植保靜電噴霧技術研究現狀及發展前景

靜電噴霧技術因其可顯著提升霧滴有效沉積率、降低農藥飄逸損失及改善藥液分布均勻性等優勢，已成為解決我國植保施藥效率低、環境污染嚴重等問題的關鍵技術路徑，并為實現農業強國戰略目標提供重要技術支撐。

一、引言

農藥作為現代農業病蟲害防治的核心工具，在保障糧食穩產增產方面發揮了不可替代的作用。我國自2007年起農藥使用量長期位居全球首位，但受限于傳統施藥技術和設備的落后，農藥有效利用率僅為 20%～30% ，遠低于發達國家水平[1]。過量施藥不僅造成資源浪費，還導致土攘退化、水體污染及生物多樣性破壞等生態問題，嚴重威脅農產品質量與農業可持續發展。同時，傳統噴霧設備普遍存在霧滴粒徑大、沉積不均勻、靶向性差等缺陷，難以滿足現代綠色農業對精準施藥和環境友好的迫切需求。

靜電噴霧技術通過高壓電場使藥液霧滴荷電，并在靜電力、風力及重力等多因素的共同作用下，實現帶電霧滴對靶標作物的高效吸附與均勻沉積。研究表明，荷電霧滴在靜電環繞效應的驅動下可增強穿透能力，實現對葉片正反面及中下層的均勻覆蓋，從而提升病蟲害防治的徹底性和安全性。該技術不僅大幅提高農藥利用率，還能有效減少藥液飄逸損失，減輕對環境的污染，成為解決我國植保施藥中諸多問題的有效方法[2]。

二、靜電噴霧技術的基本原理

靜電噴霧技術是利用高壓靜電裝置在噴頭和靶標作物之間形成靜電場，將噴灑出的藥液霧滴充上電荷，并使帶電霧滴在電場力、氣流叟力和重力的共同作用下，能夠更均勻地沉降在作物表面[3]。該技術不僅提高了藥液的沉積效果，還通過形成“靜電環繞\"效應減少了藥液的漂失，同時增加藥液在葉片背面的沉積量，進而有效改善施藥區域的生態環境。

目前，霧滴的荷電方法主要分為三種：電暈荷電、接觸荷電和感應荷電。電暈荷電是通過高壓針型電極將周圍空氣電離，霧化后的藥液通過與空氣中帶電粒子的碰撞形成荷電霧滴。接觸荷電則是將高壓電源直接與藥液接觸，使其帶電，隨后通過噴嘴霧化形成帶電霧滴。感應荷電是將高壓電施加在噴頭外的電極之間，形成靜電場，使藥液在霧化過程中帶走噴頭表面的電荷，從而實現荷電。這三種荷電方式在所需電壓及其特性方面存在差異，具體見表1。其中，感應荷電因其良好的荷電效果及對絕緣要求較低等特點，已在靜電噴霧技術中得到了廣泛應用。

表1三種荷電方式對比

三、國內外靜電噴霧理論研究現狀

靜電噴霧技術因在農藥沉積效率、霧滴漂移控制和作物覆蓋率等方面展現出顯著優勢，已成為植保領域的研究熱點，自20世紀以來，國外學者圍繞靜電噴霧的霧化機理、荷電特性及田間實際應用等進行了深人研究，逐步構建了從基礎理論到工程應用的完整研究框架。

我國靜電噴霧技術始于20世紀70年代，相較于國外起步較晚，但在理論研究、設備研發和應用推廣等各方面取得了顯著成就，為植保技術的綠色化和精準化提供了重要支撐。

四、國內外靜電噴霧植保器械

靜電噴霧技術因其霧滴漂移量低、環境友好、藥液消耗量少且利用率高等優勢，已成為現代農業植保領域的研究重點。國內外學者基于靜電噴霧理論成果，結合現代植保機械，已研發出多種試驗樣機與商業化產品。

國外靜電噴霧機生產企業以美國ESS公司和意大利MARTIGNANI公司為代表。ESS公司產品是基于MaxChargeTM靜電噴頭的改進及實地應用條件研制的，如圖1(a)所示。其典型的靜電噴霧機采用3點懸掛式連接于拖拉機后方，適用于行距寬、冠層高及樹冠厚的果園作業場景。MARTIGNANI公司也推出了系列化的果園靜電噴霧機，如圖1(b)所示。該噴霧機通過牽引式連接于拖拉機后方，結合離心風機將荷電霧滴精準輸送到果樹冠層，顯著提高了施藥效率且用水量減少 90% ，該機械適用于籬笆型標準化果園。在航空靜電噴霧領域，SES公司實現了產品化的突破。該公司通過購買Calton的專利，研制出符合產業化需求的新型注塑噴頭，并將其與直升機相結合，成功研制出固定翼航空靜電噴霧機和直升機航空靜電噴霧機，如圖2所示。該系統的設計極大減少了噴霧霧滴偏移帶來的損失，并顯著提高了航空施藥有效藥液利用率，從而大幅減少了總耗藥量。

圖1 ESS公司及MARTIGNANI公司靜電噴霧機機型

圖2SES公司航空靜電噴霧機

圖3在線混藥性靜電噴霧機

圖43WQ-400遙控型和牽引型雙氣流輔助靜電果園噴霧機

國內學者對靜電噴霧機械的研究主要聚焦于樣機的研制，尚未形成成熟的商業產品。何雄奎等在風送型靜電噴霧機的基礎上，研發了果園自動對靶靜電噴霧機4；試驗結果顯示該靜電噴霧機可以節約藥液用量 50%～75% ；然而，受限于靶標探測和仿形執行部件，該樣機并未實現產業化。楊洲等研制了在線混藥性靜電噴霧機（見圖3)。通過集成在線混藥系統和風輔氣流控制系統，實現風送靜電噴霧方式下，無冠層采樣架上采樣點正面的霧滴附著率較無風輔無靜電方式分別提高 166.7% 和 428.6% ，證明風輔靜電式噴霧系統可提高霧滴吸附能力和穿透能力。此外，農業農村部南京農業機械化研究所成功研制了3WQ-400牽引型雙氣流輔助靜電果園噴霧機，并針對靜電噴霧中荷電霧滴易吸附在操作人員上的問題，研制了遙控型靜電噴霧機(見圖4)，通過雙氣流輔助系統與靜電噴霧系統相結合，實現了靜電噴霧較非靜電噴霧冠層前后霧滴密度分別提升20% 和 7.2% 。

五、研究方向和應用前景探討

盡管國內外學者對植保靜電噴霧技術開展了大量理論研究與工程實踐，該技術仍因成本較高、防治效果受環境因素制約較大且影響因素多而復雜等問題，在實際推廣和應用中面臨諸多挑戰。為進一步推進靜電噴霧技術的發展，未來可從以下幾方面展開討論研究。

（一)荷質比是評估靜電噴霧和荷電效果的重要指標。只有在噴霧量、氣流速度及分布、測量距離等參數基本一致下，用荷質比作為比較各靜電噴頭好壞的指標才更有意義。當前研究中，不同靜電噴頭的性能比較往往缺乏對關鍵變量的標準化控制。未來需建立統一的測試規范，明確荷質比與其他性能參數的關聯性，為靜電噴霧系統的評價及優化設計提供依據。

（二)國內缺乏對特定靶標作物研發的專有靜電噴霧設備。由于不同作物的冠層結構、葉片形態和病蟲害防治需求存在顯著差異，因此需根據作物的生態特性如葉片傾角和冠層密度等，設計適配性強的噴頭和噴桿。

（三）當前國內自主研發的航空靜電噴霧系統較少，主要以引進國外的核心設備為主。隨著農業無人機技術的普及，靜電噴霧技術和無人機平臺的結合已成為智能植保裝備發展的重要趨勢。實驗室數據顯示，航空靜電噴霧可顯著提升霧滴沉積率及葉片的全方面覆蓋率。然而，我國在航空靜電噴霧領域仍面臨諸多技術挑戰：一方面，受限于無人機載重限制，低功耗的小型靜電荷電裝置亟待開發；另一方面，如何通過優化多旋翼無人機的氣流控制或靜電場分布，以降低自然風對霧滴運動的影響仍是需要重點突破的技術難題。

六、結論

經過國內外學者多年的持續探索，靜電噴霧技術憑借其精準沉積與漂移控制等優勢，已成為現代農業裝備的重要發展方向，并在理論研究和工程實踐中取得顯著進展。隨著農業現代化對裝備智能化、綠色化需求的提升，當前技術仍面臨諸多挑戰。一是靜電噴霧技術中的荷質比動態調控機制、霧滴電荷耗散規律及與作物的交互機理尚未完全揭示，使其防治效果受環境制約較大；二是航空靜電噴霧技術作為新型應用方向，如何利用好無人機平臺發展航空靜電噴霧技術，使其不受地形限制、作業效率高等優勢得以體現也仍待發展；三是商業化產品普遍存在成本高、適應性差等缺點，嚴重制約了技術的規模化推廣。因此，未來需圍繞上述問題進行進一步的深人研究，促使靜電噴霧技術大規模推廣和商業化使用，實現農業施藥的精準化、低污染化和高效化，為保障糧食安全、推動農業可持續發展提供關鍵技術支撐，助力我國從農業大國走向農業強國的轉型。

參考文獻：

[1]何雄奎.改變我國植保機械和施藥技術嚴重落后的現狀[J].農業工程學報，2004(01)：13-15

[2]劉興華，劉雪美，苑進，趙新學.植保靜電噴霧技術發展現狀與前景J].農機化研究，2019，41（02）：8-14.

[3]周良富，張玲，薛新宇，等.農藥靜電噴霧技術研究進展及應用現狀分析[J].農業工程學報，2018，34(18):1-11.

[4]何雄奎，儲金宇，汪健，曾愛軍，劉亞佳.果園自動對靶靜電噴霧機設計與試驗研究[J農業工程學報，2003(06):78-80.

（作者單位：陳巧琳 張子陽 盛積昊 劉興華 山東農業大學機械與電子工程學院；蔣帆山東省農業機械技術推廣站）