3WPZ-300 喷杆喷雾机甘蓝地施药作业性能试验研究

边永亮，李建平，王鹏飞，杨 欣，刘洪杰，李昕昊，薛春林

（河北农业大学 机电工程学院，河北 保定 071000）

甘蓝又称紫包甘蓝、赤球甘蓝，因其颜色翠绿而得名，属十字花科芸薹2 年生植物［1］，在甘蓝实际生产中常受到病虫害的侵扰，不仅对甘蓝的产量造成很大影响，同时还严重影响了甘蓝的品质。为此，加强甘蓝病虫害防治工作显得越发重要。随天气气候等因素的影响，甘蓝每年约喷洒8 ～12 次农药，工作量约占甘蓝田间管理工作总量的30%。随着我国城镇化水平逐渐提高，农村劳动力大量转移到城镇，甘蓝病虫害防治亟需高效、高质、节水、省药的植保机械［2］。

甘蓝的病虫害防治主要通过化工产品的应用来控制。使用设备的选择是化学防治害虫的关键因素。在我国，超过88%的喷雾器是手动操作的［3］，包括电动或手动气压背包喷雾机和背包吹雾机。应用的质量主要取决于操作人员的技能。这些类型的设备成本低，易于维护，足以控制周期性和局部问题，然而，使用背负式喷雾器会造成人的姿势不适和暴露在高浓度农药环境中，同时效率不够高，难以满足大范围甘蓝田的植保需求，喷杆喷雾机作为可替代的设备类型之一出现在市场上，配有卧式臂架，是1 种将喷头装载于横杆或竖杆上的植保机械，其作为大田喷洒药液的农具，广泛应用于棉花［4］、玉米［5］、大豆［6］、水稻［7-8］和小麦［9］等作物生长过程中的病虫害防治［10］。本研究旨在探究喷杆喷雾机在甘蓝田的雾滴沉积、控制效果、工作效率、漂移性能、雾滴大小及均匀度，以期为甘蓝植保机械的选择提供试验依据。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 试验材料 采用重庆六六山下植保科技有限公司的水敏纸检测雾滴，爱普生（EPSON) DS-1610扫描处理水敏纸，美德时JR912 湿度测试仪测量环境湿度，希玛AS8336 手持式风速仪测量风速等。

1.1.2 试验机型及搭载设备 试验用的喷雾机为3WPZ-300 喷杆喷雾机（简称喷雾机）如图1 所示，喷雾机型号参数见表1。

表1 喷雾机技术参数Table 1 Technical parameters of UAV and sprayer

图1 3WPZ-300 喷杆喷雾机Fig.1 3WPZ-300 boom sprayer

1.2 试验过程及方法

1.2.1 试验环境 供试甘蓝菜园位于河北省张家口市康保县二号卜乡大沟坊子村地膜栽培技术园（41°57' N，114°32' E）。以2 月生‘中甘二十一’品种甘蓝为试验对象，菜园采用地膜覆盖技术栽培，株距为25.0 ～27.5 cm、行距30.0 cm，垄距为100 ～120 cm，南北走向，甘蓝菜园采用水肥一体化灌溉方式；环境温度21℃，环境湿度52%，环境风速1 ～2 级，风向为东北风。试验时间为2020 年6 月30 日14 ∶20-16 ∶20，此时甘蓝正值全叶期。1.2.2 采样布置 （1) 靶标甘蓝植株选取。在菜园同一行间的左右两垄分别选取5 株形状规整的靶标甘蓝，一左一右依次选取且间隔取样，防止靶标甘蓝距离太近相互干扰。在试验树行中按照“留白距离”的方法［11］选择放置水敏纸的果树。10 株靶标甘蓝编号为T1 ～T10。沿甘蓝高度方向分2 层放置水敏纸，在甘蓝叶面、叶背分别张贴1 张水敏纸进行标记，标记示意见图2。每张取样卡的尺寸为70 mm×50 mm。施药后将着雾滴的水敏纸收集在密封袋中。

图2 水敏纸在甘蓝植株上的粘贴位置示意图Fig.2 Schematic diagram of the paste position of watersensitive paper on cabbage plants

（2）测行间漂移的水敏纸位置设置

农药飘移是施药安全的主要问题［12］。农药飘移不仅浪费农药，降低农药有效利用率，影响防治效果，还会对邻近农作物造成损害，对土壤、空气和水造成污染［13］。测量施药机具的喷雾漂移性能，对较好地使用适宜农机具具有重要指导意义，为此，采用水敏纸测量漂移距离以及测量垄间、行间的漂移量，以及漂移距离（见图3）。

图3 水敏纸在甘蓝园中粘贴位置示意图Fig.3 Schematic diagram of the location of the watersensitive paper pasted in the cabbage garden

（3）水敏纸使用与处理。将水敏纸分别固定在同一株甘蓝的同一叶片的叶面、叶背，利用双面胶将水敏纸粘贴在叶片上。同时在张贴位置处用彩色标记条标记。喷洒结束后，应立即将水敏纸收集并粘贴在收集硬纸板上；将硬纸板做干燥处理，存放在干燥环境中。使用激光扫描仪依次对硬纸板上的水敏纸进行扫描，为保证沉积雾滴的清晰显像，扫描图像分辨率设定为600 dpi，背景为A4 白纸，灰度扫描成PNG 格式。

1.2.3 试验过程 准备工作就绪后，进行喷雾机的喷雾作业试验，试验用甘蓝园见图4。用秒表记录机具作业时间，用皮尺测量作业距离。

图4 甘蓝园Fig.4 Cabbage garden

1.2.4 数据处理 通过Image-master 软件进行雾滴信息采集。将扫描好的文件导入到软件，经区域选取、提取分析区域、调节区域前进背景的像素，设置参数sigma、weight 均为5，经阈值调节将前景背景剥离，再经去除前景、降噪处理等步骤之后（见图5），软件将自行分析出雾滴直径参数、总雾滴数、雾滴雾滴沉积覆盖率。采用Excel 软件进行数据汇总分析和图表绘制。

图5 着药水敏纸经“Imagepy-master”处理流程Fig.5 “Imagepy-master” processing flow of water-sensitive paper with medicine

（1）雾滴大小以体积中值直径表示，计算式为：

式中：VMD为体积中值直径，μm；Dmax为最大雾滴直径，μm；F为折合系数，F=2.2。

雾滴分布均匀度以雾滴覆盖率的变异系数表示，变异系数和标准差分别采用式（2）和式（3）计算：

式中：CV为变异系数，%；S为标准差；X为雾滴平均覆盖密度，滴/cm2。

（2）有效喷幅及雾滴飘移量计算.

有效喷幅是根据《航空喷施设备的喷施率和分布模式测定》的规定，以采集样点上雾滴沉积量达到喷雾带中沉积最大量的1/2 来确定最终的有效喷幅宽度［14］，在测定出有效喷幅后，可对有效喷幅外的雾滴飘移量进行积分计算，采样点雾滴飘移量计算公式为：

式中：N为总飘移量占喷施量百分比；Xe为有效喷幅外各点雾滴沉积量(μL/cm2)，Xi为各采样点雾滴沉积量(μL /cm2)；

2 结果与分析

2.1 纯喷药小时生产率

同一地区甘蓝菜园的物候期相近，病虫害防治时间相对集中，对植保机具的作业效率要求较高。纯喷药小时生产率Ws用以衡量机具作业效率［15-16］，采用式（5）计算：

式中：Ws为纯喷药小时生产率，hm2/h；U为班次作业面积，hm2；Ts为纯喷药时间，h。

喷雾机的工作参数见表2。

表2 喷雾机的工作参数Table 2 Working parameters of UAV and sprayers

利用式（5）计算可知，喷雾机的纯工作小时生产率约是3.32 hm2/h，远大于背负式喷雾机的工作效率，适用于大面积甘蓝种植园的植保作业需求。

2.2 节水性能

喷雾机开始作业时记录喷洒时间，根据装液量、喷洒时间、作业速度和采用的喷幅宽度来计算喷洒量。喷洒量采用式（6）计算：

式中：q为喷洒量，L/hm2；Q为装液量，L；T为喷洒时间，s；v为作业速度，m/s；D为喷幅宽度，m。利用式（6）计算得出喷雾机用水量约是389.81 L/hm2，比电动喷雾器的用水量450 L/ hm2［17］要降低13.4%，节水性能优于电动喷雾机。

2.3 雾滴沉积覆盖率

植保机具作业时，目标物上雾滴所覆盖的面积与目标物总面积的比值称为覆盖率，是评价喷雾作业质量的重要指标［18-19］。喷雾机作业后各株叶面叶背的平均雾滴沉积覆盖率见表3。

表3 喷雾机作业后各冠层平均雾滴沉积覆盖率Table 3 Average droplet deposition coverage of each canopy after UAV and sprayer operation %

喷雾机喷洒作业后叶面覆盖率为21.09% ～49.50%，均值为39.82%，叶背覆盖率为5.21% ～39.87%，均值为19.21%。喷雾机作业的叶面覆盖率较高，可以达到较为全面的覆盖效果，满足《GB/T 17997—2008 农药喷雾机（器）田间操作规程及喷洒质量评定》标准［20］的要求，可有效地将药液附着到甘蓝的叶面叶背。

2.4 雾滴大小及雾滴均匀性

利用式（1）、（2）、（3）计算喷雾机作业后甘蓝植株雾滴体积中值直径及雾滴变异系数，结果见表4。喷雾机的叶面平均体积中值直径值分别为201.47 μm，变异系数均值分别为53.45%。喷雾机的叶背平均体积中值直径值分别为187.94 μm，变异系数均值分别为48.09%。

表4 喷雾机喷洒在果树各层雾滴分布均匀性指标Table 4 Uniformity index of mist droplets sprayed by UAV and sprayer on various layers of fruit trees

喷雾机的叶面雾滴直径大于叶背的，叶背的雾滴均匀度要高于叶面的，可见，喷雾机的叶面穿透性较好，雾滴可均匀地附着到甘蓝的叶背面。但雾滴均匀度较差，雾滴大小不一，雾化效果有待提高，同时雾滴太大容易形成较大液滴流失到地面。喷雾机作业后，液滴作用在水敏纸上的显色情况如图6 所示。

图6 雾滴在水敏纸上的附着情况Fig.6 The attachment of fog droplets on the water-sensitive paper

叶面的雾滴覆盖情况显著优于叶背，同时，雾滴雾化情况较差，从叶面雾滴覆盖情况可以看出雾滴已经形成片状积聚，极易聚合成大雾滴流失，雾化效果有待进一步优化。从叶背附着情况可知，喷雾机的雾化可将雾滴弥散到叶背，可较好地杀灭甘蓝叶背的病虫害。

2.5 防效对比

喷雾机在施药技术参数的浓度配比下（见表5），探究其作业省药性能和防护效果。

表5 喷雾机用药情况Table 5 Drug usage of drones and boom sprayers

在作业面积为0.667 hm2的情况下，喷雾机的施药量为2.6 L。经用上述农药喷洒作业后，经统计10 颗甘蓝植株的病虫害防治有效天数见表6。

表6 喷雾机病虫害防治有效天数Table 6 Effective days for pest control by drones and sprayer sprayers

喷雾机喷洒作业后，每天去检测病虫害发生情况，10 株样本甘蓝有效防护天数平均在7.8 d。

2.6 飘移性能

农药飘移是施药安全的主要问题［21］。农药飘移不仅浪费农药，降低农药有效利用率，影响防治效果，还会对邻近农作物造成损害，对土壤、空气和水造成污染［21-22］。出于甘蓝种植环节需要喷洒灭草剂等特殊药剂，以及农村地块分散，地块之间不同作物对药物的敏感程度不同的原因，植保机具的防漂移性能至关重要。图7 为喷雾机喷洒的雾滴沉积密度随行数变化情况，H1 ～H9 代表距离拖拉机跨行的单侧行间数。

图7 喷雾机喷洒的雾滴沉积密度随行数变化情况Fig.7 Changes in the deposition density of droplets sprayed by boom sprayers and drones with the number of rows

喷雾机的漂移距离大致距离中心7 ～8 行，即7 ～9 m；喷雾机在距作业中心3 ～5 行（3 ～5 m）范围内的雾滴沉积密度大于190 滴/cm2，喷雾机的有效漂移距离（雾滴沉积密度≥15 滴/cm2）在8.8 m左右。采用喷杆喷雾机进行植保作业时要留出足够的安全距离，一侧大致距离喷杆末端大于3 m 为适宜。

3 结论

基于甘蓝菜园植保机具田间试验方法，对3WPZ-300 喷杆喷雾机进行了田间喷雾测试，对比分析了纯喷药小时生产率、节水性能、雾滴沉积覆盖率、雾滴大小及均匀性、雾滴分布均匀性、病虫害防效等性能指标，主要结论如下：

（1）经试验测得，喷雾机的纯工作小时生产率约是3.32 hm2/h，用水量约是389.81 L/hm2，具有工作效率高，节水性能显著等特性，适用于大面积甘蓝种植园的植保作业需求。

（2） 喷雾机喷洒作业后叶面覆盖率为21.09%～49.50%，均值为39.82%，叶背覆盖率为5.21%～39.87%，均值为19.21%。喷雾机的叶面平均体积中值直径值分别为201.47 μm，变异系数均值分别为53.45%；喷雾机的叶背平均体积中值直径值分别为187.94 μm，变异系数均值分别为48.09%。雾滴覆盖率程度满足甘蓝杀虫防病的需求但雾滴整体均匀度较差，雾化效果有待进一步提高。

（3）配合杀虫药剂，经喷杆喷雾机施药，对甘蓝地的有效防护天数平均在7.8 d，满足防效要求。