理想农业喷剂的发展标准-生物学家的观点

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关于汤姆·沃尔夫(小家伙)

Tom Wolf酒店位于Saskatoon,SK,并在喷涂业务中拥有31年的研究经验。他获得了他的BSA(1987)和M.Sc.(1991)在曼尼托巴省大学的植物科学中,他的博士学位(1996年)来自俄亥俄州州立大学的农学院。汤姆侧重于实际建议,以提高生产者的效率为基础。他还骑着独轮车大多数人到办公室。

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最初发表于:沃尔夫,T.M.和唐纳,R.A。ILASS美洲,11TH.液体雾化和喷雾系统年会,加利福尼亚州萨克拉门托,1998年5月

读者注:自从我们在液体雾化研究所和喷雾系统会议组织者邀请邀请本文邀请本文已经近23年了。当时,定制运营商,而不是农民,买了自走式喷雾器。刚刚介绍了空气感应提示。脉冲宽度调制仅开始可用。GMO作物是可用的,但未得到广泛采用。缓冲区比政策更闻。我们仔细考虑过的思绪有多糟糕?

抽象的

农业喷施的目标是在不造成不利环境影响的情况下,以低成本有效地控制害虫。喷雾必须从雾化器有效地输送到目标,被目标拦截和保留,并形成生物活性沉积物。由于剂量转移的连续阶段之间的相互作用,效率的提高是难以捉摸的。进步取决于气泡雾化提供增加控制液滴尺寸和速度谱不牺牲机械简单:(a)消除流量和喷雾质量的相互依存,(b)的控制跨度在任何给定的公称直径大小,(c)逆转目前的液滴尺寸和速度之间的关系。这样的雾化器将驱动一个新的研究推力,以提高喷雾效率

介绍

多分散的喷雾提供一致的结果仍然存在剂量转移的固有效率。它们光谱极端的漂移潜力和差的喷雾保留是这种低效率的经典例子,喷涂应用的环境方面被批评(Pimmentel和Levitan,1986)。然而,尽管正在进行的研究,效率突破仍然难以捉摸(HISLOP,1993)。由于控制剂量转移的因素的相互依赖性,一个区域的进展(即,用更细的喷雾剂更大的保留)通常是以喷雾漂移为代价,反之亦然(年轻,1986)。由于效率和结果的稳健性的缺点,具有单分散喷雾(受控液滴应用,CDA)效率的理论改进尚未转化为广泛的采用。经过50年的研究,由于喷涂应用早期讨论的相同妥协显然仍未解决。

喷嘴的设计当然得到了改进——更宽的压力范围,改进的喷雾模式,实现各种喷雾质量的更多选择,更好的质量,更长的磨损材料,以及更低的成本,这些对最终用户都是重要的。但基本的雾化器——产生多分散喷雾的液压平面风扇喷嘴——多年来几乎没有改变。

一个新的开始?

这篇论文提出的问题是:如果生物学家能设计出理想的喷雾,会是什么?以最有效的方式取得最佳结果的标准是什么?这样的讨论为我们提供了一个独特的机会来思考我们对喷雾器及其生物影响的了解,为满足我们未来的需求提供喷雾器设计信息。

不幸的是,生物学家对喷雾质量对效果的影响仍然知之甚少。一般来说,喷雾质量与除草剂、杀虫剂或杀菌剂的效力有关,但在大多数情况下,理想的喷雾或随后的沉积仍未确定(Hislop, 1987)。这种情况反映了在喷雾雾化方面缺乏选择,造成了一个两难的局面:不能轻易地生产定制的喷雾,使得生物学家很难确定(在没有混杂因素的情况下)任何特定情况下的理想喷雾。此外,行业对简单、可靠和标准的应用系统的需求从本质上阻碍了优化系统的努力。所有利益攸关方都需要灵活变通,为改善提供一个有利的环境。

“综合喷雾管理”

在这个病虫害综合治理的时代,作物种植系统被优化,以提供最有效的病虫害管理策略,并以最小的作物保护剂(CPA)的使用为基础。这种基本原理可以扩展到喷雾应用程序。当注册会计师在这样的系统中使用时,他们也必须依靠多样化的策略来提高效率。在这种理念下,对所有害虫采用单一标准应用技术是不可接受的。要将这种发展付诸行动,需要有两个发展:(a)一个应用系统能够在一定的载体体积下提供各种各样的喷雾质量(液滴大小、跨度、速度);(b)在可识别条件下利用特定喷雾质量的知识。

申请目标

在发展这种新的应用哲学期间,喷涂申请的目标必须保持清晰。他们将以最有效的形式提供注册会计师,以最低可能的成本,即有效,经济和环境,没有偏离目标效果。




图1:农业液压平板风扇喷嘴的典型液滴数和体积光谱

大多数紧急的CPA应用的现状是液压平面风扇喷嘴。如我们所知,这种喷嘴产生具有液滴速度和尺寸关系的细小液滴(图1)的异质混合(图2)。这种喷嘴经常被批评效率低下,因为只有一小部分喷雾是最佳的目标(亚当斯et al。, 1990)。与此同时,由于它的大小和速度谱的一部分(虽然不一定是同一个)通常适合于手边的害虫复合体,因此它的一致性受到了赞扬。




图2:农用液压平扇喷嘴的典型速度谱。

液压喷嘴最常见的缺点是细颗粒的可漂移性和粗颗粒的滞留性差。另一个缺点是任何给定喷嘴的流速和液滴大小相互依赖,即在相同的工作速率下,较低的载体体积适用于较细的喷雾。对液滴尺寸效应的研究一直很困难,因为当另一个变量发生变化时,没有一个变量可以保持不变。在保持剂量恒定的情况下,载体体积的研究必须同时接受移动速度或液滴大小的变化,液滴大小的研究必须应对液滴密度的变化,液滴密度的研究必须改变活性成分的浓度。鉴于问题的复杂性,很少有研究人员致力于解决这些难题。

效率最大化——没有简单的答案

对于任何给定的喷雾混合物,雾化器控制喷雾模式、液滴大小和液滴速度。喷雾模式决定空间均匀性。液滴大小和速度通过控制冠层穿透、截留、覆盖、蒸发速率等来影响喷雾命运。考虑到活性成分、配方、浓度、环境、害虫和植物冠层的多样性,科学证据经常相互矛盾也就不足为奇了(Knoche, 1994)。没有一个“最佳”液滴大小来优化这些因素,这也不足为奇。

基本原则:为了更好地理解为什么单一的理想喷雾不可能存在,简要回顾一下喷雾漂移、拦截和滞留的原理是合适的。较大的液滴主要由惯性力和引力驱动(Spillman,1984)。因此,它们往往具有垂直轨迹,因此不容易被移动。这使得它们成为减少漂移的好选择,也适用于树冠穿透垂直方向的树冠,如谷物。目标物的收集效率取决于目标物的大小和方向——水平方向的较大物体会受到较大液滴的青睐。喷雾滞留是叶片表面润湿性和微观结构的函数,因为较难润湿的物种更可能反射较大的液滴(Hartley和Brunskill,1958)。

另一方面,小水滴更容易受到粘滞阻力,停止距离更短,因此可以随着当地空气湍流移动,到达阴影区域(Nordbo, 1992)。因此,更精细的喷雾会因气流而偏离其飞行路线,但它们也能更好地穿透浓密的阔叶树冠,因为它们能围绕更大的物体移动。茎和叶柄等垂直朝向的小物体对小水滴的收集效率最高。

成功沉积在目标上后,沉积物的形式必须能发挥预期的生物效应。在相同的扩散系数下,体积较大的沉积物保持湿润的时间更长,为叶片吸收提供了更多的机会。每单位体积的小液滴覆盖率更高,但干燥迅速,这可能会限制其吸收。

生物靶标对活性成分的吸收和转运是由浓度梯度驱动的物理过程。每单位叶面积的活性成分和表面活性剂浓度是载体体积、液滴大小和扩散因子的函数。低于最佳浓度可能导致吸收和转运减少(狼et al。, 1992)。

由于杂草的异质性质,出现了进一步的并发症。杂草植物的个体区域具有独特的解剖和生理特征,可以影响空间水平的保留,摄取和易位过程。例如,Merritt(1982)表明野燕麦(燕麦属fatua),年轻的叶子和叶子的基础区域比较旧的叶子吸收得更差异。

所有这些因素都使油田优化的探索变得更加复杂。

理想的喷

基于先前的讨论,可以很明显,单滴尺寸不能满足在这种复杂系统内的所有需求。因此,我们的焦点必须从理论上的最佳解决方案转变,原样是受控液滴涂抹器(BALS,1980)到强调灵活性的基础。

代表生物学家发言的一个好处是,人们可以假装完全不知道原子化,并提出看似可笑的想法。也许新方法的先决条件就是这种无知。

生物学家需要一种喷雾,不仅可以实现最佳应用,而是作为学习如何首先优化该过程的手段。此外,由于没有单一最佳的喷涂质量来满足所有应用场景,因此喷雾中最重要的特征是灵活性。以下功能将很重要:

喷雾质量独立:第一个标准是在不影响载体体积或液滴速度的情况下轻松调整喷雾质量的能力,反之亦然(图3)。这样就可以在不引入其他混杂效应的情况下实现更粗或更细喷雾的转变。在这方面已经取得了一些进展(Giles和Comino, 1990年)。

图3:液滴大小光谱从中等质量转变为精细或粗糙质量,无需改变载体体积即可实现。

相对跨度因子灵活性:喷雾的相对跨度系数应该是可调的(图4)。为了确定具体雾滴大小的重要性,将扁平风扇喷嘴产生的广谱喷雾进行缩小是很重要的。虽然这种研究是在20世纪70年代和80年代使用可控雾滴施用器(CDAs)进行的,但如果使用液压雾滴施用器,与这种雾滴施用器相关的独特雾滴速度会对结果产生疑问。

图4:缩小液滴大小谱的跨度,同时保持其多分散性质,将有助于在特定液滴大小和喷雾不均一性之间取得平衡。

速度控制:第三条标准用于改进的液滴速度控制。液滴速度依赖性的尺寸意味着在没有空气辅助的情况下,较小的液滴总是移动较慢。这个因素降低了他们收集的效率,使它们变得更容易发生。此外,较大的液滴更快地移动,更有可能与目标反弹。小型液滴的加速是减少喷雾漂移和提高收集效率的策略,但较大液滴的更大速度可能会降低目标保持效率。如果液滴尺寸 - 速度关系颠倒,则较小的液滴将减少易损,较大的液滴不太可能反弹(图5)。

图5:用于典型农用液压喷雾的液滴速度谱,加速空气辅助,以减少较小液滴的漂移电位,并且较小的液滴比较大的液滴更快地行驶,以最大化转移效率。

喷雾异构性:在优化的系统中,喷雾不均一性仍然很重要,特别是在没有按尺寸分类的液滴函数的具体知识的情况下。从这个意义上说,多分散喷雾不仅为不断变化的条件提供了保障,它还为静态条件增加了多样性,从而加强了整体效果。虽然以定量剂量为基础的CPA交付方法通常是适当的,但它低估了沉积结构和喷剂再分配的作用,在这些方面质量比数量更重要(Wolf, 1996)。例如,我们假设当喷雾量为400µm VMD时,冠层穿透最大,相对跨度因子为0.7。在这种喷雾中,细液滴对总剂量的贡献相对较小。然而,它们在冠层中重新分布的能力,瞄准大液滴未触及的区域,可能比它们的总剂量贡献更重要。这样,它们提供的益处与总剂量无关。异质喷雾器将确保这些好处保持不变。

沉积均匀性:如果在处理区域内不能维持空间剂量均匀性,则优化剂量转移的努力受到损害。高存款变异性与昆虫的控制减少有关(英国和牧师,1982年; Cookeet al。,1986年)。因此,均匀性仍然是喷雾应用的根本要求,不应损害新的雾化器设计。

环境作为优先事项

喷雾剂必须落在指定的目标上,无论是植物、昆虫还是地面,在某些情况下,必须落在最佳的害虫部位,即特定的叶子、叶侧、茎等。偏离目标的布置不仅体现了效率低下,而且还带来了不必要的环境投入。对于任何应用系统,一个重要的标准是管理脱靶影响的能力。

过去解决喷雾漂移或液滴反弹的方法有两方面:(a)消除那些不能有效影响目标的液滴,或(b)保护它们不被置换。对于喷雾漂移,通过生产粗喷雾来消除小液滴是成功的(Edwards和Ripper, 1953)。目前所面临的挑战是,如何在不影响先前工作效率最大化的前提下提供漂移保护。用屏障保护细粉是减少漂移的一种有效策略,并提供了保持喷雾质量的优势,以满足单独的标准(Wolf)et al。, 1993)。另一个成功的战略是协助用外部能源(空气或静电)运输罚款。这也允许保留优化的喷雾质量,增加了修改雾滴速度谱以有利于冠层穿透的优势。

喷嘴的设计可以为减少回弹提供一些机会。新型雾化系统,如文丘里喷嘴或双流体喷嘴,可提供空气在液滴中夹杂,可减少较大液滴的回弹。如果需要更大的液滴,但考虑到液滴的滞留,这种方法可能是有用的。喷雾佐剂也可以在这一领域发挥重要作用(唐纳et al。,1995)

经济方面的考虑

任何提供有效虫害管理的尝试都是基于经济考虑。生产商必须看到进行技术投资的好处。因此,任何雾化器溶液不仅必须满足优化剂量转移的技术要求,还必须是一个具有成本效益和实用的系统。一个操作复杂的系统不太可能被广泛采用。如果没有最终用户实施的战略,在交付方面的创新仅仅是理论练习。

实践

在一个典型的工作日,可能会请施药者用广谱产品处理农作物的一系列害虫。这些害虫的密度可能在一定范围内,有些高于经济阈值,有些低于经济阈值。也可能有一系列的树冠,有的阔叶,有的草,有的密,有的稀疏。根据地区的不同,可能存在一系列的环境,在这些环境下害虫形成,或在应用期间。每个领域还将有一系列具有独特入侵敏感性的边缘生态系统。

显然,可能的定制程度是有限制的。但是一些努力将会得到回报。应用程序使用GPS技术收集或召回相关数据-敏感地区、虫害水平高低或冠层结构变化。使用这种新型雾化器,喷洒器可以根据虫害或树冠的具体情况,释放出最有效的雾滴大小、速度、跨度和剂量。使用由BCPC和ASAE开发的喷雾质量分类系统将指导优化工作,但最终,这些分类系统将过于宽泛,无法对系统进行微调。需要一种高分辨率、多参数的方案,该方案足够敏感,能够代表本文中列出的准则。

当系统拒绝优化时,可能会出现困难。例如,施用者在草冠层中控制阔叶草相对容易,因为优化草冠层渗透的大小谱也可能有效地针对阔叶草。如果在这个树冠中使用罐混合剂来控制草和阔叶杂草,施药者现在需要一个更均匀的喷洒,其中较细的成分针对草杂草,而较粗的成分仍然有效地转移剂量给阔叶杂草。随着情况的复杂性的增加,同时优化几个标准将越来越困难。

结论

只有涉及所有利益相关者(工程师、化学家、生物学家等)的综合方法可以改进CPA的应用。个人目标和关注点必须在新的设计工作中进行沟通和协调。本文从生物学家的角度给出了一份愿望清单。虽然我们认为更大的灵活性和控制是重要的目标,但也必须考虑机械复杂性和成本,p可能与具有一系列理化性质、生物防治剂和实际采用策略的制剂发生相互作用。持续愿意在这些学科之间建立和保持沟通与合作关系将是成功的关键。

致谢

感谢ILASS项目组织委员会邀请我做本次演讲。

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