鄭加強，張慧春，徐幼林，周宏平

(南京林業(yè)大學機械電子工程學院，南京 210037)

農林植物受生物脅迫(病蟲草鼠害等)及非生物脅迫(干旱、鹽堿、洪澇等)等多種脅迫因素影響，特別是生物脅迫，發(fā)生面積總體居高不下?；瘜W農藥防治是目前植物保護最主要的消滅或控制有害生物脅迫的方法，也是根據植物保護原理，利用物理、生物等一系列防治措施有機組合，形成一套防治策略和防治戰(zhàn)術的有害生物綜合防治(integrated pest management，IPM)的主要措施。美國植物病理學家Borlaug預言[1]“我們要優(yōu)先考慮的是吃并保持健康，為此必須要有農藥。如果沒有農藥，全世界將挨餓！”化學農藥防治占植物保護80%的主導地位，但濫用農藥不可避免地導致了一系列問題，甚至影響整個農林生態(tài)系統(tǒng)，眾多研究機構紛紛開展農藥減量、精確對靶、生物農藥開發(fā)等植保方法和技術研究[2-5]。而病蟲草害防治效果與農藥噴霧過程狀況和噴霧性能優(yōu)劣直接相關，為此筆者擬綜述國內外農藥噴霧性能測試技術的研究進展，提出綜合噴霧性能測試及智能化無人農場植保作業(yè)性能測試系統(tǒng)設計等建議，以形成農藥噴霧過程測試技術體系。

1 農藥噴霧全過程性能分析

農藥噴霧是利用噴霧機將液態(tài)農藥霧化成霧滴，輸運到靶標的過程，包括霧化過程、輸運沉降過程和沉積過程。評價農藥噴霧機質量的重要性能指標包括霧滴尺寸及分布、霧滴沉積密度、藥液覆蓋率等霧化過程、輸運沉降過程和沉積過程的性能以及關鍵部件性能、農藥利用率及防治效果等。

圖1所示為農藥噴霧全過程性能綜合分析圖。其中，關鍵部件(包括噴頭、泵與風機、藥箱、管路系統(tǒng)、混藥器、噴桿、可變量控制閥等)的結構與運行參數及系統(tǒng)性能決定著農藥霧化性能、輸運沉降性能、沉積性能及噴霧綜合性能等，農藥噴霧機整機性能狀態(tài)受關鍵部件質量性能以及農藥物理化學性質等因素的影響，決定著農藥噴霧質量和防治效果、機具操控性和使用壽命等。農藥殘留問題已引起高度關注，其檢測結果是指導改進農藥研發(fā)與施用方法以及降低農藥殘留對人類危害的重要手段。農藥噴霧防治效果是實現(xiàn)農藥噴霧目的的終極目標，受農藥物理化學性質與氣象條件以及靶標類型與表面特性的影響，其測定工作包括采樣方法、測試手段、數據處理和評價指標等。農藥有效利用率是指沉積在試驗區(qū)域內靶標(靶標類型包括飛翔昆蟲、植物病害、雜草等)上的有效物質(農藥或熒光劑等)與噴灑到試驗區(qū)域內有效物質總量之比，是衡量農藥使用水平的基本參數，目前農藥利用率主要是根據農藥沉積率、沉積回收率、作物吸收率以及防治效果來評價。非靶標沉積是指噴霧過程中發(fā)生的包括滴漏(是由于噴霧機管路密封不嚴造成)、滴落(指農藥霧滴輸運到靶標沉積過程滴落到非靶標的情況)、蒸發(fā)、飄移以及殘液處置(指完成噴霧作業(yè)后殘留在藥箱中的殘液處理)等，非靶標沉積和沉積到靶標后的蒸發(fā)、彈跳、流失以及農藥殘留等是不希望出現(xiàn)的現(xiàn)象。生物農藥施用性能則包括噴頭霧化對微生物活性的影響，因為微生物由霧化噴頭噴出時，生物農藥制劑細胞表面受各種力的疊加會對細胞結構產生破壞，傷害到所含的生物活體，會導致存活率下降。

圖1 農藥噴霧全過程性能綜合分析圖Fig. 1 Comprehensive performance analysis diagram of pesticide spraying process

1)霧化性能。液體霧化是通過噴頭使液體分散成眾多微小霧滴，包括液力霧化、轉盤(轉籠、轉杯)離心霧化、氣動力霧化、超聲波霧化、靜電霧化、熱力霧化等方式及其組合霧化方式。霧化需要克服氣動阻力、黏滯力、液體表面張力、慣性力等及其各種力的相互作用，其霧化過程性能包括噴霧宏觀特性和噴霧微觀特性，噴霧宏觀特性參數包括霧流錐角形狀、射流貫穿長度、液膜破碎距離、霧滴在噴霧場的分布以及藥液在線混合、施藥量調節(jié)等，微觀特性參數包括霧滴的變形、分裂、聚合、碰撞等過程以及霧滴尺寸及其均勻性、霧滴在流場中位置以及霧滴速度、溫度等[6]。當然霧化過程還應包括藥液輸送至噴頭及其藥水在線混合和實現(xiàn)施藥量調節(jié)的內容。為了減少人與藥接觸造成的污染事件以及節(jié)約農藥等，國內外開展了水溶性農藥、脂溶性農藥在線混合以及噴霧混藥一體化研究，其中混合濃度是在線混藥的關鍵性能指標[7-8]。由于農田中各小田塊的含水率、有機物含量及靶標葉面積特性等各不相同，需要適時依據其變量信息，對每一小田塊采用可變量技術(variable rate technique，VRT)進行可變量精確施藥等，即計算機(控制器)接收來自地理信息系統(tǒng)、田間定位系統(tǒng)、實時傳感器等信息，控制可變量施用設備調節(jié)施用量，通過流量控制系統(tǒng)控制總流量，流量傳感器檢測實際流量并將此信息傳送給計算機控制噴霧系統(tǒng)實現(xiàn)農藥施用量微調，實現(xiàn)對靶、按需施藥[9-10]。

2)輸運沉降性能。霧滴形成后到達靶標前的輸運沉降過程及其霧滴脫靶可能性，除受霧滴離開噴頭時的運動動力特性、環(huán)境因素影響外，很大程度上取決于噴頭與靶標間的流場狀態(tài)，對于農藥靜電噴霧還取決于電場狀態(tài)，因此對流場(電場)的性能分析及其霧滴在流場(電場)中的行為測試極為重要，國內外開展了大量的噴頭類型、氣流、噴霧方向等噴霧參數以及氣象條件等對霧滴沉降飄移性能影響的分析[11-12]。近年來國內外開展了大量的植保無人機噴霧參數對霧滴飄移和沉積效果的影響研究，如最佳作業(yè)高度、作業(yè)速度范圍、旋翼及下洗風場、噴頭類型及噴霧參數、電池及續(xù)航能力、控制系統(tǒng)及航線規(guī)劃和配套部件等對霧滴沉積分布、防治效果等對飄移性能的影響[13-14]。

3)沉積性能。霧滴到達靶標后的運動行為直接影響著霧滴脫靶可能性和霧滴沉積分布性能，這些行為包括撞擊后的浸潤、持留、蒸發(fā)、彈跳、滑落等，與靶標表面特性、霧滴與靶標接觸時的狀態(tài)、環(huán)境條件、輔藥助劑等密切相關[15-18]。

2 農藥噴霧性能測試研究現(xiàn)狀

2.1 農藥噴霧性能綜合測試及噴霧機整機性能測試

為克服田間試驗的隨機性、不可重復性，圍繞影響農藥噴霧質量及各影響因素，按照國內外相關技術標準，需要設計室內農藥噴霧綜合性能測試系統(tǒng)，通常霧化噴頭綜合性能試驗系統(tǒng)由臺架、供液系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)組成，包括收集裝置、噴頭位置調節(jié)裝置、排水裝置、PIV及激光粒度儀支架結構、水泵支架等部分組成。而霧化噴頭供液系統(tǒng)由調節(jié)閥、傳感器、過濾器等組成，主要完成流體的輸運及壓力或流量的調節(jié)功能，除了可測量常規(guī)噴霧參數外，還可進行霧滴粒徑、霧滴運動流場測量，生成直觀的速度云圖及粒徑標準分布圖[19-20]。針對農藥精確對靶噴霧設計了包括模擬靶標及其傳送裝置、靶標圖像采集與處理系統(tǒng)、噴霧控制系統(tǒng)等的室內農藥自動精確噴霧系統(tǒng)以及針對植保無人機研究設計了無人機霧滴粒徑及沉積分布測試的室內噴霧綜合試驗臺等[21-23]。

農藥噴霧機的整機性能測試是必不可少的，如國內外開展了自走式風送噴霧機試驗[24]、罩蓋式防飄噴霧機防飄試驗[25]、隧道式噴霧機試驗評價[26]、靜電轉盤噴霧機沉降分析[27]、果園自動對靶靜電噴霧機試驗[28]、植保無人機性能評價[29]、仿形噴霧機試驗[30]等。

2.2 關鍵噴霧部件性能測試

關鍵噴霧部件包括噴頭、泵、風機、噴桿及噴霧控制系統(tǒng)等。

1)噴頭設計及磨損測試：對于開發(fā)設計植保機械的新型噴頭，通常需要不斷開展噴頭質量及霧化性能測試，如扇形霧噴頭[31]、航空靜電噴霧噴頭[32]、無人機植保轉杯噴頭[33]、脈沖調制間歇流量控制噴頭[34]等的性能測試。通過噴頭磨損測試，可以預測噴霧質量性能和噴頭報廢判據等。

2)泵與風機：植保機械常用液泵包括活塞泵、柱塞泵、活塞隔膜泵、滾子泵、離心泵以及旋渦泵、射流泵和撓性轉子泵等，國內外開展了許多有關植保機械用泵的性能測試研究，如根據試驗繪制離心風機和軸流風機的有因次和無因次性能曲線等[35]。風機性能直接影響風送式植保機械的藥液霧化性能、噴霧射程、霧滴防飄移性及霧滴沉積穿透能力等。

3)噴桿：噴桿是各類噴桿噴霧機的重要部件，需要測試噴桿穩(wěn)定性(如噴桿結構剛度以及減振方式)解決噴桿振動引起噴霧量分布不均和沉降沉積性能惡化等問題[36]。為了調節(jié)噴幅、節(jié)省空間及適應不同的作業(yè)環(huán)境，分段設計、自動伸縮的變噴桿也是研究熱點。

4)噴霧控制系統(tǒng)：對于智能農藥噴霧機，需要測試一系列的傳感器和噴霧控制系統(tǒng)的性能，分析施藥過程中的霧滴運動特性、靶標特征識別、施藥決策、數據交換和噴頭控制，實現(xiàn)農藥精確施用評價等[37-38]。

2.3 霧化性能測試

針對霧化過程的宏觀特性和微觀特性，這里選擇混藥效果測試、霧化機理測試和霧滴尺寸測量等進行闡述。

1)混藥效果測試：農藥在線混藥效果包括混合濃度及均勻性和混藥響應時間，通?？梢栽谀M農藥中添加熒光劑，然后采用熒光分析和高速攝影技術進行混合濃度檢測，分析混合濃度均勻性和動態(tài)濃度一致性等及其影響因素[39-41]。另外可以在模擬農藥中添加跟隨粒子，如圖2所示即為WDG(水分散粒劑)在線混合變量噴霧試驗系統(tǒng)，借助高速相機與全反射三棱鏡采集混藥檢測區(qū)模擬跟隨粒子的流動分布，基于雙視角圖像粒子匹配、三維重構等提取粒子速度矢量，分析混合均勻性[42]。

1.水箱；2.初混水泵；3.電磁流量計；4.WDG 藥箱；5.壓力計；6.WDG 輸送器；7.射流混藥器；8.全反射三棱鏡；9.水平檢測管；10.高速相機；11.藥液緩沖箱；12.計量藥泵；13.噴霧水泵；14.噴頭集成。圖2 WDG在線混合變量噴霧試驗系統(tǒng)原理圖Fig. 2 Schematic of inline mixing variable-rate spraying system for applying WDG

2)霧化機理測試：霧化過程很復雜，通常需要借助測試技術來為霧化機理研究及后續(xù)的空間運動規(guī)律分析提供支持[43]。如：利用光電測試技術可捕獲農藥霧化分散過程細節(jié)[44]；利用霧滴粒徑分析儀(PDIA)對標準扇形霧噴頭(ST)與防飄噴頭(IDK)的霧化過程的液膜區(qū)波紋結構或氣泡狀結構、破裂區(qū)不規(guī)則撕裂等進行可視化試驗與圖形分析[45]；采用改制的液體表面張力儀測試靜電作用下液體表面張力的變化，從而分析液體在靜電作用下克服表面張力實現(xiàn)更優(yōu)霧化的機理[46]；采用高純度耐高溫石英材料的可視化測試裝置，可實現(xiàn)對油溶劑或水基型農藥熱力霧化中破碎、裂化、蒸發(fā)及冷凝形成霧滴的過程測試[47]。

3)霧滴尺寸測試：霧滴尺寸測量的采樣方式主要包括機械方法、光學方法和圖像方法等[48-49]。①機械方法——通過水/油敏紙或氧化鎂采集霧滴或通過油皿法采集水劑霧滴，然后用顯微鏡讀取霧滴直徑數據，但除油皿法采集收集水劑霧滴外，其他機械方法采集的霧滴通常需要考慮擴散修正系數[50]；②光學方法——利用霧滴物理特性(如光強、相差、熒光和極化等)，采用高速攝影、激光全息和掃描技術等測量方法，如Aerometrics P/DPA、Malvern 激光粒譜儀、PMS、Bete霧滴分析儀、KLD等[49,51]以及包括激光成像探頭、數據系統(tǒng)采集和3D定位裝置的計算機輔助激光成像霧滴尺寸測量系統(tǒng)等[52]；③圖像方法——捕獲群體霧滴后采用圖像處理方法獲得霧滴尺寸[53]，而為了解決圖像中粘連霧滴的判斷和特征提取，結合霧滴形狀因子和面積閾值，用極限腐蝕法和迭代開運算法對粘連霧滴進行計數處理，調用迭代開運算標記的分水嶺算法分割，最后對分割后霧滴的連通域進行標記及形狀圓整[54]。

2.4 輸運沉降過程噴霧流場性能測試

流場測試技術發(fā)展日新月異，如激光散射、激光全息和LDV、PIV、PDPA以及紅外熱圖像技術等，農藥噴霧輸運過程通常采用室內風洞及噴霧測試系統(tǒng)、田間霧滴飄移沉降測試等進行農藥噴霧流場、電場分布及荷質比、噴霧形態(tài)分布和飄移性能研究[55]。

1)流場測試：通過包括氣流場、氣液固多相流場等的測試，可以分析多相流霧流錐角形狀及沉降特性等以及噴霧參數對霧滴沉降沉積的影響，并確定最佳作業(yè)參數[56-57]。另外探索采用低成本農用飛機染色檢測系統(tǒng)使用綠色激光指針、USB網絡攝像機以及圖像處理軟件，檢測采集線上的噴霧沉積配合標準WRK熒光計，分析農用航空噴霧沉積分布[58]。

2)電場分布與荷質比測試：對于農藥靜電噴霧，除了需要測試除霧滴尺寸及均勻性、流場狀態(tài)等以外，非常重要的是需要建立分析模型和試驗設施，開展電場分布以及荷質比與電荷衰減規(guī)律測試[59-60]，其中荷質比可采用模擬目標法、網狀目標法和法拉第筒法測試[59]。

3)飄移測試：國內外開展大量的噴霧參數和靶標形態(tài)對農藥霧滴沉降和飄移規(guī)律影響的測試分析工作[61-62]。如為了分析噴桿高度和近地面風速分布對霧滴沉積的影響，將超聲波風速計(圖3)放置在離地面1 m位置模擬典型噴桿高度，超聲波風速計底部和頂部安裝3對傳感器(圖3a)(對應圖3b俯視圖中的1、2和3處)，通過測量超聲波在兩個相對傳感器之間傳播的時間算出風速和風向，以每秒采樣10次測量南北(U+)、東西(V+)和垂直(W+)方向的風速值[63]。

圖3 超聲波風速計安裝圖Fig. 3 Placement of ultrasonic anemometers

2.5 沉積過程霧滴運動行為測試

霧滴運動行為測試研究包括霧滴與靶標的作用測試、霧滴覆蓋性能測試等。

1)霧滴與靶標作用測試：農藥霧滴到達靶標植物葉面時發(fā)生正向撞擊和斜撞擊現(xiàn)象[64-65]，并伴隨著一系列后續(xù)行為，需要通過測試分析，如彈跳[66]、浸潤[67]、穿透[68]、持留[69]、蒸發(fā)[70]。

2)霧滴覆蓋性能測試：霧滴到達靶標后是否能夠持續(xù)保持并提高防治效果，需要開展沉積覆蓋性能測試[71]，如采用穩(wěn)態(tài)和瞬時測量技術對目標水敏紙上二維區(qū)域的霧滴覆蓋情況進行測量[72]，或采用白色塑料板、尼龍網、不銹鋼網作為噴霧沉積采集器，通過高速成像系統(tǒng)判斷霧滴穿透率和回收率等[73]。當然霧滴沉積后仍然需要對蒸發(fā)損失情況進行測試[74-75]。另外一種植保無人機施藥霧滴空間質量平衡測試方法，采用霧滴質量平衡收集裝置、北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)和多通道微氣象測量系統(tǒng)聯(lián)用，對國內典型植保無人機沉積和飄移特性進行了評估[76]。采用5種不同類型扇形霧噴頭噴灑6種不同生物殺蟲劑，用3檔流量測試霧滴尺寸分布、霧形寬度、噴霧沉積量以及在植物葉片和水敏紙上的霧滴覆蓋率等噴霧參數[6]。

2.6 防治效果測試

1)微生物農藥存活率測試：國內外學者分別研究了轉籠(轉盤)式離心霧化噴頭、扇形霧噴頭及其磨損以及泵及其溫升等對微生物農藥活性的影響測試[77-78]。

2)作業(yè)質量與防治效果測試：施用農藥后需要對作業(yè)質量進行測試，了解防治效果[79-80]。靜電噴霧機產生的帶電霧滴在電場力和其他外力作用下向靶標運行，需要測試霧滴在靶標(特別是靶標背面)的沉積率和治蟲效果[81]。

3)農藥安全使用(有效利用率)：農藥噴霧是在達到植物病蟲害防治效果的同時，需要確保農藥安全使用及避免環(huán)境污染，因此需要強化農藥全壽命周期管理[82]，但據研究，只有75%的農戶在進行農藥作業(yè)時穿戴個人防護設備(personal protection equipment，PPE)，而且其中52%的PPE僅僅是手套和長褲子而已，此外用于農藥施用的大量拖拉機仍然開放配置而增加了操作者與農藥接觸的危險[83]。另外雖然經常認為發(fā)達國家平均農藥有效利用率達60%～70%甚至80%以上，而中國僅為20%～30%，也有認為達30%～40%，但目前這些數據只是采取樣機試驗[84]。

2.7 農藥殘留測試

農藥殘留檢測通常采用氣相色譜法、液相色譜法或色譜-質譜聯(lián)用法等，其檢測精度高，如波蘭在實驗室對104份草藥樣品中250種農藥含量開展大范圍的農藥殘留標準程序檢測，使用安捷倫QuEChERS前處理方法結合LC-MS/MS測定分析草藥樣品中農藥殘留量，其中高效液相色譜系統(tǒng)HPLC配有二元泵、自動進樣器、在線除氣器和烘箱[85]。但在實驗室采用氣相色譜、液相色譜等方法檢測，樣品的前處理復雜、耗時，成本高。近年來開展了用于農藥殘留快速檢測技術研究，包括生物傳感器 (酶傳感器、免疫傳感器、適配體傳感器、細胞傳感器)、光譜技術 (近紅外光譜、太赫茲時域光譜、拉曼光譜等) 與微流控技術等[86]。如：可利用各種光學探測原理，如比色法、熒光(FL)、表面等離子體共振(SPR)和表面增強拉曼光譜(SERS)等，而納米材料可以顯著提高光學檢測性能，還可將光學分析結合智能手機小程序實現(xiàn)在線通信，降低分析成本并實現(xiàn)快速密集檢測[87]；一種非酶傳感器陣列來識別和區(qū)分5種不同類別農藥，利用兩個金納米粒子(AuNPs)的聚集誘導光譜變化來鑒定農藥，然后采用數據可視化(即熱圖、條形圖和色差圖)、模式識別方法等，可對濃度在20～5 000 ng/mL范圍的農藥進行定性和定量測定[88]。

3 噴霧性能測試技術研究展望

“工欲善其事，必先利其器”，要實現(xiàn)FAO提出的“與環(huán)境和用戶相容性的農藥、農藥制劑及農藥使用技術”以及英國Brown告誡的“使用農藥要像武士手中的利劍，而不應像農夫手中良莠不分的鐮”[1]，需要圍繞農藥全生命周期開展農藥噴霧性能測試，以占據農藥使用技術和植保機械研究的主動權，促進形成系統(tǒng)化農藥噴霧性能測試體系。展望未來，噴霧性能測試技術的研究發(fā)展將有以下熱點和趨勢：

1)系列化噴霧性能標準試驗系統(tǒng)研究。在已有綜合噴霧試驗臺基礎上，圍繞智能植保機械的核心技術和關鍵零部件，進一步研究綜合噴霧性能測試方法和完善室內植保機械動態(tài)噴灑綜合性能試驗臺，研究包括霧滴尺寸分布、霧滴運動動力學、霧滴沉積附著(浸潤與彈跳等)、防治效果等性能測試技術，促進噴霧關鍵部件研發(fā)與質量控制。

2)模塊化田間農藥噴霧性能測試儀研制。融合RFID、物聯(lián)網IoT、大數據、人工智能、機器人以及云計算等技術，研究便攜式、車載式、固定式等田間模塊化農藥噴霧試驗系統(tǒng)，促進植保機械創(chuàng)新發(fā)展。

3)農藥噴霧模型與噴霧性能物理測試互動耦合研究。采用VR/AR/MR等技術，分析農藥噴霧性能物理測試方法，開展農藥霧化與噴霧過程仿真模型、飄移與沉積模型、植物生長模型等及其性能物理測試技術的互動耦合研究。

4)生物農藥噴霧性能測試技術研究。除了要考慮霧滴粒徑、覆蓋率、均勻性等霧化性能問題外，還要分析生物農藥特性，進一步開展生物農藥活性保持技術與測試方法技術研究，為農林業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供科學參考。

5)農藥殘留快速智能化檢測技術研究。研究適用于實驗室、農(林)場、農貿市場甚至家庭使用的農藥殘留快速智能化檢測技術，精準度和靈敏度高，檢測農林植物農藥殘留狀況，以指導農林產品分級、確定適宜的收獲時間和保障農林產品安全。

6)根據靶標植物的表型特征調節(jié)農藥用量的測試技術研究。充分考慮農林植物個體形態(tài)結構和生理生化等表型特征的差異，根據植物表型性狀、不同生長時期等選擇最佳的施藥用量以及最佳的噴霧參數。

7)智能化無人農場植保作業(yè)性能測試系統(tǒng)研究。融合病蟲草害識別模型與實時靶標傳感識別及其環(huán)境信息，根據冠層大小、形狀和密度、害蟲數量與遷移以及其他病蟲草害發(fā)生情況，預測進行包括農藥精確噴霧在內的適時綜合防治作業(yè)，分析施藥時農藥霧滴運動規(guī)律與植物冠層內外沉積分布性能，定時檢測植物表面農藥殘留狀況促進無人化農林生產。

4 結 語

農藥噴霧性能直接影響著病蟲草害防治效果。筆者通過農藥噴霧性能綜合分析圖分析農藥噴霧在霧化過程、輸運沉降過程和沉積過程的性能，綜述了農藥噴霧性能綜合測試方法、關鍵噴霧部件性能測試、霧化性能測試、輸運沉降過程噴霧流場性能測試、沉積過程霧滴運動行為測試、防治效果測試、農藥殘留測試等研究進展。在農藥仍為解決全球饑荒問題的重要保障的時代，要解決農林環(huán)境存在的不完全信息、不確定性環(huán)境和動態(tài)變化環(huán)境等問題，需要通過不斷發(fā)展的測試技術獲得農藥噴霧性能數據以指導研制原創(chuàng)植保機械；因此，筆者最后提出開展噴霧性能標準測試及綜合噴霧性能測試系統(tǒng)、模塊化田間噴霧性能測試儀、農藥噴霧模型與噴霧性能物理測試互動耦合、生物農藥噴霧性能測試、農藥殘留快速智能化檢測及智能化無人農場植保作業(yè)性能測試系統(tǒng)設計等建議。