Nozzle spray quality and spray deposition in agricultural treatments [Analisi degli spray e del deposito prodotti da ugelli per i trattamenti in agricoltura]

Within the current scenario of agriculture, Plant Protection Products (PPPs) have been recognized as one of the most effective and powerful tools for crop pest control, offering several benefits in controlling plant growth. However, improper handling of these products can inevitably lead to undesirable impacts on both human health and the surrounding environment. For this reason, it is required paying attention to several aspects during PPP application process, which will determine how effectively the crops are covered by the liquid mixture. Among these, the assessment of nozzle spray quality, evaluated in terms of droplet size spectrum, holds a significant role, as it has influence on the movement of the required dose to the target, on the unwanted off-target losses, as well as on the operator safety. In this context, the multidisciplinary research activities of this PhD thesis were focused on: (i) taking general understanding and reviewing the current available scientific literature regarding the most widespread techniques, both intrusive and non-intrusive, for droplet size measurement; (ii) evaluating the effects of image segmentation thresholding on droplet size measurement; (iii) comparing the performance of four droplet size measurement techniques employed for spray characterization, by measuring the droplet size spectrum produced by agricultural nozzles under identical operating conditions; (iv) studying the correlation between droplet diameters, foliar deposition on orange leaves and surface coverage measured on Water Sensitive Papers (WSPs) under laboratory conditions, so that allowing the development of a model capable of predicting foliar deposition in function of superficial coverage and droplet characteristic diameters; and (v) modelling the cumulative volume curves by using the logistic function, allowing to compute and forecast the volumetric diameters in a spray, as well as evaluate the effect of spray pressure on the model. Overall, the present research project has contributed to lay a valid base for an efficient PPP application, playing a fundamental role in increasing their benefits and driving farmers and researchers to better consolidate the state of knowledge about the optimal droplet size distribution and the resulting efficiency of the spray deposition process during phytosanitary treatments.

Nell’attuale scenario dei mezzi disponibili per l’attività di difesa delle colture, i prodotti fitosanitari sono riconosciuti come uno degli strumenti più efficaci e potenti per il controllo dei parassiti delle colture, offrendo diversi vantaggi nel favorire la crescita delle piante. Tuttavia, una gestione impropria di questi prodotti può portare ad effetti indesiderati sulla salute umana e sull’ambiente circostante. Per questo motivo, è necessario prestare attenzione a diversi aspetti durante il processo di applicazione dei prodotti fitosanitari che, di norma, prevede la polverizzazione di una miscela di acqua e fitofarmaco e influisce sull’efficiente copertura delle colture con la miscela liquida irrorata. Tra i diversi aspetti, lo studio della qualità dello spray prodotto dai comuni ugelli presenti nelle irroratrici, valutata in termini di spettro dimensionale delle gocce, svolge un ruolo significativo, poiché avrà effetto sul movimento della dose richiesta verso il bersaglio, sulle perdite fuori bersaglio e sulla sicurezza dell’operatore. In questo contesto, le attività di ricerca multidisciplinari della presente tesi di dottorato si sono concentrate su: (i) conoscenza generale e studio della letteratura scientifica attualmente disponibile riguardante le tecniche, sia intrusive che non intrusive, per determinare la dimensione delle gocce; (ii) valutazione degli effetti della soglia di segmentazione dell’immagine sulla misura della dimensione delle gocce; (iii) comparazione tra quattro tecniche di misura della dimensione delle gocce prodotte da ugelli nelle stesse condizioni di lavoro; (iv) studio della correlazione tra i diametri delle gocce, il deposito su foglie di arancio e la copertura della superficie misurata su cartine idrosensibili in condizioni di laboratorio, così da consentire lo sviluppo di un modello in grado di predire il deposito fogliare in funzione della copertura superficiale e dei diametri caratteristici delle gocce; (v) modellazione delle curve cumulative di volume utilizzando una funzione logistica attraverso cui calcolare e prevedere i diametri volumetrici in uno spray, nonché valutare l’effetto della pressione a cui si effettua la polverizzazione della miscela fitoiatrica. In generale, il presente progetto di ricerca ha contribuito a porre una solida base per l’uso efficace dei pesticidi, svolgendo un ruolo fondamentale nell’aumentare i benefici degli stessi e nel guidare gli agricoltori a migliorare lo stato della conoscenza sull’applicazione ottimale del volume distribuito e sull’efficienza del deposito dello spray durante i trattamenti fitosanitari.