物理场辅助农业雾化施药技术的研究现状与展望

魏 鹏，宫金良，张彦斐

（1.山东理工大学农业工程与食品科学学院，山东 淄博 255000；2.山东理工大学机械工程学院，山东 淄博 255000）

0 引言

我国农业播种地域广泛、种植气候复杂、作物种类丰富，病虫害问题突出且防治困难。目前，化学防治是农业病虫害最主要的防治方式，其效率高、及时性好，可有效保障粮食安全[1-2]。

药液雾化生成雾滴的分布与沉积特性是影响农药利用率的重要因素[3-4]。现阶段，用于辅助农业雾化施药的物理场主要有磁场、电场、热场、风场、超声场。磁电热等物理场辅助雾化喷施可以改善雾滴特性、提高药液沉积量；风场辅助雾化喷施时，可以增强雾滴的运移能力，同时扰动作物冠层，优化雾滴在作物冠层内部的穿透性能，提高雾滴沉积量；超声场可以辅助雾化生成微小且均匀的雾滴，进一步实现设施农业、地面植保作业等方面的超低量施药。但各物理场辅助作用下的药液雾化机理、沉降规律、沉积特性等内容尚不完善。为更好地促进物理场辅助农业雾化施药技术的发展和应用，本文分别对磁场、电场、热场、风场、超声场辅助雾化喷施的应用范围、方式方法等进行总结并针对性地指出研究重点和难点。

1 磁场辅助雾化喷施技术

磁场在农业方面的应用主要集中在磁化处理作物种子或使用磁化水灌溉以提高发芽率、促进植物芽和根系的生长、强化植物细胞抵抗环境胁迫与病害的生理机能[5-8]；磁化处理水或农药以改变其物化性质来提升药效与雾化施药效率[9-11]。其中，水或农药的磁化处理方式主要有3 种，分别为动态磁化、静态磁化与搅拌状态下的静态磁化[10,12-14]。研究表明，水分子在磁场中受洛伦兹力的作用，氢键结构与极化效应发生改变，进而影响水分子的分布状态，导致水的溶解度与表面张力发生变化[8,10,13,15-16]。一定强度磁场下获取的磁化水配置农药或直接磁化处理的农药，其水分子或药液分子的连接结构、分布特性发生改变，表面张力减小、雾化所得雾滴粒径更小、药效更强[7,10-12,17]。

1.1 磁场辅助改善雾化特性

磁场辅助改善雾化特性主要是通过磁场改变水或药液的物化性质，进而改变雾化效果。刘志超等[16]通过自主搭建的磁化水制备与雾化喷施平台进行试验，发现水经磁化后具有更高的溶解度，雾化所得的雾滴平均粒径更小、雾滴谱更集中；刘金璐等[18]将复配表面活性剂进行磁化增效可使溶液表面张力降低13.9%，结合压风细雾喷嘴进行雾化喷施使得雾化效率提高49.3%；周群[19]通过活性添加剂结合磁化协同增效的方法得到的活性磁化水接触角降低了29.93%，所得磁化水的雾化喷施作业效益提升了31.46%。

此外，黄晓宇等[20]根据磁流变效应设计的变量喷头可以借助外部磁场的变化实现喷嘴流量的控制，为磁场辅助控制变量雾化喷施提供了新思路。

1.2 磁场辅助雾化减飘喷施

磁场辅助雾化减飘喷施主要是通过磁化处理水或农药使雾滴荷磁，改善雾滴性能，进而改善雾滴沉积特性[16,21]。GIRMA MOGES 等[9]使用搭载磁化辅助系统的TeeJetXR110015 型喷嘴喷雾器对甘蔗进行施药作业，发现雾滴荷磁喷施可有效减少雾滴的飘移，与传统喷雾方式相比，在作物顶部的沉积量可增加12.1%～41.5%，在作物中部可增加40.6%～65.0%。J C VAN DE ZANDE 等[21]使用搭载MagGrow 磁化系统并分别安装Hypro 11003 标准扇形喷嘴、AI11003 防飘喷嘴、ID12003 防飘喷嘴的悬臂喷雾设备（图1）对洋葱和马铃薯进行施药作业，试验发现磁场辅助雾化喷施可使得3 种型号的喷嘴分别减少33%、88%、96%的雾滴飘移。

图1 搭载MagGrow 磁化系统的喷雾设备

目前，磁场辅助雾化喷施技术的研究重点在于需要进一步探究并明确磁化方式、磁场分布与磁化强度对水或药液的影响机理，开展磁场对雾滴生成、沉降运动和沉积特性影响规律的应用试验，形成具有参考价值的理论体系。

2 电场辅助雾化喷施技术

电场在辅助农业雾化喷施领域的应用主要集中于借助高压静电场实现辅助雾化破碎与雾滴荷电，减少雾滴漂移、提高雾滴沉积均匀性与沉积量[22-26]。

2.1 电场辅助雾化技术的对比分析

现阶段已有的静电喷雾雾滴充电方式主要有电晕充电（图2a）、感应充电（图2b）、接触充电（图2c）3 种[26-29]。电晕式雾滴充电原理是利用高压电极尖端放电致使喷嘴雾化区域内的空气发生电离促使雾滴荷电[28,33-35]；感应式雾滴充电原理为电极在喷嘴与靶标之间建立高压静电场，通过异性电荷相吸、同性电荷相斥的机理促使雾滴荷电[24,26,30]；接触式雾滴充电原理是将高压电极直接与药液或金属喷嘴相连进行充电，药液经喷嘴雾化后形成带电雾滴[22,27,31-32]。上述3 种雾滴充电方式在农业静电雾化喷施方面均得到深入应用和探索，但各有优缺点[22,25]。电晕式雾滴充电方式对雾化系统的绝缘性要求较低，避免静电发生系统短路即可，安全性更高，但与其余两种方式相比需要更高的起晕电压[25,29,36]；接触式雾滴充电方式所需的电压处于两者之间，但要求喷雾系统整体严格绝缘，存在较大的安全隐患[22,25,29]；感应式雾滴充电方式所需电压最低，仅要求电极与雾化系统之间绝缘，安全性高于接触式，但雾滴带电效果最弱[22,25,37]。鉴于相对优势，感应式充电方式成为现阶段农业静电喷雾的主要方式。

图2 3 种雾滴充电方式

2.2 电场辅助雾化施药技术的应用

由于静电喷雾技术的突出优势，该技术在航空与地面植保方面均得到了广泛探究和应用[22,25]。例如，ZHAO 等[31]通过自主设计的静电雾化喷施系统（图3）开展航空植保作业，发现电场辅助雾化喷施使得靶标正面的液滴密度增加16.7%，靶标背面的液滴沉积量提高约4 倍；马旭等[30]开展了静电辅助地面喷杆喷雾机多喷头喷雾的仿真与试验研究，发现多喷头的空间电场与单喷头相比具有更高的均匀性，雾滴荷质比提高52.9%，作物上、中、下3 层叶片正面的雾滴沉积率分别提高了27.1%、37.3%和45.2%，用水量减少60%。此外，静电喷雾更适合与风送喷雾、航空植保雾化喷施相结合，静电喷雾可以减少雾滴漂移、提高作物叶片背面的沉积量，风送喷雾气流与航空植保机的下洗气流可引起作物冠层的扰动翻转，加强荷电雾滴在冠层中的穿透性[22,25,34-35]。

图3 装载在无人机上的空中静电喷雾系统

但长远来看，静电辅助雾化喷施需要更高的雾滴荷电与沉积效果，同时保障安全、经济。故静电喷雾技术的研究重点在于需要对3 种雾滴充电方式围绕荷电雾滴的生成、运动、沉积机理与特性展开基础性对比试验探究，优化各充电方式的短板，形成效果更好、可靠性更高的静电辅助雾化喷施系统。

3 热场辅助雾化喷施技术

热场在辅助农业雾化喷施领域的应用主要集中于使用以热力工作的热烟雾机进行施药、作物防霜冻作业和使用高温、控温技术处理与防治害虫[38-43]。

3.1 热场辅助雾化施药技术的应用

热雾、烟雾载药技术具有雾滴微小、均匀、穿透性强、用药量少等突出优点，在农业植保领域得到广泛应用，尤其在设施农业、林业与高郁闭度的作物田中具有显著优势。例如，陈莉等[38]通过玉米田间试验发现，热力烟雾机比机动弥雾机具有更好的雾化防治效果，其有效防治距离可达25 m 以上；李学辉等[39]在使用热烟雾技术防治黄瓜白粉病的研究中发现，与背负式手动喷雾器常规喷雾相比，热烟雾法生成的雾滴更小、沉积密度更大，防效提高7.2%～16.0%。

近年，烟雾载药技术与航空植保技术不断融合，为农药“减施增效”积累了丰富的数据与试验经验。刘立超等[42]使用植保无人机搭载脉冲烟雾机（图4）对灌浆期玉米田进行雾化施药试验发现，距离雾机喷口2 m 内的雾滴较为集中、距离喷口1 m 位置的雾滴沉积量和覆盖率最大、冠层至地表的沉积量依次降低、雾滴谱宽度大部分≤2.0 μm；陈青等[40]将无人机远程控制技术与烟雾载药技术结合开展了林间施药作业试验发现，航高8 m 时，烟雾雾滴的穿透效果与沉积均匀性最好，平均沉积浓度为2 542.58 μg，增大液泵开度可以提高垂直方向上的沉积量，傍晚的作业效果优于中午。

图4 无人机搭载热雾机开展玉米田施药试验

除上述之外，热雾机也常被用于果园、大棚等区域内作物的防霜冻作业。例如，张红梅[41]通过自制的丘陵果园用烟雾防霜机开展田间试验发现，防霜机在0.6 m/s 速度下连续作业0.5 h，可将1.5～4.0 m高度范围内的气温提高1.7 ℃。

3.2 热场改善雾化施药的探究

热烟雾机的工作原理是以柴油或汽油等燃料燃烧产生的高温高压气流为动力源，将药液破碎成极小雾滴后形成具有一定速度的烟雾[40,44-45]。热烟雾机主要分为稳态式和脉冲式2 种，其根本区别在于燃烧器工作方式的差异[44-45]。部分专家针对其结构、气流波动、尾气成分、工作频率等关键点进行过深入研究[44-47]；此外，部分学者为提高雾化效果及防效，致力于对新型热雾稳定剂的研发[48-51]；同时，探索分析不同热雾稳定剂对热雾滴的沉积效果、沉降剂对热雾滴扩散范围与防效的影响、热雾对化学药剂的稳定性影响等[52-54]。

除热雾机的应用之外，高温控温技术因在虫害防治方面具有效率高、无污染等优点得到逐步推广，也是热能在农业领域深入探索应用的集中展现。现阶段已有的农业虫害防治的高温控温技术主要有强制热风和热蒸汽、热水、电磁能、高温与化学防治的结合（即热雾施药）等[43]。

目前，热场辅助雾化喷施技术的研究重点首先在于明确热能对于雾滴生成的影响机理，优化雾滴分布及运动特性，提高雾滴沉积量与均匀性。

4 风场辅助雾化喷施技术

风场辅助农业雾化喷施的应用主要集中在雾滴风力输运、风力补偿防飘等方面。雾化施药过程中，强制风场的介入不仅可以增强作物冠层的扰动，增大冠层的孔隙率；还可以增大雾滴的动量，提高雾滴在作物冠层内部的运移能力和沉积量。

4.1 风场辅助雾滴输运

强制气流辅助雾滴输运在地面与航空植保作业中主要使用喷杆喷雾机、风送式弥雾机、植保无人机[3]。其中，植保无人机的风场来源于其机翼运转过程中生成的下洗气流。

喷杆喷雾机是大田作物施药作业的主要植保机械。其中，风幕式喷杆喷雾方法是风场辅助雾化喷施方面应用最早的方式，众多学者针对该方法开展了大量的探究。例如，HISLOP 等[55]和FOQUE 等[56]分别针对成熟期小麦与盆栽藤类作物开展了风力辅助雾化施药试验，实证了风力辅助喷施方法可以增强雾滴的穿透性能，进而增加作物叶片背面的沉积量和整体沉积均匀性。此外，针对中后期冠层封闭性较高的作物，单一的风幕式辅助喷施方法难以较好地将雾滴输运到作物冠层内部。使用机械刚性结构深入作物冠层喷施药液的吊杆、吊臂喷雾方式得到了关注。以玉米为对象的吊杆喷雾试验证实了刚性吊杆结构可以穿透作物冠层增强雾滴在作物冠层中下部的沉积[57-58]。风幕式与吊杆式结合的气流辅助雾化喷施方法可以减少自然环境风场对雾滴的影响，同时提高雾滴在作物冠层内部与上部的穿透和沉积性能，可以进一步提升施药效果[59-60]。

风送式弥雾机（图5）是果园植保施药的最常用器械，强制气流的辅助可以更好地满足果树作物的植保需求。风送式喷雾机的基本原理为使用风机产生强制气流将外力雾化得到的雾滴朝指定方向输送。根据风机与气流管道布置的不同，风送式喷雾机可分为横流式、离心式和多出风口式等机型；同时，由于气流分布的不同，可分为环形、塔形等出风形式[3]。此外，在作业方式上，仿形变量喷雾的雾滴沉积效率要明显优于离心式和定向式喷雾机，其可根据作业对象的分布形态实时调整作业参数。

图5 风送喷雾机果园作业

航空植保无人机施药作业过程中，旋翼的下洗气流能够扰动作物冠层的分布形态，促进雾滴在作物冠层内部的沉积。航空植保机的下洗气流与作物冠层的交互受作物的生长特性影响，也与作业参数极度相关。研究表明，槟榔等不同作物对航空植保机的飞行高度、速度和喷施流量等敏感程度存在差异[61-62]。作业参数的不同会严重影响雾滴的沉积特性。例如，许童宇等[63]通过开展面向粳稻的多旋翼植保无人机施药试验发现，雾滴沉积量在垂直方向上明显衰减；AHAMD 等[64]在单旋翼无人机杂草防治试验中发现，雾滴沉积量、密度等随无人机飞行高度的降低而逐渐增大。

4.2 风场辅助雾滴防飘

除风幕式喷杆喷雾机之外，在近喷嘴处构造风场以强制气流介入的方式减少环境风场对雾滴群运动的影响也是风力辅助雾滴防飘技术的研究热点。刘昶希等[65]通过在近喷嘴处构建锥形防飘风场可以有效地抵制环境风场所产生的绕流涡旋，减少雾滴在纵向高度上的飘移。

目前，风场辅助雾化喷施的重点工作在于构建风场变量介入的雾滴沉积机理分析建模，结合风场与等效作物模型交互的仿真模拟结果开展田间试验，形成具有普适性的作业标准与理论体系。

5 超声场辅助雾化喷施技术

农业超低施药量喷雾技术可以实现农药的减施增效，具体要求实现0.5 mL/m2的施药量，雾滴粒径在5～50 μm 范围内[66-68]。现阶段常用的雾化喷施方式主要为压力雾化、离心雾化，但生成的雾滴粒径较大且不均匀。超声雾化方式可生成小而均匀的雾滴，能够满足超低容量施药的雾滴粒径需求，部分学者已开展其在农业领域的应用探究[69-72]。

超声雾化技术在机理上分为压电式和流体动力式2 类[66,71]。压电式超声雾化技术的实现即由压电换能器提供动力源的喷嘴通过超声频率振动的方式将流经或处于喷嘴末端的连续液体破碎成雾滴的过程[73-75]。流体动力式超声雾化技术的实现即连续液体射流受超声速气流的冲击在谐振区域内破碎成雾滴的过程[76-78]。

压电式超声雾化喷嘴结构复杂、成本及能耗较高且雾化量低，尽管大量学者做了创新改进，但雾化量很难满足农业的实际需要。例如，高建民等[73]通过模态分析与相位多普勒测量技术优化设计了一种新型的低频超声雾化器，但实现的雾化量仅为29 mL/min；高建民等[74]借助谐响应分析与激光粒度分析仪研制的微型指数振子超声雾化喷头的雾化量仅为34.05 mL/min；张建桃等[75]结合参数化仿真与试验研究设计的新型农用超声雾化换能器的最大雾化量仅为1.29 g/min。流体动力式超声雾化喷嘴结构简单、成本低、雾化量大且有效射程远[76-79]，在试验中较前者具有明显优势[70]。陈波等[78]使用自主搭建的相位多普勒粒子分析仪（PDPA）测试得到流体动力式超声雾化喷嘴可实现流量30 L/h 以上的水流雾化，最远射程可达到2 m 以上。

流体动力式超声雾化喷施作业兼具气场、超声场的特性，在农业植保作业方面具有突出优势。超声速气流可将液流破碎成微小均匀的雾滴；强制气流推动雾滴群以一定速度前进并扰动作物冠层，增强细小雾滴的运移能力与穿透性能，可进一步提高沉积效果。故流体动力式超声雾化技术在设施农业、地面植保作业等方面实现超低容量喷施具有巨大潜力[66,71]。目前，流体动力式超声雾化的具体机理尚不清晰，需要进一步探究液流在喷嘴雾化区域内的首次和二次破碎过程，创新优化喷嘴内部阀芯、外部谐振结构和尺寸参数[66,76-77]，为进一步探究与应用超声雾化技术提供理论参考。

6 展望

综合上述梳理的物理场辅助农业雾化喷施技术研究内容可知，物理场辅助农业施药的研究在田间试验、理论探索和效率优化等方面取得了长足发展，相关结论及经验促进了该领域内技术与装备的进步。但各物理场影响下的雾滴生成、运移、沉积等机理特性尚不清晰，大部分田间试验的可重复性和普适性较差，雾滴沉积效果的评价、预测、实时调控等需求尚未完全满足。

近年，AI、大数据、物联网和5G 通讯等高新技术发展迅速，为进一步解决农业植保作业优化的相关难题提供了可能。结合现有的新技术，针对农业植保施药的需求和特点，总结和提出物理场辅助雾化喷施的研究方向和思路。

1）使用更强大的计算设备与新的复杂物理场计算方法、数字孪生技术，构建植保施药作业分析平台，开展多物理场影响下的雾化过程模拟、雾滴运动模拟、雾滴与作物冠层或枝叶的交互模拟等，为实际作业提供可视化参考和预测分析。

2）结合光学传感原理开发能够微距、高速采集复杂环境中雾滴运动、分布的精密便携载设备，结合生物传感器原理开发能够精准捕捉雾滴沉积细节的易布置、回收和检测的数据采集设备，为精确的雾滴运动、沉积模型建立与优化提供有力的数据支撑。

3）使用大数据分析、深度强化学习等人工智能方法，结合采集的精确数据，充分挖掘植保施药作业样本数据中潜在的规律；结合物联网与5G 通讯技术构建实时数据采集分析、雾滴运移与沉积预测、作业参数在线优化决策的精准施药架构，实现智慧化、无人化的植保作业。