王瀟楠, 齊 鵬, 于聰偉, 何雄奎*,

(1. 中國農(nóng)業(yè)大學 藥械與施藥技術研究中心，北京 100193；2. 廣東省農(nóng)業(yè)科學院 植物保護研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部華南果蔬綠色防控重點實驗室/廣東省植物保護新技術重點實驗室，廣州 510640)

農(nóng)藥是一把“雙刃劍”，一方面作為保障糧食產(chǎn)量最主要的防治措施，另一方面大霧滴流失、小霧滴飄失，導致非靶標生物危害與區(qū)域污染，因此開展農(nóng)藥霧滴霧化沉積飄失的研究顯得尤為重要[1-2]。

農(nóng)藥霧滴霧化至發(fā)生生物效果的全過程是復雜的多學科交叉的系統(tǒng)工程[3-4]，其中農(nóng)藥霧滴霧化技術是最為基礎也是農(nóng)藥劑量傳遞的關鍵環(huán)節(jié)[5]。農(nóng)藥由霧化開始至靶標發(fā)生生物效果的理化過程十分復雜，如圖1 所示，噴霧機噴施過程主要分為4 個階段：霧滴霧化、霧滴輸運、霧滴沉積、吸收傳導[6-8]。單就霧滴霧化至靶標沉積過程，即可發(fā)生顆粒分散、匯聚，碰撞、聚合，黏附、擴散，流失、飄失等現(xiàn)象，最終被靶標捕獲的霧滴不足41%[9]。

圖1 農(nóng)藥霧化沉積全程及影響因素Fig. 1 Pesticide atomization deposition process and the influence of its factors

自20 世紀60 年代以來，國際上重點開展了有關農(nóng)藥霧滴霧化、沉積與飄失的基礎理論研究并且成效顯著[10]。眾多學者對農(nóng)藥霧滴霧化[11]、霧滴在空間的粒徑分布與速度演化特征[12-13]、微觀霧滴沉積行為[14]、霧滴運行趨勢與靶標生物學特性和表面活性劑關系[15]、霧滴在靶標彈跳與破碎行為[16]、靶標冠層與霧滴沉積性能機理影響[17]、霧滴物理化學特性、噴霧模式、環(huán)境條件和操作條件等因素對飄移的影響[18]，以及變量施藥[19]、對靶噴霧等關鍵施藥技術[20-21]、典型植保機械研究等[22-23]方面進行了綜述，但針對農(nóng)藥霧滴霧化行為的3 個重要環(huán)節(jié)——霧化、沉積和飄失尚缺乏系統(tǒng)的綜述。

本文以霧滴沉積過程中的霧化機制、沉積特征以及飄失規(guī)律為主線，概述國內外農(nóng)藥霧滴霧化、沉積與飄失的研究進展，旨在為農(nóng)藥精準施用和智能植保產(chǎn)品開發(fā)提供參考。

1 農(nóng)藥霧滴霧化

農(nóng)藥霧滴霧化是將液流在力學作用下形成的霧滴分散到大氣中，使之形成霧云狀分散體系的過程，其實質是藥液在外力作用下克服表面張力的結果[24]。農(nóng)藥霧滴霧化方式有液力式霧化、離心式霧化、氣力式霧化、撞擊式霧化、超聲霧化和熱力式霧化等。由于目前植保機械中所采用的霧化方式主要是液力式霧化霧化和離心式霧化[25]，故筆者主要針對這兩種霧化方式的霧滴霧化理論和液膜破碎機理進行敘述。

1.1 液力式霧化

液力式霧化是給噴霧藥液流體施以壓力，通過霧化關鍵工作部件噴出形成霧滴，霧滴獲得足夠的速率與能量，并通過與空氣的力學作用而迅速不斷地分散與擴散[26]。藥液剛從噴頭噴出時并不能直接產(chǎn)生霧滴，而是先形成薄膜狀 (第1 階段)，進一步與空氣發(fā)生力學作用形成液絲 (第2 階段)，液絲再進一步與空氣發(fā)生力學作用，通過分散擴散，最終成為不穩(wěn)定的、大小不均的霧滴 (第3 階段) (圖2)。Negeed 等[27]根據(jù)噴霧液膜和液絲的曲張狀態(tài)，總結了噴霧壓力與標準扇形霧噴頭液膜破碎的機理和特性，并確定了噴霧藥液的雷諾數(shù) (Reynolds number) 、韋伯數(shù)(Weber number) 和噴霧孔徑等噴霧參數(shù)與液膜破碎特性之間的函數(shù)關系。筆者通過總結本單位過去幾十年的理論研究與實踐，將噴霧液膜的破碎方式分為3 種，即波浪式破裂、穿孔破裂和周緣破裂。

圖2 液膜破碎形成噴霧霧滴的原理圖[27]Fig. 2 Schematic of a plane liquid sheet breakup leading to spray formation[27]

1954 年，Dombrowski 等[28]最先對標準扇形霧噴頭的液膜破碎霧化機理進行了研究，認為霧化是藥液自身的慣性力與其表面張力的平衡過程，即霧化時，噴頭噴出的藥液首先形成膜狀，但極其不穩(wěn)定，這種不穩(wěn)定性在空氣的擾動下會進一步加劇，并在液膜的整個表面形成波紋，隨著液膜長度的延伸，波紋的振幅隨之增大，當液膜的波紋振幅超過其臨界值時則會發(fā)生破裂，產(chǎn)生液絲，并最終由液絲繼續(xù)分裂為細小的不同粒徑的霧滴。在霧化這一過程中，空氣擾動起決定性作用，即擾動氣流是造成液膜破裂主要因素[29]。而空氣擾動主要為波動擾動 (正弦) 和膨脹擾動兩種類型。

隨后，在Matsuuichi 等[30]的研究也指出，波紋在次諧波的干擾下極不穩(wěn)定，在液膜初始階段波能量均勻地分布在一個狹窄的區(qū)域中，而在液膜的終止階段，液流膜迅速破裂為霧滴，并將這種“不穩(wěn)定性”歸為導致噴霧扇面最終破裂的原因。

液膜的波動與其最后形成液絲的尺度有密切關系，對此研究人員建立了液膜破碎時其長度和厚度與液絲尺寸的關系，液膜霧化形成的霧滴的初速度與液膜破碎時的速度有關，并根據(jù)霧滴形成時的能量變化計算得出只適用于粒徑較大的霧滴液膜與霧滴的能量守恒。宋堅利[31]使用最小二乘法，將霧滴粒徑和霧滴速度擬合得到了關系曲線，并由該曲線計算出了液膜的破碎速度。謝晨等[32]利用霧滴粒徑分析儀 對標準扇形霧噴頭 (ST)和射流防飄噴頭(IDK) 的霧化特點做了詳細分析，在霧化過程中，噴霧扇面受空氣影響而使液膜產(chǎn)生規(guī)律性的波狀震動，隨著震動過程中液膜的厚度逐漸變薄，震動的幅度逐漸增大，最終引起液膜破裂并產(chǎn)生液絲而霧化為細小霧滴；結果表明，標準扇形霧ST 噴頭具有較大的液膜區(qū)域，且液膜區(qū)域內含有波紋結構，液膜破裂區(qū)內破裂孔洞形成不規(guī)則的撕裂狀；而防飄IDK 噴頭的液膜區(qū)域較ST 噴頭明顯減小。張文君等[33]在此基礎上，應用粒子圖像分析系統(tǒng)研究了噴霧藥液性質對這兩類噴頭的霧化區(qū)域與霧滴譜的影響，發(fā)現(xiàn)了助劑可以引起兩類噴頭液膜區(qū)域及破碎區(qū)域結構變化，而這種變化主要是由于助劑改變了噴霧藥液的表面張力造成的。

Sirignano 和Mehring[34]把液膜破碎狀態(tài)劃分為4 個分區(qū)：第1 個分區(qū)為毛細機理區(qū)域，該區(qū)域中噴霧藥液受周圍氣體影響較小，霧滴主要是由軸向變形的液膜產(chǎn)生，所以其產(chǎn)生霧滴云的半徑等于液膜扇面；第2 個分區(qū)為第1 風導區(qū)，在該區(qū)域中周圍氣體對噴霧藥液有一定的影響，霧滴主要是由液膜的非軸向運動產(chǎn)生，其霧滴云的半徑也等于噴霧扇面的半徑；第3 個分區(qū)是第2 風導區(qū)，在該區(qū)域中周圍氣體對液體的影響明顯高于前兩個分區(qū)，在周圍氣體的作用下產(chǎn)生霧滴的粒徑更??；在第4 個分區(qū)中，雷諾數(shù)和韋伯數(shù)最大，被稱為霧化區(qū)，其產(chǎn)生的霧滴粒徑也最?。煌瑫r指出，液膜的長度隨著噴霧藥液韋伯數(shù)和無量綱數(shù)Ohnesorge 的增大而減短，而霧化區(qū)處在噴口處液膜破碎發(fā)生的區(qū)域。Tharakan 等[35]對剪切液膜非線性破碎進行了分析，發(fā)現(xiàn)韋伯數(shù)可以影響液膜破碎時液絲的形態(tài)和大小。當韋伯數(shù)較大時，反對稱波會自發(fā)加強，形成較細的液絲；而當韋伯數(shù)較小時，噴霧產(chǎn)生的波為對稱波，此時產(chǎn)生液絲的尺寸相對較大。Shinjo 和Umemura[36]通過數(shù)值模擬方法研究了噴油嘴的霧化機理，發(fā)現(xiàn)液體噴射撞擊靜止氣體，液體噴射前部變成傘狀形狀，霧化從傘尖邊緣開始首先發(fā)生斷裂，與附近的氣體運動密切相關；并且液膜主要以短波紋模式振動破碎 (圖3a)，有時也會出現(xiàn)長波紋模式振動破碎 (圖3b)，但其本質是一種拉伸形式的短波紋。

圖3 霧滴形成方式[36]Fig. 3 Droplet breakup method[36]

此外，研究人員針對噴霧藥液表面張力、黏度等性質對霧化效果的影響進行了大量研究。Butler Ellis 等[37]研究了表面張力對農(nóng)業(yè)液力式噴頭霧化機理的影響，發(fā)現(xiàn)與純水相比，一些表面活性劑可以引起噴霧扇面外形的改變，霧滴的粒徑也有所減小。Thompson 等[38]對噴霧藥液黏度對標準扇形霧噴頭和圓錐霧噴頭噴霧扇面的流體力學和穩(wěn)定性的影響進行了研究，發(fā)現(xiàn)隨著噴嘴流量的增加，彈性流體液膜變大，最終變得不穩(wěn)定，霧化成液滴；同時發(fā)現(xiàn)對于標準扇形噴頭，液膜流體的不穩(wěn)定首先出現(xiàn)在液膜邊緣，噴霧藥液黏度的增加雖穩(wěn)固液膜的邊緣，但加劇了液膜內部的不穩(wěn)定性。王士林等[39]也分析了噴霧藥液黏度對標準扇形噴頭霧化形態(tài)的影響，發(fā)現(xiàn)隨著噴霧藥液黏度的增加，液膜的長度增加，霧滴的粒徑增大，而扇面的噴霧角度降低。

1.2 離心式霧化

與液力式霧化效果相比，離心式霧化噴頭霧化產(chǎn)生的霧滴粒徑更小且均勻，是低容量噴霧、超低容量噴霧和靜電噴霧法常采用的霧化方式。離心式霧化噴頭從形狀及結構上主要分為轉盤式、轉杯式、轉刷式和轉籠式等，其中以轉盤式應用最為廣泛[40]。

轉盤式離心噴頭經(jīng)過多年的發(fā)展，在結構設計上進行了多方面的改進。最初設計離心噴頭的轉盤邊緣并不包含齒輪，因此其霧化效果一般。Bals 等[41]設計了以邊緣為齒的轉盤，使噴霧藥液在霧化過程中能夠克服更小的表面張力，從而提高了霧化效果。隨后他們又在轉盤的內表面增加了導流液體的溝槽，進一步提高了霧化均勻度。離心噴頭霧化時是利用轉盤 (或圓杯) 的高速旋轉而產(chǎn)生的離心力，轉盤內的藥液在離心力的作用下脫離噴頭轉盤的邊緣，并在周圍氣流的相對剪切和摩擦力下霧化為粒徑均勻的小霧滴。離心式霧化的方式有3 種：直接霧化為霧滴、絲狀斷裂為霧滴和膜狀分裂為霧滴。

離心噴頭產(chǎn)生霧滴的均勻性受其轉盤的轉速與噴霧藥液流體加速度的影響，霧化轉盤的轉速越高，噴霧藥液流體的加速度越小，越有利于產(chǎn)生細小的液滴。在特定的噴霧流量下，由離心噴頭霧化出的液滴可由兩種霧化方式共同產(chǎn)生，這時由離心噴頭產(chǎn)生的液滴、液絲、液帶 (膜) 等可相互轉變。Walton 和Prewett[42]就轉盤產(chǎn)生的單個霧滴的粒徑給出了近似的計算公式；Mantripragada等[43]根據(jù)轉盤處液膜的厚度建立了霧滴粒徑預測模型。隨著航空施藥技術的發(fā)展，研究人員改裝為風助式離心噴頭，即在離心噴頭的轉盤處增加了扇葉。Bals 等[44]給出了風助式離心噴頭霧化霧滴上限的計算公式。為了研究離心霧化后霧滴的運動狀態(tài)，研究人員分析了由霧化盤甩出霧滴的最大距離。一般認為，空氣阻力越大，運動距離越短，霧滴的最終甩出距離與霧滴的粒徑成正比；在一定的范圍內霧滴被甩出去的距離與霧化盤的直徑、該霧滴粒徑的乘機的平方根成正比關系。此外，李永娜[45]研究了離心噴頭的噴霧流量、轉盤轉速與霧滴粒徑之間的關系，分析了離心噴頭傾斜角度、進液口位置對離心噴頭沉積均勻性的影響。結果發(fā)現(xiàn)霧滴的粒徑與離心噴頭的轉速成反比，與噴霧流量成正比；傾角為10°～30° 時有利于提高霧滴的沉積范圍，而進液口的位置會影響沉積分布均勻性和霧滴粒徑。

通過對農(nóng)藥霧滴微觀液膜的形態(tài)來確定農(nóng)藥霧滴霧化的參數(shù)，分析液膜霧化成霧滴過程影響因素，如液膜的形態(tài)和尺寸影響最終霧化后的霧滴大小和速度。將藥液的理化性質和霧滴在葉片上的潤濕、鋪展、彈跳等規(guī)律結合起來，并選擇合適的霧滴大小以提高農(nóng)藥霧滴的沉積量與覆蓋率，細化噴霧作業(yè)，有利于提高農(nóng)藥利用率。

2 霧滴沉積

經(jīng)噴頭霧化后的霧滴在多種作用力下在空中運動，除沉降到靶標上發(fā)生潤濕、碰撞和鋪展外，還可能會飄失到靶標區(qū)域以外。沉降到靶標上的霧滴由于粒徑大小、沉降速度、能量和物理化學性質、靶標角度和界面性質等因素，可能會發(fā)生滾落、彈跳、破碎等行為，只有最終有效鋪展到靶標上的藥液才有可能發(fā)揮生物防治作用。

2.1 潤濕模型

當液體與固體接觸時，液體沿著固體界面進行鋪展的現(xiàn)象稱為潤濕，通常用液體與固體界面的接觸角 (contact angle,θ)來表征液體的潤濕性。關于液體在固體界面的潤濕研究可追溯到1805年，Young[46]提出的楊氏方程，僅適用于在均一、光滑的固體界面上固、液、氣3 相接觸界面之間的表面張力和接觸角之間的關系。而在自然界中，幾乎所有的固體界面都不是均一、光滑的，尤其是施藥作業(yè)的靶標界面，都存在一定程度上獨特的微觀粗糙表面形態(tài)，這極大地限制了楊氏方程的實際應用。

對此，Wenzel 等[47]將固體界面的粗糙程度考慮在內，引入了表面粗糙系數(shù)用于表征固體界面的粗糙度，并由此建立了粗糙界面的表觀接觸角和本征接觸角之間的關系。 Cassie[48]將液滴與粗糙界面的接觸歸為復合接觸，認為液體并不能充分填滿固體粗糙界面上的凹槽，在液滴下方和凹槽之間應存在截留空氣 (圖4)。Cassie在楊氏潤濕理論的基礎上建立了表觀接觸角表達式，隨后Cassie和Baxter[49]通過對自然界中大量的超疏水界面進行研究，總結了Cassie-Baxter潤濕模型 (圖5)，并從熱力學的角度出發(fā)提出了適用于所有復合表面接觸的Cassie-Baxter 方程。

圖4 Cassie 潤濕模型[48]Fig. 4 Cassie wetting model[48]

圖5 Cassie-Baxter 模型[49]Fig. 5 Cassie-Baxter Model[49]

Bormashenko 等[50]介紹了在粗糙表面上發(fā)生的潤濕狀況，對霧滴在粗糙界面上的潤濕突變進行了研究，并討論了粗糙表面潤濕轉換的物理機制，解決了濕潤過渡的時間和能量縮放問題；同時討論了Cassie 在固有的疏水和親水表面上潤濕的穩(wěn)定性問題，詳細論述Cassie 和Wenzel 潤濕狀態(tài)的障壁分離的起因和影響力；將潤濕機制總結為4 種形式：Cassieair 捕獲、Wenzel 方式、Cassie浸漬和混合方式 (圖6)。

圖6 潤濕方式[50]Fig. 6 Wetting regimes[50]

2.2 霧滴碰撞模型

霧化后的霧滴在下降過程中由于受其自身重力和慣性力等，以及外界其他因素的影響，最終會出現(xiàn)不同的沉降結果：霧滴破裂、彈跳與流失(大與特大霧滴)、霧滴沉積 (最佳噴霧粒徑)、霧滴飄失 (細與極細霧滴)，僅有一部分霧滴會沉積到葉片的正面與背面，而這些霧滴與葉片發(fā)生碰撞時同樣會出現(xiàn)不同的碰撞結果 (圖7)。

圖7 不同大小霧滴在靶標上的沉積方式[24]Fig. 7 The deposition mode of different size of droplets on the target[24]

液體撞擊固體表面的過程與流體力學、表面微觀結構、力學和和能量轉換等方面密切相關。人們對該過程的研究始于表面現(xiàn)象的觀察，Mercer等[51]對水平葉片的撞擊效果進行了觀察，最終將霧滴在葉片上狀態(tài)歸納黏附、飛濺和反彈3 種狀態(tài)。蔣勇等[52]以液滴的韋伯數(shù)為評判依據(jù)，將噴霧霧滴的碰撞分為黏附、反彈/黏附、飛濺/附壁射流3 個相互重疊的形式，并指出了噴霧藥液碰撞固體界面后的黏附、反彈、飛濺、附壁射流等物理現(xiàn)象與韋伯數(shù)的關系：當韋伯數(shù)小于一定值時，霧滴黏附到固體界面上；當韋伯數(shù)大于一定值時，有一部分液滴會產(chǎn)生飛濺，而另外一部分液滴會在固體界面上形成附壁射流；韋伯數(shù)在兩個值之間，有一部分液滴反彈，另外一部分液滴黏附在固體界面上。Bai 和Gossman 等[53]在此基礎上將霧滴的碰撞結果做了進一步的詳細劃分，將其歸納為黏附、反彈、鋪展、沸騰產(chǎn)生破碎、反彈伴隨破碎、破碎和飛濺等7 種形式 (圖8)。宋堅利等[54]通過掃描電鏡法觀察水稻葉片顯微結構，對不同生長時期的水稻葉片結構形狀做了數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，并以水稻葉片潤濕性理論為基礎，推導了霧滴臨界脫落直徑。

圖8 液滴變形過程示意圖[53]Fig. 8 Schematic diagram of droplet deformation process[53]

隨著提高農(nóng)藥利用率和減量施藥技術受到越來越多的關注，研究人員開始對沉降霧滴的最終沉積結果進行了預測與評價。Mundo 等[55]引入了一個無量綱數(shù)K，且發(fā)現(xiàn)當K滿足一定條件時霧滴會破碎發(fā)生飛濺，而K值與固體界面的粗糙度有關。Yoon 等[56]研究發(fā)現(xiàn)，固體表面越光滑，K值越大。Forster 等[57]同樣以韋伯數(shù)和雷諾數(shù)計算了K值，并與臨界值相比較，用于預測沉降霧滴的附著和破碎結果，建立了霧滴持留過程驅動模型，計算農(nóng)藥霧滴在靶標上的沉積量。該模型經(jīng)過30 年的不斷優(yōu)化及發(fā)展，基于此模型的霧滴撞擊葉片表面后發(fā)生黏附、彈跳、破碎分界線圖也被繪制出，并已被廣泛應用。謝晨[58]結合動能定律與動量公式，通過霧滴與固體界面碰撞過程中的能量變化建立了霧滴沉積的能量模型，并繪制出了分界線圖。張文君[59]在此能量平衡的基礎上，在噴霧藥液的密度、黏度、表面性質和葉片傾角一定的條件下，在玉米葉片上研究了霧滴大小與速度的碰撞行為，得到了衡量霧滴黏附-破碎曲線。王雙雙[60]也以此建立了農(nóng)藥霧滴在棉花、小麥和水稻葉片上的黏附-破碎曲線，通過建模分析計算出了在適合條件下的最佳噴霧粒徑閾值。

2.3 霧滴鋪展動力學

最終能夠有效沉積到靶標表面的霧滴會在靶標上潤濕鋪展，而霧滴在靶標上的鋪展過程受多種因素影響，如鋪展速度和最終鋪展面積都會影響植物或病蟲對農(nóng)藥的吸收效果。許多研究采用標準化的“擴展因子”來表征霧滴在靶標上的擴散鋪展狀況。研究人員通過繪制不同時間下霧滴擴散情況，并用霧滴鋪展至最大面積時的粒徑計算擴展因子。Pasandideh-Fard 等[61]通過質量和能量守恒定律建立了計算液滴在固體界面上的最大鋪展直徑和擴展因子與液滴的初始直徑、雷諾數(shù)、韋伯數(shù)、前進接觸角之間的關系模型。Zhang等[62]采用最小二乘回歸法確定了霧滴在葉片表面的鋪展動力學經(jīng)驗公式，用于計算不同鋪展時間下霧滴與作物葉片的接觸角，并用其研究了微乳劑在小麥葉面的鋪展動力學。

隨著技術的進步，研究人員通過高速攝影機對霧滴的鋪展形態(tài)和過程也做了大量的研究。Werner 等[63]借助高速攝像機對不同時間下水和麥芽糖糊精的液滴制劑在無水乳脂表面上的動態(tài)鋪展過程進行了研究；崔潔等[64]同樣使用高速攝像儀對比分析了不同沉降速度下單一霧滴在固體界面上液膜的鋪展行為，并分析了霧滴沉降后所形成的液膜邊緣特性；陸軍軍等[65]基于同樣的方法分析了不同韋伯數(shù)和角度下霧滴在干燥固體平面上的鋪展效果；郝漢等[66]通過對比使用油酸甲酯、松脂基植物油、Slvesso150 為溶劑制備的二甲戊靈乳油在牛筋草葉片上的霧滴接觸角與實踐的關系式，發(fā)現(xiàn)高溫有利于加快霧滴在植物葉片的鋪展速率，植物源溶劑油酸甲酯更適合用于作溶劑；龐宏宇等[67]研究了霧滴在石蠟和玉米葉片上的潤濕鋪展行為，發(fā)現(xiàn)噴霧藥液的平衡表面張力只適用于描述液滴的平衡態(tài)，用其來表征霧滴在靶標界面上的動態(tài)潤濕行為具有較大的局限性，使用噴霧藥液的動態(tài)表面張力能夠更準確地表征霧滴在靶標界面的潤濕及鋪展行為。

2.4 霧滴聚并機理

單純的液滴聚并指的是由兩個或多個液滴聚并為一個大液滴的現(xiàn)象 (圖9)，涉及液滴聚并的研究主要有：液滴變形、界面薄膜化與破裂等[68]。目前，液滴聚并已應用于許多工業(yè)過程和科學研究等領域，比如：石油脫水、氣泡破裂、噴墨印刷、液液萃取、乳狀液的穩(wěn)定性、涂層工藝、多相流以及微納米顆粒聚合等[69]。實際上液滴聚并是一個復雜過程，與體系界面性質、界面遷移和液滴在兩相中擴散的性能等諸多因素有關，其中表面張力和毛細力在該過程中發(fā)揮重要作用。從微觀角度分析，當兩個液滴相互靠近時，在接觸面會形成一層薄液膜，其厚度在幾個微米到幾百個微米之間，所以液滴間的液膜從破裂到兩個液滴相互融合成一個整體所需要的時間很短，幾乎瞬間便可以完成[70-71]。

圖9 霧滴聚并的幾種不同情況[72]Fig. 9 Several different cases of droplet aggregation[72]

胡學錚等[73]采用示蹤液滴法探究了液滴的聚并過程，發(fā)現(xiàn)Marangoni 效應可以誘導自發(fā)的界面變形、界面流和界面活動等，這對液滴的聚并產(chǎn)生了顯著影響。李佟茗等[74]對界面流變形對小液滴聚并過程的影響進行了研究，從理論上分析了添加表面活性劑后溶液中兩個霧滴間的聚并行為，并考慮相界面上質量傳遞對該過程的影響，得到了聚并時間與界面張力、界面黏度、表面活性劑界面擴散系數(shù)、連續(xù)相和分散相主體性質、范德華力以及液滴半徑等因素的關系，最后給出了計算液滴聚并時間的公式。液滴的物理化學性質不是控制液滴聚并的唯一因素，如在電場存在下液滴的聚并主要取決于表面張力，電場強度以及替代電流的頻率。Raisin 等[75]報道，界面張力和初始間距對兩個液滴的聚并具有重大影響。Ristenpart 等[76]證明，當液滴的表面電荷超過閾值時，不會發(fā)生帶相反電荷液滴的聚并。此外，Hamlin 等[77]報道了在帶相反電荷的液滴之間發(fā)生部分聚并的臨界電導率。此后，Aryafar 和Kavehpour[78]進行了系統(tǒng)研究，證明了部分聚并需要一個臨界電場。除了帶電液滴之間的聚并，研究人員還觀察到帶電乳液液滴周期性的非聚并、熔融和分裂狀態(tài)。發(fā)現(xiàn)表面張力和電力之間的相互作用在帶電液滴之間起著關鍵作用[79]。

聚并現(xiàn)象也常常發(fā)生在農(nóng)藥噴施過程中。顧中言等[80]通過測定不同殺蟲劑對水稻、小麥和甘藍葉片的潤濕展布，結果表明當將相互靠近的水滴點滴在葉片表面時，由于水滴具有大的表面張力，使得水滴間的吸引力比較大，促使其相互吸引，最終聚并成大水滴；從噴霧器中噴出的小霧滴能夠附著在水稻葉面上，但當噴出的霧滴的表面張力大于水稻葉片的臨界表面張力，且霧滴內的表面活性劑濃度沒有達到臨界膠束濃度時，小霧滴就會發(fā)生聚并。由于水稻葉片具有較大的傾斜角度，甚至有的葉片幾乎豎直，當發(fā)生聚并的水滴重力超出水滴與水稻葉片之間的吸附力后，水滴就會在葉片上發(fā)生滾動，發(fā)生滾動的水滴又吸引葉面上的其他水滴，越滾越大，最終從葉面滾落，發(fā)生流失。

通過研究農(nóng)藥霧滴撞擊靶標表面的微觀行為，分析霧滴表面張力、黏度、撞擊速度、溫濕度等影響因子，以及農(nóng)藥霧滴在靶標葉片彈跳、鋪展、黏附等行為，可為確定適合的防治策略提供基礎理論，以增加霧滴在靶標的沉積，提高農(nóng)藥使用效率。

3 農(nóng)藥霧滴飄失及防飄方法

農(nóng)藥霧滴飄失 (包括飄移與蒸發(fā)) 受藥液特性、氣象條件、施藥器械以及操作水平等多種因素影響。霧滴霧化至靶標沉積的過程中存在大量飄失[81-84]，如圖10 所示。

圖10 自然風速下霧滴飄失Fig. 10 Droplet drift at natural wind speed

農(nóng)藥飄移與飄失是指藥液噴施過程中至施藥后一定時間范圍內，不同大小的農(nóng)藥霧滴在其他外力作用 (如自然風) 下，從靶標區(qū)域遷移到非靶標區(qū)域的一種物理運動。霧滴飄失伴隨霧滴霧化一直發(fā)生，包括但不限于霧滴蒸發(fā)引起的飄失、自然風引起的順風和側風飄失等，其中蒸發(fā)是由分散體系的液體揮發(fā)造成，自然風極易造成不同大小的細霧滴隨氣流脅迫運動而脫離靶標區(qū)域[85]。

3.1 農(nóng)藥霧滴飄失的影響因素

早期農(nóng)藥施用的器械和方式較為簡單，只要求全面覆蓋即可，致使農(nóng)藥利用率低和農(nóng)藥霧滴嚴重飄失的情況發(fā)生[86]。最初對于農(nóng)藥霧滴飄失問題關注更多的是農(nóng)藥對非靶標區(qū)域后茬敏感作物的影響，隨著2,4-D 蒸發(fā)飄失問題的出現(xiàn)，殺蟲劑的蒸發(fā)飄失以及其對雨水和地下水的污染問題備受關注[87]。近年來，有關農(nóng)藥在噴施過程中的地面和空中飄失已成為熱點研究[88]。

農(nóng)藥霧滴在空氣中隨風運動，而自然環(huán)境復雜多變，由于霧滴是微米級，非常細小，很難用常規(guī)觀測手段進行監(jiān)測，同時影響飄失的各種因素相互耦合，導致控制飄失問題復雜且難度大[89]。因此正確認識影響飄失的各因素對減少飄失具有積極意義，如針對飄失規(guī)律研究提出的建立施藥緩沖區(qū)、在施藥機具上安裝擋風板以及其他減飄措施[90]。

農(nóng)藥霧滴飄失風險與霧滴粒徑大小密切相關，同時霧滴的運動軌跡、沉降速度都會影響霧滴飄失[91]。茹煜等[92]發(fā)現(xiàn)，當霧滴粒徑為60 μm時，霧滴在風洞中隨氣流方向飄移的距離最大為30.25 m，當霧滴粒徑為150 μm 時，飄移最大距離為10.76 m，飄移量減少了將近1/3；說明在氣流作用下，霧滴粒徑越小動能越大，隨氣流沿下風方向運動越容易產(chǎn)生飄移。Hewitt[93]總結已有研究，得出農(nóng)藥噴霧中的霧滴粒徑分布是決定霧滴輸運和噴霧分布最重要的參數(shù)之一，霧滴粒徑影響霧滴飄移，同時會影響農(nóng)藥的霧滴沉積率和毒力。

環(huán)境是影響霧滴飄失非常重要的因素，在空氣阻力的作用下，質量小霧滴因向下的動量不足而難以到達靶標，且小霧滴更易受到溫度和相對濕度的影響，在空中懸浮的時間越長，越容易隨風飄移[94]。通常直徑小于100 μm 的霧滴最易發(fā)生飄移[95-96]。Wolf[97]試驗發(fā)現(xiàn)，直徑100 μm 的霧滴在25 ℃、相對濕度為30%的情況下，移動75 cm 后霧滴直徑會減少50%。趙輝等[98]研究表明，風向不穩(wěn)定、風速過大及溫度過高等，均不利于霧滴沉積，容易產(chǎn)生飄失。

添加農(nóng)藥助劑、使用專用防飄噴頭和防飄裝置可以改變霧滴的理化性質或運動軌跡，從而影響霧滴的飄失。Ellis 等[99]研究了噴頭霧化性能受農(nóng)藥助劑及劑型影響，發(fā)現(xiàn)霧滴粒徑和液膜厚度在助劑作用下會發(fā)生顯著變化。Wise 等[100]研究表明，添加噴霧劑型、使用防飄噴頭可減少霧滴飄失33%～60%。張京等[101]在噴桿上安裝擋板，改變了噴頭周圍的流場，降低了霧滴飄移，提高了霧滴沉積量，在靶標作物中、下冠層的沉積量分別增加119.2%和112.3%，總沉積量增加20.3%。

此外，建立施藥隔離帶也能有效減少農(nóng)藥在非靶標區(qū)域飄失，如Snoo 等[102]的飄移試驗表明，設置施藥緩沖區(qū)可有效減少霧滴飄移，3 m 的施藥緩沖區(qū)減少95%的飄移沉積量，6 m 的緩沖區(qū)則完全檢測不到飄移沉積量。

農(nóng)藥霧滴飄失受霧滴粒徑、藥液特性、氣象條件及施藥技術等影響，因此研究霧滴的運動及飄失規(guī)律，對減少霧滴飄移、改善霧滴沉積、提高農(nóng)藥利用率具有積極意義。

3.2 農(nóng)藥霧滴防飄方法

國內外學者通過對農(nóng)藥霧滴影響因素的研究，建立了飄移預測、檢測手段和防飄技術，并開發(fā)了多系列的防飄產(chǎn)品。如利用風場進行霧滴有效的邊界控制、靜電吸附增加細霧滴的沉積、循環(huán)噴霧有效控制霧滴的運動范圍，以及防飄噴頭、變量噴頭等相關產(chǎn)品，當前應用較多的技術或產(chǎn)品如下。

3.2.1 防飄噴頭 噴頭是影響農(nóng)藥霧滴在靶標作物上沉積與飄失最為關鍵的部件，是影響農(nóng)藥飄失最直接的產(chǎn)品。20 世紀，德國Lechler 等公司為了應對農(nóng)藥飄失問題，率先設計并制造了氣吸式防飄噴頭，隨后美國Spray、英國Lurmark 等公司也開發(fā)出各自的防飄噴頭，霧滴覆蓋均勻并且飄失量低，在3～4 級風下防飄效果可達到95%以上，5 級風下防飄效果仍可達到70%以上。目前普遍應用的防飄噴頭主要是將空氣和水在內部乳化混合并霧化成霧滴，噴頭噴射出帶有氣泡的大霧滴，降低了易飄失的小霧滴的數(shù)量，從而達到減少霧滴飄失的目的。王雙雙等[103]使用PDIA(Particle/Droplet Image Analysis) 測試了扇形噴頭噴霧扇面霧滴譜及霧滴的運動速度分布，結果表明，在距離噴頭300～500 mm的噴霧扇面中心易發(fā)生飄移，噴霧扇面末端、兩側、迎流面外層是最易飄移區(qū)域。Dorr 等[104]通過比較氣吸式噴頭與普通液力式噴頭霧化后最基本的特征 (霧滴大小、霧滴速度、霧化扇面角以及霧滴密度等)，發(fā)現(xiàn)液力式噴頭產(chǎn)生的霧滴小、速度大、霧滴密度大；而氣吸式噴頭產(chǎn)生的霧滴大、速度小、霧滴密度小。美國Hoffmann 等[105]利用5 種噴頭產(chǎn)生的不同尺寸的霧滴，比較了粒徑大小對霧滴沉積及飄失的影響，結果發(fā)現(xiàn)大霧滴飄失量少。張慧春等[106]在不同壓力、風速及噴頭與激光粒度儀不同距離情況下，利用風洞和Sympatec 激光粒度儀測試了多種扇形噴頭的霧滴譜尺寸，發(fā)現(xiàn)相同壓力下氣吸型噴頭產(chǎn)生的霧滴粒徑最大。

3.2.2 靜電防飄噴霧 靜電噴霧技術是在噴頭與靶標作物之間建立一個高壓靜電場，在靜電場運動過程中充電，形成帶電霧滴，然后在靜電場力和其他外力的聯(lián)合作用下，帶電荷的霧滴作定向運動，最后被靶標作物吸附而沉積[107]。與傳統(tǒng)的噴霧設備相比，靜電噴霧技術可以提高藥液在作物冠層的沉積以及葉片背面的附著能力，使農(nóng)藥霧滴沉積率提高的同時減少霧滴飄失。Zhang等[108]研究錐形靜電噴嘴的液滴飄移模式，結果表明風速及其與靜電電壓的相互作用對液滴飄移顯著影響，結果表明，當風速為小于3 m/s 的固定值時，液滴對作物的吸附性對液滴飄移的影響占主導地位；隨著靜電電壓的增加，液滴飄移減少；當風速為大于 3 m/s 的固定值時，液滴粒徑減小對液滴飄移的影響占主導地位，其中液滴飄移隨著靜電電壓的增加而增加。楊洲等[109]研究了不同側風風速和靜電電壓條件對靜電霧滴飄移的影響規(guī)律，測定了不同靜電電壓下的霧滴粒徑與荷質比，結果表明，霧滴粒徑隨靜電電壓的增大而減小，霧滴荷質比隨靜電電壓的增大而增大，霧滴飄移中心的距離和飄移率隨風速和電壓的增加而增大。

3.2.3 氣流輔助式防飄噴霧 氣流輔助式防飄噴霧技術是利用風機產(chǎn)生的氣流形成壓力差，使得霧滴在負壓區(qū)域被脅迫運動，從而減少飄失，同時增加霧滴穿透性和均勻性。目前主要包括風送式噴霧和風幕式噴霧。May 等和Nordbo 等[110-111]的研究結果表明：氣流的輔助作用能增加藥液在植物葉片背面和目標物上的沉降效率，改善小霧滴的霧滴譜，并且可以提高機具在低量噴施的穩(wěn)定性。Tsay 等[112]通過使用數(shù)值模擬和響應面方法來評估在無冠層條件下各種操作參數(shù)的空氣輔助噴霧系統(tǒng)，以優(yōu)化最佳操作參數(shù)和評估噴霧飄移特性；結果表明空氣輔助噴霧器在速度為20～30 m/s 的空氣射流在減少順風噴霧的噴霧飄移方面顯著，相對飄移指數(shù)范圍為 -50%至 -80%。祁力鈞等[113]基于數(shù)值模擬建立了果園風送式噴霧機霧滴沉積分布模型，結果表明霧滴飄移量、沉積量和蒸發(fā)量，都隨與風扇中心距離的增加而增大。劉雪美等[114]在風筒內部加裝的新型柵格狀導流器改變了風筒內的流場，減小了因渦流引起的能量損耗，霧滴飄移量與無風幕噴霧相比減少45%以上。賈衛(wèi)東等[115]運用PIV 和Winner 318型激光粒徑分析儀測試了風幕式噴桿噴霧氣液兩相的流場，發(fā)現(xiàn)風幕出風口、噴頭的相對位置以及出風口的風速，可顯著影響風幕式噴桿霧滴粒徑與霧滴運動的速度。劉青等[116]在風筒中加裝對稱翼形的導流器，改善了風送式超低量噴霧機霧滴分布的均勻性、增加了霧滴密度，使噴幅提高了22%～46%。彭軍等[117]發(fā)現(xiàn)，在風筒中安裝起渦器葉片能夠改善霧化效果，減少細小霧滴的飄移。

3.2.4 噴霧助劑 噴霧助劑是在噴霧時添加用于改進藥液物理性能的功能性物質。在噴霧過程中其能有效減少霧滴的飄移和蒸發(fā)，增加霧滴的有效沉積，改善藥液的表面張力和接觸角，還有溶解植物表面蠟質層、增加霧滴黏著性和滯留量、保濕等作用，在施藥過程中合理使用助劑有助于減少農(nóng)藥霧滴的飄失，達到提高農(nóng)藥利用率、最大限度提高藥效的目的，對農(nóng)藥減施增效具有顯著作用。Godinho 等[118]利用氣吸型噴嘴與助劑相結合，可減少2,4-D 飄失。Fornasiero 等[119]發(fā)現(xiàn)，相比于常規(guī)噴嘴，添加防飄移助劑可以顯著減少霧滴飄移且不降低防治效果。蘭玉彬等[120-121]對比了6 種不同助劑，結果表明添加助劑有助于減少霧滴飄移，添加倍達通助劑減飄效果更好。高賽超等[122]發(fā)現(xiàn)，使用農(nóng)藥的乳油制劑比懸浮劑更容易引發(fā)飄失，而添加助劑可減少霧滴的飄移。陳曉等[123]研究發(fā)現(xiàn)，添加ND-800 飛防助劑可有效提高農(nóng)藥霧滴在棉花葉片背面的沉積密度。

4 結語

農(nóng)藥霧滴霧化、沉積與飄失直接影響病蟲草害的防治效果，而在施藥過程中產(chǎn)生的飄移、蒸發(fā)與流失會嚴重破壞生態(tài)環(huán)境。筆者綜合分析了農(nóng)藥霧滴霧化、沉積和飄失3 個過程的機理和影響因素，并對其研究進展進行了綜述，重點分析了液力式與離心式霧化沉積過程中潤濕、鋪展、碰撞和聚并理論。目前化學農(nóng)藥仍是保護糧經(jīng)作物安全生產(chǎn)、解決全球糧食安全的重要保障，但同時要保護人類息息相關的生態(tài)環(huán)境與農(nóng)產(chǎn)品的安全生產(chǎn)，兼顧兩者需要對農(nóng)藥霧滴霧化沉積與飄失機理進行深入研究，在動態(tài)變化中尋找平衡，持續(xù)研發(fā)適于農(nóng)藥精準施用的新技術與新裝備，并將其應用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實際。然而目前還存在諸多不利因素，如施藥技術的基礎理論研究薄弱、周期長、難度大、投資大等，從基礎理論到推廣應用涉及學科多、應用面廣、學科交叉多等諸多問題。農(nóng)藥霧滴霧化沉積飄失理論與實踐是高效施藥技術與新型植保裝備研發(fā)的基礎，正因為如此，農(nóng)藥霧滴霧化沉積飄失的理論顯得尤為重要。筆者介紹農(nóng)藥霧滴霧化沉積飄失研究進展，以期為我國高效施藥技術與新型植保機械研發(fā)、農(nóng)藥精準科學使用、糧食安全生產(chǎn)提供思路與方法，為化學植保實踐應用提供借鑒。

謹以此文慶賀中國農(nóng)業(yè)大學農(nóng)藥學學科成立70 周年。

Dedicated to the 70th Anniversary of Pesticide Science in China Agricultural University.

作者簡介：

王瀟楠，女，2017 年7 月畢業(yè)于中國農(nóng)業(yè)大學農(nóng)藥學專業(yè)，獲理學博士學位；2017 年9 月就職于廣東省農(nóng)業(yè)科學院植物保護研究所，主要從事農(nóng)藥霧滴飄失與農(nóng)藥減量增效施藥技術研究。

齊鵬，男，博士研究生。2020 年在中國農(nóng)業(yè)大學農(nóng)藥學專業(yè)攻讀博士學位，主要從事精準施藥技術研究與智能植保機械開發(fā)。

何雄奎，男，教授，博士生導師。2000 年于聯(lián)邦德國霍恩海姆大學獲博士學位。主要研究智慧農(nóng)業(yè)技術與農(nóng)業(yè)無人裝備系統(tǒng)、智能植保裝備與技術、農(nóng)藥施藥技術基礎理論、農(nóng)藥霧滴霧化沉積飄失規(guī)律、精準變量施藥與減量施藥技術等。 先后主持30 多項國家級研究項目與課題。以第一完成人獲省部級一等獎2 項，獲省部級二等獎4 項，獲省部級三等獎3 項，2005 年獲北京市教育創(chuàng)新標兵，享受國務院政府特殊津貼。作為主持人及第一完成人成功開發(fā)了20 多項新產(chǎn)品，獲國家發(fā)明專利56 項；主持制定國際ISO 標準2 項，國家與團體地方標準27 項；發(fā)表學術研究論文150 余篇 (其中SCI、EI 收錄85 篇)，出版專著12 部?，F(xiàn)任中國農(nóng)業(yè)大學農(nóng)業(yè)無人機系統(tǒng)研究院院長、中國農(nóng)業(yè)大學藥械與施藥技術研究中心主任，兼任國際標準委員會ISO/TC 23/SC 6 委員、中國國家標準化技術委員會SAC 6 委員，國家農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)體系機械化研究室主任、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)藥減量、農(nóng)機創(chuàng)新專家組專家。兼任Frontiers、IJABE等期刊專題主編，及《農(nóng)業(yè)工程學報》《智慧農(nóng)業(yè)》《農(nóng)業(yè)工程信息技術》《農(nóng)藥學學報》和《植物保護學報》等期刊編委。