《Smart Agricultural Technology》：Design and Field Testing of a Novel Low-Drift Sprayer for Sustainable Crop Protection in Olive Trees
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为应对传统风送喷雾器在橄榄、柑橘等中高型树冠作物中存在的喷雾漂移和地面沉降严重、无法适应不同种植间距和树形结构等问题，研究人员设计并测试了一种新型低漂移自适应喷雾器原型。该原型通过可调式机械结构与管道化输送系统，将雾滴与气流近距离导向树冠。田间测试表明，与标准喷雾器相比，该原型在保持树冠覆盖率的同时，实现了漂移减少66.3%、地面沉降降低76.0%，并显著降低了能耗与化学药剂用量，为可持续作物保护提供了有前景的解决方案。
在橄榄园和柑橘园中，喷洒农药防治病虫害是保证作物健康与产量的关键环节。其中，风送式喷雾器因其能提供较好的覆盖和穿透效果而被广泛应用。然而，传统的设备存在一个明显的“痛点”：它们通常采用固定的喷洒结构，无法灵活适应每一棵果树独特的形状和大小。果园的种植模式也千差万别，行距从超集约型的6米到传统果园的14米以上不等。这就导致了一个两难局面：为了确保远处的树也能被喷到，喷雾器不得不产生强力气流，将雾滴“吹”向目标。但在漫长的“旅程”中，许多雾滴迷失了方向——较轻的随风飘散，成为污染空气和水体的漂移损失；较重的则提前坠落地面，造成土壤污染和农药浪费。研究表明，在传统果园中，超过49%的雾滴可能发生脱靶沉积，地面损失甚至高达45%。这不仅是经济上的浪费，更对生态环境和食品安全构成了潜在威胁。因此，开发一种能够“智能”贴近树冠、减少无效喷洒的喷雾技术，成为了农业工程领域亟待突破的方向。
针对上述挑战，一项发表在《Smart Agricultural Technology》上的研究给出了创新性的答案。由Juan-Antonio Almazán-Lázaro等人组成的团队设计并实地测试了一款新型低漂移风送喷雾器原型。该研究的核心思路是“缩短距离，精准输送”，旨在通过可调节的机械结构和管道化的气-液输送系统，将雾滴的发生和推送位置尽可能地靠近目标树冠，从而大幅减少雾滴在抵达叶片前的损失。
研究人员开展此项研究主要采用了几个关键技术方法：首先是可调式机械结构与管道化喷雾系统设计，该原型拥有一个由液压缸驱动的可移动铰接框架，支撑着四个对称的结构臂，其上集成了输送气流和喷雾的管道系统，能够调整高度、形状和间距以适应不同树形。其次，研究在传统橄榄园（行距10米×10米）中对原型机和一台标准商用风送喷雾器进行了并行的田间对比测试。测试的核心评估手段是水敏纸（Water-Sensitive Papers, WSP）颜色测定法，这是一种通过雾滴接触变色来量化沉积情况的经典方法。研究人员将WSPs策略性布设在树冠内部、地面以及用于监测漂移的空中支架上。最后，通过高分辨率扫描和基于MATLAB?的自定义图像分析算法，对采集的WSPs进行数字化处理，精确计算覆盖率、雾滴数量、尺寸分布（包括体积中径VMD）等关键参数，从而全面评估两种喷雾器的性能差异。
2.1. 设计的防漂移喷雾器
研究人员设计了一款不同于传统设计的喷雾器。其核心创新在于采用了局部化输送方式，将雾化和气流产生装置设置在紧邻树冠的位置，极大缩短了雾滴的飞行距离。该原型通过一个可移动的铰接框架，其结构臂可进行位置调整，以匹配树冠的高度、形状和间距。关键组件包括输送气流的管道和喷嘴，结构尺寸基于传统橄榄树的典型参数（如树高4.70米，冠幅7.30米）进行设计，使其能够适应行距2.0至12.0米、树高可达5米的果园环境。
2.2. 喷雾器与测试描述
为了评估性能，研究将原型机与一台名为Dynamic Standard Series的传统风送喷雾器在相同田间条件下进行对比。测试在行距10米×10米的传统橄榄园中进行，选用三棵橄榄树，原型机测试9次，传统喷雾器测试3次。为确保对比基础一致，研究人员调整了两种设备的施药量，目标是使两者在树冠中心区域的覆盖率差异小于10%。最终，传统喷雾器的工作流量为27.1 L/min，风量20000 m3/h；而原型机得益于近距离喷洒，仅需15.5 L/min的流量和2700 m3/h的风量即可达到相近的树冠覆盖效果。
3.1. 水敏纸上的覆盖率
对漂移目标和地面目标的沉积测量数据进行了统计分析。在漂移方面，原型机在所有测量位置（D1-D6）的沉积覆盖率均显著低于传统喷雾器。全局平均来看，原型机在漂移目标上的覆盖率为15.1%，而传统喷雾器高达44.8%，意味着漂移损失减少了66.2%。在地面沉积方面，原型机的平均覆盖率为17.9%，传统喷雾器则高达77.0%，相当于地面损失减少了76.0%。这些结果在统计上均具有显著性（p < 0.05）。这表明，通过近距离管道化输送，原型机有效遏制了雾滴向非目标区域的扩散和坠落。
3.2. 雾滴谱分析
通过对水敏纸的图像进行算法分析，研究进一步从雾滴尺寸分布的角度揭示了性能差异。在树冠内部，虽然两者在中心位置（B4）的覆盖率接近（约19.4% vs 19.8%），但雾滴谱明显不同。原型机产生了更多的小尺寸雾滴（峰值在20-100 μm之间），平均雾滴直径为103 μm，而传统喷雾器为144 μm。更细小的雾滴有助于提高叶片覆盖的均匀性和接触性药物的吸收效果。在漂移目标上，原型机捕获的雾滴数量远少于传统机，且其尺寸分布呈单峰（集中在40-60 μm），表明漂移的主要是易飘散的小雾滴。而传统喷雾器的漂移雾滴谱更宽，包含更多较大雾滴，意味着能量和药剂的浪费更为严重。在地面目标上，原型机的雾滴谱呈现双峰分布（40-60 μm和350 μm附近），表明地面沉积来源于未命中叶片的小雾滴和直接下落的大雾滴；而传统喷雾器在地面上几乎再现了其喷嘴的全谱特征，说明其喷洒有很大一部分直接作用于地面，效率低下。此外，在能耗方面，传统喷雾器需要约42马力（HP），而原型机仅需5.25马力，节能效果显著。这得益于近距离输送降低了对初始风速的要求，以及更小的液泵流量。
该研究得出结论，这款新型可调式喷雾器设计通过将气流和药剂近距离导向树冠，显著减少了农药应用中的损失。田间对比试验证实，与常规设备相比，该原型机能在保持树冠有效覆盖的同时，平均降低66.3%的漂移损失和76.0%的地面沉积。同时，由于采用了管道化输送和更短的喷施距离，其能耗大幅降低，所需药剂和水量也更少。
这项研究的核心意义在于提出并验证了一种切实可行的、机械结构导向的精准施药方案。它通过“缩短射程”这一直观但高效的工程学原理，直接击中了传统风送喷雾器“粗放”和“浪费”的痛点。其优势不仅体现在可量化的环境效益（减少漂移和土壤污染）和经济效益（节约农药与水），更在于其设计的可适应性与扩展潜力。该原型机的机械结构允许其调整以适应从橄榄到柑橘、杏仁等多种果园作物的不同树形和行距，为可持续农业实践提供了一种通用的技术平台。研究团队也展望了未来，指出将此稳健的机械结构与智能控制技术（如基于计算机视觉和AI的传感器）相结合，可以实现根据环境条件和树冠距离的实时调整，从而迈向更智能、更自动化的果园植保管理。因此，这项研究为开发环境足迹更小、资源利用效率更高的农业植保装备奠定了重要的理论与实践基础。
