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发布时间：2020-12-01 15:23所属平台：学报论文发表咨询网浏览： 次
摘要：目前用于农林业病虫害防治的农药液滴不能很好的粘附到靶标叶片表面上，导致农药投入量高，靶标针对性差，农药浪费严重，提高农药利用率的前提是掌握农药液滴在植物叶片表面上的润湿过程。从试验研究、理论分析和数值模拟这3个方面分析农药液滴在植物枝
摘要：目前用于农林业病虫害防治的农药液滴不能很好的粘附到靶标叶片表面上，导致农药投入量高，靶标针对性差，农药浪费严重，提高农药利用率的前提是掌握农药液滴在植物叶片表面上的润湿过程。从试验研究、理论分析和数值模拟这3个方面分析农药液滴在植物枝叶表面的润湿附着特性，阐述叶片表面形态和表面活性剂对农药液滴表面张力及接触角的影响，分析多尺度表面结构与农药液滴铺展的关系，综述计算流体力学(CFD)技术在预测农药液滴润湿特性领域的应用。现有文献中表明目前以重复试验为主的方法成本高、周期长，而数值模拟适用性广，是未来农林领域重要的研究方向，为与之匹配的喷雾设备研制和农药制备提供理论依据。
关键词：农药液滴;农药利用率;润湿特性;表面张力;表面结构;数值模拟
0引言植物保护是控制农林病、虫、草害的主要途径，也是农林生产过程中非常重要的环节。农药是现代化农业不可或缺的生产资料和救灾物资，有利于农业的发展，中国作为世界上使用农药最多的国家，农药使用量可达50～61万t/年，但利用率低，82%～91%的农药最终流入土壤环境中，造成严重的浪费，带来一系列环境污染问题[14]。
固体表面润湿是常见现象，在多个方面都发挥着重要作用，农业领域也是如此。增强药液在植物枝叶表面润湿性是解决农药浪费，提高农药利用率的方法之一。叶表润湿性的增强，不仅有利于药液的铺展、黏附以及有效成分的渗透和传递，使作物免受有害生物的侵袭，还可以减少农药的使用，提高农药利用率，降低农药滥用带来的环境污染[5]。
由于药液难以在植物枝叶表面轻易地润湿展布，因此对药液在植物枝叶表面的润湿特性研究就显得十分迫切。本文主要从试验研究、理论分析方法和数值模拟这几个角度对液滴在植物枝叶表面的润湿特性研究进行总结，阐述影响液滴在叶表润湿的因素，探讨提高农药利用率的方法，为未来精准施药系统中喷雾设备的研制和农药制备提供理论基础。
1农药液滴润湿的国内外试验研究进展
为了有效提高农药利用率，减少环境污染，国内外的专家学者展开大量的试验研究。主要围绕靶标叶片表面结构和农药液滴改性两个方面，深入研究靶标叶片表面结构特性对农药液滴的润湿铺展、沉积持留及吸收传导的规律和界面现象的影响，同时研究功能助剂的添加影响农药液滴对靶标叶片沉积及持留效率的微观机制，就可发展出一条从根本解决农药利用率的新途径。
1.1植物叶片表面结构研究
植物叶片作为农药液滴所作用的靶标表面，其界面结构特性对液滴在靶标作物表面润湿黏附行为具有重要影响[67]。植物叶片表面结构复杂，通常由外蜡质层、内蜡质层(光滑的蜡质化合物与果胶复合物)及细胞壁组成的纤维素层组成，其界面结构不仅有输运营养物质及防御病原体攻击的作用，对液滴在靶标作物表面碰撞与润湿黏附行为也具有重要影响。
外蜡质层作为靶标表面最外层结构，决定了叶片表面亲疏水性，使作物能够克服周围环境产生的物理和生理的问题。因此，研究植物叶片表面的物理化学性质(表面化学成分和表面形貌)尤为重要。早在1997年，国外学者Neinhuis等[8]最早开始关注荷叶非光滑表面特性，通过观察荷叶表面的微观形态结构，发现荷叶表面上具有微米级的乳突结构和蜡质物，从而荷叶具有疏水自清洁功能。2006年，Jung等[9]进一步地对荷叶效应进行研究，发现叶片表面的凸体为纳米结构比为微米结构更加有利于分析叶片表面的疏水特性。
1.2表面活性剂对液滴润湿特性的研究
由于表面疏水性的存在，液滴通常会发生反弹，要增强液滴润湿性，就必须降低液滴的表面张力，加入表面活性剂就是一种有效的方法。《自然》杂志报道了Bird等[15]在液体中添加少量表面活性剂降低表面张力，改善液滴的沉积特性。试验中发现，在静态情况下，液滴会慢慢地铺展沉积在固体表面上，但当液滴撞击固体表面时，表面活性剂的作用会变得复杂，如果表面活性剂在壁面上的扩散时间大于液滴与壁面的接触时间，液滴依旧会反弹。
基于这个思路，大量学者围绕通过添加表面活性剂或者助剂来提高农药利用展开研究，Dong等[16]采用两个高速相机记录随活性剂浓度变化，研究了液滴在疏水和亲水表面的接触角变化规律以及液滴在枝叶表面溅射与铺展过程。Lin等[11]借助扫描电镜研究了表面活性剂的有无、种类和浓度在蜡状和发状表面不同部位的润湿性和铺展面积的变化。
近年来，国内外学者[1721]选择了不同生长期、不同叶片部位的蕹菜、大豆、小麦、水稻叶片作为研究对象，研究了表面活性剂对液滴在叶片表面上铺展过程的影响和接触角变化规律，发现活性剂作用下可以增加润湿面积，延长液滴持留时间。
但由于测量手段的限制和研究尺度的区别，现有的研究结论并不完全一致。Damak等[22]通过双喷头喷施带异性电荷的聚电解质液滴，可以有效提高液滴的原位沉积，但文章中指出，双喷头喷施液滴的聚电解质种类、正负性，甚至喷施时间的一致性都会对液滴的润湿效果产生影响。Song等[23]在基液中添加胶束表面活性剂，液滴撞击疏水表面，观测到的现象与文献[15]中类似，液滴会有反弹，但添加囊泡型表面活性剂提高壁面润湿性质转变，抑制液滴飞溅。
2农药液滴润湿的国内外理论分析进展
对于农药液滴在叶片表面的理论分析大多还是借助于经典的润湿模型，主要通过比较接触角、表面自由能(表面张力)，液滴扩散半径来评价润湿性能好坏。
3农药液滴润湿的国内外数值模拟进展
当前试验研究虽然进行较多，但是试验研究存在试验环境影响因素多，试验耗时长，试验成本高等问题。为了揭示农药液滴在叶片表面的润湿机理，缩短施药机具和农药的研发周期，采用基于计算流体力学的数值模拟手段开展研究。董祥[34]采用VOF法模拟单个液滴撞击界面过程，获得了液滴撞击表面之后发生的沉积和反弹过程的形态演化以及内部的流场变化，通过对计算结果的讨论和分析，得到了雾滴撞击界面过程中沉积和反弹形态演化的具体阶段和细节，雾滴内部流动变化状态以及能量平衡与转换过程。
王双双[35]模拟了不同喷雾液滴在重力和惯性力的作用下以一定速度撞击棉花、小麦和水稻三种不同农作物叶片表面之后液滴的运动行为，认为试验植物叶面结构和均匀沙粒结构类似，验证了液滴反弹和液滴飞溅行为，发现液滴粒径和初始速度对撞击之后的运动行为有明显的影响。
2016年Delete等[3637]采用VOF法模拟了液滴在苹果和甘蓝菜等植物表面的动态润湿特性，预测液滴冲击速度、液滴直径、表面类型对液滴冲击特性的影响。发现液滴在亲水表面和疏水表面分别发生黏附和反弹，高速冲击之后的液滴可以较为均匀的覆盖较大植物表面，较小的液滴粒径有利于液滴的黏附。谢亚星等[38]使用高速摄影仪捕捉液滴撞击枸杞叶片并观察其表面的液滴铺展现象，并采用VOF方法模拟此过程，表明液滴直径，下落高度和叶片倾角对液滴润湿的影响。
虽然现在VOF使用较多，但是VOF方法在模拟过程中存在法线方向、曲率等参数计算不精确的缺陷，导致模拟中液气界面的捕捉不够;而在VOF方法基础上发展得到的CLSVOF方法不仅可以较好的捕捉相界面，还可以实现质量守恒。当前数值模拟的方法可以较好的预测不同理化性质及不同直径液滴撞击植物枝叶表面的运动形态，可以更加全面的研究液滴直径、冲击速度、表面结构和表面润湿性等因素对液滴铺展特性的影响，是未来研究农药液滴在植物枝叶表面润湿特性的有效手段。
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4结论
通过分析发现，国内外试验研究虽然开展时间早，研究内容广，但受制于试验过程中影响因素多，导致当前得到的结果不尽相同，没有系统化;而理论分析方法主要关注于表面张力(表面自由能)，这主要针对的是农药液滴和植物表面的理化性质，对于叶表结构等因素考虑较少，所以现有模型还存在一定的不足;数值模拟作为一种应用到液滴在植物表面铺展润湿方面的较新方法，可以较好的预测农药液滴在植物枝叶表面的运动铺展情况，但现有的数值模拟研究所针对的表面状况和实际情况下的植物表面还存在较大差距;所以将叶表结构考虑到理论研究和数值模拟过程将是未来研究液滴在植物表面润湿的新方向。
参考文献
[1]陈晓明，王程龙，薄瑞.中国农药使用现状及对策建议[J].农药科学与管理，2016，37(2)：4-8.
[2]刘万才，刘振东，黄冲，等.近10年农作物主要病虫害发生危害情况的统计和分析[J].植物保护，2016，42(5)：1-9.
LiuWancai，LiuZhendong，HuangChong，etal.Statisticsandanalysisofcropyieldlossescausedbymaindiseasesandinsectpestsinrecent10years[J].PlantProtection，2016，42(5)：1-9.
作者：陈青，仓业峥，张健，许林云，周宏平，蒋雪松
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《农药液滴在植物枝叶表面润湿特性研究进展》