林业科学  2012, Vol. 48 Issue (4): 75-80   PDF    
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舒朝然, 潘宏阳, 周宏平, 詹敏, 梅爱华, 茹煜, 贾志成, 陈国发
Shu Chaoran, Pan Hongyang, Zhou Hongping, Zhan Min, Mei Aihua, Ru Yu, Jia Zhicheng, Chen Guofa
航空静电喷雾与非静电喷雾沉积效果的比较
Deposition Effects of Electrostatic and Non-Electrostatic Aerial Spray
林业科学, 2012, 48(4): 75-80.
Scientia Silvae Sinicae, 2012, 48(4): 75-80.

文章历史

收稿日期:2010-07-05
修回日期:2010-11-22

作者相关文章

舒朝然
潘宏阳
周宏平
詹敏
梅爱华
茹煜
贾志成
陈国发

航空静电喷雾与非静电喷雾沉积效果的比较
舒朝然1, 潘宏阳1, 周宏平2, 詹敏3, 梅爱华4, 茹煜2, 贾志成2, 陈国发1    
1. 国家林业局森林病虫害防治总站 沈阳 110034;
2. 南京林业大学 南京 210037;
3. 沈阳农业大学 沈阳 110161;
4. 湖北省荆州市森林病虫害防治检疫站 湖北 荆州 434100
摘要: 利用直升机R44和固定翼飞机Y5B挂载自主研制的航空静电喷雾系统设备进行机场和野外航空静电喷雾与非静电喷雾的比较试验。结果表明:静电喷雾在地面和空中靶标表面、树冠中上部叶片正面的沉积效果明显优于非静电喷雾:雾粒细小、分布均匀、沉积密度提高1倍以上,最高达1.75倍; 直升机静电喷雾在叶片背面的沉积率为非静电喷雾的2.15倍,是常规航空喷雾的3.31倍。Y5B静电喷雾在叶片背面的沉积率为非静电喷雾的2.38倍,是常规航空喷雾的3.44倍。
关键词:航空静电喷雾    非静电喷雾    雾滴沉积    
Deposition Effects of Electrostatic and Non-Electrostatic Aerial Spray
Shu Chaoran1, Pan Hongyang1, Zhou Hongping2, Zhan Min3, Mei Aihua4, Ru Yu2, Jia Zhicheng2, Chen Guofa1    
1. General Station of Forest Pest Management of State Forestry Administration Shenyang 110034;
2. Nanjing Forest University Nanjing 210037;
3. Shenyang Agricultural University Shenyang 110161;
4. Jingzhou Station of Forest Pest Control and Quarantine of Hubei 434100
Abstract: In this study, we compared the aerial electrostatic spray with non-electrostatic spray by helicopter R44 and fixed-wing aircraft Y5B equipped with an own-made aerial electrostatic spraying system. The results showed that the spray deposits on targets and leaves of tree crowns were notable enhanced comparing with the non-electrostatic and conventional aerial spray. The spray deposits were fine, uniform and the densities were 1.0~1.75 times higher than the non-electrostatic spray. Deposit rate of the electrostatic spray on the backs of leaves by helicopter R44 was 2.15 times of the non-electrostatic, and 3.31 times of the conventional aerial spray. The deposit rate of the electrostatic spray on the backs of leaves by the Y5B was 2.38 times of the non-electrostatic, and 3.44 times of the conventional aerial spray.
Key words: aerial electrostatic spray    non-electrostatic spray    spray deposit    

航空静电喷雾过程中带电雾滴在空中向地面靶标运动时, 其运动轨迹和特性很难用简单的数学方法来描述, 而航空静电喷雾的沉积效果最终只能通过雾滴在靶标表面的沉积试验并与非静电喷雾或常规航空喷雾作比较来进行评判。在航空静电喷雾试验研究中,国外开展得比较早。美国的Kirk、Hoffmann和Carlton,利用同一架Cessna农用飞机分别挂载航空静电喷雾设备和常规航空喷雾设备,对棉花(Gossypium sp.)进行了航空静电喷雾和常规喷雾防治害虫的对比试验(Carlton et al., 1995),结果表明:在作物冠层和中层的叶片正面,航空静电喷雾和常规航空喷雾得到的雾滴沉积覆盖率分别为34.5和29.6 ng·cm-2,优势并不明显。但在叶片背面,前者是3.7 ng·cm-2,后者仅为2.1 ng·cm-2,航空静电喷雾的优势明显。在防治效果都达到要求的条件下,航空静电喷雾和常规航空喷雾的喷洒药液量分别为为9.4 L·hm-2和46.8 L·hm-2,航空静电喷雾喷洒液量仅为常规航空喷雾的1/5。在美国明尼苏达,Ostile(2005)应用航空静电喷雾技术防治大豆蚜(Aphis glycines)并与常规航空喷雾作比较,结果表明:航空静电喷雾3.79 L·hm-2的喷洒液量与常规航空喷雾3.79~18.95 L·hm-2的喷洒液量所得到的大豆(Glycine max)冠层沉积覆盖率及其对蚜虫的防治效果近似。澳大利亚的农业专家应用航空静电喷雾防治大豆锈病(Phakopsora pachyrhizi),不仅防治作业时间比常规航空喷雾大大缩短,而且发现航空静电喷雾的体积中径为150 μm左右的雾滴防治大豆锈病的效果明显好于常规航空喷雾的200~300 μm的大雾滴。我国在这方面的起步很晚。2005年新疆通用航空公司从美国购进一套航空静电喷雾系统设备,安装在Y5B-3106飞机上试飞并进行农林作业试验,结果表明航空静电喷洒效果良好(栾华等,2006)。自2006年以来,笔者对国外航空静电喷雾系统技术进行了系统研究,利用国产Y5B和进口R44直升机挂载自主研制的航空静电喷雾系统设备做了一系列的机场与野外喷雾试验。本文主要就航空静电喷雾的沉积效果与非静电喷雾和常规航空喷雾作一比较研究。

1 材料与方法 1.1 喷洒液染色材料

本试验所用染色剂为2种,一种为荧光素钠,另一种为曙红,这2种染料的使用特点是亲水、易溶,光稳定性良好,无毒无害,不污染环境和水源,可用于生物组织染色,也可用于食品加工; 使用剂量为500 mg·kg-1即可有效染色; 粉末状固体,携带方便。

1.2 靶标材料

机场试验使用靶标材料为普通A4复印纸或工程复印纸,林间试验以树冠叶片为靶标。

1.3 试验设备

机种:美国进口罗宾逊R44直升飞机(隶属于荆州同诚通用航空有限公司)、国产Y5B(固定翼)农用飞机(隶属于江苏省徐州农用航空站)。

喷雾装置:自主研制的国产航空静电喷雾系统(单喷嘴航空静电喷头28个、双喷嘴航空静电喷头50套(100个喷嘴)和1对正、负直流高压高频开关电源及电极连接线)、储液箱、汽油机加压液泵、风动泵。

风速仪。

雾滴沉积观察用便携式紫外灯或蓝光灯(如验钞票用荧光灯或蓝光灯)。

1.4 试验条件

1) R44直升机航空静电喷雾效果测试于2007-12-20—26在湖北省荆州市沙市区南航机场进行。环境温度10~15 ℃; 相对湿度55%;风力2~3级; 横喷管总长度12 m,左、右2翼各长5.5 m,共安装单喷嘴静电喷头28个,左、右两翼各14个; 药箱载液量每架次200 kg; 喷雾压力0.15~0.25 MPa; 每喷嘴流量0.5~0.8 L·min-1; 作业高度8~10 m(距地面); 飞行速度70~80 km·h-1

2) 国产Y5B航空静电喷雾试验于2008-10-27—30在江苏徐州农用航空站杨庙机场进行。环境温度28~30 ℃; 环境湿度55%,风力2~3级;横喷管总长度20 m,左、右两翼各长10 m,共安装双喷嘴航空静电喷头50套(100个静电喷嘴),左、右2翼各25套; 药箱载液量每架次800 kg,喷雾压力0.15~0.2 MPa,每套喷头流量1.2~1.8 L·min-1; 作业高度5~8 m,飞行速度155 km·h-1

3) R44直升机航空静电喷雾林间试验于2008-09-28—29在湖北省嘉鱼县簰洲湾大叶杨(Populus lasiocarpa)速生丰产林中进行,用于防治杨小舟蛾(Micromelalopha troglodyte)。天气晴,环境温度30~35 ℃,环境相对湿度55%,风力2~3级。

4) 国产Y5B飞机航空静电喷雾林间试验于2009-07-19在江苏徐州市沛县所属微山湖杨树防护林带进行,用于防治杨小舟蛾。天气晴,环境温度30~35 ℃,环境相对湿度65%,风力1~2级。

1.5 试验方法 1.5.1 曙红染色剂标记试验

1) 有效喷幅、雾滴飘移性的测定 喷幅测定试验过程喷雾溶液用水做介质,在水中以1.0~1.5 g·L-1的浓度比例加入曙红水基染料。为了能够比较准确地测定与飞机配套的静电喷洒设备的有效喷幅,先后在机场内地面设置2个面积为10 m×70 m的试区,分别为静电喷雾试区和非静电喷雾试区,2个试区相距100 m左右。试区地面上每隔1 m放置1块A4复印纸作为靶标,并按顺序编号。同一架次飞机先后对2个试区进行相应的航空静电喷雾和非静电喷雾,飞行方向与地面长方形试区的长边保持垂直,并且机身应限制在中间区内。喷雾30 min后再分别收集2个试区的地面靶标样品,室内直接肉眼观察、统计、记录各编号靶标上的彩色雾滴沉积情况。凡平均雾滴沉积密度≥5个·cm-2的靶标,其所在的位置均在有效喷幅范围之内,由此可大致判定静电喷雾和非静电喷雾的有效喷幅和雾滴漂移情况。

2) 曙红水溶液雾滴沉积效果试验 (1)地面靶标的雾滴沉积效果测试:方法同上,在同一架次测定有效喷幅和雾滴飘移性的同时,观察、统计和记录静电喷雾和非静电喷雾情况下靶标复印纸上彩色斑点的分布密度、大小和均匀度等; (2)空中靶标的雾滴沉积效果测试:该试验是分别在与静电试区和非静电试区相邻的地方建立如图 1所示的空中靶标树木模型,分别作为静电喷雾试验和非静电喷雾试验的空中靶标树木模型。如图 1所示:每隔2 m位置,一个喷幅范围(30m宽)内立2个木杆,这样需要10个木杆,在喷幅方向的两个木杆之间用细铁丝连接,在细铁丝上布置5个以上编号的复印纸卡,用夹子夹紧。靶标固定尽可能使其像树叶一样一面朝上。同一架次分别对2个空中靶标树木模型进行航空静电喷雾和非静电喷雾。飞机沿着图示方向飞行,航高为5~8 m,以作业速度掠过试验区,30 min后收集靶标样品并保存。观察、统计和记录靶标上彩色斑点的疏密情况,并比较静电喷雾与非静电喷雾沉积效果的区别。

图 1 静电喷雾试验与非静电喷雾试验空中靶标树木模型 Fig.1 Trees model of aerial targets for the aerial electrostatic spray and non-electrostatic spray
1.5.2 荧光素钠标记雾滴沉积效果试验

1) 地面靶标沉积试验与上述地面靶标雾滴沉积试验相似,在有效喷幅、雾滴飘移测定试验设置的静电试区和非静电试区,按1.5 m×1.5 m株行距布设A4复印纸。喷雾溶液用水做介质,以1.0~1.5 g·L-1的浓度比例加入荧光素钠。同一架次先后对2个区域进行相对应的静电喷雾与非静电喷雾,30 min后收集地面靶标样品,在室内8 W以下便携式紫外灯或蓝光灯下观察、统计各编号靶标上的荧光光斑的疏密程度、密度、大小和分布均匀度,比较非静电喷雾与静电喷雾2种情况下的雾滴的沉积效果。

2) 空中靶标沉积试验与1.5.1中空中靶标雾滴沉积测试试验方法相似,同一架次先后对2个空中靶标树木模型进行相对应的静电喷雾和非静电喷雾,30 min后收集靶标样品,样品观察、统计方法与地面靶标沉积试验相同。

1.5.3 静电喷雾林间试验

依据当地林区图和林地勘察确定试验林区,试验林区划分为3个试验区,即静电喷雾区、非静电喷雾区和常规航空喷雾区,利用GPS定位分别标定这3个试验区的方位,以便飞机喷洒时准确覆盖。试验时喷洒液按0.5%的比例加入荧光素钠。航空静电喷雾和非静电喷雾使用同一套航空静电喷雾系统设备,静电喷雾时打开静电高压电源,非静电喷雾时关闭静电高压电源。而常规航空喷雾则使用常规航空喷雾设备。飞机喷雾过后分别在3个试验区随机选取10株树木(高度和大小适中,以便于高枝剪采集样品),利用高枝剪随机采摘各株树冠的上、中、下部的4个方位的小枝并编号带回室内,以供采集叶片在蓝光灯下观察、统计荧光雾滴在叶片上的分布状况和沉积密度。

2 结果与分析 2.1 雾滴沉积状况 2.1.1 静电喷雾有效喷幅

对于R44直升机(安装28个单喷嘴航空静电喷头),静电喷雾有效喷幅大约为33 m左右。而非静电喷雾有效喷幅大约为29 m左右; 对于Y5B飞机(安装50套电极外置式双喷嘴航空静电喷头),静电喷雾有效喷幅大约为42 m左右。而非静电喷雾有效喷幅大约为39 m左右。

2.1.2 静电喷雾飘移性

离有效喷幅中线30 m距离之外几乎看不到有彩色雾滴沉积。而非静电喷雾条件下,离有效喷幅中线30 m距离之外有彩色雾滴沉积,甚至在下风向40~50 m之外还能看到彩色雾滴沉积; 经过实际测算,与非静电喷雾比较,静电喷雾可减少雾滴漂移损失40%以上。

2.1.3 静电喷雾沉积

图 2图 3所示:静电喷雾与非静电喷雾条件下的雾滴沉积状况有明显的差异,静电喷雾条件下靶标上沉积的雾滴彩色斑点的大小和分布都比较均匀,而且分布密度较大; 非静电喷雾条件下靶标上沉积的雾滴彩色斑点的大小和分布不均匀,分布密度较小。表 1表 2表 3的比较说明:静电喷雾条件下的雾滴在靶标表面的沉积比较均匀,雾粒较小,沉积密度提高1倍以上,最高达1.75倍。这说明航空静电喷雾过程中,静电引力作用导致大量雾滴作定向沉积运动,大量减少了雾滴漂移损失,从而大幅提高了雾滴在靶标表面的沉积量(闻建龙等,2000)。这与室内和地面简单静电喷雾效果试验所得出的结果和规律是吻合的。

图 2 对应位置靶标上静电喷雾与非静电喷雾荧光染色雾滴的沉积效果 Fig.2 Deposit effects of the aerial electrostatic spray stained by fluorescein sodium on the corresponding located targets 1, 2, 3:静电喷雾Electrostatic spray; 4, 5, 6:非静电喷雾Non-electrostatic spray下同The same below
图 3 对应位置靶标上静电喷雾与非静电喷雾曙红染色雾滴的沉积效果 Fig.3 Deposit effects of the aerial electrostatic or non-electrostatic spray stained by eosine on the corresponding located targets
表 1 R44直升机航空静电喷雾与非静电喷雾对地靶标沉积效果比较 Tab.1 The comparison of the deposit effects on the horizontal targets between the aerial electrostatic spray and the non-electroctatic by helicopter R44
表 2 R44直升机静电喷雾与非静电喷雾空中靶标雾滴沉积效果比较 Tab.2 The comparison of the deposit densities on the space targets between the aerial electrostatic spray and the non-electrostatic by helicopter R44
表 3 Y5B飞机静电喷雾与非静电喷雾有效喷幅范围和雾滴沉积密度比较 Tab.3 The comparison of the deposit densities and effective widths on the horizontal targets between the aerial electrostatic spray and the non-electrostatic by Y5B
2.1.4 静电喷雾与非静电喷雾对树木冠层的覆盖率比较

静电喷雾与非静电喷雾和常规航空喷雾叶片表面试验结果如表 4所示。

表 4 林间航空静电喷雾与非静电喷雾、常规航空喷雾雾滴的平均沉积密度比较 Tab.4 The comparison of the average deposit densit on the leaves between the aerial electrostatic spray, non-electrostatic and conventional spray with R44 and Y5B

表 4可知:无论直升机或是Y5B,其静电喷雾在树冠上部和中部的叶片正面的雾滴沉积率显著高于非静电喷雾,特别是静电喷雾在叶片背面上的沉积率成倍高于非静电喷雾,如直升机静电喷雾在叶片背面的沉积率为非静电喷雾的2.15倍,是常规航空喷雾的3.31倍。Y5B静电喷雾在叶片背面的沉积率为非静电喷雾的2.38倍,是常规航空喷雾的3.44倍。此外,直升机航空静电喷雾沉积效果又明显好于Y5B,其原因可能是直升机喷雾作业时产生巨大的旋涡风对树冠有明显的翻动作用,使雾滴沉积覆盖面积更大(黄向东等,1998)。

3 结论与讨论

1) 与非静电喷雾效果比较,航空静电喷雾能明显减少雾滴的漂移损失,使有效喷幅范围扩大,并在有效喷幅范围内大幅提高雾滴在靶标表面的沉积密度; 在航空静电喷雾过程中,荷电雾滴的降落和沉积过程,不同于普通雾滴的自由落体运动。除了重力作用因素外,在荷电雾滴与靶标表面的反向电荷之间还形成了一种静电引力,这种静电引力和重力的共同作用导致雾滴向靶标作定向运动,其结果减少了漂移损失,显著增加了雾滴在靶标表面的沉积率,同时由于荷电雾滴所带电荷相同,使其在靶标表面沉积时不会聚集,其分布的均匀性显著提高(舒朝然等,2007)。

2) 与常规航空喷雾或非静电喷雾比较,航空静电喷雾在靶标表面的沉积率的成倍增加取决于两个方面,一是荷电雾滴由于静电引力作用作定向运动而减少了漂移损失,二是喷嘴周围附加的高压静电场使喷出液体破碎得更细小均匀,雾粒数量大幅增加,也明显增加了静电喷雾对靶标的覆盖面积。

3) 航空静电喷雾雾滴在植物隐蔽部位如树叶背面的沉积密度成倍高于非静电喷雾,这在一定程度上解决了非静电喷雾或常规喷雾时植物叶背面、冠内冠外雾滴沉积不均匀的问题(舒朝然等,2002)。这对提高杀虫杀菌效果很有意义,因为附着在植物叶片背面的害虫和病原微生物往往多于叶片正面,一般施药方法难以触及它们。

4) 近20年来,航空喷雾在我国森林病虫害防治中发挥了巨大作用。但常规航空喷雾的最大缺点是受气候影响大,造成喷雾漂移,使喷洒的大量药物不能沉积到靶标植物上。喷雾漂移是影响航空喷洒效果和造成环境污染、农药流失、浓药有效利用率低的一个重要原因(宋强等,2008吕晓兰等,2011),并导致严重的农药浪费和环境污染(舒朝然等,2002)。航空静电喷雾能较好地克服常规航空喷雾存在的缺点,显著提高农药有效利用率和防治效果,降低用药成本和作业成本,同时减少环境污染。因此,航空静电喷雾应是我国航空喷洒技术发展的主要方向之一,值得开发和大力推广应用。

参考文献(References)
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