高 荣，黄路生，文 晟，尹选春，张建桃,3

农药液滴在玉米叶片表面铺展面积的影响因素

高 荣1,2，黄路生1,2，文 晟2，尹选春2，张建桃1,2,3※

（1. 华南农业大学数学与信息学院，广州 510642；2. 国家精准农业航空施药技术国际联合研究中心，广州 510642；3. 农业农村部华南热带智慧农业技术重点实验室，广州 510642）

农药液滴在植物叶面上最大铺展面积，决定了农药有效成分作用范围、蒸发时间和叶面吸收效果。为了探究液滴粒径、农药润湿性能和叶面倾角对液滴在玉米叶面上铺展面积的影响机理，通过试验方式产生548、675、756、877、973m粒径的液滴，利用质量分数为0、0.005%、0.01%、0.1%的OP-10表面活性剂代表润湿性能不同的农药，设定叶面倾角为0°、15°、30°、45°、60°、75°，进行全因子试验。结果表明：液滴粒径、表面活性剂浓度、叶面倾角均对铺展面积影响显著（<0.001），三者增大均能提高液滴在玉米叶面上的最大铺展面积。在不同角度下，增大液滴粒径和溶液的润湿性能都能增加液滴在玉米叶面上的铺展面积。药液润湿性能差时，铺展面积随叶面倾角的变化不够明显，润湿性能较好时，铺展面积呈现出随叶面倾角先上升后下降的趋势，粒径为548m液滴铺展面积的最大值出现在叶面倾角45°左右。通过表面活性剂的单位浓度铺展面积评估了不同浓度的OP-10液滴的铺展能力，发现0.005%铺展能力大于其他浓度，说明在溶液中加入少量OP-10就可以显著改变溶液润湿性能。研究结果有助于理解叶面铺展润湿机理，并为通过调控农药润湿性能和药液粒径来实现农药减量增效提供了理论支撑。

农药液滴；润湿性能；铺展面积；表面活性剂；液滴粒径；黏附功

0 引 言

农药的低效利用导致大量化学成分进入生态环境，对空气、水体和土壤造成严重的污染，同时造成了许多资源浪费。农药施用主要通过喷雾方式[1-2]，然而大部分农药液滴极其容易在靶标叶片表面蒸发、反弹、滚落，大约只有0.1%的农药有效成分达到了施用目标[3]。农药液滴在植物叶片上的铺展面积影响农药有效成分的作用范围[4]、蒸发时间[5-6]和叶面吸收效果[7]。调控农药液滴在植物叶片上的铺展面积是提高农药利用率的有效途径，对实现农药减量增效和降低环境污染有重要作用。

农药雾滴在植物叶片表面的润湿性能是决定铺展面积的关键因素。植物叶片表面主要为外蜡质层，其化学成分[8-9]、表面拓扑形貌[10]及表面自由能等[2,11-12]，共同决定了植物叶面的被润湿能力。植物叶面特性是固有属性，在实际农业生产中很难通过改变叶面特性来提高农药雾滴的铺展面积，一般只能通过提高对不同叶面特性的认知水平来开发或选择适合的农药[12]。前人研究表明，在农药制剂中添加适宜的表面活性剂是提高药液对靶润湿的有效方法[11]。Xu等[13]研究了4种不同浓度的助剂在蜡质和多毛植物叶面上铺展、蒸发的过程，发现液滴的铺展面积随助剂浓度的增加而增加，并在一定浓度下达到峰值；不同种类的助剂在两种植物叶面上的最大铺展面积不同，通过调控助剂浓度和种类可以增加不同作物表面上的农药雾滴的覆盖面积，从而实现农药减量增效的目的。Kraemer等[14]将0.5和1L草甘膦溶液滴加到难润湿和易润湿的两种植物叶片表面上，液滴蒸发后观察液滴扩散面积和草甘膦残留痕迹，发现在难润湿叶片上，液滴体积从0.5增加至1L，其铺展面积仅略微增加；在易润湿叶片上，铺展面积显著增大；当在草甘膦溶液中加入表面活性剂时，两种叶片上的铺展面积都有所增大，但难润湿叶片上铺展面积增加更为明显。Oliveira等[15]研究了4种粒径的2,4-D除草剂液滴在杂草叶面的铺展。结果表明，800和950m的液滴显著增加了除草剂在了两种杂草叶表面的滞留量，且液滴滞留量与叶片表面特性和溶液的物理和化学性质高度相关。上述研究充分说明了液滴在植物叶面上的铺展面积与液滴粒径、溶液性质有关，且两者存在一定交互作用。在实际生产过程中农药液滴需要在不同角度的植物叶面上附着、铺展，目前有关液滴在植物叶面上铺展行为的研究大多集中于平面研究上，而对斜面上的液滴行为研究较少[16]。文献[17-20]研究发现，叶片倾角对液滴在植物叶面上的覆盖面积、覆盖率有显著影响，但试验均采用大规模喷雾方式，药液呈雾滴群形态撞击到植物叶面，液滴的粒径、飞行速度无法保持在同一水平，由粒径、速度造成的铺展面积增加无法评估，所以本文设计单液滴试验来保证液滴粒径和速度相对固定。

综上所述，研究倾斜叶片上的雾滴润湿展布现象对提高农药有效利用率和降低农药面源污染有重要的实际意义，但目前相关研究还不够充足。本文通过试验测定了不同浓度的非离子表面活性剂OP-10溶液在玉米叶面上的润湿性能，筛选出润湿性有明显差异的4种浓度，利用液滴发生器产生5种粒径的单个液滴，对其在不同倾角的玉米叶片上的铺展面积开展研究。分析液滴粒径、溶液润湿性能和叶面倾角对铺展面积的影响及其交互影响，以期为提高农药有效利用率提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验采用非离子表面活性剂OP-10（烷基酚聚氧乙烯醚，天津市科密欧化学试剂有限公司）配置成不同浓度的水溶液，用于改变液滴在玉米叶面上的润湿性能。OP-10是农药制剂中常用的润湿剂、展着剂，调控其浓度可以实现不同的润湿效果；染色剂诱惑红（纯度99%，河南祥意商贸有限公司）；去离子水；新鲜玉米叶片（品种为金香糯），取拔节期玉米叶片进行试验。

1.2 仪器与设备

全自动水滴角测试仪（型号CAPST-2000At，东莞市普赛特检测设备有限公司）；自动表面张力仪（型号EZ-Pi Plus，芬兰Kibron公司）；体式显微镜（型号SZX16，日本Olympus公司）；液滴发生器（Ultimus I-II型高精度点胶机，美国EFD公司，OLF750AF型气体压缩机，上海捷豹压缩机制造有限公司）；自制可调整角度的斜板。

1.3 研究方法

1.3.1 溶液表面张力及在玉米叶片上润湿性能测定

试验采用去离子水与OP-10试剂配制5种浓度的OP-10水溶液，质量分数分别为0.001%、0.005%、0.01%、0.05%、0.1%（溶液配置后2 h内完成试验）。然后，通过自动表面张力仪，使用Wilhelmy平板法，测量不同浓度溶液的表面张力，每种浓度重复测量10次，取平均值，试验温度为（25±1）℃，相对湿度（67±5）%。

接触角测定：取拔节期新鲜玉米叶片，沿玉米主叶脉对称剪下3×3 cm部分作为试验样本，保持自然状态平整地固定在全自动水滴角测试仪的载物台上，用微量注射器将2L液滴点滴在玉米叶面上，用全自动水滴角测试仪上的CCD摄像头每10 s摄下叶面上的液滴，输入电脑，用测试仪内置的拟合分析法计算出各浓度OP-10液滴在玉米叶面上90 s时的稳定接触角，测定时的温度为（25±1）℃，相对湿度（67±5）%。

根据热力学定义，在恒温恒压条件下，液滴在接触固体表面时会自动铺展，液-气界面取代固-气界面，黏附功W是指液体润湿固体界面的过程需要做的功，它是液体能否润湿固体的一种度量[21]。

式（1）为热力学表达式，其中W为黏附功，J/m2；γ、γ、γ分别为固-气、液-气、固-液界面张力，mN/m。

当液滴的三相接触线处达到应力平衡状态时，根据Young氏方程可得[22]

式（1）、式（2）联立得到黏附功

式中为接触角，（°）。

1.3.2 液滴发生器粒径校准方法

液滴发生器[15,23]由高精度点胶机和空气压缩机构成，液滴发生器能够产生200～2 000m的单个液滴，可以通过设置触发时间、气压和真空等参数来控制液滴粒径的大小，不受液体性质影响。在试验前，采用Lin等[24]的方法，对液滴发生器产生液滴粒径进行校准。液滴发生器产生的液滴直径由水敏纸上的斑点图像面积获得，通过下式计算[25]

式中为液滴在水敏纸上的斑点面积。扫描水敏纸获得液滴在水敏纸上的斑点图像像素，然后除以扫描分辨率得到值，扫描分辨率为2400 dpi，10.58m/pixel。通过改变触发时间、气压和真空参数并在水敏纸上多次测试得到粒径为548、675、756、877、973m的5个液滴。

1.3.3 液滴在玉米叶片上的铺展面积

选择新鲜健康的玉米叶片进行液滴铺展试验，将玉米叶片裁剪为3 cm×5 cm的长条，用双面胶固定在自制可调角度的斜板上，设置斜板与水平面的角度分别为0°、15°、30°、45°、60°、75°，斜板角度可以覆盖大部分自然生长的植物叶面倾角。以粒径为548、675、756、877、973m的液滴为试验对象，研究不同粒径大小的液滴在玉米叶面上的铺展面积。液滴产生后会悬挂在微量注射器的针头处，垂直移动微量注射器，让液滴以零速度接触到植物叶面，液滴与植物叶面接触后，移动微量注射器，针头与液滴脱离，操作过程中避免针头接触到植物叶面，防止破坏叶面结构。试验溶液由表面活性剂OP-10和诱惑红复配，根据溶液在玉米叶片上润湿性能的差异，选择4种接触角有显著差别的溶液进行试验，OP-10浓度分别为0、0.005%、0.01%、0.1%，诱惑红浓度为0.5%。Gao等[26]验证了在农药制剂中加入诱惑红，不会对溶液性质产生影响。试验设计为3因素多水平的全因子试验，共120种不同处理，每种处理重复10次。待液滴完全蒸发后，将试验叶片放置在体式显微镜下，用高清数码相机拍摄液滴铺展痕迹。液滴铺展图片用image J图像处理软件进行处理，得到实际铺展面积。试验装置如图1所示。

1.3.4 表面活性剂浓度对液滴铺展能力的影响

在溶液中加入表面活性剂会对液滴的铺展产生显著影响。然而，这并不能体现不同OP-10浓度对液滴铺展能力的作用。因此，利用液滴的铺展面积与表面活性剂浓度的比值来评估铺展效率[24]。该比值的实际含义为每百分比表面活性剂浓度的铺展面积，下文中称为单位浓度铺展面积，mm2/%。

图1 试验装置示意图

1.4 数据处理

在IBM SPSS Statistics 28（美国IBM公司）上进行方差分析（ANOVA）和相关性（Pearson）分析，置信区间设为95%。采用箱形图剔除极端异常值，并用均值替代。使用Duncan新复极差法进行事后比较，分析每种因素不同水平的差异。通过MATLAB软件对液滴铺展面积数据进行插值，绘制不同因素交互的曲面响应图，分析各因素之间的交互作用。

2 结果与分析

2.1 不同浓度OP-10溶液的表面张力及在玉米叶片上的润湿性能

喷雾药液的表面张力是决定液滴能否在作物叶面上润湿铺展的关键因素，液体表面张力过高会导致液滴撞击植物叶片时发生弹跳、滚落现象，导致药液无法沉积在植物叶面。溶液的表面张力随OP-10表面活性剂浓度上升而降低，在到达浓度0.005%后表面张力保持稳定，其表面张力为35.9 mN/m，表面活性剂OP-10在溶液浓度为0.005%左右达到临界胶束浓度。溶液在玉米叶片上的稳定接触角，随溶液浓度升高而降低，在到达临界胶束浓度前，接触角迅速下降；当溶液浓度到达临界胶束浓度后，接触角下降趋势减缓，最后达到稳定。黏附功随OP-10浓度增加而增加，在溶液浓度为0.1%时达到最大值58.82 J/m2，试验结果如表1所示。为模拟不同润湿性能的农药在不同角度玉米叶面上的铺展面积，根据接触角大小选择可代表不同润湿能力的浓度水平，选择浓度为0、0.1%、0.01%、0.005%OP-10溶液进行下一步试验。徐广春等[27]研究了常用农药在推荐浓度下的表面张力，大部分农药在推荐浓度下表面张力均在30～72 mN/m之间。本文选取的试验溶液可以代表大部分农药在玉米叶面上的润湿性能。

表1 不同浓度OP-10水溶液的表面张力、在玉米叶片上的稳定接触角及黏附功

2.2 最大铺展面积的三因素方差分析（ANOVA）

方差分析（ANOVA）结果如表2所示。OP-10浓度、叶面倾角、液滴粒径三种试验因素均对液滴的铺展面积产生了显著影响，且三因素之间存在显著的交互作用（<0.001）。方差整体模型对试验结果有较好的解释性，可解释试验87.5%（调整后2=0.875）的变异来源。其中溶液的偏Eta平方值为0.857，为试验因素及交互作用中的最大值，可认为溶液类型对总体变异的贡献大于其他因素及交互作用。叶面倾角对总体变异的贡献最小，偏Eta平方值为0.073。在交互作用的效应量比较中，液滴粒径×叶面倾角×溶液的偏Eta平方（0.257）>叶面倾角×溶液（0.24）>液滴粒径×溶液（0.108）>液滴粒径×叶面倾角（0.1），效应量的比较说明了三因素之间的交互作用对总体变异的贡献大小。

表2 溶液、叶面倾角、液滴粒径及相互作用对铺展面积影响的方差分析

注：2=0.887（调整后2=0.875）。

Note:2=0.887 (Adjusted2=0.875).

为了解各因素不同水平之间的差异，采用Duncan新复极差法对不同水平的均数进行事后检验，对液滴粒径、叶面倾角、OP-10浓度3个因素分别进行讨论。在对单一因素进行事后检验时，铺展面积为另外两种因素所有水平的平均值。由表3可知，叶面倾角对铺展面积影响的整体趋势为随叶面倾角增大，铺展面积增加，但15°、30°、45°、60°倾角的铺展面积较为接近，叶面倾角为75°时为1.51 mm2，相比于0°、45°角，铺展面积平均增大了18.0%、11.9%；铺展面积随液滴粒径增加而增加，其中675、756m的两种液滴的铺展面积没有显著性差异（>0.05），分析原因可能是两种液滴粒径的初始差值不够大，导致其铺展面积接近。如图2所示，液滴粒径和铺展面积之间呈现线性关系，液滴粒径从548m增加到973m，铺展面积增加了71.2%。对液滴粒径和铺展面积进行拟合，拟合方程为=0.0017+0.0223，拟合系数0.969，表明液滴粒径每增加100m，液滴的最大铺展面积平均增加0.17 mm2；不同浓度的OP-10溶液的铺展面积均有显著差别。液滴的最大铺展面积随溶液表面活性剂浓度增加而增加，在0.1%的浓度下铺展面积达到最大值2.22 mm2，去离子水的平均铺展面积为最小值0.33 mm2。与去离子水相比，0.1%浓度下的OP-10在玉米叶面上的铺展面积平均增加了572.7%。

表3 液滴粒径、叶面倾角、OP-10浓度的事后检验

注：小写字母代表在0.05水平下差异显著。

Note: Lowercase letters represent significant differences at the 0.05 level.

图2 最大铺展面积和液滴粒径关系

综上所述，叶面倾角、液滴粒径、OP-10浓度都对液滴的铺展有明显影响。在本文设置的试验参数中，OP-10浓度对液滴的铺展面积影响最大，液滴粒径次之，叶面倾角最小，且三者存在一定交互作用。

2.3 叶面倾角、液滴粒径、溶液润湿性的交互作用分析

对溶液的表面张力、接触角，黏附功和铺展面积之间进行相关性分析，结果如表4所示。溶液表面张力和铺展面积之间呈现不显著负相关（=-0.871，=0.129），铺展面积增大趋势和液滴在玉米叶片上接触角减小的趋势呈现出一致性（=-0.986，=0.014），黏附功W和铺展面积之间呈现出显著正相关（=0.995，=0.009）。接触角和黏附功均是衡量液滴在玉米叶面上润湿性能的指标，但通过相关性分析发现，黏附功的大小可以更好地反应液滴在玉米叶片上的铺展面积趋势。下面将用黏附功代替对应的OP-10溶液浓度，分析溶液的润湿性能和叶面倾角、液滴粒径对铺展面积造成的交互影响。

表4 各变量间相关系数

注：*<0.05级别（双尾），**<0.01级别（双尾），相关性显著。

Note: *<0.05 level (two-tailed), **<0.01 level (two-tailed), significant correlation.

为分析溶液润湿性能和液滴粒径对铺展面积的交互影响，绘制交互效应曲面图，如图3所示。在所有角度下，都呈现出随黏附功和液滴粒径的增大，铺展面积也随之增大的趋势，且在黏附功和液滴粒径交叉方向上曲面上升最为陡峭。在叶面倾角为15°时，曲面整体上升比较平缓，铺展面积最大值为2.42 mm2，最小值为0.24 mm2，最大值约为最小值的10倍。在叶面倾角为45°时，曲面较15°时更加陡峭，在黏附功为58.82 J/m2，液滴粒径为973m时铺展面积达到最大值2.83 mm2；黏附功为26.49 J/m2，液滴粒径548m时，铺展面积有最小值0.77 mm2，最大值约为最小值的3.7倍。在叶面倾角为75°时，在黏附功和液滴粒径增大的方向上，曲面呈现出先平缓上升后陡峭上升的趋势，且在黏附功为58.82 J/m2，液滴粒径为973m时，铺展面积达到最大值4.31 mm2远大于其他条件下的铺展面积。在不同角度下，增大液滴粒径和溶液的润湿性能均能增加液滴在玉米叶面上的铺展面积，但在不同角度下提高铺展面积的能力有所区别，在农药施用过程中可根据靶标叶面的倾角来选择适宜的喷施粒径和溶液润湿性。

在方差分析中发现溶液的润湿性能对液滴铺展面积影响最大，为探究溶液润湿性能和叶面倾角交互作用对液滴铺展面积的影响，固定液滴粒径为548m，绘制铺展面积交互效应曲面图，如图4所示。在溶液的黏附功较低时，铺展面积随叶面倾角的变化不够明显；在溶液黏附功较高时，润湿性能较好，铺展面积呈现出随叶面倾角先上升后下降的趋势。铺展面积最大值在叶面倾角为45°时，黏附功为58.4 J/m2时取得，最大值为2.24 mm2。

图3 液滴粒径和润湿性能的交互影响

注：固定液滴粒径为548 μm。

图5为0.01%OP-10溶液的液滴粒径和叶面倾角的交互效应图。液滴粒径和叶面倾角交互作用的整体趋势为铺展面积随液滴粒径和叶面倾角的增大而增大，但叶面倾角对铺展面积的影响不够明显且小于液滴粒径对铺展面积的影响。曲面的整体趋势较为平缓，当液滴粒径和叶面倾角较小时，铺展面积处于曲面上的低点，液滴粒径和叶面倾角较大时，铺展面积为曲面上的高点，最大值和最小值分别为2.11、0.88 mm2。

注：固定黏附功为22.7 J·m-2。

2.4 表面活性剂浓度对液滴铺展能力的影响

为探究不同浓度OP-10对液滴铺展能力的影响，根据1.3.4节的研究方法，固定液滴粒径为548m，计算不同叶面倾角下的单位浓度铺展面积，结果如图6所示。OP-10浓度和单位浓度铺展面积之间呈现出明显趋势，6种叶面倾角的单位浓度铺展面积均为0.005%浓度>0.01%浓度>0.1%浓度，这表明在0.005%浓度下的溶液对铺展面积增加的效率最高。OP-10溶液在浓度0.005%时达到临界胶束浓度，浓度从0.005%增加到0.01%、0.1%的过程中，溶液的表面张力保持稳定不再变化，但继续增加表面活性剂浓度还会增加铺展面积，但铺展面积增加效率显著降低，OP-10浓度达到0.1%时，降到最低。根据单位浓度铺展面积随溶液浓度降低的趋势，推断继续增大表面活性剂的浓度，液滴的铺展面积达到最大值后也将维持稳定。叶面倾角对单位浓度铺展面积的影响没有明显规律，但从图6可以看出，在叶面倾角为75°时，0.005%浓度下液滴的铺展能力最高，191.5 mm2/%，叶面倾角为0°时，0.1%浓度下液滴的铺展能力最低，15.4 mm2/%。

注：固定液滴粒径为548 μm。

去离子水在玉米叶面上的接触角约为129.2°，难以铺展。在去离子水中加入OP-10表面活性剂后溶液表面张力显著降低，同时接触角快速下降，当OP-10浓度达到0.005%后表面张力不再降低，但0.01%、0.1%OP-10溶液在玉米叶面上的最大铺展面积仍然增大。表面活性剂分子结构具有双向性，一端为亲水基团，另一端为疏水基团，当溶液中的表面活性剂含量较少时，表面活性剂分子的亲水基向水，疏水基向空气，被吸附在水的表面上，形成定向的单分子层，使得水-空气界面被表面活性剂的亲油基-空气界面所取代，水表面的亲水性变成了亲油性，从而降低了水的表面张力[27]。当表面活性剂分子达到饱和状态时，溶液内部的表面活性剂分子形成亲油基向内、亲水基向外的胶束，即达到了临界胶束浓度，此时继续增大表面活性剂浓度，溶液的表面张力将不再降低。表面活性剂OP-10溶液形成液滴后，在玉米叶面上进行铺展，此时液滴表面积扩大，产生了新的气-液界面，溶液内部的胶束便向新生成界面转移，继续在气-液界面处形成定向的单分子层。在试验中，0.005%OP-10溶液的表面活性剂分子刚达到饱和的临界值，变成液滴后溶液内部的表面活性剂分子向新形成的气-液界面转移上，此时由于溶液内部的表面活性剂分子数量较少，导致气-液界面的表面活性剂分子密度降低[28]，所以润湿性有限。在0.01%、0.1%浓度下的OP-10溶液内部含有的表面活性剂分子更多，变成液滴扩大气-液界面后，界面处的表面活性剂分子密度更高所以润湿性更好、铺展面积更大。所以，在使用农药助剂时要注意用量，不仅需要让溶液的表面张力低于叶面的临界表面张力，还需要让助剂浓度显著大于其临界胶束浓度，才能保证药液雾化后还能有较好的铺展性能。

3 讨 论

本文使用不同质量分数的OP-10溶液模拟润湿性能不同的农药，通过试验方法研究了液滴粒径、农药润湿性能和叶面倾角对液滴在玉米叶面上铺展面积的影响。液滴在植物叶面上的铺展面积决定了农药有效成分作用范围、蒸发时间和叶面吸收效果。根据Muntahli等[29]提出的单液滴杀伤面积理论，单个液滴的作用范围远大于其液滴粒径，液滴在植物叶面上的覆盖范围越大，其杀伤面积也就越大。液滴蒸发时间与铺展面积的关系为同体积的液滴铺展面积越大，蒸发速度越快，蒸发时间越短[30]，当液滴完全蒸发后叶面的吸收效果基本消失[31]。本文探究的液滴粒径、农药润湿性能和叶面倾角及其交互作用均对液滴的铺展面积产生了显著影响。在施药中，叶面倾角为靶标植物固有属性，药液的润湿性能和液滴粒径是人为可控因素。农药的润湿性能可通过添加助剂、表面活性剂来调控；液滴粒径可通过调节压力喷头的压力值、更换喷嘴或改变离心喷头雾化盘转速来控制。在实际应用中应通过农药施用目的来确定适宜的粒径和药液润湿性能。例如，施用植物生长调节剂等内吸性药剂时，应适当调节降低溶液润湿性，降低其在叶面上的铺展面积，控制蒸发速度，保证叶面吸收效果。针对不同虫害的为害部位施药时，可根据靶标叶面倾角来精准控制粒径和药液润湿性能，提高施药效果。例如，玉米螟虫为害玉米心叶，而心叶的叶倾角较大但开口面积较小。小液滴更易进入叶心，更强的药液润湿性能提高小液滴的覆盖面积，增加作用范围。液滴粒径和药液润湿性的交互作用分析显示，二者为协同关系，在不同水平的液滴粒径下，增加药液润湿性均能提高液滴的铺展面积。

4 结 论

本研究探究了OP-10表面活性剂浓度、液滴粒径和叶片倾角三种因素对液滴在玉米叶片上铺展面积的影响，得到如下结论：

1）在本文设置的试验参数中，三种因素均对液滴在玉米叶片上的铺展面积有显著影响（<0.001），且影响大小依次为表面活性剂浓度、液滴粒径、叶面倾角。

2）液滴粒径和铺展面积之间呈现线性关系，拟合系数为0.969，铺展面积随液滴粒径增加而增加，液滴粒径从548m增加到973m，铺展面积平均增加了71.2%；叶面倾角对铺展面积的影响为随叶倾角的增大而增加，叶面倾角为75°时平均铺展面积为1.51 mm2，相比于0°、45°角，铺展面积增大了18.0%、11.9%；液滴的铺展面积随表面活性剂浓度增加而增加，与去离子水相比，0.1%浓度下的OP-10在玉米叶面上的铺展面积平均增加了572.7%。

3）在不同角度下，增大液滴粒径和溶液的润湿性能均能增加液滴在玉米叶面上的铺展面积，但在不同角度下提高铺展面积的能力有所区别。溶液润湿性能和叶面倾角的交互作用体现在，药液润湿性能差时，铺展面积随叶面倾角的变化不够明显，润湿性能较好，铺展面积呈现出随叶面倾角先上升后下降的趋势。铺展面积最大值在叶面倾角为45°左右。在实际应用中应通过施用目的来确定适宜的粒径和药液润湿性能，精准控制液滴在靶标叶面上的铺展面积，来提高农药利用率。

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Factors influencing the spreading areas of pesticide droplets on the surface of maize leaves

Gao Rong1,2, Huang Lusheng1,2, Wen Sheng2, Yin Xuanchun2, Zhang Jiantao1,2,3※

(1.,,510642,;2.,510642,; 3.,,510642,)

Pesticide wastes have caused serious pollution to the air, water, and soil in recent years. It is a high demand to clarify the spreading behavior of pesticide droplets on the plant leaves, particularly for the better utility efficiency of pesticides. Among them, the maximum spreading area of pesticide droplets on the plant leaves can dominate the action range, evaporation time, and foliar absorption of active ingredients in the pesticides. This study aims to explore the influence mechanism of droplet size, surfactant concentration, and leaf inclination on the maximum spreading area of droplets on the corn leaves. The leaf inclination angles were set as 0°, 15°, 30°, 45°, 60°, and 75°. The droplet sizes were 548, 675, 756, 877, and 973m. A droplet generator was used to produce the droplets of different sizes, further to reach the plant leaves at the free velocity. The solutions were utilized the 0, 0.1%, 0.01%, and 0.005% of OP-10 surfactant. A full factorial experiment was designed with a total of 120 tests. The results show that there were significant effects of droplet size, surfactant concentration, and leaf inclination on the maximum spreading area (<0.001). The influencing factors were ranked in the order of the surfactant concentration > droplet size > leaf angle. The partial-eta squares were 0.857, 0.473, and 0.073, respectively. A linear relationship was observed between the droplet size and the spreading area. The spreading area also increased with the increase of the droplet size, leaf angle, and solution surfactant concentration. Once the droplet size increased from 548 to 973m, the spreading area increased by 71.2% on average. When the leaf inclination angle was 75°, the average spreading area was 1.512 4 mm2. The spreading area increased by 18.0%, and 11.9%, compared with the 0° and 45°. The spreading area of 0.1% OP-10 on the maize leaves increased by an average of 572.7%, compared with the deionized water. Therefore, the droplet size increased the maximum spreading area of the droplets on the corn leaf surface with the same increased efficiency under different leaf inclination angles. Furthermore, the relationship between the droplet size and the maximum spreading area was=0.001 7+0.022 3, where the goodness of fit2was 0.969. It infers that the maximum spreading area of the droplet increased by 0.17 mm2on average, particularly for every 100m increase in the droplet size. The highest value of 4.13mm2was achieved in the maximum spreading area of 973m droplets at 0.1% concentration, when the leaf inclination angle was 75°. By contrast, the average level of the spread area was significantly higher at the 0.1% concentration, compared to the rest groups. The Pearson correlation analysis was carried out between the surface tension, contact angle, adhesion work, and spreading area of the solution. It was found that there was a significant positive correlation between the adhesion work and the spreading area (=0.995,=0.009). The adhesion work was well represented by the spreading area trend of the droplets on the leaf. Correspondingly, the surface tension of the liquid medicine was lower than the critical surface tension of the leaves in actual agricultural production. Furthermore, a greater surfactant composition was required for better wetting after atomization in the liquid medicine, compared with the critical micelle concentration. The 0.01%-0.1% OP-10 solution can be expected as a reference surfactant for higher spreading efficiency and better performance at a high level. The findings can provide a strong reference to understanding the spreading mechanism of pesticide droplets on the plant leaves. The particle size of pesticide droplets and the concentration of surfactants can also be adjusted for better spreading performance at the different leaf inclination angles.

pesticide droplet; wetting performance; spread area; surfactant; droplet size; adhesion work

10.11975/j.issn.1002-6819.2022.20.005

S48

A

1002-6819(2022)-20-0041-08

高荣，黄路生，文晟，等. 农药液滴在玉米叶片表面铺展面积的影响因素[J]. 农业工程学报，2022，38(20)：41-48.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.20.005 http://www.tcsae.org

Gao Rong, Huang Lusheng, Wen Sheng, et al. Factors influencing the spreading areas of pesticide droplets on the surface of maize leaves[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(20): 41-48. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.20.005 http://www.tcsae.org

2022-06-15

2022-08-15

广东省普通高校特色创新类项目（2019KZDZX1002）；广东省自然科学基金项目（2022A1515011008）；国家自然科学基金面上项目（61773171）；高等学校学科创新引智计划项目（D18019）

高荣，研究方向为农业精准喷雾技术。Email：gaorong17694804202@163.com

张建桃，博士，副教授，研究方向为农用无人机和人工智能。Email：zhangjiantao@yeah.net