农药雾滴雾化沉积飘失研究进展

王潇楠, 齐 鹏, 于聪伟, 何雄奎*,

(1. 中国农业大学 药械与施药技术研究中心，北京 100193；2. 广东省农业科学院 植物保护研究所/农业农村部华南果蔬绿色防控重点实验室/广东省植物保护新技术重点实验室，广州 510640)

农药是一把“双刃剑”，一方面作为保障粮食产量最主要的防治措施，另一方面大雾滴流失、小雾滴飘失，导致非靶标生物危害与区域污染，因此开展农药雾滴雾化沉积飘失的研究显得尤为重要[1-2]。

农药雾滴雾化至发生生物效果的全过程是复杂的多学科交叉的系统工程[3-4]，其中农药雾滴雾化技术是最为基础也是农药剂量传递的关键环节[5]。农药由雾化开始至靶标发生生物效果的理化过程十分复杂，如图1 所示，喷雾机喷施过程主要分为4 个阶段：雾滴雾化、雾滴输运、雾滴沉积、吸收传导[6-8]。单就雾滴雾化至靶标沉积过程，即可发生颗粒分散、汇聚，碰撞、聚合，黏附、扩散，流失、飘失等现象，最终被靶标捕获的雾滴不足41%[9]。

图1 农药雾化沉积全程及影响因素Fig. 1 Pesticide atomization deposition process and the influence of its factors

自20 世纪60 年代以来，国际上重点开展了有关农药雾滴雾化、沉积与飘失的基础理论研究并且成效显著[10]。众多学者对农药雾滴雾化[11]、雾滴在空间的粒径分布与速度演化特征[12-13]、微观雾滴沉积行为[14]、雾滴运行趋势与靶标生物学特性和表面活性剂关系[15]、雾滴在靶标弹跳与破碎行为[16]、靶标冠层与雾滴沉积性能机理影响[17]、雾滴物理化学特性、喷雾模式、环境条件和操作条件等因素对飘移的影响[18]，以及变量施药[19]、对靶喷雾等关键施药技术[20-21]、典型植保机械研究等[22-23]方面进行了综述，但针对农药雾滴雾化行为的3 个重要环节——雾化、沉积和飘失尚缺乏系统的综述。

本文以雾滴沉积过程中的雾化机制、沉积特征以及飘失规律为主线，概述国内外农药雾滴雾化、沉积与飘失的研究进展，旨在为农药精准施用和智能植保产品开发提供参考。

1 农药雾滴雾化

农药雾滴雾化是将液流在力学作用下形成的雾滴分散到大气中，使之形成雾云状分散体系的过程，其实质是药液在外力作用下克服表面张力的结果[24]。农药雾滴雾化方式有液力式雾化、离心式雾化、气力式雾化、撞击式雾化、超声雾化和热力式雾化等。由于目前植保机械中所采用的雾化方式主要是液力式雾化雾化和离心式雾化[25]，故笔者主要针对这两种雾化方式的雾滴雾化理论和液膜破碎机理进行叙述。

1.1 液力式雾化

液力式雾化是给喷雾药液流体施以压力，通过雾化关键工作部件喷出形成雾滴，雾滴获得足够的速率与能量，并通过与空气的力学作用而迅速不断地分散与扩散[26]。药液刚从喷头喷出时并不能直接产生雾滴，而是先形成薄膜状 (第1 阶段)，进一步与空气发生力学作用形成液丝 (第2 阶段)，液丝再进一步与空气发生力学作用，通过分散扩散，最终成为不稳定的、大小不均的雾滴 (第3 阶段) (图2)。Negeed 等[27]根据喷雾液膜和液丝的曲张状态，总结了喷雾压力与标准扇形雾喷头液膜破碎的机理和特性，并确定了喷雾药液的雷诺数 (Reynolds number) 、韦伯数(Weber number) 和喷雾孔径等喷雾参数与液膜破碎特性之间的函数关系。笔者通过总结本单位过去几十年的理论研究与实践，将喷雾液膜的破碎方式分为3 种，即波浪式破裂、穿孔破裂和周缘破裂。

图2 液膜破碎形成喷雾雾滴的原理图[27]Fig. 2 Schematic of a plane liquid sheet breakup leading to spray formation[27]

1954 年，Dombrowski 等[28]最先对标准扇形雾喷头的液膜破碎雾化机理进行了研究，认为雾化是药液自身的惯性力与其表面张力的平衡过程，即雾化时，喷头喷出的药液首先形成膜状，但极其不稳定，这种不稳定性在空气的扰动下会进一步加剧，并在液膜的整个表面形成波纹，随着液膜长度的延伸，波纹的振幅随之增大，当液膜的波纹振幅超过其临界值时则会发生破裂，产生液丝，并最终由液丝继续分裂为细小的不同粒径的雾滴。在雾化这一过程中，空气扰动起决定性作用，即扰动气流是造成液膜破裂主要因素[29]。而空气扰动主要为波动扰动 (正弦) 和膨胀扰动两种类型。

随后，在Matsuuichi 等[30]的研究也指出，波纹在次谐波的干扰下极不稳定，在液膜初始阶段波能量均匀地分布在一个狭窄的区域中，而在液膜的终止阶段，液流膜迅速破裂为雾滴，并将这种“不稳定性”归为导致喷雾扇面最终破裂的原因。

液膜的波动与其最后形成液丝的尺度有密切关系，对此研究人员建立了液膜破碎时其长度和厚度与液丝尺寸的关系，液膜雾化形成的雾滴的初速度与液膜破碎时的速度有关，并根据雾滴形成时的能量变化计算得出只适用于粒径较大的雾滴液膜与雾滴的能量守恒。宋坚利[31]使用最小二乘法，将雾滴粒径和雾滴速度拟合得到了关系曲线，并由该曲线计算出了液膜的破碎速度。谢晨等[32]利用雾滴粒径分析仪 对标准扇形雾喷头 (ST)和射流防飘喷头(IDK) 的雾化特点做了详细分析，在雾化过程中，喷雾扇面受空气影响而使液膜产生规律性的波状震动，随着震动过程中液膜的厚度逐渐变薄，震动的幅度逐渐增大，最终引起液膜破裂并产生液丝而雾化为细小雾滴；结果表明，标准扇形雾ST 喷头具有较大的液膜区域，且液膜区域内含有波纹结构，液膜破裂区内破裂孔洞形成不规则的撕裂状；而防飘IDK 喷头的液膜区域较ST 喷头明显减小。张文君等[33]在此基础上，应用粒子图像分析系统研究了喷雾药液性质对这两类喷头的雾化区域与雾滴谱的影响，发现了助剂可以引起两类喷头液膜区域及破碎区域结构变化，而这种变化主要是由于助剂改变了喷雾药液的表面张力造成的。

Sirignano 和Mehring[34]把液膜破碎状态划分为4 个分区：第1 个分区为毛细机理区域，该区域中喷雾药液受周围气体影响较小，雾滴主要是由轴向变形的液膜产生，所以其产生雾滴云的半径等于液膜扇面；第2 个分区为第1 风导区，在该区域中周围气体对喷雾药液有一定的影响，雾滴主要是由液膜的非轴向运动产生，其雾滴云的半径也等于喷雾扇面的半径；第3 个分区是第2 风导区，在该区域中周围气体对液体的影响明显高于前两个分区，在周围气体的作用下产生雾滴的粒径更小；在第4 个分区中，雷诺数和韦伯数最大，被称为雾化区，其产生的雾滴粒径也最小；同时指出，液膜的长度随着喷雾药液韦伯数和无量纲数Ohnesorge 的增大而减短，而雾化区处在喷口处液膜破碎发生的区域。Tharakan 等[35]对剪切液膜非线性破碎进行了分析，发现韦伯数可以影响液膜破碎时液丝的形态和大小。当韦伯数较大时，反对称波会自发加强，形成较细的液丝；而当韦伯数较小时，喷雾产生的波为对称波，此时产生液丝的尺寸相对较大。Shinjo 和Umemura[36]通过数值模拟方法研究了喷油嘴的雾化机理，发现液体喷射撞击静止气体，液体喷射前部变成伞状形状，雾化从伞尖边缘开始首先发生断裂，与附近的气体运动密切相关；并且液膜主要以短波纹模式振动破碎 (图3a)，有时也会出现长波纹模式振动破碎 (图3b)，但其本质是一种拉伸形式的短波纹。

图3 雾滴形成方式[36]Fig. 3 Droplet breakup method[36]

此外，研究人员针对喷雾药液表面张力、黏度等性质对雾化效果的影响进行了大量研究。Butler Ellis 等[37]研究了表面张力对农业液力式喷头雾化机理的影响，发现与纯水相比，一些表面活性剂可以引起喷雾扇面外形的改变，雾滴的粒径也有所减小。Thompson 等[38]对喷雾药液黏度对标准扇形雾喷头和圆锥雾喷头喷雾扇面的流体力学和稳定性的影响进行了研究，发现随着喷嘴流量的增加，弹性流体液膜变大，最终变得不稳定，雾化成液滴；同时发现对于标准扇形喷头，液膜流体的不稳定首先出现在液膜边缘，喷雾药液黏度的增加虽稳固液膜的边缘，但加剧了液膜内部的不稳定性。王士林等[39]也分析了喷雾药液黏度对标准扇形喷头雾化形态的影响，发现随着喷雾药液黏度的增加，液膜的长度增加，雾滴的粒径增大，而扇面的喷雾角度降低。

1.2 离心式雾化

与液力式雾化效果相比，离心式雾化喷头雾化产生的雾滴粒径更小且均匀，是低容量喷雾、超低容量喷雾和静电喷雾法常采用的雾化方式。离心式雾化喷头从形状及结构上主要分为转盘式、转杯式、转刷式和转笼式等，其中以转盘式应用最为广泛[40]。

转盘式离心喷头经过多年的发展，在结构设计上进行了多方面的改进。最初设计离心喷头的转盘边缘并不包含齿轮，因此其雾化效果一般。Bals 等[41]设计了以边缘为齿的转盘，使喷雾药液在雾化过程中能够克服更小的表面张力，从而提高了雾化效果。随后他们又在转盘的内表面增加了导流液体的沟槽，进一步提高了雾化均匀度。离心喷头雾化时是利用转盘 (或圆杯) 的高速旋转而产生的离心力，转盘内的药液在离心力的作用下脱离喷头转盘的边缘，并在周围气流的相对剪切和摩擦力下雾化为粒径均匀的小雾滴。离心式雾化的方式有3 种：直接雾化为雾滴、丝状断裂为雾滴和膜状分裂为雾滴。

离心喷头产生雾滴的均匀性受其转盘的转速与喷雾药液流体加速度的影响，雾化转盘的转速越高，喷雾药液流体的加速度越小，越有利于产生细小的液滴。在特定的喷雾流量下，由离心喷头雾化出的液滴可由两种雾化方式共同产生，这时由离心喷头产生的液滴、液丝、液带 (膜) 等可相互转变。Walton 和Prewett[42]就转盘产生的单个雾滴的粒径给出了近似的计算公式；Mantripragada等[43]根据转盘处液膜的厚度建立了雾滴粒径预测模型。随着航空施药技术的发展，研究人员改装为风助式离心喷头，即在离心喷头的转盘处增加了扇叶。Bals 等[44]给出了风助式离心喷头雾化雾滴上限的计算公式。为了研究离心雾化后雾滴的运动状态，研究人员分析了由雾化盘甩出雾滴的最大距离。一般认为，空气阻力越大，运动距离越短，雾滴的最终甩出距离与雾滴的粒径成正比；在一定的范围内雾滴被甩出去的距离与雾化盘的直径、该雾滴粒径的乘机的平方根成正比关系。此外，李永娜[45]研究了离心喷头的喷雾流量、转盘转速与雾滴粒径之间的关系，分析了离心喷头倾斜角度、进液口位置对离心喷头沉积均匀性的影响。结果发现雾滴的粒径与离心喷头的转速成反比，与喷雾流量成正比；倾角为10°～30° 时有利于提高雾滴的沉积范围，而进液口的位置会影响沉积分布均匀性和雾滴粒径。

通过对农药雾滴微观液膜的形态来确定农药雾滴雾化的参数，分析液膜雾化成雾滴过程影响因素，如液膜的形态和尺寸影响最终雾化后的雾滴大小和速度。将药液的理化性质和雾滴在叶片上的润湿、铺展、弹跳等规律结合起来，并选择合适的雾滴大小以提高农药雾滴的沉积量与覆盖率，细化喷雾作业，有利于提高农药利用率。

2 雾滴沉积

经喷头雾化后的雾滴在多种作用力下在空中运动，除沉降到靶标上发生润湿、碰撞和铺展外，还可能会飘失到靶标区域以外。沉降到靶标上的雾滴由于粒径大小、沉降速度、能量和物理化学性质、靶标角度和界面性质等因素，可能会发生滚落、弹跳、破碎等行为，只有最终有效铺展到靶标上的药液才有可能发挥生物防治作用。

2.1 润湿模型

当液体与固体接触时，液体沿着固体界面进行铺展的现象称为润湿，通常用液体与固体界面的接触角 (contact angle,θ)来表征液体的润湿性。关于液体在固体界面的润湿研究可追溯到1805年，Young[46]提出的杨氏方程，仅适用于在均一、光滑的固体界面上固、液、气3 相接触界面之间的表面张力和接触角之间的关系。而在自然界中，几乎所有的固体界面都不是均一、光滑的，尤其是施药作业的靶标界面，都存在一定程度上独特的微观粗糙表面形态，这极大地限制了杨氏方程的实际应用。

对此，Wenzel 等[47]将固体界面的粗糙程度考虑在内，引入了表面粗糙系数用于表征固体界面的粗糙度，并由此建立了粗糙界面的表观接触角和本征接触角之间的关系。 Cassie[48]将液滴与粗糙界面的接触归为复合接触，认为液体并不能充分填满固体粗糙界面上的凹槽，在液滴下方和凹槽之间应存在截留空气 (图4)。Cassie在杨氏润湿理论的基础上建立了表观接触角表达式，随后Cassie和Baxter[49]通过对自然界中大量的超疏水界面进行研究，总结了Cassie-Baxter润湿模型 (图5)，并从热力学的角度出发提出了适用于所有复合表面接触的Cassie-Baxter 方程。

图4 Cassie 润湿模型[48]Fig. 4 Cassie wetting model[48]

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

Bormashenko 等[50]介绍了在粗糙表面上发生的润湿状况，对雾滴在粗糙界面上的润湿突变进行了研究，并讨论了粗糙表面润湿转换的物理机制，解决了湿润过渡的时间和能量缩放问题；同时讨论了Cassie 在固有的疏水和亲水表面上润湿的稳定性问题，详细论述Cassie 和Wenzel 润湿状态的障壁分离的起因和影响力；将润湿机制总结为4 种形式：Cassieair 捕获、Wenzel 方式、Cassie浸渍和混合方式 (图6)。

图6 润湿方式[50]Fig. 6 Wetting regimes[50]

2.2 雾滴碰撞模型

雾化后的雾滴在下降过程中由于受其自身重力和惯性力等，以及外界其他因素的影响，最终会出现不同的沉降结果：雾滴破裂、弹跳与流失(大与特大雾滴)、雾滴沉积 (最佳喷雾粒径)、雾滴飘失 (细与极细雾滴)，仅有一部分雾滴会沉积到叶片的正面与背面，而这些雾滴与叶片发生碰撞时同样会出现不同的碰撞结果 (图7)。

图7 不同大小雾滴在靶标上的沉积方式[24]Fig. 7 The deposition mode of different size of droplets on the target[24]

液体撞击固体表面的过程与流体力学、表面微观结构、力学和和能量转换等方面密切相关。人们对该过程的研究始于表面现象的观察，Mercer等[51]对水平叶片的撞击效果进行了观察，最终将雾滴在叶片上状态归纳黏附、飞溅和反弹3 种状态。蒋勇等[52]以液滴的韦伯数为评判依据，将喷雾雾滴的碰撞分为黏附、反弹/黏附、飞溅/附壁射流3 个相互重叠的形式，并指出了喷雾药液碰撞固体界面后的黏附、反弹、飞溅、附壁射流等物理现象与韦伯数的关系：当韦伯数小于一定值时，雾滴黏附到固体界面上；当韦伯数大于一定值时，有一部分液滴会产生飞溅，而另外一部分液滴会在固体界面上形成附壁射流；韦伯数在两个值之间，有一部分液滴反弹，另外一部分液滴黏附在固体界面上。Bai 和Gossman 等[53]在此基础上将雾滴的碰撞结果做了进一步的详细划分，将其归纳为黏附、反弹、铺展、沸腾产生破碎、反弹伴随破碎、破碎和飞溅等7 种形式 (图8)。宋坚利等[54]通过扫描电镜法观察水稻叶片显微结构，对不同生长时期的水稻叶片结构形状做了数据统计分析，并以水稻叶片润湿性理论为基础，推导了雾滴临界脱落直径。

图8 液滴变形过程示意图[53]Fig. 8 Schematic diagram of droplet deformation process[53]

随着提高农药利用率和减量施药技术受到越来越多的关注，研究人员开始对沉降雾滴的最终沉积结果进行了预测与评价。Mundo 等[55]引入了一个无量纲数K，且发现当K满足一定条件时雾滴会破碎发生飞溅，而K值与固体界面的粗糙度有关。Yoon 等[56]研究发现，固体表面越光滑，K值越大。Forster 等[57]同样以韦伯数和雷诺数计算了K值，并与临界值相比较，用于预测沉降雾滴的附着和破碎结果，建立了雾滴持留过程驱动模型，计算农药雾滴在靶标上的沉积量。该模型经过30 年的不断优化及发展，基于此模型的雾滴撞击叶片表面后发生黏附、弹跳、破碎分界线图也被绘制出，并已被广泛应用。谢晨[58]结合动能定律与动量公式，通过雾滴与固体界面碰撞过程中的能量变化建立了雾滴沉积的能量模型，并绘制出了分界线图。张文君[59]在此能量平衡的基础上，在喷雾药液的密度、黏度、表面性质和叶片倾角一定的条件下，在玉米叶片上研究了雾滴大小与速度的碰撞行为，得到了衡量雾滴黏附-破碎曲线。王双双[60]也以此建立了农药雾滴在棉花、小麦和水稻叶片上的黏附-破碎曲线，通过建模分析计算出了在适合条件下的最佳喷雾粒径阈值。

2.3 雾滴铺展动力学

最终能够有效沉积到靶标表面的雾滴会在靶标上润湿铺展，而雾滴在靶标上的铺展过程受多种因素影响，如铺展速度和最终铺展面积都会影响植物或病虫对农药的吸收效果。许多研究采用标准化的“扩展因子”来表征雾滴在靶标上的扩散铺展状况。研究人员通过绘制不同时间下雾滴扩散情况，并用雾滴铺展至最大面积时的粒径计算扩展因子。Pasandideh-Fard 等[61]通过质量和能量守恒定律建立了计算液滴在固体界面上的最大铺展直径和扩展因子与液滴的初始直径、雷诺数、韦伯数、前进接触角之间的关系模型。Zhang等[62]采用最小二乘回归法确定了雾滴在叶片表面的铺展动力学经验公式，用于计算不同铺展时间下雾滴与作物叶片的接触角，并用其研究了微乳剂在小麦叶面的铺展动力学。

随着技术的进步，研究人员通过高速摄影机对雾滴的铺展形态和过程也做了大量的研究。Werner 等[63]借助高速摄像机对不同时间下水和麦芽糖糊精的液滴制剂在无水乳脂表面上的动态铺展过程进行了研究；崔洁等[64]同样使用高速摄像仪对比分析了不同沉降速度下单一雾滴在固体界面上液膜的铺展行为，并分析了雾滴沉降后所形成的液膜边缘特性；陆军军等[65]基于同样的方法分析了不同韦伯数和角度下雾滴在干燥固体平面上的铺展效果；郝汉等[66]通过对比使用油酸甲酯、松脂基植物油、Slvesso150 为溶剂制备的二甲戊灵乳油在牛筋草叶片上的雾滴接触角与实践的关系式，发现高温有利于加快雾滴在植物叶片的铺展速率，植物源溶剂油酸甲酯更适合用于作溶剂；庞宏宇等[67]研究了雾滴在石蜡和玉米叶片上的润湿铺展行为，发现喷雾药液的平衡表面张力只适用于描述液滴的平衡态，用其来表征雾滴在靶标界面上的动态润湿行为具有较大的局限性，使用喷雾药液的动态表面张力能够更准确地表征雾滴在靶标界面的润湿及铺展行为。

2.4 雾滴聚并机理

单纯的液滴聚并指的是由两个或多个液滴聚并为一个大液滴的现象 (图9)，涉及液滴聚并的研究主要有：液滴变形、界面薄膜化与破裂等[68]。目前，液滴聚并已应用于许多工业过程和科学研究等领域，比如：石油脱水、气泡破裂、喷墨印刷、液液萃取、乳状液的稳定性、涂层工艺、多相流以及微纳米颗粒聚合等[69]。实际上液滴聚并是一个复杂过程，与体系界面性质、界面迁移和液滴在两相中扩散的性能等诸多因素有关，其中表面张力和毛细力在该过程中发挥重要作用。从微观角度分析，当两个液滴相互靠近时，在接触面会形成一层薄液膜，其厚度在几个微米到几百个微米之间，所以液滴间的液膜从破裂到两个液滴相互融合成一个整体所需要的时间很短，几乎瞬间便可以完成[70-71]。

图9 雾滴聚并的几种不同情况[72]Fig. 9 Several different cases of droplet aggregation[72]

胡学铮等[73]采用示踪液滴法探究了液滴的聚并过程，发现Marangoni 效应可以诱导自发的界面变形、界面流和界面活动等，这对液滴的聚并产生了显著影响。李佟茗等[74]对界面流变形对小液滴聚并过程的影响进行了研究，从理论上分析了添加表面活性剂后溶液中两个雾滴间的聚并行为，并考虑相界面上质量传递对该过程的影响，得到了聚并时间与界面张力、界面黏度、表面活性剂界面扩散系数、连续相和分散相主体性质、范德华力以及液滴半径等因素的关系，最后给出了计算液滴聚并时间的公式。液滴的物理化学性质不是控制液滴聚并的唯一因素，如在电场存在下液滴的聚并主要取决于表面张力，电场强度以及替代电流的频率。Raisin 等[75]报道，界面张力和初始间距对两个液滴的聚并具有重大影响。Ristenpart 等[76]证明，当液滴的表面电荷超过阈值时，不会发生带相反电荷液滴的聚并。此外，Hamlin 等[77]报道了在带相反电荷的液滴之间发生部分聚并的临界电导率。此后，Aryafar 和Kavehpour[78]进行了系统研究，证明了部分聚并需要一个临界电场。除了带电液滴之间的聚并，研究人员还观察到带电乳液液滴周期性的非聚并、熔融和分裂状态。发现表面张力和电力之间的相互作用在带电液滴之间起着关键作用[79]。

聚并现象也常常发生在农药喷施过程中。顾中言等[80]通过测定不同杀虫剂对水稻、小麦和甘蓝叶片的润湿展布，结果表明当将相互靠近的水滴点滴在叶片表面时，由于水滴具有大的表面张力，使得水滴间的吸引力比较大，促使其相互吸引，最终聚并成大水滴；从喷雾器中喷出的小雾滴能够附着在水稻叶面上，但当喷出的雾滴的表面张力大于水稻叶片的临界表面张力，且雾滴内的表面活性剂浓度没有达到临界胶束浓度时，小雾滴就会发生聚并。由于水稻叶片具有较大的倾斜角度，甚至有的叶片几乎竖直，当发生聚并的水滴重力超出水滴与水稻叶片之间的吸附力后，水滴就会在叶片上发生滚动，发生滚动的水滴又吸引叶面上的其他水滴，越滚越大，最终从叶面滚落，发生流失。

通过研究农药雾滴撞击靶标表面的微观行为，分析雾滴表面张力、黏度、撞击速度、温湿度等影响因子，以及农药雾滴在靶标叶片弹跳、铺展、黏附等行为，可为确定适合的防治策略提供基础理论，以增加雾滴在靶标的沉积，提高农药使用效率。

3 农药雾滴飘失及防飘方法

农药雾滴飘失 (包括飘移与蒸发) 受药液特性、气象条件、施药器械以及操作水平等多种因素影响。雾滴雾化至靶标沉积的过程中存在大量飘失[81-84]，如图10 所示。

图10 自然风速下雾滴飘失Fig. 10 Droplet drift at natural wind speed

农药飘移与飘失是指药液喷施过程中至施药后一定时间范围内，不同大小的农药雾滴在其他外力作用 (如自然风) 下，从靶标区域迁移到非靶标区域的一种物理运动。雾滴飘失伴随雾滴雾化一直发生，包括但不限于雾滴蒸发引起的飘失、自然风引起的顺风和侧风飘失等，其中蒸发是由分散体系的液体挥发造成，自然风极易造成不同大小的细雾滴随气流胁迫运动而脱离靶标区域[85]。

3.1 农药雾滴飘失的影响因素

早期农药施用的器械和方式较为简单，只要求全面覆盖即可，致使农药利用率低和农药雾滴严重飘失的情况发生[86]。最初对于农药雾滴飘失问题关注更多的是农药对非靶标区域后茬敏感作物的影响，随着2,4-D 蒸发飘失问题的出现，杀虫剂的蒸发飘失以及其对雨水和地下水的污染问题备受关注[87]。近年来，有关农药在喷施过程中的地面和空中飘失已成为热点研究[88]。

农药雾滴在空气中随风运动，而自然环境复杂多变，由于雾滴是微米级，非常细小，很难用常规观测手段进行监测，同时影响飘失的各种因素相互耦合，导致控制飘失问题复杂且难度大[89]。因此正确认识影响飘失的各因素对减少飘失具有积极意义，如针对飘失规律研究提出的建立施药缓冲区、在施药机具上安装挡风板以及其他减飘措施[90]。

农药雾滴飘失风险与雾滴粒径大小密切相关，同时雾滴的运动轨迹、沉降速度都会影响雾滴飘失[91]。茹煜等[92]发现，当雾滴粒径为60 μm时，雾滴在风洞中随气流方向飘移的距离最大为30.25 m，当雾滴粒径为150 μm 时，飘移最大距离为10.76 m，飘移量减少了将近1/3；说明在气流作用下，雾滴粒径越小动能越大，随气流沿下风方向运动越容易产生飘移。Hewitt[93]总结已有研究，得出农药喷雾中的雾滴粒径分布是决定雾滴输运和喷雾分布最重要的参数之一，雾滴粒径影响雾滴飘移，同时会影响农药的雾滴沉积率和毒力。

环境是影响雾滴飘失非常重要的因素，在空气阻力的作用下，质量小雾滴因向下的动量不足而难以到达靶标，且小雾滴更易受到温度和相对湿度的影响，在空中悬浮的时间越长，越容易随风飘移[94]。通常直径小于100 μm 的雾滴最易发生飘移[95-96]。Wolf[97]试验发现，直径100 μm 的雾滴在25 ℃、相对湿度为30%的情况下，移动75 cm 后雾滴直径会减少50%。赵辉等[98]研究表明，风向不稳定、风速过大及温度过高等，均不利于雾滴沉积，容易产生飘失。

添加农药助剂、使用专用防飘喷头和防飘装置可以改变雾滴的理化性质或运动轨迹，从而影响雾滴的飘失。Ellis 等[99]研究了喷头雾化性能受农药助剂及剂型影响，发现雾滴粒径和液膜厚度在助剂作用下会发生显著变化。Wise 等[100]研究表明，添加喷雾剂型、使用防飘喷头可减少雾滴飘失33%～60%。张京等[101]在喷杆上安装挡板，改变了喷头周围的流场，降低了雾滴飘移，提高了雾滴沉积量，在靶标作物中、下冠层的沉积量分别增加119.2%和112.3%，总沉积量增加20.3%。

此外，建立施药隔离带也能有效减少农药在非靶标区域飘失，如Snoo 等[102]的飘移试验表明，设置施药缓冲区可有效减少雾滴飘移，3 m 的施药缓冲区减少95%的飘移沉积量，6 m 的缓冲区则完全检测不到飘移沉积量。

农药雾滴飘失受雾滴粒径、药液特性、气象条件及施药技术等影响，因此研究雾滴的运动及飘失规律，对减少雾滴飘移、改善雾滴沉积、提高农药利用率具有积极意义。

3.2 农药雾滴防飘方法

国内外学者通过对农药雾滴影响因素的研究，建立了飘移预测、检测手段和防飘技术，并开发了多系列的防飘产品。如利用风场进行雾滴有效的边界控制、静电吸附增加细雾滴的沉积、循环喷雾有效控制雾滴的运动范围，以及防飘喷头、变量喷头等相关产品，当前应用较多的技术或产品如下。

3.2.1 防飘喷头 喷头是影响农药雾滴在靶标作物上沉积与飘失最为关键的部件，是影响农药飘失最直接的产品。20 世纪，德国Lechler 等公司为了应对农药飘失问题，率先设计并制造了气吸式防飘喷头，随后美国Spray、英国Lurmark 等公司也开发出各自的防飘喷头，雾滴覆盖均匀并且飘失量低，在3～4 级风下防飘效果可达到95%以上，5 级风下防飘效果仍可达到70%以上。目前普遍应用的防飘喷头主要是将空气和水在内部乳化混合并雾化成雾滴，喷头喷射出带有气泡的大雾滴，降低了易飘失的小雾滴的数量，从而达到减少雾滴飘失的目的。王双双等[103]使用PDIA(Particle/Droplet Image Analysis) 测试了扇形喷头喷雾扇面雾滴谱及雾滴的运动速度分布，结果表明，在距离喷头300～500 mm的喷雾扇面中心易发生飘移，喷雾扇面末端、两侧、迎流面外层是最易飘移区域。Dorr 等[104]通过比较气吸式喷头与普通液力式喷头雾化后最基本的特征 (雾滴大小、雾滴速度、雾化扇面角以及雾滴密度等)，发现液力式喷头产生的雾滴小、速度大、雾滴密度大；而气吸式喷头产生的雾滴大、速度小、雾滴密度小。美国Hoffmann 等[105]利用5 种喷头产生的不同尺寸的雾滴，比较了粒径大小对雾滴沉积及飘失的影响，结果发现大雾滴飘失量少。张慧春等[106]在不同压力、风速及喷头与激光粒度仪不同距离情况下，利用风洞和Sympatec 激光粒度仪测试了多种扇形喷头的雾滴谱尺寸，发现相同压力下气吸型喷头产生的雾滴粒径最大。

3.2.2 静电防飘喷雾 静电喷雾技术是在喷头与靶标作物之间建立一个高压静电场，在静电场运动过程中充电，形成带电雾滴，然后在静电场力和其他外力的联合作用下，带电荷的雾滴作定向运动，最后被靶标作物吸附而沉积[107]。与传统的喷雾设备相比，静电喷雾技术可以提高药液在作物冠层的沉积以及叶片背面的附着能力，使农药雾滴沉积率提高的同时减少雾滴飘失。Zhang等[108]研究锥形静电喷嘴的液滴飘移模式，结果表明风速及其与静电电压的相互作用对液滴飘移显著影响，结果表明，当风速为小于3 m/s 的固定值时，液滴对作物的吸附性对液滴飘移的影响占主导地位；随着静电电压的增加，液滴飘移减少；当风速为大于 3 m/s 的固定值时，液滴粒径减小对液滴飘移的影响占主导地位，其中液滴飘移随着静电电压的增加而增加。杨洲等[109]研究了不同侧风风速和静电电压条件对静电雾滴飘移的影响规律，测定了不同静电电压下的雾滴粒径与荷质比，结果表明，雾滴粒径随静电电压的增大而减小，雾滴荷质比随静电电压的增大而增大，雾滴飘移中心的距离和飘移率随风速和电压的增加而增大。

3.2.3 气流辅助式防飘喷雾 气流辅助式防飘喷雾技术是利用风机产生的气流形成压力差，使得雾滴在负压区域被胁迫运动，从而减少飘失，同时增加雾滴穿透性和均匀性。目前主要包括风送式喷雾和风幕式喷雾。May 等和Nordbo 等[110-111]的研究结果表明：气流的辅助作用能增加药液在植物叶片背面和目标物上的沉降效率，改善小雾滴的雾滴谱，并且可以提高机具在低量喷施的稳定性。Tsay 等[112]通过使用数值模拟和响应面方法来评估在无冠层条件下各种操作参数的空气辅助喷雾系统，以优化最佳操作参数和评估喷雾飘移特性；结果表明空气辅助喷雾器在速度为20～30 m/s 的空气射流在减少顺风喷雾的喷雾飘移方面显著，相对飘移指数范围为 -50%至 -80%。祁力钧等[113]基于数值模拟建立了果园风送式喷雾机雾滴沉积分布模型，结果表明雾滴飘移量、沉积量和蒸发量，都随与风扇中心距离的增加而增大。刘雪美等[114]在风筒内部加装的新型栅格状导流器改变了风筒内的流场，减小了因涡流引起的能量损耗，雾滴飘移量与无风幕喷雾相比减少45%以上。贾卫东等[115]运用PIV 和Winner 318型激光粒径分析仪测试了风幕式喷杆喷雾气液两相的流场，发现风幕出风口、喷头的相对位置以及出风口的风速，可显著影响风幕式喷杆雾滴粒径与雾滴运动的速度。刘青等[116]在风筒中加装对称翼形的导流器，改善了风送式超低量喷雾机雾滴分布的均匀性、增加了雾滴密度，使喷幅提高了22%～46%。彭军等[117]发现，在风筒中安装起涡器叶片能够改善雾化效果，减少细小雾滴的飘移。

3.2.4 喷雾助剂 喷雾助剂是在喷雾时添加用于改进药液物理性能的功能性物质。在喷雾过程中其能有效减少雾滴的飘移和蒸发，增加雾滴的有效沉积，改善药液的表面张力和接触角，还有溶解植物表面蜡质层、增加雾滴黏着性和滞留量、保湿等作用，在施药过程中合理使用助剂有助于减少农药雾滴的飘失，达到提高农药利用率、最大限度提高药效的目的，对农药减施增效具有显著作用。Godinho 等[118]利用气吸型喷嘴与助剂相结合，可减少2,4-D 飘失。Fornasiero 等[119]发现，相比于常规喷嘴，添加防飘移助剂可以显著减少雾滴飘移且不降低防治效果。兰玉彬等[120-121]对比了6 种不同助剂，结果表明添加助剂有助于减少雾滴飘移，添加倍达通助剂减飘效果更好。高赛超等[122]发现，使用农药的乳油制剂比悬浮剂更容易引发飘失，而添加助剂可减少雾滴的飘移。陈晓等[123]研究发现，添加ND-800 飞防助剂可有效提高农药雾滴在棉花叶片背面的沉积密度。

4 结语

农药雾滴雾化、沉积与飘失直接影响病虫草害的防治效果，而在施药过程中产生的飘移、蒸发与流失会严重破坏生态环境。笔者综合分析了农药雾滴雾化、沉积和飘失3 个过程的机理和影响因素，并对其研究进展进行了综述，重点分析了液力式与离心式雾化沉积过程中润湿、铺展、碰撞和聚并理论。目前化学农药仍是保护粮经作物安全生产、解决全球粮食安全的重要保障，但同时要保护人类息息相关的生态环境与农产品的安全生产，兼顾两者需要对农药雾滴雾化沉积与飘失机理进行深入研究，在动态变化中寻找平衡，持续研发适于农药精准施用的新技术与新装备，并将其应用于农业生产实际。然而目前还存在诸多不利因素，如施药技术的基础理论研究薄弱、周期长、难度大、投资大等，从基础理论到推广应用涉及学科多、应用面广、学科交叉多等诸多问题。农药雾滴雾化沉积飘失理论与实践是高效施药技术与新型植保装备研发的基础，正因为如此，农药雾滴雾化沉积飘失的理论显得尤为重要。笔者介绍农药雾滴雾化沉积飘失研究进展，以期为我国高效施药技术与新型植保机械研发、农药精准科学使用、粮食安全生产提供思路与方法，为化学植保实践应用提供借鉴。

谨以此文庆贺中国农业大学农药学学科成立70 周年。

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

作者简介：

王潇楠，女，2017 年7 月毕业于中国农业大学农药学专业，获理学博士学位；2017 年9 月就职于广东省农业科学院植物保护研究所，主要从事农药雾滴飘失与农药减量增效施药技术研究。

齐鹏，男，博士研究生。2020 年在中国农业大学农药学专业攻读博士学位，主要从事精准施药技术研究与智能植保机械开发。

何雄奎，男，教授，博士生导师。2000 年于联邦德国霍恩海姆大学获博士学位。主要研究智慧农业技术与农业无人装备系统、智能植保装备与技术、农药施药技术基础理论、农药雾滴雾化沉积飘失规律、精准变量施药与减量施药技术等。 先后主持30 多项国家级研究项目与课题。以第一完成人获省部级一等奖2 项，获省部级二等奖4 项，获省部级三等奖3 项，2005 年获北京市教育创新标兵，享受国务院政府特殊津贴。作为主持人及第一完成人成功开发了20 多项新产品，获国家发明专利56 项；主持制定国际ISO 标准2 项，国家与团体地方标准27 项；发表学术研究论文150 余篇 (其中SCI、EI 收录85 篇)，出版专著12 部。现任中国农业大学农业无人机系统研究院院长、中国农业大学药械与施药技术研究中心主任，兼任国际标准委员会ISO/TC 23/SC 6 委员、中国国家标准化技术委员会SAC 6 委员，国家农业产业体系机械化研究室主任、农业农村部农药减量、农机创新专家组专家。兼任Frontiers、IJABE等期刊专题主编，及《农业工程学报》《智慧农业》《农业工程信息技术》《农药学学报》和《植物保护学报》等期刊编委。