大田环境中不同助剂和喷头对无人机喷洒雾滴分布和漂移的影响

陈 吟，齐浩亮，张 龙，马金龙，靳尚杰，李广泽，兰玉彬

(1 深圳诺普信农化股份有限公司研究院，广东 深圳 518102； 2 深圳雨燕智能科技服务有限公司，广东 深圳 518102； 3 华南农业大学 电子工程学院/人工智能学院，广东 广州 510642)

随着全国人口的增长、农村劳动人口的逐渐减少，在保证农产品产量和质量的基础上推进农业机械化和现代化越来越重要。近十年里，中国农业现代化迅猛发展，其中，农业无人机产业发展尤为迅速，无人机在农业植保中的应用越来越广泛[1-2]。截止2016年，已经有不少于178种农用无人机被开发[3]。农用植保无人机的应用已经逐渐从水稻、小麦等主要大宗粮食作物[4]扩展到了果树、蔬菜、茶叶等经济作物上[5-7]。植保无人机的工作效率可达人工喷洒的60倍[8]，并且操作灵活，在作业过程中不会破坏土壤结构，也不会直接碰触到作物，非常适合中小面积田块、丘陵山区的植保作业。但由于无人机载液量的限制，无人机喷洒时流量偏小，且一般配备小粒径的扇形喷头或者离心喷头，雾滴粒径较小(100 μm左右)。由于技术原因和安全性考量，目前植保无人机喷洒最低高度有一定限制。以大疆植保无人机为例，一般推荐最低飞行高度为1.0～1.5 m，相较于传统喷洒方式(拖拉机和人工喷雾器)，喷洒高度更高，因此，无人机在喷洒农药过程中更容易产生雾滴漂移的现象。根据相关研究，在农药喷洒中约有25%的细小雾滴可漂移到非靶标区域[9-11]。农药雾滴的漂移可造成环境污染，对周边生物造成危害。相比杀虫剂和杀菌剂，除草剂的漂移更可能严重影响周边作物的产量甚至造成绝收。在2004年，美国40个州内曾发生不少于1 700起农药漂移引起的农作物损失报告，其中1 207起是由除草剂漂移引起的[12-13]。McNaughton等[14]曾在研究中指出，仅推荐剂量的2.5%的草甘膦漂移雾滴即可造成番茄苗伤害率达23%。不同的除草剂有不同的非靶标敏感作物，除草剂品类亦会影响漂移的程度和对非靶标作物的毒性。如2,4-D和麦草畏等生长素类除草剂对双子叶植物高毒，且极易因蒸发漂移到远距离非靶标区域。即便无人机喷洒除草剂可以达到较为满意的除草效果[15]，但漂移问题严重限制了无人机喷洒除草剂的可行性和应用推广。而助剂和喷头型号是影响喷洒中雾滴漂移的重要因素。喷头型号直接影响雾滴的雾化性质，助剂的添加可通过改变溶液的性质而间接改变雾化性质[16-22]。目前，大部分的研究为使用风洞等设备进行的室内研究，大田喷洒环境的研究较少。本文使用不同型号品牌的喷头和不同厂家品类的助剂，在大田环境中测定其影响雾滴漂移的特点，对比助剂和喷头在抗漂移效果上的表现及其与粒径的关联。为进一步优化抗漂移助剂和喷头提供数据和理论依据，也为农业生产上田间农药喷洒中控制漂移提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料

本次测试的植保无人机为大疆MG-1S八旋翼无人机(深圳大疆创新科技有限公司，中国)。环境监测使用华谊PM6252A风速仪(深圳市新华谊仪表有限公司，中国)测量，温度和湿度由希玛AS817手持式温湿度计(东莞万创电子制品有限公司，中国)测量。配备不同的喷头在田间环境进行喷洒试验。所测试喷头包括TeeJet XR110-01[特杰特喷雾技术(天津)有限公司，中国]，Lechler LU120-01、LU120-015、IDK120-01[莱克勒喷嘴系统(北京)有限公司，中国]。所测试喷洒助剂包括红雨燕第一代增效水性助剂、红雨燕防漂移增效油性助剂(深圳雨燕智能科技服务有限公司，中国)、激健增效助剂(四川蜀峰化工有限公司，中国)、禾大DRT-NISAP(禾大公司，英国)和亨斯迈5 960助剂(亨斯迈公司，美国)，在文中分别简称为雨燕水性、雨燕油性、激健、禾大和亨斯迈。试验中使用质量浓度为1 g·L－1的诱惑红溶液 (6－羟基－5－(2－甲氧基－4－磺酸－5－甲苯基)偶氮萘－2－磺酸二钠盐)(上海狮头染料研究所有限公司，中国)，并使用佳能pp-208喷墨打印机相纸(佳能有限公司，中国)接收雾滴。雾滴接收卡由惠普(HP)Scanjet G3110照片扫描仪(惠普有限公司，中国)扫描，由雾滴覆盖率分析软件Depositscan进行分析。室内试验使用DP-02型喷雾粒度分析仪(珠海市欧美克仪器有限公司，中国)对不同喷头和助剂溶液产生的雾滴进行粒径测试。

1.2 方法

1.2.1 不同助剂溶液的配制 在实验室内测试不同喷头雾滴粒径时，喷洒清水测量。测试不同助剂溶液雾滴粒径时，将不同的助剂分别以体积比(φ)1%添加到不同的清水中，混匀后取中间层液体进行测量。田间不同喷头的雾滴漂移试验中，使用1 g·L－1的诱惑红水溶液，并按体积比1%添加红雨燕水性助剂，混匀备用。田间不同助剂的雾滴漂移试验中，则将不同助剂分别以体积比1%加入到混匀后的1 g·L－1的诱惑红水溶液中，混匀备用。

1.2.2 不同助剂溶液和喷头对雾滴粒径的影响试验在深圳诺普信农化股份有限公司研究院智能喷洒实验室内进行，按照“1.2.1”配制溶液，预热DP-02型喷雾粒度分析仪30 min。依次使用相应的溶液(φ为1%的雨燕水性、雨燕油性、激健、禾大和亨斯迈)进行雾滴粒径测试。使用喷头XR110-01、LU120-01、LU120-015和IDK120-01分别喷洒清水进行雾滴粒径测试。喷雾时间10 s，喷雾压力为0.48 MPa，每个测试重复3次。

1.2.3 无人机喷头流量测试 在田间试验时，每次更换喷头后进行喷头流量测试。安装好4个喷头后，将清水灌入无人机药箱，设定好无人机参数(飞行速度、喷幅和单位面积喷洒量)，在清水填充所有管道后，用4个量杯对准喷头口启动喷洒一定时间(本试验中时间为20 s)。停止喷洒，用量筒测量所收集液体体积：

式中：V为理论喷液体积；t为喷液时间，s；v为设定无人机飞行速度，m·s－1；w为设定无人机喷幅，m；Vt为设定无人机单位面积喷液量，L·m－2。每个喷头的喷液体积理论上为V/4。当实际收集液量在理论液量±5%的范围内时，可进行漂移测试。

1.2.4 不同助剂溶液和喷头在大田环境中喷洒的雾滴漂移 试验于2018年在江苏省兴化市田间进行。试验过程中实时测试瞬时风速、温度以及湿度。不同助剂试验时温度为12～13 ℃，空气湿度45%，风速 0～1.2 m·s－1，风速较为稳定 (图 1)。不同喷头试验时温度为9 ℃，空气湿度40%，风速1.7～3.0 m·s－1。试验期间，基本无云。使用大疆 MG-1S无人机和XR 110-01喷头，搭载“1.2.1”描述的不同助剂溶液进行直线航线单方向飞行喷洒，清水喷洒作为对照。飞行参数设置为：高度1.5 m，喷幅3.5 m，飞行速度 4.5 m·s－1，单位面积喷洒量 18.75 L·hm－2。飞行方向与风向垂直，正式测试飞行距离为100 m，喷洒区始末端设置50 m的加减速缓冲区。每个PC管上固定2张雾滴卡，分别离地0.5和1.0 m。在100 m的飞行沿线上均匀设置雾滴接收点，卡片正面正对风向，平行于飞行方向。根据风向，在下风区以不同间距设置雾滴接收点，分别离喷洒边界1、2、5、10、20和50 m。在航线下方均匀固定雾滴接收卡25个，雾滴接收卡排列如图2所示。每个测试重复3次，更换3次雾滴接收卡，故而每个距离点和离地高度共有15个重复，航线下方地表共收集75张雾滴卡(75个重复)。每次喷洒完毕后将雾滴接收卡装入自封袋，在实验室中进行扫描和分析。获取雾滴覆盖密度、沉积量和粒径分布。在喷头测试中，使用按体积比1%添加红雨燕水性助剂的质量浓度为1 g·L－1的诱惑红水溶液，依次用不同的喷头进行喷洒。用同样方法布置、收集雾滴接收卡并进行扫描分析。喷头测试时每个测试重复4次，更换4次雾滴接收卡，故而每个距离点和离地高度共有20个重复，航线下方地表共收集100张雾滴卡(100 个重复)。

图1 试验过程中的风速变化(随机测试)Fig. 1 Wind speed changes during experiments (random test)

图2 雾滴漂移量田间评估试验布置示意图Fig. 2 Experimental arrangement diagram in field for droplet drift amount estimation

1.2.5 不同助剂对粒径均匀度的影响 为了研究不同助剂对粒径均匀度的影响，按下式计算雾滴粒径分布均匀度(Relative SPAN factor, RSF)值：

式中，D90、D10和D50分别为累积分布为90%、10%和50%最大颗粒的等效粒径。RSF值越小，说明雾滴粒径越集中。

2 结果与分析

2.1 不同助剂溶液和不同喷头对雾滴粒径的影响

由图3A可见，当喷洒不同助剂溶液(φ为1%)时，雨燕油性 (D50=162 μm)、禾大 (D50= 146 μm)助剂提高雾滴粒径的效果要优于雨燕水性(D50= 126 μm)、亨斯迈 (D50= 126 μm)和激健 (D50= 127 μm)助剂。由图4可见，雨燕油性和禾大助剂可将粒径小于103 μm的雾滴比例降低至17.73%和20.16%。而雨燕水性、亨斯迈和激健助剂喷洒时粒径小于103 μm的雾滴比例达34.15%、34.51%和34.87%。同时，图3A还显示了不同助剂对粒径均匀度(RSF)的影响，RSF值越小，说明雾滴粒径越集中，因此禾大和雨燕油性助剂溶液的粒径均匀度较其他3种助剂好。由图3B可以看出，在4个喷头中，IDK 120-01喷头喷洒的雾滴粒径约为其他3个喷头的2倍，明显增大了粒径。而其余3个喷头喷洒的雾滴粒径无明显差异。

图3 φ为1%的不同助剂溶液(A)和不同喷头喷洒(B)的雾滴粒径(D50)及分布均匀度(RSF)Fig. 3 Droplet diameter (D50) and relative span factor (RSF) of φ=1% solution of different adjuvants (A) and nozzles (B)

图4 不同助剂溶液(φ为1%)的雾滴粒径(D)占比Fig. 4 Droplet diameter (D) proportion of φ=1% solutions of different adjuvants

2.2 不同助剂溶液在大田环境下对无人机喷洒雾滴分布的影响

对比5种助剂溶液(φ为1%)和清水在离喷洒区域不同距离的雾滴密度分布(图5)可见，所有助剂都明显减少了雾滴的漂移。雾滴沉积量随着离喷洒区域距离的增加而减少，大部分的雾滴集中于离喷洒区域1和2 m距离的雾滴卡上。雾滴在5 m处急剧减少。总体来说，离地50 cm处的雾滴沉积量比离地80 cm处的雾滴沉积量增加约40%～60%。在离地80 cm处，距离喷洒区域1～50 m距离内漂移雾滴密度总和由多到少依次为清水 (0.539 5 μL/cm2)＞禾大助剂 (0.407 5 μL /cm2)＞激健助剂 (0.378 9 μL/cm2)＞雨燕水性助剂(0.317 0 μL/cm2)＞雨燕油性助剂 (0.283 2 μL/cm2)＞亨斯迈助剂(0.234 9 μL/cm2)。在离地50 cm处，距离喷洒区域1 ～50 m距离内漂移雾滴量由多到少依次为清水 (0.901 8 μL/cm2)＞激健助剂 (0.711 6 μL/cm2)＞雨燕油性助剂 (0.679 1 μL/cm2)＞禾大助剂(0.633 0 μL/cm2)＞雨燕水性助剂 (0.577 1 μL/cm2)＞亨斯迈助剂(0.395 9 μL/cm2)。总体来看，亨斯迈助剂漂移总雾滴密度最低，其次是雨燕水性和油性助剂。雨燕油性助剂在离地50 cm处的雾滴沉积量大于雨燕水性助剂，而在离地80 cm处的雾滴沉积量少于雨燕水性助剂，且雨燕油性助剂雾滴比水性助剂更集中于距喷洒区域1、2和5 m的距离，占总雾滴沉积量的98.6%，而在10、20和50 m距离范围内的雾滴沉积量为0.013 5 μL/cm2。雨燕水性助剂雾滴距喷洒区域1、2和5 m的雾滴沉积量占总量的96.9%，在10、20和50 m距离范围内的雾滴沉积量为0.028 1 μL/cm2。说明雨燕油性助剂沉降性较水性助剂强，漂移多集中于喷洒区附近，在抗漂移方面效果较好。禾大助剂的雾滴漂移量在离地50 cm处和雨燕油性助剂差不多，但在离地80 cm处雾滴漂移量则明显高于雨燕水性助剂和油性助剂。激健助剂的抗漂移性略低于其他几个助剂，在距离喷洒区域10 m处仍有较多雾滴，和清水的雾滴沉积量相近。

由图6可见雾滴粒径和漂移距离的关系。由于雾滴卡在收集和扫描之间需要时间，因此雾滴卡上雾滴有一定程度的扩散，雾滴粒径比实际粒径偏大。随着离喷洒区域距离的增大，漂移的雾滴粒径也减少。每个助剂中，同一距离，离地50 cm处收集的雾滴粒径大于离地80 cm收集的雾滴粒径，说明较大粒径的雾滴更容易沉降到较低的位置。但随着距离增大，2个离地高度处收集的雾滴粒径趋于相近，在离喷洒区域5 m处2个高度的雾滴粒径已经非常相近。在离喷洒区域1～2 m范围内收集的雾滴粒径大小大致为清水＞激健助剂＞雨燕水性助剂≈雨燕油性助剂≈禾大助剂＞亨斯迈助剂。可见助剂有效地提高了漂移的粒径阈值，减少了较大粒径雾滴的漂移。

图5 无人机喷洒不同助剂溶液(φ为1%)后离喷洒区域不同距离的雾滴沉积量Fig. 5 Droplet deposition of φ=1% solutions of different adjuvants at different distances from the spraying area when sprayed with UAV

图6 无人机喷洒不同助剂溶液(φ为1%)后离喷洒区域不同距离的雾滴粒径Fig. 6 Droplet diameter of φ=1% solutions of different adjuvants at different distances from the spraying area when sprayed with UAV

图7 无人机喷洒不同助剂溶液(φ为1%)后喷洒区域内的雾滴沉积量Fig. 7 Droplet deposition of φ=1% solutions of different adjuvants in spraying area when sprayed with UAV

为了进一步确定添加助剂后，能否提高航线下方喷洒目标区域雾滴的沉积量，试验中在航线下方喷幅内区域设置了雾滴卡，对喷洒区域的雾滴进行收集检测，结果如图7所示。在喷洒区域，添加了雨燕油性助剂的溶液在目标区域的沉积量多于其他助剂溶液以及清水。各助剂雾滴沉积量大致为雨燕油性助剂(0.298 2 μL/cm2)＞激健助剂(0.260 8 μL/cm2)≈禾大助剂 (0.254 7 μL/cm2)＞亨斯迈 (0.212 1 μL/cm2)≈雨燕水性助剂 (0.201 5 μL/cm2)＞清水 (0.178 3 μL/cm2)。但雨燕油性助剂与激健、禾大助剂的沉积量在统计学上无显著差异。激健、禾大、亨斯迈助剂间无显著差异。亨斯迈、雨燕水性助剂与清水间无显著差异。因此，对雾滴沉降到目标区域效果提升较大的为雨燕油性助剂。亨斯迈助剂和雨燕水性助剂对雾滴在目标区域的沉降帮助较小。由此可见，在所测试的5种助剂中，雨燕油性助剂对目标区域沉积量的提升效果表现较佳。所有助剂都能明显降低漂移，而雨燕油性、激健和禾大助剂都能显著提高雾滴在目标区域的沉积量。

2.3 使用不同喷头在大田环境下对无人机喷洒雾滴分布的影响

图8 无人机配备不同喷头进行喷洒后离喷洒区域不同距离的雾滴沉积量Fig. 8 Droplet deposition at different distances from spray area when UAV is equipped with different nozzles

对比4种不同的喷头在离喷洒区域不同距离处的喷雾量，由图8可见，雾滴沉积量在各喷头间和离地高度间的变化规律性相比助剂测试更弱。这可能是由测试喷头期间风速相比助剂测试期间较不稳定导致的。XR 110-01喷头喷洒在离地50和80 cm的雾滴总量相近，IDK 120-01喷头也是这样。XR 110-01喷头在各个距离时2个离地高度的雾滴沉积量都相近，但IDK 120-01喷头在距离喷洒区域10 m以上的位置时，离地80 cm处雾滴沉积量明显少于离地50 cm处雾滴沉积量。说明该喷头的雾滴在10～50 m时倾向于沉降到较低位置。LU 120-01和LU 120-015喷头的雾滴在离地80 cm的总雾滴量明显少于离地50 cm处的总雾滴量。其中LU 120-01喷头处于距离喷洒点1～50 m的总雾滴量少于LU 120-015喷头的总雾滴量。

由图9可见不同喷头的雾滴粒径，以及粒径和漂移距离的关系。由于雾滴卡在收集和扫描之间需要时间，因此雾滴卡上雾滴有一定程度的扩散，雾滴粒径比实际粒径偏大。随着离喷洒区域距离的增大，各喷头漂移的雾滴粒径也减少。XR 110-01和LU 120-01喷头在各个距离点离地50和80 cm处的雾滴粒径均相近。LU 120-015喷头的雾滴粒径在各个距离均大于XR 110-01和LU 120-01喷头的雾滴粒径，在离喷洒区域2 m范围内离地50 cm处的雾滴粒径略大于80 cm处，说明该喷头的较大粒径的雾滴更容易沉降到较低的位置。随着距离增大，在离喷洒区域5 m处不同离地高度收集的雾滴粒径已经趋于相近。IKD 120-01喷头的雾滴粒径在2个离地高度相近，且接近50 cm高度的LU 120-015喷头雾滴粒径。在距离1～50 m范围内收集的雾滴粒径大小大致为IDK 120-01≈LU 120-015＞LU 120-01≈XR 110-01。可见 IDK 120-01和LU 120-015喷头可提高雾滴粒径。结合图10可见，雾滴粒径的增加也相应增加了目标区域的雾滴沉积量。同样的单位面积喷洒量下，IDK 120-01喷头在目标喷洒区域(航线下方)的雾滴沉积量最大(0.395 3 μL/cm2)，LU 120-015 喷头目标区域雾滴沉积量次之(0.325 2 μL/cm2)，两者均高于LU 120-01(0.206 0 μL/cm2)和 XR 110-01 喷头 (0.197 7 μL/cm2)在目标区域的雾滴沉积量。因此，能增大雾滴粒径的喷头可有效地增加目标区域的雾滴沉积量。但是增大雾滴粒径亦会大大减少单位面积雾滴数量(图 11)，影响覆盖率。

图9 无人机配备不同喷头进行喷洒后离喷洒区域不同距离的雾滴粒径Fig. 9 Droplet diameter at different distances from spray area when UAV is equipped with different nozzles

图10 无人机配备不同喷头进行喷洒后喷洒区域内的雾滴沉积量Fig. 10 Droplet deposition in spraying area when UAV is equipped with different nozzles

图11 无人机配备不同喷头进行喷洒后喷洒区域内的雾滴密度Fig. 11 Droplet density in spraying area when UAV is equipped with different nozzles

3 讨论与结论

本文结合了实验室雾滴喷洒测试仪和真实的大田喷洒环境，比较分析了5种助剂(雨燕水性助剂、雨燕油性助剂、禾大助剂、激健助剂和亨斯迈助剂)，以及 4 种喷头 (XR 110-01、LU 120-01、LU 120-015和IDK 120-01)的喷雾粒径和漂移特点。本研究中的雾滴分布趋势与Ding等[23]的室内研究结果类似。有研究显示，雾滴的粒径与雾滴漂移程度密切相关，漂移主要是由微小的雾滴引起[24]。助剂能起到一定的增加粒径、减少喷雾角的作用[25]，从而减少雾滴漂移和增加目标区域沉积量。不同的助剂抗漂移、促沉降的效果差异较大，这可能是由助剂的成分差异造成的。从雨燕2种助剂的试验可以看出，油性助剂增加粒径效果明显优于水性助剂。助剂不仅能够起到降低雾滴漂移的作用，还能提高雾滴附着和吸收等效果[26]，因此在无人机喷洒时，推荐加入助剂。而相比于助剂，喷头型号对雾滴形态的影响更加明显，能明显影响雾滴粒径和在目标区域的沉积量[17]。然而雾滴粒径过大也会导致单位面积雾滴数量的减少，影响雾滴覆盖率，可能对药剂防效有影响[27]，因此在选择喷头时应作综合考虑。本次试验所得结论如下：

1)在室内测试中，当喷洒不同助剂溶液(φ为1%)时，雨燕油性和禾大助剂提高雾滴粒径的效果优于雨燕水性、亨斯迈和激健助剂。IDK 120-01喷头相比其他3款喷头明显增大了雾滴粒径。XR 110-01、LU 120-01和LU 120-015喷头的D50大致为 105 μm，而 IDK 120-01 达 221 μm。

2)在大田测试中，所有的助剂都一定程度上降低了漂移。大部分的雾滴集中于离喷洒区域1和2 m距离的雾滴卡上。离地80 cm处的雾滴沉积量比离地50 cm的雾滴沉积量少40%～60%。雨燕油性助剂沉降性较雨燕水性助剂更强，漂移更集中于喷洒区附近。对比在航线下方喷洒目标区域收集的雾滴沉积量，雨燕油性助剂在目标区域的沉积量最大。所有助剂的沉积量均大于清水。

3)大田环境下，喷洒区域以外的雾滴沉积量在各喷头间的变化和离地高度间的变化规律性较弱，但目标区域内的雾滴沉积量IDK 120-01喷头最大，约高于XR 110-01喷头1倍。LU 120-015喷头次之。沉积量和喷头粒径的规律相似，能有效增大粒径的喷头在目标区域的沉积量也较大(漂移量较小)。但大粒径喷头雾滴的覆盖率(单位面积的雾滴数量)较低。

本研究为进一步探讨如何利用助剂和喷头减少漂移提供了基础数据，也为助剂和喷头在不同目的喷洒中的选择提供了参考依据。