范小博，鄧　巍，吳桂芳

(1.北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心，北京　100097；2.國(guó)家農(nóng)業(yè)智能裝備工程技術(shù)研究中心，北京　100097；3.農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京　100081；4.農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京　100097；5.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，呼和浩特　010018)

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飄移控制噴霧施藥技術(shù)研究進(jìn)展

范小博1,2,3,4,5，鄧巍1,2,3,4，吳桂芳5

(1.北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心，北京100097；2.國(guó)家農(nóng)業(yè)智能裝備工程技術(shù)研究中心，北京100097；3.農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100081；4.農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100097；5.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，呼和浩特010018)

摘要：農(nóng)藥?kù)F滴飄移是造成藥液流失、環(huán)境污染、病害防治效果低的重要原因。非目標(biāo)的霧滴飄失導(dǎo)致了水土污染，人畜中毒，環(huán)境惡化等大量問(wèn)題。為了增強(qiáng)作物種植中施藥噴霧對(duì)病蟲(chóng)害的防治效果，提高化學(xué)農(nóng)藥的使用效率，節(jié)省農(nóng)民的種植成本，減輕農(nóng)藥對(duì)環(huán)境的污染和人員的傷害，針對(duì)噴霧過(guò)程中現(xiàn)存的大量問(wèn)題,結(jié)合了目前國(guó)內(nèi)農(nóng)藥的使用現(xiàn)狀及相關(guān)飄移控制技術(shù)的發(fā)展，通過(guò)對(duì)輔助式噴霧、低量低壓噴霧、變量噴霧、靜電噴霧、抗飄移噴頭和農(nóng)藥改善配方的使用等幾個(gè)方面綜述了目前防飄移技術(shù)的研究進(jìn)展，并對(duì)其進(jìn)行綜合，提出了一種可行的緩解農(nóng)藥污染的防飄移方案。

關(guān)鍵詞：霧滴飄移；沉積；農(nóng)藥防治；飄移控制；環(huán)境保護(hù)

0引言

目前，中國(guó)是世界上最大的農(nóng)藥使用國(guó)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年農(nóng)藥噴施面積達(dá)1.67億hm2，而其中有0.133億hm2被農(nóng)藥所污染，占全國(guó)耕地面積的1/7以上。噴霧機(jī)噴灑出去的農(nóng)藥中約有25%～50%能在作物上沉積，不足1%沉積在靶標(biāo)害蟲(chóng)上，能真正起到殺蟲(chóng)作用的藥劑只有不到0.03%，約有20%～30%以上的細(xì)小農(nóng)藥?kù)F滴會(huì)隨氣流飄移至非靶標(biāo)區(qū)域[1-5]。農(nóng)藥飄移至作業(yè)區(qū)域以外，不僅會(huì)浪費(fèi)農(nóng)藥、降低對(duì)病蟲(chóng)害的防治效果，而且會(huì)污染環(huán)境、危害周圍人群的身體健康。隨著人們對(duì)糧食需求的增加及對(duì)環(huán)境保護(hù)和食品安全的日益關(guān)注，農(nóng)藥飄移所帶來(lái)的問(wèn)題已經(jīng)受到了越來(lái)越多人的重視[6-7]。如何減少農(nóng)藥飄失，提高農(nóng)藥使用率，減輕對(duì)環(huán)境的污染是擺在我們面前一個(gè)必須解決的問(wèn)題。

飄移存在著兩種方式：飛行飄移或粒子飄移和蒸發(fā)飄移[3]。霧滴飄移的影響因素有很多，如藥液特性、霧滴粒徑、噴灑高度、噴霧壓力、氣象因素及環(huán)境條件等等。風(fēng)速和風(fēng)向影響霧滴沉積；空氣相對(duì)濕度和溫度影響霧滴粒徑，高溫加強(qiáng)了蒸發(fā)；噴頭的設(shè)計(jì)、噴孔的尺寸、操作壓力和夾帶的空氣影響了噴霧霧滴的尺寸和速率。與此同時(shí)，液滴的運(yùn)動(dòng)軌跡、沉降速度、噴霧羽流孔隙度也會(huì)影響霧滴的沉積；而其中決定農(nóng)藥飄移和沉降的關(guān)鍵因素是霧滴的粒徑[8-12]。

本文通過(guò)對(duì)噴霧霧滴飄移的論述，從輔助式噴霧、低量低壓噴霧、變量噴霧、靜電噴霧、抗飄移噴頭和農(nóng)藥配方的使用等幾個(gè)方面對(duì)飄移控制技術(shù)展開(kāi)了評(píng)述，并對(duì)其在未來(lái)的綜合運(yùn)用進(jìn)行了展望。

1輔助式防飄移噴霧

輔助式噴霧技術(shù)是指利用輔助式的氣流裝置，包括截流式風(fēng)扇、高壓離心風(fēng)機(jī)、軸流式風(fēng)機(jī)、風(fēng)幕式噴霧機(jī)、風(fēng)簾型風(fēng)送式噴霧機(jī)等在進(jìn)行噴霧時(shí)利用風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的氣流將霧滴輸送至靶標(biāo)；攜帶有細(xì)小霧滴的氣流驅(qū)動(dòng)果樹(shù)葉片翻動(dòng)，使葉片的正、反面都能著藥，大大提高了藥液在靶標(biāo)上的覆蓋密度和均勻度，可使藥液的利用率達(dá)到30%以上，顯著降低施藥?kù)F滴的飄移，提高其利用率。

1.1風(fēng)送式防飄移噴霧

風(fēng)送式噴霧技術(shù)主要指應(yīng)用于果園農(nóng)藥噴灑的風(fēng)助式噴霧器，由一個(gè)截流式風(fēng)扇與不同型號(hào)和數(shù)量的噴嘴組成。噴嘴噴出的霧滴處在風(fēng)扇形成的空氣流之中，在高壓和風(fēng)的剪切作用下，霧滴由空氣流輸送到樹(shù)冠的各個(gè)部位，作用于靶標(biāo)病害上，以此來(lái)減少藥物的飄失和對(duì)環(huán)境的污染[13]。相對(duì)于常規(guī)噴霧對(duì)植株上層病害的控制，風(fēng)助式噴霧能夠提供中層至下層及良好的葉下覆蓋，促進(jìn)藥液霧滴在葉片中的深層穿透，使粒徑較小的霧滴更容易沉積在靶標(biāo)上，減少霧滴飄失。風(fēng)助式噴霧技術(shù)較常規(guī)噴桿噴霧可以將霧滴飄移降低至50%～90%[3]。

國(guó)內(nèi)對(duì)風(fēng)送式防飄移噴霧技術(shù)進(jìn)行了大量的研究，已取得了一定的成果。祁力鈞[13]等進(jìn)行了風(fēng)助式噴霧器在果樹(shù)上的噴霧分布試驗(yàn)，測(cè)試了不同高度、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速和不同流量噴頭組合的噴霧器產(chǎn)生的霧滴在樹(shù)冠中間的分布。試驗(yàn)表明：噴頭的排列方式對(duì)農(nóng)藥?kù)F滴在目標(biāo)作物上的分布均勻性有較大的影響；高風(fēng)速、風(fēng)扇高位和噴頭低位是能夠改善霧滴飄移沉積的比較理想的設(shè)置組合。傅澤田[14]等基于CFD模擬建立了Hardi LB-225型果園風(fēng)送式噴霧機(jī)氣流場(chǎng)速度分布模型，分別研究了與風(fēng)扇中心不同的距離、進(jìn)口氣流速度變化和噴頭體對(duì)氣流速度場(chǎng)模擬與分布特性的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：噴頭體對(duì)氣流速度場(chǎng)分布有顯著影響，能使氣流速度分布產(chǎn)生波動(dòng)，有利于增強(qiáng)藥液沉積的均勻性和霧滴在樹(shù)冠中的穿透性，可以有效減少霧滴的飄移。祁力鈞[15]等基于CFD技術(shù)建立了HardiLB-225型果園風(fēng)送式噴霧機(jī)霧滴沉積分布模型，研究結(jié)果表明：霧滴空中飄移總量、地面沉積量和沉積過(guò)程中的蒸發(fā)量，都隨與風(fēng)扇中心距離的增加而增加。

何雄奎[16]等進(jìn)行了果園噴霧機(jī)風(fēng)速對(duì)霧滴的沉積分布的影響研究，采用從德國(guó)進(jìn)口的Myers-1200風(fēng)送式噴霧機(jī)，檢測(cè)了風(fēng)機(jī)傳動(dòng)比為1:3.5、出口風(fēng)速是35m/s、風(fēng)量為45 000m3/h 時(shí)和風(fēng)機(jī)傳動(dòng)比為1:4、出口風(fēng)速為42m/s、風(fēng)量為60 000 m3/h時(shí)葉片單位面積上的藥液沉積量。試驗(yàn)結(jié)果表明：霧滴在冠層內(nèi)的穿透性和沉積量與風(fēng)速呈正相關(guān)，風(fēng)機(jī)風(fēng)速愈大，霧滴的穿透性越好，沉積在目標(biāo)作物上的霧滴就越多，從而可以有效控制農(nóng)藥?kù)F滴的飄移。孫國(guó)祥[17]等，進(jìn)行了基于CFD離散相霧滴沉積特性的模擬分析，試驗(yàn)在合適的邊界條件參數(shù)下，對(duì)高度為0.25～2m、風(fēng)速為0～3m/s變化范圍內(nèi)的霧滴沉積特性進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：霧滴的沉積量隨噴霧高度和風(fēng)速的增加逐漸減?。划?dāng)噴霧高度為0.25m、風(fēng)速為0時(shí)，沉積量有最大值為100%；當(dāng)噴霧高度為2m, 風(fēng)速為3m/s時(shí)，沉積量有最小值為7.2%，其沉積率最大值和最小值分別為79.07%和3.98%。王仰龍[18]等利用ANSYS Workbench有限元軟件對(duì)果園風(fēng)送噴霧機(jī)風(fēng)機(jī)葉片進(jìn)行了模態(tài)分析，首先采用Pro/E對(duì)軸流風(fēng)機(jī)葉輪進(jìn)行了三維實(shí)體建模，然后將其導(dǎo)入到ANSYS Workbench中進(jìn)行模態(tài)分析。結(jié)果表明：軸流葉片的主要振動(dòng)是彎曲、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)及兩者的融合振動(dòng)，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)加強(qiáng)葉片的彎曲強(qiáng)度，對(duì)軸流風(fēng)機(jī)葉片進(jìn)行固有頻率和外界激勵(lì)頻率的校核，避免共振的發(fā)生，以此可以提高果園風(fēng)送噴霧機(jī)的性能，從而有效減少飄移的發(fā)生，提高農(nóng)藥利用率。

1.2風(fēng)送液力式防飄移噴霧

風(fēng)送液力式噴霧技術(shù)主要是利用高壓離心風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的氣流將農(nóng)藥?kù)F化，藥液經(jīng)霧化后，霧滴變得更加均勻，其直徑一般為50～150um；在輔助氣流的作用下，目標(biāo)作物的葉片更易發(fā)生翻動(dòng)，此時(shí)霧滴的穿透能力得到顯著加強(qiáng)，可以深入作物內(nèi)部，彌漫至整個(gè)葉片空間，并能較長(zhǎng)久地懸浮在空氣中。通過(guò)觸殺和熏蒸作用消滅病蟲(chóng)害，此項(xiàng)技術(shù)可以有效的減少霧滴飄移，增加藥液的附著率，減少農(nóng)藥使用量，降低生產(chǎn)成本，提高防治效果[19-20]。

彭軍[19]等利用FLUENT軟件對(duì)風(fēng)送液力式超低量噴霧裝置的風(fēng)筒及其延長(zhǎng)區(qū)域進(jìn)行了模擬分析，結(jié)果表明：在風(fēng)筒中安裝起渦器葉片后，能夠?qū)σ后w的霧化起到很好的改善作用，并減少細(xì)小霧滴的飄移。茹煜[20]等得出了風(fēng)送液力式噴霧技術(shù)具有如下優(yōu)勢(shì)：

1)可以減少化學(xué)農(nóng)藥的使用，降低生產(chǎn)成本，提高農(nóng)藥對(duì)病害的防治效果。在輔助風(fēng)扇產(chǎn)生的氣流作用下，目標(biāo)作物葉片容易發(fā)生翻動(dòng)，藥液霧滴穿透能力得到加強(qiáng)，可以深入作物內(nèi)部，對(duì)于稠密作物中下部的病蟲(chóng)害有很好的防治效果。

2)有利于促進(jìn)低量噴霧技術(shù)的推廣應(yīng)用。風(fēng)送液力式噴霧技術(shù)可以有效減少細(xì)小霧滴的飄移，為實(shí)現(xiàn)低量噴霧提供保障。

3)可以有效提高噴霧作業(yè)生產(chǎn)率。在輔助氣流的作用下，細(xì)小霧滴的飄失大大減少，可以在較高的前進(jìn)的速度下進(jìn)行噴霧作業(yè)。

4)對(duì)噴霧條件要求低。在溫度高、濕度低和一定自然風(fēng)速下也能進(jìn)行可靠的噴霧作業(yè)。

1.3風(fēng)幕式防飄移噴霧

風(fēng)幕式噴霧技術(shù)是一種在噴霧機(jī)上增加風(fēng)機(jī)和風(fēng)幕等裝置產(chǎn)生定向輔助氣流的噴霧方式[21]。噴霧時(shí)，風(fēng)機(jī)在噴頭上方沿著目標(biāo)方向強(qiáng)制送風(fēng)，氣流沿著噴桿兩側(cè)形成氣幕，此時(shí)在氣流的作用下霧滴可以到達(dá)作物冠層，且能增加葉下覆蓋和穿透，在有風(fēng)(小于4級(jí)風(fēng))的天氣下也可工作，大大減少霧滴飄移，可節(jié)省施藥量20%～60%[3,22]。其主要用于大田作業(yè)，此項(xiàng)技術(shù)能夠在產(chǎn)生小霧滴時(shí)提高霧滴在靶標(biāo)上的沉積率，減少霧滴飄失。

董祥[21]等采用離散相模型、標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型與Couple算法，應(yīng)用計(jì)算機(jī)流體力學(xué)軟件ANSYS Fluent對(duì)風(fēng)幕式噴霧機(jī)氣流輔助噴霧流場(chǎng)進(jìn)行了三維數(shù)值模擬。結(jié)果表明：輔助氣流可以改變霧滴的運(yùn)動(dòng)方向從而明顯減少施藥時(shí)的霧滴飄失。當(dāng)自然風(fēng)速小于5m/s時(shí)，風(fēng)幕式噴霧能夠有效地防止霧滴飄移；自然風(fēng)速大于5m/s時(shí)，防飄移效果不明顯，飄移率大于40%。此項(xiàng)技術(shù)對(duì)提高農(nóng)藥利用率、減少農(nóng)藥飄失和環(huán)境保護(hù)都具有重要的實(shí)際意義。

2低量低壓防飄移噴霧

2.1低量噴霧技術(shù)

低量噴霧技術(shù)[23]是指通過(guò)提高噴霧藥液的濃度、減少稀釋倍數(shù)及保證單位面積施藥液量不變的情況下，減少農(nóng)藥噴量的一種施藥方式。其主要是利用小霧滴(粒徑在100um以下)較好的穿透性，使霧滴到達(dá)植物各個(gè)部位，包括葉子背面的均勻分布，進(jìn)而減少霧滴飄移，提高農(nóng)藥利用率。

吉榮龍[24]等進(jìn)行了低量噴霧技術(shù)在棉田上的應(yīng)用試驗(yàn)研究，利用泰山-18型彌霧機(jī)，選擇較常規(guī)噴霧濃度10～20倍的農(nóng)藥進(jìn)行噴施，使用紙卡染色法模擬測(cè)定霧滴在葉片上的沉積量。試驗(yàn)結(jié)果表明：通過(guò)提高藥液濃度及減少單位面積噴液量，可以達(dá)到施藥時(shí)所需的效果。其霧滴密度在20～25個(gè)·cm-2時(shí)，防效可以穩(wěn)定在80%～90%，且病蟲(chóng)害得到了有效控制，減小了霧滴的飄失，降低了對(duì)土壤和環(huán)境的污染。朱金文[25]等進(jìn)行了毒死蜱農(nóng)藥的施用量和霧滴大小在水稻植株上沉積的影響研究，試驗(yàn)表明：采用小霧滴與低容量噴霧防治水稻害蟲(chóng)，可大幅提高毒死蜱等農(nóng)藥對(duì)病害的防治效果，降低農(nóng)藥飄移，減輕對(duì)環(huán)境的污染。

2.2低壓防飄移噴霧

噴霧機(jī)在高壓下小霧滴數(shù)量的增加可以提高農(nóng)藥在葉面上的覆蓋，因此在我國(guó)農(nóng)戶往往喜歡大壓力噴霧；而大壓力下霧滴的飄移現(xiàn)象會(huì)顯著增加，極易導(dǎo)致環(huán)境污染，建議農(nóng)戶在保證有效覆蓋的情況下，盡可能使用低壓防飄移噴霧技術(shù)。

庾琴[26]等進(jìn)行了噴霧壓力與施藥量對(duì)農(nóng)藥在蘋(píng)果葉片上的沉積量的影響研究, 試驗(yàn)設(shè)置了3種施藥壓力分別為2、2.5、3MPa和3種噴藥量分別為2、3、4kg/株，試驗(yàn)結(jié)束后計(jì)算農(nóng)藥在葉面的沉積量和地面的流失量。試驗(yàn)結(jié)果表明：農(nóng)藥噴灑時(shí)的使用量和噴霧壓力對(duì)霧滴的沉積有影響，當(dāng)施藥量較大時(shí)，農(nóng)藥在葉面上的沉積量減少，農(nóng)藥飄失量顯著增加；在一定的壓力范圍內(nèi)，隨著施藥壓力的增加，農(nóng)藥?kù)F滴在果樹(shù)不同部位葉片上的沉積量逐漸減少，飄失量隨之增加。因此，適當(dāng)減少農(nóng)藥用量，降低噴霧壓力可以增加農(nóng)藥在作物上的有效沉積，減小霧滴的飄失，從而提高農(nóng)藥利用率，減輕化學(xué)農(nóng)藥對(duì)環(huán)境的污染。

3靜電防飄移噴霧

靜電噴霧技術(shù)是指利用高壓靜電在噴頭與目標(biāo)作物間構(gòu)建一靜電場(chǎng)，經(jīng)過(guò)霧化后的霧滴在靜電場(chǎng)中被不同的充電方式充上電荷，成為荷電霧滴；而后在靜電場(chǎng)力和其他外力的聯(lián)合作用下，荷電霧滴作定向運(yùn)動(dòng)吸附在目標(biāo)作物的各個(gè)部位。靜電噴霧技術(shù)提高了作物下部和葉背的附著能力，與傳統(tǒng)的噴霧機(jī)械相比，具有霧滴粒徑小、吸附率高、穿透性強(qiáng)的特點(diǎn)，能夠到達(dá)作物的正反兩面，實(shí)現(xiàn)了霧滴飄移散失小、沉積率高、改善生態(tài)環(huán)境等優(yōu)良的性能[27-30]。

3.1靜電防飄移噴霧的充電方式

靜電噴霧最關(guān)鍵的技術(shù)是怎樣使霧滴帶電，不同的噴嘴具有不同的充電方式，主要有電暈充電、接觸式充電和感應(yīng)充電3種類型[27-28]，原理如圖1所示。

1)電暈充電：利用靜電高壓電極尖端放電，電離周圍空氣使霧滴帶電。即把圖1中L1和L2接地，L3接高壓電源，尖端電極發(fā)生尖端放電，產(chǎn)生強(qiáng)電場(chǎng)使霧滴帶電。

2)接觸式充電：靜電高壓電極直接置于液體中，此時(shí)液體和大地類似于電容器的兩個(gè)極板，在“極板”之間產(chǎn)生電場(chǎng)，使霧滴帶電。即把L1接高壓電源，去掉環(huán)狀電極和尖端電極，由導(dǎo)體直接對(duì)正在霧化的霧滴進(jìn)行充電。

1.噴頭　2.藥液流束　3.環(huán)狀電極　4.尖端電極

3)感應(yīng)充電：利用靜電高壓裝置使環(huán)狀電極和藥液射流之間產(chǎn)生電場(chǎng)，引起感應(yīng)充電，使霧滴帶電。

在這3種充電方式中，接觸式充電法的霧滴充電最充分，效果最佳，可以提高帶電霧滴在作物中間的穿透性，加大其在葉片正反兩面的附著率，減少霧滴的飄移；感應(yīng)充電效果次之[29]。

3.2靜電噴霧中影響施藥效果的因素

霧滴上的電荷量與霧滴質(zhì)量之比(即荷質(zhì)比)是衡量噴霧器對(duì)霧滴充電效果的重要指標(biāo)，荷質(zhì)比越大，荷電效果就越好。試驗(yàn)表明：當(dāng)荷質(zhì)比為3～5mc/kg時(shí)，帶電霧滴即具有較強(qiáng)的靜電效果；在一定的電場(chǎng)中，粒徑較小霧滴的荷質(zhì)比高于大霧滴，即小霧滴單位質(zhì)量所受的庫(kù)倫力及其加速度較大霧滴大，能夠更容易沉降到目標(biāo)物上，降低霧滴的飄移[29]。

3.3靜電噴霧技術(shù)在飄移控制上的應(yīng)用

國(guó)內(nèi)靜電噴霧技術(shù)雖然起步較晚，但已取得一定的成果，許多研究者對(duì)此進(jìn)行了大量的研究。何雄奎[31]等進(jìn)行了自動(dòng)對(duì)靶靜電噴霧機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究。該方案選用軸流風(fēng)機(jī)為噴霧系統(tǒng)送風(fēng)，噴霧控制系統(tǒng)采用中央控制磁電閥裝置，靜電系統(tǒng)應(yīng)用高壓靜電(電暈電荷方式)使霧滴帶電、目標(biāo)探測(cè)對(duì)靶部分選用紅外探測(cè)器。結(jié)果表明：靜電噴霧相對(duì)于非靜電噴霧，霧滴的飄失量前者為后者的一半；增加風(fēng)機(jī)裝置產(chǎn)生輔助氣流可以提高霧滴的穿透性，使荷電霧滴有效均勻附著在靶標(biāo)作物葉片的正反兩面，減少霧滴的飄失，提高其利用率。

高雄[32]等進(jìn)行了靜電電壓對(duì)噴霧霧滴沉降特性的試驗(yàn)研究。試驗(yàn)在溫室大棚內(nèi)進(jìn)行，設(shè)置了5行8列共40個(gè)采樣點(diǎn)，使用采樣光面紙收集沉積霧滴；利用圖像處理技術(shù)統(tǒng)計(jì)霧滴的粒數(shù)和當(dāng)量粒徑，最后計(jì)算平均粒徑的大小和粒數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果表明：靜電噴霧相對(duì)于非靜電能夠明顯改善平均粒徑的沉降狀態(tài)，增加霧滴沉降粒數(shù)；隨著靜電電壓的升高，霧滴的沉降粒數(shù)隨之增加，沉降分布狀態(tài)也得到了顯著改善，霧滴擴(kuò)散更加均勻。因此，靜電噴霧技術(shù)可以有效的減少霧滴的飄失，提高農(nóng)藥對(duì)病蟲(chóng)害的防治效果。

4抗飄移噴頭

噴頭是噴霧機(jī)械在施藥過(guò)程中實(shí)現(xiàn)良好噴霧效果的重要部件之一，對(duì)藥液霧化具有決定性的作用，其性能優(yōu)劣直接影響著噴霧質(zhì)量，關(guān)系到整個(gè)植保機(jī)具和全系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性、經(jīng)濟(jì)性。噴頭雖然只是一個(gè)體積很小的部件，但在噴霧過(guò)程中決定著霧滴的粒徑、密度、分布狀況等特性，進(jìn)而影響著藥液霧滴在目標(biāo)作物之間的沉積與飄失。噴霧裝置通過(guò)噴頭控制液體的流量，使液體霧化成霧滴并將霧滴分布在目標(biāo)表面上[33-34],性能良好的噴頭才能提高霧滴的穿透性，最大程度地減少霧滴的飄失。

4.1噴頭的類型

噴頭通常按不同形狀可劃分為扇形噴頭、錐形噴頭和文丘里噴頭等3種類型，結(jié)構(gòu)如圖2、圖3所示。扇形噴頭能產(chǎn)生由細(xì)到中等的霧滴，具備良好的覆蓋效果，可最大程度地減少霧滴飄移；扇形噴頭的噴霧角一般可分為25°、65°、80°和110°等；小角度噴頭噴出的霧滴具有較強(qiáng)的穿透能力，但霧滴分布均勻性不如大角度噴頭。錐形噴頭是使農(nóng)藥液體在噴頭噴腔內(nèi)繞軸孔線旋轉(zhuǎn)，隨著噴腔內(nèi)壓力的增大，液滴在逐漸增大的離心力的作用下噴出噴頭，由于霧滴的飛行方向與它運(yùn)動(dòng)軌跡相切，因此形成一個(gè)圓錐體；錐形噴頭可分為空心和實(shí)心錐形噴頭兩種。文丘里噴頭是利用特殊的文丘里結(jié)構(gòu)，在噴頭內(nèi)產(chǎn)生大量的充氣霧滴，以此來(lái)增加霧滴的質(zhì)量，降低霧滴的可飄移性；同時(shí)，當(dāng)霧滴接觸到作物目標(biāo)時(shí)氣泡破裂，又能在作物表面形成非常好的藥液覆蓋[35-36]。

圖2　扇形噴頭結(jié)構(gòu)示意圖

圖3　文丘里結(jié)構(gòu)示意圖

4.2抗飄移噴頭在飄移控制上的應(yīng)用

目前，國(guó)內(nèi)研究者對(duì)噴頭的相關(guān)特性進(jìn)行了大量的研究，宋堅(jiān)利[37]等進(jìn)行了扇形霧噴頭霧滴飄失機(jī)理研究，試驗(yàn)使用相位多普勒離子分析儀測(cè)試扇形霧噴頭霧化產(chǎn)生的噴霧扇面空間中各點(diǎn)的霧滴粒徑分布、霧滴的運(yùn)動(dòng)速度。試驗(yàn)表明:噴霧過(guò)程中易飄失霧滴主要集中在距離噴頭300～500mm噴霧扇面中心，噴霧扇面中易飄失區(qū)域是噴霧扇面末端、噴霧扇面兩翼、噴霧扇面迎流面外層。在設(shè)計(jì)噴頭時(shí)，應(yīng)考慮這些因素對(duì)噴頭噴霧飄移的影響。沈從舉[38]等基于SolidWorks進(jìn)行了氣泡霧化施藥噴頭3D設(shè)計(jì)與建模。李萍[39-40]等基于ANSYS/FLOTRAN進(jìn)行了搖臂式噴頭的壓力損失分析和噴頭流道壓力損失的有限元分析。噴頭內(nèi)過(guò)流部件的壓力損失即噴頭工作壓力與噴嘴壓力之差是評(píng)價(jià)噴頭好壞的指標(biāo)，這個(gè)指標(biāo)越小，噴頭內(nèi)流道結(jié)構(gòu)就越好，噴頭設(shè)計(jì)和制造的水平就更高，就越有利于提高噴霧質(zhì)量，減少霧滴飄移。張慧春[41]等利用激光粒度儀和開(kāi)路式風(fēng)洞對(duì)噴頭的霧譜尺寸和扇形霧噴頭在不同風(fēng)速、壓力和噴霧距離等情況下的霧滴粒徑、數(shù)量和范圍進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：壓力、風(fēng)速、噴頭與激光粒度儀之間距離的增大，都造成了扇形霧噴頭的霧滴體積中徑變??；粒徑小于150μm的霧滴的占比的增大，將會(huì)增加農(nóng)藥?kù)F滴脫靶飄失的可能性。

王瀟楠[10]等進(jìn)行了噴頭對(duì)飄移量及飄移潛力的影響研究，試驗(yàn)采用的是XR110-04、ID120-015、ID120-025、ID120-05、IDK120-03和IDK120-04等6種噴頭。結(jié)果表明：霧滴大小和工作壓力均為影響飄移的主要因素；粒徑小于100μm的霧滴最易飄移，噴霧過(guò)程中小霧滴的數(shù)量是影響農(nóng)藥飄移的最主要因素；隨著噴霧壓力的增大，霧滴體積中經(jīng)變小，飄移潛力明顯增加。謝晨[34]等利用霧滴粒徑分析儀對(duì)標(biāo)準(zhǔn)扇形霧噴頭和防飄噴頭的霧化過(guò)程進(jìn)行了試驗(yàn)研究與可視化圖形分析，試驗(yàn)結(jié)果表明：扇形噴頭具有面積較大的液膜區(qū)，液膜破裂區(qū)內(nèi)的破裂孔洞呈現(xiàn)不規(guī)則撕裂狀，防飄噴頭液膜區(qū)面積相對(duì)較小，且存在氣泡結(jié)構(gòu)；隨著兩種噴頭孔徑的增大，液膜與破裂區(qū)長(zhǎng)度逐漸增長(zhǎng)，氣泡密度變大；隨著壓力的升高，兩種噴頭的液膜長(zhǎng)度和霧滴體積中徑均減小。時(shí)玲[42]等對(duì)幾種扇形噴頭在不同噴霧高度、不同噴霧壓力和組合噴頭在不同間隔情況下的霧量分布均勻性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明：扇形噴頭的壓力對(duì)霧量分布均勻性的影響不大，單個(gè)噴頭使用有一最佳噴霧高度；組合噴頭在不同間距及壓力的情況下，相應(yīng)有一最佳的噴霧高度使霧量分布最均勻,飄失最小。翟恩昱[43]等研究了固體顆粒對(duì)扇形霧噴頭的沖蝕磨損分析，分析發(fā)現(xiàn)：扇形霧噴頭噴口處磨損程度隨噴頭內(nèi)表面軸向尺寸的增加而增大；在扇形霧噴頭噴口短軸處，軸向尺寸最大，固體顆粒的攻角最小，磨損最嚴(yán)重，易影響噴霧時(shí)霧滴的質(zhì)量，導(dǎo)致其飄移的增加。常相鋮[44]等進(jìn)行了壓力式變量噴霧噴頭的特性研究, 結(jié)果表明：隨著噴霧壓力的增大；從噴頭噴出的霧滴向兩側(cè)分散的趨勢(shì)顯著，霧滴粒徑明顯減小；在一定的壓力范圍內(nèi)，壓力式變量噴霧噴頭的噴霧性能變化符合要求，可以節(jié)約一部分能源，降低霧滴飄移，提高農(nóng)藥利用率。

5農(nóng)藥改善配方減少噴霧飄移

目前，國(guó)內(nèi)在農(nóng)藥配方對(duì)噴霧霧滴飄移影響的研究進(jìn)行的較少，國(guó)外進(jìn)行了相關(guān)方面的研究?；诰酆衔锏娘h移控制添加劑在美國(guó)和澳大利亞被廣泛運(yùn)用去減少噴霧飄移。聚合物可以增加液體的粘性，粘性液體能夠在破裂之前維持較高的拉伸，抑制界面擾動(dòng)和波動(dòng)增長(zhǎng)的形成。研究表明：表面活性溶劑能夠改變液滴的動(dòng)態(tài)表面張力和平均霧滴尺寸；乳化液相比于水能夠減少平均霧滴尺寸，當(dāng)平均霧滴尺寸減少時(shí)，在同樣的操作條件下好的噴霧部分能夠增加或者保持不變。風(fēng)洞試驗(yàn)表明：通過(guò)不同噴頭噴灑混合了表面活性劑和稀釋的乳化液時(shí)，更好的噴霧會(huì)形成，空氣夾帶飄移也會(huì)增加；乳化液可以增加霧滴的速率，進(jìn)而增加了碰撞幾率，使噴霧液滴尺寸變窄。綜上所述，添加劑的加入會(huì)改變噴霧霧滴的物理特性，從而影響噴霧霧滴的飄移沉積[9]。

6變量防飄移噴霧

6.1變量飄移控制噴霧技術(shù)

變量噴霧是實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)施藥的一種典型模式，其通過(guò)獲取目標(biāo)作物的相關(guān)對(duì)象信息，如農(nóng)田遭受病蟲(chóng)害的面積、作物的密度和位置等，以及獲取噴霧機(jī)械的相關(guān)狀態(tài)信息，如噴霧裝置的位置、速度、噴霧壓力等，通過(guò)對(duì)各種信息的綜合處理實(shí)現(xiàn)對(duì)靶標(biāo)作物按需施藥[45]。與傳統(tǒng)大面積噴施技術(shù)相比，變量噴施技術(shù)可以最大程度地減少農(nóng)藥的過(guò)量使用，降低噴霧過(guò)程中霧滴的飄失，提高農(nóng)藥對(duì)病害的防治、節(jié)省作業(yè)成本和減輕對(duì)環(huán)境的污染，使農(nóng)業(yè)保持可持續(xù)發(fā)展[46,54]?？勺兞考夹g(shù)通常包括基于地圖信息的可變量技術(shù)(MB-VRT)和基于實(shí)時(shí)傳感器的變量技術(shù)(SB-VRT)[47-48]，具體實(shí)施過(guò)程如圖4、圖5所示。

6.2變量噴霧技術(shù)在飄移控制上的應(yīng)用

目前，國(guó)內(nèi)雖然在變量噴霧技術(shù)的研究方面比國(guó)外滯后，但已有了一定的進(jìn)展。許多研究者對(duì)此進(jìn)行了大量的研究工作，陳勇[49]等開(kāi)發(fā)了基于機(jī)器視覺(jué)和模糊控制原理的精確農(nóng)藥可變量噴霧控制系統(tǒng)，并對(duì)其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明：該系統(tǒng)能夠根據(jù)目標(biāo)作物的相關(guān)狀態(tài)信息，運(yùn)用模糊控制原理來(lái)判斷靶標(biāo)作物的特征，然后根據(jù)所獲得的信息自行選擇不同的噴頭組合，并控制噴霧系統(tǒng)的流量和噴頭射程，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)作物的智能化噴霧，從而可以最大程度地減少農(nóng)藥的用量，降低農(nóng)藥?kù)F滴的飄失，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的保護(hù)。該方法能夠自行探測(cè)，在有目標(biāo)時(shí)打開(kāi)噴頭，無(wú)目標(biāo)時(shí)關(guān)閉全部噴頭，實(shí)現(xiàn)了流量和噴頭射程的自動(dòng)調(diào)節(jié)；但該方法的流量變化會(huì)影響噴霧形態(tài)，需進(jìn)一步優(yōu)化。史巖[50]等自行設(shè)計(jì)了壓力式變量噴霧系統(tǒng)，建立了壓力式變量噴霧系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型及傳遞函數(shù)，并用MatLab對(duì)其進(jìn)行了仿真。劉志壯[51]等提出了一種藥水流量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、流量自動(dòng)控制及在線自動(dòng)混藥的變量噴霧系統(tǒng)，該系統(tǒng)噴施量恒定，通過(guò)改變藥液濃度進(jìn)行變量噴霧，能夠保證最佳噴霧流量和壓力進(jìn)行噴施，確保最佳噴施效果，減少噴霧飄移，提高農(nóng)藥利用率。鄧巍[52-53]等對(duì)基于壓力式、基于PWM間歇式和基于PWM連續(xù)式變量噴霧的霧化特性進(jìn)行了較全面的研究和評(píng)價(jià)，并對(duì)這3種變量噴霧進(jìn)行了比較。結(jié)果表明：基于壓力式變量噴霧的流量調(diào)節(jié)范圍最小，對(duì)霧化特性的影響最大；PWM間歇式變量噴霧流量控制對(duì)霧化特性的影響最小。邱白晶[54]等利用雷達(dá)測(cè)速技術(shù)和GPS定位，設(shè)計(jì)了一套變量噴霧裝置，并通過(guò)實(shí)時(shí)噴霧參數(shù)來(lái)描述噴霧過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性，以此來(lái)提高農(nóng)藥利用率，減少霧滴飄移。李會(huì)芳[55]等利用定位、測(cè)速等技術(shù)對(duì)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中變量噴霧控制進(jìn)行了相關(guān)研究。

圖4　基于地圖的可變量技術(shù)系統(tǒng)的執(zhí)行過(guò)程

圖5　基于實(shí)時(shí)傳感器的可變量技術(shù)系統(tǒng)的工作過(guò)程

7各類防飄移噴霧技術(shù)的不足與建議

1)輔助式噴霧技術(shù)利用配置的氣流裝置可以很好地提高農(nóng)藥在病害作物上的沉積，降低霧滴的飄失。雖然其存在著許多優(yōu)點(diǎn)，但我國(guó)農(nóng)民大多是個(gè)體戶，耕地面積小，配置額外的噴霧裝置會(huì)增加其種植成本。因此，大多數(shù)農(nóng)民不愿意購(gòu)買相應(yīng)的輔助裝置，此項(xiàng)技術(shù)沒(méi)有得到大范圍推廣。為解決這個(gè)問(wèn)題，政府應(yīng)該給予大力補(bǔ)貼，以村為單位，購(gòu)置相應(yīng)數(shù)量的噴霧裝置，讓農(nóng)民在噴霧過(guò)程中免費(fèi)使用，而且要鼓勵(lì)農(nóng)民在施藥時(shí)使用輔助式的噴霧裝置，促進(jìn)輔助式技術(shù)對(duì)環(huán)境保護(hù)的作用。

2)低量低壓防飄移技術(shù)可以減少農(nóng)藥對(duì)環(huán)境的污染，降低霧滴的飄失；但對(duì)于不同的作物，其農(nóng)藥用量和噴霧時(shí)的壓力是不同的，應(yīng)建立一套農(nóng)藥施用標(biāo)準(zhǔn)，為農(nóng)民噴霧作業(yè)時(shí)提供指導(dǎo)。

3)靜電噴霧技術(shù)具有常規(guī)噴霧所不具備的優(yōu)勢(shì)，但目前靜電噴霧裝置存在著許多問(wèn)題沒(méi)有解決。國(guó)內(nèi)研制的靜電噴頭大部分采用離心或液力式等霧化原理，使用接觸式充電方式，存在著噴霧射程短、噴頭漏電和反向電離現(xiàn)象嚴(yán)重、霧滴粒譜和噴幅不易控制等問(wèn)題；噴頭噴出的霧滴粒徑大，沉降效果差；靜電電壓高，裝置材料的絕緣性能達(dá)不到要求，容易導(dǎo)致?lián)舸┞╇?，危及人身安全[31]；荷電顆粒在輸運(yùn)過(guò)程中還存在著放電現(xiàn)象，對(duì)電導(dǎo)率高的霧滴，放電可高達(dá)60%，若附近有尖端導(dǎo)電物存在，放電率將更高[32]。為此，必須加大對(duì)靜電噴霧技術(shù)的研究，相信其在我國(guó)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面將會(huì)得到越來(lái)越廣的應(yīng)用。

4)噴頭的性能直接影響著農(nóng)藥噴霧的質(zhì)量，性能良好的噴頭才能最大程度地減少農(nóng)藥?kù)F滴的飄失；但我國(guó)目前藥用噴頭種類少、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能單一，同類型的噴頭互換性差，沒(méi)有形成標(biāo)準(zhǔn)化的格局。噴頭加工質(zhì)量達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，制造精度低，往往造成了噴霧過(guò)程中農(nóng)藥?kù)F滴的大量飄失。應(yīng)該加強(qiáng)植保用噴頭的研究與開(kāi)發(fā)，將防飄移技術(shù)與噴頭的設(shè)計(jì)相結(jié)合，研發(fā)與抗飄移、靜電噴霧、變量噴霧、智能化噴霧等技術(shù)相配套的噴頭。

5)我國(guó)在農(nóng)藥改善配方對(duì)減少噴霧飄移方面研究不足，國(guó)外進(jìn)行了相關(guān)的研究，取得了一定的成果，我國(guó)應(yīng)該加大在此方面的研究。

6)變量噴霧技術(shù)是精準(zhǔn)施藥技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向，其可以有效地減少霧滴飄失，提高農(nóng)藥利用率，而現(xiàn)階段我國(guó)變量噴霧技術(shù)的發(fā)展還不完善，在具體的執(zhí)行機(jī)械方面研究不足；而發(fā)達(dá)國(guó)家非常重視對(duì)能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)噴施過(guò)程中的變量執(zhí)行機(jī)械的研發(fā)，對(duì)此進(jìn)行了大量的投資。為了改變我國(guó)目前施藥噴霧技術(shù)的落后局面，提高農(nóng)藥的使用效率，減少藥液霧滴對(duì)環(huán)境的污染，必須加大研究開(kāi)發(fā)具有不同噴霧性能的變量執(zhí)行裝置，深入研究霧滴的霧化特性，增強(qiáng)變量技術(shù)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的作用。

8結(jié)論與展望

隨著生態(tài)環(huán)境的日趨惡化和人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，提高農(nóng)藥對(duì)病蟲(chóng)害的防治效果，減少農(nóng)藥?kù)F滴飄移對(duì)環(huán)境的污染必將成為噴霧技術(shù)努力發(fā)展的方向。目前，雖然人們對(duì)此進(jìn)行了大量的研究，已取得了一定的成果；但仍有許多問(wèn)題沒(méi)有解決。

研究表明：輔助式噴霧、低量低壓噴霧、靜電噴霧、變量噴霧、抗飄移噴頭和農(nóng)藥改善配方的使用對(duì)減少噴霧飄移、緩解農(nóng)藥對(duì)環(huán)境的污染方面具有一定的功效。而目前擺在我們面前的問(wèn)題是如何設(shè)定一個(gè)合理的方案，將其進(jìn)行相應(yīng)的推廣運(yùn)用，切實(shí)做到既能維持農(nóng)業(yè)高效穩(wěn)定生產(chǎn)又能保護(hù)環(huán)境不受農(nóng)藥污染的雙重目的。以往對(duì)農(nóng)藥?kù)F滴飄移控制技術(shù)的研究往往局限于某一種技術(shù)，只是改善了噴霧技術(shù)的某一方面性能，未能很好地解決霧滴飄移對(duì)環(huán)境的污染，所以飄移控制技術(shù)沒(méi)有得到大范圍的推廣。為此，作者進(jìn)行了認(rèn)真思考，構(gòu)思了一個(gè)可行的方案，將以上歸納的防飄移技術(shù)進(jìn)行綜合運(yùn)用，充分利用各技術(shù)在霧滴飄移控制方面的優(yōu)點(diǎn)，真正做到減少農(nóng)藥噴霧中的霧滴飄移，提高農(nóng)藥利用率。

1)噴頭的性能直接影響著噴霧的質(zhì)量，所以首先必須研發(fā)與抗飄移噴霧、靜電噴霧、變量噴霧和智能化噴霧等技術(shù)相配套的噴頭。

2)改善農(nóng)藥配方，加入合適的添加劑，增強(qiáng)噴霧液滴的物理特性,降低霧滴在噴霧過(guò)程中的飄移，提高其在作物葉面的有效沉積。

3)結(jié)合輔助式噴霧技術(shù)、低量低壓技術(shù)、靜電噴霧和變量噴霧技術(shù)，利用相應(yīng)的風(fēng)機(jī)裝置、靜電裝置，合理地提高藥液濃度，降低使用量和噴霧壓力，根據(jù)相關(guān)目標(biāo)作物的對(duì)象信息，以及相關(guān)噴霧裝置的狀態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)靶標(biāo)作物的精確按需施藥。

4)同時(shí)必須健全農(nóng)藥施用行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，完善產(chǎn)品質(zhì)量和使用監(jiān)管體系；普及科學(xué)施藥技術(shù)，對(duì)農(nóng)民進(jìn)行免費(fèi)的施藥技術(shù)培訓(xùn)，引導(dǎo)農(nóng)民安全、規(guī)范使用農(nóng)藥，增強(qiáng)其安全環(huán)保意識(shí)。

5)國(guó)家應(yīng)制定施藥技術(shù)法規(guī)以規(guī)范施藥技術(shù)的全過(guò)程，確保人員、環(huán)境、食品安全。

通過(guò)對(duì)以上技術(shù)的綜合運(yùn)用，相信可以很好地減少噴霧施藥過(guò)程中霧滴的飄失，緩解其對(duì)環(huán)境的污染，充分提高農(nóng)藥的有效利用率，真正實(shí)現(xiàn)糧食安全穩(wěn)定的增產(chǎn)和環(huán)境保護(hù)的目標(biāo)。

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Research Progress of Spray Drift Control Technology

Fan Xiaobo1, 2,3,4,5, Deng Wei1,2,3,4, Wu Guifang5

(1.Beijing Research Center of Intelligent Equipment for Agriculture, Beijing 100097, China; 2. National Research Center of Intelligent Equipment for Agriculture, Beijing 100097, China；3. Key Laboratory of Agri-informatics, Ministry of Agriculture, Beijing 100081, China；4. Beijing Key Laboratory of Intelligent Equipment Technology for Agriculture, Beijing 100097, China； 5. College of Mechanical and Electrical Engineering, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010018, China)

Abstract：Spray drift of pesticide is an important factor to cause pesticide loss，environmental contaminations and low effectiveness of pesticide application. Non-target droplet drift led to a large number of problems, such as the soil and water pollution, human and animal poisoning, and environmental degradation and so on. In order to improve the control effect of pesticide spray on agricultural crops diseases and insect pests, reduce the use of chemical pesticide, save farmers’ planting cost and mitigate the harm of pesticide pollution to the environment and personnel, in this paper, the problems existing in the process of pesticide spraying were taken into account; current situation of domestic pesticide use and development of the related drift control technology were combined, and then advanced to review several aspects of auxiliary spray technology, low levels and low pressure spraying, variable rate spraying technology, electrostatic spraying technique and the use of anti drift nozzles and the improving pesticide formulations in drift control technology. Finally put forward a comprehensive and workable anti-drift plan about relieving pesticide pollution.

Key words：droplet drift；deposition；pesticide control; drift control; environment protection

文章編號(hào)：1003-188X(2016)06-0001-09

中圖分類號(hào)：S233.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：范小博(1991-)，男，湖北云夢(mèng)人，碩士研究生，(E-mail)1253104171@qq.com。通訊作者：鄧巍(1969-)，女，烏魯木齊人，副研究員，博士，(E-mail)dengw@nercita.org.cn。

基金項(xiàng)目：國(guó)家“863計(jì)劃”項(xiàng)目(2012AA101904)

收稿日期：2015-05-25