3WPZ-300 噴桿噴霧機甘藍地施藥作業(yè)性能試驗研究

邊永亮，李建平，王鵬飛，楊 欣，劉洪杰，李昕昊，薛春林

（河北農(nóng)業(yè)大學 機電工程學院，河北 保定 071000）

甘藍又稱紫包甘藍、赤球甘藍，因其顏色翠綠而得名，屬十字花科蕓薹2 年生植物［1］，在甘藍實際生產(chǎn)中常受到病蟲害的侵擾，不僅對甘藍的產(chǎn)量造成很大影響，同時還嚴重影響了甘藍的品質。為此，加強甘藍病蟲害防治工作顯得越發(fā)重要。隨天氣氣候等因素的影響，甘藍每年約噴灑8 ～12 次農(nóng)藥，工作量約占甘藍田間管理工作總量的30%。隨著我國城鎮(zhèn)化水平逐漸提高，農(nóng)村勞動力大量轉移到城鎮(zhèn)，甘藍病蟲害防治亟需高效、高質、節(jié)水、省藥的植保機械［2］。

甘藍的病蟲害防治主要通過化工產(chǎn)品的應用來控制。使用設備的選擇是化學防治害蟲的關鍵因素。在我國，超過88%的噴霧器是手動操作的［3］，包括電動或手動氣壓背包噴霧機和背包吹霧機。應用的質量主要取決于操作人員的技能。這些類型的設備成本低，易于維護，足以控制周期性和局部問題，然而，使用背負式噴霧器會造成人的姿勢不適和暴露在高濃度農(nóng)藥環(huán)境中，同時效率不夠高，難以滿足大范圍甘藍田的植保需求，噴桿噴霧機作為可替代的設備類型之一出現(xiàn)在市場上，配有臥式臂架，是1 種將噴頭裝載于橫桿或豎桿上的植保機械，其作為大田噴灑藥液的農(nóng)具，廣泛應用于棉花［4］、玉米［5］、大豆［6］、水稻［7-8］和小麥［9］等作物生長過程中的病蟲害防治［10］。本研究旨在探究噴桿噴霧機在甘藍田的霧滴沉積、控制效果、工作效率、漂移性能、霧滴大小及均勻度，以期為甘藍植保機械的選擇提供試驗依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 試驗材料 采用重慶六六山下植?？萍加邢薰镜乃艏垯z測霧滴，愛普生（EPSON) DS-1610掃描處理水敏紙，美德時JR912 濕度測試儀測量環(huán)境濕度，?，擜S8336 手持式風速儀測量風速等。

1.1.2 試驗機型及搭載設備 試驗用的噴霧機為3WPZ-300 噴桿噴霧機（簡稱噴霧機）如圖1 所示，噴霧機型號參數(shù)見表1。

表1 噴霧機技術參數(shù)Table 1 Technical parameters of UAV and sprayer

圖1 3WPZ-300 噴桿噴霧機Fig.1 3WPZ-300 boom sprayer

1.2 試驗過程及方法

1.2.1 試驗環(huán)境 供試甘藍菜園位于河北省張家口市康?？h二號卜鄉(xiāng)大溝坊子村地膜栽培技術園（41°57' N，114°32' E）。以2 月生‘中甘二十一’品種甘藍為試驗對象，菜園采用地膜覆蓋技術栽培，株距為25.0 ～27.5 cm、行距30.0 cm，壟距為100 ～120 cm，南北走向，甘藍菜園采用水肥一體化灌溉方式；環(huán)境溫度21℃，環(huán)境濕度52%，環(huán)境風速1 ～2 級，風向為東北風。試驗時間為2020 年6 月30 日14 ∶20-16 ∶20，此時甘藍正值全葉期。1.2.2 采樣布置 （1) 靶標甘藍植株選取。在菜園同一行間的左右兩壟分別選取5 株形狀規(guī)整的靶標甘藍，一左一右依次選取且間隔取樣，防止靶標甘藍距離太近相互干擾。在試驗樹行中按照“留白距離”的方法［11］選擇放置水敏紙的果樹。10 株靶標甘藍編號為T1 ～T10。沿甘藍高度方向分2 層放置水敏紙，在甘藍葉面、葉背分別張貼1 張水敏紙進行標記，標記示意見圖2。每張取樣卡的尺寸為70 mm×50 mm。施藥后將著霧滴的水敏紙收集在密封袋中。

圖2 水敏紙在甘藍植株上的粘貼位置示意圖Fig.2 Schematic diagram of the paste position of watersensitive paper on cabbage plants

（2）測行間漂移的水敏紙位置設置

農(nóng)藥飄移是施藥安全的主要問題［12］。農(nóng)藥飄移不僅浪費農(nóng)藥，降低農(nóng)藥有效利用率，影響防治效果，還會對鄰近農(nóng)作物造成損害，對土壤、空氣和水造成污染［13］。測量施藥機具的噴霧漂移性能，對較好地使用適宜農(nóng)機具具有重要指導意義，為此，采用水敏紙測量漂移距離以及測量壟間、行間的漂移量，以及漂移距離（見圖3）。

圖3 水敏紙在甘藍園中粘貼位置示意圖Fig.3 Schematic diagram of the location of the watersensitive paper pasted in the cabbage garden

（3）水敏紙使用與處理。將水敏紙分別固定在同一株甘藍的同一葉片的葉面、葉背，利用雙面膠將水敏紙粘貼在葉片上。同時在張貼位置處用彩色標記條標記。噴灑結束后，應立即將水敏紙收集并粘貼在收集硬紙板上；將硬紙板做干燥處理，存放在干燥環(huán)境中。使用激光掃描儀依次對硬紙板上的水敏紙進行掃描，為保證沉積霧滴的清晰顯像，掃描圖像分辨率設定為600 dpi，背景為A4 白紙，灰度掃描成PNG 格式。

1.2.3 試驗過程 準備工作就緒后，進行噴霧機的噴霧作業(yè)試驗，試驗用甘藍園見圖4。用秒表記錄機具作業(yè)時間，用皮尺測量作業(yè)距離。

圖4 甘藍園Fig.4 Cabbage garden

1.2.4 數(shù)據(jù)處理 通過Image-master 軟件進行霧滴信息采集。將掃描好的文件導入到軟件，經(jīng)區(qū)域選取、提取分析區(qū)域、調節(jié)區(qū)域前進背景的像素，設置參數(shù)sigma、weight 均為5，經(jīng)閾值調節(jié)將前景背景剝離，再經(jīng)去除前景、降噪處理等步驟之后（見圖5），軟件將自行分析出霧滴直徑參數(shù)、總霧滴數(shù)、霧滴霧滴沉積覆蓋率。采用Excel 軟件進行數(shù)據(jù)匯總分析和圖表繪制。

圖5 著藥水敏紙經(jīng)“Imagepy-master”處理流程Fig.5 “Imagepy-master” processing flow of water-sensitive paper with medicine

（1）霧滴大小以體積中值直徑表示，計算式為：

式中：VMD為體積中值直徑，μm；Dmax為最大霧滴直徑，μm；F為折合系數(shù)，F(xiàn)=2.2。

霧滴分布均勻度以霧滴覆蓋率的變異系數(shù)表示，變異系數(shù)和標準差分別采用式（2）和式（3）計算：

式中：CV為變異系數(shù)，%；S為標準差；X為霧滴平均覆蓋密度，滴/cm2。

（2）有效噴幅及霧滴飄移量計算.

有效噴幅是根據(jù)《航空噴施設備的噴施率和分布模式測定》的規(guī)定，以采集樣點上霧滴沉積量達到噴霧帶中沉積最大量的1/2 來確定最終的有效噴幅寬度［14］，在測定出有效噴幅后，可對有效噴幅外的霧滴飄移量進行積分計算，采樣點霧滴飄移量計算公式為：

式中：N為總飄移量占噴施量百分比；Xe為有效噴幅外各點霧滴沉積量(μL/cm2)，Xi為各采樣點霧滴沉積量(μL /cm2)；

2 結果與分析

2.1 純噴藥小時生產(chǎn)率

同一地區(qū)甘藍菜園的物候期相近，病蟲害防治時間相對集中，對植保機具的作業(yè)效率要求較高。純噴藥小時生產(chǎn)率Ws用以衡量機具作業(yè)效率［15-16］，采用式（5）計算：

式中：Ws為純噴藥小時生產(chǎn)率，hm2/h；U為班次作業(yè)面積，hm2；Ts為純噴藥時間，h。

噴霧機的工作參數(shù)見表2。

表2 噴霧機的工作參數(shù)Table 2 Working parameters of UAV and sprayers

利用式（5）計算可知，噴霧機的純工作小時生產(chǎn)率約是3.32 hm2/h，遠大于背負式噴霧機的工作效率，適用于大面積甘藍種植園的植保作業(yè)需求。

2.2 節(jié)水性能

噴霧機開始作業(yè)時記錄噴灑時間，根據(jù)裝液量、噴灑時間、作業(yè)速度和采用的噴幅寬度來計算噴灑量。噴灑量采用式（6）計算：

式中：q為噴灑量，L/hm2；Q為裝液量，L；T為噴灑時間，s；v為作業(yè)速度，m/s；D為噴幅寬度，m。利用式（6）計算得出噴霧機用水量約是389.81 L/hm2，比電動噴霧器的用水量450 L/ hm2［17］要降低13.4%，節(jié)水性能優(yōu)于電動噴霧機。

2.3 霧滴沉積覆蓋率

植保機具作業(yè)時，目標物上霧滴所覆蓋的面積與目標物總面積的比值稱為覆蓋率，是評價噴霧作業(yè)質量的重要指標［18-19］。噴霧機作業(yè)后各株葉面葉背的平均霧滴沉積覆蓋率見表3。

表3 噴霧機作業(yè)后各冠層平均霧滴沉積覆蓋率Table 3 Average droplet deposition coverage of each canopy after UAV and sprayer operation %

噴霧機噴灑作業(yè)后葉面覆蓋率為21.09% ～49.50%，均值為39.82%，葉背覆蓋率為5.21% ～39.87%，均值為19.21%。噴霧機作業(yè)的葉面覆蓋率較高，可以達到較為全面的覆蓋效果，滿足《GB/T 17997—2008 農(nóng)藥噴霧機（器）田間操作規(guī)程及噴灑質量評定》標準［20］的要求，可有效地將藥液附著到甘藍的葉面葉背。

2.4 霧滴大小及霧滴均勻性

利用式（1）、（2）、（3）計算噴霧機作業(yè)后甘藍植株霧滴體積中值直徑及霧滴變異系數(shù)，結果見表4。噴霧機的葉面平均體積中值直徑值分別為201.47 μm，變異系數(shù)均值分別為53.45%。噴霧機的葉背平均體積中值直徑值分別為187.94 μm，變異系數(shù)均值分別為48.09%。

表4 噴霧機噴灑在果樹各層霧滴分布均勻性指標Table 4 Uniformity index of mist droplets sprayed by UAV and sprayer on various layers of fruit trees

噴霧機的葉面霧滴直徑大于葉背的，葉背的霧滴均勻度要高于葉面的，可見，噴霧機的葉面穿透性較好，霧滴可均勻地附著到甘藍的葉背面。但霧滴均勻度較差，霧滴大小不一，霧化效果有待提高，同時霧滴太大容易形成較大液滴流失到地面。噴霧機作業(yè)后，液滴作用在水敏紙上的顯色情況如圖6 所示。

圖6 霧滴在水敏紙上的附著情況Fig.6 The attachment of fog droplets on the water-sensitive paper

葉面的霧滴覆蓋情況顯著優(yōu)于葉背，同時，霧滴霧化情況較差，從葉面霧滴覆蓋情況可以看出霧滴已經(jīng)形成片狀積聚，極易聚合成大霧滴流失，霧化效果有待進一步優(yōu)化。從葉背附著情況可知，噴霧機的霧化可將霧滴彌散到葉背，可較好地殺滅甘藍葉背的病蟲害。

2.5 防效對比

噴霧機在施藥技術參數(shù)的濃度配比下（見表5），探究其作業(yè)省藥性能和防護效果。

表5 噴霧機用藥情況Table 5 Drug usage of drones and boom sprayers

在作業(yè)面積為0.667 hm2的情況下，噴霧機的施藥量為2.6 L。經(jīng)用上述農(nóng)藥噴灑作業(yè)后，經(jīng)統(tǒng)計10 顆甘藍植株的病蟲害防治有效天數(shù)見表6。

表6 噴霧機病蟲害防治有效天數(shù)Table 6 Effective days for pest control by drones and sprayer sprayers

噴霧機噴灑作業(yè)后，每天去檢測病蟲害發(fā)生情況，10 株樣本甘藍有效防護天數(shù)平均在7.8 d。

2.6 飄移性能

農(nóng)藥飄移是施藥安全的主要問題［21］。農(nóng)藥飄移不僅浪費農(nóng)藥，降低農(nóng)藥有效利用率，影響防治效果，還會對鄰近農(nóng)作物造成損害，對土壤、空氣和水造成污染［21-22］。出于甘藍種植環(huán)節(jié)需要噴灑滅草劑等特殊藥劑，以及農(nóng)村地塊分散，地塊之間不同作物對藥物的敏感程度不同的原因，植保機具的防漂移性能至關重要。圖7 為噴霧機噴灑的霧滴沉積密度隨行數(shù)變化情況，H1 ～H9 代表距離拖拉機跨行的單側行間數(shù)。

圖7 噴霧機噴灑的霧滴沉積密度隨行數(shù)變化情況Fig.7 Changes in the deposition density of droplets sprayed by boom sprayers and drones with the number of rows

噴霧機的漂移距離大致距離中心7 ～8 行，即7 ～9 m；噴霧機在距作業(yè)中心3 ～5 行（3 ～5 m）范圍內的霧滴沉積密度大于190 滴/cm2，噴霧機的有效漂移距離（霧滴沉積密度≥15 滴/cm2）在8.8 m左右。采用噴桿噴霧機進行植保作業(yè)時要留出足夠的安全距離，一側大致距離噴桿末端大于3 m 為適宜。

3 結論

基于甘藍菜園植保機具田間試驗方法，對3WPZ-300 噴桿噴霧機進行了田間噴霧測試，對比分析了純噴藥小時生產(chǎn)率、節(jié)水性能、霧滴沉積覆蓋率、霧滴大小及均勻性、霧滴分布均勻性、病蟲害防效等性能指標，主要結論如下：

（1）經(jīng)試驗測得，噴霧機的純工作小時生產(chǎn)率約是3.32 hm2/h，用水量約是389.81 L/hm2，具有工作效率高，節(jié)水性能顯著等特性，適用于大面積甘藍種植園的植保作業(yè)需求。

（2） 噴霧機噴灑作業(yè)后葉面覆蓋率為21.09%～49.50%，均值為39.82%，葉背覆蓋率為5.21%～39.87%，均值為19.21%。噴霧機的葉面平均體積中值直徑值分別為201.47 μm，變異系數(shù)均值分別為53.45%；噴霧機的葉背平均體積中值直徑值分別為187.94 μm，變異系數(shù)均值分別為48.09%。霧滴覆蓋率程度滿足甘藍殺蟲防病的需求但霧滴整體均勻度較差，霧化效果有待進一步提高。

（3）配合殺蟲藥劑，經(jīng)噴桿噴霧機施藥，對甘藍地的有效防護天數(shù)平均在7.8 d，滿足防效要求。