喷雾药液在靶标植株上的沉积与润湿研究

摘要

喷雾药液在靶标植株上的沉积分布与润湿状况是决定药液向生物体传递的重要环节，其中靶标叶片的润湿性能将直接影响药液雾滴在及表面上的沉积、附着、持留、展布和渗透等。喷雾是一个动态过程，药液雾滴在靶标植株上的沉积持留和润湿行为是影响施药效果的重要因素。本文以炮塔式压力雾化轴流风送高压静电喷雾系统为试验平台，采用清水、烷基聚葡糖苷(APG08-10)和草甘膦助剂(EF8108-B)作为喷雾试剂，以温室栽种的生菜、黄瓜为靶标对象，开展了药雾靶标沉积试验研究、黄瓜叶片润湿特性和黄瓜叶片药液流失点的试验研究，并在此基础上建立黄瓜叶面的动态润湿模型和流失点响应面模型。从而为喷雾药液在靶标植株上沉积规律与润湿行为的分析和预测提供理论依据和技术基础。主要工作包括以下方面：
　　 1、试验在温室靶区内以盆栽生菜为植株靶标，以轴流风送高压静电喷雾系统为施药装置，在相同的风机频率、喷雾压力和喷雾流量条件下，通过改变喷头高度和充电电压对风送的药雾进行靶标沉积试验，分析药雾在靶区和靶标上的分布量及沉积规律。结果表明：沿风送轴线上距喷头150～200cm靶区内的药雾沉积量都出现一个沉积高峰区；随着充电电压的增大，植株靶标上的药雾沉积量明显增加，荷电后的药液雾滴在风送射程和喷幅内的靶标沉积率显著提高；喷头高度对靶区及靶标的沉积影响十分明显，65cm喷头高度的沉积分布质量明显优于50cm和30cm喷头高度的。为了获得较好的雾滴沉积分布，喷头高度离目标的垂直距离不应低于50cm；此外，轴流风送式喷雾具有较强的方向性，在200～500cm的喷幅距离内具有良好的对靶适应性，而大于200mL沉积量的药液主要密集分布在距离喷头150cm处。
　　 2、实验采用悬滴法测量不同质量百分数烷基聚葡糖苷(APG)水溶液在气-液界面上的平衡表面张力，同时运用CCD数字摄像技术可视化观察其在黄瓜叶面上的动态润湿过程。根据Tanner法则，拟合出APG水溶液在黄瓜叶面（叶片正面和背面）铺展直径与时间以及浓度的关系曲线。结果显示：质量百分数为14.35％～85.78％的APG水溶液在黄瓜叶面的动态接触角在均在前2s内急剧下降，之后逐渐趋于稳定。此外，APG水溶液各浓度体系铺展直径与时间的关系均很好的符合幂次法则，且幂值a均小于0.1。
　　 3、实验采用CCD数字摄像技术，测定草甘膦助剂(EF8108-B)水溶液在不同浓度体系(质量百分数为16.08％～82.14％)下，液滴在黄瓜叶面上的动态润湿参数值。结果显示：EF8108-B液滴在黄瓜叶面的接触角没有随着浓度的增大呈现接触角降幅增加的趋势；22.33％浓度的EF8108-B水溶液在黄瓜叶面显示了较好的铺展性能；无论在黄瓜叶片正面还是背面，各浓度体系的EF8108-B水溶液在黄瓜叶面的液滴高度均在前2s内急速下降，之后液滴高度下降平缓并逐渐趋于稳定；随着时间的增加，各浓度体系EF8108-B水溶液在叶面上的液滴面积整体呈减小趋势，但部分浓度液滴面积会出现略微增加的现象。
　　 4、基于时间序列的预测分析方法，建立了EF8108-B水溶液在黄瓜叶面动态润湿的各类模型。根据自相关和自回归法、滑动平均法和指数平滑法，分别建立了动态接触角模型、动态液滴尺寸模型和动态液滴形状模型。并且对动态润湿过程中液滴尺寸、液滴形状和接触角的三维关系曲线进行了模拟。根据趋势面分析原理与方法，构建了黄瓜叶面动态接触角的三维趋势面模型。并对相关参数进行了分析和确定，根据实验观测数据对所构建的模型进行了验证，结果表明模型达到一定的可靠性和准确性。
　　 5、试验在温室靶区内以黄瓜叶片为靶标对象，采用微称量法测量喷雾药液在黄瓜叶片上的流失点与最大稳定持留量。引用润湿方程的基本理论，对影响持药液留量的因素，包括喷雾距离、充电电压及雾滴叶面接触角等分别进行了分析。根据Zisman提出的测定植物临界表面张力方法，绘制了黄瓜叶片临界表面张力的Zisman图。结果表明：随着喷雾距离的增加，药液在黄瓜叶片上的流失点和最大稳定持留量先上升后下降，最大值均出现在距离喷头125cm处；药液雾滴在黄瓜叶片上的接触角θ、粘附张力β、粘附功Wa和临界表面张力γo的稳定值分别为85.07°、6.17mN/m、77.97mJ/m2、61.23mN/m;小于黄瓜叶片临界表面张力的药液才利于在黄瓜叶片上润湿展布和沉积持留。
　　 6、试验基于响应面方法，在正交试验和单因子试验的基础上，采用2因子5水平中心组合设计方案，分析与评价充电电压U、喷雾压力p、喷头高度H以及喷雾流量Q这4项因子对黄瓜叶片药液流失点的影响，建立温室内高压静电喷雾条件下黄瓜叶面药液流失点的二次响应面模型，并对模型进行了分析和验证。结果显示：充电电压U、和喷雾压力p是黄瓜叶片药液流失点的显著影响因子，其中充电电压U对流失点的影响最大。此外，不同充电电压U和喷雾压力p的组合对黄瓜叶片药液流失点的影响差别较大，流失点范围从6.942～11.452μL·cm-2。雾滴荷电后，在较大的喷雾压力下能获得较高的叶片药液流失点。试验优化得出的取值范围为喷雾压力p在0.25～0.55MPa之间，充电电压U在20～40kV之间。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 药液在靶标上沉积规律研究进展

1.2.2 药液在靶标叶片上润湿性研究进展

1.3 本文的研究内容

第二章 药雾靶区靶标沉积试验与分析

2.1 静电喷雾对靶标沉积效果影响概述

2.2 试验材料与方法

2.2.1 试验平台与施药装置

2.2.2 试验设计与测量方法

2.2.3 样本统计方法与计算

2.3 靶区沉积量及其分布

2.3.1 不同喷头高度对靶区沉积量的影响

2.3.2 不同充电电压下靶区沉积量的样本统计

2.4 靶标沉积量及其分布

2.5 沉积量随距离变化的关系曲线

2.5.1 靶区沉积量分段拟合曲线

2.5.2 靶标沉积量分段拟合曲线

2.6 小结

第三章 液滴在黄瓜叶片上的润湿性能

3.1 与植物叶片润湿性能有关的基本概念

3.2 实验材料与方法

3.2.1 试剂与材料

3.2.2 实验设计

3.2.3 测量方法

3.3 液滴在黄瓜叶片上的润湿性能

3.3.1 不同浓度APG水溶液的表面张力

3.3.2 液滴在黄瓜叶片上的接触角

3.3.3 液滴在黄瓜叶片上的动态接触角

3.3.4 液滴在黄瓜叶片上的前进角与后退角

3.3.5 液滴在黄瓜叶片上的铺展直径

3.4 小结

第四章 黄瓜叶片动态润湿模型的构建

4.1 时间序列预测分析概述

4.2 时间序列数据采集与测定

4.3 动态接触角模型

4.3.1 动态接触角时间序列

4.3.2 自相关与自回归分析

4.3.3 模型参数及其确定

4.3.4 模型的验证

4.4 动态液滴尺寸模型

4.4.1 动态液滴尺寸时间序列

4.4.2 滑动平均值分析

4.4.3 模型参数及其确定

4.4.4 模型的验证

4.5 动态液滴形状模型

4.5.1 动态液滴形状时间序列

4.5.2 指数平滑分析

4.5.3 模型参数及其确定

4.5.4 模型的验证

4.6 动态润湿三维曲线模拟

4.6.1 动态液滴尺寸与接触角

4.6.2 动态液滴形状与接触角

4.7 动态润湿三维趋势面模型

4.7.1 趋势面分析原理与方法

4.7.2 趋势面模型参数与检验

4.7.3 动态接触角趋势面模型

4.8 小结

第五章 黄瓜叶片药液流失点与响应面模型

5.1 作物叶片流失点与润湿方程概述

5.2 药液在作物叶片上持留量的测定

5.3 黄瓜叶片药液持留量与影响因素分析

5.3.1 黄瓜叶片药液流失点

5.3.2 黄瓜叶片最大稳定持留量

5.3.3 接触角与粘附张力和粘附功

5.3.4 黄瓜叶片临界表面张力

5.4 黄瓜叶片药液流失点响应面模型的建立

5.4.1 正交试验设计方案

5.4.2 中心组合试验设计

5.4.3 响应面模型的建立

5.4.4 响应面模型的验证

5.5 小结

第六章 研究工作总结与展望

6.1 主要研究工作总结

6.2 本研究的创新点

6.3 存在的问题与展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的论文与参加的科研工作

一、 发表的论文

二、 参加的科研工作

三、 获奖情况