田间农药雾滴精准采样技术与发展趋势

王国宾，李 烜，John Andaloro，陈盛德，韩小强，王 娟，单常峰，兰玉彬,※

（1.山东理工大学农业工程与食品科学学院，淄博 255049； 2.山东省农业航空智能装备工程技术研究中心，淄博 255049；3.FMC Corporation, Stine Research Center, 1090 Elkton Road, Newark, DE 19711, USA；4.华南农业大学电子工程学院（人工智能学院），广州 510642；5.石河子大学农学院，石河子 832002；6.海南大学机电工程学院，海口 570228）

0 引 言

据统计，中国农田全年病虫害的累积发生面积近3×108hm2，严重威胁着粮食安全和农产品有效供应[1]。病虫害的防治中，化学农药的喷施作为当前最为有效的手段仍发挥着不可替代的作用。精准高效的化学农药喷施有助于减少农药使用量、提高农药利用率、降低对环境的污染[2]。“十三五”期间随着农业农村部关于《到2020年农药使用量零增长行动方案》的深入开展，中国农药减量增效显著。据农业农村部报告，2019年中国农药利用率为39.8%，比2017年提高1.0%，比2015年提高3.2%。植保机械与施药技术的发展以及逐步完善的农药雾滴精准采样技术在中国农药利用率增长及农药使用量降低中起着重要作用[3]。

农药药液的喷施首先经过不同类型的喷头雾化，产生粒径大小不同的雾滴，随后雾滴与靶标叶片发生撞击、碎裂、反弹、沉积或流失等行为，部分雾滴有效的持留在靶标上并接触到病虫害进而发挥防治作用，而在这个过程中影响雾滴持留的因素包括：植保机械参数、施药参数、环境气象参数、杂草等非靶标生物因素和靶标叶片表面结构因素等。沉积在靶标上的农药雾滴还会持续的蒸发或者转运至植物体内，具有内吸作用的药剂则会在植物体内分布，起到杀灭害虫及病菌的作用，没有内吸作用的药剂则依靠病虫害与药剂雾滴的接触发挥防治效果。农药雾滴的非靶标沉积包括流失与飘移，流失是指农药雾滴从靶标上脱落并进入土壤，这部分药剂会随着浇灌或者降雨，通过地表径流进入农田水体中，被认为是农田水体污染的重要来源。飘移则是指在喷雾过程中雾滴受环境风的影响，从靶标区域运动至非靶标区域的过程[4]，尽管与流失相比，农药雾滴飘移量相对较低，但飘移更易受到偶然性环境因素风速和风向的影响，同样具有较大的危害性。

农药的沉积、流失与飘移是农药进入环境的重要途径，因此在全球受到了政府管理部门、研究机构与学者的广泛关注。在沉积与流失方面，欧洲食品安全局EFSA（European Food Safety Authority）设立了农药在作物冠层截留沉积评估项目（Collection and evaluation of relevant information on crop interception）[5]，项目中的研究学者对不同植保机械和施药技术喷施下雾滴在作物靶标的沉积以及流失量（μg/cm2）进行了测定。丹麦 Peter等[6]对大田和果树上的农药喷雾质量平衡体系进行了综述，喷雾质量平衡体系包含雾滴在冠层上的沉积量、土壤上的流失量以及雾滴的飘移量。自2015年以来中国农业科学院植物保护研究所团队持续开展全国农药利用率测定，并在2020年11月1日牵头实施标准《农药有效利用率田间测定方法 第 1部分 大田作物茎叶喷雾的农药沉积利用率测定方法诱惑红指示剂方法》[7]，该标准规定了示踪剂要求、雾滴采集卡布放、田间取样、沉积量测定、数据分析及计算等内容，为中国大田作物农药利用率测定提供了标准依据。“十三五”期间，中国开展实施的国家重点研发计划“化学肥料和农药减施增效综合技术研发”专项中“化学农药对靶高效传递与沉积机制及调控”、“地面与航空高工效施药技术及智能化装备”子项目，研究了包括植保设备研发与优化、影响因子对农药向靶标作物与防治对象分散传递、沉积流失与飘移规律等内容，该项目的实施对于提高中国农药雾滴沉积、减少农药使用量具有重要意义。尽管近年来中国植保机械，尤其是植保无人飞机发展迅速，促进了植保施药技术包括喷施后的雾滴沉积、飘移运动规律研究不断深入[8-12]，带动了中国农药利用率水平的提升，但与欧美等发达国家相比，中国的施药技术水平仍相对落后[2,8]。

随着1962年Carson《寂静的春天》一书的出版，全球对农药飘移的关注迅速增加。Felsot等[13]对美国、欧洲、澳大利亚、拉丁美洲等地区的飘移试验数据以及政府监管政策进行了详细汇总后提出了喷施技术选择、缓冲区设置、飘移控制剂使用、防风林设置等多种抗飘移方法。国际上，为保证飘移测定的一致性以及规范性，设立了植保机械喷雾飘移测试 ISO标准（International Standard Organization Standard）[14]。在美国，喷雾飘移的评估由喷雾飘移工作组（Spray Drift Task Force, SDTF）执行，主要评估美国环保署（US Environmental Protection Agency）在农药注册登记（Pesticide Registration, PR）时产生的飘移危害，其中国际著名 AGDISP雾滴飘移模型即由该团队研发[15]。澳大利亚的农药和兽医管理局（Pesticides and Veterinary Medicine Authority, PMWA）和加拿大的农药管理局（Pesticide Management Regulatory Agency, PMWA）也分别建设了关于农药喷雾沉积和飘移的综合数据库，以提高监管决策质量[13,16]。近年来伴随着喷杆喷雾机以及植保无人飞机的快速发展，中国植保设备喷施雾滴沉积、飘移受到更多的关注[17-20]。2005年中国颁布了《植物保护机械喷雾飘移的田间测量方法》国家标准[21]，2012年颁布了《喷雾飘移的风洞实验室测量方法》民用航空行业标准[22]，2018年颁布了《植保无人飞机 质量评价技术规范》行业标准[23]，这些标准的颁布和实施对于中国喷雾沉积、飘移测定的标准化具有重要作用。

尽管目前制定的 ISO标准或国家标准中对农药雾滴沉积、流失与飘移的采样具有一定的参考，但标准中对采样器和采样影响因素包括环境条件、采样场地、示踪剂选择、采样后的运输与保存等方面要求不详细，这导致在不同研究中采用不同的采样方法获取的试验结果难以进行比较。因此，本文对不同的农药雾滴采样器类型、采样效率、采样器的布置方法、采样要求及采样结果分析等进行综述分析，为植保机械田间喷施农药沉积、流失与飘移雾滴精准采样提供参考。

1 农药雾滴采样器类型

采样器按照处理分析方法分为图像分析类、化学分析类、传感器类（表1），常见的雾滴采样器参见图1。图像分析类采样器是指通过图像处理分析的方法获取雾滴沉积特性，此类采样器材质主要是纸质。化学分析类采样器是指与示踪剂相结合使用，采用洗脱、定量测定的方式进行分析雾滴沉积量等参数的一类采样器，其材质包括纸质、塑料以及金属。传感器类采样器是通过传感器技术对沉积或飘移的雾滴进行快速检测，并根据喷药前后的信号变化建立信号与雾滴沉积量之间的关系方程。

表1 常用雾滴采样器分类Table 1 Droplets samplers classification

采样器按照采样方向可以分为水平采样类、垂直采样类。水平采样器指采样器布置方向与地面水平，采集地面或水体表面的雾滴沉积、飘移情况。此类采样器主要采集受重力影响自然沉降的雾滴；垂直采样器则指采样器放置在距离地面一定高度的位置，且采样器垂直于地面，用于采集处理区域下风向一定距离内的气流传输雾滴的分布特性，用以评价吸入雾滴的风险和大田边界植物结构污染的风险。此类雾滴往往受到气流运动影响，在采样器周围环绕沉积，而非撞击沉积，因此水平采样器和垂直采样器采样效率差异较大。

对采集沉积、飘移雾滴的采样器有以下的基本要求[57]：1）在相对较低的空气速度下具有较高的雾滴收集效率；2）不易饱和、具有一定的承载性且能承载足量的雾滴沉积；3）具有较好的采样效率，回收率高且稳定，样品不会与采样器发生反应并能进行定量分析；4）具有可测定的取样体积或面积，用于计算单位面积的沉积量或者飘移量，以与其他研究者进行对比分析；5）易于在田间条件下处理；6）价格便宜，安全性高。

1.1 图像分析类采样器

图像分析类采样器有不同类型且各有特点，适用于不同喷施环境下采样（表2），通过图像分析类采样器采样后，可以通过人工计数或者扫描后经过专门的软件处理来分析纸卡上的数据，包括雾滴粒径（μm）、雾滴分布密度（雾滴数/cm2）、雾滴覆盖度（%）、沉积量 （μL/cm2）等[24]。

表2 图像分析类采样器Table 2 Types of image analysis samplers

此类采样器表面平坦，可以模拟采集水平地面或水体表面的雾滴沉积飘移情况。图像分析类采样器中最为常用的为水敏纸，水敏纸是一类可以不用添加示踪剂就可以直接对雾滴显色的一类纸卡，其表面涂有一层溴酚蓝指示剂，雾滴在接触到纸卡上的溴酚蓝后会变为蓝色，pH值范围在2.8～6.4，通过蓝色的斑点即可以获取雾滴沉积相关信息。但是，水敏纸有一定的局限性，包括不易保存、价格较贵且容易变色[25]。卡洛米特纸卡、铜版纸是一类白色的生活中常用的纸卡，优点是价格便宜、容易保存，但是此类纸卡需要在药液中添加一些具有能够显色的示踪剂才能使用（表3）。图像分析类采样器还需要注意以下 3点：图像处理软件的选择、扫描数据的准确性、存在的局限性。

1）图像处理软件的选择：对雾滴沉积参数进行图像处理分析的软件包括 Gotas、StainMaster（www.stainmaster.com.ar）、ImageTool、StainAnalysis、AgroScan、DropletScan、Spray Image I and II、Swath Kit Version 3.0[59]等，研究学者对比以上7种软件发现Spray Image II软件在雾滴覆盖度、雾滴粒径谱方面具有最高的测量精度[26]，但是处理复杂度较大，耗时较长。国内的研究学者在纸卡雾滴信息处理方面也进行了相关的研究。祁力钧等[60]采用图像采集系统分析雾滴，并对粘连雾滴提出用改进的分离粘连雾滴算法进行了分离处理，与采用激光粒度仪测定结果对比，发现其测量误差在6%以内。刘思瑶等[61]对雾滴图像分析所采用的机器视觉算法进行优化改进，测定结果与激光粒度仪对比分析各参数相对误差平均为9.64%。目前，国际上最常用的还是美国农业部的免费软件 DepositScan，下载地址为http://www.ars.usda.gov/mwa/wooster/atru/depositscan，其测定准确度较高。

2）扫描数据的准确性：美国农业部航空署Zhu等[25]分析DepositScan软件的准确性，表明雾滴粒径23.9μm为水敏纸上雾滴分析的最低阈值；另外需要注意的是，此类纸卡上的斑点粒径跟实际的雾滴粒径有很大差异，这主要受到雾滴在不同纸卡上的铺展系数（Spread Factors, SF）的影响。为获取真实的粒径数据需要通过图像分析获取斑点直径后，根据不同纸卡的铺展系数对数据进行校正[27-28,59]。目前美国农业部农业航空署在采用DropletScan软件进行图像处理获取纸卡上的斑点直径并进行校正时，常用的校正公式为Y=0.550 7X−0.000 09X2（式中Y为实际雾滴粒径（µm）；X为水敏纸或者卡洛米特纸卡上的斑点粒径（µm））。可以看出，实际雾滴直径与斑点直径之间的关系并非线性。已有研究表明，环境条件、农药制剂中表面活性剂的含量及性质、雾滴粒径都对扩散系数产生影响[58]，这就要求在使用纸卡测定雾滴粒径时，需对具体影响因素进行详细描述。

3）局限性：采用图像分析类采样器时，当雾滴覆盖度较高（>17%）时，雾滴之间的叠加则会导致测定的雾滴粒径、覆盖度、沉积量等结果出现较大的偏差[26]；因此需要获取精准沉积量数据时，多采用化学分析类采样器进行采样分析。

1.2 化学分析类采样器

化学分析类采样器是指通过化学分析手段采集测定雾滴沉积量的一类采样器。采用此类采样器时，在试验前首先需在药箱中添加示踪剂或者药剂，并在不同采集点布置采样器，喷雾试验完成后，通过定量的纯溶液（蒸馏水或有机溶剂）洗脱后用仪器定量测定，分析雾滴沉积流失飘移分布情况。常用的此类采样器既有平面型，例如麦拉卡、α-纤维素、色谱纸（包含Whatman色谱纸）、培养皿、载玻片，也有立体型，例如吸管、尼龙线、聚苯乙烯线、聚四氟乙烯球（塑料球）、不锈钢圆盘或者不锈钢圆棒等（表1）。采样的结果以单位面积的沉积量（μg/cm2）来表示。此类采样器的优点是采样效率高[43]、检测限较低、易于操作且容易洗脱提取[62]，但是在使用此类采样器应当注意：采样器和示踪剂的选择与使用、药剂的挥发性等。

1）采样器的选择：在化学分析类采样器中，最常用的为α-纤维素片、色谱纸、玻璃培养皿和玻璃载玻片。α-纤维素片可以保护沉积的农药不受到光解和挥发的影响[32]，具有良好的吸收性，避免雾滴的反弹[16,63]。Whatman色谱纸也是由纤维素制成，具有聚合度和结晶度高的特点[64]，但在研究中需注意使用的类型与等级，在部分研究中也常采用滤纸来代替Whatman色谱纸[65]。使用色谱纸进行采样时，可以将色谱纸放置在地面上来测定流失量，也可以将色谱纸放置在作物冠层上测定冠层沉积量分布。意大利学者在葡萄园中采用Whatman色谱纸（50 cm×10 cm）对毒死蜱和甲霜灵2种不同农药进行飘移测定，结果发现果园的树墙较好的阻挡了雾滴的飘移，降低了雾滴飘移距离[66]。比利时学者在柑橘园采用纤维素条（Cellulose strips）放置在培养皿中进行克菌丹和甲苯氟磺胺药剂的流失、飘移测定[36]。

2）示踪剂的选择与使用：采样过程中如果直接进行农药有效成分测定往往操作步骤复杂、需要专门的仪器设备和高纯度的原药有效成分，技术难度和成本高。采用示踪剂来代替农药，分析雾滴的沉积分布[67]，可以有效的解决以上问题，常用的示踪剂包括染色类示踪剂、荧光类示踪剂、金属盐类示踪剂（表3）。

表3 示踪剂类型及特点Table 3 Types and characteristics of tracers

早在 1976年荷兰学者就曾用 4种荧光示踪剂Fluorescin L.T.S.、Sel Fluorescent 3S、Uranin A、Urani进行试验测定，采用聚乙烯条带和聚醚条带（Polyethene and Polyether strips）作为采样器采集，试验证明荧光示踪剂可以用于沉积分布检测，且 4种示踪剂中 Sel Fluorescent 3S最优，所选的采样器中聚醚条带最优[68]。意大利学者对比了 5种荧光示踪剂（BASO Red 546、Brilliant Sulfaflavine、Fluorescein、Uvitex OB、Rhodamine B）和 7种染色示踪剂（Amaranth、Reactive Black 5、Patent Blue Violet、Tartrazine、Lissamine Green B、Erythrosin B、Ponceau 4R），试验结果表明染色示踪剂柠檬黄（Tartrazine）具有最佳的回收率和稳定性，因此被推荐为田间采样的良好示踪剂[72-74]。中国学者对染色剂诱惑红作为沉积示踪剂的研究发现，诱惑红具有较高的稳定性、低毒性、高回收率以及低光解性，同时诱惑红的色彩更为突出，有利于从视觉上直观分析雾滴的沉积，因此同样适合用于示踪剂检测沉积[62,67]。然而染色示踪剂采用比色法测定时，检测下限较高，对于超低容量喷洒的沉积检测以及飘移量检测并不合适[68]。

与染色示踪剂相比，荧光示踪剂的检测下限要低十倍，更适用于超低容量喷洒的沉积和飘移量检测[67,69]。然而荧光示踪剂却有易光解的缺点，因此在取样后应当遮光保存。袁雪等[69]对若丹明 WT和荧光素钠作为示踪剂时的回收率进行测定，发现若丹明 WT在典型阴天或者遮盖率较高的环境下回收率较高，2 h内在不同采样载体上的回收率大于60%，适合作为沉积示踪剂。Barber等[75]采用荧光示踪剂 Tinopal CBS-X对流失到土壤中的沉积量进行分析，并对比采用采样器和直接从土壤中采样的差异，试验结果表明从土壤中取样的数据波动性更大。采用示踪剂进行沉积量测定时，还需要注意以下问题：① 应优化荧光计或光度计对示踪物激发和发射的波长，以最大限度区分示踪物和来自于采样器、稀释液的背景；② 为了最大限度地提高示踪物的回收率，要用稀释液浸泡采样器以使示踪物充分溶解；③ 应采用不同的荧光计或光度计分析相同的标准采样器，并比较其结果[14]。

与染色示踪剂或荧光示踪剂不同的是，属于金属盐类示踪剂的金属螯合物，其特点是相互之间不产生干扰，可以有效的避免处理之间的污染，例如西班牙学者采用金属螯合物（Cupric Quelat、Zinesse Quelat、Manganese Quelat）作为示踪剂对温室内不同喷雾设备喷施雾滴沉积进行测定，并采用滤纸片（Paper-filter strips）进行沉积采集，使用原子吸收光谱仪（Atomic absorption spectrometer）进行沉积量测定[71]。

3）药剂的挥发性：农药的有效成分种类较多，且具有不同于示踪剂的挥发特性，这对于沉积飘移量具有显著影响[76]，因此针对易挥发的农药成分设计专用的采样器才能获取真实的农药沉积飘移量。

理论上认为，挥发性越强的农药，飘移率会越高[16]。此类农药在使用采样器采集时应当避免有效成分在采样过程中发生挥发。合成羊毛线（Synthetic wool yarn）具有合适的吸附效率（40%～70%）[77]，而被用于倍硫磷和氯菊酯飘移沉积测定[78-79]，但是羊毛线不适用于易挥发的药剂[77]。为避免药剂挥发对测定结果的影响，研究者在测定农药阿特拉津（蒸气压3.85×10-5Pa）和甲草胺（蒸气压2.1×10-3Pa）飘移试验中，采用培养皿放置玻璃纤维并添加有机溶剂（乙酸乙酯）的方法对药剂进行采集[80]，还有研究将水填充在培养皿中，以避免农药有效成分的挥发而低估沉积飘移量[81]，培养皿中填充的溶剂的类型需要根据农药在该溶剂中的溶解特性进行选择。Druart等[82]对霜脲氰（蒸气压 1.5×10-4Pa）、灭菌丹（蒸气压2.1×10-4Pa）和戊唑醇（蒸气压1.3×10-6Pa）的飘移情况试验时，第一次试验发现飘移量遵循戊唑醇>灭菌丹>霜脲氰的顺序，而第二试验发现飘移量的顺序变为了灭菌丹>戊唑醇>霜脲氰，其他研究中也出现了类似结论[83]。研究者分析可能一方面是由于气候参数的变化以及采样过程中的误差掩盖了不同药剂蒸气压的影响，另一方面低蒸气压的农药从采样器上挥发量更高，也会导致试验结果出现偏差。另外，采用化学分析类采样器与真实叶片上采集的沉积飘移量有一定的区别，实际喷洒中需要考虑作物叶片的结构对雾滴在叶片上沉积、流失和飘移的影响[9]。

1.3 传感器类采样器

不同传感器的检测精度受到喷液量、雾滴粒径等喷雾参数的影响，因此在传感器测定沉积试验中，采用传感器方法常与传统的图像扫描分析类采样器或者化学分析类采样器配合使用，以提高测定的准确性。西班牙学者采用LIDAR传感器在果园中测定风送式喷雾机的雾滴飘移量，并与被动采样器进行对比，显示在采用粗雾滴且大容量喷雾时，两者有较好的相关性（R>0.9），同时指出不同的施药参数以及气象参数下这一数值会发生变化[45-46]。王志翀等[51]采用激光成像技术，结合计算机图像处理对风洞内雾滴飘移量进行了快速批处理，并与传统的化学分析法相对比，发现激光成像技术准确度高达96%，为风洞内试验提供新的测试技术。美国学者[49-50]采用实时粒子检测器（Real-time Particle Monitors, Dylos）对果园喷雾机雾滴飘移量进行检测，发现实时粒子检测器也可以有效的检测雾滴飘移量。

采用电容式传感器研究药液沉积量对导体电阻率的影响，建立雾滴沉积量与输出电压之间的关系也是一种常用的快速检测方式[52-53]，但是在测定过程中部分学者发现在低容量喷施时，此方法测定相对误差较高 10～50%[56]。吴亚垒等[53]设计一款基于驻波率原理的叉指型雾滴采集极板结构，极板间通过雾滴能够实现电磁耦合，以用于快速的雾滴沉积量检测。采用红外热像仪测定喷药前后的作物冠层温度情况，并根据温度变化率来分析雾滴在作物冠层的沉积效果，也已经被证明可以用于快速实时分析雾滴沉积及飘移效果[47-48,80]。

对于大型航空喷施，采用遥感光谱采集分析喷药一周后的植被指数，并建立单相光谱特征、时间变化特征与沉积量之间的关系，可以用于大尺度农田的航空药液喷洒效果检测[56]。采用光谱快速分析的方法中，Wen等[84]研发基于荧光示踪剂和光谱分析的新型喷雾沉积模式测量系统，并将测定结果与水敏纸进行对比，相关系数为0.89，为植保无人飞机喷施沉积测定提供了新型的检测方法。

Kumar等[85]用改进的表面增强拉曼散射法检测农药表面上的福美双农药沉积情况，检测精度能达到10-9g/cm2。采用酶联免疫吸附法（Enzyme-Linked Immuno Sorbent Assay, ELISA）将酶标抗原或抗体与待测样本相结合，也可以有效定量测定农药有效成分的含量，以上 2类方法多用于农药在作物上的残留检测，在田间沉积飘移检测中应用较少[86]。类似的传感器方法还有电化学适配体传感器法、基于改性乙酰胆碱酯酶的生物传感器等[87]。

与传统的分析方法，传感器类采样方法采集速度更快，可以直接分析空中雾滴或沉积在传感器上的雾滴，但是也存在测定精度低、价格昂贵、获取数据量大、处理时间长、测定指标单一等问题，尤其是当田间喷洒采用低容量或者超低容量时，传感器检测的方法会由于检测精度不足而导致测定结果误差较大（表4）。

表4 常用的传感器采样器分类Table 4 Classification of the commonly sensor samplers

1.4 其他类采样器

除以上的采样器外，部分试验中直接采用生物对象作为试验靶标进行测定。Brain等[44]在田间试验中使用黄瓜和莴苣作为试验靶标，测定了除草剂莠去津的飘移情况及飘移危害，喷雾试验完成21 d后，对生物材料的生长点、鲜重质量以及根长进行了测定评估。在另一份研究中，Brain等[88]对甲基磺草酮采用生菜和番茄作为试验靶标进行飘移评估，在施药后7、14、21d的药害毒性和株高进行了测定。Druart[82]等采用无脊椎动物蜗牛作为了果园喷洒雾滴沉积飘移的评估生物，结果发现喷洒的草甘膦药剂会在蜗牛生物体中累积，其代谢产物会减缓蜗牛的生长。

雾滴飘移测定中，为采集分析施药时雾滴飘移对旁观者的危害风险，还有一类采样器能够以一定的速率吸取空气，并吸附空中的雾滴，这一类采样器与传统的水敏纸、滤纸等被动取样的方式不同，被称作主动采样器（Active collectors），例如吸入式采样器和旋转棒一类的活动式收集器（Suction samplers and rotor rods）。Cooper等[77]采用电动旋转采样器与被动采样器羊毛线进行了田间飘移采样效率对比，发现 2种采样器采样效率有所差异，但可以很好的互补。Nsibande等[89]采用聚氨酯泡沫塞作为采样装置，采用空气吸入泵以不少于220 L/min的流量吸取空气中含有柠檬黄的雾滴，分析喷雾过程中的飘移情况。Schleier III[79]采用相同材料采集空中氯菊酯和二溴磷超低容量制剂的飘移情况，并与已有的模型 AgDrift和 AGDISP结果对比，发现现有模型过高的评估飘移量结果。

2 雾滴与采样器的互作与采样效率

2.1 雾滴与采样器的互作

农药雾滴在采样过程中会与采样器发生粘附、反弹或破碎等，这些行为会影响采样器的采样效率，导致雾滴通过采样器采集的沉积量与作物叶片上的沉积量有所不同（图2）。农药雾滴在采样器上发生的不同行为与雾滴在撞击过程中所损失的动能有关，如果损失较少的能量，则雾滴发生反弹现象；如果损失能量较高，则雾滴将粘附到采样器表面上[90]。如果雾滴在采样器表面撞击后发生反弹且具有较高的动能，则会进一步破碎，并在表面张力作用下再次收缩为更小的雾滴[91-92]。农药雾滴与采样器的相互作用取决于采样器本身参数（粗糙度、安装方向和可润湿性）、雾滴的特性（表面张力和粘度）、雾滴参数（雾滴大小和形状）等[91-93]。

2.2 采样器的采样效率

采集效率是指单位面积采样器采集的沉积量与空气中样品量的比值。采样效率受到多种因素的影响，包括采样器本身（材质、形状、大小）、雾滴特征（雾滴粒径、雾滴速度）、气象参数（环境温湿度、风速、大气稳定度）等[94]。采样效率理论值低于100%，且与雾滴在采样器表面的碰撞参数有关，雾滴在采样器上的碰撞参数如下[57]：

式中p是碰撞参数；ρ是液滴密度，kg/m3；v是未受到扰动的雾滴速度，m/s；d为雾滴直径，m；μ为空气黏度，kg/(m·s)，D是采样器的直径/宽度，m。当采样器的直径降低或雾滴的速度或雾滴的直径增加时，采样器的碰撞参数增加，采样效率增加。

采样效率研究中，May等[95]在风洞试验中对圆柱形、球形、条带形以及圆盘采样器上的采样效率进行的对比，结果表明采样效率随着采样器直径的降低而增加，随雾滴粒径的增加而增加。Fox等[96]对尼龙网空中采样效率进行研究，当雾滴为30μm时，采样效率为120%，当雾滴为44μm时，采样效率为140%，采样效率值偏高。Copper等[77]对被动采样器和主动采样器的采样效率分别进行测定，发现羊毛线（Synthetic wool yarn）的采样效率在40%～100%，主动采样器（旋转采样器）的采样效率在10%～70%。

当采用化学分析类采样器时，采样效率不仅与碰撞参数有关，还与回收率有关。回收率是指通过测定的结果与“真值”之间的接近程度，通过“从采样器上回收测得的目标物质的响应值”除以“目标物经标准曲线计算的响应值”得来。化学分析类采样器测定回收率主要是考虑到样品经过处理后会折损，部分示踪剂、药剂会发生分解等问题。美国环保局对沉积采样的回收率要求在 70%～120%[97]，如果回收率满足此要求，则对所获得的沉积量不必校正[36]。在采样回收率的研究中，Brain等[44]使用不锈钢圆盘和不锈钢杆采集测定阿特拉津，2种采样器的回收率分别为（111±7.4）%（9组样品）和（109±3.7）%（31组样品）。Zhao等[42]采用试管刷和塑料培养皿测得吡虫啉的回收率分别为 72.5%～78.5%和96.8～98.5%。Qin等[98]采得RhB和BSF作为荧光示踪剂，回收率分别达到了93.5%～98.2%和95.5%～99.4%。回收率的测定广泛应用于农药的残留分析中，但是在农药雾滴的沉积、飘移分析中却易被遗漏[99-100]。采样器和采样环境对采样效率、样品回收率有显著影响，因此在试验中应当对采样效率、样品回收率进行测定，这有利于各研究之间的一致性和数据的可靠性。

3 采样器的布置及采样方法要求

3.1 采样器的布置

植保机械喷施研究中，采样器的布置影响雾滴沉积、飘移采样结果。当以优化不同喷洒设备作业参数、分析溶液性质等为目的时，需将采样器布置在冠层的正上方，且距离冠层顶端有一定距离，以避免具有较大波动性的作物冠层掩盖试验处理的影响[27,101-102]。在分析冠层参数对沉积的影响试验中，可以将采样器布置在冠层的不同位置或者直接布置在冠层叶片上，以获取雾滴在冠层内的穿透性和分布情况[9,10,103]。对雾滴沉积、飘移引起显著影响的冠层参数包括冠层形状、冠层尺寸、叶片密度和种植布置或构造。

3.2 采样气象要求

气象参数包括环境温湿度、风速、风向、大气稳定度等，此类因素对雾滴沉积飘移具有极显著影响，因此在沉积飘移测定试验中，对气象参数的测定与表征十分必要。ISO田间飘移测定标准方法[14]对雾滴飘移测定时的气象条件进行限定，要求环境风速大于1 m/s（在作物冠层上方1 m 且离地至少2 m处测量），平均风向应与喷洒设备作业方向成90°±30°，气温在5～35 ℃。采样时风向发生改变会导致每个取样位置采集的飘移量发生较大变化[104]。为此，飘移采样时应尽量保证风向恒定。另外，不仅温湿度、风速风向对雾滴沉积飘移具有显著影响，大气稳定度也具有显著影响，尤其对于航空施药[105]。

3.3 采样场地要求

采样场地对雾滴沉积飘移测定结果也有显著影响，沉积试验中应尽量选择作物冠层长势均匀的田块，并需要对冠层参数（作物高度、种植密度、叶面积指数等）进行详细描述。飘移试验中，飘移取样应确定下风向区域，应具有最少的障碍遮挡物，避免影响测量区域内的气流变化。已发表的论文仅有少部分对飘移试验研究中周围障碍物进行详细表述[32,43,102]。试验场地的描述中除冠层参数、位置信息外，有些难以注意的因素也会对试验结果产生影响，例如Brain等[44,106]研究中表述试验场地的坡度（15°）对试验结果也产生了一定的影响。

3.4 采样的运输与保存

含有示踪剂或者农药有效成分的采样器在运输到实验室进行分析之前需进行遮光或者低温保存、尽量缩短样品处理时间、避免样品污染等。在样品采集和处理过程中要有已知近似量的对照处理来对比，分析示踪剂或者样品的分解率及回收率，以此提高分析结果的准确性[44,83,89]。

4 结论与展望

本文对农药雾滴精准采样技术进行综述研究，分析农药雾滴采样器类型、雾滴与采样器的互作以及采样器的布置等因素对采样效率和采样精准性的影响，得到以下的结论：

1）农药雾滴采样器按照处理分析方法可以分为图像分析类、化学分析类、传感器类，不同类型采样器各有优点与局限性。

2）不同类型的采样器获取沉积飘移数据类型、注意事项、使用场景等具有差异，在农药雾滴采样时，应当根据试验需求选择合适的采样器。

3）除采样器使用的注意事项外，采样器布置、采样气象条件、采样场地、采样器的运输与保存等因素都会影响采样准确性，在农药雾滴采样时应当注意。

尽管过去研究学者在农药雾滴精准采样方法和雾滴沉积、流失和飘移测定方面开展了大量的研究，逐步形成了较为完善的农药雾滴标准化采样方法与流程，但仍存在以下的问题亟需完善：

1）采样的准确性需要进一步提高。不同的环境参数和操作方法对采样效率和回收率有显著影响，因此为提高数据的可靠性，测定采样效率和回收率应当成为沉积、飘移检测中最为基础的要求。采集数据前要对植保机械做好检验，避免由于植保机械调试问题导致测定结果的误差。其他因素包括采样环境参数、试验场地、采样器的运输和保存都应当按照标准或被广泛接受的试验方法执行，避免对采样结果产生显著影响。

2）采样方法与采样设备需进一步标准化、便捷化、高效化。当前雾滴沉积飘移采样器种类繁多，这导致不同试验采样结果难以对比，因此需要针对相似的采样情况设计使用规范一致的采样器和采样流程，便于更好地保证采样数据的一致性，建立更为准确的沉积飘移模型。另外，目前采样分析方法多数为田间采集后在实验室中处理，此类采样处理方法容易导致采样器污染，如何在田间通过快速图像扫描或其他高效、便捷、准确的方式获取雾滴沉积飘移量也是未来的重要研究方向。

3）农药有效成分的雾滴运动规律需要进一步研究。国内外沉积飘移的研究多采用清水中添加示踪剂的方法，然而由于农药有效成分理化性质的特殊性，尤其是部分有效成分具有较高的挥发性以及农药溶剂中所含有大量的表面活性剂，都会对植保机械的喷施雾化、沉积飘移产生显著影响，因此未来研究应增加对含有农药有效成分的雾滴运动规律测定，以更精准的分析农药雾滴沉积飘移分布。

4）研发新型的采样传感器以提高采样效率。随着传感器技术的发展，采用新型传感器进行快速采样成为未来发展趋势。当前传感器测定沉积飘移量还具有价格高、准确度低、数据分析复杂等问题，但是随着技术的发展，未来融合多传感器技术如激光雷达、热红外成像、实时粒子检测及光谱成像等，对雾滴沉积飘移数据进行实时分析将成为研究重点。

5）建立植保无人飞机喷施雾滴沉积、飘移预测模型。中国植保无人飞机的快速发展以及其具有的低空低容量喷洒特征对农药雾滴精准采样技术及农药雾滴沉积、飘移预测模型提出了新的要求。未来通过结合计算流体力学、风洞及田间试验等方法，探究环境因素、喷雾参数、蒸发情况和冠层穿透对雾滴沉积的影响，并建立用于预测雾滴飘移的分布模型、制定喷洒作业方案，对于协助管理监督并指导科学应用植保无人飞机十分必要。