基于雾化粒径调控的猕猴桃花粉粒靶向沉积量研究

2023-02-20曲旭鹏石复习

西北农林科技大学学报（自然科学版） 2023年1期

常瑞，曲旭鹏，石复习

(西北农林科技大学机械与电子工程学院，陕西杨凌 712100)

猕猴桃为异花授粉植物，人工辅助授粉是保证猕猴桃优质、高产的重要手段[1-3]。相较于干粉授粉方式，采用液体授粉，花粉悬浊液中的营养成分可改善花粉活力，且有利于控制雾化效果与喷施量[4-6]。适宜的花粉悬浊液雾化粒径范围可减少雾滴飘移，并提高靶标区雾滴沉积量[7]。因此，探寻适宜的授粉雾化粒径，以兼顾雾滴的靶向性及其对花粉粒的运载能力，是减少花粉用量、提高授粉效果的技术关键[8-9]。

近年来，国内外学者针对雾化粒径与靶标区沉积效果的关系进行了不同程度的研究。张慧春等[10]和张瑞瑞等[11-12]分别以苣菜、棉花等为靶标植物，研究各喷雾参数对农药靶向沉积效果的影响，发现雾化粒径对沉积区域分配比例影响显著。Oliveira等[13]研究了雾化粒径对除草剂除草效果的影响，结果表明雾化粒径在800～950 μm时，能显著提高除草剂在杂草上的附着效果。Garcerá等[14]在研究杀菌剂喷雾参数对柿圆斑病的防治效果时，发现小雾滴的防治效果优于大雾滴，这表明生物对药剂的吸收有粒径选择性。Sugiura等[15]研究了不同雾化粒径杀虫剂对蟑螂的杀伤效果，结果表明在雾滴粘附体积相同的情况下，小雾滴粘附数量较大、雾滴多且对昆虫的杀伤效力更大。Smith等[16]采用140 μm的雾滴分别对苍耳草、苘麻和咖啡叶喷施“毒死蜱”，发现苍耳草的药液沉积率最高，咖啡叶的药液沉积率最低，表明要获得预期的沉积量，需要根据作物外形结构差异确定特定雾化粒径。双流式喷雾可通过较低的雾化压力获得良好的雾化效果和靶向输送能力[17]。蒋仲安等[18]研究发现，双流体喷嘴雾化粒径的理论最小值为18.23 μm，明确了双流式喷雾授粉的雾化粒径下限值。石复习等[19]研究了充分授粉前提下双流式雾化参数对花蕊区雾滴沉积的影响，揭示了花蕊区雾滴沉积量与对应雾化粒径在雾场中的分布特征，初步明确了雾化粒径与雾滴径向沉积分布的关系。因此，针对猕猴桃花朵的结构特征，研究花粉液雾滴的附着能力与柱头沉积能力，需要明确喷雾授粉适宜的雾化粒径范围。以猕猴桃单个花朵充分授粉花粉粒数的最低需求为基础[20]，使花粉粒更多地沉积在花蕊区，是提高花粉利用率的关键。

综上，要实现猕猴桃双流式喷雾精量授粉作业，需明确雾化气压与雾化粒径分布和花粉液沉积分布的量化关系，确定花朵充分授粉条件下适宜的花粉液雾化粒径及对应的雾化气压。为此，本研究构建双流式喷雾授粉试验平台，以优化花粉液作业控制参数，分析雾化粒径对花蕊区与花瓣区花粉粒沉积分布的影响，明确雾化粒径与花粉粒分布的量化关系，以确定猕猴桃授粉的适宜雾化粒径范围，为授粉雾化控制参数的进一步优化提供参考。

1 材料与方法

1.1 猕猴桃花粉与花粉液配制

本试验采用环球园艺有限公司生产的“熊猫”牌猕猴桃花粉，存储温度为-40 ℃。花粉液配制方法为：1 L纯净水内加入250 g蔗糖和1 g羧甲基纤维素钠，用电动搅拌机(江西科析仪器公司，JJ-1型，功率200 W)搅拌15 min后，再加入5 g纯花粉，搅拌15 min，配制成质量浓度为5 g/L的花粉原液。向花粉原液中加入4 L纯净水，并搅拌5 min使花粉悬浊液混合均匀，得到质量浓度为1 g/L的花粉悬浊液，根据文献[4]的测量方法，测得配制花粉液的花粉粒浓度为846粒/μL。但花粉难溶于水，花粉悬浊液长时间静置会产生花粉粒沉淀，导致花粉悬浊液混合均匀性变差，授粉时影响花粉粒的沉积分布。因此，本试验采用间歇充气搅拌法，以保证授粉时花粉液箱内花粉悬浊液的混合均匀性。

1.2 双流式喷雾试验平台

双流式喷雾试验平台工作原理如图1所示。

1.空气压缩机；2.隔膜泵；3.稳压阀；4.流量计；5.储气罐；6.气压表；7.双流式喷嘴；8.气动电磁阀；9.搅拌充气管；10.花粉液箱；11.回流液路；12.电控比例阀；13.液体电磁阀；14.采集片

该平台主要由喷射气路、喷射液路和花粉液采集装置等3部分组成。其中，气路包括空气压缩机(550W30L型，额定压力0.7 MPa，排气量40.0 L/min)、稳压阀(ZPCAC IR2020-02BG型，压力调节范围0.01～0.60 MPa，精度±0.5%)、气压表(压力范围0～1.0 MPa，精度±0.4%)、储气罐和气动电磁阀(SMC VT307-5G-02型，最大动作频率10 Hz)。液路包括花粉液箱、隔膜泵(雷士泰LS-0.126型，最大流量4.5 L/min)、液体电磁阀(SMC VT307-5G-02型，最大动作频率10 Hz)和金属管流量计(OPEC LZAR1型，流量范围0.1～1.0 L/min，精度±1.5%)，选用双流式圆锥喷嘴(SO-1/4JN-SU22B-SS型，东莞市沙鸥喷雾技术有限公司)，喷孔直径为0.5 mm[19]。花粉液采集装置安装于喷嘴正上方350 mm处，由直径30 mm的硅胶吸盘与60 mm的花粉液雾滴采集片组成，硅胶吸盘中心轴线与喷嘴中心轴线重合。试验时调节稳压阀改变至不同雾化气压，改变电控比例阀开度，调节喷嘴液流量至0.125 L/min，控制电磁阀喷施启闭时间，调节喷雾脉冲为0.1 s。

1.3 试验方法

1.3.1 试验中雾化气压的选择文献[19]中采用的喷雾流量为0.125 L/min，喷雾距离为350 mm，喷雾时长为0.1 s，雾化气压为0.150～0.250 MPa，以清水为喷雾介质进行试验时，雾化粒径为24～28 μm，且随气压增大而减小。为降低喷雾能耗，探寻低气压条件下喷雾授粉时花粉液沉积分布的特征，明确最佳的雾化气压范围，本研究雾化气压采用0.025，0.050，0.075，0.100，0.125和0.150 MPa。

1.3.2 猕猴桃花粉液雾化粒径的测量试验中采用雾滴体积中值直径(DV50)表示雾化粒径，分析雾化气压对雾场中雾化粒径分布的影响。雾化粒径测量点的分布如图2所示，雾锥轴线与花朵轴线重合，猕猴桃花朵的直径约为60 mm，距喷嘴350 mm处，在平行于雾场y轴的截面选取测量点1、测量点2和测量点3，其中测量点2在x轴上，测量点1与测量点3距离x轴20 mm且对称分布。

图2 雾化粒径测量点的分布

雾化粒径测量装置如图3所示，以花粉悬浊液为喷雾介质，采用激光粒度仪[21-22](DP-02型，欧美克仪器公司)依次测量3个测量点处的DV50值，每个测量点重复5次。取3个测量点的平均值作为花朵区域的DV50值，采用非线性回归分析法拟合雾化气压与DV50值的回归方程。

1.激光发射器；2.激光接收器；3.双流体喷嘴；4.显示器

1.3.3 单次喷射体积的计算为精确控制花粉粒喷量，需进行花粉悬浊液单次喷射体积测量，单次喷射体积与花粉粒浓度相乘即为单次喷射花粉粒数。喷射质量测量装置如图4所示，采用自制雾滴收集器测量单次喷射质量。雾滴收集器入口内径为22 mm，下出口内径为50 mm，出口处放置直径55 mm、厚度25 mm、密度13.5 kg/m3的海绵。测量前保持收集器、海绵干燥，将外径20 mm的喷嘴置于收集器入口10 mm处，且不与收集器接触，雾滴随高速气流由喷孔喷出，经海绵的过滤作用，雾滴滞留于海绵中，而气体则通过海绵从出口排出，连续喷射30次后，用测量精度为0.1 mg的电子天平(AL204型，梅特勒仪器有限公司)称量雾滴收集器质量，喷雾前后雾滴收集器的质量差即为30次喷射的质量。每个雾化气压下测量1个样本质量，除以30即为单次喷射质量，重复5次，取质量平均值作为单次喷射质量。试验测得花粉悬浊液密度近似为1 g/cm3，单次喷射质量与花粉悬浊液密度的商即为单次喷射体积。

图4 猕猴桃花粉液喷射质量测量装置示意图

1.3.4 猕猴桃花粉液雾滴沉积质量测定为分析花粉液雾滴在花朵区域的分布特征，用雾滴采集片替代花朵，采集花粉液雾滴的沉积数据。如图5所示，花粉液雾滴采集片为厚1 mm的有机玻璃片，中心圆片直径30 mm，圆环片内径30 mm，外径60 mm，分别对应猕猴桃花朵的花蕊区与花瓣区。测量时将采集片置于喷嘴正上方350 mm处，采集片圆心与喷孔中心对齐。采样后将采集片取下，用测量精度为0.1 mg的电子天平(AL204型，梅特勒仪器有限公司)分别称量圆片与圆环的质量。喷雾前后采集片的质量差即为采集片各区域的花粉液雾滴沉积质量，试验重复3次，结果取平均值。

图5 花粉液雾滴采集片分区示意图

1.3.5 采样区猕猴桃花粉粒数量计量及密度计算如图6所示，花粉粒采集片采用直径60 mm、厚度2 mm的有机玻璃圆片，其上刻蚀直径为10，20，30，40和50 mm的圆刻线，以及过圆心且夹角45°的分割线，圆刻线与分割线交点连线的中点处取一个统计区。采集片沿径向等分为6个圆环区，每个圆环区各取8个统计区，每个统计区由4个尺寸为1.05 mm×0.75 mm、面积为0.79 mm2的视野分区构成，视野分区内花粉粒数除以0.79为1个视野分区花粉粒密度值，4个视野分区花粉粒密度的平均值即为统计区的花粉粒密度值。计数时，在视野区滴入TTC染色液将花粉粒染成红色，用微生物显微镜(RuiHoge有限公司生产，XSP-02型)放大300倍进行观察，并对每个矩形内的花粉粒进行计数。采样时将采集片置于喷嘴上方350 mm处，采集片圆心与喷孔中心对齐,采集花粉粒分布信息，试验重复3次，结果取平均值。

图6 猕猴桃花粉粒采集片及花粉粒沉积统计点的分布

各环带区花粉粒密度为1个环带内8个统计点花粉粒密度的平均值，采集片各环带区花粉粒密度的计算公式为：

(1)

式中：nm为第m环带区的花粉粒密度；m为环带编号，m=1～6；g为统计点编号，g=1～8；βmg为第m环区内第g个统计区的花粉粒密度。

在开展省级宣传的同时，充分发挥基层水保部门的力量开展宣传，做到了统一部署、协调并进、上下联动、全面拓展。州县利用赛马会、物资交流会等活动，通过展板、发放宣传材料、开展现场知识讲解、手机群发公益宣传信息等多种形式，广泛宣传水土保持法律法规及相关知识，不断强化农牧民群众水土保持意识，增强了参与生态建设的自觉性，为促进生态文明建设奠定了基础。

花粉粒采集片1～3环区花粉粒总数对应花蕊区的花粉粒数量N1，4～6环区花粉粒总数对应花瓣区的花粉粒数量N2，计算公式为：

(2)

(3)

式中：sm为单环区面积；nm为单环平均密度；m为环带编号，m=1～6。

花蕊区花粉粒沉积数与单次喷出花粉粒总数之比即花蕊区花粉粒沉积率η，其计算公式为：

(4)

式中：V为单次喷雾的花粉液平均体积，可由1.3.3节方法测得;C为花粉悬浊液中的花粉粒浓度。

2 结果与分析

2.1 猕猴桃花粉液单次喷射体积

为探寻雾化气压对单次喷射体积及单次喷出花粉粒数的影响，本研究进行花粉悬浊液单次喷射体积测试试验，结果如图7所示。图7表明，随着雾化气压的增大，花粉悬浊液单次喷射体积呈减小趋势，当雾化气压为0.025 MPa时，花粉悬浊液单次喷射体积最大，为211.2 μL；当雾化气压为0.150 MPa时，花粉液单次喷射体积最小，为185.9 μL。单次喷出花粉粒数随雾化气压的增大而减小，当雾化气压为0.025 MPa时，单次喷出花粉粒数最多，为17.8 万粒；当雾化气压为0.150 MPa时，单次喷出花粉粒数最少，为15.7万粒。在雾化气压为0.025～0.150 MPa时，采用SO-1/4JN-SU22B-SS型内混式双流体喷嘴喷雾，试验测得花粉悬浊液液相压强为0.040～0.090 MPa，在气路和液路电磁阀同时打开的瞬间，喷嘴出口内存在气液压力差，随雾化气压的增加，喷嘴流道内压缩气体对液流喷出的阻碍作用增大，导致花粉悬浊液的喷出量减少，因此，喷嘴单次喷射体积与单次喷出花粉粒数随雾化气压值的增大而减小。

图7 雾化气压对猕猴桃花粉液单次喷射体积及花粉粒数的影响

2.2 雾化气压与猕猴桃花粉液雾化粒径的拟合关系

花粉液雾滴DV50值测量结果如图8所示。由图8可知，在雾化气压分别为0.025，0.050，0.075，0.100，0.125和0.150 MPa时，对应的花粉悬浊液雾化粒径平均值分别为92.8，73.5，55.4，43.6，33.7和28.2 μm，花粉悬浊液雾化粒径随雾化气压增大而减小。

图8 雾化气压与猕猴桃花粉液雾滴DV50的关系曲线

采用函数拟合法分析雾化气压与雾化粒径值的关系，可得其回归方程为：

y=-37.23 lnx-41.95。

(5)

式中：y为测量点DV50值；x为雾化气压。

由式(5)花粉悬浊液雾化粒径与雾化气压的对数函数关系可知，雾化气压与雾化粒径呈非线性负相关关系，相关系数R2=0.989 2，回归效果较好。因此，在雾化粒径为28.2～92.8 μm时，可通过调节双流式喷嘴的雾化气压，有效控制雾化粒径。

2.3 雾化粒径与靶向区域雾滴沉积质量的关系

猕猴桃授粉喷雾作业中，仅沉积在花朵花蕊区的花粉悬浊液雾滴为有效沉积，测定该区域花粉悬浊液雾滴的沉积质量，可量化分析花粉液沉积效果，明确单次喷雾的花粉悬浊液利用率，以分析不同雾化粒径下猕猴桃花朵花蕊区和花瓣区雾滴沉积质量的分布规律，测定结果如图9所示。图9显示，在雾化粒径为28.2～92.8 μm时，随雾化粒径的增大，花蕊区和花瓣区的雾滴沉积质量均呈减小的趋势，其中花蕊区的雾滴沉积质量从19.3mg减小至5.0mg，减少了74.09%；花瓣区的雾滴沉积质量从32.6 mg减小至14.5 mg，减少了55.52%。当雾化粒径从28.2 μm增大至55.4 μm时，花蕊区和花瓣区的雾滴沉积质量分别减小了6.6 和1.1 mg；雾化粒径从55.4 μm增大至92.8 μm时，花蕊区和花瓣区的雾滴沉积质量分别减小了7.7和17.0 mg；说明雾化粒径在28.2～55.4 μm时，沉积质量受雾化粒径的影响较小。导致该现象的原因是喷施单位体积的花粉悬浊液，雾化粒径越小，雾场空间内的雾滴数量越多[23]，随着气压的增大，雾锥角减小，方向性增强，中心区域的雾滴密度增加。若气压较大，气流速度增加，经花朵截面返回的气流也较大，从而会影响后续雾滴的附着。

图9 DV50对猕猴桃花蕊区与花瓣区花粉液雾滴沉积质量的影响

从花粉悬浊液的利用程度(即花蕊区雾滴沉积质量占单次喷射花粉悬浊液质量的比)来看，当雾化粒径为28.2 μm时，花蕊区沉积质量占比为10.6%；雾化粒径为92.8 μm时，花蕊区沉积质量占比为2.3%(图9)；表明雾化粒径较小时更有利于雾滴集中在雾场中心。

2.4 雾化粒径与猕猴桃花粉粒密度径向分布的关系

为进一步研究花粉粒数量在花朵区的径向分布状况，采用1.3.5节的方法，采集雾化粒径为28.2～92.8 μm时花粉液雾滴的沉积样本，统计采样区内的花粉粒密度，并以采集片中心为原点，建立X、Y坐标轴，绘制花粉粒密度的二维等高线分布图，结果如图10所示。

图10 DV50对猕猴桃花粉粒密度径向分布的影响

对比图10中不同雾化粒径时花粉粒密度的分布特征可知，雾化粒径为28.2～92.8 μm时，随着雾化粒径增大，采样区花粉粒密度的最小值从10粒/mm2减小至5粒/mm2，花粉粒密度最大值也有所减小，在雾化粒径为28.2 μm时花粉粒密度最大，可达27粒/mm2。其次，在雾化气压为0.025～0.150 MPa时，以采集片中心点(X=0，Y=0)为圆心，在直径为30 mm的圆形花蕊区花粉粒密度均高于直径30～60 mm花瓣区的花粉粒密度。花蕊区处于雾场中心，外界气流对雾滴和花粉粒的运动干扰小，喷出后花粉粒的运动路径相对稳定，花粉粒沉积量较多，而花瓣区处于喷雾场的次外层，花粉粒的运动受气流影响较大，导致花瓣区部分花粉粒飘移，降低了花粉粒的实际沉积量，但随着雾化气压增大，雾滴和花粉粒的初始动量增加、方向性增强，飘移得到一定程度的抑制，表明较大的雾化气压可增强花粉粒的靶向性，使更多的花粉粒沉积在花蕊区，从而提高花粉的利用率。

2.5 雾化粒径对猕猴桃花粉粒径向沉积数的影响

为明确花蕊区与花瓣区的花粉粒沉积数，根据充分授粉需求选择授粉控制参数，计算花蕊区与花瓣区花粉粒沉积数，结果如图11所示。由图11可以看出，当雾化粒径由28.2 μm增加至92.8 μm时，花蕊区花粉粒沉积数逐渐减小，雾化粒径为28.2 μm时最大，此时花粉沉积数为15 907粒。花瓣区的沉积数也呈现出与花蕊区相同的变化趋势，但由于花瓣区面积是花蕊区的3倍，实际花粉粒的分布密度较低。另外，随着雾化粒径增大，花蕊区花粉粒沉积率也逐渐减小，在雾化粒径为28.2 μm时沉积率最大，为10.1%。

图11 DV50对猕猴桃花蕊区与花瓣区花粉粒沉积数的影响

不同品种猕猴桃充分授粉对单花花蕊区附着花粉粒数量的要求并不相同，一般花蕊附着花粉达3 000～12 000粒即可认为授粉充分[19,24-25]。由图11可知，当花粉液雾化粒径为33.7 μm时，花蕊区的花粉粒数为13 522粒，满足猕猴桃充分授粉的需求;雾化粒径大于33.7 μm时，花蕊区的花粉粒数达不到充分授粉的要求；因此，猕猴桃花粉液雾化粒径以33.7 μm作为雾化粒径控制的上限值。猕猴桃花采用液体喷雾式授粉时，含有糖分和羧甲基纤维素钠的混合花粉悬浊液在花粉粒表面形成黏性液膜，能改善雾滴在柱头的附着力，提高授粉效果。猕猴桃属植物花粉粒多呈长球形，常见的美味与中华等品系猕猴桃花粉粒长轴和短轴平均分别为25.7和12.7 μm[26]，当雾化粒径小于花粉粒径25.7 μm时，花粉液不能有效包裹花粉粒，弱化了花粉附着力，不利于猕猴桃授粉作业。因此，将略大于花粉粒径的28.2 μm作为雾化粒径控制的下限值。综上所述，以猕猴桃充分授粉的花粉量需求为判断标准，认为猕猴桃液体喷雾授粉的适宜雾化粒径为28.2～33.7 μm，雾化气压为0.125～0.150 MPa。