移动喷雾施药对杂草防治效果的风洞试验

南玉龙，张慧春，朱鹏，郑加强，周宏平

(南京林业大学机械电子工程学院，南京 210037)

随着国家植树造林政策的推进，植树造林的面积不断增加，而杂草是制约造林苗木生长的重要因素之一。同时，果树林间杂草严重影响果树生长发育、果实产量及品质，杂草防治是果园经营管理的重要工作之一[1]。传统的人工除草费时费力，而采用除草剂清除杂草，省时省力便捷，成本低见效快，但是除草剂的过量使用，不仅污染了环境，同时导致杂草的耐药性增强[2-3]。减少除草剂施药量的同时，确保清除树杂草的效果，是现代植保技术需要实现的目标之一。

相同剂量的除草剂对不同生长时期杂草的防治效果差异显著[4-5]，因此，选择清除杂草的合适时机，能有效清除杂草，同时可减少除草剂使用量。不同生长时期的杂草要达到防治效果，需要不同剂量的除草剂，因此针对不同生长时期的杂草，确定合适剂量的除草剂，既能达到除草效果，又能平衡林木生产与生态环境之间的关系[6-7]。

在户外条件下，对树木幼林杂草，喷雾不同剂量除草剂，杂草的总株防效与总株鲜质量防效显著[8-10]。目前，学者们仅在静态条件下研究了喷雾介质的配比成分和剂量等因素对杂草的防治效果，关于移动喷雾过程农药剂量、环境条件、操作条件等因素对于杂草防治效果的综合研究少见报道[11-13]。实际林业生产作业中，采用移动喷雾防治林木病虫害，有效减少喷雾作业劳动强度，同时喷雾作业的工作效率得到极大提升[14-16]。

为此，笔者以杂草马齿苋为例，在风洞条件下研究不同农药剂量、环境条件(风速)、操作条件(喷雾量、雾滴粒径和喷雾移动速度)等因素对不同生长时期马齿苋的防治效果，以确定防治不同生长时期马齿苋所需的除草剂剂量与合适的喷雾条件。

1 材料与方法

1.1 试验药剂与防治对象

供试药剂为40 g/L的烟嘧磺隆(中国农科院植保所廊坊农药中试厂)，其化学名称为2-(4, 6- 二甲氧基嘧啶-2-基氨基甲酰氨基磺酰)-N, N-二甲基烟酰胺。除草剂烟嘧磺隆为磺酰脲类内吸性除草剂，可以防治1年生和多年生禾本科杂草、部分阔叶杂草，如稗草、马齿苋、狗尾草、野燕麦、反枝苋等。

选用常见杂草马齿苋作为试验对象，试验利用营养土(丹麦，品氏托普Pindstrup)在恒温培养箱(宁波江南仪器厂，型号RXZ-500B)内栽种野生马齿苋种子(中国花卉苗木批发站)，培养出的二叶、四叶、六叶一心生长时期的马齿苋作为试验靶标和空白对照组。不同生长时期的马齿苋及表面积(通过Matlab计算叶片照片得到)如表1。

表1 不同生长时期马齿苋的表面积Table 1 The surface area of purslane in different growth periods cm2

1.2 试验平台

移动喷雾施药对杂草防治效果的风洞试验平台示意图如图1，实物图如图2。该试验平台主要由喷雾系统、线性滑动系统、马齿苋、水敏纸、小型低速风洞等组成。线性滑动系统(DS45M75C，北京时代超群电器科技有限公司)由步进电机、线性同步带导轨、滑块和可调高支架组成，其移动行程为2.5 m，可调速度范围0.1～1.0 m/s。喷雾系统由喷头、喷头体、水泵、压力表和水管等组成。喷头

1.线性滑动装置；2.喷头；3.风洞；4.马齿苋；5.水敏纸。图1 移动喷雾施药防治效果风洞试验平台示意图Fig. 1 Schematic diagram of wind tunnel test platform for mobile spray application on weed control

1.滑块；2.可调高支架；3.喷头与喷头体；4.同步带导轨； 5.步进电机；6.压力表；7.水管；8.水泵。图2 移动喷雾施药防治效果风洞试验平台实物图Fig. 2 Scene diagram of wind tunnel test platform for mobile spray application on weed control

(XR11001，美国TeeJet公司)置于喷头体内。喷头体(202A，宁波市力成农用喷雾技术有限公司)安装在可调高支架上，调整喷雾高度h为0.5 m。喷雾系统与线性滑动系统构建成移动喷雾系统。水敏纸(美国TeeJet公司，尺寸76 mm ×26 mm)置于种植马齿苋的盆中。线性滑动系统安装在小型低速风洞(南京林业大学林机系实验室)内。平台所依托的小型低速风洞为开路式风洞，总体尺寸(长×宽×高)为7.4 m×1.2 m×1.2 m，风速以在0～6 m/s内连续可调，气流速度的最大变化率不超过5%，紊流强度变化率不超过8%，试验段气流不均匀度小于3%。

1.3 试验设计与方法

调节变频器的频率值控制小型风洞的电机的转速，以间接控制小型风洞内风速大小，配以手持式风速风量仪测定风洞内实时风速，调整获得本次试验需要的风洞风速。利用100 mL有效成分为40 g/L的烟嘧磺隆与30 kg自来水进行配比，以获得配比为0.013 3%质量分数的施药溶液。水敏纸上雾滴信息采用照片扫描仪(WPRN-400SC，宁波仲林商业有限公司)与软件iDAS pro处理分析获得。XR11001喷头在在0.1 MPa压力下使用时，喷施内吸型除草剂具有非常好的效果[14,16]，因此，施药时喷雾压力选择0.1 MPa。通过单片机控制板控制发送给步进电机的脉冲频率，以控制移动喷雾系统的线性移动速度。

喷雾施药时，分别将二叶、四叶、六叶生长时期的马齿苋置于风洞底部中央。在喷雾移动速度分别为0.25，0.38和0.50 m/s，与风洞风速分别为1.0，2.0和3.0 m/s条件下，进行9组喷雾施药试验，施药后利用水敏纸测量靶标马齿苋叶片上的雾滴沉积量。

在施药后30 d内，持续观察并记录马齿苋的存活株数及存活马齿苋的鲜质量(采摘后直接称质量)[8]，与空白对照组进行对比，计算得出防治效果，分析马齿苋在不同生长时期下所需要的施药量。施药后马齿苋的观测时间与内容如表2。

表2 施药后马齿苋的观测时间与内容Table 2 Observation time and contents of purslane after application

1.4 防治药效计算方法

马齿苋的株防效是指固定面积土地在单位时间内除马齿苋生长的净质量[8]，株防效计算：

(1)

式中：Z总为空白对照组马齿苋存活株数；Z1为试验后马齿苋存活株数。

喷雾施药后，没有杀死马齿苋，但抑制马齿苋生长，使马齿苋生长的小而弱，因此用马齿苋鲜质量来表示除马齿苋效果，称为马齿苋的鲜质量防效[8]，鲜质量防效计算：

(2)

式中：W总为空白对照组存活马齿苋的鲜质量，g；W1为试验后存活马齿苋的鲜质量，g。

2 结果与分析

2.1 水敏纸测量结果

通过软件iDAS pro处理分析9组试验后的水敏纸，得到不同试验条件下的马齿苋叶片上的雾滴沉积量密度(沉积在单位面积上的雾滴数目)，如表3所示。根据不同生长时期马齿苋的叶面积，间接计算出烟嘧磺隆在不同生长时期马齿苋上的沉积量。烟嘧磺隆的沉积量由沉积量密度和叶面积共同决定，且叶面积在马齿苋不同生长时期下为定值，因此本研究以沉积量密度为变量进行分析。

表3 不同试验条件下水敏纸收集的雾滴参数Table 3 Droplet parameters collected by water sensitive paper under different test conditions

在不同喷雾移动速度与不同风速试验条件下，马齿苋叶片上的沉积量密度变化趋势，如图3所示。在相同喷雾移动速度条件下，观察马齿苋叶片上的沉积量密度随风速的变化趋势。马齿苋叶片上的沉积量密度随风速增大，均呈下降趋势。风速从1.0 m/s增大到2.0 m/s，马齿苋叶片上的雾滴沉积量密度下降幅度大；当风速从2.0 m/s增大到3.0 m/s时，沉积量密度下降幅度明显减小。造成这种现象的原因是随着风速增大，喷雾蒸发速度加快，雾滴变得更细小，更容易飘移[14]，无法有效沉积到马齿苋叶片上。因此，避免在高风速环境下，对马齿苋喷施除草剂。雾滴体积中径在相同风速条件下，随着喷雾移动速度的增加而减小。这是因为喷雾移动速度越小，雾滴落在水敏纸上发生黏连数量越多，导致计算雾滴体积中径变大。

图3 马齿苋叶片上的沉积量密度变化趋势图Fig. 3 Effect of wind speed on sediment volume density

在相同的风速条件下，观察马齿苋叶片上的沉积量密度随风速的变化趋势。马齿苋叶片上的沉积量密度随喷雾移动速度增大，均呈下降趋势。出现这种情况是因为较高喷雾移动速度会减少雾滴的悬浮时间和单位喷雾面积上的喷雾量，使得马齿苋叶片上的雾滴沉积量密度降低，因此，调整喷雾移动速度能改变烟嘧磺隆在马齿苋叶片上的沉积量。

两因素(风速、喷雾移动速度)显著性分析结果如表4所示。两因素的P值小于0.05，则表明该变量对因变量(雾滴沉积量密度)有显著性影响；反之亦然。从表4可以看出，风速、喷雾移动速度的P值分别为0.039和0.049，表明风速、喷雾移动速度均对雾滴沉积量密度有显著性影响，且风速对雾滴沉积量密度显著性影响程度高于喷雾移动速度。

表4 主体间效应的检验 Table 4 Test of inter subjectivity

2.2 马齿苋不同生长时期的防治效果

对二叶、四叶、六叶一心生长时期的马齿苋分别喷施不同沉积量密度的烟嘧磺隆药液，烟嘧磺隆关于二叶、四叶、六叶一心生长时期的马齿苋药效试验结果见表5。在风洞中风速为1 m/s，移动喷雾系统的线性移动速度为0.50 m/s条件下施药后，六叶一心时期的马齿苋在不同观测时间表现的生长状态如图4所示。

表5 烟嘧磺隆对马齿苋不同生长时期的药效试验结果Table 5 Nicosulfuron’s efficacy test results of two-leaf and one-hearted purslane

施药5 d后，二叶一心生长时期马齿苋叶片上的黄化程度出现了明显的差异，四叶一心生长时期马齿苋叶片萎缩程度出现了明显的差异，六叶一心生长时期马齿苋叶片未出现明显的失绿现象。施药后10 d后，二叶一心生长时期马齿苋的多数叶片开始出现黄化、枯萎，脱落，并且停止了生长；四叶一心生长时期马齿苋的少数叶片开始出现脱落、枯萎，同时叶片生长受到了抑制；六叶一心生长时期马齿苋的多数叶片始逐渐失去生命力，呈现萎靡状态，但是并未出现明显的死亡现象。

图4 六叶马齿苋在不同观测时间的生长状态Fig. 4 Growth state of the six-leaved purslane at different observation times

在施药15 d后，二叶、四叶、六叶一心生长时期马齿苋的株防效范围分别为48.5%～72.7%，38.5%～58.8%和23.8%～52.6%，表明烟嘧磺隆对不同时期的马齿苋生长均产生抑制作用，抑制作用的排序为二叶>四叶>六叶一心生长时期马齿苋。由此可见，杂草的生长阶段越高，其对于农药作用的耐受性越高[14]，所以六叶一心生长时期的马齿苋相比二叶、四叶一心生长时期的马齿苋的耐药性更强。在施药20 d后，二叶一心生长时期马齿苋的叶片开始凋零，仅存留茎干部分，烟嘧磺隆对此时期马齿苋的防治效果开始凸显；四叶一心生长时期马齿苋烟嘧磺隆的防效开始显现，其株防效范围为50%～76.5%，株防效得到显著提升；六叶一心生长时期马齿苋的株防效范围为33.3%～68.4%，结果表明虽然烟嘧磺隆的药效开始显现，但是六叶一心生长时期马齿苋株防效不理想。

施药30 d后，在风速1.0 m/s、喷雾移动速度0.25 m/s的试验条件下(烟嘧磺隆沉积量密度为6.09 μL/cm2)，二叶一心生长时期马齿苋株防效与鲜质量防效均达到了100%，四叶一心生长时期的马齿苋株防效和鲜质量防效分别为82.4%和89.3%，六叶一心生长时期的马齿苋的株防效和鲜质量防效分别为78.9%和84.5%。由此可见，相对于其他喷雾试验条件下的相同生长时期的马齿苋防治效果，在风速1.0 m/s、喷雾移动速度0.25 m/s的喷雾试验条件下的马齿苋防治效果更佳，原因在于烟嘧磺隆的沉积量密度最大，对应的烟嘧磺隆的剂量最大。相同喷雾试验条件下，二叶、四叶、六叶一心马齿苋的鲜质量防效均高于或等于株防效，这是因为烟嘧磺隆对残余的二叶、四叶、六叶一心生长时期马齿苋叶片生长产生了抑制作用。随着马齿苋生长时期的增加，马齿苋的株防效与鲜质量防效均明显下降，可见，随着杂草的生长，六叶一心生长时期的马齿苋相比二叶、四叶一心生长时期的马齿苋的耐药性更强。

在烟嘧磺隆配比为0.013 3%质量分数时，对马齿苋喷施药30 d后，若要使二叶、四叶、六叶一心生长时期的马齿苋防治效果达到80%，烟嘧磺隆的沉积量密度分别至少达到1.52 μL/cm2(风速2.0 m/s，喷头搭载平台移动速度0.50 m/s)、3.22 μL/cm2(风速2.0 m/s，喷头搭载平台移动速度0.25 m/s)和6.09 μL/cm2(风速1.0 m/s，喷雾移动速度0.25 m/s)，此时二叶、四叶、六叶一心生长时期的马齿苋的株防效分别为75.8%，77.3%和78.9%。

3 结 论

在风洞条件下研究了不同农药剂量、环境条件(风速)、操作条件(喷雾量、雾滴粒径和喷雾移动速度)等因素对不同生长时期杂草(马齿苋)的防治效果，得到以下结论：

1)当风速为1.0 m/s时，0.25，0.38和0.50 m/s喷施速度下的沉积量密度相差较为明显，随着风速的增加，沉积量密度受喷雾移动速度的影响越来越小。两因素(风速、喷雾移动速度)对因变量(沉积量密度)显著性分析结果可知，风速、喷雾移动速度均对沉积量密度有显著性影响，且风速对雾滴沉积量密度显著性影响程度高于喷雾移动速度。

2)对于农药剂量，在烟嘧磺隆配比为0.013 3%质量分数时，若要使二叶一心生长时期的马齿苋鲜质量防治效果达到80%以上，烟嘧磺隆沉积量密度至少达到1.52 μL/cm2(此时株防效75.8%)；若要使四叶一心生长时期的马齿苋鲜质量防治效果达到80%，烟嘧磺隆沉积量密度至少要达到3.22 μL/cm2(此时株防效77.3%)；若要使六叶一心生长时期的马齿苋鲜质量防治效果达到80%，烟嘧磺隆沉积量密度至少要达到6.09 μL/cm2(此时株防效78.9%)。

3)在不同操作条件下，马齿苋的鲜质量防效均高于株防效。不同生长发育阶段杂草的对农药的耐受性不同，随着马齿苋不断的生长，马齿苋对烟嘧磺隆的抗药性也随之增加，最佳施药时间应为马齿苋生长的2～4叶期(5～21 d)内。