稻秆叶鞘表面雾滴沉积特性试验

李东红，王德福，江志国，李利桥，李 超

(东北农业大学 工程学院，哈尔滨 150030)

稻秆叶鞘表面雾滴沉积特性试验

李东红，王德福，江志国，李利桥，李 超

(东北农业大学 工程学院，哈尔滨 150030)

为研究稻秆青贮时喷洒的乳酸菌稀释液在稻秆叶鞘表面上的沉积性能，依据对叶鞘表面进行电镜扫描及形态分析，利用设计的液体添加装置，在固定喷量条件下，选取取样部位、喷嘴角度和喷嘴直径为试验因素，以单位叶鞘面积上生物染料丽春红S(示踪剂)的沉积量为试验评价指标，进行3因素5水平正交旋转喷雾沉积试验。结果表明:各因素对沉积量的影响规律为：取样部位、喷嘴角度对沉积影响极显著，喷嘴直径对沉积影响不显著。

稻秆；叶鞘；沉积

0 引言

我国的稻秆产量已超2亿t[1]。近几年，为了充分利用丰富的稻秆资源，我国开始对稻秆进行青贮处理[2]。在由钢辊式圆捆机将切割并铺放在稻田地里的秸秆打捆收获时，需喷洒乳酸菌稀释液，以提高稻秆打捆青贮的质量。为获得较高的青贮品质，应使喷洒的乳酸菌稀释液有效地沉积在稻秆上。经半喂入式水稻收获机获得的完整稻秆，由茎、稻叶和穗组成，叶互生于茎的两侧，主茎生长的稻叶数与茎节数一致。稻叶可分为连接在一起的叶鞘和叶片两部分，叶鞘卷抱在茎的周围[3]。经测量，叶鞘外露有效面积占稻叶面积的53%左右，因自然状态下叶片已蜷曲(外露有效面积更少)。因此，进行稻秆喷洒乳酸菌稀释液打捆时，叶鞘为主要的沉积靶标。

稻秆叶鞘与叶片表面特性相似，蜡质层较厚且具有很强的疏水性，雾滴在其上的滚动和流淌受叶片倾角、雾滴大小及表面特性的影响[4]。目前，雾滴在叶片表面上的沉积特性研究报道较多。例如，杨希娃得出叶片表面性质、叶片倾角对农药沉积量影响差异显著[5]；Smith得出雾滴大小和叶片表面性质对沉积量有一定的影响等[6]。然而，基于雾滴在叶鞘表面上的沉积特性研究尚未见报道。

为此，本文以生物染料丽春红S为示踪剂，进行叶鞘表面喷雾沉积试验，明确乳酸菌稀释液在叶鞘上的沉积性能，从而为提高乳酸菌稀释液的高效施用提供参考。

1 试验设备和方法

1.1 喷雾沉积试验台结构及工作原理

喷雾沉积试验台由自制的液体添加装置和带式输送机(长度4000 mm)组成，分别配备YE2-132S-4型三相交流电动机(南京环球电机有限公司)、FR-F740-45K-CHT1型变频器(日本三菱公司)，以实现驱动和调速。图1为喷雾沉积试验台结构示意图。

1.带式输送机 2.喷嘴 3.喷嘴支架 4.传送带电机 5.液体添 加装置支架 6.高压喷雾泵 7.液压泵电机 8.进液管 9.药液箱 10.回水管图1 喷雾试验台结构示意图Fig.1 Experimental equipment of spray test bench

其他仪器包括FEI Sirion扫描电子显微镜(荷兰飞利浦公司)、T6新世纪紫外线可见分光光度计(北京普析通用仪器有限公司)及MFC-7470D Brother激光扫描仪。

1.2 液体添加装置设计及工作原理

液体添加装置配装于钢辊式圆捆机上，主要由药液箱(容积为35L)、带离合装置的高压齿轮泵(工作压力为0.8～2.6MPa)、直动式溢流阀(最大工作压力为4MPa)、喷嘴(选用苏州蓝翱精密塑胶有限公司生产的N·LANAO F110系列扇形喷嘴，喷雾角为110°，喷嘴直径分别为1.5、2、3、4、5mm)等组成。图2为液体添加装置示意图。

1.药液箱 2.进液管 3.压力表 4.齿轮泵 5.溢流阀 6.喷嘴 7.液体分配管 8、9.调节阀门 10.主回流管 11.细回流管 12.液体搅拌器图2 液体添加装置系统示意图Fig.2 Sketch of liquid-spraying system

工作时，通过调节系统中溢流阀的压力来控制系统压力，改变系统的单位时间喷量[7]。通过调节喷嘴直径，获得不同的雾滴大小。当喷雾压力为0.8MPa时，测定其喷嘴流量，如表1所示。

表1 各喷嘴所测流量

1.3 试验材料及试验条件

采用哈尔滨香坊区经半喂入式水稻收获机获得的完整稻秆，稻秆平均长度为750mm，含水率20%；用丽春红S加蒸馏水配置浓度为0.15%的溶液代替乳酸菌稀释液进行喷雾。

试验前，将稻秆从根部往上依次切割成5段(每段长150mm)，取下叶鞘，分别对应根部、中下部、中部、中上部、梢部(各取样部位依次用1～5表示，见图3)；试验时，按要求在不同取样部位选取宽20mm、长30mm的叶鞘，用双面胶粘于载玻片上，正面朝上，按编号对载玻片上叶鞘各取样部位进行扫描，并用DepositScan软件计算稻秆叶鞘面积。

参照相关文献[8]，设定喷雾压力为0.8MPa，喷嘴距叶鞘距离为500mm。

图3 完整稻秆分段图Fig.3 Section diagram of intact rice straw

1.4 试验评价指标

喷雾结束后将载玻片取出，将叶鞘撕下放入装有5mL去离子水的试管中反复洗涤；收集洗涤液在分光光度计波长为510nm处测定吸光度，根据生物染料丽春红S的标准曲线和叶鞘面积，计算单位叶鞘面积上丽春红S的沉积量为试验评价指标。参考徐德进[9]等方法建立丽春红S质量浓度(X)与吸光度(Y)的标准曲线为

Y=3.658x-0.2418

R2=0.9991

2 叶鞘表面特性及其表面沉积量影响因素分析

2.1 叶鞘表面特性分析

采用荷兰飞利浦公司生产的FEI Sirion扫描电子显微镜对不同取样部位的稻秆叶鞘表面微观结构观察。经过修剪与调整对比度、色阶后，选取图4(a)、(b)、(c)做叶鞘表面特性分析，如图4所示。

稻秆叶鞘表面结构主要分为硅化-木栓带与气孔带两部分。电镜扫描结果表明：叶鞘表面由多个单元组成，每个单元具有相似结构；叶鞘从根部到梢部钩毛及球状凸起的数量、密度变化差异显著。

2.2 叶鞘表面雾滴沉积量影响因素分析

雾滴与叶面撞击过程中，雾滴大小、叶面表面特性及叶面倾角对雾滴在叶面上的滚动和流淌有一定的影响[10]。因此，选择叶鞘不同取样部位、喷嘴角度和喷嘴直径3个因素进行试验研究，具体的取值说明如下：

1)取样部位。由图3中可知：叶鞘从根部到梢部，表面钩毛及球状凸起的数量、密度变化差异显著。雾滴沉积时，钩毛容易刺穿雾滴表面，使雾滴在叶鞘面上的接触角变小，使其容易润湿。凸起的形态结构对雾滴的承接能力有一定的影响，故选择叶鞘不同取样部位为试验因素。

2)喷嘴角度。喷嘴相对叶鞘的倾角不同，雾滴与凸起和钩毛的接触面积不同，使雾滴与叶鞘碰撞后发生弹跳和飞溅的概率不同。通过调节喷嘴的角度来模拟田间叶鞘存在的倾角，喷嘴角度分别为5°、15°、30°、45°、55°(0°代表垂直于地面，90°代表平行于地面)。利用东北农业大学植保实验室的喷雾试验台，对N·LANAO F110系列喷嘴进行雾滴分布均匀性预试验发现：当喷嘴角度大于60°时，雾滴分布均匀性差，喷雾过程中雾滴损失较大。因此，确定喷嘴角度的试验范围为5～55°。

3)喷嘴直径。喷雾压力一定时，相同类型、不同直径的喷嘴产生的雾滴大小不同，使雾滴与叶鞘碰壁后产生粘附、反弹、飞溅等物理现象[11]。细雾滴因动能不足随气流场作用发生飘移，粗雾滴因其动能过大与叶鞘接触后会裂变成多个细小雾滴，故选择喷嘴直径作为试验因素。当喷雾压力为0.8MPa时，利用水敏纸(雾滴检测卡)，测得不同直径大小的喷嘴产生的校正雾滴体积中径，如表2所示。

图4 稻秆叶鞘的SEM照片(1 000倍)Fig.4 SEM image of rice leaf surface(1000-fold)表2 各喷嘴所测量的雾滴体积中径Table2 VMD of each nozzle μm

3 喷雾沉积试验

3.1 试验方法

试验时，设定喷雾压力为0.8MPa，喷嘴距叶鞘距离为500mm。通过调节传送带的速度，使单位面积下的叶鞘喷量均匀，选用一个喷嘴，将载玻片置于扇形雾的中轴线并放在传送带上，喷雾后将载玻片取出。

通过预试验分析可知：叶鞘表面雾滴沉积量主要与叶鞘取样部位、喷嘴角度和喷嘴直径有关。在单因素试验分析基础上，结合Design-Expert软件，设定叶鞘取样部位1～5，喷嘴角度5°～55°，喷嘴直径1.5～5mm，进行3因素5水平正交旋转组合试验。按照试验设计要求做23组试验(其中心零点重复做9组)，每组试验重复5次，各因素水平编码表如表3所示。

表3 试验因素编码

3.2 试验结果与分析

利用Design-Expert软件对试验结果进行处理，获得雾滴沉积量的回归模型为

X= 0.2-0.06A-0.018B+0.019AB-0.016BC+

0.016A2+0.017C2

方差分析结果如表4所示。

表4 沉积试验回归模型的方差分析

续表4

由表4可知：沉积试验回归模型显著，失拟项不显著。这说明，喷雾沉积试验回归模型合适。

通过各因素的一次项系数绝对值及F值可以看出：单因素取样部位、喷嘴角度对沉积影响极显著，喷嘴直径对沉积影响不显著。各因素对试验评价指标的贡献率为：取样部位(181.68)>喷嘴角度(16.88)>喷嘴直径(4.59)。

交互因素对评价指标响应曲面如图5所示。图5(a)为喷嘴直径固定为中心水平时取样部位和喷嘴角度交互作用对雾滴沉积量的影响。由图5(a)可以看出：当取样部位靠近根部时，随着喷嘴角度的减小，叶鞘表面雾滴沉积量有增加的趋势。这是因为取样部位越靠近根部，叶鞘表面钩毛和球状凸起的密度及直径越大，雾滴沉积时钩毛容易刺穿雾滴表面，使其容易润湿；同时，凸起承接雾滴能力越强，雾滴与叶鞘接触后发生弹跳和流失的概率降低，减少雾滴的流失，加上喷嘴角度小，使雾滴与钩毛和凸起接触面积变大，使雾滴稳定持留。当取样部位靠近梢部时，随着喷嘴角度的增加，叶鞘表面雾滴沉积量变化趋势不明显。这是因为叶鞘梢部表面钩毛和凸起尺寸和密度较小，并且呈球形，不能刺破浸入表面的雾滴，从而导致雾滴难以持留。

图5(b)为将取样部位固定位于中心水平时，喷嘴直径和喷嘴角度交互作用对雾滴沉积量的影响。由图5(b)可以看出：当喷嘴直径小时，随着喷嘴角度的增加，沉积量无明显变化趋势。这是因为不同喷嘴直径产生的雾滴大小不同，与叶鞘碰壁后会产生粘附、反弹、飞溅等雾滴现象。小喷嘴直径产生的雾滴体积中径较小，细雾滴因动能不足随气流场作用产生飘移，损失较大，即使改变喷嘴角度也无法提高沉积量。当喷嘴直径大时，随着喷嘴角度的增加，叶鞘表面雾滴沉积量越少。这是因为大喷嘴直径产生的雾滴体积中径较大，产生的粗雾滴具有较高的动能和重力，雾滴产生飘移现象减弱，同时小的喷嘴角度使雾滴与凸起和钩毛接触面积变大，雾滴与叶鞘接触后发生裂变的概率小，雾滴容易被持留；而喷嘴角度较大时，接触面积较小，雾滴容易流失。

图5 双因素交互作用对评价指标的影响Fig.5 Effects of two factors on the evaluation index

4 结论

1)通过对叶鞘表面进行电镜扫描及形态分析可知：稻秆叶鞘从根部到梢部钩毛及球状凸起的数量、密度及尺寸逐渐减小且变化差异显著。

2)通过试验研究可得：选取的3因素对叶鞘表面雾滴沉积量贡献率顺序为叶鞘取样部位、喷嘴角度、喷嘴直径。取样部位越靠近根部、喷嘴角度越小，越有助于提高沉积量。喷嘴直径对雾滴沉积量影响不显著，所以在稻秆叶鞘上使用液体添加剂时应慎重考虑雾滴谱。

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ID:1003-188X(2018)02-0179-EA

Experiment of Droplets Deposit Characteristics in Rice Leaf Sheath

Li Donghong， Wang Defu， Jiang Zhiguo， Li Liqiao， Li Chao

(College of Engineering, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China)

Abstract： In order to clarify the deposit characteristics of lactic acid bacteria dilution on the surface of rice leaf sheath, the liquid addition device is installed to spray deposition test. Scanning and morphological analysis of leaf sheath surface by using the electron microscope showed the surface morphology of leaf sheath from roots to shoots differed significantly. Under the condition of fixed spray volume, the sampling position, nozzle angle and nozzle diameter were selected as experimental factors, and the deposition amount of Ponceau S in the unit area was used as the evaluation index, the experiment was done. Experimental results showed that: the sampling position, nozzle angle on the results are significant, the nozzle diameter on the result is not significant. The closer the sampling position to the root, the greater the deposition, the smaller angle of the nozzle will help to increase the deposition.

rice; leaf sheath; deposition

2017-01-24

国家自然科学基金项目(51405076)

李东红(1991-),男，辽宁丹东人，硕士研究生，(E-mail)donghong2016@126.com。

王德福(1964-)，男，哈尔滨人，教授，(E-mail)dfwang640203@sohu.com。

S491

A

1003-188X(2018)02-0179-04