靜電噴霧在農(nóng)藥植保領(lǐng)域的應(yīng)用與現(xiàn)狀分析

張少杰 孫軒 高勝松 朱法亮 謝永輝 王志江 艾宇 張?zhí)祉?/p>

摘要 首先從靜電噴霧的靜電產(chǎn)生、霧滴霧化以及霧滴吸附等基礎(chǔ)理論出發(fā)，論述了霧滴霧化性能評(píng)價(jià)指標(biāo)和方法，并概括性對比分析了3種不同靜電充電方式及各自的優(yōu)缺點(diǎn)，得出在相同情況下感應(yīng)式充電效果更佳的一般性結(jié)論;其次，通過對國內(nèi)外大型噴霧器械的應(yīng)用與現(xiàn)狀的論述，為我國靜電噴霧機(jī)械設(shè)備的研究和發(fā)展明確了方向;最后論述了靜電電壓、噴霧液壓、噴霧速度和環(huán)境風(fēng)速這4個(gè)關(guān)鍵因素對靜電噴霧霧滴沉積分布的影響，并提出靜電噴霧技術(shù)在煙草農(nóng)藥施藥上的應(yīng)用研究展望與建議。

關(guān)鍵詞 靜電噴霧;靜電理論;霧滴荷電;沉積分布;噴藥機(jī)械

中圖分類號(hào) S126 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

文章編號(hào) 0517-6611（2019）17-0015-05

Abstract Firstly， based on the basic theory of electrostatic spray， atomization and droplet adsorption， the evaluation indexes and methods of fog atomization performance were discussed. Three different electrostatic charging methods and their respective advantages disadvantages were summarized and analyzed. The general conclusion that the inductive charging effect is better under the same conditions was obtainted;secondly， through the discussion of the application and status quo of largescale spray instruments at home and abroad， the direction of the research and development of electrostatic spray machinery in China was clear;the effects of electrostatic voltage， spray hydraulic pressure， spray velocity and ambient wind speed on the distribution of electrostatic spray droplets were discussed. The application prospects and recommendations of electrostatic spray technology on tobacco pesticide application were proposed.

Key words Electrostatic spray;Electrostatic theory;Droplet charge;Deposition distribution;Spray machinery

隨著人民對生態(tài)壞境、食品健康安全的意識(shí)越來越高。而目前植保依然以化學(xué)農(nóng)藥防治為主，由于國內(nèi)植保施藥技術(shù)及機(jī)具的相對落后，噴施農(nóng)藥的有效利用率只有 20%～30%，遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國家的60%～70%[1]，所以造成農(nóng)藥的過量和不科學(xué)使用，導(dǎo)致有大量的農(nóng)藥殘留，造成農(nóng)產(chǎn)品、土壤、水體等污染，受污染的耕地面積已經(jīng)超過1 300～1 600 hm2[2-3]。嚴(yán)重影響農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量安全，危害人的健康，威脅21世紀(jì)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[4-5]。

霧滴可以吸附在作物的正反面，提高霧滴的附著率。同時(shí)使霧滴粒徑更小，提高霧滴的穿透能力，獲得微小均勻的霧滴，降低施藥成本，減少農(nóng)藥殘留、霧滴飄移與環(huán)境污染，提高農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量安全[6]。國家在“十三五”規(guī)劃中提出全國農(nóng)藥用量逐年減少的目標(biāo)，達(dá)到農(nóng)藥減藥增效的效果[7]?；陟o電噴霧等優(yōu)點(diǎn)靜電噴霧一直是國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)課題。

1 靜電噴霧理論概述

1.1 靜電吸附理論

靜電噴霧技術(shù)是將高壓靜電與液體連接，在噴頭處噴霧的霧滴與作物靶標(biāo)形成靜電場，液滴霧化后霧滴被充上荷電形成荷電霧滴群，在靜電感應(yīng)下作物靶標(biāo)生成異種電荷，產(chǎn)生庫侖力[8-9]，然后在靜電場力、重力、粘滯力和霧滴的表面張力共同作用下做定向運(yùn)動(dòng)[10]。靜電噴霧原理如圖1所示。

靜電噴霧中帶電霧滴形成的電力線具有穿透性，霧滴具有吸附性，所以霧滴不僅可以沉積于靶標(biāo)作物的表面，還可以穿入靶標(biāo)作物的內(nèi)部，沉積到靶標(biāo)作物葉片的背面和隱蔽部位。與傳統(tǒng)噴霧方式相比，因?yàn)殪o電噴霧所產(chǎn)生的霧滴群帶同種電荷，霧滴之間相互排斥分裂形成更小的霧滴，使霧滴在靶標(biāo)作物上分布更加均勻[11]。

1.2 靜電機(jī)理

在靜電噴霧技術(shù)中，充電噴霧以感應(yīng)充電法、接觸式充電法和電暈式充法為主[12]。3種霧滴充電方法各有其特點(diǎn)。

（1）感應(yīng)式充電法是在噴桿與噴頭之間加設(shè)電源，使噴頭與感應(yīng)電極之間形成電場給霧滴充電的方法，可以直接作用在普通的噴頭上[13-14]。

Inculet等[15]以黃銅為電極材料，通過感應(yīng)充電的方法設(shè)計(jì)了一套針對飛機(jī)使用的靜電噴霧裝置，解決了航空農(nóng)藥噴霧中由于正負(fù)充電不均勻?qū)е嘛w機(jī)帶電的問題。聞建龍等[16]采用感應(yīng)電極設(shè)計(jì)充電裝置，使用普通壓力霧化噴頭，與非荷電情況進(jìn)行對比，在感應(yīng)充電下荷電霧滴在提高噴霧均勻性，細(xì)化霧滴粒徑等方面有明顯效果。

（2）電暈充電法是將噴桿與噴頭接地，霧滴接高壓正極電源，高壓靜電發(fā)生器在電極處放電，周圍形成局部強(qiáng)電場，使霧滴帶電。這種充電方式適用于大型農(nóng)藥噴霧機(jī)[17-18]。

陳志剛等[19]采用電暈充電的方法設(shè)計(jì)多針組合機(jī)電極，研究得出電暈電極僅在運(yùn)輸初級(jí)階段對霧滴的運(yùn)動(dòng)起主導(dǎo)作用。

（3）接觸式充電是將高壓靜電發(fā)生器與液體相連，無感應(yīng)極環(huán)和電極，使液體與大地形成電場，直接對霧化的液滴進(jìn)行充電，一般作用于小型手持噴霧器。

Maski等[20]采用接觸式靜電噴霧器以模擬植株法，測定不同速度、荷電電壓、流量、噴霧高度、噴霧角度下的沉積分布數(shù)值。

1.3 霧滴沉積分布指標(biāo)

如何提高霧滴沉積性能是靜電噴霧的重要研究[21] 。對于霧滴沉積分布特性具有相關(guān)的評(píng)定參數(shù)，包括霧滴粒徑（數(shù)量中值直徑和體積中值直徑）、霧滴直徑均勻度、霧滴變異系數(shù)等。

霧滴數(shù)量中值直徑（數(shù)量中徑）是指霧滴直徑按照大小升序排列，霧滴數(shù)量達(dá)到總霧滴的50%時(shí)的霧滴直徑，用NMD表示。

霧滴體積中值直徑（體積中徑）是指霧滴直徑按照從小到大排列，霧滴體積累計(jì)達(dá)到總霧滴的50%時(shí)的霧滴直徑，用VMD表示。計(jì)算公式如下：

2 國內(nèi)外發(fā)展概況

2.1 國外發(fā)展概況

國外學(xué)者在靜電噴霧方面的研究較早，20世紀(jì)40年代美國學(xué)者應(yīng)用靜電技術(shù)對農(nóng)藥粉劑進(jìn)行了試驗(yàn)研究，證明了在靜電場的作用下粉劑農(nóng)藥的附著率明顯提高[23]。隨之英國、加拿大等國家對液體農(nóng)藥進(jìn)行了靜電噴霧的研究，表明：靜電噴霧顯著提高了霧滴在作物正反面的覆蓋率，減少了農(nóng)藥的飄移[15]。

1966年美國學(xué)者Law等[24-27]研制了靜電噴霧系統(tǒng)并應(yīng)用在在棉花植株上，并提出在靜電噴霧的基礎(chǔ)上加上送風(fēng)系統(tǒng)有助于提高霧滴的附著率和在植株上的穿透率。大量試驗(yàn)研究表明，在相同情況下，靜電噴霧噴灑量增加55%，霧滴粒徑在30～50 μm，作用于作物上的荷質(zhì)比在2 mc/kg的情況下霧滴的沉積效果較好。美國喬治亞大學(xué)專家研制的氣助式靜電噴霧系統(tǒng)有美國ESS公司生產(chǎn)投入市場應(yīng)用，相比常規(guī)施藥節(jié)約農(nóng)藥50%以上[28]。該公司生產(chǎn)的氣助式靜電噴霧機(jī)如圖2所示。

2010年印度學(xué)者M(jìn)aski等[20]在不同的噴藥速度、作物高度和噴藥方向研究霧滴在作物葉片正反面的沉積效果以及變化規(guī)律，研究表明：工作參數(shù)和作物的形狀對霧滴的沉積效果影響顯著。

2.2 國內(nèi)發(fā)展概況

我國在靜電噴霧方面的研究比較晚，大約在20世紀(jì)70年代開始研究[29]。從靜電的荷質(zhì)比和霧滴的沉積分布，如何減少霧滴的漂移，增加霧滴的覆蓋率，研制相關(guān)的大型噴霧機(jī)械等方面展開研究。

于水等[30]運(yùn)用靜電噴霧對液滴的二次霧化的機(jī)理進(jìn)行了建模分析，得到了荷電液滴霧化破裂的理論邊界條件，量化臨界荷質(zhì)比與霧滴粒徑的關(guān)系。研究得到使得霧滴荷電化臨界荷質(zhì)比至少要達(dá)到10-5 C/g數(shù)量級(jí)，要想霧滴發(fā)生荷電霧化必須提高其荷電能力。靜電力減少了霧滴的表面張力，減少了霧化阻力，同時(shí)增大霧滴的運(yùn)動(dòng)速度可以增加霧滴的荷電霧化能力。王瀟楠等[31]研究一套噴霧機(jī)的漂移測試系統(tǒng)，并對噴頭類型與壓力對漂移的影響進(jìn)行了研究，對漂移性能進(jìn)行了對比試驗(yàn)，研究表明：壓力對霧滴的漂移潛力影響顯著，漂移潛力隨著噴霧壓力的增大而增大，并說明小霧滴比大霧滴等容易發(fā)生漂移，其小于100 μm的霧滴更容易漂移。

2.3 噴霧器械研究

在大型的噴霧機(jī)方面我國已經(jīng)擁有了長足的研究。中國農(nóng)業(yè)大學(xué)李龍龍等[32]研發(fā)設(shè)計(jì)了一套變風(fēng)量與變噴霧量的自動(dòng)精準(zhǔn)的噴霧機(jī)，采用高精度的激光傳感器檢測植株作物，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)對作物的掃描和對作物冠層的分割模型設(shè)計(jì)，通過PWM信號(hào)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)風(fēng)速大小控制電機(jī)實(shí)現(xiàn)噴頭流量的變化。可以根據(jù)作物的生長形態(tài)實(shí)行變量的噴藥。樣機(jī)如下圖3、4所示。

美國公司ESS在噴霧機(jī)的基礎(chǔ)上加上靜電噴頭研發(fā)的大型靜電噴霧機(jī)，適用于大型的果園，通過風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的高速氣流，將霧滴運(yùn)輸?shù)焦麡涞墓趯又?，同時(shí)靜電霧滴可以更好的吸附在葉片的反面，增加霧滴的覆蓋率[33]。ESS公司與MARTIGNANI公司生產(chǎn)的靜電噴霧機(jī)如圖4所示。

農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)機(jī)化研究所研制低矮果樹自走式風(fēng)送噴霧機(jī)，針對于果園行距較少，果樹低矮狀況，利用軸流風(fēng)機(jī)擴(kuò)大了霧滴的施藥面積，很好地將霧滴輸送到果樹的內(nèi)部與葉片的反面。通過試驗(yàn)證明，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速與樹冠內(nèi)外枝葉片上的霧滴密度與覆蓋率呈正相關(guān)關(guān)系。風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速在1 400 r/min時(shí)風(fēng)量為2.7 m3/s，樹冠內(nèi)部葉片正面的平均覆蓋率達(dá)5876%，反面的平均覆蓋率達(dá)19.65%;樹冠外部葉片正面有69.35%的覆蓋率，沉積密度105個(gè)/cm2反面覆蓋率3266%的覆蓋率，沉積密度96個(gè)/cm2達(dá)到病蟲害防治霧滴密度要求[34]。試驗(yàn)樣機(jī)如圖5所示。

目前我國大型噴霧機(jī)研究較為廣泛，但未形成完整的產(chǎn)業(yè)鏈，并未大范圍的推廣使用，相對于發(fā)達(dá)國建患有一定的差距，而隨著近年來國家對土地三權(quán)分置政策的實(shí)施，未來土地將呈現(xiàn)大小農(nóng)場的形式，對于大型噴霧機(jī)的應(yīng)用將越來越廣泛，對于商品化生產(chǎn)將起到良好的促進(jìn)作用。

3 影響因素研究

除了對大型噴霧器械的研究，噴霧設(shè)備的具體的施藥參數(shù)對霧滴沉積分布具有極其顯著的影響。相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者進(jìn)行了大量的試驗(yàn)對比，研究總結(jié)其影響因素主要有靜電噴霧的靜電電壓、環(huán)境的風(fēng)速大小、距離作物的噴藥高度、器械的噴霧速度和噴霧壓力，在不同風(fēng)速方向也影響著霧滴在作物上的沉積分布。

3.1 靜電電壓影響

霧滴的靜電電壓直接決定這霧滴的靜電吸附力。高雄等[35]研究靜電電壓對霧滴沉積特性的影響，結(jié)論證明靜電明顯減小了霧滴的平均粒徑。當(dāng)靜電電壓由0～4 kV的情況下，霧滴平均粒徑變小，沉積霧滴數(shù)增加，沉積分布狀態(tài)得到明顯改善。

Maski等[36]研究施藥速度與靜電電壓對霧滴沉積分布的影響，研究證明：在低速噴霧時(shí)霧滴在葉片背面的沉積量與電壓呈正相關(guān)關(guān)系。而在高速噴霧時(shí)，霧滴葉背面的沉積量與充電電壓呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。周良富等[37]研究在感應(yīng)電壓、風(fēng)機(jī)頻率、噴霧距離和噴霧壓力等四因素三水平對霧滴沉積分布的影響，研究表明，對霧滴反面吸附性影響程度從大到小依次為充電電壓、噴霧距離、噴霧壓力、風(fēng)機(jī)平率。

茹煜等[38]研究荷電電壓對霧滴沉積特性與作物附著性的影響，對比靜電與非靜電的霧滴沉積分布特性和葉片附著率。得出結(jié)論，霧滴荷電增加霧滴的運(yùn)動(dòng)速度與作物的定向移動(dòng)，因?yàn)橥N電荷相互排斥，所以靜電電荷增加葉片正面與反面的霧滴密度，靜電電荷減少霧滴的表面張力，提高了霧滴的附著率。

3.2 壓力、風(fēng)速的影響

陳志剛等[19]研究不同風(fēng)速、噴霧壓力和靜電電壓對霧滴沉積分布的影響，其對沉積分布的影響因素由強(qiáng)到弱依次為靜電電壓、噴霧壓力和風(fēng)速。隨著電壓的升高霧滴荷質(zhì)比隨之增大，在3～4 kV增幅最大，在6 kV達(dá)到最大，且霧滴的正反面的沉積率達(dá)到最大，分別是3786%和715%。升高霧滴的變異系數(shù)減少均勻度有了明顯的提高。在無風(fēng)條件下選取不同的噴霧壓力研究，發(fā)現(xiàn)隨著噴霧壓力的增大霧滴的沉積率隨之增大，在6 kV的電壓和0.4 MPa的壓力下最大沉積率為40.17%，但是隨著風(fēng)速的增大霧滴的沉積率反而減少，變異系數(shù)增大。

楊洲等[39]研究在1、2、4 m/s側(cè)風(fēng)下靜電電壓對霧滴飄移的影響。隨著靜電電壓增大霧滴粒徑變小，側(cè)風(fēng)速增大，霧滴的飄移中心距增大飄失率增大，在2 m/s的恒風(fēng)速和0～4 s的自然風(fēng)對比對霧滴的飄失率無明顯差異。

以上研究說明壓力與風(fēng)速在不同程度上影響霧滴的沉積分布，風(fēng)速是影響霧滴漂移的主要因素。

4 靜電噴霧在煙草的應(yīng)用

2012年，南方煙區(qū)種植面積占全國總收購量的87%。在南方煙區(qū)又以云南的產(chǎn)量最大，約占全國總量的46%，近幾年河南山東等地?zé)煵莘N植面積的減少，以云南四川貴州等地占比越來越大[40]。目前我國煙農(nóng)還是以小區(qū)域作業(yè)，煙草植保噴藥器械仍以手持式小型噴藥器械為主，這就意味著存在農(nóng)藥大量浪費(fèi)，霧滴漂移嚴(yán)重，危害土壤環(huán)境的問題，隨著靜電噴霧技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)在逐步以電動(dòng)靜電噴霧器替代原有的手動(dòng)噴霧器。靜電噴霧器產(chǎn)生的霧滴粒徑更小，且在靜電力的作用下霧滴帶電可以自動(dòng)吸附在煙草作物上，提高農(nóng)藥的利用率。但作為煙草指定作物，噴藥特定的時(shí)間要求，在煙苗移栽時(shí)必須噴一次農(nóng)藥，在煙草40 cm的高度必須噴一次藥，在煙草打頂噴一次藥，時(shí)間不同，對應(yīng)的煙草的生長狀態(tài)不同。為了達(dá)到節(jié)約農(nóng)藥，保護(hù)環(huán)境的效果，根據(jù)特定的作物形態(tài)，采取不同的噴藥作業(yè)參數(shù)。

由于云南地勢高低不平，難以使用大型的噴藥器械，所以目前還是以靜電噴霧器噴藥為主。農(nóng)戶還是采用農(nóng)藥水洗的方式進(jìn)行噴藥，在煙草的不同生長姿態(tài)下沒有正確的噴藥技術(shù)操作的指導(dǎo)，在云南省煙草科技項(xiàng)目的支持下，采用卡紙法，運(yùn)用圖像處理技術(shù)展開針對靜背負(fù)式靜電噴霧器對煙草的正確噴藥技術(shù)參數(shù)的研究。研究煙草移栽40 cm左右的第二次噴藥，在不同的噴霧高度、噴霧壓力、行走速度、環(huán)境風(fēng)速、風(fēng)速方向下，霧滴的沉積分布狀況，從而選取出最佳的施藥參數(shù)。試驗(yàn)過程如圖6所示。

根據(jù)水敏紙上霧滴的分布情況可以發(fā)現(xiàn)在不同的作業(yè)參數(shù)下，對葉片正面與反面的霧滴沉積情況有顯著影響。煙草葉片頂端葉面少，中下段葉面面積大，接下來將具體研究影響的程度和最佳的施藥參數(shù)。霧滴效果展示如圖7所示。

5 研究展望與建議

（1）我國的靜電噴霧研究不少，但針對大型靜電噴霧器械的研究較少，且并沒有實(shí)現(xiàn)大面積的商用。未來土地集中，對大型噴霧器械的應(yīng)用越來越廣泛，可以著重研究。

（2）作物在不同的生長期有不同的作物形態(tài)，并不能制定單一的統(tǒng)一施藥技術(shù)規(guī)范，要針對特定作物，特定作物的生長形態(tài)制定其噴藥技術(shù)規(guī)范，可以對糧食類作物或經(jīng)濟(jì)作物進(jìn)行相應(yīng)的研究，根據(jù)其研究情況為大型噴霧器械設(shè)計(jì)提供參考。

（3）不同的作物葉面有不同的特性，其靜電吸附性又與作物葉片的特性有關(guān)，可以研究特定作物葉片的特性與靜電吸附性的關(guān)系。

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