陳佳坪 ,王妍瑋 *,吳永志，魏子軼

(1.黑龍江省龍建路橋第一工程有限公司 黑龍江，哈爾濱 150028；2.黑龍江科技大學 黑龍江，哈爾濱 150027；3.黑龍江省科學技術情報研究院 黑龍江，哈爾濱 150028)

我國是一個農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)作為我國民經(jīng)濟的重要組成部分，為人民提供了必要的生產(chǎn)生活要素。然而，據(jù)資料表明，我國主要糧食作物每年因各種病蟲害而損失4000 萬噸,約占全國糧食總產(chǎn)量的8.8%[1]。氣候、土壤、水、病蟲害等因素都會影響農(nóng)作物發(fā)育。據(jù)研究顯示，病蟲草鼠害發(fā)生面積已經(jīng)從1990年的約41億畝次，逐年上升至2020 年的約60 億畝次。因此防治病、蟲、草害是目前解決糧食安全問的重要部分。

據(jù)統(tǒng)計，使用化學藥品進行植保作業(yè)可減少我國40%的糧食損失。植保過程中以合理手段噴施農(nóng)藥有助于提高農(nóng)作物產(chǎn)量，并在防治病蟲害及保護糧食安全中發(fā)揮重要作用。我國每年農(nóng)作物植保施藥面積達到70多億畝次，防治的貢獻率達到90%以上[2]。植保無人機噴霧施藥技術是病蟲害防治的重要手段。但霧化后在大氣影響下藥液霧滴會向非目標區(qū)域運動。霧滴飄移運動的發(fā)生在大氣中是無法避免的。藥液霧化后產(chǎn)生的霧滴越小，質(zhì)量越輕越容易受到大氣影響進而發(fā)生飄移。而通過降低霧化效果使霧滴質(zhì)量及粒徑增大，雖可以減小霧滴飄移運動發(fā)生，但這與施藥技術中對霧滴的要求是矛盾的。實際田間植保作業(yè)中，能精準的作用于目標作物的霧滴相對較少。研究表明霧滴飄移量受施藥設備參數(shù)、大氣中風速、噴霧形式等多因素影響。

本文通過對農(nóng)藥霧滴的飄移分布特點的總結(jié)，分析導致霧滴發(fā)生飄移運動的原因，同時對目前檢測植保無人機噴霧霧滴飄移的方法進行綜述，并對霧滴飄移檢測方法在未來的綜合運用進行展望。

1 霧滴飄移特點及影響因素

1.1 飄移霧滴特點

農(nóng)藥藥液飄移是在噴施農(nóng)藥過程中或在大氣因素影響下導致的不可控現(xiàn)象，即噴施出的藥液霧滴在空氣中向非靶標區(qū)遷移的一種物理運動[3]。農(nóng)藥霧滴飄移有蒸發(fā)飄移、隨風飄移及飛行飄移

1.1.1 蒸發(fā)飄移 蒸發(fā)飄移是指農(nóng)藥藥液形成霧滴后，受大氣環(huán)境影響附著在農(nóng)作物表面、土壤表面上蒸發(fā)形成的農(nóng)藥煙霧顆粒，在大氣中無規(guī)則運動擴散至周圍非靶標環(huán)境中，主要由農(nóng)藥成分與藥業(yè)中液體物質(zhì)的揮發(fā)性造成。藥液的蒸發(fā)飄移距離遠，在空氣中停留時間較長，覆蓋面積較廣，危害性較低。

1.1.2 隨風飄移 隨風飄移是指農(nóng)藥藥液經(jīng)壓縮后從噴嘴噴出的細小霧滴隨大氣中氣流作用被攜帶至非靶標區(qū)域后再沉降的過程[4]。主要與植保施藥機械、施藥操作人員技術，大氣環(huán)境有關。隨風飄移在多數(shù)情況下漂移距離與農(nóng)藥霧滴粒徑有關，大部分農(nóng)藥霧滴漂移距離較短，對非靶標地塊覆蓋面積較小但密度較大，危害性較大。

1.2 霧滴飄移的影響因素

實際農(nóng)業(yè)植保過程中，能導致霧化后的農(nóng)藥藥液出現(xiàn)飄移運動的因素很多，如霧滴粒徑、霧滴質(zhì)量、藥液理化性質(zhì)、施藥設備、風速、溫濕度等多種因素影響，其中霧滴粒徑的大小，尺寸是引起霧滴飄移的主要因素。

霧化后的藥液霧滴根據(jù)粒徑大小分類，據(jù)英國科學家Mat thews提出的霧滴大小分類方法如表1所示。

表1 霧滴大小分類

霧滴越小，在大氣環(huán)境下飄移距離越長，飄移產(chǎn)生的危害性越高。質(zhì)量輕的霧滴，在空氣阻力下，下降速度不斷降低，導致沒有足夠的動能使霧滴向下運動到達靶標，且更易受溫濕度影響，受蒸發(fā)作用后霧滴質(zhì)量更小，在大氣中風力作用下飄移距離繼續(xù)提高。試驗發(fā)現(xiàn)，由于大氣溫度對霧滴的蒸發(fā)作用，在溫度25℃、相對濕度30%的環(huán)境中，霧滴粒徑大小在100μm時，移動75cm后，相比飄移前霧滴粒徑會減少50%[5]。

霧滴飄移問題一直困擾著農(nóng)業(yè)工作者，影響非靶標農(nóng)作物及漁牧業(yè)等相關領域的環(huán)境健康，近年來大量國內(nèi)外學者對霧滴飄移的控制、防護、檢測進行研究，如按飄移范圍建立施藥緩沖區(qū)、防飄噴頭、風幕式噴霧機等一系列防止霧滴飄移的技術并逐漸成熟，但對霧滴飄移檢測上的研究還處在發(fā)展階段，下對國內(nèi)外農(nóng)藥霧滴飄移檢測研究的方法進行歸納，對不同檢測方法優(yōu)劣，精準度進行總結(jié)分析。為優(yōu)化植保噴藥方法，提高農(nóng)藥利用效率，保護農(nóng)田環(huán)境及日后廣大植保領域科研人員對新植保技術的研究提供參考。與此同時，歸納國內(nèi)外霧滴飄移檢測方法，對促進發(fā)展適合我國對更先進無人機施藥技術的研究具有重要意義。

2 國內(nèi)外霧滴飄移的檢測方法

相比于歐美國家，我國植保施藥機械及施藥噴霧技術發(fā)展較為落后，且因地域環(huán)境、氣候等問題在進行防治病蟲害過程中存在很多困難和問題。近年來，植保無人機以其具有作業(yè)效率高，操控距離遠，安全性高等優(yōu)點，在植保施藥領域發(fā)展迅速。另一方面，相比于傳統(tǒng)植保機械，植保無人機應用低容量噴霧技術，其作業(yè)面積大、農(nóng)藥消耗低，在病蟲草害防治上具有廣闊應用前景。在對水田田間作物或傳統(tǒng)機械難以接近的山地進行施藥作時，植保無人機以其獨特的制空優(yōu)勢能夠在任何地形實現(xiàn)精準噴施作業(yè)、減少對周邊環(huán)境的污染。植保無人機在施藥作業(yè)過程中受到環(huán)境氣流與旋翼產(chǎn)生氣流的影響更容易使霧滴發(fā)生飄移，與其他施藥手段相比，霧滴發(fā)生飄移現(xiàn)象的機率更高。隨著植保無人機的普及與發(fā)展，國內(nèi)外學者紛紛對植保無人機藥液霧滴飄移進行了大量的試驗研究。

2.1 國外檢測方法

目前國外對植保無人機藥液霧滴飄移研究常見的方法包括田間試驗、水敏紙圖像分析法等，Li等[6]在蘋果園試驗中比較了四旋翼無人機和果園噴霧機分別噴霧作業(yè)時，藥液霧滴在作物葉片表面沉積量、施藥時霧滴在空中、地面發(fā)生飄失的情況，指出飄移受噴霧高度和噴灑系統(tǒng)參數(shù)的影響。Brown等[7]在葡萄園使用R-MaxII植保無人機對噴霧沉積量及飄移率進行試驗，發(fā)現(xiàn)了沉積與飄移率的相關性。Martinez-Guanter等[8]通過在橄欖、柑橘園鄰行果樹中布置水敏紙，通過試驗得到植保無人機與噴霧機各自噴施藥液后霧滴的飄移情況，結(jié)果表明試驗中植保無人機超低量噴霧系統(tǒng)可有效降低飄移率。Fritz[9]等在風洞中不同條件下的霧滴粒徑和流場，建立WTDISP模型。Martin等[10]在風洞進行試驗，測得風洞內(nèi)不同風速氣流下靜電噴頭的霧滴飄移率。國外學者對霧滴飄移的研究多是通過田間測試或水敏紙圖像分析法來對沉積霧滴的方式進行間接的檢測，且農(nóng)業(yè)條件差異對植保無人機相關研究較少。

2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

相比于國外，目前國內(nèi)學者對植保無人機藥液霧滴飄移進行了大量的研究，常見的測試方法包括田間測試、水敏紙圖像分析法、模型模擬計算分析、風洞測試分析及飄移測試平臺。符海霸等[11]基于SolidWorks2016 軟件對多旋翼無人機各噴霧區(qū)域中螺旋槳產(chǎn)生的風場進行仿真分析。在旋翼風場下，通過改變無人機噴嘴位置，研究螺旋槳不同旋向時無人機旋翼下風場對霧滴有效噴幅的影響，研究表明，有效噴幅受無人機旋翼旋向及噴頭位置影響顯著。曾愛軍等[1]在風洞中使用塑料絲接收霧滴，用DIX指數(shù)評價方法比較不同溫度、濕度以及噴霧參數(shù)條件下各噴頭的霧滴沉積特性與飄移率。王昌陵等[12]基于自制仿真果園試驗臺及冠層沉積、地面及空中飄移收集裝置。試驗后，提出一種應用于果園的植保無人機噴霧霧滴飄移測試方法，對3 種收集裝置進行試驗測試，三種裝置均可準確測出霧滴飄移率。張宋超等[13]基于CFD 技術，對N-3 型植保無人機田間作業(yè)中在空間及地面的霧滴飄移情況進行仿真。實際試驗結(jié)果與仿真結(jié)果對照，對照結(jié)果表明CFD能夠定性地模擬實際施藥時空間及地面霧滴飄移倩況。王志翀等[14]基于國際標準ISO22866和ISO24253 建了1 套針對低空低量植保無人機的立體測試方法，對搭載多種噴頭的4個不同植保無人機進行試驗比較，應用比色卡有效收集霧滴，分析植保無人機在作業(yè)時霧滴在空間的分布狀態(tài)。

通過對比國內(nèi)外植保無人機藥液霧滴飄移的研究方法，總結(jié)出國內(nèi)外學者對霧滴飄移流場的檢測大多采用田間試驗、模型建立、模擬仿真、風洞試驗、水敏紙圖像分析法、比色分析法，這些方法多是在霧滴沉積后進行的檢測，在復雜農(nóng)業(yè)環(huán)境下進行實時檢測霧滴飄移的方法。綜上所述，僅測試地面或者空間飄移霧滴分布情況來分析霧滴飄移規(guī)律得到結(jié)果并不全面，需要綜合考慮施藥過程中，無人機所在自然環(huán)境中及無人機自身因素的影響。如風速、高度、速度，噴頭壓力等，全面的研究植保無人機的霧滴飄移特性。

3 結(jié)論

農(nóng)作物生長離不開植保作業(yè)，農(nóng)藥噴施效果的優(yōu)劣與農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量及農(nóng)田環(huán)境息息相關，農(nóng)藥藥液霧滴飄移是影響施藥效果的主要因素之一，在植保無人機施藥過程中對飄移量進行科學檢測可以在最大程度避免藥液流失以及對農(nóng)田環(huán)境的破壞?？偨Y(jié)前人研究可知單以某一參數(shù)對飄移霧滴率進行測試研究并不能全面闡述霧滴飄移運動特點，需要在無人機實際施藥過程中綜合考慮不同風速、飛行高度、飛行速度，等多種因素對霧滴飄移的影響。全面客觀的分析出植保無人機噴施藥業(yè)過程中藥液霧滴的飄移規(guī)律。

4 展望

目前，有關植保無人機藥液霧滴飄移檢測方面的研究并不多，大多數(shù)檢測飄移量的方法都是基于沉積及模擬試驗得出的數(shù)據(jù)。霧滴飄移受多因素影響，如施藥技術、施藥設備，氣象環(huán)境等因素，在田間復雜的作業(yè)環(huán)境下藥液飄移量都大為不同。

綜上所述未來在對植保無人機藥液霧滴飄移檢測方法的研究中應考慮對霧滴狀態(tài)的直接檢測。結(jié)合圖像技術、激光示蹤技術、多無人機協(xié)同技術及5G 技術等高新技術，實現(xiàn)對全場藥液霧滴飄移的實時檢測及調(diào)整。