我国农药静电喷雾技术的研究及应用进展

王生北 宋悦 王志江 谢永辉 杨振杰 张毅杰

摘要：农药静电喷雾技术可以提高雾滴的有效沉积，减少农药飘失造成的生态环境隐患，是改善我国植保施药机械相对落后现状的重要突破口。首先，介绍静电喷雾技术不同荷电方式下的工作原理及应用特点，概述静电喷雾技术的发展历程，从静电喷头的研制、雾滴的荷电效果、静电雾滴的空间运动与沉积分布、静电喷雾装备的研制等4个方面详细论述我国静电喷雾技术的发展现状。其次，指出当前我国在静电喷雾领域尚缺乏对静电雾滴飘移特性与减飘方法的深入研究，建议针对不同作物开展专用静电喷雾设备的研发，并通过喷雾模型的相关理论研究，为植保施药喷雾作业提供技术装备与理论支撑，以期提高我国的植保施药技术水平。最后，针对云南省特色烟草种植的静电雾滴沉积分布及飘移特性的研究进展进行概述，并展望静电喷雾技术在云南省特殊山地条件下烟草植保的应用前景。

关键词：静电喷雾技术;植保机具;雾滴沉积;雾滴飘移;云南烟草

中图分类号：S491   文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2021）22-0037-06

收稿日期：2021-03-10

基金项目：云南省教育厅科学研究项目（编号：2019J177）;云南省教育厅研究生类项目（编号：2020Y201）;云南省烟草公司科技计划（编号：2018530000241010）。

作者简介：王生北（1996—），男，山西临汾人，硕士研究生，主要从事农业静电喷雾技术及其应用研究。E-mail：211565735@qq.com。

通信作者：张毅杰，硕士，副教授，主要从事农产品加工机械及植保机械研究。E-mail：562525920@qq.com。

农药被广泛应用于现代农业生产，在我国粮食增产稳产工作中发挥了重要作用，但是近年来，大量使用农药造成的环境与健康风险已引起公众广泛关注[1-2]。我国农药的产量与销量多年位居世界第一，但由于植保机具与施药技术相对落后，我国农药有效利用率只有20%～40%，由此造成了农药残留超标、农田环境污染、人员安全受到威胁等一系列问题[3-5]。我国现今保有的施药器械种类单一、施药功效低，已经无法满足农业绿色发展需求[5]。与传统喷雾设备相比，静电喷雾技术的施药装备具有雾滴粒径小、附着性和穿透性强，可以形成“静电环绕”效应的优势，因此该技术被视为解决我国植保施药诸多问题的一种有效方法，成为广大学者关注的热点课题[6-7]。本研究对静电喷雾技术的基本原理、发展概况进行阐述，指出现阶段我国农药静电喷雾技术研究中存在的部分问题，并论述静电喷雾技术在云南省烟草施药应用中的研究现状及前景。

1 静电喷雾技术的基本原理

静电喷雾技术是通过高压静电装置将农药雾滴充上电荷，并在喷头与靶标作物之间建立静电场，农药雾滴在静电力及其他外力的共同作用下做定向运动，快速沉降在作物表面[8-10]。雾滴在静电力的作用下不但提高了靶标正面的沉积效果，且部分飘移的雾滴也会重新吸附于靶标作物，形成“静电环绕”效应，从而进一步减少农药的飘失，其效果见图1[10]。

农业工程领域常用的霧滴荷电方式有3种：电晕充电法、接触充电法、感应充电法[11]。电晕充电法是由高压针式电极将一定范围内的空气电离成带电粒子，药液雾化后与带电粒子碰撞形成荷电雾滴。接触充电法是将高压充电系统的电极直接与药液接触使其带电，药液经喷头雾化形成荷电雾滴。感应充电法是在雾化喷头外加装感应电极，使喷头与电极之间形成静电场，农药雾滴经喷头雾化后感应带电。不同充电原理所需的充电电压不同，应用范围及特点也不同。3种充电方式的特性见表1[8，12]。

2 静电喷雾技术发展概况

Barton等最早提出使用静电技术来改善农药施用效果的理念，他们尝试将农药粉剂荷电以增强其在植物表面的附着力[13]。Law设计出一种采用嵌入式电极的气力式静电感应喷头，该喷头可使雾滴荷质比达到4.8 mC/kg，使感应充电发展为一种实用的雾滴荷电方式[14-15]。航空静电喷雾技术的研究最早由美国农业部于20世纪60年代发起，但直到Inculet等解决了机身电荷集聚与电晕放电的问题，航空静电喷雾技术才获得了巨大的突破[16-17]，之后Carlton等研发的旋转式静电喷雾系统及相关专利更是直接推动了航空静电喷雾技术的商业化进展[18-19]。

进入21世纪以来，静电喷雾技术已获得众多国家学者的青睐，但研究的焦点依然集中于技术改进与应用领域的拓展[20]。印度学者Patel等发现，相较于铜、铝、钢等常用材料，选用镍作为感应电极材料会获得更好的荷电效果[21]。Pascuzzi等通过评估美国ESS公司（Electrostatic Spraying System Inc）生产的悬挂式静电喷雾机在意大利葡萄种植园的作业效果，发现静电系统可以提高雾滴在叶面整体的沉积量，但对冠层上部沉积效果的改善仍不够明显，且喷雾设备的行进速度在1.11～1.67 m/s范围内变化时，不会对喷雾效果产生显著影响[22]。西班牙学者Salcedo等在试验中设置了与前者相似的速度范围，但静电喷雾机的前进速度却对试验结果产生显著影响，他们将2次试验的差异归因于两地葡萄栽培模式的不同[23]。日本学者以自主研发的圆锥雾静电喷头为基础，设计出应用于大田作业的喷杆式喷雾机与温室喷雾机器人，前者可以在保证防治效果的前提下减药30%，后者则可以在改善沉积效果的同时提高工作效率[24]。

我国从20世纪70年代才开始进行静电喷雾技术的相关研究，但近年来在静电喷头的设计、雾滴荷电效果、荷电雾滴空间运动规律等方面都取得了一定的研究进展，研发出多款静电喷雾设备样机[10]。

3 我国静电喷雾技术研究现状

3.1 静电喷头

静电喷头是静电喷雾系统的关键部件，其性能的品质会对农药防治效果产生重要影响[12，25]。由于现阶段静电喷雾系统普遍采用感应充电的方式，因此针对感应充电静电喷头的试验研究最广泛。目前国内静电喷头的研制方式有2种，一是对常规喷头进行改进;二是根据需求进行全新研发。贾卫东等通过给普通扇形喷头加装双平板感应荷电装置，改进出一种用于风幕静电喷杆喷雾系统的扇形静电喷头，该喷头使得横向雾滴粒径分布变异系数比非荷电条件下降低37.46%，雾滴的平均体积中径由非荷电下的108.48 μm减小为83.67 μm[26]。原农业部南京农业机械化研究所在2014年研制出采用仿形电极的圆锥雾喷头，该喷头在最佳喷雾压力与充电电压下的荷质比为0.79 mC/kg，但雾滴粒径却比非荷电条件下略大[27]。夏伟等研发出新型果园风送静电喷头，该型喷头采用铜制锥形电极，并增加环氧树脂材质的电极帽，以提高雾滴荷电效果;其雾滴荷质比在最佳工况下为1.167 mC/kg[28]。

3.2 雾滴荷电效果

雾滴的荷电程度是影响喷雾效果的重要因素之一，而衡量雾滴荷电效果的一项重要指标是荷质比[29]。荷质比是雾滴荷电量与雾滴质量的比值，其公式如下[10，30]。

AQ=Q/m=It/m。（1）

式中：AQ表示荷质比，mC/kg;Q表示总电荷量，C;m表示雾滴群质量，kg;I表示荷电雾滴放电电流值，A;t表示相应的测量时间，s。

已有研究结果表明，雾滴的荷电效果受喷头材质、充电电压、极间距、喷雾压力等多种因素的影响。在静电喷头材质与电极材料的选用方面，周艳等在充电电压相同的情况下，对比4种不同材料制作的气力式感应型静电喷头的荷电效果，发现使用聚四氟乙烯材料可以获得最佳荷电性能[25]。兰玉彬等分析静电喷头电极材料对喷嘴雾化特性的影响，发现旋流式静电喷嘴的电极材料选用紫铜会比黄铜、不锈钢和铝获得更好的雾化效果与荷电效果[31]。崔琳等在研究雾滴感应荷电的影响因素时，发现雾滴的荷电效果与极间距呈负相关，与充电电压先是呈正相关关系，但电压值超过12 kV后电极表面产生的电晕放电现象又会降低雾滴的荷质比[32]。贾卫东等認为，雾滴荷质比随喷雾压力的增大而减小，随充电电压的增加逐渐趋于稳定，因此感应充电的电压不一定越高越好[26]。

目前测量荷电雾滴荷质比试验中最常用的方法是网状目标法和法拉第筒法[11]。2种检测方法都是利用荷电雾滴群与金属导体碰撞时释放电荷的现象，使用直流微电流表测量雾滴群的放电电流，并借助雾滴收集装置获取雾滴群的质量，从而计算出雾滴的荷质比;但由于网状目标法和法拉第筒法收集雾滴电荷的装置不同，使得2种测试方式具有各自的适用范围（表2）[30，33-36]。

3.3 静电雾滴空间运动与沉积分布规律

探究静电雾滴的空间运动规律对改善静电喷雾系统的作业参数、提高雾滴有效沉积具有重要意义，但现有理论研究结果表明，荷电雾滴的运动轨迹及沉积分布涉及到空气动力学与静电学等过程，且受到众多施药参数影响[10，37]。

贾卫东等通过提高喷雾压力与静电电压改善喷嘴雾化效果并提高雾滴的速度，增加了雾滴群的动能，并提出静电作用对雾滴动能的增加是减少飘移的原因之一[38]。但Wang等认为，雾滴荷电确实会降低粒径大小并提高其均匀性，然而在该试验中雾滴速度基本不受充电电压的影响[39]。2014年茹煜等建立风送荷电雾滴的空间三维运动模型以及在靶标表面的黏附受力模型，并对模型进行分析，发现空间静电场与空间电荷引力是提高雾滴有效沉积的主要因素，但是该模型忽略了自然风对雾滴沉降过程的影响，而采用气流辅助喷雾的原因之一就是要减少自然风造成的脱靶飘移，因此该模型仍须要进一步完善[40]。陈志刚等认为，静电雾滴的沉积效果受到荷电电压、叶片表面性质的显著影响，喷雾角度的改变不会造成沉积量的明显差异[41]。长期以来，对农业静电喷雾过程的仿真模拟都以静态模型为主，陈杰借助Fluent动网格耦合喷头运动，使用用户自定义函数及自定义标量求解喷雾过程中形成的静电场，建立扇形静电喷头运动过程中的CFD喷雾模型，该模型在充电电压较低时能与试验结果较好吻合[11]。

3.4 静电喷雾装备

国内科研单位及相关学者已研发出多种静电喷雾装备样机，除常规的喷杆式喷雾系统外，还包括果园静电喷雾装备和植保无人机静电喷雾系统等，但目前我国喷雾器市场的主体依然是各种手动喷雾器，只有加快静电喷雾装备样机的商业化进程，才能满足市场对先进植保机械的需求[5，10，26，36，42-44]。

4 我国静电喷雾技术的不足

4.1 缺乏针对静电雾滴飘移特性及减飘方法的研究

农药施用后被初次分配为3个部分，即沉积到靶标作物、沉积到地表、随风飘移（图2）。张慧春等针对常规喷雾设备施药作业中农药飘移的多种影响因素（喷头参数、环境条件和靶标植物等）开展了大量的研究工作，提出并采取一些减飘方法与措施，如辅助式减飘喷雾技术、加装挡风罩盖等，但静电条件下的雾滴飘移特性却没有得到足够重视[45-50]。虽有国内学者将辅助式减飘喷雾技术应用于静电喷雾设备的研制，然而这些设备却未开展实际减飘效果的试验，有风环境下的实际工作性能缺乏数据分析与理论依据[26，51]。杨洲等发现，侧风风速和静电电压的增加会加剧静电雾滴的飘失，静电喷雾作业应选择在无风或低风速环境下进行，因此研究静电雾滴飘移特性及减飘措施对于进一步减少农药污染，提高施药机械的技术水平具有重要意义[52-53]。

4.2 缺乏专用静电喷雾设备的设计与研究

对现有文献进行研究可知，我国缺乏针对特定靶标作物研发的专用静电喷雾设备，且大多数静电喷雾设备在研发过程中只选用少数作物验证其沉积效果，未明确设备适应的最佳靶标参数，进而严重限制了我国静电喷雾装备的商用化进程。

靶标参数是影响雾滴沉积的主要因素之一，植物叶片表面特性、叶片倾角、冠层结构以及靶标作物的高度等生理生态特性都会对雾滴的沉积效果产生影响，且作物生理生态特性与病虫害防治需求的不断变化进一步加剧了精准施药的难度[10，41，54-55]。即使是同一作物，依据不同的防治需求选用的农药种类、调配的药液浓度等也会对施药效果产生影响，而根据最佳粒径理论，雾滴粒径只有在最佳范围内才能使雾滴被靶标尽可能地捕获，从而取得最佳防治效果，已有研究成果表明，虫害防治时雾滴粒径应在10～150 μm，除草和病害防治时雾滴粒径应在150～300 μm[56-57]。若能依据靶标作物的生理生态特征与防治目标，并结合最佳粒径理论进行静电设备的研发和改进，最大程度发挥其粒径与沉积效果的优势，必将提高我国精准施药的水平，加快静电喷雾装备的商业化进度。

4.3 缺乏喷雾模型[58]的研究

近年来，欧美发达国家为有效评估农药对生态环境的影响，致力于建立并完善农药在全寿命周期内扩散的数学模型，如具有代表性的有农药生命周期清单分析模型（PestLCI）、联合国环境规划署-环境毒理学和化学学会开发的毒性评估模型（USEtox）与作物动态变化模拟模型（dynamiCROP）等[59]。其中，PestLCI模型将不同靶标作物和施药设备造成的雾滴飘移量的变化纳入影响模型准确性的因素之中，这得益于发达国家对喷雾模型成熟的研究[60]。相较之下，国内关于喷雾模型的基础研究仍较滞后，我国对于农药残留及污染的研究一般以采集样品并试验分析为主，忽略了施药器械和施药技术对农药分配比例的影响，进而限制了农药最佳功效的发挥。

农药、药械和施药技术是农药科学使用中同等重要的3个环节，药械和施药技术落后是造成我國农药有效利用率低的重要原因之一[5]。因此，除了提高农药本身的药效及研发更多先进的静电喷雾设备外，还应把作物、农药、施药器械系统结合起来，开展喷雾模型的基础性研究，制定相应的施药技术规范，为后续植保机械研发以及生态环境评估提供技术与理论依据。

5 静电喷雾技术在云南省烟草施药中的应用研究情况与展望

5.1 面向烟草靶标的静电喷雾雾滴沉积特性及飘移特性研究

云南省坡耕地面积约占据全省国土面积的13%，许多烟草种植区不具备大型机载喷雾设备作业的条件，而新兴的植保无人机价格昂贵，再加之云南省烟草以农户小规模种植为主，且烟农文化水平低、老龄化严重等问题，导致目前云南省烟草病虫害防治依旧主要采用便携式液力喷雾器，但便携式液力喷雾机具产生的雾滴粒径较大，难以沉积和附着于烟叶表面，严重违背了云南省烟草行业“减工、降本、增效”的发展目标[61-63]。为推动云南省烟草产业绿色发展，云南省烟草公司、云南省教育厅和云南农业大学开展了小型静电喷雾设备的研发推广工作，力求通过研究静电雾滴在烟草上的沉积分布规律和雾滴飘移特性，找出静电条件下的最佳施药参数及适用于小型静电喷雾设备的减飘措施。在此背景下，谢永辉等将静电喷雾技术与罩式喷雾技术相结合，设计出能够笼罩住烟草植株、质量轻巧且不易变形的隧道式喷雾罩，该型喷雾罩可与市场现有小型静电喷雾设备配套，但该装置未考虑喷雾流场跟静电场的交互作用，仍须试验优化之后才能进行商业推广[64-65]。张少杰等使用背负式静电喷雾器进行不同作业参数下的雾滴沉积效果试验，发现喷雾压力、喷雾高度、喷雾速度3种喷雾参数对烟叶正面沉积效果的改善较显著;而沉积在烟叶背面的雾滴粒径小、均匀度高，该现象表明小雾滴更容易产生“静电环绕”效应[66]。

5.2 研究展望

国家统计局数据显示，2019年云南省烟叶播种面积为40.944万hm2，烤烟产量达到81万t，占全国总产量的45%，仅烟叶税就高达53.42亿元，因而开发适应云南省丘陵山区的烟草专用施药设备具有重要的经济与实用价值[67]。

烟草山地种植须要满足大株距、宽行距的农艺要求，且烟株从移栽成活到成熟收获期群体结构变化巨大，因此烟用静电喷雾设备的研发不能忽视烟草不同时期形态结构的变化，确保烟株冠层内外都获得足够的药液沉积，同时还要考虑静电场与喷雾流场之间的交互作用，并建立施药设备结构参数、操作参数对应农药沉积分布规律的数学模型，为精确评估施药效果以及使用农药造成的负面风险提供理论依据，进而推动云南省烟草产业绿色健康发展[68-69]。

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