農(nóng)藥噴霧全過程性能分析及其測(cè)試技術(shù)研究進(jìn)展

鄭加強(qiáng)，張慧春，徐幼林，周宏平

(南京林業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，南京 210037)

農(nóng)林植物受生物脅迫(病蟲草鼠害等)及非生物脅迫(干旱、鹽堿、洪澇等)等多種脅迫因素影響，特別是生物脅迫，發(fā)生面積總體居高不下?；瘜W(xué)農(nóng)藥防治是目前植物保護(hù)最主要的消滅或控制有害生物脅迫的方法，也是根據(jù)植物保護(hù)原理，利用物理、生物等一系列防治措施有機(jī)組合，形成一套防治策略和防治戰(zhàn)術(shù)的有害生物綜合防治(integrated pest management，IPM)的主要措施。美國(guó)植物病理學(xué)家Borlaug預(yù)言[1]“我們要優(yōu)先考慮的是吃并保持健康，為此必須要有農(nóng)藥。如果沒有農(nóng)藥，全世界將挨餓！”化學(xué)農(nóng)藥防治占植物保護(hù)80%的主導(dǎo)地位，但濫用農(nóng)藥不可避免地導(dǎo)致了一系列問題，甚至影響整個(gè)農(nóng)林生態(tài)系統(tǒng)，眾多研究機(jī)構(gòu)紛紛開展農(nóng)藥減量、精確對(duì)靶、生物農(nóng)藥開發(fā)等植保方法和技術(shù)研究[2-5]。而病蟲草害防治效果與農(nóng)藥噴霧過程狀況和噴霧性能優(yōu)劣直接相關(guān)，為此筆者擬綜述國(guó)內(nèi)外農(nóng)藥噴霧性能測(cè)試技術(shù)的研究進(jìn)展，提出綜合噴霧性能測(cè)試及智能化無人農(nóng)場(chǎng)植保作業(yè)性能測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)等建議，以形成農(nóng)藥噴霧過程測(cè)試技術(shù)體系。

1 農(nóng)藥噴霧全過程性能分析

農(nóng)藥噴霧是利用噴霧機(jī)將液態(tài)農(nóng)藥霧化成霧滴，輸運(yùn)到靶標(biāo)的過程，包括霧化過程、輸運(yùn)沉降過程和沉積過程。評(píng)價(jià)農(nóng)藥噴霧機(jī)質(zhì)量的重要性能指標(biāo)包括霧滴尺寸及分布、霧滴沉積密度、藥液覆蓋率等霧化過程、輸運(yùn)沉降過程和沉積過程的性能以及關(guān)鍵部件性能、農(nóng)藥利用率及防治效果等。

圖1所示為農(nóng)藥噴霧全過程性能綜合分析圖。其中，關(guān)鍵部件(包括噴頭、泵與風(fēng)機(jī)、藥箱、管路系統(tǒng)、混藥器、噴桿、可變量控制閥等)的結(jié)構(gòu)與運(yùn)行參數(shù)及系統(tǒng)性能決定著農(nóng)藥霧化性能、輸運(yùn)沉降性能、沉積性能及噴霧綜合性能等，農(nóng)藥噴霧機(jī)整機(jī)性能狀態(tài)受關(guān)鍵部件質(zhì)量性能以及農(nóng)藥物理化學(xué)性質(zhì)等因素的影響，決定著農(nóng)藥噴霧質(zhì)量和防治效果、機(jī)具操控性和使用壽命等。農(nóng)藥殘留問題已引起高度關(guān)注，其檢測(cè)結(jié)果是指導(dǎo)改進(jìn)農(nóng)藥研發(fā)與施用方法以及降低農(nóng)藥殘留對(duì)人類危害的重要手段。農(nóng)藥噴霧防治效果是實(shí)現(xiàn)農(nóng)藥噴霧目的的終極目標(biāo)，受農(nóng)藥物理化學(xué)性質(zhì)與氣象條件以及靶標(biāo)類型與表面特性的影響，其測(cè)定工作包括采樣方法、測(cè)試手段、數(shù)據(jù)處理和評(píng)價(jià)指標(biāo)等。農(nóng)藥有效利用率是指沉積在試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)靶標(biāo)(靶標(biāo)類型包括飛翔昆蟲、植物病害、雜草等)上的有效物質(zhì)(農(nóng)藥或熒光劑等)與噴灑到試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)有效物質(zhì)總量之比，是衡量農(nóng)藥使用水平的基本參數(shù)，目前農(nóng)藥利用率主要是根據(jù)農(nóng)藥沉積率、沉積回收率、作物吸收率以及防治效果來評(píng)價(jià)。非靶標(biāo)沉積是指噴霧過程中發(fā)生的包括滴漏(是由于噴霧機(jī)管路密封不嚴(yán)造成)、滴落(指農(nóng)藥霧滴輸運(yùn)到靶標(biāo)沉積過程滴落到非靶標(biāo)的情況)、蒸發(fā)、飄移以及殘液處置(指完成噴霧作業(yè)后殘留在藥箱中的殘液處理)等，非靶標(biāo)沉積和沉積到靶標(biāo)后的蒸發(fā)、彈跳、流失以及農(nóng)藥殘留等是不希望出現(xiàn)的現(xiàn)象。生物農(nóng)藥施用性能則包括噴頭霧化對(duì)微生物活性的影響，因?yàn)槲⑸镉伸F化噴頭噴出時(shí)，生物農(nóng)藥制劑細(xì)胞表面受各種力的疊加會(huì)對(duì)細(xì)胞結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，傷害到所含的生物活體，會(huì)導(dǎo)致存活率下降。

圖1 農(nóng)藥噴霧全過程性能綜合分析圖Fig. 1 Comprehensive performance analysis diagram of pesticide spraying process

1)霧化性能。液體霧化是通過噴頭使液體分散成眾多微小霧滴，包括液力霧化、轉(zhuǎn)盤(轉(zhuǎn)籠、轉(zhuǎn)杯)離心霧化、氣動(dòng)力霧化、超聲波霧化、靜電霧化、熱力霧化等方式及其組合霧化方式。霧化需要克服氣動(dòng)阻力、黏滯力、液體表面張力、慣性力等及其各種力的相互作用，其霧化過程性能包括噴霧宏觀特性和噴霧微觀特性，噴霧宏觀特性參數(shù)包括霧流錐角形狀、射流貫穿長(zhǎng)度、液膜破碎距離、霧滴在噴霧場(chǎng)的分布以及藥液在線混合、施藥量調(diào)節(jié)等，微觀特性參數(shù)包括霧滴的變形、分裂、聚合、碰撞等過程以及霧滴尺寸及其均勻性、霧滴在流場(chǎng)中位置以及霧滴速度、溫度等[6]。當(dāng)然霧化過程還應(yīng)包括藥液輸送至噴頭及其藥水在線混合和實(shí)現(xiàn)施藥量調(diào)節(jié)的內(nèi)容。為了減少人與藥接觸造成的污染事件以及節(jié)約農(nóng)藥等，國(guó)內(nèi)外開展了水溶性農(nóng)藥、脂溶性農(nóng)藥在線混合以及噴霧混藥一體化研究，其中混合濃度是在線混藥的關(guān)鍵性能指標(biāo)[7-8]。由于農(nóng)田中各小田塊的含水率、有機(jī)物含量及靶標(biāo)葉面積特性等各不相同，需要適時(shí)依據(jù)其變量信息，對(duì)每一小田塊采用可變量技術(shù)(variable rate technique，VRT)進(jìn)行可變量精確施藥等，即計(jì)算機(jī)(控制器)接收來自地理信息系統(tǒng)、田間定位系統(tǒng)、實(shí)時(shí)傳感器等信息，控制可變量施用設(shè)備調(diào)節(jié)施用量，通過流量控制系統(tǒng)控制總流量，流量傳感器檢測(cè)實(shí)際流量并將此信息傳送給計(jì)算機(jī)控制噴霧系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)農(nóng)藥施用量微調(diào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)靶、按需施藥[9-10]。

2)輸運(yùn)沉降性能。霧滴形成后到達(dá)靶標(biāo)前的輸運(yùn)沉降過程及其霧滴脫靶可能性，除受霧滴離開噴頭時(shí)的運(yùn)動(dòng)動(dòng)力特性、環(huán)境因素影響外，很大程度上取決于噴頭與靶標(biāo)間的流場(chǎng)狀態(tài)，對(duì)于農(nóng)藥靜電噴霧還取決于電場(chǎng)狀態(tài)，因此對(duì)流場(chǎng)(電場(chǎng))的性能分析及其霧滴在流場(chǎng)(電場(chǎng))中的行為測(cè)試極為重要，國(guó)內(nèi)外開展了大量的噴頭類型、氣流、噴霧方向等噴霧參數(shù)以及氣象條件等對(duì)霧滴沉降飄移性能影響的分析[11-12]。近年來國(guó)內(nèi)外開展了大量的植保無人機(jī)噴霧參數(shù)對(duì)霧滴飄移和沉積效果的影響研究，如最佳作業(yè)高度、作業(yè)速度范圍、旋翼及下洗風(fēng)場(chǎng)、噴頭類型及噴霧參數(shù)、電池及續(xù)航能力、控制系統(tǒng)及航線規(guī)劃和配套部件等對(duì)霧滴沉積分布、防治效果等對(duì)飄移性能的影響[13-14]。

3)沉積性能。霧滴到達(dá)靶標(biāo)后的運(yùn)動(dòng)行為直接影響著霧滴脫靶可能性和霧滴沉積分布性能，這些行為包括撞擊后的浸潤(rùn)、持留、蒸發(fā)、彈跳、滑落等，與靶標(biāo)表面特性、霧滴與靶標(biāo)接觸時(shí)的狀態(tài)、環(huán)境條件、輔藥助劑等密切相關(guān)[15-18]。

2 農(nóng)藥噴霧性能測(cè)試研究現(xiàn)狀

2.1 農(nóng)藥噴霧性能綜合測(cè)試及噴霧機(jī)整機(jī)性能測(cè)試

為克服田間試驗(yàn)的隨機(jī)性、不可重復(fù)性，圍繞影響農(nóng)藥噴霧質(zhì)量及各影響因素，按照國(guó)內(nèi)外相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，需要設(shè)計(jì)室內(nèi)農(nóng)藥噴霧綜合性能測(cè)試系統(tǒng)，通常霧化噴頭綜合性能試驗(yàn)系統(tǒng)由臺(tái)架、供液系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)組成，包括收集裝置、噴頭位置調(diào)節(jié)裝置、排水裝置、PIV及激光粒度儀支架結(jié)構(gòu)、水泵支架等部分組成。而霧化噴頭供液系統(tǒng)由調(diào)節(jié)閥、傳感器、過濾器等組成，主要完成流體的輸運(yùn)及壓力或流量的調(diào)節(jié)功能，除了可測(cè)量常規(guī)噴霧參數(shù)外，還可進(jìn)行霧滴粒徑、霧滴運(yùn)動(dòng)流場(chǎng)測(cè)量，生成直觀的速度云圖及粒徑標(biāo)準(zhǔn)分布圖[19-20]。針對(duì)農(nóng)藥精確對(duì)靶噴霧設(shè)計(jì)了包括模擬靶標(biāo)及其傳送裝置、靶標(biāo)圖像采集與處理系統(tǒng)、噴霧控制系統(tǒng)等的室內(nèi)農(nóng)藥自動(dòng)精確噴霧系統(tǒng)以及針對(duì)植保無人機(jī)研究設(shè)計(jì)了無人機(jī)霧滴粒徑及沉積分布測(cè)試的室內(nèi)噴霧綜合試驗(yàn)臺(tái)等[21-23]。

農(nóng)藥噴霧機(jī)的整機(jī)性能測(cè)試是必不可少的，如國(guó)內(nèi)外開展了自走式風(fēng)送噴霧機(jī)試驗(yàn)[24]、罩蓋式防飄噴霧機(jī)防飄試驗(yàn)[25]、隧道式噴霧機(jī)試驗(yàn)評(píng)價(jià)[26]、靜電轉(zhuǎn)盤噴霧機(jī)沉降分析[27]、果園自動(dòng)對(duì)靶靜電噴霧機(jī)試驗(yàn)[28]、植保無人機(jī)性能評(píng)價(jià)[29]、仿形噴霧機(jī)試驗(yàn)[30]等。

2.2 關(guān)鍵噴霧部件性能測(cè)試

關(guān)鍵噴霧部件包括噴頭、泵、風(fēng)機(jī)、噴桿及噴霧控制系統(tǒng)等。

1)噴頭設(shè)計(jì)及磨損測(cè)試：對(duì)于開發(fā)設(shè)計(jì)植保機(jī)械的新型噴頭，通常需要不斷開展噴頭質(zhì)量及霧化性能測(cè)試，如扇形霧噴頭[31]、航空靜電噴霧噴頭[32]、無人機(jī)植保轉(zhuǎn)杯噴頭[33]、脈沖調(diào)制間歇流量控制噴頭[34]等的性能測(cè)試。通過噴頭磨損測(cè)試，可以預(yù)測(cè)噴霧質(zhì)量性能和噴頭報(bào)廢判據(jù)等。

2)泵與風(fēng)機(jī)：植保機(jī)械常用液泵包括活塞泵、柱塞泵、活塞隔膜泵、滾子泵、離心泵以及旋渦泵、射流泵和撓性轉(zhuǎn)子泵等，國(guó)內(nèi)外開展了許多有關(guān)植保機(jī)械用泵的性能測(cè)試研究，如根據(jù)試驗(yàn)繪制離心風(fēng)機(jī)和軸流風(fēng)機(jī)的有因次和無因次性能曲線等[35]。風(fēng)機(jī)性能直接影響風(fēng)送式植保機(jī)械的藥液霧化性能、噴霧射程、霧滴防飄移性及霧滴沉積穿透能力等。

3)噴桿：噴桿是各類噴桿噴霧機(jī)的重要部件，需要測(cè)試噴桿穩(wěn)定性(如噴桿結(jié)構(gòu)剛度以及減振方式)解決噴桿振動(dòng)引起噴霧量分布不均和沉降沉積性能惡化等問題[36]。為了調(diào)節(jié)噴幅、節(jié)省空間及適應(yīng)不同的作業(yè)環(huán)境，分段設(shè)計(jì)、自動(dòng)伸縮的變噴桿也是研究熱點(diǎn)。

4)噴霧控制系統(tǒng)：對(duì)于智能農(nóng)藥噴霧機(jī)，需要測(cè)試一系列的傳感器和噴霧控制系統(tǒng)的性能，分析施藥過程中的霧滴運(yùn)動(dòng)特性、靶標(biāo)特征識(shí)別、施藥決策、數(shù)據(jù)交換和噴頭控制，實(shí)現(xiàn)農(nóng)藥精確施用評(píng)價(jià)等[37-38]。

2.3 霧化性能測(cè)試

針對(duì)霧化過程的宏觀特性和微觀特性，這里選擇混藥效果測(cè)試、霧化機(jī)理測(cè)試和霧滴尺寸測(cè)量等進(jìn)行闡述。

1)混藥效果測(cè)試：農(nóng)藥在線混藥效果包括混合濃度及均勻性和混藥響應(yīng)時(shí)間，通?？梢栽谀M農(nóng)藥中添加熒光劑，然后采用熒光分析和高速攝影技術(shù)進(jìn)行混合濃度檢測(cè)，分析混合濃度均勻性和動(dòng)態(tài)濃度一致性等及其影響因素[39-41]。另外可以在模擬農(nóng)藥中添加跟隨粒子，如圖2所示即為WDG(水分散粒劑)在線混合變量噴霧試驗(yàn)系統(tǒng)，借助高速相機(jī)與全反射三棱鏡采集混藥檢測(cè)區(qū)模擬跟隨粒子的流動(dòng)分布，基于雙視角圖像粒子匹配、三維重構(gòu)等提取粒子速度矢量，分析混合均勻性[42]。

1.水箱；2.初混水泵；3.電磁流量計(jì)；4.WDG 藥箱；5.壓力計(jì)；6.WDG 輸送器；7.射流混藥器；8.全反射三棱鏡；9.水平檢測(cè)管；10.高速相機(jī)；11.藥液緩沖箱；12.計(jì)量藥泵；13.噴霧水泵；14.噴頭集成。圖2 WDG在線混合變量噴霧試驗(yàn)系統(tǒng)原理圖Fig. 2 Schematic of inline mixing variable-rate spraying system for applying WDG

2)霧化機(jī)理測(cè)試：霧化過程很復(fù)雜，通常需要借助測(cè)試技術(shù)來為霧化機(jī)理研究及后續(xù)的空間運(yùn)動(dòng)規(guī)律分析提供支持[43]。如：利用光電測(cè)試技術(shù)可捕獲農(nóng)藥霧化分散過程細(xì)節(jié)[44]；利用霧滴粒徑分析儀(PDIA)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)扇形霧噴頭(ST)與防飄噴頭(IDK)的霧化過程的液膜區(qū)波紋結(jié)構(gòu)或氣泡狀結(jié)構(gòu)、破裂區(qū)不規(guī)則撕裂等進(jìn)行可視化試驗(yàn)與圖形分析[45]；采用改制的液體表面張力儀測(cè)試靜電作用下液體表面張力的變化，從而分析液體在靜電作用下克服表面張力實(shí)現(xiàn)更優(yōu)霧化的機(jī)理[46]；采用高純度耐高溫石英材料的可視化測(cè)試裝置，可實(shí)現(xiàn)對(duì)油溶劑或水基型農(nóng)藥熱力霧化中破碎、裂化、蒸發(fā)及冷凝形成霧滴的過程測(cè)試[47]。

3)霧滴尺寸測(cè)試：霧滴尺寸測(cè)量的采樣方式主要包括機(jī)械方法、光學(xué)方法和圖像方法等[48-49]。①機(jī)械方法——通過水/油敏紙或氧化鎂采集霧滴或通過油皿法采集水劑霧滴，然后用顯微鏡讀取霧滴直徑數(shù)據(jù)，但除油皿法采集收集水劑霧滴外，其他機(jī)械方法采集的霧滴通常需要考慮擴(kuò)散修正系數(shù)[50]；②光學(xué)方法——利用霧滴物理特性(如光強(qiáng)、相差、熒光和極化等)，采用高速攝影、激光全息和掃描技術(shù)等測(cè)量方法，如Aerometrics P/DPA、Malvern 激光粒譜儀、PMS、Bete霧滴分析儀、KLD等[49,51]以及包括激光成像探頭、數(shù)據(jù)系統(tǒng)采集和3D定位裝置的計(jì)算機(jī)輔助激光成像霧滴尺寸測(cè)量系統(tǒng)等[52]；③圖像方法——捕獲群體霧滴后采用圖像處理方法獲得霧滴尺寸[53]，而為了解決圖像中粘連霧滴的判斷和特征提取，結(jié)合霧滴形狀因子和面積閾值，用極限腐蝕法和迭代開運(yùn)算法對(duì)粘連霧滴進(jìn)行計(jì)數(shù)處理，調(diào)用迭代開運(yùn)算標(biāo)記的分水嶺算法分割，最后對(duì)分割后霧滴的連通域進(jìn)行標(biāo)記及形狀圓整[54]。

2.4 輸運(yùn)沉降過程噴霧流場(chǎng)性能測(cè)試

流場(chǎng)測(cè)試技術(shù)發(fā)展日新月異，如激光散射、激光全息和LDV、PIV、PDPA以及紅外熱圖像技術(shù)等，農(nóng)藥噴霧輸運(yùn)過程通常采用室內(nèi)風(fēng)洞及噴霧測(cè)試系統(tǒng)、田間霧滴飄移沉降測(cè)試等進(jìn)行農(nóng)藥噴霧流場(chǎng)、電場(chǎng)分布及荷質(zhì)比、噴霧形態(tài)分布和飄移性能研究[55]。

1)流場(chǎng)測(cè)試：通過包括氣流場(chǎng)、氣液固多相流場(chǎng)等的測(cè)試，可以分析多相流霧流錐角形狀及沉降特性等以及噴霧參數(shù)對(duì)霧滴沉降沉積的影響，并確定最佳作業(yè)參數(shù)[56-57]。另外探索采用低成本農(nóng)用飛機(jī)染色檢測(cè)系統(tǒng)使用綠色激光指針、USB網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)以及圖像處理軟件，檢測(cè)采集線上的噴霧沉積配合標(biāo)準(zhǔn)WRK熒光計(jì)，分析農(nóng)用航空噴霧沉積分布[58]。

2)電場(chǎng)分布與荷質(zhì)比測(cè)試：對(duì)于農(nóng)藥靜電噴霧，除了需要測(cè)試除霧滴尺寸及均勻性、流場(chǎng)狀態(tài)等以外，非常重要的是需要建立分析模型和試驗(yàn)設(shè)施，開展電場(chǎng)分布以及荷質(zhì)比與電荷衰減規(guī)律測(cè)試[59-60]，其中荷質(zhì)比可采用模擬目標(biāo)法、網(wǎng)狀目標(biāo)法和法拉第筒法測(cè)試[59]。

3)飄移測(cè)試：國(guó)內(nèi)外開展大量的噴霧參數(shù)和靶標(biāo)形態(tài)對(duì)農(nóng)藥霧滴沉降和飄移規(guī)律影響的測(cè)試分析工作[61-62]。如為了分析噴桿高度和近地面風(fēng)速分布對(duì)霧滴沉積的影響，將超聲波風(fēng)速計(jì)(圖3)放置在離地面1 m位置模擬典型噴桿高度，超聲波風(fēng)速計(jì)底部和頂部安裝3對(duì)傳感器(圖3a)(對(duì)應(yīng)圖3b俯視圖中的1、2和3處)，通過測(cè)量超聲波在兩個(gè)相對(duì)傳感器之間傳播的時(shí)間算出風(fēng)速和風(fēng)向，以每秒采樣10次測(cè)量南北(U+)、東西(V+)和垂直(W+)方向的風(fēng)速值[63]。

圖3 超聲波風(fēng)速計(jì)安裝圖Fig. 3 Placement of ultrasonic anemometers

2.5 沉積過程霧滴運(yùn)動(dòng)行為測(cè)試

霧滴運(yùn)動(dòng)行為測(cè)試研究包括霧滴與靶標(biāo)的作用測(cè)試、霧滴覆蓋性能測(cè)試等。

1)霧滴與靶標(biāo)作用測(cè)試：農(nóng)藥霧滴到達(dá)靶標(biāo)植物葉面時(shí)發(fā)生正向撞擊和斜撞擊現(xiàn)象[64-65]，并伴隨著一系列后續(xù)行為，需要通過測(cè)試分析，如彈跳[66]、浸潤(rùn)[67]、穿透[68]、持留[69]、蒸發(fā)[70]。

2)霧滴覆蓋性能測(cè)試：霧滴到達(dá)靶標(biāo)后是否能夠持續(xù)保持并提高防治效果，需要開展沉積覆蓋性能測(cè)試[71]，如采用穩(wěn)態(tài)和瞬時(shí)測(cè)量技術(shù)對(duì)目標(biāo)水敏紙上二維區(qū)域的霧滴覆蓋情況進(jìn)行測(cè)量[72]，或采用白色塑料板、尼龍網(wǎng)、不銹鋼網(wǎng)作為噴霧沉積采集器，通過高速成像系統(tǒng)判斷霧滴穿透率和回收率等[73]。當(dāng)然霧滴沉積后仍然需要對(duì)蒸發(fā)損失情況進(jìn)行測(cè)試[74-75]。另外一種植保無人機(jī)施藥霧滴空間質(zhì)量平衡測(cè)試方法，采用霧滴質(zhì)量平衡收集裝置、北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)和多通道微氣象測(cè)量系統(tǒng)聯(lián)用，對(duì)國(guó)內(nèi)典型植保無人機(jī)沉積和飄移特性進(jìn)行了評(píng)估[76]。采用5種不同類型扇形霧噴頭噴灑6種不同生物殺蟲劑，用3檔流量測(cè)試霧滴尺寸分布、霧形寬度、噴霧沉積量以及在植物葉片和水敏紙上的霧滴覆蓋率等噴霧參數(shù)[6]。

2.6 防治效果測(cè)試

1)微生物農(nóng)藥存活率測(cè)試：國(guó)內(nèi)外學(xué)者分別研究了轉(zhuǎn)籠(轉(zhuǎn)盤)式離心霧化噴頭、扇形霧噴頭及其磨損以及泵及其溫升等對(duì)微生物農(nóng)藥活性的影響測(cè)試[77-78]。

2)作業(yè)質(zhì)量與防治效果測(cè)試：施用農(nóng)藥后需要對(duì)作業(yè)質(zhì)量進(jìn)行測(cè)試，了解防治效果[79-80]。靜電噴霧機(jī)產(chǎn)生的帶電霧滴在電場(chǎng)力和其他外力作用下向靶標(biāo)運(yùn)行，需要測(cè)試霧滴在靶標(biāo)(特別是靶標(biāo)背面)的沉積率和治蟲效果[81]。

3)農(nóng)藥安全使用(有效利用率)：農(nóng)藥噴霧是在達(dá)到植物病蟲害防治效果的同時(shí)，需要確保農(nóng)藥安全使用及避免環(huán)境污染，因此需要強(qiáng)化農(nóng)藥全壽命周期管理[82]，但據(jù)研究，只有75%的農(nóng)戶在進(jìn)行農(nóng)藥作業(yè)時(shí)穿戴個(gè)人防護(hù)設(shè)備(personal protection equipment，PPE)，而且其中52%的PPE僅僅是手套和長(zhǎng)褲子而已，此外用于農(nóng)藥施用的大量拖拉機(jī)仍然開放配置而增加了操作者與農(nóng)藥接觸的危險(xiǎn)[83]。另外雖然經(jīng)常認(rèn)為發(fā)達(dá)國(guó)家平均農(nóng)藥有效利用率達(dá)60%～70%甚至80%以上，而中國(guó)僅為20%～30%，也有認(rèn)為達(dá)30%～40%，但目前這些數(shù)據(jù)只是采取樣機(jī)試驗(yàn)[84]。

2.7 農(nóng)藥殘留測(cè)試

農(nóng)藥殘留檢測(cè)通常采用氣相色譜法、液相色譜法或色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法等，其檢測(cè)精度高，如波蘭在實(shí)驗(yàn)室對(duì)104份草藥樣品中250種農(nóng)藥含量開展大范圍的農(nóng)藥殘留標(biāo)準(zhǔn)程序檢測(cè)，使用安捷倫QuEChERS前處理方法結(jié)合LC-MS/MS測(cè)定分析草藥樣品中農(nóng)藥殘留量，其中高效液相色譜系統(tǒng)HPLC配有二元泵、自動(dòng)進(jìn)樣器、在線除氣器和烘箱[85]。但在實(shí)驗(yàn)室采用氣相色譜、液相色譜等方法檢測(cè)，樣品的前處理復(fù)雜、耗時(shí)，成本高。近年來開展了用于農(nóng)藥殘留快速檢測(cè)技術(shù)研究，包括生物傳感器 (酶?jìng)鞲衅?、免疫傳感器、適配體傳感器、細(xì)胞傳感器)、光譜技術(shù) (近紅外光譜、太赫茲時(shí)域光譜、拉曼光譜等) 與微流控技術(shù)等[86]。如：可利用各種光學(xué)探測(cè)原理，如比色法、熒光(FL)、表面等離子體共振(SPR)和表面增強(qiáng)拉曼光譜(SERS)等，而納米材料可以顯著提高光學(xué)檢測(cè)性能，還可將光學(xué)分析結(jié)合智能手機(jī)小程序?qū)崿F(xiàn)在線通信，降低分析成本并實(shí)現(xiàn)快速密集檢測(cè)[87]；一種非酶?jìng)鞲衅麝嚵衼碜R(shí)別和區(qū)分5種不同類別農(nóng)藥，利用兩個(gè)金納米粒子(AuNPs)的聚集誘導(dǎo)光譜變化來鑒定農(nóng)藥，然后采用數(shù)據(jù)可視化(即熱圖、條形圖和色差圖)、模式識(shí)別方法等，可對(duì)濃度在20～5 000 ng/mL范圍的農(nóng)藥進(jìn)行定性和定量測(cè)定[88]。

3 噴霧性能測(cè)試技術(shù)研究展望

“工欲善其事，必先利其器”，要實(shí)現(xiàn)FAO提出的“與環(huán)境和用戶相容性的農(nóng)藥、農(nóng)藥制劑及農(nóng)藥使用技術(shù)”以及英國(guó)Brown告誡的“使用農(nóng)藥要像武士手中的利劍，而不應(yīng)像農(nóng)夫手中良莠不分的鐮”[1]，需要圍繞農(nóng)藥全生命周期開展農(nóng)藥噴霧性能測(cè)試，以占據(jù)農(nóng)藥使用技術(shù)和植保機(jī)械研究的主動(dòng)權(quán)，促進(jìn)形成系統(tǒng)化農(nóng)藥噴霧性能測(cè)試體系。展望未來，噴霧性能測(cè)試技術(shù)的研究發(fā)展將有以下熱點(diǎn)和趨勢(shì)：

1)系列化噴霧性能標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)系統(tǒng)研究。在已有綜合噴霧試驗(yàn)臺(tái)基礎(chǔ)上，圍繞智能植保機(jī)械的核心技術(shù)和關(guān)鍵零部件，進(jìn)一步研究綜合噴霧性能測(cè)試方法和完善室內(nèi)植保機(jī)械動(dòng)態(tài)噴灑綜合性能試驗(yàn)臺(tái)，研究包括霧滴尺寸分布、霧滴運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)、霧滴沉積附著(浸潤(rùn)與彈跳等)、防治效果等性能測(cè)試技術(shù)，促進(jìn)噴霧關(guān)鍵部件研發(fā)與質(zhì)量控制。

2)模塊化田間農(nóng)藥噴霧性能測(cè)試儀研制。融合RFID、物聯(lián)網(wǎng)IoT、大數(shù)據(jù)、人工智能、機(jī)器人以及云計(jì)算等技術(shù)，研究便攜式、車載式、固定式等田間模塊化農(nóng)藥噴霧試驗(yàn)系統(tǒng)，促進(jìn)植保機(jī)械創(chuàng)新發(fā)展。

3)農(nóng)藥噴霧模型與噴霧性能物理測(cè)試互動(dòng)耦合研究。采用VR/AR/MR等技術(shù)，分析農(nóng)藥噴霧性能物理測(cè)試方法，開展農(nóng)藥霧化與噴霧過程仿真模型、飄移與沉積模型、植物生長(zhǎng)模型等及其性能物理測(cè)試技術(shù)的互動(dòng)耦合研究。

4)生物農(nóng)藥噴霧性能測(cè)試技術(shù)研究。除了要考慮霧滴粒徑、覆蓋率、均勻性等霧化性能問題外，還要分析生物農(nóng)藥特性，進(jìn)一步開展生物農(nóng)藥活性保持技術(shù)與測(cè)試方法技術(shù)研究，為農(nóng)林業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)參考。

5)農(nóng)藥殘留快速智能化檢測(cè)技術(shù)研究。研究適用于實(shí)驗(yàn)室、農(nóng)(林)場(chǎng)、農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)甚至家庭使用的農(nóng)藥殘留快速智能化檢測(cè)技術(shù)，精準(zhǔn)度和靈敏度高，檢測(cè)農(nóng)林植物農(nóng)藥殘留狀況，以指導(dǎo)農(nóng)林產(chǎn)品分級(jí)、確定適宜的收獲時(shí)間和保障農(nóng)林產(chǎn)品安全。

6)根據(jù)靶標(biāo)植物的表型特征調(diào)節(jié)農(nóng)藥用量的測(cè)試技術(shù)研究。充分考慮農(nóng)林植物個(gè)體形態(tài)結(jié)構(gòu)和生理生化等表型特征的差異，根據(jù)植物表型性狀、不同生長(zhǎng)時(shí)期等選擇最佳的施藥用量以及最佳的噴霧參數(shù)。

7)智能化無人農(nóng)場(chǎng)植保作業(yè)性能測(cè)試系統(tǒng)研究。融合病蟲草害識(shí)別模型與實(shí)時(shí)靶標(biāo)傳感識(shí)別及其環(huán)境信息，根據(jù)冠層大小、形狀和密度、害蟲數(shù)量與遷移以及其他病蟲草害發(fā)生情況，預(yù)測(cè)進(jìn)行包括農(nóng)藥精確噴霧在內(nèi)的適時(shí)綜合防治作業(yè)，分析施藥時(shí)農(nóng)藥霧滴運(yùn)動(dòng)規(guī)律與植物冠層內(nèi)外沉積分布性能，定時(shí)檢測(cè)植物表面農(nóng)藥殘留狀況促進(jìn)無人化農(nóng)林生產(chǎn)。

4 結(jié) 語

農(nóng)藥噴霧性能直接影響著病蟲草害防治效果。筆者通過農(nóng)藥噴霧性能綜合分析圖分析農(nóng)藥噴霧在霧化過程、輸運(yùn)沉降過程和沉積過程的性能，綜述了農(nóng)藥噴霧性能綜合測(cè)試方法、關(guān)鍵噴霧部件性能測(cè)試、霧化性能測(cè)試、輸運(yùn)沉降過程噴霧流場(chǎng)性能測(cè)試、沉積過程霧滴運(yùn)動(dòng)行為測(cè)試、防治效果測(cè)試、農(nóng)藥殘留測(cè)試等研究進(jìn)展。在農(nóng)藥仍為解決全球饑荒問題的重要保障的時(shí)代，要解決農(nóng)林環(huán)境存在的不完全信息、不確定性環(huán)境和動(dòng)態(tài)變化環(huán)境等問題，需要通過不斷發(fā)展的測(cè)試技術(shù)獲得農(nóng)藥噴霧性能數(shù)據(jù)以指導(dǎo)研制原創(chuàng)植保機(jī)械；因此，筆者最后提出開展噴霧性能標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試及綜合噴霧性能測(cè)試系統(tǒng)、模塊化田間噴霧性能測(cè)試儀、農(nóng)藥噴霧模型與噴霧性能物理測(cè)試互動(dòng)耦合、生物農(nóng)藥噴霧性能測(cè)試、農(nóng)藥殘留快速智能化檢測(cè)及智能化無人農(nóng)場(chǎng)植保作業(yè)性能測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)等建議。