鄭啟帥，岑海燕，方慧，吳劍堅(jiān)，肖舒裴，何勇*1

（1.浙江大學(xué)生物系統(tǒng)工程與食品科學(xué)學(xué)院，杭州310058；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部光譜檢測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州310058）

葉片主要通過(guò)葉面氣孔和表皮親水小孔吸收養(yǎng)分，也可以經(jīng)胞間連絲主動(dòng)吸收養(yǎng)分。由于雙子葉植物的葉面類(lèi)型及葉表蠟質(zhì)層結(jié)構(gòu)與組成不同于單子葉植物，使得油菜等雙子葉植物葉片具有良好的液體吸收功能，從而有更好的葉面施肥效果[1-2]。植物葉片主要通過(guò)3條途徑與外界進(jìn)行物質(zhì)交換：第1、2條是具有吸收速效養(yǎng)分能力的途徑（分布在葉面的氣孔和葉表面角質(zhì)層的親水小孔）和葉片細(xì)胞的質(zhì)外連絲；第3條是可將營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)主動(dòng)吸收到葉片內(nèi)部[3]的途徑。在灌漿期，大豆、油菜等植物根部吸收的養(yǎng)分無(wú)法很好地滿(mǎn)足作物需求。VASILIS等[4]通過(guò)同位素追蹤法試驗(yàn)得知，超過(guò)90%的葉面肥可供作物籽粒灌漿，從而有效提高作物產(chǎn)量，而養(yǎng)分進(jìn)入葉片細(xì)胞后的運(yùn)輸機(jī)制與根部細(xì)胞一樣[5]。李瑞海等[6]研究表明，合理的葉面肥噴施可以提高油菜葉片的葉綠素含量并使光合速率升高20%以上，而生物量可以提高30%以上。葉面追肥無(wú)論是見(jiàn)效時(shí)間還是利用效率都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)土壤施肥[7-10]，是作物生長(zhǎng)后期有效的追肥方式。

航空噴施作業(yè)因其作業(yè)高效、經(jīng)濟(jì)、安全等諸多優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用[11-12]，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)提高航空噴施作業(yè)的效果做了諸多研究[13-18]。葉片吸收葉面肥的前提是所施液體能較好地附著于葉片表面，即所施液態(tài)肥要有良好的潤(rùn)濕性。液體的接觸角和表面張力是衡量液體潤(rùn)濕性能的重要指標(biāo)。液體的表面張力不同，其在同一植物表面的接觸角也不同（表面張力降低則接觸角減?。19-20]。MITTAL[19]研究了葉片對(duì)不同表面張力的溶液的吸收能力，發(fā)現(xiàn)適當(dāng)降低溶液的表面張力有利于水溶性養(yǎng)分經(jīng)氣孔進(jìn)入葉肉細(xì)胞，從而促進(jìn)經(jīng)氣孔途徑吸收養(yǎng)分。此外，BREWER等[21]國(guó)外學(xué)者對(duì)葉片毛狀體、液滴光學(xué)特性和葉片潤(rùn)濕性的相互作用進(jìn)行了研究；而國(guó)內(nèi)相關(guān)研究較少。因此，本文針對(duì)航空噴灑液態(tài)肥時(shí)影響液滴與葉片之間潤(rùn)濕性能的因素進(jìn)行了研究，擬通過(guò)正交試驗(yàn)對(duì)多因素進(jìn)行考察，然后對(duì)主要因素的影響規(guī)律進(jìn)行探究，最后得出影響葉面肥對(duì)葉片潤(rùn)濕性的主要指標(biāo)，以期為實(shí)際作業(yè)提供參考。

1 材料和方法

1.1 主要儀器設(shè)備

接觸角檢測(cè)儀器采用德國(guó)Dataphysics公司生產(chǎn)的OCA20接觸角測(cè)量?jī)x，利用座滴法測(cè)量靜態(tài)接觸角。圖1為測(cè)量?jī)x工作界面截圖，測(cè)量精度為±0.1°。葉片表面性質(zhì)觀察利用日立SU8010高分辨場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡。

1.2 試驗(yàn)材料

圖1 OCA20接觸角測(cè)量?jī)x工作界面Fig.1 Working interfaceof the OCA20 contact angle measuring instrument

植物樣本采用“浙大619”油菜品種，在室外正常培養(yǎng)。在蕾薹期，選取長(zhǎng)勢(shì)相當(dāng)?shù)闹仓?，每株取相同葉位、外觀基本相似的葉片進(jìn)行試驗(yàn)。取葉片兩側(cè)葉脈較少的部位，以提高測(cè)量的準(zhǔn)確度。利用日立SU8010高分辨場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡觀察油菜葉片表面性質(zhì)，制樣及觀察過(guò)程按照標(biāo)準(zhǔn)操作進(jìn)行，葉片掃描電鏡圖如圖2所示。試驗(yàn)噴灑液體采用民和“新?tīng)顟B(tài)”葉面肥和以色列“稼多寶”葉面肥，2種葉面肥均是復(fù)合型液態(tài)肥料，主要成分均為氮、磷、鉀。助劑選用近年常用的植物油型助劑[22]。因油菜葉片表面有一層蠟質(zhì)，為了提高試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，在單因素分析中使用表面平整的植物蠟質(zhì)代替油菜葉片表面。

圖2 油菜葉片表面性質(zhì)電鏡圖片F(xiàn)ig.2 Electron microscopy imagesof surface properties of rape leaves

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 儀器操作

使用接觸角檢測(cè)儀器時(shí)，首先調(diào)整光源和鏡頭以得到清晰的液滴圖像，然后將葉片樣品置于樣品臺(tái)，每個(gè)液體樣品準(zhǔn)備一個(gè)注射器并安裝，按照試驗(yàn)要求通過(guò)儀器自帶軟件將液滴滴下，待液滴相對(duì)穩(wěn)定地停留在固體表面上后，通過(guò)儀器軟件測(cè)出接觸角。

1.3.2 溶液配制

液態(tài)肥：因選用的2種液態(tài)肥的推薦使用濃度相近，故根據(jù)二者的推薦稀釋倍數(shù)分別稀釋50倍、17倍、10倍，設(shè)置低、中、高3種試驗(yàn)濃度，對(duì)應(yīng)的體積分?jǐn)?shù)分別為2%、6%、10%。

助劑：由于添加少量的飛防助劑能夠降低用液量，獲得穩(wěn)定效果，因此本研究在正交試驗(yàn)中采用不添加、添加1%（正常量）、添加2%（過(guò)量）3種助劑濃度。

1.3.3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

基于葉面肥對(duì)葉片潤(rùn)濕性物理性質(zhì)和作業(yè)效果的研究結(jié)果[1,16,21-23]，影響噴施液態(tài)肥潤(rùn)濕性的主要因素有葉片位置、噴施液體種類(lèi)及濃度、液體接觸速度、助劑和液滴的大小。為考察各個(gè)因素對(duì)葉面肥潤(rùn)濕性的影響，設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)因素及水平，見(jiàn)表1。正交試驗(yàn)方案參照L18（6×36）正交表[24]，如表2所示。為確保試驗(yàn)順序隨機(jī)，按照抽簽編號(hào)的方式進(jìn)行，重復(fù)試驗(yàn)10次。

由于影響因素的不同水平會(huì)造成不同組之間的數(shù)據(jù)存在差異，以及誤差也會(huì)造成同組數(shù)據(jù)之間存在差異，因此用方差分析方法對(duì)影響因素的顯著性進(jìn)行檢驗(yàn)。F值和P值是方差分析里面對(duì)模型和模型的系數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)得到的結(jié)果，F(xiàn)值越大，說(shuō)明該因素的影響越顯著；P值表示因素各水平有顯著差異時(shí)出現(xiàn)誤差的概率，P值越小，表示該因素水平間的差異越顯著。當(dāng)P＜0.05時(shí)可認(rèn)為該因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有顯著影響，或者說(shuō)該因素是影響試驗(yàn)指標(biāo)的重要因素。Ti（i取1，2，3）是各因素同一水平結(jié)果的平均值（表3），各因素下該值對(duì)應(yīng)的最低水平就是最優(yōu)水平（本試驗(yàn)中即接觸角越小，潤(rùn)濕性越好）[24]。

表1 試驗(yàn)因素和水平Table1 Experimental factorsand levels

表2 試驗(yàn)方案Table 2 Experimental scheme

2 結(jié)果與分析

2.1 影響因素分析

由表3可知，各因素對(duì)葉片與液體之間接觸角的影響作用由大到小排序?yàn)镈＞B＞E＞C＞A，即助劑＞液體種類(lèi)＞液滴大小＞液體濃度＞位置。其中因素A（位置）的P＞0.05，故認(rèn)為葉片的正反面位置對(duì)葉片表面與液態(tài)肥的接觸角的影響不大。助劑對(duì)接觸角的影響作用最大，當(dāng)不加助劑的接觸角超過(guò)120°時(shí)，葉片表現(xiàn)為疏水，而在液體中添加助劑后，接觸角為41°～42°，濃度為1%的助劑與濃度為2%的助劑對(duì)應(yīng)的接觸角無(wú)顯著差異。液體的種類(lèi)和濃度、液滴的大小雖顯著影響葉面肥潤(rùn)濕葉片的特性，但因素之間及水平之間差異不大。從每個(gè)參數(shù)的累積值和Ti（i取1，2，3）值可知，葉片保持液滴的最優(yōu)組合為A2B3C3D2E1（噴施葉片反面+高濃度“稼多寶”葉面肥+1%助劑+小液滴），在該條件下，接觸角最低可達(dá)到8.5°。

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果Table3 Experimental result

2.2 單因素分析

為進(jìn)一步探究顯著性因素對(duì)葉面肥潤(rùn)濕葉片性能的影響規(guī)律，本研究進(jìn)一步采用控制變量法對(duì)人為較容易控制的因素進(jìn)行單因素分析。

2.2.1 助劑濃度對(duì)接觸角的影響

將植物油助劑分別按照體積分?jǐn)?shù)0.0%、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%、0.7%、0.8%、0.9%、1.0%配制溶液，然后測(cè)量溶液與植物蠟質(zhì)表面的接觸角，結(jié)果如圖3所示?？梢钥闯觯恍栉⒘康闹鷦?，液體與蠟質(zhì)表面的接觸角大幅降低，而隨著助劑濃度的增大，液體潤(rùn)濕性并沒(méi)有得到顯著的提高。

2.2.2 肥料濃度對(duì)接觸角的影響

圖3 接觸角隨助劑體積分?jǐn)?shù)變化關(guān)系Fig.3 Relationship between contact angle and adjuvant concentration

將2種不同的肥料分別按照不稀釋和稀釋2、4、8、16、32、64、100、200、300、400、500、600、700、800、900、1 000倍配制溶液，然后測(cè)量溶液與植物蠟質(zhì)表面的接觸角，結(jié)果如圖4所示。從中可知：在稀釋倍數(shù)為0～64區(qū)間內(nèi)，接觸角隨肥料濃度的降低而升高；當(dāng)稀釋倍數(shù)大于64后，接觸角趨于穩(wěn)定。

圖4 接觸角隨肥料稀釋比例變化關(guān)系Fig.4 Relationship between contact angle and dilution ratio of fertilizer

2.2.3 滴落高度對(duì)接觸角的影響

為觀察液滴與固體表面接觸時(shí)的瞬時(shí)速度對(duì)液體潤(rùn)濕性的影響，將水和體積分?jǐn)?shù)為0.4%的助劑水溶液分別從不同高度處滴落，觀察溶液與植物蠟質(zhì)表面的接觸角。滴落高度設(shè)置為0～20 cm，間隔0.5 cm，液滴大小為8μL，忽略空氣阻力的影響，根據(jù)自由落體運(yùn)動(dòng)速度公式v= 2gh，取g=10 m/s2，則相當(dāng)于考察液滴與固體表面接觸時(shí)的瞬時(shí)速度在0～2 m/s范圍。參考宋堅(jiān)利等[16]所測(cè)的噴霧時(shí)霧滴運(yùn)動(dòng)速度分布，此參考范圍可以滿(mǎn)足實(shí)際無(wú)人機(jī)作業(yè)中液滴接觸葉片時(shí)的真實(shí)速度。從圖5可以看出，高度（速度）對(duì)水的潤(rùn)濕性影響并不大，而對(duì)含助劑的溶液影響顯著。當(dāng)?shù)温涓叨葹?～12 cm（對(duì)應(yīng)速度0～1.55 m/s）時(shí)，隨著高度（速度）的增加，助劑溶液的潤(rùn)濕性也隨之增加；而當(dāng)?shù)温涓叨葹?3～20 cm（對(duì)應(yīng)速度＞1.55～2 m/s）時(shí)，隨著高度（速度）的增加，助劑溶液的潤(rùn)濕性趨于穩(wěn)定，基本保持在25°～30°范圍內(nèi)。

圖5 接觸角隨液滴滴落高度變化關(guān)系Fig.5 Relationship between contact angle and drop height of droplet

3 討論

本文對(duì)影響葉面肥潤(rùn)濕葉片性能的幾個(gè)因素進(jìn)行了主次分析，包括葉片正反面位置、液態(tài)肥的種類(lèi)、液態(tài)肥的濃度、助劑的濃度、液滴的大?。涣硗猓瑢?duì)助劑濃度、液態(tài)肥濃度、液滴滴落高度進(jìn)行了單因素分析。

由葉片正反面掃描電鏡圖可以看出，油菜葉片正面和反面構(gòu)造存在明顯差別。油菜葉片正面蠟質(zhì)相對(duì)反面較多，而反面的氣孔密度大約是正面的1.5倍，這說(shuō)明葉片反面更有利于葉面肥發(fā)揮作用，在實(shí)際作業(yè)中應(yīng)將葉片反面的液肥沉積量作為一個(gè)重要的效果評(píng)價(jià)指標(biāo)。且FOQUé等[15]也指出，取樣位置不同時(shí)，沉積和覆蓋效果有明顯的差異；盡管葉片背面的沉積量通常很低，但是提高葉片背面沉積量具有重要的生物學(xué)效應(yīng)，并且使用合適的噴霧方式可以使葉片背面沉積量提高3.0～4.9倍。

首先，正交試驗(yàn)結(jié)果顯示，影響葉片與液體之間接觸角大小的最主要因素是助劑，它可使植物葉片表面由疏水變?yōu)橛H水，而其濃度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響并不明顯。其次是液體種類(lèi)和液滴大小，雖各水平之間有所差異，但都表現(xiàn)為親水，考慮到實(shí)際應(yīng)用中噴施液體的種類(lèi)是已定的，且許小龍等[25]已專(zhuān)門(mén)研究了霧滴體積對(duì)植物葉面霧滴接觸角的影響，故不再贅述液滴大小和液體種類(lèi)對(duì)接觸角的影響。最后是液體濃度，試驗(yàn)結(jié)果表明噴施液體濃度變大，接觸角減小，即液體潤(rùn)濕性能提高；而葉片的正反面對(duì)接觸角的影響并不顯著，可認(rèn)為葉面肥對(duì)葉片正面和反面的潤(rùn)濕性相同。

針對(duì)上文中的問(wèn)題，本研究還進(jìn)行了進(jìn)一步的單因素探究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在液體中添加微量的助劑即可大大增強(qiáng)液體的潤(rùn)濕性，而過(guò)量添加助劑并不會(huì)帶來(lái)更加顯著的增強(qiáng)效果，故推薦使用的助劑濃度至少為4‰。當(dāng)液體被稀釋到一定程度后，接觸角不再有明顯變化，而濃度較高時(shí)，接觸角隨液態(tài)肥濃度的降低而升高。對(duì)于地面噴灑機(jī)械不需考慮液態(tài)肥濃度對(duì)液體潤(rùn)濕性的影響，而航空作業(yè)低量噴施時(shí)，藥液濃度高，可在一定程度上增強(qiáng)液體的潤(rùn)濕性。不過(guò)本文只使用了植物油型助劑，對(duì)于不同助劑類(lèi)型和濃度對(duì)噴施的影響，王瀟楠等[26]已做過(guò)相應(yīng)研究，可參考其研究成果選取符合作業(yè)要求的助劑。

此外，本文還探究了液滴在與葉片接觸瞬間速度對(duì)接觸角的影響，結(jié)果顯示：未加助劑的液體表現(xiàn)為疏水，且接觸時(shí)瞬間速度的大小對(duì)液滴的潤(rùn)濕性影響不大；而對(duì)于添加助劑后的液體，速度的影響作用則較大，即隨著瞬間接觸速度增加，接觸角先減小后保持穩(wěn)定。這說(shuō)明在實(shí)際作業(yè)中，應(yīng)盡量選擇噴出霧滴初速度較高的噴嘴及作業(yè)參數(shù)，使液滴在接觸葉片時(shí)的速度高于1.55 m/s，從而使液滴達(dá)到最佳的潤(rùn)濕性能。

4 結(jié)論

為提高航空噴施作業(yè)效果、減少施肥施藥量提供參考，本文研究了航空噴施作業(yè)中液滴與葉片接觸時(shí)影響液體潤(rùn)濕性能的幾個(gè)主要因素，并得到以下結(jié)論：

1）影響液體潤(rùn)濕葉片性能的最主要因素為是否添加助劑。根據(jù)正交試驗(yàn)和單因素試驗(yàn)結(jié)果，推薦植物油助劑使用濃度為大于4‰，添加后葉片可由疏水變?yōu)橛H水。

2）雖然葉面肥的濃度增加會(huì)提高液體潤(rùn)濕性，但是因?yàn)楹娇兆鳂I(yè)本身采用的液體濃度已經(jīng)很高，如再提高液體濃度很有可能造成葉面灼傷，故不建議通過(guò)增大液體濃度的方法提高液體潤(rùn)濕性。而且為避免高濃度作業(yè)發(fā)生灼傷現(xiàn)象，根據(jù)VASILAS等[4]的試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，建議在下午5點(diǎn)后陽(yáng)光不是特別強(qiáng)烈時(shí)進(jìn)行噴施作業(yè)。

3）因無(wú)人機(jī)施肥作業(yè)時(shí)，噴出的霧滴到達(dá)葉片表面時(shí)具有一定速度，故可通過(guò)改變檢測(cè)時(shí)液滴的下落高度來(lái)反映速度對(duì)接觸角的影響。結(jié)果顯示：高度（速度）對(duì)水溶液（不添加助劑溶液）的潤(rùn)濕性影響并不大；而對(duì)含助劑的溶液影響顯著，即速度越大，溶液的潤(rùn)濕性越好，當(dāng)速度達(dá)到一定值后，溶液的潤(rùn)濕性保持穩(wěn)定。故在實(shí)際作業(yè)時(shí)，應(yīng)采取增加水泵壓力等有效措施來(lái)適當(dāng)增加噴霧液滴的速度。