生产管理机械化岗位

徐丽明 马帅 闫成功 谭好超 沈聪聪 马俊龙 周慧能 刘星星

 

  1. 材料与方法

 

  所有的试验都是在位于河北省涿州市的中国农业大学试验农场中完成的。使用的喷雾机机型是3WF-400Z，它是由中国丰茂植保有限公司生产的一种通用的、背负式果园风送喷雾机（图1）。表1给出了所研究的7种辅助气流角度调节方法。下面将对7种方法进行全面描述，包括机器特性、关键参数以及试验条件等。

 

 

  1.1 气流施加方法

 

  本文所研究的第一种辅助气流施加方式是一种常规的轴流式风送喷雾机，这种方式下产生的气流场呈扇形分布，随之一起运动的雾滴都拥有径向方向上的速度分量。第二种方式是在方式一的基础上，去掉了喷雾机出风口中部的两个径向导流板，增加了两组新型的气流摆动装置。第三和第四种方式是在前两种方式的基础上增加了顶部导流板和底部导流板。第五到第七种方式是在原来的喷雾机上安装了3种类型的定向罩壳，它们分别可以产生预期角度为0度、30度和-30度的辅助气流。仅使用喷雾机的右侧进行了单侧喷雾试验，为确保试验条件一致，喷雾机左侧始终保持同样的设置。

 

  1.2 人工冠层

 

  试验中使用了一个长方体形状的人造葡萄园树冠。如图2所示，设计的人工冠层长6.0m，高2.0m，宽0.6m，冠层的底部距离地面0.5m。就像真实葡萄园中的那样，两侧篱臂上每隔0.5m固定有一道铁丝，用于悬挂葡萄叶。树冠是由4536片合成的树叶组成的，每片树叶的叶面积为53.08cm2。叶面积密度和叶面积指数分别为4.46m2/m3和3.35，这在葡萄冠层的典型参数范围之内。

 

 

  1.3 采样策略

 

  荧光示踪法具有较低的检测下限，更适合用于微量沉积和漂移量的定量分析。本文选用目标浓度为1.0g/L的荧光素钠溶液做为喷雾溶液，所选择的采样器是定量滤纸（长7.5cm，宽2.5cm）。根据ISO标准采取分区抽样战略进行测量。冠层沉积的采样图如图2a、3b所示，选取距冠层始端1.5m和4.5m处的两部分冠层分别做为采样区域，区域宽度为0.5m。参照Grella等人的采样方法，在高度方向上，将每个采样区域分为3个水平带(A1、A2、A3)，高度为0.5m；在厚度方向上，将每个采样区域被划分为左（L）、中（M）和右（R）3个垂直带，深度为0.2m。这导致每个采样区域共存在9个采样单元。在每个采样单元内随机选取2片树叶，使用回形针在所选叶片的正面与背面各固定一个收集器。

 

  为了测量树后脱离靶标的喷雾沉积，在每个采样区域后1.5m处各放置了1根垂直的带有滤纸收集器的铝杆。收集器的高度为0.25~2.5m，垂直间距为0.25m。设置如图2c所示。此外，在两个采样区域的正下方、距树行-0.5，0.25，0，0.25，0.5，0.75，1.0，1.25，1.5m的距离处的地面上各水平放置一行带有滤纸收集器的铝杆，以评估喷雾的地面损失。滤纸收集器牢固地粘贴在铝杆上。试验现场的布置的样本如图2d所示。

 

  在每次喷雾之前，立即采集药箱中的样本以确定示踪剂的确切浓度。每次喷雾完成并等待收集器完全干燥后，尽快将滤纸在室温下储存在黑色的编码密封袋中，并保持干燥以供进一步处理。在实验室中用20mL蒸馏水洗脱掉滤纸上的荧光素钠沉积物。在进行分析之前，通过配置标准浓度的荧光素钠溶液，对酶标仪进行校准，获得吸光度与示踪剂沉积量之间的标准曲线及试验条件下荧光素钠在所用样本上的回收率。然后再分析每个FPCs上的吸光度，从而利用标定的标准曲线计算每个收集器上的雾滴沉积值。试验获得的标准曲线方程如式1所示。

 

  其中，x是由酶标仪测得的吸光度，y是收集器上的沉积浓度，mg/L。

 

  1.4 统计方法

 

  所有的统计分析均在IBM SPSS Statistics 25.0中完成。采用单因素方差分析来确定7种气流调节方法的零假设是否处于相同的标准偏差水平。如果零假设不被接受，则进行Tucky事后检验以进行多重比较。在进行方差分析之前，首先对数据的正态性及方差齐性进行了检验。

 

  Shapiroe-Wilk’s的正态性检验结果证明有部分数据不是正态分布的。由于数据集的偏度系数表明其存在中度右偏，因此使用自然对数进行转换。如果没有合适的方法将沉积结果转化为正态分布数据集，则选择非参数检验（Kruskal-Wallis）进行显著性分析。在所有的分析中都考虑了95%的置信度。

 

  2. 结果与讨论

 

  2.1 喷雾沉积分析

 

  图3为7种气流角度调节方法在冠层上的总沉积量（μg·cm2）和总的脱靶损失(%)。总体而言，大约有五分之一到三分之一的雾滴未能沉积到目标冠层上而无效流失，其中地面流失量和树后飘移量分别占总沉积的10.45%-19.63%和6.20%-15.68%。装有0度导流罩壳的喷雾器在树上的沉积量最高，其次是装有-30度罩壳和同时配备导流板和气流摆动装置的喷雾器。很明显，除了方法6外，加装合适的气流角度调节装置（无论是导流板、气流摆动装置还是导流罩壳）可以有效改善冠层的上沉积量并减少无效损失。没有加装任何辅助装置的第一种气流调节方式的偏离目标沉积量最高，达到了31.95%。值得注意的是，相对于方法1与方法3，配备气流摆动装置的方法2和方法4在帮助增加冠层上沉积量和减小总脱靶损失的情况下，其树后漂移量是7种方法中最高的，分别达到了15.68%和14.25%。这似乎表明，气流摆动装置增加了雾滴穿越冠层的能力。

 

 

  2.1.1 冠层总体沉积

 

  图4显示了所有气流角度调节方法在9个冠层采样单元上叶片正反两面的平均沉积量。总的来说，各处理下的叶片正面和叶片背面沉积量均随着冠层深度的增加而减少。比较相同高度的采样单元发现，相邻两个采样单元内的沉积量基本无显著性差异（叶片背面的A1区除外），但是冠层左侧和右侧之间的差异性显著（叶片正面的A2区除外）。右侧区域的沉积值约为左侧区域（最靠近喷雾机的一侧）的三分之一到二分之一。经过统计分析后发现，无论是叶片的正面还是背面，冠层左侧、中部和右侧的沉积量在不同高度处没有显著性差异。因此，综上所述，对本文中的所有处理而言，沉积均匀性受冠层深度的影响较大，而冠层高度对其没有显著性影响。

 

图4 不同气流角度调节方法在9个采样单元内叶片正面（a）和叶片背面（b）的平均沉积量对于

 

  叶片正面而言，除了F3区右侧之外，不同气流调节方法在其他区域均产生了显著性差异。在整个F1区和F2区，方法5与方法7的沉积量均优于其他方法（特别是当方法5与方法2比较时，这种优势总是显著的）。方法5在F1区左侧拥有最高的喷雾沉积，与F2区的中部、右侧以及整个F3区形成了显著性差异。在F3区的左侧和中部，方法4比其他调节方法的应用效果更好。该方法在F3区的左侧区域和F1区的右侧分别产生了最高和最低的沉积。这似乎暗示着，如果方法5能够融合方法4的优势，则可能会增加F3区的沉积量，从而改善雾滴的整体分布均匀性。

 

  对于叶片背面，气流调节方法的差异出现在B3区左侧以及未被直接喷施的B1区和B2区的中部和右侧。在整个B1区和B2区以及B3的右侧，方法5产生了最高的沉积量（特别是在B2区的中部和右侧，该方法与其它方法相比所产生的沉积差异是显著的）。相对于叶片正面的沉积结果来说，方法5在叶片背面的总体沉积更加均匀（方法5在叶片正面和叶片背面的沉积量变异系数分别为54.02%和47.30%）。该方法在B1区左侧拥有最高的喷雾沉积，只与B3区左侧和右侧的两个区域差异显著。方法4在B3区左侧仍然产生了最高的沉积，但与叶片正面的沉积结果不同，在B3区的中部取其代之的是方法2。

 

  2.1.2 沉积均匀性

 

  图5显示了7种气流调节方法在叶片正面和叶片背面的平均沉积量以及百分比。在所有的方法中，方法5在叶片的正反两面都得到了最高的沉积量，但是叶片背面沉积量尚未达到正面沉积量的一半（46.20%）。值得注意的是，方法2与方法1在叶片正面的沉积量相当，但是却可以明显增加叶片背面的沉积量，并使该方法获得最高的百分比（61.82%）。尽管与方法3相比，方法4增加了叶片背面的沉积量，但两种方法的百分比相当。这是由于在导流板和气流摆动装置的共同作用下，叶片正面沉积量的增加值大于叶片背面的缘故。方法7的沉积均匀性最差，这在一定程度上验证了Yan等人的推论。也就是当对冠层施加角度向下的辅助气流时，可能会使叶片向下弯转并导致叶片背面的沉积率变差。

 

 

  如图6所示，使用9个采样区域内的平均沉积量变异系数来评价每种气流调节方法在整体冠层上的沉积均匀性。变异系数越小，表明不同采样区域内的沉积量之间的差异越小，整体沉积越均匀。在7种方法中，方法2在叶片背面取得了最低的变异系数（23.89%）。综合来说，方法4在冠层整体上的沉积均匀性最好。该方法取得了叶片正面的最低变异系数（44.45%），叶片背面的变异系数也仅次于方法2（23.89%）和方法1（39.01%）。这表明，相对于其它5种气流调节方法来说，气流摆动装置能够帮助获得更好的叶片背面和冠层整体上的沉积均匀性。

 

 

  2.2 脱靶损失

 

  7种气流调节方法形成的平均树后飘移量和平均地面损失量如图7所示。平均树后飘移总量和平均地面流失总量分别占喷洒总量的11.70%和14.77%。导流板和气流摆动装置不会对喷雾损失造成显著性影响。具体地，相对于方法1和方法2，配备了导流板的方法3和方法4的地面损失分别降低了3.92%和2.83%，树后飘移分别减少了0.73%和1.44%；而相对于方法1和方法3，配备了气流摆动装置的方法2和方法4的地面损失分别降低了5.23%和4.14%，树后飘移分别增加了3.37%和2.67%。方法7产生了最高的地面沉积量，这与3.1节中的推论一致。总的来说，7种技术在地面损失方面没有显著性差异，而方法6和方法7的树后飘移显著低于其他技术。这种现象很容易理解，因为向上30度或向下30度的气流施加形式直接增加了雾滴需要穿透的冠层厚度，冠层的阻碍效应更加明显。

 

 

  图8给出了不同气流调节方法产生的树后脱靶沉积与地面损失。在1.25m以下的高度范围内，方法5的树后脱靶沉积明显高于其他方式；而在1.25m以上，树后脱靶沉积最高的是配备有气流摆动装置的方法2和方法4。对于方法1和方法3，最佳导流板设置会使树后脱靶沉积略微增大，但不会造成显著性差异。总体上看，7种方法的地面损失均随着距离的增加而具有先增加后减少的趋势。在所有的调节方法中，配备有气流摆动装置的方法2和方法4以及向上吹风的方法6始终保持着相对较低的地面损失，而向下吹风的方法7的地面损失始终较高。作为传统轴流式喷雾机的典型代表，方法1在树后会产生较高的地面损失，在其基础上加装最佳角度导流板的方法3可以在一定程度上减少地面损失。方法5在树前（-0.5~0m）以及树后0~0.75m的范围内，一直保持着较低的地面损失，但在0.75m以后地面损失量持续增加，并在1.25m处达到了最高水平。方法5实质上是一种典型的横流式喷雾机， 在Dekeyser等人所做研究中也发现了类似的地面损失规律。

 

 

  3. 结论

 

  本文在可控的实验条件下，通过测量气流特性、雾量分布和树内及周围不同区域的雾量沉积，对7种辅助气流角度调节方式下果园风送式喷雾器的性能进行了评估，得到的主要研究结论如下：

 

  （1）相对于传统轴流式喷雾机产生的扇形气流场，角度水平的辅助气流应用在矩形葡萄冠层上的综合治疗效果最好，因为它有着最高的冠层总沉积量、较少的脱靶损失和中等的整体沉积均匀性。此外，有必要根据目标冠层的高度定制横流式喷雾器导流罩壳的外形尺寸；

 

  （2）试验没有证明导流板会对气流形态、雾量分布以及最终的沉积结果产生显著的影响，但是设置最优的导流板角度总是可以在一定程度上减少非目标区域的无效流失；

 

  （3）对于类似葡萄这样的具有高郁闭度冠层的果树而言，如何增加叶片背面的沉积率和改善冠层整体的沉积均匀性一直是一个难题。幸运的是，试验结果验证了我们初期的猜想。我们注意到，所提出的新型气流摆动装置在该方面具有潜在的应用优势。因此，令人期待的是将水平导流罩壳与气流摆动装置结合后的喷雾效果，这将是下一步的研究工作。