施藥噴嘴的噴灑性能研究現狀及展望*

焦雨軒，薛新宇，丁素明

(農業農村部南京農業機械化研究所，南京市，210014)

0 引言

我國作為農業生產大國，每年糧食因作物病蟲害等原因導致的損失可達1 500億kg[1]。使用化學農藥是防治作物病蟲害的主要手段之一，傳統施藥器械在作業過程中存在霧滴霧化不完全、在目標作物上的沉積效果差等問題，造成農藥流失等不良后果，目前全國受農藥污染嚴重的耕地面積已經超過9 000 khm2[2]。

精準施藥是解決農業環境污染的有效手段，噴桿噴霧機與植保無人飛機作為近年興起的精準施藥器械，施藥后的農藥有效利用率與防治病蟲害效果顯著優于傳統施藥器械[3-5]，在我國得到了廣泛應用與發展。噴嘴作為植保機械的核心部件之一，其性能決定了霧滴在靶標上的沉積效果以及靶標外的飄移流失，進一步影響對病蟲害的防治效果[6-8]。隨著植保機械的快速發展，噴嘴的種類也不斷更新，出現了諸如防飄噴嘴、靜電噴嘴等新型噴嘴[9-10]。雖然施藥噴嘴的種類多樣化為植保機械用戶帶來了更多選擇，然而指導噴嘴選用的相關研究卻進展緩慢，大多數施藥噴嘴的噴灑性能與使用條件仍然未知。大量研究證明不同種類與型號噴嘴噴霧時的霧滴粒徑與沉積飄移特性存在差異[11-13]，且不同種類農藥、作物對施藥時的霧滴粒徑需求不同[14]，例如觸殺型農藥需要盡量多且均勻地沉積在靶標對象上，噴霧時要求霧滴粒徑相對較小，因為大霧滴容易從作物上滑落且分布均勻性差；而內吸型農藥需要盡可能多地穿透作物直至根部，所以要求霧滴粒徑相對較大以減少飄移，增加穿透性。因使用噴嘴不當造成的霧滴沉積效果差，霧滴飄移嚴重等問題時常發生，選擇與作業環境、作業目標相匹配的施藥噴嘴對農作物病蟲害的防治效果意義重大，所以亟需對現有施藥噴嘴的噴灑性能進行研究以指導用戶正確選擇與使用。

本文簡要介紹了液力霧化噴嘴與離心霧化噴嘴的分類和特點，概括了國內外學者針對這兩種噴嘴的噴灑性能研究進展，包括噴嘴的霧化性能與沉積飄移特性。最后，針對目前施藥噴嘴噴灑性能的研究標準與方法仍需進一步改善的現狀，本文從噴灑介質、實驗環境、研究標準3個方面分析了施藥噴嘴噴灑性能研究存在的問題，并對今后的研究進行了展望。

1 施藥噴嘴的發展現狀

噴嘴是植保機械施藥系統的核心部件之一，良好的噴嘴性能能夠有效提高噴灑效果，改善霧滴在作物上的沉積結構，減少霧滴飄移。施藥噴嘴根據霧化方式可分為液力霧化噴嘴和旋轉離心霧化噴嘴兩類。

1.1 液力霧化噴嘴

液力霧化噴嘴按照不同分類方式可分為多種類型，通常按結構不同可劃分為扇形噴嘴、錐形噴嘴和防飄噴嘴等3種類型，如圖1所示。扇形噴嘴在進液口處增加了孔片，進液口窄而噴道寬，使藥液能夠在噴嘴腔體內呈渦流狀，噴施藥液時可以使得粒徑較小的霧滴在霧滴譜中比重大大減小，提高霧滴粒徑的均勻性，進而有效減小霧滴在非靶標區域的沉降[15-16]。錐形噴嘴使藥液在噴嘴噴腔內繞軸孔線旋轉，液滴隨著噴腔內壓力的增大在離心力的作用下噴出，霧滴噴出運動方向與其運動軌跡相切，形成一個圓錐體，按照噴霧的形狀不同可分為空心錐形噴嘴和實心錐形噴嘴兩種，目前市場上經常使用的是空心錐形噴嘴。空心錐形噴嘴的優點是結構簡單更換拆卸方便，流道大防堵塞性強，噴出的霧滴分布均勻性好，缺點是噴霧角較小僅有80°。防飄噴嘴是利用特殊結構在噴嘴內部產生大量充氣霧滴，霧滴之間不斷融合使得質量增大從而提高霧滴的抗飄移能力，隨后在充氣霧滴被噴施到靶標上時，氣泡破裂能在靶標表面形成良好的藥液覆蓋效果。

(a)扇形噴嘴

1.2 旋轉離心霧化噴嘴

旋轉離心霧化噴嘴(圖2)主要有轉盤式離心噴嘴和轉籠式離心噴嘴兩種。轉盤式離心噴嘴根據動力不同還可分為電力驅動和風力驅動[17]，目前植保作業常用的為電力驅動式。轉盤式離心噴嘴的霧滴粒徑大小可通過調節轉盤的旋轉速度進行控制，而且其噴道大、防堵塞性強，非常適合可濕性粉劑和懸浮劑等不易溶于水的藥劑噴灑，而且植保無人飛機高濃度的施藥需求更加偏向于使用離心霧化噴嘴，但離心噴嘴的缺點有穿透力不如液力噴嘴、霧滴抗飄移性差等[18]，所以多在良好的作業環境條件下使用。

轉籠式離心噴嘴流量較大，工作時藥液從中心孔流出，在離心力作用下拋到轉籠的籠網上，經過兩層網篩霧化成細小霧滴[19]。固定翼飛機或者有人駕駛直升飛機由于飛行速度快、高度高，通常使用轉籠式離心噴嘴[20]，我國航空植保作業多使用植保無人飛機，轉籠式離心噴嘴在我國市場應用少，而在國外以固定翼飛機為主的航空植保作業中使用較多。

不同種類噴嘴的噴灑性能均存在差異，因此針對不同施藥對象選擇合適的噴嘴是提升施藥效果的關鍵，對此國內外學者展開了對施藥噴嘴噴灑性能的研究以指導噴嘴的選用。

(a)轉盤式離心噴嘴

2 施藥噴嘴的噴灑性能研究

2.1 霧化性能

關于施藥噴嘴的噴灑性能研究主要針對兩個方面，其一是噴嘴的霧化性能，噴嘴的霧化性能指標主要有霧滴粒徑、霧滴譜等級、霧滴譜寬度等，其中霧滴粒徑和霧滴譜等級表明了噴嘴可以產生的霧滴尺寸范圍，霧滴譜寬度表明了噴嘴產生的霧滴尺寸均勻性。

國外對施藥噴嘴的霧化性能研究起步較早，美國農業生物工程師學會(ASAE)在2000年建立了基于Teejet 110-01、110-03、110-06等8種型號液力霧化噴嘴的霧滴譜等級參考圖，將噴嘴按霧滴粒徑的大小分為極細到超粗8個等級，且確定了每種等級對應的噴嘴工作條件的閾值[21]。Czaczyk等[22]測量了MMAT公司不同孔徑和流道的扇形噴嘴在不同壓力下的霧滴粒徑(Dv10，Dv50，Dv90)，發現所測量噴嘴可產生中等和粗等級的霧滴，可滿足工作環境下的抗飄移需求。Womac等[23]發現不同品牌的參考噴嘴的平均霧滴粒徑差異范圍較小，而測量霧滴粒徑的激光儀器會對結果造成偏差，從而影響霧滴粒徑。Fritz等[24]在USDA航空應用技術中心、林肯大學、澳大利亞昆士蘭大學 3 個風洞試驗室內，對扇形噴嘴基于霧滴粒徑進行研究，結果表明在相同的測試條件下，不同試驗室霧滴粒徑存在差異且在5%內。

我國關于施藥噴嘴霧化性能的研究起步較晚，但也已相對成熟，茹煜等[25]對固定翼飛機使用的GP-81A等6個不同孔徑的扇形噴嘴進行了霧滴粒徑測試，發現這些噴嘴的霧滴粒徑均大于150 μm，且霧滴譜寬度均較窄。Guler等[26]在實驗室條件下比較了平面扇形噴嘴和氣吸型噴嘴的噴霧效果，發現在噴灑相同流量的情況下，氣吸型噴嘴的噴霧時間比平面扇形噴嘴短2倍以上。張慧春等[27]研究了4種扇形噴嘴(AIXR11002、TT11002、XR11002、XR11001)在不同噴施壓力下的霧滴粒徑分布，發現相同壓力下AIXR11002氣吸型噴嘴產生的霧滴粒徑最大，且其霧滴譜寬度最窄。王雙雙等[28]對Lechler公司生產的氣吸型射流防飄噴嘴IDK120-02、03，標準扇型噴嘴ST110-02、03和空心圓錐噴嘴TR80-02、03等6種型號噴嘴使用3種不同儀器進行了霧滴粒徑的測量，發現3種儀器對同型號噴嘴的霧滴譜判定等級相同，均為“細”等級。周晴晴等[29]依據ASAE S572.1標準，在NJS-01植保低速風洞為平臺建立了霧滴粒徑標準測試方法，以Teejet 11001、11003、11006、8008和6510不銹鋼芯扇形噴嘴為參考噴嘴，測試了Teejet F110 01～08等24種液力霧化噴嘴在0.2、0.3、0.4 MPa下的霧滴粒徑，發現NJS-01植保低速風洞中測量的霧滴粒徑和國外學者所測得結果差異在±5%內，大部分被測噴嘴的霧滴粒徑均在“細”和“中等”級別。

綜上可知，前人對噴嘴霧化性能的研究主要集中于噴嘴的霧滴粒徑、霧滴譜等級，而霧滴譜寬度鮮有涉及，目前基于施藥噴嘴霧滴譜等級的研究均是以ASABE建立的噴嘴霧滴譜分級標準為基礎，該標準統一了參考噴嘴的品牌與型號，而不同的測量地點與測量儀器均會影響霧滴粒徑的測量結果，所以使用該標準時，必須首先考量所用試驗臺對參考噴嘴霧滴粒徑的測量結果與標準的差異性是否滿足要求。

2.2 沉積飄移特性

沉積飄移特性是施藥噴嘴噴灑性能研究的另一主要方面，噴嘴的沉積飄移特性指標主要有霧滴(飄移)沉積量和飄移潛在指數等。霧滴(飄移)沉積量表明噴嘴在不同分布區域內的霧滴沉積數量，飄移潛在指數表明噴嘴的飄移概率。

關于離心霧化噴嘴沉積飄移特性的研究，國內外近年來均涉及較少，而在1999年，傅澤田等[30]在Silsoe研究所的風洞實驗室內測量不同風速與轉盤轉速下離心霧化噴嘴的飄移特性，發現在相同或相近霧滴大小的情況下，轉盤式離心噴嘴產生的霧滴比液力霧化噴嘴更易產生飄移，且隨著轉盤轉速與風速的增加飄移風險也逐漸升高。Bai等[31]測量了日本植保作業使用的防飄噴嘴Hypro和YAMAHO ES系列噴嘴在不同條件和環境下的飄移潛在指數，發現噴嘴高度和尺寸對結果的影響具有統計學意義，且ES系列噴嘴在0.3～0.5 m的高度下具有較好的減飄能力。Qi等[32]測量了離心噴嘴和標準扇形噴嘴的飄移潛在指數，通過比較相似霧滴體積中徑的扇型噴嘴和離心噴嘴的飄移潛在指數建立了兩者之間的聯系，發現不同測量環境下離心噴嘴飄移風險均較高。Zande等[33]測量了不同參考噴嘴的飄移潛在指數，發現結果具有明顯差異，指定一種參考噴嘴(包括制造商、型號、尺寸和材料)進行噴嘴飄移潛在指數的研究很有必要。曾愛軍等[34]對國內常用的5種典型液力噴嘴在不同風洞環境條件下(壓力、風速和溫濕度)的飄移特性進行了對比試驗，發現小型號噴嘴的飄移遠大于大型號噴嘴且霧滴大小和風速是影響飄移的最主要因素。徐德進等[35]使用4種扇形噴嘴(ST11001、02，TR8001、02)進行農藥在水稻植株上的沉積分布研究，發現4種噴嘴均在上層沉積量最大，而在水稻根部的沉積量最少。Garcerá等[36]比較了標準扇形噴嘴與防飄噴嘴噴霧在柑橘樹冠、地面和空氣中的沉積分布情況，結果顯示標準扇形噴嘴的霧滴飄移量多于防飄噴嘴，而地面損失量少于防飄移噴嘴。

綜上可知，對施藥噴嘴沉積飄移特性的研究尚未建立標準，指標與參考噴嘴型號不統一。大部分研究主要針對不同噴霧參數對噴嘴沉積飄移特性的影響展開，沒有結合噴嘴的霧化性能，而霧滴粒徑與霧滴譜寬度是影響噴嘴沉積飄移特性的關鍵因素，小霧滴更容易受環境風速的影響產生飄移；噴嘴的霧滴譜寬度越窄，霧滴尺寸越均勻，沉積飄移特性相對更有規律。

噴嘴沉積飄移特性的研究需要有側風風場或無人機下洗氣流的參與，通常在風洞實驗室中進行，因為室外對環境與噴霧參數的可控性較差，而風洞實驗室中可自主調節所需要的風速以及試驗參數等，有效地保證了所測數據的準確性。風洞實驗室中的霧滴沉積量收集方法一般參考國際標準ISO 22856：Equipment for crop protection—Methods for the laboratory measurement of spray drift—Wind tunnel，圖3展示了該標準提出的風洞典型結構和采樣絲線、霧化器和監測儀器的布局，使用的采樣絲線通常是直徑為1.98 mm或2 mm的聚乙烯線或聚四氟乙烯線，其中，h是霧化器距風洞地面的高度，A是氣流。

圖3 風洞工作段典型結構示例Fig.3 Example of a typical structure of the wind tunnel working section1.相對濕度和溫度傳感器 2.風速計 3.噴霧霧化器 4.收集絲線(垂直間隔0.1 m，水平間隔1 m) 5.彌霧噴嘴(用于增加風洞環境內濕度)

對噴嘴沉積飄移特性的研究一般以噴嘴的沉積量、飄移潛在指數和飄移減少百分比3個指標為主，噴嘴的沉積量可通過試驗直接測得，飄移減少百分比是通過所測噴嘴的飄移潛在指數與參考噴嘴進行對比計算得出，而國內外對于飄移潛在指數的計算有不同的方法，目前主要有以下幾種。

1)由ISO 22856：Equipment for crop protection—Methods for the laboratory measurement of spray drift—Wind tunnel所規定，此標準將飄移潛在指數定義為1 min 內收集到的霧滴飄移沉積量占噴嘴輸出流量的百分比，具體計算公式如下。

噴霧過程中，霧滴1 min內在收集線上的沉積總量用Ad來表示。

(1)

式中：n——收集線的數量，水平方向和垂直方向分別進行求和；

di——第i根收集線上示蹤劑的沉積量，由熒光分析儀得到示蹤劑的濃度，濃度值乘以洗脫液體積，得到了采集線上沉積的示蹤劑量，μg；

s——收集線間的距離，m；

w——收集線的直徑，mm；

x——噴霧時間，s。

(2)

式中：Ta——噴嘴1 min內的流量(可測得)；

Sd——收集到的霧滴沉積量占噴嘴輸出的百分比，即為飄移潛在指數。

2)由Miller等[37]提出的飄移潛在指數DP(Drift Potential)表示的是飄移沉積量與噴嘴噴霧量進行比較的相對值，該方法采用數值積分的方式研究豎直與水平方向上的飄移潛在指數DPV和DPH。

噴嘴在豎直平面上

(3)

(4)

式中：DPV——基于數值積分的空間飄移潛在指數，μL/mL；

PVi——噴嘴每噴灑出1 L溶液第i根豎直采集線上的相對飄移沉積量，μL/L；

Δhi——各豎直采集線對應的高度間隔，m；

AVi——第i根豎直采集線上的飄移沉積量，mg/L；

W——洗脫水體積，mL；

K——示蹤劑濃度，mg/L；

Q——噴嘴流量，L/min。

噴嘴在水平沉積面上

(5)

(6)

式中：DPH——基于數值積分的地面飄移潛在指數，μL/mL；

PHi——噴嘴每噴灑出1 L溶液第i根水平采集線上的相對飄移沉積量，μL/L；

AHi——第i根水平采集線上的飄移沉積量，mg/L；

Δxi——各水平采集線對應的距離間隔。

3)由Bai等[31]提出的DIX(Drift Index)方法，該方法僅研究了噴嘴在豎直平面的飄移特性，與前兩個計算方法相比，該方法不僅考慮了總沉積量和收集高度的權重，而且還通過引入兩個參數a=0.88，b=0.78(通過大量田間試驗總結得出)對比風洞試驗數據和田間試驗數據之間的關系。

(7)

(8)

(9)

式中：V——相對飄移潛在指數；

v(i)——一個豎直平面收集器處的沉積量，μL/L；

Δzi——一個豎直平面收集器的代表高度間隔，m；

VN——噴嘴輸出，L/min；

H——飄移潛在指數空間的特征高度，m；

zi——收集器高度，m；

hrs——參考噴霧的飄移潛在指數空間的特征高度，m；

Vrs——參考噴霧的相對飄移潛在指數體積，L；

his——研究噴霧的飄移潛在指數空間的特征高度，m；

Vis——被研究噴霧的相對飄移潛在指數體積，L。

以上是目前計算噴嘴飄移潛在指數的主流方法，第一種計算方法最簡單也最常用，第二和第三種方法都采用了數值積分的方式計算噴嘴空間與水平面上的相對飄移潛在指數，提高了準確性，第三種方法還進一步與田間實際實驗關系相結合，提高了計算結果對田間試驗的參考意義，具體使用哪種方法需要根據自己的試驗設計與需求選擇。

2.3 小結

噴嘴的霧化性能和沉積飄移特性都是決定最終施藥效果的重要因素，不同的植物、農作物葉片或根莖的物理特性不同，不同直徑的霧滴在其上的附著性、鋪展性等均有差異，所以不同施藥對象適用不同的霧滴粒徑，而霧滴粒徑直接影響霧滴的沉積飄移特性，小霧滴更易飄移。目前不同研究對霧滴飄移的粒徑界限仍有不同結論，而生物最佳粒徑理論認為落在施藥對象最佳粒徑范圍內的霧滴數量越多，防治效果則越好[38-39]，因此在面對不同防治對象時，需要綜合考慮霧滴粒徑與沉積飄移特性等因素選擇合適的噴嘴，在霧滴大小合適的前提下首選靶標區域內沉積效果好、飄移少的噴嘴。針對噴嘴噴灑性能的研究可以為實際植保作業中噴嘴的合適選用提供理論依據與數據參考，所以不斷完善現有施藥噴嘴噴灑性能的研究標準與方法對植保施藥作業具有重大意義。

3 問題與展望

3.1 存在問題

目前國內外對施藥噴嘴的噴灑性能研究仍處于發展階段，僅建立了以扇形噴嘴為參考噴嘴的霧滴譜分級標準，對噴嘴沉積飄移特性的研究尚未有統一標準。前人的研究仍存在一些明顯問題，具體體現在：(1)施藥噴嘴噴灑性能試驗中使用的噴灑介質均是清水。已有研究表明噴灑介質的黏度和表面張力會影響噴霧的霧滴粒徑[40]，且實際施藥作業中噴灑介質為農藥，其黏度和表面張力與清水必然有差異，從而導致霧滴粒徑發生變化且進一步影響霧滴的沉積與飄移；(2)大部分研究均在風洞實驗室的理想環境下進行，與實際作業環境相似度較低。如噴嘴的高度與實際作業中噴嘴距離作物冠層的高度不同，若噴嘴使用在植保無人飛機上，仍需考慮旋翼下洗氣流對噴嘴的霧滴粒徑和沉積飄移特性的影響；(3)由ASABE建立的霧滴譜等級標準跨度較大。該標準中將霧滴粒徑為140～350 μm的霧滴劃分為“細”等級，如扇形噴嘴Teejet F110-01～F110-03的霧滴譜等級均為“細”，指導意義局限性較大。(4)關于噴嘴的沉積飄移特性研究大多針對不同噴霧參數對噴嘴沉積飄移特性的影響，未結合噴嘴的霧化性能。霧滴粒徑與霧滴譜寬度是影響噴嘴沉積飄移特性的關鍵因素，小霧滴更容易受環境風速的影響發生飄移；而霧滴譜寬度越窄，霧滴尺寸越均勻，噴嘴的沉積飄移分布相對更有規律。

3.2 展望

針對上述問題，今后的研究可圍繞以下幾方面深入展開：(1)建立高度模擬實際作業環境的噴嘴噴灑性能試驗臺，綜合考慮地面植保機械和植保無人飛機的作業環境，包括噴霧機噴桿的振動、自然環境側風、植保無人飛機飛行高度、旋翼下洗氣流等因素；(2)噴灑介質可選用具有不同物理特性如黏度、表面張力等性質的液體，與田間常用農藥的物理特性相同或相近，為實際作業中農藥與助劑的選用提供參考；(3)進一步細化已有標準，突出不同型號噴嘴噴灑性能的差異，保證實際作業時噴嘴的選用更具有針對性，且需要考慮建立旋轉離心霧化噴嘴的相關標準；(4)結合噴嘴的霧化性能對其沉積飄移特性開展研究，對比分析具有不同霧滴譜寬度的噴嘴沉積飄移特性的差異。

雖然施藥噴嘴隨著植保機械的迅速發展與更新為實際作業中噴嘴的使用帶來了更多選擇，但是過快的發展速度導致實際作業時缺乏規范的指導與監管，而專業的噴嘴選型與施藥指導是推動植保行業有序合理發展的關鍵條件，如Teske等[41]建立了AGDISP(agricultural dispersion)和AGDRIFT(agricultural drift)預測模型，對模型輸入噴嘴型號、藥液種類、飛機類型、氣象因素等就能夠有效預測霧滴的潛在飄移。我國學者在施藥噴嘴的噴灑性能上做了大量研究，但是要應對生物種類多、特性復雜，農田環境變化大、維度廣等問題，必須設計規范的噴嘴選型決策系統來指導農民實際生產施藥。例如，建立用戶平臺、數據庫時能直接獲取以下信息：各型號噴嘴自身的功能參數如噴幅、噴霧角等；噴灑性能參數如不同流量和壓力下的霧滴粒徑、不同側風風速、飛行高度和飛行速度下的飄移潛在指數；常見植物、農作物及其病害與適用藥劑、助劑以及指導施藥量；生物最佳粒徑理論所建議的防治不同病害的最佳霧滴粒徑范圍。

4 結論

綜上所述，目前研究大多圍繞現有施藥噴嘴的霧化性能測試與霧滴沉積飄移特性的影響因素展開，針對液力霧化噴嘴的研究較多而離心霧化噴嘴的研究較少，建立健全施藥噴嘴選型制度與規范仍有較長的路要走，主要有以下方面。

1)完善施藥噴嘴的噴灑性能試驗參數與指標，結合噴嘴的霧化性能展開對其沉積飄移特性的研究，進一步獲得更準確、全面的施藥噴嘴性能參數。

2)整合現有的農業資源信息與研究成果，結合實際生產作業建立施藥噴嘴專用數據庫和噴嘴選型決策系統。