噴霧助劑對霧滴粒徑、抗蒸發及植保無人機噴施霧滴飄移的影響

林金元,王國賓,況慧云,孫萍東,胡穎雄,孫 建,鄭洪建,臧曉韻

(1上海市農業科學院作物育種栽培研究所/CIMMYT-中國特用玉米研究中心,上海 201403;2上海特用玉米工程技術研究中心,上海 201106;3山東理工大學農業工程與食品科學學院,淄博 255049;4上海農科種子種苗有限公司,上海 201106;5上?？屏⑻剞r科(集團)有限公司,上海 201106)

農藥飄移是農藥噴施過程中由于氣流作用霧滴被帶出靶標區的現象。農藥飄移在非靶標區會導致嚴重的危害,如農藥有效利用率降低、敏感作物損傷、環境污染及生物健康風險等[1]。農藥飄移主要為粒子飄移和蒸發飄移兩種形式[2]。粒子飄移是農藥飄移中最為常見形式,主要受環境風的影響。蒸發飄移與農藥有效成分的蒸氣壓有關,蒸氣壓越高,蒸發飄移風險越大。研究表明,在農藥噴施過程中有20%以上的農藥霧滴會發生飄移[3-4]。農藥飄移主要受到4個方面因素的影響:環境參數、施藥技術、周圍施藥環境和噴灑溶液特性[5],其中環境參數包括溫濕、風速等,施藥技術包括施藥設備、施藥高度與速度等,周圍施藥環境主要為周圍作物以及遮擋情況,溶液特性主要包括溶液的黏度、表面張力、密度和均一穩定性等。

植保無人機因其飛行高度高、飛行速度快、噴灑農藥霧滴濃度高、霧滴粒徑小等而被政府、企業以及施藥人員廣泛關注[6]。王國賓等[7]測定P20型植保無人機在高溫干燥的環境下噴施霧滴飄移分布,發現在下風向有效噴幅邊緣12 m處的飄移量為沉積區的1/10,部分參數下在50 m處仍具有飄移霧滴。針對植保無人機特有的旋翼風場和下洗氣流,采用流體力學軟件對單旋翼、四旋翼無人機下的旋翼風場進行模擬,揭示了翼尖渦流及螺旋尾渦對霧滴飄移的影響,并以此結果優化噴嘴布置位置,將其置于旋翼正下方,以避免翼尖渦流的擾動影響[8-9]。噴頭為植保無人機的重要部件,其霧化特性對霧滴的沉積與飄移具有重要影響。為此,研究學者針對不同機型的植保無人機研發適用于低容量噴灑的超低容量旋流噴嘴[10]、轉盤霧化噴嘴[11]、靜電噴霧系統[12]等,用于提高植保無人機噴灑質量和霧化性能,減少霧滴飄移。

改變噴灑藥劑溶液特性是減少植保無人機霧滴飄移的另一重要手段,最為常用的方法是添加噴霧助劑。噴霧助劑包括礦物油類、無機鹽類、陽離子、陰離子、有機硅、植物油類、高分子材料等[13],而市場上應用最廣泛的為植物油和有機硅類噴霧助劑。尤其是植物油類,其原料為可再生資源且環境友好,對農藥具有廣譜增效的作用[14]。張文君等[15]應用粒子圖像分析系統、高速攝影儀和粒徑分析儀研究噴霧助劑對水分散粒劑及乳油對霧化的影響,發現隨著添加助劑濃度的增加,噴施乳油溶液后的霧滴體積中徑(VMD)先增加后減少;張瑞瑞等[16]研究表明,噴霧助劑對霧滴粒徑具有顯著影響,且助劑與噴頭具有交互作用;王瀟楠等[2]以VMD和飄移潛在指數DIX為評估指標探究助劑類型及濃度對不同噴頭霧滴粒徑分布和霧滴飄移的影響,篩選了適宜不同噴頭添加的防飄移噴霧助劑。但關于溶液性質與不同噴頭霧滴粒徑之間的關聯及助劑對霧滴抗蒸發影響方面的研究,還未見報道。本研究通過分析噴霧助劑對兩種液力式噴頭霧滴粒徑分布及對霧滴蒸發抑制性能和植保無人機噴施后霧滴飄移的影響,以期為新型噴霧助劑、噴頭及霧滴飄移方面的研究提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 噴霧助劑

共選擇6種不同的噴霧助劑(表1),噴霧助劑添加量為0.5%。

表1 噴霧助劑Table 1 Test additives

1.1.2 植保無人機

采用國內應用最為廣泛的T20植保無人機(深圳大疆創新科技有限公司)測定噴霧助劑溶液對霧滴飄移分布的影響。T20植保無人機安裝有液力式噴霧系統,最大有效起飛重量為47.5 kg,藥箱容量為20 L,設備長×寬×高(機臂展開,槳葉展開)為2 509 mm×2 213 mm×732 mm,有6個旋翼以及8個液力式霧化噴頭,噴頭位于旋翼正下方,噴嘴型號為SX110015。該植保無人機均采用鋰電池供能,作業參數可由遙控端輸入,且噴灑作業參數選擇基于病蟲害防治噴灑常用參數,無人機采用載波相位差分(Real-time kinematic,RTK)技術進行飛行精準定位。試驗時飛行高度為3.0 m,噴幅為5.0 m,飛行速度為5 m/s,流量為2.24 L/min,噴液量為15.0 L/hm2,僅開啟機身后方4個噴嘴。

1.2 試驗方法

1.2.1 表面張力和黏度的測定

表面張力的測定參考國標GB/T 5549—2010的方法[17],使用JK99B型全自動張力儀(上海中晨數字技術設備有限公司)拉起液膜法測定。液體黏度的測定參考GB/T 22235—2008的方法[18],使用NDJ-1旋轉黏度計(力辰科技有限公司)測定。

1.2.2 霧滴粒徑的測定

霧滴粒徑的測定裝置包括DP-02型激光粒度分析儀(珠海歐美克儀器有限公司)、液力式噴灑系統。液力式噴灑系統包含噴頭、隔膜泵、流量計、壓力表、液力式噴頭,其中液力式噴頭包括SX110015(深圳市大疆創新科技有限公司)和液力式防飄移噴頭IDK120015(德國Lechler公司)2種類型。激光粒度分析儀接收端和發射端距離為1.5 m,液力式霧化噴頭固定于接收端和發射端中央高0.5 m處,常規SX110015噴頭噴霧壓力設定為0.3 MPa,IDK120015噴頭噴霧壓力設定為0.6 MPa。

霧滴粒徑測定試驗時,首先打開激光粒度儀接收端和發射端,并打開測試軟件,測定清水的霧滴粒徑,隨后逐次測定噴霧助劑溶液的霧滴粒徑分布,注意在每次測量前需要用清水沖洗管路和噴頭,并用噴霧助劑溶液潤洗,避免各處理之間的相互干擾。

1.2.3 霧滴蒸發抑制性能的測定

首先利用視頻光學接觸角測量儀OCA 20(德國DATA PHYSICS公司)上的微量注射器吸取助劑溶液,并將溫控設備調至30℃,選擇操作模式為懸滴。待儀器穩定后,通過微量注射器滴取4μL液滴并懸于針頭,置于測量儀的溫控盒中。開啟視頻錄制,采用高速攝像機對霧滴進行自動拍攝,記錄霧滴蒸發過程,分析1 min時間內每秒霧滴體積的變化,計算霧滴蒸發速率和霧滴蒸發抑制率。

1.2.4 植保無人機噴施飄移的測定

試驗在江蘇省丹陽市實施,參照民航標準MH/T 1050—2012[19]和國家標準GB/T 24681—2009[20]進行,試驗田品種為鮮食甜玉米‘金銀918’,玉米高度為(12.1±3.7)cm。共設2個處理:添加0.5%倍達通?助劑處理和清水對照處理,重復3次。試驗前在藥箱中添加5.0 g/L的熒光示蹤劑Rhodamine-B(上海薩恩化學技術有限公司)。采用單行程噴施,在下風向有效噴幅邊緣0、2 m、4 m、8 m、12 m、16 m、20 m、30 m、40 m、50 m分別放置3組PVC卡片,每組間隔10 m。PVC卡片水平固定于硬塑料板上,并通過雙頭夾布置于三腳架上。為避免受到旋翼氣流地面效應的影響,PVC卡片距地面1 m,植保無人飛機距PVC卡片2 m。

田間飄移噴施完成后將每個采樣點的PVC卡編號后收集到自封袋中。收集過程中勿污染PVC卡片,帶回至實驗室后冷藏保存。PVC卡片處理流程和回收率分析參照文獻[6],向存放有PVC卡片的自封袋中加入超純水20 mL洗脫,吸取3 mL洗脫液至比色皿中,使用Agilent Cary Eclipse熒光分光光度計(安捷倫科技有限公司)測定熒光值。

試驗氣象條件利用Kestrel 5000 LiNK氣象站(北京金仕特儀器儀表有限公司)采集,采集頻率為2 s/次,采集數據包括環境溫度、相對濕度以及風速風向。為避免植保無人飛機旋翼風的干擾,氣象站放置于距離有效噴幅邊緣下風向20 m處。合理設置植保無人機作業方向,保證風向與作業方向夾角在(90±30)°,同時保證PVC卡的布置方向與植保無人機作業方向垂直。

1.3 數據處理與分析

噴頭噴霧霧滴粒徑采用DV10、DV50、DV90、V＜150μm、RS(Relative Span)指標進行評估,DVm是指總體積的m%的霧滴體積中徑的值,其中DV50又稱霧滴體積中徑。V＜150μm是指霧滴譜中小于150μm的霧滴的比例,是評估易飄移小霧滴的重要參數。RS為霧滴分布跨度或霧滴譜寬,是衡量霧滴粒徑分布寬度的指標,RS越大,表示霧滴均一性越低,RS計算如公式(1)。

霧滴蒸發速率基于霧滴體積變化計算得到,計算公式如下:

其中,v為霧滴蒸發速率;v0、v1為液滴初始體積和最終體積,μL;t為蒸發時間,s。

霧滴蒸發抑制率基于助劑溶液的體積變化和清水的體積變化來進行計算,如公式(3):

其中,v0(water)為清水的初始體積;v1(water)為清水的最終體積;v0(additive)為噴霧助劑溶液的初始體積;v1(additive)為噴霧助劑溶液的最終體積。

霧滴沉積量測定基于1.2.4小節測定的熒光值,飄移區的沉積量計算如公式(4)。

其中,βdep為沉積量,μL/cm2;ρsmpl為樣品的熒光計讀數;ρblk為不含示蹤劑的空白采樣器熒光計讀數;Fcal為校準系數,熒光劑單位刻度對應的濃度,μg/L;Vdil為用于溶解收集器收集的示蹤劑的稀釋液的體積,L;ρspray為噴霧液濃度,g/L;Acol為收集器上收集噴霧飄移的投影面積,cm2。

飄移區的飄移率計算如公式(5)。

其中,βdep為沉積量,μL/cm2;βv為噴施量,L/hm2。

根據GB/T 24681—2009[20],測得噴霧飄移區沉積量沿采樣距離x的衰減曲線:

根據飄移曲線計算累積飄移率Dt,%(公式7)和飄移百分比D,%(公式8):

90%飄移位置定義為D等于90%時的采樣距離x的值,m;

不同溶液表面張力、黏度以及霧滴粒徑分布數據采用Microsoft Excel 2013軟件進行整理與分析,并采用SPSS軟件進行方差分析,對分析結果進行Turkey’s HSD多重檢驗,顯著性水平選擇α=0.05。

2 結果與分析

2.1 噴霧助劑對溶液表面張力和黏度的影響

與清水相比,添加噴霧助劑的溶液表面張力顯著降低,降低比例達44.8%—69.1%,其中有機硅類噴霧助劑Silwet DRS60降低最為顯著。添加噴霧助劑黏度顯著增加,增加比例達3.4%—96.6%,其中高分子瓜爾膠類噴霧助劑Starguar4A增加最為顯著。溶液表面張力和黏度的變化對噴頭噴灑后的霧滴粒徑可能會產生影響,進一步會影響霧滴在靶標上的沉積與飄移。

表2 噴霧助劑對溶液表面張力和黏度的影響Table 2 Effects of adjuvants on surface tension and viscosity

2.2 噴霧助劑對霧滴粒徑的影響

噴霧助劑對植保無人機常用的SX110015噴頭和IDK120015噴頭霧滴粒徑分布的影響差異顯著(表3)。對于SX110015噴頭,添加邁飛?、DS10870、倍達通?3種噴霧助劑顯著增加DV50,增加幅度為5.6%—14.1%,同時小霧滴(V＜150μm)的比例降低,降低幅度為7.4%—22.1%,植物油類噴霧助劑倍達通?影響最為顯著。在所有助劑中,僅邁飛?助劑顯著降低霧滴均一性,增加了霧滴譜跨度,其余噴霧助劑影響不顯著。對于IDK120015噴頭,添加噴霧助劑后DV50全部降低,降低幅度在9.5%—26.2%,小霧滴(V＜150μm)的比例增加,增加幅度在10.3%—31.0%,表明噴霧助劑降低了IDK噴頭的抗飄移性能,增加了飄移風險。與清水相比,所有噴霧助劑均降低霧滴均一性,增加了霧滴譜跨度,因此在采用IDK噴頭噴灑時,不建議添加噴霧助劑來進一步增加抗飄移效果。

表3 不同噴霧助劑對霧滴譜的影響Table 3 Effects of spray additives on droplet size

噴霧助劑對SX噴頭與IDK噴頭噴灑后的DV50、RS的影響存在顯著差異,可能是噴頭在設計原理上的差異導致,IDK噴頭內部結構設計利用文丘里原理,在噴頭內部將吸入的空氣與噴霧溶液相混合,使得噴出的霧滴內含小氣泡,從而增大霧滴粒徑,減少飄移。該設計特征與噴霧助劑存在交互影響。另外,不同噴霧助劑對液力式噴頭霧化結果的影響不同也與噴霧助劑溶液的表面張力和黏度有關,除噴霧助劑Vo/2012外,通過添加噴霧助劑,使溶液在一定范圍內降低表面張力與增加黏度,有利于增加SX噴頭霧化后的DV50,減少小霧滴比例。

2.3 噴霧助劑對霧滴蒸發抑制性能的影響

不同噴霧助劑對霧滴的蒸發速率(圖1)和蒸發抑制率(圖2)影響差異顯著。清水的蒸發速率隨蒸發時間先增長后降低,最終穩定在0.001μL/s左右。植物油類噴霧助劑邁飛?和倍達通?蒸發速率相對較低,40 s左右時為0。有機硅類噴霧助劑溶液在大多數時間段內蒸發速率大于清水,即不僅不抗蒸發還會導致蒸發速率增加。霧滴蒸發抑制率結果與蒸發速率結果基本相符,不同噴霧助劑的霧滴蒸發抑制率順序為:倍達通?＞邁飛?＞Starguar4A＞DS10870＞Vo/2012＞清水＞Silwet DRS60,其中倍達通?的蒸發抑制率最高,為60.3%。助劑對抗蒸發的效果受助劑類型影響,植物油類噴霧助劑在蒸發過程中濃度逐步增大,液滴表面會逐步形成油包水的結構,可減緩液滴蒸發,而有機硅類噴霧助劑溶液因其具有超低的表面張力和超高的擴展能力,則會破壞水分子表面層,促進液滴蒸發。

圖1 添加不同噴霧助劑后的霧滴蒸發速率Fig.1 Droplet evaporation rate after adding different spray additives

圖2 添加不同噴霧助劑后的霧滴蒸發抑制率Fig.2 The inhibition rate of droplet evaporation after adding different spray additives

2.4 噴霧助劑對植保無人機噴施霧滴飄移影響

通過室內測定噴霧助劑對霧滴粒徑分布以及抗蒸發效果的影響,發現植物油類噴霧助劑倍達通?經SX噴頭噴灑后可增加DV50、減少小霧滴比例且具有最佳的抗蒸發抑制效果,因此植保無人機田間噴施試驗選擇添加噴霧助劑倍達通?開展霧滴抗飄移評估。

環境風速是霧滴飄移的主要影響因素,本研究中,風速范圍在2.45—3.33 m/s。累積飄移率處理1＞處理2,90%累積飄移位置處理6＞處理5,其他處理下清水及倍達通?溶液累積飄移率和90%累積飄移位置都隨著風速的增加而增加(表4)。3個試驗風速下,清水的累積飄移率在59.8%—70.2%,而倍達通?溶液的累積飄移率在50.3%—62.6%。清水的90%累積飄移位置在16.6—19.2 m,添加倍達通?助劑后,植保無人機噴施90%累積飄移位置在10.2—14.4 m,相比降低4.8—6.4 m。田間試驗表明,植物油類噴霧助劑倍達通?的添加對霧滴飄移具有顯著的降低作用。

表4 不同風速下添加噴霧助劑對植保無人機噴施霧滴飄移的影響Table 4 Effects of spray additives on droplet drift of UAV at different wind speeds

3 結論與討論

本研究表明,噴霧助劑對液滴表面張力和黏度具有顯著影響,且噴頭不同影響不同。對于SX噴頭,大部分噴霧助劑會增加DV50,降低小霧滴比例,與IDK噴頭結果相反。趙輝等[21]研究表明,動態表面張力值越低,所形成的霧滴DV50越小,且呈線性相關,與本研究中IDK噴頭的結果基本符合,但與SX噴頭測定結果相反。噴頭霧滴粒徑分布受溶液性質(表面張力、黏度、均一性等)、噴頭類型、噴霧壓力等多因素交互影響。Spanoghe等[22]分析發現,溶液表面張力的降低會降低霧滴粒徑,黏度的增加會提高霧滴粒徑,部分助劑會在噴霧溶液中形成油滴,例如植物油類、礦物油類和一些表面活性劑類噴霧助劑都可能造成霧滴粒徑變化。因此,在田間開展噴霧作業時,應明確噴霧助劑對溶液性質的影響,并明確噴頭噴施后霧滴粒徑分布,這對于后續的噴霧飄移評估和安全緩沖區設置具有重要意義。

航空噴施由于飛行高度較高且常在高溫環境下作業,霧滴蒸發問題更為突出。本研究發現,植物油類噴霧助劑具有較好的抗蒸發性能,可以有效避免霧滴蒸發。周曉欣等[23]提出植保無人機噴霧霧滴蒸發性能評估之懸滴法,其研究表明霧滴蒸發并非恒定不變過程,而是由初始蒸發階段至平衡蒸發階段的過程,這與本研究結果基本一致。本研究中,植物油類助劑抑制蒸發效果最為明顯,不同噴霧噴霧助劑對溶液蒸發特性的差異與液滴的蒸氣壓有一定的相關性,添加有植物油類的助劑后顯著增加了溶液的沸點,降低了蒸氣壓,因此,霧滴的抗蒸發效果顯著提高,有助于降低霧滴在噴施后的飄移風險。

田間飄移試驗測定顯示,植保無人機在添加噴霧助劑倍達通后顯著較低了累積飄移率和90%累積飄移位置,這一結果與噴霧助劑增加DV50,降低小霧滴比例以及提高抗蒸發性能有關。Lan等[24]在研究載人航空噴施時,發現添加噴霧助劑有助于減少霧滴飄移,提高霧滴沉積。曾愛軍等[25]在風洞試驗條件下測定噴頭及助劑對植保無人機霧滴飄移的影響,發現XR噴頭與邁飛助劑的組合有利于減少空中霧滴飄移,且在高溫低濕的環境下,抗飄移效果會增加。噴施飄移是植保無人機施藥技術中的重要問題之一,如何合理的解決霧滴飄移問題,減少飄移損失,降低對環境的影響將成為植保無人機施藥技術未來研究重點。