0、 引言

目前，農林病蟲害防治仍以化學防治為主，但其副作用也不容忽視，殘留在環境中農藥有害物質嚴重影響了自然環境。大量散失的農藥揮發到空氣中，流入水體中，沉降聚集在土壤中，不僅污染農畜漁果產品，還會通過食物鏈的富集作用轉移到人體，對人體產生危害。隨著高毒化學農藥逐步減少，生物農藥的應用越來越被關注。生物農藥是一種包括生物產生的天然活性物質、生物活體以及按天然物質的化學結構或類似衍生結構而人工合成的農藥。生物農藥能控制和調節各種有害生物\\(包括植物、動物、微生物\\)的生長、發育和繁殖的過程，對人畜無毒無害。因此，采用生物農藥防治病蟲害將成為植物保護的重要手段之一。

美國最早擁有了由密歇根州立大學農業工程系研制的 Proptec 100 型生物農藥噴灑噴霧機，許多學者也進行了生物農藥噴灑技術研究\\(Patterson，2003;Brusselman，2011; Bagherpour，2012 等 \\)。研究結果顯示: 噴頭結構及霧化參數對生物農藥活性有直接影響，而轉籠噴頭在保證生物農藥活性的情況下可以減少噴灑流失量，確保生物農藥有效發揮作用。在我國，能夠滿足生物制劑噴灑的特殊需求的施藥機械的研究甚少。南京林業大學周宏平等研制了高射程生物農藥噴灑機及其轉籠霧化裝置，建立了轉籠噴頭霧化性能的多因素線性模型，并進行了模型擬合度檢驗，確定生物農藥噴施裝備的結構參數和操作參數對于霧滴流場均勻性、霧滴粒徑分布、生物農藥活性的影響。在實際作業中，更多采用常規的化學農藥噴灑機具進行噴灑作業，造成生物農藥中含有的大量菌核、菌 ALL 及孢子等活性物質不再具有活性，很難達到防治病蟲害的需求。但是，為更好地發揮生物效應，設計了一種基于常規背負式噴霧機的、采用水霧與生物農藥后置混合法的便攜式生物農藥噴灑裝置，并就生物農藥與水的混合特性、噴灑時的工作參數\\(工作壓力、流量\\) 等對微生物農藥活性的影響程度進行了試驗研究，力求獲得液體流量和生物農藥量的最佳混合參數組合，適應生物農藥噴灑的要求。

1、 生物農藥噴灑裝置

生物農藥噴灑機\\(ZL201220195429． 7\\)由發動機、離心風機、背負架、操縱機構、清水霧化器和生物藥粉吹出器等組成，如圖 1 所示。工作時，離心風機產生的一部分氣流送入水箱，將水壓入輸水管，經過噴嘴后霧化成水霧; 另一部分氣流進入導風管，并在分流位置被分流成兩股\\(如圖 2 所示\\) ，一股進入生物藥箱，迫使藥箱中的生物藥粉均勻從藥箱出藥口吹出，另一股將落下的生物農藥研直管中吹到出藥口處，并使生物農藥沿著運動方向與水霧混合，并不影響其活性?；旌虾蟮纳镛r藥霧滴在氣流和水壓的推動下落向靶標，并由于生物農藥變得濕潤而不宜被吹散，提高生物農藥防治病蟲害的效果。其中，發動機、離心風機、背負架、操縱機構相似于機動式噴霧器的結構，這里不再詳述。

清水霧化器包括輸水管和霧化噴嘴。輸水管采用直徑為 8mm，長度為 420mm 的空心不銹鋼管，與霧化噴嘴采用螺紋連接; 輸水管的另一端通過輸水軟管與水箱出口緊密相連，不允許漏液。霧化噴嘴為液力霧化噴頭，噴霧壓力為 0． 1 ～ 0． 3MPa，流量為 0． 4～ 0． 9L / min。

生物藥粉吹出器包括容置生物藥粉的藥箱、直管、藥量調節閥。藥箱與直管、進風口和出藥口一體注塑成型，直管總長度為 600mm，高度為 100mm，兩端為弧形結構，防止生物農藥堆積; 藥箱設置在距離直管進風口側 1/3 位置處，通過出藥口和直管相連通，藥箱進風口和進風口之間通過直管壁體內的內管道連通; 藥量調節閥設置在藥箱出藥口處; 直管和藥箱設有內管道，其寬度為 10mm，來自離心風機產生的一小部分氣流可以通過內管道送入藥箱，迫使藥箱中的生物藥粉均勻從藥箱出藥口吹出; 通過控制藥量調節閥可以控制閥瓣開啟的大小控制生物藥粉的通過量，從而控制用藥量; 直管內側可用來固定輸水管，霧化噴嘴設置在輸水管的端部，其朝向與出藥口相仿，相對位置接近。

2、 試驗研究

對于本文設計的生物農藥噴灑裝置而言，藥水混合性能、混合后霧滴粒徑、均勻性、運動特性及生物農藥的活性是評價生物農藥噴灑質量的主要指標。在相同噴灑條件下，霧滴直徑越小、藥水混合越均勻、定向運動特性越好，越可保證生物活性，那么生物農藥將向著靶標運動，并滲入微細空隙粘附在植株上，流失較少，防治效果好。

2． 1 藥水混合性能試驗

影響藥水混合性能的主要因素是藥和水的流量以及藥和水混合時的粒子運動速度，而藥和水混合時的壓力是獲得不同藥和水粒子速度的主要原因。因此，可以用流量比 q 、壓力比 h 、混藥效率 η 的關系來評價藥水混合性能。

流量比 q 是藥的質量流量與水體積流量之比，定義為q = qp/ qw\\(1\\)其中，qw為水的體積流量，可通過操縱機構的閥門來控制，密度為 1． 0kg/m3; qp為藥的質量流量，可通過藥量調節閥來控制。

壓力比 h 是反映射流混藥裝置壓力損失的一個無量綱參數。壓力比大，表明壓力損失小。定義為h = Pt·Pn/ Ph\\(2\\)其中，Pt為噴水壓力; Pn為噴藥壓力; Ph為水藥混合壓力。

這里認為，生物農藥隨氣流運動的跟隨性很好，因而風機產生氣流在直管出口處壓力可看作噴藥壓力。噴水壓力主要是由風機氣流對藥箱內液體產生的壓力決定，同時也與清水霧化液力噴頭所需的噴霧壓力有關。試驗時，選擇 TeejetTXVK－6 型空心圓錐液力霧化噴頭\\(所需最小噴霧壓力 0． 1MPa，即刻打開噴頭溢流閥，正常實現噴霧\\) ，則當風機氣流對藥箱內液體壓力超過噴頭的最小噴霧壓力越多時，溢流閥打開得越充分，霧滴霧化效果和流量會發生變化。因此，在試驗條件下，改變便攜式生物農藥噴灑機的電機轉速，從而改變離心風機的葉輪轉速，相應地可以改變離心風機產生的氣流壓力，從而獲得不同的噴水壓力和噴藥壓力。其中，噴藥壓力可以通過皮托管測試噴藥出口處氣流壓力; 噴水壓力可以通過在流體進入噴頭前的管路中設置一個流體壓力傳感器來獲得;水藥混合壓力可以采用在噴口前端設置帶有 MＲZ42接觸力傳感器的靶標，按照混合后液體對靶標的沖擊壓力來測得。

混藥效率 η 是射流混藥裝置的壓力比與流量比的乘積，定義為η = hq \\(3\\)

2． 2 霧化性能試驗

圖 3 所示為霧化性能測試原理，測量不同清水流量\\(0． 8L/min，0． 4L/min\\) 、生物農藥流量\\(50g/min，25g / min \\) 及 風 機 的 轉 速 \\(2500r / min，3500r / min，4500r / min\\) 條件下的藥水混合形成霧滴的霧流場和霧滴粒徑特性。圖 3 中的 6 和 7 是 PIV\\(美國 TSI，片光源面上速度精度 0． 1% ，穿過片光源面方向 0． 2% ，測速范圍 0 ～ 1 000 m/s\\) 或激光粒度儀\\(中國濟南微納，30 通道，測試范圍 4． 6 ～ 323μm\\) 的激光接收端和發射端。通過 PIV 測量系統可以獲得不同參數下的流場圖，從而可以分析生物農藥粒子在不同參數下的混合均勻性和運動特性; 通過激光粒度儀測試系統，分析不同操作參數對于霧滴體積中徑 VMD\\(volumemedian diameter\\) 的影響。試驗裝置距離地面高度為 1． 25m，激光測試單元設置于距離噴頭噴射方向 0． 5m 位置處，激光發射方向與噴頭及生物農藥噴射方向垂直。測試過程中室溫恒定，試驗介質為清水，每組試驗重復 3 次。試驗所用噴頭為 TeejetTXVK－6 型空心圓錐液力霧化噴頭，噴頭孔徑為 0． 8mm。

2． 3 生物農藥活性試驗

生物農藥活性是判斷生物農藥噴施裝備發揮有效噴灑的主要依據。本文就風機轉速對蘇云金桿菌活性的影響進行了試驗，檢測噴施后生物農藥的孢子存活率，以保證生物制劑有效控制病蟲害。

1\\) 試驗方法: 改變影響藥水混合特性及生物農藥活性的風機轉速參數，觀察生物農藥的活性變化情況。為了保證數據的準確性，在同一種條件下，在噴霧角度范圍內放置 3 排培養皿，每排沿噴射方向放置3 個培養皿收集生物農藥，得到 9 組重復性數據。

2\\) 試驗設備: 除了生物農藥噴灑裝置和控制設備之外，還需人工氣候箱、電熱恒溫干燥箱、超凈工作臺、電子顯微鏡、高壓滅菌鍋等專用存放、消毒和檢測活性的設備。

3\\) 試驗試劑: 選取水作為蘇云金芽孢桿菌制劑的溶劑，每 500mL 制劑中加入 10% 經過濾的蘇云金芽孢桿菌發酵液，然后分別加入 2% 抗氧化劑苯甲酸鈉、1% Tween －20、2% 抑制劑十二烷基苯甲酸鈉，充分搖勻后，配成制劑，室溫保存備用。試劑的培養基采用 LB 培養基，具體配方為胰蛋白胨 10g/L、酵母提取物5g/L、NaCl 10g/L，用 NaOH 調節 pH 至7． 4，加入15g 瓊脂粉。

蘇云金桿菌孢子的活性可以用每毫升活菌數來表示，利用平板菌落計數法測定活性。用噴施 48h 后的蘇云金桿菌每毫升的活菌數除以未經噴施的活菌數，得到蘇云金桿菌的存活率。

3、 結果與分析

3． 1 藥水混合效率分析

如表 1 所示，通過試驗和計算獲得了生物農藥和清水的混合效率?？梢钥闯?，隨著風機轉速增大，藥和水的流量比、壓力比變化不大，而混合效率差別相對較大。當風機轉速為 3 500r/min 時，藥和水的混合效果最好，主要是因為轉速較低時\\(2 500r/min\\) 水和藥的流量都比較小，輸送生物農藥與水混合的氣流速度也比較小，由于藥和水本身重力作用，不能完全進行混合; 當風機轉速為 4 500r/min 時，水噴射霧化的壓力和藥被氣流輸送的速度均比較大，二者在出口處來不及完全混合。但從整體來看，生物農藥和水的混合效率都在 90% 以上，說明本文設計的后混式生物農藥噴灑裝置能夠滿足生物農藥噴灑的需要。

3． 2 霧滴流場分析

運用 PIV 測試系統對生物農藥噴灑的均勻性及運動特性進行了測量，生物農藥噴灑流場測試結果顯示在圖 4 中。其中，圖 4\\(a\\) 、\\(b\\) 、\\(c\\) 是在清水控制閥門和藥量調節閥全開條件下改變風機轉速分別為 2 500、3 500、4 500r/min 時得到的，圖 4\\(d\\) 是在風機轉速為 4 500r/min、清水控制閥門和藥量調節閥半開時得到的結果。

試驗結果可知: 調節清水控制閥門和藥量調節閥控制位置相同時，隨著風機轉速的增大，霧滴的速度增加，霧滴譜均勻，噴霧效果較好。當調節清水控制閥門和藥量調節閥半開時，水量和藥量均減少，同樣在 4 500r/min 的風機轉速條件下，霧滴速度明顯增加，霧滴運動速度分布不均勻，沿著噴頭噴射的軸向方向霧滴運動速度相對較大。

3． 3 霧滴粒徑測試試驗

選用激光粒度分析儀進行藥水混合后的霧滴粒徑測量和粒徑分布分析。工作過程中，在距離噴頭50cm 處分別對 3 種風機轉速下的霧滴體積中徑 VMD進行了測量，測量結果如表 2 所示。清水流量和生物農藥流量對霧滴體積中徑有一點影響，但影響不大;霧滴體積中徑與風機轉速相關性較高; 霧滴平均體積中徑隨著風機轉速的增大變小，擴散比變小，說明霧滴尺寸更均勻。

小霧滴容易飄移，但是在風機氣流的作用下，即使是小于 100μm 的小霧滴也有較高的定向運動速度，因此不容易飄移。此外，在施藥量相同的情況下，霧滴直徑越小，霧滴數目越多，覆蓋面積大且均勻，滲入微細空隙粘附在植株上的霧滴多，流失少，防治效果就比較優良。

3． 4 生物農藥活性試驗

生物農藥的存活率受到很多因素的影響，如溫度、濕度、風速等因素; 另外，試劑的配比、濃度、是否添加油劑等因素也影響其活性成分的保持; 即使不經過霧化，生物農藥本身的活性也不到 100% 。在不同風機轉速下對蘇云金桿菌的活性進行測試，實驗數據如表 3 所示。

由表 3 中可計算出，3 種轉速下平均活性分別為90． 44% 、91． 22% 、93． 67% 。轉速對于活性的影響的相關系數為－0． 382，產生負相關系數，表明轉速越大，蘇云金桿菌的相對活性越低。這是由于在轉速變大后，氣流增加，強氣流對于孢子的損害程度變得嚴重。

但就整體活性而言，最低為 90． 44% ，說明采用這種藥水后混式的生物農藥噴灑方式的生物農藥相對活性的絕對數值比較高，效果比較理想。

4、 結論

1\\) 開發了基于背負式機動噴霧器的生物農藥噴灑機，并著重對包括清水霧化器和生物藥粉吹出器在內的藥水混合裝置進行了設計。

2\\) 該便攜式生物農藥噴灑裝置在風機正常運轉條件下，生物農藥和水的混合效率都在 90% 以上，能夠滿足生物農藥噴灑的需要。

3\\) 在噴孔直徑為 0． 8mm 時，隨著風機轉速的增加，霧滴流速較高，霧滴粒徑變小，分布均勻，容易沿著氣流大方向做定向運動，可以達到比較滿意的生物農藥噴灑效果。

4\\) 生物農藥活性最低為 90． 44% ，采用這種藥水后混式的生物農藥噴灑方式的生物農藥相對活性的絕對數值較高，噴灑效果好。

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