王國賓，李 烜，John Andaloro，陳盛德，韓小強，王 娟，單常峰，蘭玉彬,※

（1.山東理工大學農業(yè)工程與食品科學學院，淄博 255049； 2.山東省農業(yè)航空智能裝備工程技術研究中心，淄博 255049；3.FMC Corporation, Stine Research Center, 1090 Elkton Road, Newark, DE 19711, USA；4.華南農業(yè)大學電子工程學院（人工智能學院），廣州 510642；5.石河子大學農學院，石河子 832002；6.海南大學機電工程學院，?？?570228）

0 引 言

據(jù)統(tǒng)計，中國農田全年病蟲害的累積發(fā)生面積近3×108hm2，嚴重威脅著糧食安全和農產品有效供應[1]。病蟲害的防治中，化學農藥的噴施作為當前最為有效的手段仍發(fā)揮著不可替代的作用。精準高效的化學農藥噴施有助于減少農藥使用量、提高農藥利用率、降低對環(huán)境的污染[2]?！笆濉逼陂g隨著農業(yè)農村部關于《到2020年農藥使用量零增長行動方案》的深入開展，中國農藥減量增效顯著。據(jù)農業(yè)農村部報告，2019年中國農藥利用率為39.8%，比2017年提高1.0%，比2015年提高3.2%。植保機械與施藥技術的發(fā)展以及逐步完善的農藥霧滴精準采樣技術在中國農藥利用率增長及農藥使用量降低中起著重要作用[3]。

農藥藥液的噴施首先經過不同類型的噴頭霧化，產生粒徑大小不同的霧滴，隨后霧滴與靶標葉片發(fā)生撞擊、碎裂、反彈、沉積或流失等行為，部分霧滴有效的持留在靶標上并接觸到病蟲害進而發(fā)揮防治作用，而在這個過程中影響霧滴持留的因素包括：植保機械參數(shù)、施藥參數(shù)、環(huán)境氣象參數(shù)、雜草等非靶標生物因素和靶標葉片表面結構因素等。沉積在靶標上的農藥霧滴還會持續(xù)的蒸發(fā)或者轉運至植物體內，具有內吸作用的藥劑則會在植物體內分布，起到殺滅害蟲及病菌的作用，沒有內吸作用的藥劑則依靠病蟲害與藥劑霧滴的接觸發(fā)揮防治效果。農藥霧滴的非靶標沉積包括流失與飄移，流失是指農藥霧滴從靶標上脫落并進入土壤，這部分藥劑會隨著澆灌或者降雨，通過地表徑流進入農田水體中，被認為是農田水體污染的重要來源。飄移則是指在噴霧過程中霧滴受環(huán)境風的影響，從靶標區(qū)域運動至非靶標區(qū)域的過程[4]，盡管與流失相比，農藥霧滴飄移量相對較低，但飄移更易受到偶然性環(huán)境因素風速和風向的影響，同樣具有較大的危害性。

農藥的沉積、流失與飄移是農藥進入環(huán)境的重要途徑，因此在全球受到了政府管理部門、研究機構與學者的廣泛關注。在沉積與流失方面，歐洲食品安全局EFSA（European Food Safety Authority）設立了農藥在作物冠層截留沉積評估項目（Collection and evaluation of relevant information on crop interception）[5]，項目中的研究學者對不同植保機械和施藥技術噴施下霧滴在作物靶標的沉積以及流失量（μg/cm2）進行了測定。丹麥 Peter等[6]對大田和果樹上的農藥噴霧質量平衡體系進行了綜述，噴霧質量平衡體系包含霧滴在冠層上的沉積量、土壤上的流失量以及霧滴的飄移量。自2015年以來中國農業(yè)科學院植物保護研究所團隊持續(xù)開展全國農藥利用率測定，并在2020年11月1日牽頭實施標準《農藥有效利用率田間測定方法 第 1部分 大田作物莖葉噴霧的農藥沉積利用率測定方法誘惑紅指示劑方法》[7]，該標準規(guī)定了示蹤劑要求、霧滴采集卡布放、田間取樣、沉積量測定、數(shù)據(jù)分析及計算等內容，為中國大田作物農藥利用率測定提供了標準依據(jù)?！笆濉逼陂g，中國開展實施的國家重點研發(fā)計劃“化學肥料和農藥減施增效綜合技術研發(fā)”專項中“化學農藥對靶高效傳遞與沉積機制及調控”、“地面與航空高工效施藥技術及智能化裝備”子項目，研究了包括植保設備研發(fā)與優(yōu)化、影響因子對農藥向靶標作物與防治對象分散傳遞、沉積流失與飄移規(guī)律等內容，該項目的實施對于提高中國農藥霧滴沉積、減少農藥使用量具有重要意義。盡管近年來中國植保機械，尤其是植保無人飛機發(fā)展迅速，促進了植保施藥技術包括噴施后的霧滴沉積、飄移運動規(guī)律研究不斷深入[8-12]，帶動了中國農藥利用率水平的提升，但與歐美等發(fā)達國家相比，中國的施藥技術水平仍相對落后[2,8]。

隨著1962年Carson《寂靜的春天》一書的出版，全球對農藥飄移的關注迅速增加。Felsot等[13]對美國、歐洲、澳大利亞、拉丁美洲等地區(qū)的飄移試驗數(shù)據(jù)以及政府監(jiān)管政策進行了詳細匯總后提出了噴施技術選擇、緩沖區(qū)設置、飄移控制劑使用、防風林設置等多種抗飄移方法。國際上，為保證飄移測定的一致性以及規(guī)范性，設立了植保機械噴霧飄移測試 ISO標準（International Standard Organization Standard）[14]。在美國，噴霧飄移的評估由噴霧飄移工作組（Spray Drift Task Force, SDTF）執(zhí)行，主要評估美國環(huán)保署（US Environmental Protection Agency）在農藥注冊登記（Pesticide Registration, PR）時產生的飄移危害，其中國際著名 AGDISP霧滴飄移模型即由該團隊研發(fā)[15]。澳大利亞的農藥和獸醫(yī)管理局（Pesticides and Veterinary Medicine Authority, PMWA）和加拿大的農藥管理局（Pesticide Management Regulatory Agency, PMWA）也分別建設了關于農藥噴霧沉積和飄移的綜合數(shù)據(jù)庫，以提高監(jiān)管決策質量[13,16]。近年來伴隨著噴桿噴霧機以及植保無人飛機的快速發(fā)展，中國植保設備噴施霧滴沉積、飄移受到更多的關注[17-20]。2005年中國頒布了《植物保護機械噴霧飄移的田間測量方法》國家標準[21]，2012年頒布了《噴霧飄移的風洞實驗室測量方法》民用航空行業(yè)標準[22]，2018年頒布了《植保無人飛機 質量評價技術規(guī)范》行業(yè)標準[23]，這些標準的頒布和實施對于中國噴霧沉積、飄移測定的標準化具有重要作用。

盡管目前制定的 ISO標準或國家標準中對農藥霧滴沉積、流失與飄移的采樣具有一定的參考，但標準中對采樣器和采樣影響因素包括環(huán)境條件、采樣場地、示蹤劑選擇、采樣后的運輸與保存等方面要求不詳細，這導致在不同研究中采用不同的采樣方法獲取的試驗結果難以進行比較。因此，本文對不同的農藥霧滴采樣器類型、采樣效率、采樣器的布置方法、采樣要求及采樣結果分析等進行綜述分析，為植保機械田間噴施農藥沉積、流失與飄移霧滴精準采樣提供參考。

1 農藥霧滴采樣器類型

采樣器按照處理分析方法分為圖像分析類、化學分析類、傳感器類（表1），常見的霧滴采樣器參見圖1。圖像分析類采樣器是指通過圖像處理分析的方法獲取霧滴沉積特性，此類采樣器材質主要是紙質。化學分析類采樣器是指與示蹤劑相結合使用，采用洗脫、定量測定的方式進行分析霧滴沉積量等參數(shù)的一類采樣器，其材質包括紙質、塑料以及金屬。傳感器類采樣器是通過傳感器技術對沉積或飄移的霧滴進行快速檢測，并根據(jù)噴藥前后的信號變化建立信號與霧滴沉積量之間的關系方程。

表1 常用霧滴采樣器分類Table 1 Droplets samplers classification

采樣器按照采樣方向可以分為水平采樣類、垂直采樣類。水平采樣器指采樣器布置方向與地面水平，采集地面或水體表面的霧滴沉積、飄移情況。此類采樣器主要采集受重力影響自然沉降的霧滴；垂直采樣器則指采樣器放置在距離地面一定高度的位置，且采樣器垂直于地面，用于采集處理區(qū)域下風向一定距離內的氣流傳輸霧滴的分布特性，用以評價吸入霧滴的風險和大田邊界植物結構污染的風險。此類霧滴往往受到氣流運動影響，在采樣器周圍環(huán)繞沉積，而非撞擊沉積，因此水平采樣器和垂直采樣器采樣效率差異較大。

對采集沉積、飄移霧滴的采樣器有以下的基本要求[57]：1）在相對較低的空氣速度下具有較高的霧滴收集效率；2）不易飽和、具有一定的承載性且能承載足量的霧滴沉積；3）具有較好的采樣效率，回收率高且穩(wěn)定，樣品不會與采樣器發(fā)生反應并能進行定量分析；4）具有可測定的取樣體積或面積，用于計算單位面積的沉積量或者飄移量，以與其他研究者進行對比分析；5）易于在田間條件下處理；6）價格便宜，安全性高。

1.1 圖像分析類采樣器

圖像分析類采樣器有不同類型且各有特點，適用于不同噴施環(huán)境下采樣（表2），通過圖像分析類采樣器采樣后，可以通過人工計數(shù)或者掃描后經過專門的軟件處理來分析紙卡上的數(shù)據(jù)，包括霧滴粒徑（μm）、霧滴分布密度（霧滴數(shù)/cm2）、霧滴覆蓋度（%）、沉積量 （μL/cm2）等[24]。

表2 圖像分析類采樣器Table 2 Types of image analysis samplers

此類采樣器表面平坦，可以模擬采集水平地面或水體表面的霧滴沉積飄移情況。圖像分析類采樣器中最為常用的為水敏紙，水敏紙是一類可以不用添加示蹤劑就可以直接對霧滴顯色的一類紙卡，其表面涂有一層溴酚藍指示劑，霧滴在接觸到紙卡上的溴酚藍后會變?yōu)樗{色，pH值范圍在2.8～6.4，通過藍色的斑點即可以獲取霧滴沉積相關信息。但是，水敏紙有一定的局限性，包括不易保存、價格較貴且容易變色[25]?？迕滋丶埧ā~版紙是一類白色的生活中常用的紙卡，優(yōu)點是價格便宜、容易保存，但是此類紙卡需要在藥液中添加一些具有能夠顯色的示蹤劑才能使用（表3）。圖像分析類采樣器還需要注意以下 3點：圖像處理軟件的選擇、掃描數(shù)據(jù)的準確性、存在的局限性。

1）圖像處理軟件的選擇：對霧滴沉積參數(shù)進行圖像處理分析的軟件包括 Gotas、StainMaster（www.stainmaster.com.ar）、ImageTool、StainAnalysis、AgroScan、DropletScan、Spray Image I and II、Swath Kit Version 3.0[59]等，研究學者對比以上7種軟件發(fā)現(xiàn)Spray Image II軟件在霧滴覆蓋度、霧滴粒徑譜方面具有最高的測量精度[26]，但是處理復雜度較大，耗時較長。國內的研究學者在紙卡霧滴信息處理方面也進行了相關的研究。祁力鈞等[60]采用圖像采集系統(tǒng)分析霧滴，并對粘連霧滴提出用改進的分離粘連霧滴算法進行了分離處理，與采用激光粒度儀測定結果對比，發(fā)現(xiàn)其測量誤差在6%以內。劉思瑤等[61]對霧滴圖像分析所采用的機器視覺算法進行優(yōu)化改進，測定結果與激光粒度儀對比分析各參數(shù)相對誤差平均為9.64%。目前，國際上最常用的還是美國農業(yè)部的免費軟件 DepositScan，下載地址為http://www.ars.usda.gov/mwa/wooster/atru/depositscan，其測定準確度較高。

2）掃描數(shù)據(jù)的準確性：美國農業(yè)部航空署Zhu等[25]分析DepositScan軟件的準確性，表明霧滴粒徑23.9μm為水敏紙上霧滴分析的最低閾值；另外需要注意的是，此類紙卡上的斑點粒徑跟實際的霧滴粒徑有很大差異，這主要受到霧滴在不同紙卡上的鋪展系數(shù)（Spread Factors, SF）的影響。為獲取真實的粒徑數(shù)據(jù)需要通過圖像分析獲取斑點直徑后，根據(jù)不同紙卡的鋪展系數(shù)對數(shù)據(jù)進行校正[27-28,59]。目前美國農業(yè)部農業(yè)航空署在采用DropletScan軟件進行圖像處理獲取紙卡上的斑點直徑并進行校正時，常用的校正公式為Y=0.550 7X?0.000 09X2（式中Y為實際霧滴粒徑（μm）；X為水敏紙或者卡洛米特紙卡上的斑點粒徑（μm））?？梢钥闯觯瑢嶋H霧滴直徑與斑點直徑之間的關系并非線性。已有研究表明，環(huán)境條件、農藥制劑中表面活性劑的含量及性質、霧滴粒徑都對擴散系數(shù)產生影響[58]，這就要求在使用紙卡測定霧滴粒徑時，需對具體影響因素進行詳細描述。

3）局限性：采用圖像分析類采樣器時，當霧滴覆蓋度較高（>17%）時，霧滴之間的疊加則會導致測定的霧滴粒徑、覆蓋度、沉積量等結果出現(xiàn)較大的偏差[26]；因此需要獲取精準沉積量數(shù)據(jù)時，多采用化學分析類采樣器進行采樣分析。

1.2 化學分析類采樣器

化學分析類采樣器是指通過化學分析手段采集測定霧滴沉積量的一類采樣器。采用此類采樣器時，在試驗前首先需在藥箱中添加示蹤劑或者藥劑，并在不同采集點布置采樣器，噴霧試驗完成后，通過定量的純溶液（蒸餾水或有機溶劑）洗脫后用儀器定量測定，分析霧滴沉積流失飄移分布情況。常用的此類采樣器既有平面型，例如麥拉卡、α-纖維素、色譜紙（包含Whatman色譜紙）、培養(yǎng)皿、載玻片，也有立體型，例如吸管、尼龍線、聚苯乙烯線、聚四氟乙烯球（塑料球）、不銹鋼圓盤或者不銹鋼圓棒等（表1）。采樣的結果以單位面積的沉積量（μg/cm2）來表示。此類采樣器的優(yōu)點是采樣效率高[43]、檢測限較低、易于操作且容易洗脫提取[62]，但是在使用此類采樣器應當注意：采樣器和示蹤劑的選擇與使用、藥劑的揮發(fā)性等。

1）采樣器的選擇：在化學分析類采樣器中，最常用的為α-纖維素片、色譜紙、玻璃培養(yǎng)皿和玻璃載玻片。α-纖維素片可以保護沉積的農藥不受到光解和揮發(fā)的影響[32]，具有良好的吸收性，避免霧滴的反彈[16,63]。Whatman色譜紙也是由纖維素制成，具有聚合度和結晶度高的特點[64]，但在研究中需注意使用的類型與等級，在部分研究中也常采用濾紙來代替Whatman色譜紙[65]。使用色譜紙進行采樣時，可以將色譜紙放置在地面上來測定流失量，也可以將色譜紙放置在作物冠層上測定冠層沉積量分布。意大利學者在葡萄園中采用Whatman色譜紙（50 cm×10 cm）對毒死蜱和甲霜靈2種不同農藥進行飄移測定，結果發(fā)現(xiàn)果園的樹墻較好的阻擋了霧滴的飄移，降低了霧滴飄移距離[66]。比利時學者在柑橘園采用纖維素條（Cellulose strips）放置在培養(yǎng)皿中進行克菌丹和甲苯氟磺胺藥劑的流失、飄移測定[36]。

2）示蹤劑的選擇與使用：采樣過程中如果直接進行農藥有效成分測定往往操作步驟復雜、需要專門的儀器設備和高純度的原藥有效成分，技術難度和成本高。采用示蹤劑來代替農藥，分析霧滴的沉積分布[67]，可以有效的解決以上問題，常用的示蹤劑包括染色類示蹤劑、熒光類示蹤劑、金屬鹽類示蹤劑（表3）。

表3 示蹤劑類型及特點Table 3 Types and characteristics of tracers

早在 1976年荷蘭學者就曾用 4種熒光示蹤劑Fluorescin L.T.S.、Sel Fluorescent 3S、Uranin A、Urani進行試驗測定，采用聚乙烯條帶和聚醚條帶（Polyethene and Polyether strips）作為采樣器采集，試驗證明熒光示蹤劑可以用于沉積分布檢測，且 4種示蹤劑中 Sel Fluorescent 3S最優(yōu)，所選的采樣器中聚醚條帶最優(yōu)[68]。意大利學者對比了 5種熒光示蹤劑（BASO Red 546、Brilliant Sulfaflavine、Fluorescein、Uvitex OB、Rhodamine B）和 7種染色示蹤劑（Amaranth、Reactive Black 5、Patent Blue Violet、Tartrazine、Lissamine Green B、Erythrosin B、Ponceau 4R），試驗結果表明染色示蹤劑檸檬黃（Tartrazine）具有最佳的回收率和穩(wěn)定性，因此被推薦為田間采樣的良好示蹤劑[72-74]。中國學者對染色劑誘惑紅作為沉積示蹤劑的研究發(fā)現(xiàn)，誘惑紅具有較高的穩(wěn)定性、低毒性、高回收率以及低光解性，同時誘惑紅的色彩更為突出，有利于從視覺上直觀分析霧滴的沉積，因此同樣適合用于示蹤劑檢測沉積[62,67]。然而染色示蹤劑采用比色法測定時，檢測下限較高，對于超低容量噴灑的沉積檢測以及飄移量檢測并不合適[68]。

與染色示蹤劑相比，熒光示蹤劑的檢測下限要低十倍，更適用于超低容量噴灑的沉積和飄移量檢測[67,69]。然而熒光示蹤劑卻有易光解的缺點，因此在取樣后應當遮光保存。袁雪等[69]對若丹明 WT和熒光素鈉作為示蹤劑時的回收率進行測定，發(fā)現(xiàn)若丹明 WT在典型陰天或者遮蓋率較高的環(huán)境下回收率較高，2 h內在不同采樣載體上的回收率大于60%，適合作為沉積示蹤劑。Barber等[75]采用熒光示蹤劑 Tinopal CBS-X對流失到土壤中的沉積量進行分析，并對比采用采樣器和直接從土壤中采樣的差異，試驗結果表明從土壤中取樣的數(shù)據(jù)波動性更大。采用示蹤劑進行沉積量測定時，還需要注意以下問題：① 應優(yōu)化熒光計或光度計對示蹤物激發(fā)和發(fā)射的波長，以最大限度區(qū)分示蹤物和來自于采樣器、稀釋液的背景；② 為了最大限度地提高示蹤物的回收率，要用稀釋液浸泡采樣器以使示蹤物充分溶解；③ 應采用不同的熒光計或光度計分析相同的標準采樣器，并比較其結果[14]。

與染色示蹤劑或熒光示蹤劑不同的是，屬于金屬鹽類示蹤劑的金屬螯合物，其特點是相互之間不產生干擾，可以有效的避免處理之間的污染，例如西班牙學者采用金屬螯合物（Cupric Quelat、Zinesse Quelat、Manganese Quelat）作為示蹤劑對溫室內不同噴霧設備噴施霧滴沉積進行測定，并采用濾紙片（Paper-filter strips）進行沉積采集，使用原子吸收光譜儀（Atomic absorption spectrometer）進行沉積量測定[71]。

3）藥劑的揮發(fā)性：農藥的有效成分種類較多，且具有不同于示蹤劑的揮發(fā)特性，這對于沉積飄移量具有顯著影響[76]，因此針對易揮發(fā)的農藥成分設計專用的采樣器才能獲取真實的農藥沉積飄移量。

理論上認為，揮發(fā)性越強的農藥，飄移率會越高[16]。此類農藥在使用采樣器采集時應當避免有效成分在采樣過程中發(fā)生揮發(fā)。合成羊毛線（Synthetic wool yarn）具有合適的吸附效率（40%～70%）[77]，而被用于倍硫磷和氯菊酯飄移沉積測定[78-79]，但是羊毛線不適用于易揮發(fā)的藥劑[77]。為避免藥劑揮發(fā)對測定結果的影響，研究者在測定農藥阿特拉津（蒸氣壓3.85×10-5Pa）和甲草胺（蒸氣壓2.1×10-3Pa）飄移試驗中，采用培養(yǎng)皿放置玻璃纖維并添加有機溶劑（乙酸乙酯）的方法對藥劑進行采集[80]，還有研究將水填充在培養(yǎng)皿中，以避免農藥有效成分的揮發(fā)而低估沉積飄移量[81]，培養(yǎng)皿中填充的溶劑的類型需要根據(jù)農藥在該溶劑中的溶解特性進行選擇。Druart等[82]對霜脲氰（蒸氣壓 1.5×10-4Pa）、滅菌丹（蒸氣壓2.1×10-4Pa）和戊唑醇（蒸氣壓1.3×10-6Pa）的飄移情況試驗時，第一次試驗發(fā)現(xiàn)飄移量遵循戊唑醇>滅菌丹>霜脲氰的順序，而第二試驗發(fā)現(xiàn)飄移量的順序變?yōu)榱藴缇?戊唑醇>霜脲氰，其他研究中也出現(xiàn)了類似結論[83]。研究者分析可能一方面是由于氣候參數(shù)的變化以及采樣過程中的誤差掩蓋了不同藥劑蒸氣壓的影響，另一方面低蒸氣壓的農藥從采樣器上揮發(fā)量更高，也會導致試驗結果出現(xiàn)偏差。另外，采用化學分析類采樣器與真實葉片上采集的沉積飄移量有一定的區(qū)別，實際噴灑中需要考慮作物葉片的結構對霧滴在葉片上沉積、流失和飄移的影響[9]。

1.3 傳感器類采樣器

不同傳感器的檢測精度受到噴液量、霧滴粒徑等噴霧參數(shù)的影響，因此在傳感器測定沉積試驗中，采用傳感器方法常與傳統(tǒng)的圖像掃描分析類采樣器或者化學分析類采樣器配合使用，以提高測定的準確性。西班牙學者采用LIDAR傳感器在果園中測定風送式噴霧機的霧滴飄移量，并與被動采樣器進行對比，顯示在采用粗霧滴且大容量噴霧時，兩者有較好的相關性（R>0.9），同時指出不同的施藥參數(shù)以及氣象參數(shù)下這一數(shù)值會發(fā)生變化[45-46]。王志翀等[51]采用激光成像技術，結合計算機圖像處理對風洞內霧滴飄移量進行了快速批處理，并與傳統(tǒng)的化學分析法相對比，發(fā)現(xiàn)激光成像技術準確度高達96%，為風洞內試驗提供新的測試技術。美國學者[49-50]采用實時粒子檢測器（Real-time Particle Monitors, Dylos）對果園噴霧機霧滴飄移量進行檢測，發(fā)現(xiàn)實時粒子檢測器也可以有效的檢測霧滴飄移量。

采用電容式傳感器研究藥液沉積量對導體電阻率的影響，建立霧滴沉積量與輸出電壓之間的關系也是一種常用的快速檢測方式[52-53]，但是在測定過程中部分學者發(fā)現(xiàn)在低容量噴施時，此方法測定相對誤差較高 10～50%[56]。吳亞壘等[53]設計一款基于駐波率原理的叉指型霧滴采集極板結構，極板間通過霧滴能夠實現(xiàn)電磁耦合，以用于快速的霧滴沉積量檢測。采用紅外熱像儀測定噴藥前后的作物冠層溫度情況，并根據(jù)溫度變化率來分析霧滴在作物冠層的沉積效果，也已經被證明可以用于快速實時分析霧滴沉積及飄移效果[47-48,80]。

對于大型航空噴施，采用遙感光譜采集分析噴藥一周后的植被指數(shù)，并建立單相光譜特征、時間變化特征與沉積量之間的關系，可以用于大尺度農田的航空藥液噴灑效果檢測[56]。采用光譜快速分析的方法中，Wen等[84]研發(fā)基于熒光示蹤劑和光譜分析的新型噴霧沉積模式測量系統(tǒng)，并將測定結果與水敏紙進行對比，相關系數(shù)為0.89，為植保無人飛機噴施沉積測定提供了新型的檢測方法。

Kumar等[85]用改進的表面增強拉曼散射法檢測農藥表面上的福美雙農藥沉積情況，檢測精度能達到10-9g/cm2。采用酶聯(lián)免疫吸附法（Enzyme-Linked Immuno Sorbent Assay, ELISA）將酶標抗原或抗體與待測樣本相結合，也可以有效定量測定農藥有效成分的含量，以上 2類方法多用于農藥在作物上的殘留檢測，在田間沉積飄移檢測中應用較少[86]。類似的傳感器方法還有電化學適配體傳感器法、基于改性乙酰膽堿酯酶的生物傳感器等[87]。

與傳統(tǒng)的分析方法，傳感器類采樣方法采集速度更快，可以直接分析空中霧滴或沉積在傳感器上的霧滴，但是也存在測定精度低、價格昂貴、獲取數(shù)據(jù)量大、處理時間長、測定指標單一等問題，尤其是當田間噴灑采用低容量或者超低容量時，傳感器檢測的方法會由于檢測精度不足而導致測定結果誤差較大（表4）。

表4 常用的傳感器采樣器分類Table 4 Classification of the commonly sensor samplers

1.4 其他類采樣器

除以上的采樣器外，部分試驗中直接采用生物對象作為試驗靶標進行測定。Brain等[44]在田間試驗中使用黃瓜和萵苣作為試驗靶標，測定了除草劑莠去津的飄移情況及飄移危害，噴霧試驗完成21 d后，對生物材料的生長點、鮮重質量以及根長進行了測定評估。在另一份研究中，Brain等[88]對甲基磺草酮采用生菜和番茄作為試驗靶標進行飄移評估，在施藥后7、14、21d的藥害毒性和株高進行了測定。Druart[82]等采用無脊椎動物蝸牛作為了果園噴灑霧滴沉積飄移的評估生物，結果發(fā)現(xiàn)噴灑的草甘膦藥劑會在蝸牛生物體中累積，其代謝產物會減緩蝸牛的生長。

霧滴飄移測定中，為采集分析施藥時霧滴飄移對旁觀者的危害風險，還有一類采樣器能夠以一定的速率吸取空氣，并吸附空中的霧滴，這一類采樣器與傳統(tǒng)的水敏紙、濾紙等被動取樣的方式不同，被稱作主動采樣器（Active collectors），例如吸入式采樣器和旋轉棒一類的活動式收集器（Suction samplers and rotor rods）。Cooper等[77]采用電動旋轉采樣器與被動采樣器羊毛線進行了田間飄移采樣效率對比，發(fā)現(xiàn) 2種采樣器采樣效率有所差異，但可以很好的互補。Nsibande等[89]采用聚氨酯泡沫塞作為采樣裝置，采用空氣吸入泵以不少于220 L/min的流量吸取空氣中含有檸檬黃的霧滴，分析噴霧過程中的飄移情況。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劑的飄移情況，并與已有的模型 AgDrift和 AGDISP結果對比，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有模型過高的評估飄移量結果。

2 霧滴與采樣器的互作與采樣效率

2.1 霧滴與采樣器的互作

農藥霧滴在采樣過程中會與采樣器發(fā)生粘附、反彈或破碎等，這些行為會影響采樣器的采樣效率，導致霧滴通過采樣器采集的沉積量與作物葉片上的沉積量有所不同（圖2）。農藥霧滴在采樣器上發(fā)生的不同行為與霧滴在撞擊過程中所損失的動能有關，如果損失較少的能量，則霧滴發(fā)生反彈現(xiàn)象；如果損失能量較高，則霧滴將粘附到采樣器表面上[90]。如果霧滴在采樣器表面撞擊后發(fā)生反彈且具有較高的動能，則會進一步破碎，并在表面張力作用下再次收縮為更小的霧滴[91-92]。農藥霧滴與采樣器的相互作用取決于采樣器本身參數(shù)（粗糙度、安裝方向和可潤濕性）、霧滴的特性（表面張力和粘度）、霧滴參數(shù)（霧滴大小和形狀）等[91-93]。

2.2 采樣器的采樣效率

采集效率是指單位面積采樣器采集的沉積量與空氣中樣品量的比值。采樣效率受到多種因素的影響，包括采樣器本身（材質、形狀、大?。?、霧滴特征（霧滴粒徑、霧滴速度）、氣象參數(shù)（環(huán)境溫濕度、風速、大氣穩(wěn)定度）等[94]。采樣效率理論值低于100%，且與霧滴在采樣器表面的碰撞參數(shù)有關，霧滴在采樣器上的碰撞參數(shù)如下[57]：

式中p是碰撞參數(shù)；ρ是液滴密度，kg/m3；v是未受到擾動的霧滴速度，m/s；d為霧滴直徑，m；μ為空氣黏度，kg/(m·s)，D是采樣器的直徑/寬度，m。當采樣器的直徑降低或霧滴的速度或霧滴的直徑增加時，采樣器的碰撞參數(shù)增加，采樣效率增加。

采樣效率研究中，May等[95]在風洞試驗中對圓柱形、球形、條帶形以及圓盤采樣器上的采樣效率進行的對比，結果表明采樣效率隨著采樣器直徑的降低而增加，隨霧滴粒徑的增加而增加。Fox等[96]對尼龍網(wǎng)空中采樣效率進行研究，當霧滴為30μm時，采樣效率為120%，當霧滴為44μm時，采樣效率為140%，采樣效率值偏高。Copper等[77]對被動采樣器和主動采樣器的采樣效率分別進行測定，發(fā)現(xiàn)羊毛線（Synthetic wool yarn）的采樣效率在40%～100%，主動采樣器（旋轉采樣器）的采樣效率在10%～70%。

當采用化學分析類采樣器時，采樣效率不僅與碰撞參數(shù)有關，還與回收率有關?；厥章适侵竿ㄟ^測定的結果與“真值”之間的接近程度，通過“從采樣器上回收測得的目標物質的響應值”除以“目標物經標準曲線計算的響應值”得來?；瘜W分析類采樣器測定回收率主要是考慮到樣品經過處理后會折損，部分示蹤劑、藥劑會發(fā)生分解等問題。美國環(huán)保局對沉積采樣的回收率要求在 70%～120%[97]，如果回收率滿足此要求，則對所獲得的沉積量不必校正[36]。在采樣回收率的研究中，Brain等[44]使用不銹鋼圓盤和不銹鋼桿采集測定阿特拉津，2種采樣器的回收率分別為（111±7.4）%（9組樣品）和（109±3.7）%（31組樣品）。Zhao等[42]采用試管刷和塑料培養(yǎng)皿測得吡蟲啉的回收率分別為 72.5%～78.5%和96.8～98.5%。Qin等[98]采得RhB和BSF作為熒光示蹤劑，回收率分別達到了93.5%～98.2%和95.5%～99.4%?；厥章实臏y定廣泛應用于農藥的殘留分析中，但是在農藥霧滴的沉積、飄移分析中卻易被遺漏[99-100]。采樣器和采樣環(huán)境對采樣效率、樣品回收率有顯著影響，因此在試驗中應當對采樣效率、樣品回收率進行測定，這有利于各研究之間的一致性和數(shù)據(jù)的可靠性。

3 采樣器的布置及采樣方法要求

3.1 采樣器的布置

植保機械噴施研究中，采樣器的布置影響霧滴沉積、飄移采樣結果。當以優(yōu)化不同噴灑設備作業(yè)參數(shù)、分析溶液性質等為目的時，需將采樣器布置在冠層的正上方，且距離冠層頂端有一定距離，以避免具有較大波動性的作物冠層掩蓋試驗處理的影響[27,101-102]。在分析冠層參數(shù)對沉積的影響試驗中，可以將采樣器布置在冠層的不同位置或者直接布置在冠層葉片上，以獲取霧滴在冠層內的穿透性和分布情況[9,10,103]。對霧滴沉積、飄移引起顯著影響的冠層參數(shù)包括冠層形狀、冠層尺寸、葉片密度和種植布置或構造。

3.2 采樣氣象要求

氣象參數(shù)包括環(huán)境溫濕度、風速、風向、大氣穩(wěn)定度等，此類因素對霧滴沉積飄移具有極顯著影響，因此在沉積飄移測定試驗中，對氣象參數(shù)的測定與表征十分必要。ISO田間飄移測定標準方法[14]對霧滴飄移測定時的氣象條件進行限定，要求環(huán)境風速大于1 m/s（在作物冠層上方1 m 且離地至少2 m處測量），平均風向應與噴灑設備作業(yè)方向成90°±30°，氣溫在5～35 ℃。采樣時風向發(fā)生改變會導致每個取樣位置采集的飄移量發(fā)生較大變化[104]。為此，飄移采樣時應盡量保證風向恒定。另外，不僅溫濕度、風速風向對霧滴沉積飄移具有顯著影響，大氣穩(wěn)定度也具有顯著影響，尤其對于航空施藥[105]。

3.3 采樣場地要求

采樣場地對霧滴沉積飄移測定結果也有顯著影響，沉積試驗中應盡量選擇作物冠層長勢均勻的田塊，并需要對冠層參數(shù)（作物高度、種植密度、葉面積指數(shù)等）進行詳細描述。飄移試驗中，飄移取樣應確定下風向區(qū)域，應具有最少的障礙遮擋物，避免影響測量區(qū)域內的氣流變化。已發(fā)表的論文僅有少部分對飄移試驗研究中周圍障礙物進行詳細表述[32,43,102]。試驗場地的描述中除冠層參數(shù)、位置信息外，有些難以注意的因素也會對試驗結果產生影響，例如Brain等[44,106]研究中表述試驗場地的坡度（15°）對試驗結果也產生了一定的影響。

3.4 采樣的運輸與保存

含有示蹤劑或者農藥有效成分的采樣器在運輸?shù)綄嶒炇疫M行分析之前需進行遮光或者低溫保存、盡量縮短樣品處理時間、避免樣品污染等。在樣品采集和處理過程中要有已知近似量的對照處理來對比，分析示蹤劑或者樣品的分解率及回收率，以此提高分析結果的準確性[44,83,89]。

4 結論與展望

本文對農藥霧滴精準采樣技術進行綜述研究，分析農藥霧滴采樣器類型、霧滴與采樣器的互作以及采樣器的布置等因素對采樣效率和采樣精準性的影響，得到以下的結論：

1）農藥霧滴采樣器按照處理分析方法可以分為圖像分析類、化學分析類、傳感器類，不同類型采樣器各有優(yōu)點與局限性。

2）不同類型的采樣器獲取沉積飄移數(shù)據(jù)類型、注意事項、使用場景等具有差異，在農藥霧滴采樣時，應當根據(jù)試驗需求選擇合適的采樣器。

3）除采樣器使用的注意事項外，采樣器布置、采樣氣象條件、采樣場地、采樣器的運輸與保存等因素都會影響采樣準確性，在農藥霧滴采樣時應當注意。

盡管過去研究學者在農藥霧滴精準采樣方法和霧滴沉積、流失和飄移測定方面開展了大量的研究，逐步形成了較為完善的農藥霧滴標準化采樣方法與流程，但仍存在以下的問題亟需完善：

1）采樣的準確性需要進一步提高。不同的環(huán)境參數(shù)和操作方法對采樣效率和回收率有顯著影響，因此為提高數(shù)據(jù)的可靠性，測定采樣效率和回收率應當成為沉積、飄移檢測中最為基礎的要求。采集數(shù)據(jù)前要對植保機械做好檢驗，避免由于植保機械調試問題導致測定結果的誤差。其他因素包括采樣環(huán)境參數(shù)、試驗場地、采樣器的運輸和保存都應當按照標準或被廣泛接受的試驗方法執(zhí)行，避免對采樣結果產生顯著影響。

2）采樣方法與采樣設備需進一步標準化、便捷化、高效化。當前霧滴沉積飄移采樣器種類繁多，這導致不同試驗采樣結果難以對比，因此需要針對相似的采樣情況設計使用規(guī)范一致的采樣器和采樣流程，便于更好地保證采樣數(shù)據(jù)的一致性，建立更為準確的沉積飄移模型。另外，目前采樣分析方法多數(shù)為田間采集后在實驗室中處理，此類采樣處理方法容易導致采樣器污染，如何在田間通過快速圖像掃描或其他高效、便捷、準確的方式獲取霧滴沉積飄移量也是未來的重要研究方向。

3）農藥有效成分的霧滴運動規(guī)律需要進一步研究。國內外沉積飄移的研究多采用清水中添加示蹤劑的方法，然而由于農藥有效成分理化性質的特殊性，尤其是部分有效成分具有較高的揮發(fā)性以及農藥溶劑中所含有大量的表面活性劑，都會對植保機械的噴施霧化、沉積飄移產生顯著影響，因此未來研究應增加對含有農藥有效成分的霧滴運動規(guī)律測定，以更精準的分析農藥霧滴沉積飄移分布。

4）研發(fā)新型的采樣傳感器以提高采樣效率。隨著傳感器技術的發(fā)展，采用新型傳感器進行快速采樣成為未來發(fā)展趨勢。當前傳感器測定沉積飄移量還具有價格高、準確度低、數(shù)據(jù)分析復雜等問題，但是隨著技術的發(fā)展，未來融合多傳感器技術如激光雷達、熱紅外成像、實時粒子檢測及光譜成像等，對霧滴沉積飄移數(shù)據(jù)進行實時分析將成為研究重點。

5）建立植保無人飛機噴施霧滴沉積、飄移預測模型。中國植保無人飛機的快速發(fā)展以及其具有的低空低容量噴灑特征對農藥霧滴精準采樣技術及農藥霧滴沉積、飄移預測模型提出了新的要求。未來通過結合計算流體力學、風洞及田間試驗等方法，探究環(huán)境因素、噴霧參數(shù)、蒸發(fā)情況和冠層穿透對霧滴沉積的影響，并建立用于預測霧滴飄移的分布模型、制定噴灑作業(yè)方案，對于協(xié)助管理監(jiān)督并指導科學應用植保無人飛機十分必要。