王生北 宋悅 王志江 謝永輝 楊振杰 張毅杰

摘要：農藥靜電噴霧技術可以提高霧滴的有效沉積，減少農藥飄失造成的生態(tài)環(huán)境隱患，是改善我國植保施藥機械相對落后現(xiàn)狀的重要突破口。首先，介紹靜電噴霧技術不同荷電方式下的工作原理及應用特點，概述靜電噴霧技術的發(fā)展歷程，從靜電噴頭的研制、霧滴的荷電效果、靜電霧滴的空間運動與沉積分布、靜電噴霧裝備的研制等4個方面詳細論述我國靜電噴霧技術的發(fā)展現(xiàn)狀。其次，指出當前我國在靜電噴霧領域尚缺乏對靜電霧滴飄移特性與減飄方法的深入研究，建議針對不同作物開展專用靜電噴霧設備的研發(fā)，并通過噴霧模型的相關理論研究，為植保施藥噴霧作業(yè)提供技術裝備與理論支撐，以期提高我國的植保施藥技術水平。最后，針對云南省特色煙草種植的靜電霧滴沉積分布及飄移特性的研究進展進行概述，并展望靜電噴霧技術在云南省特殊山地條件下煙草植保的應用前景。

關鍵詞：靜電噴霧技術;植保機具;霧滴沉積;霧滴飄移;云南煙草

中圖分類號：S491?? 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2021）22-0037-06

收稿日期：2021-03-10

基金項目：云南省教育廳科學研究項目（編號：2019J177）;云南省教育廳研究生類項目（編號：2020Y201）;云南省煙草公司科技計劃（編號：2018530000241010）。

作者簡介：王生北（1996—），男，山西臨汾人，碩士研究生，主要從事農業(yè)靜電噴霧技術及其應用研究。E-mail：211565735@qq.com。

通信作者：張毅杰，碩士，副教授，主要從事農產品加工機械及植保機械研究。E-mail：562525920@qq.com。

農藥被廣泛應用于現(xiàn)代農業(yè)生產，在我國糧食增產穩(wěn)產工作中發(fā)揮了重要作用，但是近年來，大量使用農藥造成的環(huán)境與健康風險已引起公眾廣泛關注[1-2]。我國農藥的產量與銷量多年位居世界第一，但由于植保機具與施藥技術相對落后，我國農藥有效利用率只有20%～40%，由此造成了農藥殘留超標、農田環(huán)境污染、人員安全受到威脅等一系列問題[3-5]。我國現(xiàn)今保有的施藥器械種類單一、施藥功效低，已經無法滿足農業(yè)綠色發(fā)展需求[5]。與傳統(tǒng)噴霧設備相比，靜電噴霧技術的施藥裝備具有霧滴粒徑小、附著性和穿透性強，可以形成“靜電環(huán)繞”效應的優(yōu)勢，因此該技術被視為解決我國植保施藥諸多問題的一種有效方法，成為廣大學者關注的熱點課題[6-7]。本研究對靜電噴霧技術的基本原理、發(fā)展概況進行闡述，指出現(xiàn)階段我國農藥靜電噴霧技術研究中存在的部分問題，并論述靜電噴霧技術在云南省煙草施藥應用中的研究現(xiàn)狀及前景。

1 靜電噴霧技術的基本原理

靜電噴霧技術是通過高壓靜電裝置將農藥霧滴充上電荷，并在噴頭與靶標作物之間建立靜電場，農藥霧滴在靜電力及其他外力的共同作用下做定向運動，快速沉降在作物表面[8-10]。霧滴在靜電力的作用下不但提高了靶標正面的沉積效果，且部分飄移的霧滴也會重新吸附于靶標作物，形成“靜電環(huán)繞”效應，從而進一步減少農藥的飄失，其效果見圖1[10]。

農業(yè)工程領域常用的霧滴荷電方式有3種：電暈充電法、接觸充電法、感應充電法[11]。電暈充電法是由高壓針式電極將一定范圍內的空氣電離成帶電粒子，藥液霧化后與帶電粒子碰撞形成荷電霧滴。接觸充電法是將高壓充電系統(tǒng)的電極直接與藥液接觸使其帶電，藥液經噴頭霧化形成荷電霧滴。感應充電法是在霧化噴頭外加裝感應電極，使噴頭與電極之間形成靜電場，農藥霧滴經噴頭霧化后感應帶電。不同充電原理所需的充電電壓不同，應用范圍及特點也不同。3種充電方式的特性見表1[8，12]。

2 靜電噴霧技術發(fā)展概況

Barton等最早提出使用靜電技術來改善農藥施用效果的理念，他們嘗試將農藥粉劑荷電以增強其在植物表面的附著力[13]。Law設計出一種采用嵌入式電極的氣力式靜電感應噴頭，該噴頭可使霧滴荷質比達到4.8 mC/kg，使感應充電發(fā)展為一種實用的霧滴荷電方式[14-15]。航空靜電噴霧技術的研究最早由美國農業(yè)部于20世紀60年代發(fā)起，但直到Inculet等解決了機身電荷集聚與電暈放電的問題，航空靜電噴霧技術才獲得了巨大的突破[16-17]，之后Carlton等研發(fā)的旋轉式靜電噴霧系統(tǒng)及相關專利更是直接推動了航空靜電噴霧技術的商業(yè)化進展[18-19]。

進入21世紀以來，靜電噴霧技術已獲得眾多國家學者的青睞，但研究的焦點依然集中于技術改進與應用領域的拓展[20]。印度學者Patel等發(fā)現(xiàn)，相較于銅、鋁、鋼等常用材料，選用鎳作為感應電極材料會獲得更好的荷電效果[21]。Pascuzzi等通過評估美國ESS公司（Electrostatic Spraying System Inc）生產的懸掛式靜電噴霧機在意大利葡萄種植園的作業(yè)效果，發(fā)現(xiàn)靜電系統(tǒng)可以提高霧滴在葉面整體的沉積量，但對冠層上部沉積效果的改善仍不夠明顯，且噴霧設備的行進速度在1.11～1.67 m/s范圍內變化時，不會對噴霧效果產生顯著影響[22]。西班牙學者Salcedo等在試驗中設置了與前者相似的速度范圍，但靜電噴霧機的前進速度卻對試驗結果產生顯著影響，他們將2次試驗的差異歸因于兩地葡萄栽培模式的不同[23]。日本學者以自主研發(fā)的圓錐霧靜電噴頭為基礎，設計出應用于大田作業(yè)的噴桿式噴霧機與溫室噴霧機器人，前者可以在保證防治效果的前提下減藥30%，后者則可以在改善沉積效果的同時提高工作效率[24]。

我國從20世紀70年代才開始進行靜電噴霧技術的相關研究，但近年來在靜電噴頭的設計、霧滴荷電效果、荷電霧滴空間運動規(guī)律等方面都取得了一定的研究進展，研發(fā)出多款靜電噴霧設備樣機[10]。

3 我國靜電噴霧技術研究現(xiàn)狀

3.1 靜電噴頭

靜電噴頭是靜電噴霧系統(tǒng)的關鍵部件，其性能的品質會對農藥防治效果產生重要影響[12，25]。由于現(xiàn)階段靜電噴霧系統(tǒng)普遍采用感應充電的方式，因此針對感應充電靜電噴頭的試驗研究最廣泛。目前國內靜電噴頭的研制方式有2種，一是對常規(guī)噴頭進行改進;二是根據(jù)需求進行全新研發(fā)。賈衛(wèi)東等通過給普通扇形噴頭加裝雙平板感應荷電裝置，改進出一種用于風幕靜電噴桿噴霧系統(tǒng)的扇形靜電噴頭，該噴頭使得橫向霧滴粒徑分布變異系數(shù)比非荷電條件下降低37.46%，霧滴的平均體積中徑由非荷電下的108.48 μm減小為83.67 μm[26]。原農業(yè)部南京農業(yè)機械化研究所在2014年研制出采用仿形電極的圓錐霧噴頭，該噴頭在最佳噴霧壓力與充電電壓下的荷質比為0.79 mC/kg，但霧滴粒徑卻比非荷電條件下略大[27]。夏偉等研發(fā)出新型果園風送靜電噴頭，該型噴頭采用銅制錐形電極，并增加環(huán)氧樹脂材質的電極帽，以提高霧滴荷電效果;其霧滴荷質比在最佳工況下為1.167 mC/kg[28]。

3.2 霧滴荷電效果

霧滴的荷電程度是影響噴霧效果的重要因素之一，而衡量霧滴荷電效果的一項重要指標是荷質比[29]。荷質比是霧滴荷電量與霧滴質量的比值，其公式如下[10，30]。

AQ=Q/m=It/m。（1）

式中：AQ表示荷質比，mC/kg;Q表示總電荷量，C;m表示霧滴群質量，kg;I表示荷電霧滴放電電流值，A;t表示相應的測量時間，s。

已有研究結果表明，霧滴的荷電效果受噴頭材質、充電電壓、極間距、噴霧壓力等多種因素的影響。在靜電噴頭材質與電極材料的選用方面，周艷等在充電電壓相同的情況下，對比4種不同材料制作的氣力式感應型靜電噴頭的荷電效果，發(fā)現(xiàn)使用聚四氟乙烯材料可以獲得最佳荷電性能[25]。蘭玉彬等分析靜電噴頭電極材料對噴嘴霧化特性的影響，發(fā)現(xiàn)旋流式靜電噴嘴的電極材料選用紫銅會比黃銅、不銹鋼和鋁獲得更好的霧化效果與荷電效果[31]。崔琳等在研究霧滴感應荷電的影響因素時，發(fā)現(xiàn)霧滴的荷電效果與極間距呈負相關，與充電電壓先是呈正相關關系，但電壓值超過12 kV后電極表面產生的電暈放電現(xiàn)象又會降低霧滴的荷質比[32]。賈衛(wèi)東等認為，霧滴荷質比隨噴霧壓力的增大而減小，隨充電電壓的增加逐漸趨于穩(wěn)定，因此感應充電的電壓不一定越高越好[26]。

目前測量荷電霧滴荷質比試驗中最常用的方法是網狀目標法和法拉第筒法[11]。2種檢測方法都是利用荷電霧滴群與金屬導體碰撞時釋放電荷的現(xiàn)象，使用直流微電流表測量霧滴群的放電電流，并借助霧滴收集裝置獲取霧滴群的質量，從而計算出霧滴的荷質比;但由于網狀目標法和法拉第筒法收集霧滴電荷的裝置不同，使得2種測試方式具有各自的適用范圍（表2）[30，33-36]。

3.3 靜電霧滴空間運動與沉積分布規(guī)律

探究靜電霧滴的空間運動規(guī)律對改善靜電噴霧系統(tǒng)的作業(yè)參數(shù)、提高霧滴有效沉積具有重要意義，但現(xiàn)有理論研究結果表明，荷電霧滴的運動軌跡及沉積分布涉及到空氣動力學與靜電學等過程，且受到眾多施藥參數(shù)影響[10，37]。

賈衛(wèi)東等通過提高噴霧壓力與靜電電壓改善噴嘴霧化效果并提高霧滴的速度，增加了霧滴群的動能，并提出靜電作用對霧滴動能的增加是減少飄移的原因之一[38]。但Wang等認為，霧滴荷電確實會降低粒徑大小并提高其均勻性，然而在該試驗中霧滴速度基本不受充電電壓的影響[39]。2014年茹煜等建立風送荷電霧滴的空間三維運動模型以及在靶標表面的黏附受力模型，并對模型進行分析，發(fā)現(xiàn)空間靜電場與空間電荷引力是提高霧滴有效沉積的主要因素，但是該模型忽略了自然風對霧滴沉降過程的影響，而采用氣流輔助噴霧的原因之一就是要減少自然風造成的脫靶飄移，因此該模型仍須要進一步完善[40]。陳志剛等認為，靜電霧滴的沉積效果受到荷電電壓、葉片表面性質的顯著影響，噴霧角度的改變不會造成沉積量的明顯差異[41]。長期以來，對農業(yè)靜電噴霧過程的仿真模擬都以靜態(tài)模型為主，陳杰借助Fluent動網格耦合噴頭運動，使用用戶自定義函數(shù)及自定義標量求解噴霧過程中形成的靜電場，建立扇形靜電噴頭運動過程中的CFD噴霧模型，該模型在充電電壓較低時能與試驗結果較好吻合[11]。

3.4 靜電噴霧裝備

國內科研單位及相關學者已研發(fā)出多種靜電噴霧裝備樣機，除常規(guī)的噴桿式噴霧系統(tǒng)外，還包括果園靜電噴霧裝備和植保無人機靜電噴霧系統(tǒng)等，但目前我國噴霧器市場的主體依然是各種手動噴霧器，只有加快靜電噴霧裝備樣機的商業(yè)化進程，才能滿足市場對先進植保機械的需求[5，10，26，36，42-44]。

4 我國靜電噴霧技術的不足

4.1 缺乏針對靜電霧滴飄移特性及減飄方法的研究

農藥施用后被初次分配為3個部分，即沉積到靶標作物、沉積到地表、隨風飄移（圖2）。張慧春等針對常規(guī)噴霧設備施藥作業(yè)中農藥飄移的多種影響因素（噴頭參數(shù)、環(huán)境條件和靶標植物等）開展了大量的研究工作，提出并采取一些減飄方法與措施，如輔助式減飄噴霧技術、加裝擋風罩蓋等，但靜電條件下的霧滴飄移特性卻沒有得到足夠重視[45-50]。雖有國內學者將輔助式減飄噴霧技術應用于靜電噴霧設備的研制，然而這些設備卻未開展實際減飄效果的試驗，有風環(huán)境下的實際工作性能缺乏數(shù)據(jù)分析與理論依據(jù)[26，51]。楊洲等發(fā)現(xiàn)，側風風速和靜電電壓的增加會加劇靜電霧滴的飄失，靜電噴霧作業(yè)應選擇在無風或低風速環(huán)境下進行，因此研究靜電霧滴飄移特性及減飄措施對于進一步減少農藥污染，提高施藥機械的技術水平具有重要意義[52-53]。

4.2 缺乏專用靜電噴霧設備的設計與研究

對現(xiàn)有文獻進行研究可知，我國缺乏針對特定靶標作物研發(fā)的專用靜電噴霧設備，且大多數(shù)靜電噴霧設備在研發(fā)過程中只選用少數(shù)作物驗證其沉積效果，未明確設備適應的最佳靶標參數(shù)，進而嚴重限制了我國靜電噴霧裝備的商用化進程。

靶標參數(shù)是影響霧滴沉積的主要因素之一，植物葉片表面特性、葉片傾角、冠層結構以及靶標作物的高度等生理生態(tài)特性都會對霧滴的沉積效果產生影響，且作物生理生態(tài)特性與病蟲害防治需求的不斷變化進一步加劇了精準施藥的難度[10，41，54-55]。即使是同一作物，依據(jù)不同的防治需求選用的農藥種類、調配的藥液濃度等也會對施藥效果產生影響，而根據(jù)最佳粒徑理論，霧滴粒徑只有在最佳范圍內才能使霧滴被靶標盡可能地捕獲，從而取得最佳防治效果，已有研究成果表明，蟲害防治時霧滴粒徑應在10～150 μm，除草和病害防治時霧滴粒徑應在150～300 μm[56-57]。若能依據(jù)靶標作物的生理生態(tài)特征與防治目標，并結合最佳粒徑理論進行靜電設備的研發(fā)和改進，最大程度發(fā)揮其粒徑與沉積效果的優(yōu)勢，必將提高我國精準施藥的水平，加快靜電噴霧裝備的商業(yè)化進度。

4.3 缺乏噴霧模型[58]的研究

近年來，歐美發(fā)達國家為有效評估農藥對生態(tài)環(huán)境的影響，致力于建立并完善農藥在全壽命周期內擴散的數(shù)學模型，如具有代表性的有農藥生命周期清單分析模型（PestLCI）、聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署-環(huán)境毒理學和化學學會開發(fā)的毒性評估模型（USEtox）與作物動態(tài)變化模擬模型（dynamiCROP）等[59]。其中，PestLCI模型將不同靶標作物和施藥設備造成的霧滴飄移量的變化納入影響模型準確性的因素之中，這得益于發(fā)達國家對噴霧模型成熟的研究[60]。相較之下，國內關于噴霧模型的基礎研究仍較滯后，我國對于農藥殘留及污染的研究一般以采集樣品并試驗分析為主，忽略了施藥器械和施藥技術對農藥分配比例的影響，進而限制了農藥最佳功效的發(fā)揮。

農藥、藥械和施藥技術是農藥科學使用中同等重要的3個環(huán)節(jié)，藥械和施藥技術落后是造成我國農藥有效利用率低的重要原因之一[5]。因此，除了提高農藥本身的藥效及研發(fā)更多先進的靜電噴霧設備外，還應把作物、農藥、施藥器械系統(tǒng)結合起來，開展噴霧模型的基礎性研究，制定相應的施藥技術規(guī)范，為后續(xù)植保機械研發(fā)以及生態(tài)環(huán)境評估提供技術與理論依據(jù)。

5 靜電噴霧技術在云南省煙草施藥中的應用研究情況與展望

5.1 面向煙草靶標的靜電噴霧霧滴沉積特性及飄移特性研究

云南省坡耕地面積約占據(jù)全省國土面積的13%，許多煙草種植區(qū)不具備大型機載噴霧設備作業(yè)的條件，而新興的植保無人機價格昂貴，再加之云南省煙草以農戶小規(guī)模種植為主，且煙農文化水平低、老齡化嚴重等問題，導致目前云南省煙草病蟲害防治依舊主要采用便攜式液力噴霧器，但便攜式液力噴霧機具產生的霧滴粒徑較大，難以沉積和附著于煙葉表面，嚴重違背了云南省煙草行業(yè)“減工、降本、增效”的發(fā)展目標[61-63]。為推動云南省煙草產業(yè)綠色發(fā)展，云南省煙草公司、云南省教育廳和云南農業(yè)大學開展了小型靜電噴霧設備的研發(fā)推廣工作，力求通過研究靜電霧滴在煙草上的沉積分布規(guī)律和霧滴飄移特性，找出靜電條件下的最佳施藥參數(shù)及適用于小型靜電噴霧設備的減飄措施。在此背景下，謝永輝等將靜電噴霧技術與罩式噴霧技術相結合，設計出能夠籠罩住煙草植株、質量輕巧且不易變形的隧道式噴霧罩，該型噴霧罩可與市場現(xiàn)有小型靜電噴霧設備配套，但該裝置未考慮噴霧流場跟靜電場的交互作用，仍須試驗優(yōu)化之后才能進行商業(yè)推廣[64-65]。張少杰等使用背負式靜電噴霧器進行不同作業(yè)參數(shù)下的霧滴沉積效果試驗，發(fā)現(xiàn)噴霧壓力、噴霧高度、噴霧速度3種噴霧參數(shù)對煙葉正面沉積效果的改善較顯著;而沉積在煙葉背面的霧滴粒徑小、均勻度高，該現(xiàn)象表明小霧滴更容易產生“靜電環(huán)繞”效應[66]。

5.2 研究展望

國家統(tǒng)計局數(shù)據(jù)顯示，2019年云南省煙葉播種面積為40.944萬hm2，烤煙產量達到81萬t，占全國總產量的45%，僅煙葉稅就高達53.42億元，因而開發(fā)適應云南省丘陵山區(qū)的煙草專用施藥設備具有重要的經濟與實用價值[67]。

煙草山地種植須要滿足大株距、寬行距的農藝要求，且煙株從移栽成活到成熟收獲期群體結構變化巨大，因此煙用靜電噴霧設備的研發(fā)不能忽視煙草不同時期形態(tài)結構的變化，確保煙株冠層內外都獲得足夠的藥液沉積，同時還要考慮靜電場與噴霧流場之間的交互作用，并建立施藥設備結構參數(shù)、操作參數(shù)對應農藥沉積分布規(guī)律的數(shù)學模型，為精確評估施藥效果以及使用農藥造成的負面風險提供理論依據(jù)，進而推動云南省煙草產業(yè)綠色健康發(fā)展[68-69]。

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