國外農業航空靜電噴霧技術研究進展與借鑒

張亞莉，黃鑫榮，王林琳，鄧繼忠，曾 文，蘭玉彬， Muhammad Naveed Tahir

·農業航空工程·

國外農業航空靜電噴霧技術研究進展與借鑒

張亞莉1,2，黃鑫榮1,2，王林琳2,3，鄧繼忠1,2，曾 文1,2，蘭玉彬2,3※， Muhammad Naveed Tahir4

（1. 華南農業大學工程學院，廣州 510642；2. 國家精準農業航空施藥技術國際聯合研究中心，廣州 510642；3. 華南農業大學電子工程學院，廣州 510642；4. Department of Agronomy, PMAS-Arid Agriculture University, Rawalpindi 46300, Pakistan）

農業航空靜電噴霧技術作為中國發展精準農業航空應用技術的內容之一，對農藥的有效利用和減少環境污染有積極意義。農業航空靜電噴霧技術在國外發展較早也相對成熟，美國已有應用于有人機的商業化產品，并在美國、巴西等國各類糧食作物、經濟作物和雜草防治作業中開展了大規模田間應用。該研究首先從基礎研究、田間應用和優化工作等方面梳理了國外農業航空靜電噴霧技術的研究進展，分析了農業航空靜電噴霧技術在增加霧滴沉積、減少飄移和具備低施藥液量等方面的優勢。在此基礎上結合中國植保無人機快速發展的實際對研究和應用適合中國國情的農業航空靜電噴霧技術進行思考，提出了農業航空靜電噴霧技術的研究路線，最后從采用接觸式等非感應式充電方式、開發農業航空靜電噴霧的測量技術，以及思考荷質比作為衡量指標的意義等方面探討了可進行深入研究的方向。中國農業航空靜電噴霧技術研究特別在植保無人機靜電噴霧技術方面的研究與應用有很大的發展空間，可參考國外經驗，圍繞航空靜電噴霧技術的基礎性研究、田間試驗、成果轉化、示范推廣和服務指導全方面制定發展規劃，把單一強調對霧滴帶電的實現轉向對技術系統的整體研究。

農業航空；植保；綜述；靜電噴霧；霧滴沉積；航空施藥

0 引 言

中國農業航空關鍵技術研究和應用已進入快速發展階段[1]。在高效作業的同時如何提高藥液在作物靶標上的利用率、減少環境污染，一直都是航空植保作業關注的研究課題之一。農業航空靜電噴霧技術是傳統靜電噴霧技術在航空作業平臺上的應用，一般通過感應式、接觸式、電暈式等充電方式讓霧滴帶電，使得噴頭與作物靶標間形成靜電場[2-3]。在高壓靜電的作用下，帶電藥液主動吸附于作物靶標的正反面，達到環抱吸附的效果，有助于減少飄移并提高航空植保作業效率[4-5]。農業航空靜電噴霧技術在國外發展較早也相對成熟，美國已有應用于有人機的商業化產品。中國對于農業航空靜電噴霧技術的研究始于二十一世紀初，以新疆通用航空有限責任公司從美國休斯頓的SES公司（Spectrum Electrostatic Sprayers，Inc）引進一套適用于有人機的航空靜電噴霧Z03K000B系統關鍵部件和噴嘴，并進行改裝試飛試驗為標志[6]。南京林業大學等國內科研單位對有人駕駛固定翼飛機、直升機和植保無人機適用的農業航空靜電噴霧系統進行了多方面探索[3,5,7-8]。

農業航空靜電噴霧技術作為中國發展精準農業航空應用技術的內容之一，對農藥的有效利用和減少環境污染有積極意義。由于中國農業航空靜電噴霧技術的研究起步相對較晚，研究和應用等方面與國外農業航空靜電噴霧技術發展程度較高的國家存在差距。航空靜電噴霧系統不是一種單純地把農藥噴灑到植株的工具，由于霧滴帶電的屬性給農業航空靜電噴霧這項技術帶來許多動態的復雜問題，甚至其中一些問題的答案目前尚難以確定。本文從農業航空靜電噴霧技術的發展驅動力為研究著手點，重點分析國外長期的基礎研究與田間應用研究進展，擬為探索適用于中國國情的農業航空靜電噴霧技術的研究和應用提供參考。

1 農業航空靜電噴霧技術基礎性研究及商業化

美國農業部農業研究服務署（USDA-ARS）的Carlton等[9]最早開展了農業航空靜電噴霧技術的研究，并于1966年設計出一種電動旋轉靜電噴頭。針對在航空作業中搭載靜電噴霧系統出現的飛機殘留表面電荷的過度積累，以及航空靜電噴霧系統充放電等問題，Carlton及其合作者通過研究放大電路探測設備，改進優化靜電噴頭和單雙極充電方式，并提出適用于全尺寸飛機的電容與航高函數關系模型等方法解決了上述難題[10-14]。美國田納西大學的Kihm等[15]圍繞雙極交替充電模式對航空靜電噴霧系統的霧化、充電和沉積特性展開研究。美國CDI（Continuum Dynamics，Inc）公司的Teske等[16]研究了航空靜電噴霧飄移與霧滴蒸發效應，探索了經噴頭釋放的霧滴周圍局部相對濕度及飛機尾流對霧滴溫度的影響。加拿大韋仕敦大學和瑞士汽巴-嘉基公司（Ciba-Geigy AG）的研究人員合作提出兩對極性相反的電荷共面云充電技術將飛機的電位保持在合適范圍內，為航空應用靜電噴霧技術掃除了障礙[17]。

1995年，Carlton等[18]在美國德克薩斯A&M大學（Texas A&M University）棉田開展了3種充電模式（雙極、單極、不充電）下航空靜電噴霧技術對改善棉花葉片沉積影響的試驗研究，測試結果表明帶電霧滴的沉積效果明顯改善。美國USDA-ARS的Kirk等[19]以棉花為靶標作物進行航空靜電噴霧技術的藥效試驗發現，采用靜電噴霧方式噴灑葉片上的熒光染料平均沉積明顯高于非靜電噴霧。農業航空靜電噴霧技術在提高霧滴沉積效果方面的優勢成為其發展的重要驅動力。

Carlton[20]在1999年獲得了美國航空靜電噴霧系統的發明專利。專利中不但介紹了增加霧滴背面沉積和減少飄移的試驗現象，還規范了荷質比、電源電壓、轉速等農業航空靜電噴霧系統的設計要求。同年美國SES公司購買了專利，并獲得美國農業部頒發的獨家許可證，以生產和銷售這一創新產品。2002年美國SES公司針對固定翼飛機和直升機兩種不同機型，開發出商用航空靜電噴霧系統[21]。

目前該靜電噴霧系統已在巴西大豆銹病、北美棉花、水稻、玉米、馬鈴薯、甜菜、葡萄等作物病蟲害防治，以及非洲甘蔗，澳大利亞谷物等作物植保作業中均有應用[22]。在此過程中，國外學者利用商用農業航空靜電噴霧系統開展了大量的農業航空靜電噴霧技術田間應用的探索。

2 農業航空靜電噴霧技術的田間應用研究

農業航空靜電噴霧技術的田間應用研究包括對棉花、大豆、甘蔗等經濟作物，小麥、水稻、玉米等糧食作物的噴霧沉積效果、病蟲害防治效果等的田間測試，以及對農田雜草的化學防治研究[23]。

2.1 經濟作物

2.1.1 棉花

中國和美國是世界上主要的棉花生產國。棉花種植密度大，且棉蚜、薊馬、白粉虱、煙粉虱等棉花主要害蟲寄生在棉葉背面，加大了航空植保作業防控棉花蟲害的難度。風洞試驗結果表明，農業航空靜電噴霧技術具有顯著增加靶標作物葉片背面霧滴沉積的優勢，使這項技術與喜好寄生于葉片背面的棉花各類害蟲防治緊密地聯系在一起[24-25]。

2007年，美國USDA-ARS的Martin等[26]對棉花病蟲害防治進行大規模的田間試驗，研究常規液壓式噴霧、靜電噴霧、離心式霧化噴霧3種方式對薊馬的防治效果。結果顯示，航空靜電噴霧系統噴灑藥液2～6d薊馬幼蟲數和成蟲數均顯著低于未經處理的對照組，但在噴灑7d后，靜電噴霧處理的成蟲數量比對照組成蟲數量增加了41%，靜電噴霧技術未展現出優勢。2009年，美國USDA-ARS的Latheef等[27]采用靜電噴霧、非靜電噴霧和常規噴霧3種噴霧技術，以及不同施藥液量和殺蟲劑，對航空靜電噴霧的噴霧沉積特性和棉花煙粉虱的季節性防治效果進行了評估。研究結果顯示，在棉花冠層頂部和中部，帶電液滴尺寸明顯小于常規噴霧；經靜電噴霧處理的活卵和活若蟲的季節性平均數與常規噴霧處理結果相近；靜電噴霧對成蟲的半數致死濃度（LC50）與常規噴霧沒有顯著差異。該研究表明了靜電噴霧方式對多種不同化學成分的殺蟲劑具有良好的適應性，但仍需進一步研究帶電霧滴如何獲得高荷質比，以增加殺蟲劑在棉葉背面（粉虱棲息位置）的沉積。Martin等[28]采用航空靜電噴頭和離心式霧化噴頭在棉田噴灑與水混合的日光可見熒光染料（體積濃度為10%），以研究靜電噴霧噴灑出的霧滴在成熟期棉田的沉積試驗。結果發現，與不帶電的噴霧相比，靜電噴霧對棉花冠層頂部葉片正面的霧滴覆蓋率增加了2倍，在葉片背面的覆蓋率比非靜電和離心式霧化噴頭提高了3倍。但無論是離心式霧化噴頭還是靜電噴頭都無法改善霧滴向冠層中部穿透的能力。Martin等[29]以刺糖多孢菌（Saccharopolyspora Spinosa）產生的多殺菌素為示蹤劑，采用雙極航空靜電噴霧系統以9.35L/hm2的施藥液量對早季棉花進行了噴霧試驗。通過靜電噴霧系統噴灑的霧滴沉積量增加了34.5%；同時在通電狀態下的雙極靜電噴霧系統噴灑的帶電霧滴譜明顯比斷電狀態下的雙極靜電噴霧系統噴灑的霧滴譜寬。

2.1.2 大豆

大豆害蟲種類多，且易受不同種類昆蟲的同時侵襲[30-31]。巴西烏貝蘭迪亞聯邦大學（Universidade Federal de Uberlandia）的Cunha等[32]以大豆為靶標作物，使用航空靜電噴霧和離心式霧化噴霧2種方式噴灑殺蟲劑，研究霧滴飄移和蟲害控制，以探索航空靜電噴霧技術在提高大豆病蟲害防治方面的應用。試驗結果證實了帶靜電的噴灑方式產生的飄移較小，但2種施藥方式的蟲口減退率沒有顯著差異。這項研究的結果與Latheef等[27]的研究結果一致。巴西圣保羅州立大學（Sao Paulo State University）的Antuniassi等[33]采用多種航空噴霧方式噴灑殺菌劑防治大豆銹病。其中靜電噴霧方式的噴灑試驗在相對濕度較高（71%）和較低（64%）2種條件下進行，以評估相對濕度對靜電噴霧系統性能的影響。試驗結果表明在較干燥條件下靜電性能發揮更佳，并且靶標作物中下部有更高的沉積量，但不同航空噴霧技術噴灑處理的霧滴沉積量差異不顯著。

2.1.3 甘蔗

2005年，美國SES公司在非洲斯威士蘭當地最大的甘蔗種植園使用航空靜電噴霧系統噴施乙烯利等甘蔗催熟劑[34]。試驗結果表明航空靜電噴霧系統改善了霧滴沉積和穿透作物樹冠的能力。

2.2 糧食作物

2.2.1 小麥

為得到噴灑殺菌劑防治小麥赤霉病的最佳航空作業方式，美國USDA-ARS的Kirk等[35]和Fritz等[36]使用不同施藥液量并采用不同航空噴霧技術包括液壓噴頭、離心噴頭和靜電噴頭等，對小麥穗部的霧滴沉積進行了比較和評估，結果發現航空靜電噴霧系統施藥液量為9.4 L/hm2和霧滴體積中徑Dv0.5≤150m（總體積50%的霧滴直徑不大于150m）的組合在小麥上獲得較好的沉積效果。

2.2.2 水稻

巴西圣瑪利亞聯邦大學（Universidade Federal de Santa Maria）的Bayer等[37]為了評價航空靜電噴霧等不同航空噴霧技術對水稻產量的影響，采用液壓式、離心式航空噴霧和航空靜電噴霧3種不同的噴霧系統噴灑殺菌劑，并研究霧滴在水稻中下層的穿透能力。結果顯示在此次試驗研究中，航空靜電噴霧技術表現并不突出。2012 年，Bayer等[38]使用Ipanema EMB-202飛機和三氟嘧啶+丙環唑的殺菌劑對水稻進行航空施藥，采用液壓噴頭、離心式噴頭和靜電噴頭3種方式搭配不同施藥液量，以評估霧滴在水敏紙上的沉積以及對水稻冠層不同部位的穿透效果。試驗表明，液壓噴頭（20和30 L/hm2）以及靜電噴霧（10 L/hm2）的霧滴沉積密度在水稻植株上三分之一處較高，而離心式（15 L/hm2）在水稻中下部有較高的霧滴沉積密度。對少量的植物提取物經過色譜分析發現，殺菌劑殘留量較高的噴施方案是施藥液量為10 L/hm2的靜電噴霧方式，表明帶電霧滴在增加水稻植株表面的沉積量方面有較好的表現，這有助于提高農藥利用率和減少環境污染。

2.2.3 玉米

玉米葉螨，即紅蜘蛛是美國玉米的主要害蟲，Martin等[39]為了研究防治美國堪薩斯州玉米紅蜘蛛的最佳航空施藥方式，在成熟玉米田中進行了航空靜電噴頭和常規扇形壓力噴頭CP11-TT的對比試驗。試驗采用了Air Tractor 302飛機進行噴灑，除了常規的水敏紙測量霧滴沉積以外，還結合遙感技術獲取了紅蜘蛛的不同危害級別等農情信息。試驗結果表明兩種噴施方法對紅蜘蛛的抑制作用沒有顯著差異，但靜電處理后平均歸一化植被指數值（NDVI，Normalized Difference Vegetation Index）比常規處理的略高，表明靜電噴霧處理的的玉米葉比常規噴霧處理的葉片健康（植被覆蓋度較高）。

2.3 化學除草

除了用于農作物的病蟲害防治外，國外學者也致力于探索航空靜電噴霧技術在除草方面的應用效果。

為了降低除草劑中草甘膦成分的用量，2006年巴西佩洛塔斯聯邦大學（Federal UniVersity of Pelotas）的Eugênio等[40]利用一架伊帕內馬202A型農用飛機分別用常規噴霧和靜電噴霧2種方式對除草效果進行對照試驗。試驗結果表明，靜電噴霧系統在處理后13 d對雜草的控制效果較好。帶電霧滴由于靜電作用更好地吸附在雜草上，相同除草效果下靜電處理試驗組可將施藥液量從30 L/hm2減少到10 L/hm2，有利于提高除草劑利用率和減輕環境污染。2017年，Martin等[41]采用一款適用于直升機施藥的TX-VK3低流量噴頭對靜電噴霧條件下草甘膦藥液對黑麥草健康狀況的影響開展研究，試驗結果表明噴灑出的帶電草甘膦霧滴體積中位數直徑由106.5m增加到112.8m。與不帶電的草甘膦藥液處理后27 d除草率達41%相比，經帶電草甘膦藥液噴灑處理后，15 d后即達到相同除草效果。2020年，Martin等[42]對商用固定翼農用飛機控制休耕農田中單子葉和雙子葉雜草的效果進行評估。該研究采用離心、液壓和靜電3種噴頭，試驗分在2年同一季節進行。結果顯示，在第一年中，采用靜電噴頭噴灑對雜草生長具有顯著的抑制效果。第二年則是離心噴頭效果較為突出。另外，試驗結果指出在不降低藥效的前提下，航空靜電技術的施藥液量是常規噴霧技術的三分之一。巴西烏貝蘭迪亞聯邦大學的Campos[43]對常規噴霧150 L/hm2施藥液量和靜電噴霧兩種施藥液量（50 L/hm2和90 L/hm2）與是否加入助劑條件下的草甘膦除草防控作用進行了試驗研究。該研究測量了不同施藥液量、施藥技術與是否加入助劑多種變量下的藥液理化性質、荷質比、霧滴譜以及雜草上藥液沉積和飄移損失等各種參數變化。試驗結果表明航空靜電噴霧技術減小了藥液飄移損失，降低了施藥液量，顯著提高了農藥利用率。

在采用農業航空靜電噴霧技術開展的各類田間作物試驗中，對于在棉花上的薊馬、白粉虱、煙粉虱等害蟲和早季、成熟期等不同時期棉花上已形成較為完整的連續性試驗結果評價。農業航空靜電噴霧技術對雜草的化學防治方面的研究也取得較為豐富的研究數據。而且，美國亞利桑那州棉花上的煙粉虱控制試驗、巴西米納斯吉拉斯州對大豆噴灑殺蟲劑研究，以及Martin對休耕農田的除草試驗等的研究結果均突出了航空靜電噴霧系統具有低施藥液量的優勢[27,32,42]。同時Cunha等[32]和Campos[43]也在各自試驗中證實了航空靜電噴霧技術能夠減少霧滴飄移的現象。因此，除了能夠增加霧滴沉積外，減少霧滴飄移和具有低施藥液量的優勢也成為農業航空靜電噴霧技術發展的有效驅動力。

3 農業航空靜電噴霧技術的優化工作

雖然相較于常規的航空噴霧技術，農業航空靜電噴霧在增加背面沉積、低施藥液量和減少飄移方面有許多優勢，然而田間應用效果卻并未完全體現出這些優勢。在某些場景下例如棉花白粉虱蟲卵和、薊馬成蟲等應用研究中，采用航空靜電噴霧的防治效果低于常規噴霧。另外在評估靜電噴頭嘴和常規噴頭嘴的霧滴沉積效果時，Martin等[28]和Bayer等[38]發現，由于霧滴直徑小和帶電霧滴的主動吸附效果受到限制等的原因，使用水敏紙的評價方式影響了試驗精度。為了使農業航空靜電噴霧技術在田間作業以及病蟲害防治方面發揮應有的效果，國外學者對飛行高度、飛行速度、充電電壓、荷質比、施藥液量等因素及不同因素間的交互作用影響進行了細致的深入研究[44-45]。

美國USDA-ARS申請的航空靜電噴霧系統專利以感應方式霧化液滴以增加沉積，但沒有描述飛行速度或噴孔尺寸的變化對帶電霧滴譜的影響。Martin和Carlton進行風洞試驗研究飛行速度和靜電噴頭的噴孔尺寸等因素對固定翼飛機靜電噴霧系統施藥效果的影響[46]。結果發現，隨著飛行速度的增加試驗所選取的所有尺寸的噴孔都產生了更小的霧滴。當保持飛行速度一定時，噴孔越大帶電霧滴譜越寬。這項工作目前的結果尚難以解釋和應用，但為未來獲得合適的噴霧參數組合的研究提供了參考。除此以外，Martin和Carlton在同樣的測試環境中對旋翼條件下的飛行速度和噴孔尺寸對帶電霧滴的影響進行了研究[47]。在高速風洞中，試驗人員將飛行速度從97 km/h提高到177 km/h時，所有尺寸的噴孔都會產生更小的霧滴，飛行速度的增加和噴孔尺寸的減小也增加了帶電霧滴的荷質比，這意味著在田間作業時可增加靶標作物上的沉積量。該研究結果與固定翼飛機條件下航空靜電噴霧獲得的霧滴譜數據一致。

2013年，巴西維索薩聯邦大學（Universidade Federal de Vi?osa）的Sasaki等[48]在研究評估靜電噴霧的影響因素時，重點關注噴頭與靶標作物之間的距離，并從相對于目標距離0～5 m的縱向和橫向兩個方向上觀察不同距離條件下的荷質比和霧滴沉積。結果表明荷質比與掛載的靜電噴霧系統和靶標作物之間的距離成反比，而且當目標與噴灑霧滴流成縱向時，能夠產生更好的霧滴沉積，同時得出能夠顯著增加霧滴沉積量的最小荷質比為0.6 mC/kg。

上述研究從霧滴沉積效果評價方式、飛行平臺作業參數以及靜電噴霧系統施藥參數等多方面對航空靜電噴霧的效果進行探索，為航空靜電噴霧技術應用參數的優化提供了進一步的數據支持。

4 國內農業航空靜電噴霧技術的應用及發展前景

4.1 實用性與成本

在植保機械的市場中，成本和實用性是用戶較為看重的兩大因素。美國明尼蘇達州的農場主Newberg對SES公司生產的航空靜電噴霧系統初期投入大約3.8萬美元[49]。由于施藥液量的大幅減少（10 L/hm2），作業面積可達到每天1011 hm2以上，搭載航空靜電噴霧系統的飛機施藥作業每小時能產生高達2 000美元的毛收入，證明了適用的應用場景下在前期高固定成本的投資能使種植者獲得相對可觀的經濟效益。國外的田間試驗研究表明[27,32,42-43]，農業航空靜電噴霧技術并不僅僅是專用于防治寄生于葉片背面蟲害的代名詞，它具有的低施藥液量、吸附效果好等特點帶來的一系列省水省藥、省力高效、環保節能、高附著率等潛在優勢，對國內航空植保作業農藥減施有進一步的促進作用。

4.2 借鑒與改進

近年來中國植保無人機發展迅速。相比農用有人駕駛飛機，植保無人機建造成本和使用門檻低、安全性高、起降條件和維修保障要求都比較低，已成為農藥減量、農業提質增效的重要技術手段。據全國農業技術推廣服務中心初步統計數據顯示，截至2020年11月中旬，全國專業化防治組織中植保無人機保有量約8萬架，作業面積近5300萬 hm2，加上種植大戶通過農機購置補貼購買的植保無人機，預計2020年全國農業無人機的保有量將超過10萬架，作業總面積將突破6 700萬 hm2[50]。這意味著未來靜電噴霧系統以植保無人機為主要搭載平臺在我國農業航空領域具有較大的發展空間。國外農業航空靜電噴霧主要以有人駕駛固定翼飛機和直升機為作業平臺，而植保無人機靜電噴霧技術的研究較少，因此國內開展相關研究也面臨著很多挑戰[51-52]。

通過對國外農業航空靜電噴霧技術的基礎研究和田間應用研究進展進行分析，可為國內發展基于植保無人機的航空靜電噴霧技術的研究和應用方向提供借鑒。目前國內主流的植保無人機以大疆T30植保無人機、極飛P40、P80、V40 2021款農業無人機為代表，其主要技術參數對比如表1所示[53-56]。

表1 主流植保無人機型號的技術參數對比

植保無人機的有效載荷是用戶比較關注的參數，由于需要加裝靜電發生器等配件，靜電發生器的重量及大小將成為無人機靜電噴霧系統發展的首要影響因素。其次，在國外農業航空靜電噴霧技術試驗研究中展現出的低施藥液量的特點，有利于減少植保無人機作業中頻繁加藥的問題，增加持續作業時間。此外，植保無人機除精準噴灑，還有集智能播種、撒肥、全自主高精度作業為一體的發展趨勢，因此還需要考慮靜電噴霧系統與無人機噴灑、播撒、飛控等系統的集成，以及對于整機結構設計等帶來的潛在影響[57-59]。

在田間應用方面，國外許多研究證實了航空靜電噴霧系統的作業效果好于常規噴霧系統，但也有相反的研究報道，航空靜電噴霧技術的研究和應用仍需確定最適合的應用條件。國外航空靜電噴霧的前期理論和硬件設計經過了數十年的技術沉淀，為開展農業航空靜電噴霧技術的深入研究工作奠定了基礎。中國航空靜電噴霧技術研究始于2005年，而關于無人機靜電噴霧技術的研究始于2015年，起步較晚但發展迅速[5-6]。在硬件設計方面，無人機靜電噴霧系統掛載方式及其衡量標準有待開發驗證。目前國內對有人駕駛飛機已有標準規定了航空靜電噴霧器的設備組成、主要技術指標及注意事項等[60]。但對于植保無人機缺少對靜電噴霧系統整機協調的詳細說明和操作規范，且各研究人員選用的機型、旋翼數量、技術參數各不相同，這種狀況不利于已有研究各結果間的相互比較[45,61-62]。中國現階段不應再重復驗證航空靜電噴霧系統沉積效果和控制單一變量施藥工作，而應重視基礎性研究和延續性試驗。巴西與中國在農業航空靜電噴霧技術發展周期相近，但近年來發展迅猛，在開展試驗連續性、研究貢獻和試驗方案設計等方面均值得參考學習。

綜上所述，通過對植保無人機主要技術參數、田間試驗、硬件設計等分析表明，中國植保無人機靜電噴霧技術研究正處于蓬勃發展階段，具有廣闊的發展前景，但其載重、靜電系統與播撒和飛控系統的整機協調性、基礎性研究欠缺等問題需要進一步解決。

4.3 農業航空靜電噴霧技術的研究路線

在國外農業航空靜電噴霧系統的田間應用研究中，盡管不同作物生長特性和形態各不相同，航空作業機型、作業參數也存在差異，但是圍繞農業航空靜電噴霧技術開展的一系列田間應用研究和室內驗證優化工作方案，仍有一定程度的共同特征。圖1梳理了農業航空靜電噴霧技術的研究路線。

如圖1所示，首先需確定充電方式和搭載平臺，包括靜電噴頭數量及位置、絕緣性、靜電噴霧系統構成等。為了尋求系統的最優結構和參數，模擬仿真可作為一種驗證手段。在系統的設計階段可直接在仿真模型上修改各部件和子系統的配置情況，在系統的試驗應用階段也可通過建立一組模擬仿真進行帶電霧滴沉降的軌跡，并結合不同的靶標參數獲取足夠訓練數據，以達到促進精準沉降和減少飄移損失的目的[63-64]。在霧滴沉降過程中受環境因素、系統參數、可控參數多種因素的制約。因此對于進行航空靜電噴霧的相關試驗，應進行包括室內和室外試驗雙線途徑。通過軟硬件采樣可控參數、環境因素和系統參數，監測在長距離的沉降過程。通過所得試驗現象考慮如何在多種因素影響條件下進行參數調整，以取得最佳噴霧效果。例如觀察霧滴在環境風和旋翼風場共同影響下的液滴狀態下帶電霧滴沉降的異性電荷排斥過程等[65-67]。最后，根據特定的應用場景，研究人員需要對應不同的靶標作物確定作業參數。藥劑充分發揮藥效不僅與沉降過程的可控參數、系統參數和環境因素有密切關系，還與作物對象、靶標形態等靶標參數有關。除了霧滴沉積、蟲口減退率和病害防治效果等常規衡量指標外，相類似于Martin等[39]研究平均NDVI值等指標伴隨著時間推移的靶標特性變化同樣具有重要意義。同時研究應注重多參數及其交互作用影響，單一變量研究難以提供借鑒意義[68-69]。

5 討 論

國外農業航空靜電噴霧技術發展已有五十多年，已形成理論體系，從主要的糧食作物小麥、水稻、玉米到棉花、大豆等重要經濟作物的病蟲害，以及雜草防治已有試驗研究數據支撐，但在更多的田間場景下和未得到解釋的試驗研究結果仍待補充。本節聚焦于技術本身，討論國內外學者仍可對農業航空靜電噴霧技術領域進行深入研究的幾個方面。

5.1 充電方式多樣化

由于感應式充電方式安全、電壓較低、電極制作和絕緣方法都較易實現[70-71]，目前國內航空靜電噴霧研究沿用了國外采用的感應式充電方式。然而不同于地面靜電噴霧系統，航空作業由于難以滿足接地條件，造成感應式靜電噴霧的田間施藥效果不盡如人意[28]。充電方式其本質是使霧滴帶電的途徑，除感應式以外，還有電暈式和接觸式的充電方式[72]。電暈式充電電壓較高，達到30 kV以上，可用于導電和非導電的液體，且有較低的絕緣要求。但目前暫無足夠的研究報道支撐電暈式充電的施藥效果。接觸式充電電壓的要求介于電暈式和感應式之間，但對絕緣性要求較高。這意味著充電電壓較高的電暈式和絕緣性要求較高的接觸式充電方式需要基礎性研究來闡明充電機理和杜絕應用風險。從長遠發展的角度來看，電暈式具備很強的帶電效應，而接觸式充電方式被證實相比于感應式充電，可產生較大目標電流[73]。國內一些科研單位在植保無人機靜電噴霧系統的研究中也選用了接觸式充電方式，獲得了較好效果[3,74-75]。相比之下感應式充電方式的帶電效果要弱于其余兩種充電方式。電暈式和接觸式這2種充電方式經過不斷完善，有望應用于農業航空靜電噴霧技術研究。但是現階段由于各充電方式在電荷來源和電場分布上都不同，隨著噴頭到靶標作物的距離增加，空間電荷效應增加，目標電流減小，對于航空作業霧滴長距離沉降有極大的制約。同時在應用推廣方面所強調的適用性、成本和安全性方面仍有許多不確定性。因此，需要對接觸式以及電暈式2種使霧滴帶電的方法進行更深入的研究，圍繞沉積效果、絕緣性、航空藥劑導電率等關鍵參數與感應式充電方式進行大量的基礎性對比試驗，以評估不同充電方式在航空靜電噴霧作業的應用效果。

5.2 開發適用于農業航空靜電噴霧系統的測量技術

沉積效果的測試作為目前表征農業植保作業質量的主要方式，需要保證獲取霧滴設備、數據處理及數據比較的合理性和有效性[76-77]。靜電噴頭通過不同充電方式使噴灑出的霧滴帶電，在靜電作用下落于植物靶標，其霧滴特性測量面臨許多問題。霧滴荷質比作為伴隨著靜電噴霧技術的名詞，其測量結果有助于靜電噴頭的性能評估。在室內無環境因素干擾的情況下，霧滴荷質比與沉積效果呈正相關的關系[25]。但在室外環境作業時，噴灑端的霧滴和靶標作物上的霧滴二者的荷質比通常會相差較大，這就需要通過有效的測量裝置來實時監測噴霧作業過程中帶電霧滴的電荷量，以確認靜電噴霧系統的正常工作。但是收集帶電霧滴的裝置可能會由于沒有接地的影響導致結果與沉降于靶標的實際效果不符[28]。

對于靜電噴霧技術研究來說，電場強度會隨著植物的形態、藥液電導率、環境因素變化而變化，例如葉片在尖端或末端部分附近的電場是最強的[78]。Law等[79]的研究也指出了尖銳的葉尖和在落于葉片的帶電霧滴云形成氣體放電會起到限制沉積的作用。目前對于霧滴沉積分布的檢測主要是通過水敏紙等測試卡方式，而沉積量的檢測通過示蹤劑洗脫的方式，但直徑小于50m的霧滴缺乏足夠的水分和重量，在水敏紙上難以產生可測量的標記。另外，航空靜電噴霧作業的田間作業效果不佳是帶電霧滴荷質比急劇減少的原因，還是環境因素造成的，都需要一種可以實時監測帶電霧滴特性的檢測裝置。Martin等[28]和Bayer等[38]的研究顯示，使用水敏紙檢測方法受到了嚴格的限制，添加熒光染料到藥劑里的方式雖然能夠對帶電霧滴的測量有所改善，但也對環境因素要求較高。

近年來在中國，更多的檢測手段不斷地應用于霧滴效果測量[80-81]，如激光粒度儀、紅外熱像儀、基于變介電常數電容器原理的霧滴沉積傳感器及檢測系統、基于駐波率原理的叉指型霧滴采集系統等。不過都存在著制造成本高，測量誤差過大、測量過程復雜等各種問題。開發適用于航空靜電噴霧系統的霧滴特性檢測技術，更好地表征霧滴沉積效果，有利于推動靜電噴霧系統的發展。不僅如此，在常規噴霧系統和靜電噴霧系統的對比試驗也需要針對性開發高精度的測量儀器作為相應的統一檢測方法，這樣在有效噴幅、霧滴沉積特性、霧滴粒徑測量等方面更具有說服力。

5.3 重新思考荷質比測量的必要性

荷質比是指霧滴所帶電荷量與霧滴本身質量的比值，是靜電噴霧技術獨有的衡量指標。該表述意味著荷質比的大小關乎靜電噴霧技術的優良與否，荷質比越大越好，而且國外學者均對此有大量研究闡述[19,29]。然而靜電噴霧技術的優勢體現在能以環抱的方式向靶標作物上吸附，這代表著與靶標端效果檢測相關。雖然霧滴具有較高的荷質比是得到良好正反面沉積效果的基礎，但在外界因素作用下存在較高的霧滴荷質比卻不一定能達到較好的正反面沉積的情況。大田試驗條件常有風速、溫濕度、土壤等環境因素影響，所得效果與室內荷質比測量裝置得到試驗結果難以相同，各科研單位對荷質比測量方式、造價、材質等條件也會使相同試驗參數所得結果出現偏差。

對于航空應用來說，為解決機身充放電問題雙極噴霧系統幾乎成為航空靜電設備的標配，飛機噴灑出兩種極性的霧滴長距離的空中降落過程產生衰減和蒸發，同時旋翼風場對兩種極性霧滴的攪渾作用使得霧滴荷質比與最后的環抱效果關系難以確定。霧滴荷質比只能表征該霧滴所帶電荷量與質量之比，而與產生低施藥液量以及增加沉積尤其是背面沉積的聯系有待商榷。鑒于以上情況，研究人員在未來農業航空靜電噴霧系統研究中需要重新思考荷質比測量的意義。

6 結束語

國外農業航空靜電噴霧技術研究經歷了基礎性研究、商業化、田間應用、優化工作等階段，并表現出學科研究范圍不斷擴大、田間研究作物趨向多樣化等趨勢。作為航空噴灑設備的選擇之一，航空靜電噴霧系統作業除了能夠顯著增加葉片背部沉積，在低施藥液量、減少霧滴飄移等方面的優勢同樣值得關注。

國內農業航空靜電噴霧技術研究特別在植保無人機靜電噴霧技術方面的研究與應用有很大的發展空間。近五年以植保無人機為搭載平臺的農業航空靜電噴霧技術研究，結合當前中國農業航空植保領域現狀和產業應用推廣實際發展迅速。中國可參考國外經驗，圍繞航空靜電噴霧技術的基礎性研究、試驗、成果轉化、示范推廣和服務指導全方面來制定發展規劃，把單一強調對霧滴帶電的實現轉向對農業航空靜電噴霧技術系統的整體研究。

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Zhang Yali1,2, Huang Xinrong1,2, Wang Linlin2,3, Deng Jizhong1,2, Zeng Wen1,2, Lan Yubin2,3※, Muhammad Naveed Tahir4

(1.,,510642,; 2.,510642,;3.,,510642,; 4.,-,46300,)

Chemical pesticide residues have posed a great impact on crops and the ecological environment in recent years, as the prevention and control of crop diseases and pests have widely been used in agricultural production. Consequently, an aerial pesticide application technology has become an effective way for plant protection in modern agriculture. The powerful technology is characterized to reduce the numbers and residues of pesticides for the better effectiveness of pesticide application. Alternatively, a high-voltage electrostatic device is often used to charge the spray droplets in an electrostatic spray system. Specifically, the chemical liquid is atomized into droplets near the nozzle to obtain a charge of the same polarity as the nozzle. An electrostatic field is then formed between the nozzle and the crop target under the action of high-voltage static electricity. As such, the droplets of opposite polarity are quickly adsorbed on the front and back of crop targets during the spraying process. Aerial electrostatic spraying is a deep integration of electrostatic spray system and aviation pesticide spraying in precision agriculture. The droplets can quickly be deposited along the power line in the process of aircraft spraying, thereby greatly reducing the drift loss for highly efficient deposition of droplets. Furthermore, the electrostatic spray technology has achieved excellent control effects on crops, fruit trees, and greenhouse vegetables in field tests. The top countries of aerial electrostatic spray technology in the world are the United States and Brazil, in terms of technology usage, and innovation. Particularly, the electrostatic spray technology in the United States has been fully commercialized for the aviation spraying equipment. In addition, an efficient aircraft is highly required for large-scale planting and plant protection in vast arable land and mostly plains in some developing countries. The manned fixed-wing aircraft is mainly used in electrostatic spray systems at present. This review outlined the international development of aerial electrostatic spraying technology to further clarify two main lines of reports at home and aboard, ranging from basic theoretical research to commercialization process. An application level of technology was set to analyze in China. The research on aviation electrostatic spray technology in China has presented a promising increase trend, due mainly to small environmental and topographical impacts in field tests. Moreover, the unmanned aerial vehicle (UAV) has become the most suitable aircraft equipped with an electrostatic spray system after long-term research. However, large research gaps still remained in manned vehicles and lately commercial plant protection UAV, compared with the state-of-the-art electrostatic spray technologies overseas. There were also numerously repeated and invalid studies overlapped in the main parameters in China. Anyway, it is still necessary to delve into the specific interaction mechanism between the process of spraying droplets and the operating parameters. The industrialized development of aviation electrostatic spray system was also reviewed at the end, together with the development prospects. Some suggestions were listed as: (1) The performance of each charge needed to be elucidated in the aerial electrostatic spray system. (2) The measurement technology of charged droplet deposition was highly demanding to accurately evaluate the actual properties of electrostatic spray. (3) Measurement of charge-to-mass ratio was necessary to rethinking using the cutting-edged quantum theories. An ever-increasing demand is coming soon using aviation electrostatic spray system for crop protection.

agricultural aviation; plant protection; review; electrostatic spray; droplet deposition; aerial pesticides application

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.06.007

S252+.3

A

1002-6819(2021)-06-0050-10

張亞莉，黃鑫榮，王林琳，等. 國外農業航空靜電噴霧技術研究進展與借鑒[J]. 農業工程學報，2021，37(6)：50-59.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.06.007 http://www.tcsae.org

Zhang Yali, Huang Xinrong, Wang Linlin, et al. Progress in foreign agricultural aviation electrostatic spray technologies and references for China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(6): 50-59. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.06.007 http://www.tcsae.org

2020-12-20

2021-03-13

廣東省重點領域研發計劃（2019B020221001）；廣東省科技計劃項目（2018A050506073）；廣東省現代農業產業共性關鍵技術研發創新團隊項目（2020KJ133）；國家重點研發計劃項目（2018YFD0200304）

張亞莉，博士，副教授，主要研究方向為農用傳感器技術與應用。Email：ylzhang@scau.edu.cn。

中國農業工程學會高級會員：張亞莉（E041200939S）

蘭玉彬，教授，博士生導師，主要研究方向為精準農業航空應用技術。Email：ylan@scau.edu.cn。

中國農業工程學會高級會員：蘭玉彬（E041200725S）