 μL/cm2，之后基本保持稳定；倾角为40°～70°时叶片在各喷雾距离下流失点均保持稳定，说明喷雾距离对下部叶的流失点影响较大，而对中部叶和上部叶的影响较小。与陆军等［10］在黄瓜上的研究结果存在差异，可能是由于水平喷雾方式和垂直喷雾方式对流失点和最大稳定持留量影响不同所致。

图5 不同喷雾距离和叶倾角条件下的流失点（POR）和最大稳定持留量（Rm）Fig.5 POR and Rm at different spray distances and leaf inclination angles

3 结论

①烟草（红花大金元）成熟期叶片的临界表面张力较小，为31.44 mN/m，施药时应该通过添加助剂等方式降低农药药液的表面张力。②成熟期烟草不同部位的叶片叶倾角差异显著，上部叶片叶倾角大多集中在60°～70°之间，中部叶为50°～60°，下部叶为20°～40°。③流失点与叶倾角呈显著负相关。按叶位划分，上部叶农药雾滴容易流失，下部叶农药雾滴容易沉积，因此在施药时要按烟叶部位控制施药量在流失点以内。④喷雾距离影响农药雾滴沉积，烟草下部叶喷施时喷雾口与靶标叶片之间的距离应大于100 cm，中部和上部叶喷施时喷雾口与靶标叶片之间的距离应大于50 cm。