設(shè)施農(nóng)業(yè)專用固定管道式常溫?zé)熿F系統(tǒng)

李雪，呂曉蘭，張美娜，陸岱鵬

【摘要】中國(guó)設(shè)施農(nóng)業(yè)配套施藥裝備匱乏，現(xiàn)有施藥裝備存在裝備落后、藥械霧化質(zhì)量差、農(nóng)藥用量大、農(nóng)藥利用率低等問(wèn)題，而且施藥過(guò)程中作業(yè)人員受毒害情況嚴(yán)重，針對(duì)以上問(wèn)題，江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)設(shè)施與裝備研究所創(chuàng)新研發(fā)了一套設(shè)施農(nóng)業(yè)專用二相流固定管道式常溫?zé)熿F系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可快速轉(zhuǎn)換應(yīng)用于不同農(nóng)業(yè)設(shè)施的施藥作業(yè)，節(jié)約投入成本；噴霧系統(tǒng)產(chǎn)生的超細(xì)煙霧狀霧滴具有均勻的彌漫性，可以有效降低農(nóng)藥的使用量和成本；系統(tǒng)工作后對(duì)溫室大棚內(nèi)的地面濕度沒(méi)有影響。另外，該噴霧系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)了人-藥分離，保障了作業(yè)者的人身安全。該系統(tǒng)可有效解決現(xiàn)有設(shè)施植保機(jī)械裝備施藥量大、霧滴粗、彌漫效果差、沉積不均勻等問(wèn)題，在緩解中國(guó)設(shè)施植保配套裝備應(yīng)用不足的同時(shí)，為設(shè)施植保裝備的研發(fā)提供借鑒。

背景

隨著農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，中國(guó)設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模逐年擴(kuò)大，2013年中國(guó)蔬菜播種面積就已達(dá)7525萬(wàn)畝（501.67萬(wàn)hm2），溫室大棚面積達(dá)360萬(wàn)hm2，占全球溫室面積的85%以上，是世界最大的蔬菜溫室生產(chǎn)區(qū)域[1-3]。然而，設(shè)施的相對(duì)封閉性導(dǎo)致設(shè)施內(nèi)高溫高濕現(xiàn)象頻發(fā)，容易滋生病蟲(chóng)害，從而引發(fā)農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)和產(chǎn)量嚴(yán)重下降[4]。因此，病蟲(chóng)害防治一直是設(shè)施農(nóng)業(yè)管理中的關(guān)鍵性技術(shù)。但是，中國(guó)設(shè)施配套的施藥裝備匱乏，一般使用背負(fù)式噴霧器、機(jī)動(dòng)噴槍進(jìn)行大容量噴霧作業(yè)[5-6]，這種作業(yè)方式使農(nóng)藥有效利用率很低，同時(shí)造成大量霧滴沉積到地面，增加土壤濕度，為病蟲(chóng)害多次爆發(fā)提供條件；而且大容量噴霧在作物成株期，噴灑農(nóng)藥時(shí)，霧滴不容易穿透植株冠層，葉片背面更難以沉積藥液，而有些病蟲(chóng)集中隱藏在葉片背面，致使防治不徹底，為此用戶不得不增加噴灑次數(shù)，不僅費(fèi)工、費(fèi)藥、費(fèi)水，而且造成環(huán)境和農(nóng)產(chǎn)品的嚴(yán)重污染。所以，在化學(xué)農(nóng)藥使用仍是農(nóng)作物病蟲(chóng)害防治的主要方法的前提下，農(nóng)藥的減量使用是降低農(nóng)藥污染的主要措施。

農(nóng)藥使用技術(shù)是研究如何把農(nóng)藥有效成分正確地輸送到靶標(biāo)上的技術(shù)，所采用的施藥技術(shù)和施藥器械能否保證足夠劑量的有效輸送，是影響農(nóng)藥能否達(dá)到防治目標(biāo)的主要因素。早在20世紀(jì)80年代，以美國(guó)、日本等為代表的發(fā)達(dá)國(guó)家，便針對(duì)設(shè)施農(nóng)業(yè)特殊的農(nóng)藝要求和管理特點(diǎn)，致力于新型施藥技術(shù)和藥械的不斷創(chuàng)新與研發(fā)。常溫?zé)熿F施藥技術(shù)和低容量/超低容量施藥技術(shù)、氣流輔助噴灑技術(shù)等，逐步取代大容量噴灑技術(shù)，達(dá)到防治效果的同時(shí)，大幅度提高了農(nóng)藥利用效率，降低了農(nóng)藥使用量和環(huán)境污染，如常溫?zé)熿F法和粉塵法，可使農(nóng)藥形成體積中徑（VMD）為5～30 μm的煙狀霧，靠超微霧滴和粉粒本身的懸浮飄移均勻擴(kuò)散到溫室內(nèi)各個(gè)角落，能夠在作物冠層內(nèi)和葉片背面均勻沉積，施藥量?jī)H為2～4 L/667 m2。作業(yè)時(shí)，操作者無(wú)需進(jìn)入溫室內(nèi)，節(jié)水節(jié)藥的同時(shí)，保證了操作者的人身安全。中國(guó)設(shè)施專用植保機(jī)械發(fā)展較晚，1998年，農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所自主設(shè)計(jì)制造了3YC-50型常溫?zé)熿F機(jī)，其后又研制了新一代的3YC-100型常溫?zé)熿F機(jī)，但是由于農(nóng)藥?kù)F化不均勻，霧滴尺寸偏大，射程較短，中途操作者需進(jìn)入溫室大棚內(nèi)調(diào)整煙霧機(jī)位置，無(wú)法實(shí)現(xiàn)人-藥分離，加之施藥效率低、農(nóng)藥沉積分布不均勻等問(wèn)題，該機(jī)型并沒(méi)有得到廣泛的推廣應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前絕大部分地區(qū)的農(nóng)民依然使用背負(fù)式噴霧器進(jìn)行設(shè)施噴藥作業(yè)。因此，為降低農(nóng)產(chǎn)品的農(nóng)藥殘留，實(shí)現(xiàn)設(shè)施農(nóng)產(chǎn)品安全生產(chǎn)，設(shè)施農(nóng)業(yè)專用高效施藥系統(tǒng)與化學(xué)農(nóng)藥減量使用技術(shù)研究勢(shì)在必行。

江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)設(shè)施與裝備研究所針對(duì)中國(guó)設(shè)施施藥存在的主要問(wèn)題：藥械霧化質(zhì)量差，農(nóng)藥用量大而利用率低，作業(yè)人員受毒害嚴(yán)重和農(nóng)殘導(dǎo)致的食品安全問(wèn)題等，創(chuàng)新研發(fā)了一套設(shè)施農(nóng)業(yè)專用固定管道式常溫?zé)熿F系統(tǒng)，以期為設(shè)施植保裝備的發(fā)展起到推動(dòng)作用。

固定管道式常溫?zé)熿F系統(tǒng)

二相流噴嘴的結(jié)構(gòu)原理

噴嘴作為噴霧系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其噴霧性能直接決定了噴霧系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。該系統(tǒng)采用的噴頭是基于文丘里效應(yīng)的二相射流噴嘴，噴頭內(nèi)部的輸氣管管徑會(huì)在出口處收縮減小，噴頭構(gòu)造簡(jiǎn)單，易加工，易安裝。噴嘴的霧化原理（圖1）為噴頭內(nèi)腔的低壓氣流經(jīng)過(guò)噴口收縮處形成相對(duì)高速的氣流，高流速的氣體和套管中被吸入的低壓藥液在狹窄真空區(qū)域充分混合摩擦碰撞霧化后以高速氣霧流的形式噴出，之后噴出的高速氣霧流再受到細(xì)小噴嘴尖的撞擊進(jìn)行二次霧化，形成煙霧狀的細(xì)小霧滴。二相流噴嘴的相關(guān)技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

固定管道式常溫?zé)熿F系統(tǒng)的組成

系統(tǒng)包括可移動(dòng)式室外主機(jī)和室內(nèi)固定管道執(zhí)行系統(tǒng)兩大部分。作業(yè)人員全程室外操控，實(shí)現(xiàn)了人-藥分離，避免了藥物對(duì)作業(yè)人員的侵害。室內(nèi)管道由氣路管道、液路管道以及二相流噴嘴組成；可移動(dòng)式室外主機(jī)集成了氣路輸出單元、液路輸出單元和控制系統(tǒng)，室外主機(jī)可通過(guò)快速接頭與棚室內(nèi)的固定管道系統(tǒng)進(jìn)行連接，有利于實(shí)現(xiàn)主機(jī)在棚室間的快速作業(yè)轉(zhuǎn)換。

煙霧系統(tǒng)的主要構(gòu)成部件如圖2，空氣壓縮機(jī)和水泵的型號(hào)分別為紅五環(huán)JAC30A和歐維爾AS-15隔膜泵?？刂葡到y(tǒng)可以控制空氣壓縮機(jī)1、水泵2和水泵3的工作狀態(tài)，空氣壓縮機(jī)1和水泵2同時(shí)開(kāi)啟，煙霧系統(tǒng)處于噴藥狀態(tài)；空氣壓縮機(jī)1單獨(dú)開(kāi)啟，煙霧系統(tǒng)處于送氣狀態(tài)，增加棚室內(nèi)部的空氣擾動(dòng)，促使系統(tǒng)產(chǎn)生的超細(xì)霧滴彌漫在設(shè)施內(nèi)部；水泵3單獨(dú)開(kāi)啟，煙霧系統(tǒng)處于噴水狀態(tài)，可以實(shí)現(xiàn)棚室降溫的目的，另外在每次噴藥結(jié)束后運(yùn)行水泵3，對(duì)管路及噴嘴進(jìn)行清洗，可以達(dá)到降低農(nóng)藥殘留物對(duì)噴霧管路系統(tǒng)的腐蝕與傷害的目的。

室外主機(jī)（圖3）采用雙水泵運(yùn)作，室內(nèi)管道式執(zhí)行系統(tǒng)采用了恒壓微滴灌管路及壓力補(bǔ)償式滴頭，可以使到達(dá)每個(gè)二相流噴嘴的輸入氣壓及液壓基本一致，達(dá)到噴霧效果穩(wěn)定均勻的目的。另外，通過(guò)氣路調(diào)節(jié)閥4和液路調(diào)節(jié)閥5可實(shí)現(xiàn)施藥?kù)F滴尺寸、噴霧量及射程的控制。

固定管道式常溫?zé)熿F系統(tǒng)的應(yīng)用

為測(cè)試該系統(tǒng)的噴霧性能，研發(fā)團(tuán)隊(duì)在江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院設(shè)施農(nóng)業(yè)與裝備研究所的塑料大棚內(nèi)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。該大棚跨度8 m，長(zhǎng)50 m，脊高3 m。在棚內(nèi)中部南-北截面距地面高度2 m位置的直線上布置噴頭，噴頭間距2 m，共布置25個(gè)。噴霧系統(tǒng)的工作參數(shù)如表2，可知該系統(tǒng)工作5 min后，藥液可均勻彌散在棚室內(nèi)部，作業(yè)效率相當(dāng)于人工作業(yè)效率的5～6倍。作業(yè)效果如圖4，噴嘴處噴出的霧滴細(xì)膩而均勻，細(xì)霧滴能夠均勻的分布彌散在噴嘴下方的棚室空間，在棚頂?shù)撵F滴分布較少，通過(guò)CFD對(duì)噴霧霧滴運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，噴霧過(guò)程中，系統(tǒng)氣霧對(duì)設(shè)施空間氣流產(chǎn)生擾動(dòng)，在設(shè)施內(nèi)部空間形成環(huán)狀湍流從而促進(jìn)霧滴的進(jìn)一步彌漫擴(kuò)散和均勻沉積（圖5），而且由于該系統(tǒng)產(chǎn)生的霧滴粒徑十分細(xì)小（VMD僅為30～35 μm），液滴表面對(duì)固體具有較大的黏附張力，相比于粒徑粗大的粗霧滴，細(xì)霧滴更容易附著在固體表面，有利于藥液在植物葉片上的附著和沉積，提高農(nóng)藥利用率。另外，相比于大中容量噴霧，該系統(tǒng)在作業(yè)前和作業(yè)后不會(huì)對(duì)棚室的地面濕度造成顯著影響，從而有效控制地面病蟲(chóng)害的滋生。

由表3可知，該系統(tǒng)與目前設(shè)施內(nèi)常用管道式高壓噴霧系統(tǒng)的參數(shù)對(duì)比，具備噴霧細(xì)膩、安裝簡(jiǎn)易、使用安全、部件可靠、維修成本低、作業(yè)面積大等優(yōu)勢(shì)，值得推廣應(yīng)用。

總結(jié)

二相流霧化技術(shù)及固定管道式煙霧系統(tǒng)研發(fā)可有效解決現(xiàn)有設(shè)施植保機(jī)械裝備施藥量大、霧滴粗、彌漫效果差、沉積不均勻等問(wèn)題，在緩解中國(guó)設(shè)施植保配套裝備應(yīng)用不足的同時(shí)，為設(shè)施植保裝備的研發(fā)提供借鑒。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易加工、成本低、固定安裝在設(shè)施內(nèi)的氣體管路、液體管路，通過(guò)快速接頭實(shí)現(xiàn)與棚室外集成了液泵、空壓機(jī)、藥箱等供液供氣主機(jī)的對(duì)接，使得該系統(tǒng)可快速轉(zhuǎn)換，用于不同農(nóng)業(yè)設(shè)施的施藥作業(yè)，節(jié)約了投入成本，提高施藥作業(yè)效率；噴霧系統(tǒng)產(chǎn)生的超細(xì)煙霧狀霧滴均勻彌漫沉積于設(shè)施內(nèi)，能夠有效降低農(nóng)藥的使用量和農(nóng)藥投入成本，減少農(nóng)藥殘留發(fā)生，保護(hù)環(huán)境和食品安全，同時(shí)設(shè)施作物冠層直接置于立體環(huán)繞的農(nóng)藥環(huán)境中，作物能夠與農(nóng)藥充分接觸，有利于病蟲(chóng)害的徹底防治；噴射的細(xì)小霧滴，有利于棚室內(nèi)降溫，而不會(huì)明顯增加土壤濕度，可使設(shè)施環(huán)境的溫濕度處于合理范圍；另外，該噴霧系統(tǒng)的主控機(jī)組在設(shè)施外部，作業(yè)人員全程無(wú)需進(jìn)入設(shè)施內(nèi)，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了人-藥分離，保障了作業(yè)者的人身安全。

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*項(xiàng)目支持：農(nóng)業(yè)部設(shè)施農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題基金；江蘇省自主創(chuàng)新資金CX（15）1033。

作者簡(jiǎn)介：李雪，助理研究員，主要從事植保機(jī)械與施藥技術(shù)研究。

**通信作者：呂曉蘭，研究員，碩士生導(dǎo)師，主要從事植保機(jī)械與施藥技術(shù)研究。

[引用信息]李雪，呂曉蘭 ，張美娜，等.設(shè)施農(nóng)業(yè)專用固定管道式常溫?zé)熿F系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)工程技術(shù)，2017，37（31）：32-35.