田间农药雾滴精准采样技术与发展趋势

分类：论文范文 发表时间：2021-11-17 11:39

　　摘要：采用植保机械喷施化学农药仍是病虫害防治最为有效的手段。喷施过程中，农药雾滴精准的采集并测定沉积、流失飘移量，对于优化植保机械的作业参数、提高农药利用率具有重要意义。该研究综述分析了室内与田间采样过程中不同类型采样器的优缺点，并分析采样效率、采样器的布置及采样条件等因素对雾滴沉积、流失飘移采样结果的影响。针对当前的采样方法，该研究提出了未来在农药雾滴采样方面的5点要求与展望，包括提高采样的准确性、提高采样方法和采样设备的标准化、增加对农药有效成分雾滴运动规律的研究、研发新型的采样传感器以提高采样效率、建立植保无人飞机喷施雾滴沉积、飘移模型。综上，通过更为标准化和精准的采样，获取可比较、准确度高的农药雾滴沉积与流失飘移数据，可为农药使用量“零增长”提供科学技术指导。

　　关键词：植保机械；农药；喷雾；雾滴沉积；雾滴流失；雾滴飘移；采样方法

　　0引言

　　据统计，农田全年病虫害的累积发生面积近3×108hm2，严重威胁着粮食安全和农产品有效供应[1]。病虫害的防治中，化学农药的喷施作为当前最为有效的手段仍发挥着不可替代的作用。精准高效的化学农药喷施有助于减少农药使用量、提高农药利用率、降低对环境的污染[2]。“十三五”期间随着农业农村部关于《到2020年农药使用量零增长行动方案》的深入开展，农药减量增效显著。据农业农村部报告，2019年农药利用率为39.8%，比2017年提高1.0%，比2015年提高3.2%。植保机械与施药技术的发展以及逐步完善的农药雾滴精准采样技术在农药利用率增长及农药使用量降低中起着重要作用[3]。

　　1农药雾滴采样器类型

　　采样器按照处理分析方法分为图像分析类、化学分析类、传感器类（表1），常见的雾滴采样器参见图1。图像分析类采样器是指通过图像处理分析的方法获取雾滴沉积特性，此类采样器材质主要是纸质。化学分析类采样器是指与示踪剂相结合使用，采用洗脱、定量测定的方式进行分析雾滴沉积量等参数的一类采样器，其材质包括纸质、塑料以及金属。传感器类采样器是通过传感器技术对沉积或飘移的雾滴进行快速检测，并根据喷药前后的信号变化建立信号与雾滴沉积量之间的关系方程。

　　1.1图像分析类采样器

　　图像分析类采样器有不同类型且各有特点，适用于不同喷施环境下采样（表2），通过图像分析类采样器采样后，可以通过人工计数或者扫描后经过专门的软件处理来分析纸卡上的数据，包括雾滴粒径（μm）、雾滴分布密度（雾滴数/cm2）、雾滴覆盖度（%）、沉积量（μL/cm2）等[24]。

　　1.2化学分析类采样器

　　化学分析类采样器是指通过化学分析手段采集测定雾滴沉积量的一类采样器。采用此类采样器时，在试验前首先需在药箱中添加示踪剂或者药剂，并在不同采集点布置采样器，喷雾试验完成后，通过定量的纯溶液（蒸馏水或有机溶剂）洗脱后用仪器定量测定，分析雾滴沉积流失飘移分布情况。常用的此类采样器既有平面型，例如麦拉卡、α-纤维素、色谱纸（包含Whatman色谱纸）、培养皿、载玻片，也有立体型，例如吸管、尼龙线、聚苯乙烯线、聚四氟乙烯球（塑料球）、不锈钢圆盘或者不锈钢圆棒等（表1）。采样的结果以单位面积的沉积量（μg/cm2）来表示。此类采样器的优点是采样效率高[43]、检测限较低、易于操作且容易洗脱提取[62]，但是在使用此类采样器应当注意：采样器和示踪剂的选择与使用、药剂的挥发性等。

　　2雾滴与采样器的互作与采样效率

　　2.1雾滴与采样器的互作

　　农药雾滴在采样过程中会与采样器发生粘附、反弹或破碎等，这些行为会影响采样器的采样效率，导致雾滴通过采样器采集的沉积量与作物叶片上的沉积量有所不同（图2）。农药雾滴在采样器上发生的不同行为与雾滴在撞击过程中所损失的动能有关，如果损失较少的能量，则雾滴发生反弹现象；如果损失能量较高，则雾滴将粘附到采样器表面上[90]。如果雾滴在采样器表面撞击后发生反弹且具有较高的动能，则会进一步破碎，并在表面张力作用下再次收缩为更小的雾滴[91-92]。农药雾滴与采样器的相互作用取决于采样器本身参数（粗糙度、安装方向和可润湿性）、雾滴的特性（表面张力和粘度）、雾滴参数（雾滴大小和形状）等[91-93]。

　　2.2采样器的采样效率

　　采集效率是指单位面积采样器采集的沉积量与空气中样品量的比值。采样效率受到多种因素的影响，包括采样器本身（材质、形状、大小）、雾滴特征（雾滴粒径、雾滴速度）、气象参数（环境温湿度、风速、大气稳定度）等[94]。采样效率理论值低于100%，且与雾滴在采样器表面的碰撞参数有关，雾滴在采样器上的碰撞参数如下[57]：

　　3采样器的布置及采样方法要求

　　3.1采样器的布置

　　植保机械喷施研究中，采样器的布置影响雾滴沉积、飘移采样结果。当以优化不同喷洒设备作业参数、分析溶液性质等为目的时，需将采样器布置在冠层的正上方，且距离冠层顶端有一定距离，以避免具有较大波动性的作物冠层掩盖试验处理的影响[27,101-102]。在分析冠层参数对沉积的影响试验中，可以将采样器布置在冠层的不同位置或者直接布置在冠层叶片上，以获取雾滴在冠层内的穿透性和分布情况[9,10,103]。对雾滴沉积、飘移引起显著影响的冠层参数包括冠层形状、冠层尺寸、叶片密度和种植布置或构造。

　　3.2采样气象要求

　　气象参数包括环境温湿度、风速、风向、大气稳定度等，此类因素对雾滴沉积飘移具有极显著影响，因此在沉积飘移测定试验中，对气象参数的测定与表征十分必要。ISO田间飘移测定标准方法[14]对雾滴飘移测定时的气象条件进行限定，要求环境风速大于1m/s（在作物冠层上方1m且离地至少2m处测量），平均风向应与喷洒设备作业方向成90°±30°，气温在5～35℃。采样时风向发生改变会导致每个取样位置采集的飘移量发生较大变化[104]。为此，飘移采样时应尽量保证风向恒定。另外，不仅温湿度、风速风向对雾滴沉积飘移具有显著影响，大气稳定度也具有显著影响，尤其对于航空施药[105]。

　　4结论与展望

　　本文对农药雾滴精准采样技术进行综述研究，分析农药雾滴采样器类型、雾滴与采样器的互作以及采样器的布置等因素对采样效率和采样精准性的影响，得到以下的结论：

　　1）农药雾滴采样器按照处理分析方法可以分为图像分析类、化学分析类、传感器类，不同类型采样器各有优点与局限性。

　　2）不同类型的采样器获取沉积飘移数据类型、注意事项、使用场景等具有差异，在农药雾滴采样时，应当根据试验需求选择合适的采样器。

　　3）除采样器使用的注意事项外，采样器布置、采样气象条件、采样场地、采样器的运输与保存等因素都会影响采样准确性，在农药雾滴采样时应当注意。尽管过去研究学者在农药雾滴精准采样方法和雾滴沉积、流失和飘移测定方面开展了大量的研究，逐步形成了较为完善的农药雾滴标准化采样方法与流程，但仍存在以下的问题亟需完善：

　　1）采样的准确性需要进一步提高。不同的环境参数和操作方法对采样效率和回收率有显著影响，因此为提高数据的可靠性，测定采样效率和回收率应当成为沉积、飘移检测中最为基础的要求。采集数据前要对植保机械做好检验，避免由于植保机械调试问题导致测定结果的误差。其他因素包括采样环境参数、试验场地、采样器的运输和保存都应当按照标准或被广泛接受的试验方法执行，避免对采样结果产生显著影响。

　　2）采样方法与采样设备需进一步标准化、便捷化、高效化。当前雾滴沉积飘移采样器种类繁多，这导致不同试验采样结果难以对比，因此需要针对相似的采样情况设计使用规范一致的采样器和采样流程，便于更好地保证采样数据的一致性，建立更为准确的沉积飘移模型。另外，目前采样分析方法多数为田间采集后在实验室中处理，此类采样处理方法容易导致采样器污染，如何在田间通过快速图像扫描或其他高效、便捷、准确的方式获取雾滴沉积飘移量也是未来的重要研究方向。

　　3）农药有效成分的雾滴运动规律需要进一步研究。国内外沉积飘移的研究多采用清水中添加示踪剂的方法，然而由于农药有效成分理化性质的特殊性，尤其是部分有效成分具有较高的挥发性以及农药溶剂中所含有大量的表面活性剂，都会对植保机械的喷施雾化、沉积飘移产生显著影响，因此未来研究应增加对含有农药有效成分的雾滴运动规律测定，以更精准的分析农药雾滴沉积飘移分布。

　　4）研发新型的采样传感器以提高采样效率。随着传感器技术的发展，采用新型传感器进行快速采样成为未来发展趋势。当前传感器测定沉积飘移量还具有价格高、准确度低、数据分析复杂等问题，但是随着技术的发展，未来融合多传感器技术如激光雷达、热红外成像、实时粒子检测及光谱成像等，对雾滴沉积飘移数据进行实时分析将成为研究重点。

　　5）建立植保无人飞机喷施雾滴沉积、飘移预测模型。植保无人飞机的快速发展以及其具有的低空低容量喷洒特征对农药雾滴精准采样技术及农药雾滴沉积、飘移预测模型提出了新的要求。未来通过结合计算流体力学、风洞及田间试验等方法，探究环境因素、喷雾参数、蒸发情况和冠层穿透对雾滴沉积的影响，并建立用于预测雾滴飘移的分布模型、制定喷洒作业方案，对于协助管理监督并指导科学应用植保无人飞机十分必要。

　　[参考文献]

　　[1]全国农技推广中心，2020年我国农作物重大病虫害发生将重于2019年[J].农药，2020，59(1)：5.NationalAgriculturalTechnologyExtensionCenter：Theoccurrenceofmajorcropdiseasesandpestsin2020willbeseriousthanin2019[J].Agrochemicals,2020,59(1):5.(inChinesewithEnglishabstract)

　　[2]袁会珠，杨代斌，闫晓静，等.农药有效利用率与喷雾技术优化[J].植物保护，2011，37(5)：14-20.YuanHuizhu,YangDaibin,YanXiaoJing,etal.Pesticideefficiencyandthewaytooptimizethesprayapplication[J].PlantProtection,2011,37(5):14-20.(inChinesewithEnglishabstract)

　　[3]EbertTA,TaylorRA,DownerRA,etal.Depositstructureandefficacyofpesticideapplication.1:interactionsbetweendepositsize,toxicantconcentrationanddepositnumber[J].PesticideScience,1999,55(8):783-792.

　　王国宾1,2，李烜3，JohnAndaloro3，陈盛德4，韩小强5，王娟6，单常峰1,2，兰玉彬1,2,4※

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