国外农业航空静电喷雾技术研究进展与借鉴

张亚莉，黄鑫荣，王林琳，邓继忠，曾 文，兰玉彬， Muhammad Naveed Tahir

·农业航空工程·

国外农业航空静电喷雾技术研究进展与借鉴

张亚莉1,2，黄鑫荣1,2，王林琳2,3，邓继忠1,2，曾 文1,2，兰玉彬2,3※， Muhammad Naveed Tahir4

（1. 华南农业大学工程学院，广州 510642；2. 国家精准农业航空施药技术国际联合研究中心，广州 510642；3. 华南农业大学电子工程学院，广州 510642；4. Department of Agronomy, PMAS-Arid Agriculture University, Rawalpindi 46300, Pakistan）

农业航空静电喷雾技术作为中国发展精准农业航空应用技术的内容之一，对农药的有效利用和减少环境污染有积极意义。农业航空静电喷雾技术在国外发展较早也相对成熟，美国已有应用于有人机的商业化产品，并在美国、巴西等国各类粮食作物、经济作物和杂草防治作业中开展了大规模田间应用。该研究首先从基础研究、田间应用和优化工作等方面梳理了国外农业航空静电喷雾技术的研究进展，分析了农业航空静电喷雾技术在增加雾滴沉积、减少飘移和具备低施药液量等方面的优势。在此基础上结合中国植保无人机快速发展的实际对研究和应用适合中国国情的农业航空静电喷雾技术进行思考，提出了农业航空静电喷雾技术的研究路线，最后从采用接触式等非感应式充电方式、开发农业航空静电喷雾的测量技术，以及思考荷质比作为衡量指标的意义等方面探讨了可进行深入研究的方向。中国农业航空静电喷雾技术研究特别在植保无人机静电喷雾技术方面的研究与应用有很大的发展空间，可参考国外经验，围绕航空静电喷雾技术的基础性研究、田间试验、成果转化、示范推广和服务指导全方面制定发展规划，把单一强调对雾滴带电的实现转向对技术系统的整体研究。

农业航空；植保；综述；静电喷雾；雾滴沉积；航空施药

0 引 言

中国农业航空关键技术研究和应用已进入快速发展阶段[1]。在高效作业的同时如何提高药液在作物靶标上的利用率、减少环境污染，一直都是航空植保作业关注的研究课题之一。农业航空静电喷雾技术是传统静电喷雾技术在航空作业平台上的应用，一般通过感应式、接触式、电晕式等充电方式让雾滴带电，使得喷头与作物靶标间形成静电场[2-3]。在高压静电的作用下，带电药液主动吸附于作物靶标的正反面，达到环抱吸附的效果，有助于减少飘移并提高航空植保作业效率[4-5]。农业航空静电喷雾技术在国外发展较早也相对成熟，美国已有应用于有人机的商业化产品。中国对于农业航空静电喷雾技术的研究始于二十一世纪初，以新疆通用航空有限责任公司从美国休斯顿的SES公司（Spectrum Electrostatic Sprayers，Inc）引进一套适用于有人机的航空静电喷雾Z03K000B系统关键部件和喷嘴，并进行改装试飞试验为标志[6]。南京林业大学等国内科研单位对有人驾驶固定翼飞机、直升机和植保无人机适用的农业航空静电喷雾系统进行了多方面探索[3,5,7-8]。

农业航空静电喷雾技术作为中国发展精准农业航空应用技术的内容之一，对农药的有效利用和减少环境污染有积极意义。由于中国农业航空静电喷雾技术的研究起步相对较晚，研究和应用等方面与国外农业航空静电喷雾技术发展程度较高的国家存在差距。航空静电喷雾系统不是一种单纯地把农药喷洒到植株的工具，由于雾滴带电的属性给农业航空静电喷雾这项技术带来许多动态的复杂问题，甚至其中一些问题的答案目前尚难以确定。本文从农业航空静电喷雾技术的发展驱动力为研究着手点，重点分析国外长期的基础研究与田间应用研究进展，拟为探索适用于中国国情的农业航空静电喷雾技术的研究和应用提供参考。

1 农业航空静电喷雾技术基础性研究及商业化

美国农业部农业研究服务署（USDA-ARS）的Carlton等[9]最早开展了农业航空静电喷雾技术的研究，并于1966年设计出一种电动旋转静电喷头。针对在航空作业中搭载静电喷雾系统出现的飞机残留表面电荷的过度积累，以及航空静电喷雾系统充放电等问题，Carlton及其合作者通过研究放大电路探测设备，改进优化静电喷头和单双极充电方式，并提出适用于全尺寸飞机的电容与航高函数关系模型等方法解决了上述难题[10-14]。美国田纳西大学的Kihm等[15]围绕双极交替充电模式对航空静电喷雾系统的雾化、充电和沉积特性展开研究。美国CDI（Continuum Dynamics，Inc）公司的Teske等[16]研究了航空静电喷雾飘移与雾滴蒸发效应，探索了经喷头释放的雾滴周围局部相对湿度及飞机尾流对雾滴温度的影响。加拿大韦仕敦大学和瑞士汽巴-嘉基公司（Ciba-Geigy AG）的研究人员合作提出两对极性相反的电荷共面云充电技术将飞机的电位保持在合适范围内，为航空应用静电喷雾技术扫除了障碍[17]。

1995年，Carlton等[18]在美国德克萨斯A&M大学（Texas A&M University）棉田开展了3种充电模式（双极、单极、不充电）下航空静电喷雾技术对改善棉花叶片沉积影响的试验研究，测试结果表明带电雾滴的沉积效果明显改善。美国USDA-ARS的Kirk等[19]以棉花为靶标作物进行航空静电喷雾技术的药效试验发现，采用静电喷雾方式喷洒叶片上的荧光染料平均沉积明显高于非静电喷雾。农业航空静电喷雾技术在提高雾滴沉积效果方面的优势成为其发展的重要驱动力。

Carlton[20]在1999年获得了美国航空静电喷雾系统的发明专利。专利中不但介绍了增加雾滴背面沉积和减少飘移的试验现象，还规范了荷质比、电源电压、转速等农业航空静电喷雾系统的设计要求。同年美国SES公司购买了专利，并获得美国农业部颁发的独家许可证，以生产和销售这一创新产品。2002年美国SES公司针对固定翼飞机和直升机两种不同机型，开发出商用航空静电喷雾系统[21]。

目前该静电喷雾系统已在巴西大豆锈病、北美棉花、水稻、玉米、马铃薯、甜菜、葡萄等作物病虫害防治，以及非洲甘蔗，澳大利亚谷物等作物植保作业中均有应用[22]。在此过程中，国外学者利用商用农业航空静电喷雾系统开展了大量的农业航空静电喷雾技术田间应用的探索。

2 农业航空静电喷雾技术的田间应用研究

农业航空静电喷雾技术的田间应用研究包括对棉花、大豆、甘蔗等经济作物，小麦、水稻、玉米等粮食作物的喷雾沉积效果、病虫害防治效果等的田间测试，以及对农田杂草的化学防治研究[23]。

2.1 经济作物

2.1.1 棉花

中国和美国是世界上主要的棉花生产国。棉花种植密度大，且棉蚜、蓟马、白粉虱、烟粉虱等棉花主要害虫寄生在棉叶背面，加大了航空植保作业防控棉花虫害的难度。风洞试验结果表明，农业航空静电喷雾技术具有显著增加靶标作物叶片背面雾滴沉积的优势，使这项技术与喜好寄生于叶片背面的棉花各类害虫防治紧密地联系在一起[24-25]。

2007年，美国USDA-ARS的Martin等[26]对棉花病虫害防治进行大规模的田间试验，研究常规液压式喷雾、静电喷雾、离心式雾化喷雾3种方式对蓟马的防治效果。结果显示，航空静电喷雾系统喷洒药液2～6d蓟马幼虫数和成虫数均显著低于未经处理的对照组，但在喷洒7d后，静电喷雾处理的成虫数量比对照组成虫数量增加了41%，静电喷雾技术未展现出优势。2009年，美国USDA-ARS的Latheef等[27]采用静电喷雾、非静电喷雾和常规喷雾3种喷雾技术，以及不同施药液量和杀虫剂，对航空静电喷雾的喷雾沉积特性和棉花烟粉虱的季节性防治效果进行了评估。研究结果显示，在棉花冠层顶部和中部，带电液滴尺寸明显小于常规喷雾；经静电喷雾处理的活卵和活若虫的季节性平均数与常规喷雾处理结果相近；静电喷雾对成虫的半数致死浓度（LC50）与常规喷雾没有显著差异。该研究表明了静电喷雾方式对多种不同化学成分的杀虫剂具有良好的适应性，但仍需进一步研究带电雾滴如何获得高荷质比，以增加杀虫剂在棉叶背面（粉虱栖息位置）的沉积。Martin等[28]采用航空静电喷头和离心式雾化喷头在棉田喷洒与水混合的日光可见荧光染料（体积浓度为10%），以研究静电喷雾喷洒出的雾滴在成熟期棉田的沉积试验。结果发现，与不带电的喷雾相比，静电喷雾对棉花冠层顶部叶片正面的雾滴覆盖率增加了2倍，在叶片背面的覆盖率比非静电和离心式雾化喷头提高了3倍。但无论是离心式雾化喷头还是静电喷头都无法改善雾滴向冠层中部穿透的能力。Martin等[29]以刺糖多孢菌（Saccharopolyspora Spinosa）产生的多杀菌素为示踪剂，采用双极航空静电喷雾系统以9.35L/hm2的施药液量对早季棉花进行了喷雾试验。通过静电喷雾系统喷洒的雾滴沉积量增加了34.5%；同时在通电状态下的双极静电喷雾系统喷洒的带电雾滴谱明显比断电状态下的双极静电喷雾系统喷洒的雾滴谱宽。

2.1.2 大豆

大豆害虫种类多，且易受不同种类昆虫的同时侵袭[30-31]。巴西乌贝兰迪亚联邦大学（Universidade Federal de Uberlândia）的Cunha等[32]以大豆为靶标作物，使用航空静电喷雾和离心式雾化喷雾2种方式喷洒杀虫剂，研究雾滴飘移和虫害控制，以探索航空静电喷雾技术在提高大豆病虫害防治方面的应用。试验结果证实了带静电的喷洒方式产生的飘移较小，但2种施药方式的虫口减退率没有显著差异。这项研究的结果与Latheef等[27]的研究结果一致。巴西圣保罗州立大学（Sao Paulo State University）的Antuniassi等[33]采用多种航空喷雾方式喷洒杀菌剂防治大豆锈病。其中静电喷雾方式的喷洒试验在相对湿度较高（71%）和较低（64%）2种条件下进行，以评估相对湿度对静电喷雾系统性能的影响。试验结果表明在较干燥条件下静电性能发挥更佳，并且靶标作物中下部有更高的沉积量，但不同航空喷雾技术喷洒处理的雾滴沉积量差异不显著。

2.1.3 甘蔗

2005年，美国SES公司在非洲斯威士兰当地最大的甘蔗种植园使用航空静电喷雾系统喷施乙烯利等甘蔗催熟剂[34]。试验结果表明航空静电喷雾系统改善了雾滴沉积和穿透作物树冠的能力。

2.2 粮食作物

2.2.1 小麦

为得到喷洒杀菌剂防治小麦赤霉病的最佳航空作业方式，美国USDA-ARS的Kirk等[35]和Fritz等[36]使用不同施药液量并采用不同航空喷雾技术包括液压喷头、离心喷头和静电喷头等，对小麦穗部的雾滴沉积进行了比较和评估，结果发现航空静电喷雾系统施药液量为9.4 L/hm2和雾滴体积中径Dv0.5≤150m（总体积50%的雾滴直径不大于150m）的组合在小麦上获得较好的沉积效果。

2.2.2 水稻

巴西圣玛利亚联邦大学（Universidade Federal de Santa Maria）的Bayer等[37]为了评价航空静电喷雾等不同航空喷雾技术对水稻产量的影响，采用液压式、离心式航空喷雾和航空静电喷雾3种不同的喷雾系统喷洒杀菌剂，并研究雾滴在水稻中下层的穿透能力。结果显示在此次试验研究中，航空静电喷雾技术表现并不突出。2012 年，Bayer等[38]使用Ipanema EMB-202飞机和三氟嘧啶+丙环唑的杀菌剂对水稻进行航空施药，采用液压喷头、离心式喷头和静电喷头3种方式搭配不同施药液量，以评估雾滴在水敏纸上的沉积以及对水稻冠层不同部位的穿透效果。试验表明，液压喷头（20和30 L/hm2）以及静电喷雾（10 L/hm2）的雾滴沉积密度在水稻植株上三分之一处较高，而离心式（15 L/hm2）在水稻中下部有较高的雾滴沉积密度。对少量的植物提取物经过色谱分析发现，杀菌剂残留量较高的喷施方案是施药液量为10 L/hm2的静电喷雾方式，表明带电雾滴在增加水稻植株表面的沉积量方面有较好的表现，这有助于提高农药利用率和减少环境污染。

2.2.3 玉米

玉米叶螨，即红蜘蛛是美国玉米的主要害虫，Martin等[39]为了研究防治美国堪萨斯州玉米红蜘蛛的最佳航空施药方式，在成熟玉米田中进行了航空静电喷头和常规扇形压力喷头CP11-TT的对比试验。试验采用了Air Tractor 302飞机进行喷洒，除了常规的水敏纸测量雾滴沉积以外，还结合遥感技术获取了红蜘蛛的不同危害级别等农情信息。试验结果表明两种喷施方法对红蜘蛛的抑制作用没有显著差异，但静电处理后平均归一化植被指数值（NDVI，Normalized Difference Vegetation Index）比常规处理的略高，表明静电喷雾处理的的玉米叶比常规喷雾处理的叶片健康（植被覆盖度较高）。

2.3 化学除草

除了用于农作物的病虫害防治外，国外学者也致力于探索航空静电喷雾技术在除草方面的应用效果。

为了降低除草剂中草甘膦成分的用量，2006年巴西佩洛塔斯联邦大学（Federal UniVersity of Pelotas）的Eugênio等[40]利用一架伊帕内马202A型农用飞机分别用常规喷雾和静电喷雾2种方式对除草效果进行对照试验。试验结果表明，静电喷雾系统在处理后13 d对杂草的控制效果较好。带电雾滴由于静电作用更好地吸附在杂草上，相同除草效果下静电处理试验组可将施药液量从30 L/hm2减少到10 L/hm2，有利于提高除草剂利用率和减轻环境污染。2017年，Martin等[41]采用一款适用于直升机施药的TX-VK3低流量喷头对静电喷雾条件下草甘膦药液对黑麦草健康状况的影响开展研究，试验结果表明喷洒出的带电草甘膦雾滴体积中位数直径由106.5m增加到112.8m。与不带电的草甘膦药液处理后27 d除草率达41%相比，经带电草甘膦药液喷洒处理后，15 d后即达到相同除草效果。2020年，Martin等[42]对商用固定翼农用飞机控制休耕农田中单子叶和双子叶杂草的效果进行评估。该研究采用离心、液压和静电3种喷头，试验分在2年同一季节进行。结果显示，在第一年中，采用静电喷头喷洒对杂草生长具有显著的抑制效果。第二年则是离心喷头效果较为突出。另外，试验结果指出在不降低药效的前提下，航空静电技术的施药液量是常规喷雾技术的三分之一。巴西乌贝兰迪亚联邦大学的Campos[43]对常规喷雾150 L/hm2施药液量和静电喷雾两种施药液量（50 L/hm2和90 L/hm2）与是否加入助剂条件下的草甘膦除草防控作用进行了试验研究。该研究测量了不同施药液量、施药技术与是否加入助剂多种变量下的药液理化性质、荷质比、雾滴谱以及杂草上药液沉积和飘移损失等各种参数变化。试验结果表明航空静电喷雾技术减小了药液飘移损失，降低了施药液量，显著提高了农药利用率。

在采用农业航空静电喷雾技术开展的各类田间作物试验中，对于在棉花上的蓟马、白粉虱、烟粉虱等害虫和早季、成熟期等不同时期棉花上已形成较为完整的连续性试验结果评价。农业航空静电喷雾技术对杂草的化学防治方面的研究也取得较为丰富的研究数据。而且，美国亚利桑那州棉花上的烟粉虱控制试验、巴西米纳斯吉拉斯州对大豆喷洒杀虫剂研究，以及Martin对休耕农田的除草试验等的研究结果均突出了航空静电喷雾系统具有低施药液量的优势[27,32,42]。同时Cunha等[32]和Campos[43]也在各自试验中证实了航空静电喷雾技术能够减少雾滴飘移的现象。因此，除了能够增加雾滴沉积外，减少雾滴飘移和具有低施药液量的优势也成为农业航空静电喷雾技术发展的有效驱动力。

3 农业航空静电喷雾技术的优化工作

虽然相较于常规的航空喷雾技术，农业航空静电喷雾在增加背面沉积、低施药液量和减少飘移方面有许多优势，然而田间应用效果却并未完全体现出这些优势。在某些场景下例如棉花白粉虱虫卵和、蓟马成虫等应用研究中，采用航空静电喷雾的防治效果低于常规喷雾。另外在评估静电喷头嘴和常规喷头嘴的雾滴沉积效果时，Martin等[28]和Bayer等[38]发现，由于雾滴直径小和带电雾滴的主动吸附效果受到限制等的原因，使用水敏纸的评价方式影响了试验精度。为了使农业航空静电喷雾技术在田间作业以及病虫害防治方面发挥应有的效果，国外学者对飞行高度、飞行速度、充电电压、荷质比、施药液量等因素及不同因素间的交互作用影响进行了细致的深入研究[44-45]。

美国USDA-ARS申请的航空静电喷雾系统专利以感应方式雾化液滴以增加沉积，但没有描述飞行速度或喷孔尺寸的变化对带电雾滴谱的影响。Martin和Carlton进行风洞试验研究飞行速度和静电喷头的喷孔尺寸等因素对固定翼飞机静电喷雾系统施药效果的影响[46]。结果发现，随着飞行速度的增加试验所选取的所有尺寸的喷孔都产生了更小的雾滴。当保持飞行速度一定时，喷孔越大带电雾滴谱越宽。这项工作目前的结果尚难以解释和应用，但为未来获得合适的喷雾参数组合的研究提供了参考。除此以外，Martin和Carlton在同样的测试环境中对旋翼条件下的飞行速度和喷孔尺寸对带电雾滴的影响进行了研究[47]。在高速风洞中，试验人员将飞行速度从97 km/h提高到177 km/h时，所有尺寸的喷孔都会产生更小的雾滴，飞行速度的增加和喷孔尺寸的减小也增加了带电雾滴的荷质比，这意味着在田间作业时可增加靶标作物上的沉积量。该研究结果与固定翼飞机条件下航空静电喷雾获得的雾滴谱数据一致。

2013年，巴西维索萨联邦大学（Universidade Federal de Viçosa）的Sasaki等[48]在研究评估静电喷雾的影响因素时，重点关注喷头与靶标作物之间的距离，并从相对于目标距离0～5 m的纵向和横向两个方向上观察不同距离条件下的荷质比和雾滴沉积。结果表明荷质比与挂载的静电喷雾系统和靶标作物之间的距离成反比，而且当目标与喷洒雾滴流成纵向时，能够产生更好的雾滴沉积，同时得出能够显著增加雾滴沉积量的最小荷质比为0.6 mC/kg。

上述研究从雾滴沉积效果评价方式、飞行平台作业参数以及静电喷雾系统施药参数等多方面对航空静电喷雾的效果进行探索，为航空静电喷雾技术应用参数的优化提供了进一步的数据支持。

4 国内农业航空静电喷雾技术的应用及发展前景

4.1 实用性与成本

在植保机械的市场中，成本和实用性是用户较为看重的两大因素。美国明尼苏达州的农场主Newberg对SES公司生产的航空静电喷雾系统初期投入大约3.8万美元[49]。由于施药液量的大幅减少（10 L/hm2），作业面积可达到每天1011 hm2以上，搭载航空静电喷雾系统的飞机施药作业每小时能产生高达2 000美元的毛收入，证明了适用的应用场景下在前期高固定成本的投资能使种植者获得相对可观的经济效益。国外的田间试验研究表明[27,32,42-43]，农业航空静电喷雾技术并不仅仅是专用于防治寄生于叶片背面虫害的代名词，它具有的低施药液量、吸附效果好等特点带来的一系列省水省药、省力高效、环保节能、高附着率等潜在优势，对国内航空植保作业农药减施有进一步的促进作用。

4.2 借鉴与改进

近年来中国植保无人机发展迅速。相比农用有人驾驶飞机，植保无人机建造成本和使用门槛低、安全性高、起降条件和维修保障要求都比较低，已成为农药减量、农业提质增效的重要技术手段。据全国农业技术推广服务中心初步统计数据显示，截至2020年11月中旬，全国专业化防治组织中植保无人机保有量约8万架，作业面积近5300万 hm2，加上种植大户通过农机购置补贴购买的植保无人机，预计2020年全国农业无人机的保有量将超过10万架，作业总面积将突破6 700万 hm2[50]。这意味着未来静电喷雾系统以植保无人机为主要搭载平台在我国农业航空领域具有较大的发展空间。国外农业航空静电喷雾主要以有人驾驶固定翼飞机和直升机为作业平台，而植保无人机静电喷雾技术的研究较少，因此国内开展相关研究也面临着很多挑战[51-52]。

通过对国外农业航空静电喷雾技术的基础研究和田间应用研究进展进行分析，可为国内发展基于植保无人机的航空静电喷雾技术的研究和应用方向提供借鉴。目前国内主流的植保无人机以大疆T30植保无人机、极飞P40、P80、V40 2021款农业无人机为代表，其主要技术参数对比如表1所示[53-56]。

表1 主流植保无人机型号的技术参数对比

植保无人机的有效载荷是用户比较关注的参数，由于需要加装静电发生器等配件，静电发生器的重量及大小将成为无人机静电喷雾系统发展的首要影响因素。其次，在国外农业航空静电喷雾技术试验研究中展现出的低施药液量的特点，有利于减少植保无人机作业中频繁加药的问题，增加持续作业时间。此外，植保无人机除精准喷洒，还有集智能播种、撒肥、全自主高精度作业为一体的发展趋势，因此还需要考虑静电喷雾系统与无人机喷洒、播撒、飞控等系统的集成，以及对于整机结构设计等带来的潜在影响[57-59]。

在田间应用方面，国外许多研究证实了航空静电喷雾系统的作业效果好于常规喷雾系统，但也有相反的研究报道，航空静电喷雾技术的研究和应用仍需确定最适合的应用条件。国外航空静电喷雾的前期理论和硬件设计经过了数十年的技术沉淀，为开展农业航空静电喷雾技术的深入研究工作奠定了基础。中国航空静电喷雾技术研究始于2005年，而关于无人机静电喷雾技术的研究始于2015年，起步较晚但发展迅速[5-6]。在硬件设计方面，无人机静电喷雾系统挂载方式及其衡量标准有待开发验证。目前国内对有人驾驶飞机已有标准规定了航空静电喷雾器的设备组成、主要技术指标及注意事项等[60]。但对于植保无人机缺少对静电喷雾系统整机协调的详细说明和操作规范，且各研究人员选用的机型、旋翼数量、技术参数各不相同，这种状况不利于已有研究各结果间的相互比较[45,61-62]。中国现阶段不应再重复验证航空静电喷雾系统沉积效果和控制单一变量施药工作，而应重视基础性研究和延续性试验。巴西与中国在农业航空静电喷雾技术发展周期相近，但近年来发展迅猛，在开展试验连续性、研究贡献和试验方案设计等方面均值得参考学习。

综上所述，通过对植保无人机主要技术参数、田间试验、硬件设计等分析表明，中国植保无人机静电喷雾技术研究正处于蓬勃发展阶段，具有广阔的发展前景，但其载重、静电系统与播撒和飞控系统的整机协调性、基础性研究欠缺等问题需要进一步解决。

4.3 农业航空静电喷雾技术的研究路线

在国外农业航空静电喷雾系统的田间应用研究中，尽管不同作物生长特性和形态各不相同，航空作业机型、作业参数也存在差异，但是围绕农业航空静电喷雾技术开展的一系列田间应用研究和室内验证优化工作方案，仍有一定程度的共同特征。图1梳理了农业航空静电喷雾技术的研究路线。

如图1所示，首先需确定充电方式和搭载平台，包括静电喷头数量及位置、绝缘性、静电喷雾系统构成等。为了寻求系统的最优结构和参数，模拟仿真可作为一种验证手段。在系统的设计阶段可直接在仿真模型上修改各部件和子系统的配置情况，在系统的试验应用阶段也可通过建立一组模拟仿真进行带电雾滴沉降的轨迹，并结合不同的靶标参数获取足够训练数据，以达到促进精准沉降和减少飘移损失的目的[63-64]。在雾滴沉降过程中受环境因素、系统参数、可控参数多种因素的制约。因此对于进行航空静电喷雾的相关试验，应进行包括室内和室外试验双线途径。通过软硬件采样可控参数、环境因素和系统参数，监测在长距离的沉降过程。通过所得试验现象考虑如何在多种因素影响条件下进行参数调整，以取得最佳喷雾效果。例如观察雾滴在环境风和旋翼风场共同影响下的液滴状态下带电雾滴沉降的异性电荷排斥过程等[65-67]。最后，根据特定的应用场景，研究人员需要对应不同的靶标作物确定作业参数。药剂充分发挥药效不仅与沉降过程的可控参数、系统参数和环境因素有密切关系，还与作物对象、靶标形态等靶标参数有关。除了雾滴沉积、虫口减退率和病害防治效果等常规衡量指标外，相类似于Martin等[39]研究平均NDVI值等指标伴随着时间推移的靶标特性变化同样具有重要意义。同时研究应注重多参数及其交互作用影响，单一变量研究难以提供借鉴意义[68-69]。

5 讨 论

国外农业航空静电喷雾技术发展已有五十多年，已形成理论体系，从主要的粮食作物小麦、水稻、玉米到棉花、大豆等重要经济作物的病虫害，以及杂草防治已有试验研究数据支撑，但在更多的田间场景下和未得到解释的试验研究结果仍待补充。本节聚焦于技术本身，讨论国内外学者仍可对农业航空静电喷雾技术领域进行深入研究的几个方面。

5.1 充电方式多样化

由于感应式充电方式安全、电压较低、电极制作和绝缘方法都较易实现[70-71]，目前国内航空静电喷雾研究沿用了国外采用的感应式充电方式。然而不同于地面静电喷雾系统，航空作业由于难以满足接地条件，造成感应式静电喷雾的田间施药效果不尽如人意[28]。充电方式其本质是使雾滴带电的途径，除感应式以外，还有电晕式和接触式的充电方式[72]。电晕式充电电压较高，达到30 kV以上，可用于导电和非导电的液体，且有较低的绝缘要求。但目前暂无足够的研究报道支撑电晕式充电的施药效果。接触式充电电压的要求介于电晕式和感应式之间，但对绝缘性要求较高。这意味着充电电压较高的电晕式和绝缘性要求较高的接触式充电方式需要基础性研究来阐明充电机理和杜绝应用风险。从长远发展的角度来看，电晕式具备很强的带电效应，而接触式充电方式被证实相比于感应式充电，可产生较大目标电流[73]。国内一些科研单位在植保无人机静电喷雾系统的研究中也选用了接触式充电方式，获得了较好效果[3,74-75]。相比之下感应式充电方式的带电效果要弱于其余两种充电方式。电晕式和接触式这2种充电方式经过不断完善，有望应用于农业航空静电喷雾技术研究。但是现阶段由于各充电方式在电荷来源和电场分布上都不同，随着喷头到靶标作物的距离增加，空间电荷效应增加，目标电流减小，对于航空作业雾滴长距离沉降有极大的制约。同时在应用推广方面所强调的适用性、成本和安全性方面仍有许多不确定性。因此，需要对接触式以及电晕式2种使雾滴带电的方法进行更深入的研究，围绕沉积效果、绝缘性、航空药剂导电率等关键参数与感应式充电方式进行大量的基础性对比试验，以评估不同充电方式在航空静电喷雾作业的应用效果。

5.2 开发适用于农业航空静电喷雾系统的测量技术

沉积效果的测试作为目前表征农业植保作业质量的主要方式，需要保证获取雾滴设备、数据处理及数据比较的合理性和有效性[76-77]。静电喷头通过不同充电方式使喷洒出的雾滴带电，在静电作用下落于植物靶标，其雾滴特性测量面临许多问题。雾滴荷质比作为伴随着静电喷雾技术的名词，其测量结果有助于静电喷头的性能评估。在室内无环境因素干扰的情况下，雾滴荷质比与沉积效果呈正相关的关系[25]。但在室外环境作业时，喷洒端的雾滴和靶标作物上的雾滴二者的荷质比通常会相差较大，这就需要通过有效的测量装置来实时监测喷雾作业过程中带电雾滴的电荷量，以确认静电喷雾系统的正常工作。但是收集带电雾滴的装置可能会由于没有接地的影响导致结果与沉降于靶标的实际效果不符[28]。

对于静电喷雾技术研究来说，电场强度会随着植物的形态、药液电导率、环境因素变化而变化，例如叶片在尖端或末端部分附近的电场是最强的[78]。Law等[79]的研究也指出了尖锐的叶尖和在落于叶片的带电雾滴云形成气体放电会起到限制沉积的作用。目前对于雾滴沉积分布的检测主要是通过水敏纸等测试卡方式，而沉积量的检测通过示踪剂洗脱的方式，但直径小于50m的雾滴缺乏足够的水分和重量，在水敏纸上难以产生可测量的标记。另外，航空静电喷雾作业的田间作业效果不佳是带电雾滴荷质比急剧减少的原因，还是环境因素造成的，都需要一种可以实时监测带电雾滴特性的检测装置。Martin等[28]和Bayer等[38]的研究显示，使用水敏纸检测方法受到了严格的限制，添加荧光染料到药剂里的方式虽然能够对带电雾滴的测量有所改善，但也对环境因素要求较高。

近年来在中国，更多的检测手段不断地应用于雾滴效果测量[80-81]，如激光粒度仪、红外热像仪、基于变介电常数电容器原理的雾滴沉积传感器及检测系统、基于驻波率原理的叉指型雾滴采集系统等。不过都存在着制造成本高，测量误差过大、测量过程复杂等各种问题。开发适用于航空静电喷雾系统的雾滴特性检测技术，更好地表征雾滴沉积效果，有利于推动静电喷雾系统的发展。不仅如此，在常规喷雾系统和静电喷雾系统的对比试验也需要针对性开发高精度的测量仪器作为相应的统一检测方法，这样在有效喷幅、雾滴沉积特性、雾滴粒径测量等方面更具有说服力。

5.3 重新思考荷质比测量的必要性

荷质比是指雾滴所带电荷量与雾滴本身质量的比值，是静电喷雾技术独有的衡量指标。该表述意味着荷质比的大小关乎静电喷雾技术的优良与否，荷质比越大越好，而且国外学者均对此有大量研究阐述[19,29]。然而静电喷雾技术的优势体现在能以环抱的方式向靶标作物上吸附，这代表着与靶标端效果检测相关。虽然雾滴具有较高的荷质比是得到良好正反面沉积效果的基础，但在外界因素作用下存在较高的雾滴荷质比却不一定能达到较好的正反面沉积的情况。大田试验条件常有风速、温湿度、土壤等环境因素影响，所得效果与室内荷质比测量装置得到试验结果难以相同，各科研单位对荷质比测量方式、造价、材质等条件也会使相同试验参数所得结果出现偏差。

对于航空应用来说，为解决机身充放电问题双极喷雾系统几乎成为航空静电设备的标配，飞机喷洒出两种极性的雾滴长距离的空中降落过程产生衰减和蒸发，同时旋翼风场对两种极性雾滴的搅浑作用使得雾滴荷质比与最后的环抱效果关系难以确定。雾滴荷质比只能表征该雾滴所带电荷量与质量之比，而与产生低施药液量以及增加沉积尤其是背面沉积的联系有待商榷。鉴于以上情况，研究人员在未来农业航空静电喷雾系统研究中需要重新思考荷质比测量的意义。

6 结束语

国外农业航空静电喷雾技术研究经历了基础性研究、商业化、田间应用、优化工作等阶段，并表现出学科研究范围不断扩大、田间研究作物趋向多样化等趋势。作为航空喷洒设备的选择之一，航空静电喷雾系统作业除了能够显著增加叶片背部沉积，在低施药液量、减少雾滴飘移等方面的优势同样值得关注。

国内农业航空静电喷雾技术研究特别在植保无人机静电喷雾技术方面的研究与应用有很大的发展空间。近五年以植保无人机为搭载平台的农业航空静电喷雾技术研究，结合当前中国农业航空植保领域现状和产业应用推广实际发展迅速。中国可参考国外经验，围绕航空静电喷雾技术的基础性研究、试验、成果转化、示范推广和服务指导全方面来制定发展规划，把单一强调对雾滴带电的实现转向对农业航空静电喷雾技术系统的整体研究。

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Progress in foreign agricultural aviation electrostatic spray technologies and references for China

Zhang Yali1,2, Huang Xinrong1,2, Wang Linlin2,3, Deng Jizhong1,2, Zeng Wen1,2, Lan Yubin2,3※, Muhammad Naveed Tahir4

(1.,,510642,; 2.,510642,;3.,,510642,; 4.,-,46300,)

Chemical pesticide residues have posed a great impact on crops and the ecological environment in recent years, as the prevention and control of crop diseases and pests have widely been used in agricultural production. Consequently, an aerial pesticide application technology has become an effective way for plant protection in modern agriculture. The powerful technology is characterized to reduce the numbers and residues of pesticides for the better effectiveness of pesticide application. Alternatively, a high-voltage electrostatic device is often used to charge the spray droplets in an electrostatic spray system. Specifically, the chemical liquid is atomized into droplets near the nozzle to obtain a charge of the same polarity as the nozzle. An electrostatic field is then formed between the nozzle and the crop target under the action of high-voltage static electricity. As such, the droplets of opposite polarity are quickly adsorbed on the front and back of crop targets during the spraying process. Aerial electrostatic spraying is a deep integration of electrostatic spray system and aviation pesticide spraying in precision agriculture. The droplets can quickly be deposited along the power line in the process of aircraft spraying, thereby greatly reducing the drift loss for highly efficient deposition of droplets. Furthermore, the electrostatic spray technology has achieved excellent control effects on crops, fruit trees, and greenhouse vegetables in field tests. The top countries of aerial electrostatic spray technology in the world are the United States and Brazil, in terms of technology usage, and innovation. Particularly, the electrostatic spray technology in the United States has been fully commercialized for the aviation spraying equipment. In addition, an efficient aircraft is highly required for large-scale planting and plant protection in vast arable land and mostly plains in some developing countries. The manned fixed-wing aircraft is mainly used in electrostatic spray systems at present. This review outlined the international development of aerial electrostatic spraying technology to further clarify two main lines of reports at home and aboard, ranging from basic theoretical research to commercialization process. An application level of technology was set to analyze in China. The research on aviation electrostatic spray technology in China has presented a promising increase trend, due mainly to small environmental and topographical impacts in field tests. Moreover, the unmanned aerial vehicle (UAV) has become the most suitable aircraft equipped with an electrostatic spray system after long-term research. However, large research gaps still remained in manned vehicles and lately commercial plant protection UAV, compared with the state-of-the-art electrostatic spray technologies overseas. There were also numerously repeated and invalid studies overlapped in the main parameters in China. Anyway, it is still necessary to delve into the specific interaction mechanism between the process of spraying droplets and the operating parameters. The industrialized development of aviation electrostatic spray system was also reviewed at the end, together with the development prospects. Some suggestions were listed as: (1) The performance of each charge needed to be elucidated in the aerial electrostatic spray system. (2) The measurement technology of charged droplet deposition was highly demanding to accurately evaluate the actual properties of electrostatic spray. (3) Measurement of charge-to-mass ratio was necessary to rethinking using the cutting-edged quantum theories. An ever-increasing demand is coming soon using aviation electrostatic spray system for crop protection.

agricultural aviation; plant protection; review; electrostatic spray; droplet deposition; aerial pesticides application

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.06.007

S252+.3

A

1002-6819(2021)-06-0050-10

张亚莉，黄鑫荣，王林琳，等. 国外农业航空静电喷雾技术研究进展与借鉴[J]. 农业工程学报，2021，37(6)：50-59.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.06.007 http://www.tcsae.org

Zhang Yali, Huang Xinrong, Wang Linlin, et al. Progress in foreign agricultural aviation electrostatic spray technologies and references for China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(6): 50-59. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.06.007 http://www.tcsae.org

2020-12-20

2021-03-13

广东省重点领域研发计划（2019B020221001）；广东省科技计划项目（2018A050506073）；广东省现代农业产业共性关键技术研发创新团队项目（2020KJ133）；国家重点研发计划项目（2018YFD0200304）

张亚莉，博士，副教授，主要研究方向为农用传感器技术与应用。Email：ylzhang@scau.edu.cn。

中国农业工程学会高级会员：张亚莉（E041200939S）

兰玉彬，教授，博士生导师，主要研究方向为精准农业航空应用技术。Email：ylan@scau.edu.cn。

中国农业工程学会高级会员：兰玉彬（E041200725S）