农药喷雾全过程性能分析及其测试技术研究进展

郑加强，张慧春，徐幼林，周宏平

(南京林业大学机械电子工程学院，南京 210037)

农林植物受生物胁迫(病虫草鼠害等)及非生物胁迫(干旱、盐碱、洪涝等)等多种胁迫因素影响，特别是生物胁迫，发生面积总体居高不下。化学农药防治是目前植物保护最主要的消灭或控制有害生物胁迫的方法，也是根据植物保护原理，利用物理、生物等一系列防治措施有机组合，形成一套防治策略和防治战术的有害生物综合防治(integrated pest management，IPM)的主要措施。美国植物病理学家Borlaug预言[1]“我们要优先考虑的是吃并保持健康，为此必须要有农药。如果没有农药，全世界将挨饿！”化学农药防治占植物保护80%的主导地位，但滥用农药不可避免地导致了一系列问题，甚至影响整个农林生态系统，众多研究机构纷纷开展农药减量、精确对靶、生物农药开发等植保方法和技术研究[2-5]。而病虫草害防治效果与农药喷雾过程状况和喷雾性能优劣直接相关，为此笔者拟综述国内外农药喷雾性能测试技术的研究进展，提出综合喷雾性能测试及智能化无人农场植保作业性能测试系统设计等建议，以形成农药喷雾过程测试技术体系。

1 农药喷雾全过程性能分析

农药喷雾是利用喷雾机将液态农药雾化成雾滴，输运到靶标的过程，包括雾化过程、输运沉降过程和沉积过程。评价农药喷雾机质量的重要性能指标包括雾滴尺寸及分布、雾滴沉积密度、药液覆盖率等雾化过程、输运沉降过程和沉积过程的性能以及关键部件性能、农药利用率及防治效果等。

图1所示为农药喷雾全过程性能综合分析图。其中，关键部件(包括喷头、泵与风机、药箱、管路系统、混药器、喷杆、可变量控制阀等)的结构与运行参数及系统性能决定着农药雾化性能、输运沉降性能、沉积性能及喷雾综合性能等，农药喷雾机整机性能状态受关键部件质量性能以及农药物理化学性质等因素的影响，决定着农药喷雾质量和防治效果、机具操控性和使用寿命等。农药残留问题已引起高度关注，其检测结果是指导改进农药研发与施用方法以及降低农药残留对人类危害的重要手段。农药喷雾防治效果是实现农药喷雾目的的终极目标，受农药物理化学性质与气象条件以及靶标类型与表面特性的影响，其测定工作包括采样方法、测试手段、数据处理和评价指标等。农药有效利用率是指沉积在试验区域内靶标(靶标类型包括飞翔昆虫、植物病害、杂草等)上的有效物质(农药或荧光剂等)与喷洒到试验区域内有效物质总量之比，是衡量农药使用水平的基本参数，目前农药利用率主要是根据农药沉积率、沉积回收率、作物吸收率以及防治效果来评价。非靶标沉积是指喷雾过程中发生的包括滴漏(是由于喷雾机管路密封不严造成)、滴落(指农药雾滴输运到靶标沉积过程滴落到非靶标的情况)、蒸发、飘移以及残液处置(指完成喷雾作业后残留在药箱中的残液处理)等，非靶标沉积和沉积到靶标后的蒸发、弹跳、流失以及农药残留等是不希望出现的现象。生物农药施用性能则包括喷头雾化对微生物活性的影响，因为微生物由雾化喷头喷出时，生物农药制剂细胞表面受各种力的叠加会对细胞结构产生破坏，伤害到所含的生物活体，会导致存活率下降。

图1 农药喷雾全过程性能综合分析图Fig. 1 Comprehensive performance analysis diagram of pesticide spraying process

1)雾化性能。液体雾化是通过喷头使液体分散成众多微小雾滴，包括液力雾化、转盘(转笼、转杯)离心雾化、气动力雾化、超声波雾化、静电雾化、热力雾化等方式及其组合雾化方式。雾化需要克服气动阻力、黏滞力、液体表面张力、惯性力等及其各种力的相互作用，其雾化过程性能包括喷雾宏观特性和喷雾微观特性，喷雾宏观特性参数包括雾流锥角形状、射流贯穿长度、液膜破碎距离、雾滴在喷雾场的分布以及药液在线混合、施药量调节等，微观特性参数包括雾滴的变形、分裂、聚合、碰撞等过程以及雾滴尺寸及其均匀性、雾滴在流场中位置以及雾滴速度、温度等[6]。当然雾化过程还应包括药液输送至喷头及其药水在线混合和实现施药量调节的内容。为了减少人与药接触造成的污染事件以及节约农药等，国内外开展了水溶性农药、脂溶性农药在线混合以及喷雾混药一体化研究，其中混合浓度是在线混药的关键性能指标[7-8]。由于农田中各小田块的含水率、有机物含量及靶标叶面积特性等各不相同，需要适时依据其变量信息，对每一小田块采用可变量技术(variable rate technique，VRT)进行可变量精确施药等，即计算机(控制器)接收来自地理信息系统、田间定位系统、实时传感器等信息，控制可变量施用设备调节施用量，通过流量控制系统控制总流量，流量传感器检测实际流量并将此信息传送给计算机控制喷雾系统实现农药施用量微调，实现对靶、按需施药[9-10]。

2)输运沉降性能。雾滴形成后到达靶标前的输运沉降过程及其雾滴脱靶可能性，除受雾滴离开喷头时的运动动力特性、环境因素影响外，很大程度上取决于喷头与靶标间的流场状态，对于农药静电喷雾还取决于电场状态，因此对流场(电场)的性能分析及其雾滴在流场(电场)中的行为测试极为重要，国内外开展了大量的喷头类型、气流、喷雾方向等喷雾参数以及气象条件等对雾滴沉降飘移性能影响的分析[11-12]。近年来国内外开展了大量的植保无人机喷雾参数对雾滴飘移和沉积效果的影响研究，如最佳作业高度、作业速度范围、旋翼及下洗风场、喷头类型及喷雾参数、电池及续航能力、控制系统及航线规划和配套部件等对雾滴沉积分布、防治效果等对飘移性能的影响[13-14]。

3)沉积性能。雾滴到达靶标后的运动行为直接影响着雾滴脱靶可能性和雾滴沉积分布性能，这些行为包括撞击后的浸润、持留、蒸发、弹跳、滑落等，与靶标表面特性、雾滴与靶标接触时的状态、环境条件、辅药助剂等密切相关[15-18]。

2 农药喷雾性能测试研究现状

2.1 农药喷雾性能综合测试及喷雾机整机性能测试

为克服田间试验的随机性、不可重复性，围绕影响农药喷雾质量及各影响因素，按照国内外相关技术标准，需要设计室内农药喷雾综合性能测试系统，通常雾化喷头综合性能试验系统由台架、供液系统、监控系统组成，包括收集装置、喷头位置调节装置、排水装置、PIV及激光粒度仪支架结构、水泵支架等部分组成。而雾化喷头供液系统由调节阀、传感器、过滤器等组成，主要完成流体的输运及压力或流量的调节功能，除了可测量常规喷雾参数外，还可进行雾滴粒径、雾滴运动流场测量，生成直观的速度云图及粒径标准分布图[19-20]。针对农药精确对靶喷雾设计了包括模拟靶标及其传送装置、靶标图像采集与处理系统、喷雾控制系统等的室内农药自动精确喷雾系统以及针对植保无人机研究设计了无人机雾滴粒径及沉积分布测试的室内喷雾综合试验台等[21-23]。

农药喷雾机的整机性能测试是必不可少的，如国内外开展了自走式风送喷雾机试验[24]、罩盖式防飘喷雾机防飘试验[25]、隧道式喷雾机试验评价[26]、静电转盘喷雾机沉降分析[27]、果园自动对靶静电喷雾机试验[28]、植保无人机性能评价[29]、仿形喷雾机试验[30]等。

2.2 关键喷雾部件性能测试

关键喷雾部件包括喷头、泵、风机、喷杆及喷雾控制系统等。

1)喷头设计及磨损测试：对于开发设计植保机械的新型喷头，通常需要不断开展喷头质量及雾化性能测试，如扇形雾喷头[31]、航空静电喷雾喷头[32]、无人机植保转杯喷头[33]、脉冲调制间歇流量控制喷头[34]等的性能测试。通过喷头磨损测试，可以预测喷雾质量性能和喷头报废判据等。

2)泵与风机：植保机械常用液泵包括活塞泵、柱塞泵、活塞隔膜泵、滚子泵、离心泵以及旋涡泵、射流泵和挠性转子泵等，国内外开展了许多有关植保机械用泵的性能测试研究，如根据试验绘制离心风机和轴流风机的有因次和无因次性能曲线等[35]。风机性能直接影响风送式植保机械的药液雾化性能、喷雾射程、雾滴防飘移性及雾滴沉积穿透能力等。

3)喷杆：喷杆是各类喷杆喷雾机的重要部件，需要测试喷杆稳定性(如喷杆结构刚度以及减振方式)解决喷杆振动引起喷雾量分布不均和沉降沉积性能恶化等问题[36]。为了调节喷幅、节省空间及适应不同的作业环境，分段设计、自动伸缩的变喷杆也是研究热点。

4)喷雾控制系统：对于智能农药喷雾机，需要测试一系列的传感器和喷雾控制系统的性能，分析施药过程中的雾滴运动特性、靶标特征识别、施药决策、数据交换和喷头控制，实现农药精确施用评价等[37-38]。

2.3 雾化性能测试

针对雾化过程的宏观特性和微观特性，这里选择混药效果测试、雾化机理测试和雾滴尺寸测量等进行阐述。

1)混药效果测试：农药在线混药效果包括混合浓度及均匀性和混药响应时间，通常可以在模拟农药中添加荧光剂，然后采用荧光分析和高速摄影技术进行混合浓度检测，分析混合浓度均匀性和动态浓度一致性等及其影响因素[39-41]。另外可以在模拟农药中添加跟随粒子，如图2所示即为WDG(水分散粒剂)在线混合变量喷雾试验系统，借助高速相机与全反射三棱镜采集混药检测区模拟跟随粒子的流动分布，基于双视角图像粒子匹配、三维重构等提取粒子速度矢量，分析混合均匀性[42]。

1.水箱；2.初混水泵；3.电磁流量计；4.WDG 药箱；5.压力计；6.WDG 输送器；7.射流混药器；8.全反射三棱镜；9.水平检测管；10.高速相机；11.药液缓冲箱；12.计量药泵；13.喷雾水泵；14.喷头集成。图2 WDG在线混合变量喷雾试验系统原理图Fig. 2 Schematic of inline mixing variable-rate spraying system for applying WDG

2)雾化机理测试：雾化过程很复杂，通常需要借助测试技术来为雾化机理研究及后续的空间运动规律分析提供支持[43]。如：利用光电测试技术可捕获农药雾化分散过程细节[44]；利用雾滴粒径分析仪(PDIA)对标准扇形雾喷头(ST)与防飘喷头(IDK)的雾化过程的液膜区波纹结构或气泡状结构、破裂区不规则撕裂等进行可视化试验与图形分析[45]；采用改制的液体表面张力仪测试静电作用下液体表面张力的变化，从而分析液体在静电作用下克服表面张力实现更优雾化的机理[46]；采用高纯度耐高温石英材料的可视化测试装置，可实现对油溶剂或水基型农药热力雾化中破碎、裂化、蒸发及冷凝形成雾滴的过程测试[47]。

3)雾滴尺寸测试：雾滴尺寸测量的采样方式主要包括机械方法、光学方法和图像方法等[48-49]。①机械方法——通过水/油敏纸或氧化镁采集雾滴或通过油皿法采集水剂雾滴，然后用显微镜读取雾滴直径数据，但除油皿法采集收集水剂雾滴外，其他机械方法采集的雾滴通常需要考虑扩散修正系数[50]；②光学方法——利用雾滴物理特性(如光强、相差、荧光和极化等)，采用高速摄影、激光全息和扫描技术等测量方法，如Aerometrics P/DPA、Malvern 激光粒谱仪、PMS、Bete雾滴分析仪、KLD等[49,51]以及包括激光成像探头、数据系统采集和3D定位装置的计算机辅助激光成像雾滴尺寸测量系统等[52]；③图像方法——捕获群体雾滴后采用图像处理方法获得雾滴尺寸[53]，而为了解决图像中粘连雾滴的判断和特征提取，结合雾滴形状因子和面积阈值，用极限腐蚀法和迭代开运算法对粘连雾滴进行计数处理，调用迭代开运算标记的分水岭算法分割，最后对分割后雾滴的连通域进行标记及形状圆整[54]。

2.4 输运沉降过程喷雾流场性能测试

流场测试技术发展日新月异，如激光散射、激光全息和LDV、PIV、PDPA以及红外热图像技术等，农药喷雾输运过程通常采用室内风洞及喷雾测试系统、田间雾滴飘移沉降测试等进行农药喷雾流场、电场分布及荷质比、喷雾形态分布和飘移性能研究[55]。

1)流场测试：通过包括气流场、气液固多相流场等的测试，可以分析多相流雾流锥角形状及沉降特性等以及喷雾参数对雾滴沉降沉积的影响，并确定最佳作业参数[56-57]。另外探索采用低成本农用飞机染色检测系统使用绿色激光指针、USB网络摄像机以及图像处理软件，检测采集线上的喷雾沉积配合标准WRK荧光计，分析农用航空喷雾沉积分布[58]。

2)电场分布与荷质比测试：对于农药静电喷雾，除了需要测试除雾滴尺寸及均匀性、流场状态等以外，非常重要的是需要建立分析模型和试验设施，开展电场分布以及荷质比与电荷衰减规律测试[59-60]，其中荷质比可采用模拟目标法、网状目标法和法拉第筒法测试[59]。

3)飘移测试：国内外开展大量的喷雾参数和靶标形态对农药雾滴沉降和飘移规律影响的测试分析工作[61-62]。如为了分析喷杆高度和近地面风速分布对雾滴沉积的影响，将超声波风速计(图3)放置在离地面1 m位置模拟典型喷杆高度，超声波风速计底部和顶部安装3对传感器(图3a)(对应图3b俯视图中的1、2和3处)，通过测量超声波在两个相对传感器之间传播的时间算出风速和风向，以每秒采样10次测量南北(U+)、东西(V+)和垂直(W+)方向的风速值[63]。

图3 超声波风速计安装图Fig. 3 Placement of ultrasonic anemometers

2.5 沉积过程雾滴运动行为测试

雾滴运动行为测试研究包括雾滴与靶标的作用测试、雾滴覆盖性能测试等。

1)雾滴与靶标作用测试：农药雾滴到达靶标植物叶面时发生正向撞击和斜撞击现象[64-65]，并伴随着一系列后续行为，需要通过测试分析，如弹跳[66]、浸润[67]、穿透[68]、持留[69]、蒸发[70]。

2)雾滴覆盖性能测试：雾滴到达靶标后是否能够持续保持并提高防治效果，需要开展沉积覆盖性能测试[71]，如采用稳态和瞬时测量技术对目标水敏纸上二维区域的雾滴覆盖情况进行测量[72]，或采用白色塑料板、尼龙网、不锈钢网作为喷雾沉积采集器，通过高速成像系统判断雾滴穿透率和回收率等[73]。当然雾滴沉积后仍然需要对蒸发损失情况进行测试[74-75]。另外一种植保无人机施药雾滴空间质量平衡测试方法，采用雾滴质量平衡收集装置、北斗卫星定位系统和多通道微气象测量系统联用，对国内典型植保无人机沉积和飘移特性进行了评估[76]。采用5种不同类型扇形雾喷头喷洒6种不同生物杀虫剂，用3档流量测试雾滴尺寸分布、雾形宽度、喷雾沉积量以及在植物叶片和水敏纸上的雾滴覆盖率等喷雾参数[6]。

2.6 防治效果测试

1)微生物农药存活率测试：国内外学者分别研究了转笼(转盘)式离心雾化喷头、扇形雾喷头及其磨损以及泵及其温升等对微生物农药活性的影响测试[77-78]。

2)作业质量与防治效果测试：施用农药后需要对作业质量进行测试，了解防治效果[79-80]。静电喷雾机产生的带电雾滴在电场力和其他外力作用下向靶标运行，需要测试雾滴在靶标(特别是靶标背面)的沉积率和治虫效果[81]。

3)农药安全使用(有效利用率)：农药喷雾是在达到植物病虫害防治效果的同时，需要确保农药安全使用及避免环境污染，因此需要强化农药全寿命周期管理[82]，但据研究，只有75%的农户在进行农药作业时穿戴个人防护设备(personal protection equipment，PPE)，而且其中52%的PPE仅仅是手套和长裤子而已，此外用于农药施用的大量拖拉机仍然开放配置而增加了操作者与农药接触的危险[83]。另外虽然经常认为发达国家平均农药有效利用率达60%～70%甚至80%以上，而中国仅为20%～30%，也有认为达30%～40%，但目前这些数据只是采取样机试验[84]。

2.7 农药残留测试

农药残留检测通常采用气相色谱法、液相色谱法或色谱-质谱联用法等，其检测精度高，如波兰在实验室对104份草药样品中250种农药含量开展大范围的农药残留标准程序检测，使用安捷伦QuEChERS前处理方法结合LC-MS/MS测定分析草药样品中农药残留量，其中高效液相色谱系统HPLC配有二元泵、自动进样器、在线除气器和烘箱[85]。但在实验室采用气相色谱、液相色谱等方法检测，样品的前处理复杂、耗时，成本高。近年来开展了用于农药残留快速检测技术研究，包括生物传感器 (酶传感器、免疫传感器、适配体传感器、细胞传感器)、光谱技术 (近红外光谱、太赫兹时域光谱、拉曼光谱等) 与微流控技术等[86]。如：可利用各种光学探测原理，如比色法、荧光(FL)、表面等离子体共振(SPR)和表面增强拉曼光谱(SERS)等，而纳米材料可以显著提高光学检测性能，还可将光学分析结合智能手机小程序实现在线通信，降低分析成本并实现快速密集检测[87]；一种非酶传感器阵列来识别和区分5种不同类别农药，利用两个金纳米粒子(AuNPs)的聚集诱导光谱变化来鉴定农药，然后采用数据可视化(即热图、条形图和色差图)、模式识别方法等，可对浓度在20～5 000 ng/mL范围的农药进行定性和定量测定[88]。

3 喷雾性能测试技术研究展望

“工欲善其事，必先利其器”，要实现FAO提出的“与环境和用户相容性的农药、农药制剂及农药使用技术”以及英国Brown告诫的“使用农药要像武士手中的利剑，而不应像农夫手中良莠不分的镰”[1]，需要围绕农药全生命周期开展农药喷雾性能测试，以占据农药使用技术和植保机械研究的主动权，促进形成系统化农药喷雾性能测试体系。展望未来，喷雾性能测试技术的研究发展将有以下热点和趋势：

1)系列化喷雾性能标准试验系统研究。在已有综合喷雾试验台基础上，围绕智能植保机械的核心技术和关键零部件，进一步研究综合喷雾性能测试方法和完善室内植保机械动态喷洒综合性能试验台，研究包括雾滴尺寸分布、雾滴运动动力学、雾滴沉积附着(浸润与弹跳等)、防治效果等性能测试技术，促进喷雾关键部件研发与质量控制。

2)模块化田间农药喷雾性能测试仪研制。融合RFID、物联网IoT、大数据、人工智能、机器人以及云计算等技术，研究便携式、车载式、固定式等田间模块化农药喷雾试验系统，促进植保机械创新发展。

3)农药喷雾模型与喷雾性能物理测试互动耦合研究。采用VR/AR/MR等技术，分析农药喷雾性能物理测试方法，开展农药雾化与喷雾过程仿真模型、飘移与沉积模型、植物生长模型等及其性能物理测试技术的互动耦合研究。

4)生物农药喷雾性能测试技术研究。除了要考虑雾滴粒径、覆盖率、均匀性等雾化性能问题外，还要分析生物农药特性，进一步开展生物农药活性保持技术与测试方法技术研究，为农林业可持续发展提供科学参考。

5)农药残留快速智能化检测技术研究。研究适用于实验室、农(林)场、农贸市场甚至家庭使用的农药残留快速智能化检测技术，精准度和灵敏度高，检测农林植物农药残留状况，以指导农林产品分级、确定适宜的收获时间和保障农林产品安全。

6)根据靶标植物的表型特征调节农药用量的测试技术研究。充分考虑农林植物个体形态结构和生理生化等表型特征的差异，根据植物表型性状、不同生长时期等选择最佳的施药用量以及最佳的喷雾参数。

7)智能化无人农场植保作业性能测试系统研究。融合病虫草害识别模型与实时靶标传感识别及其环境信息，根据冠层大小、形状和密度、害虫数量与迁移以及其他病虫草害发生情况，预测进行包括农药精确喷雾在内的适时综合防治作业，分析施药时农药雾滴运动规律与植物冠层内外沉积分布性能，定时检测植物表面农药残留状况促进无人化农林生产。

4 结 语

农药喷雾性能直接影响着病虫草害防治效果。笔者通过农药喷雾性能综合分析图分析农药喷雾在雾化过程、输运沉降过程和沉积过程的性能，综述了农药喷雾性能综合测试方法、关键喷雾部件性能测试、雾化性能测试、输运沉降过程喷雾流场性能测试、沉积过程雾滴运动行为测试、防治效果测试、农药残留测试等研究进展。在农药仍为解决全球饥荒问题的重要保障的时代，要解决农林环境存在的不完全信息、不确定性环境和动态变化环境等问题，需要通过不断发展的测试技术获得农药喷雾性能数据以指导研制原创植保机械；因此，笔者最后提出开展喷雾性能标准测试及综合喷雾性能测试系统、模块化田间喷雾性能测试仪、农药喷雾模型与喷雾性能物理测试互动耦合、生物农药喷雾性能测试、农药残留快速智能化检测及智能化无人农场植保作业性能测试系统设计等建议。