果園風(fēng)送噴霧機(jī)風(fēng)送系統(tǒng)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

李昕昊 王鵬飛 李建平

摘要 ? ?在果園管理工作中，病蟲害防治是極其重要的一環(huán)。近些年，我國果園風(fēng)送式噴霧機(jī)得到了巨大發(fā)展，有效提高了農(nóng)藥利用率，降低了農(nóng)藥對農(nóng)作物的影響，減小了環(huán)境污染問題。本文闡述了果園風(fēng)送噴霧機(jī)研究進(jìn)程，分析了噴霧機(jī)風(fēng)送系統(tǒng)，以期為我國果園風(fēng)送噴霧機(jī)的研發(fā)提供參考。

關(guān)鍵詞 ? ?果園風(fēng)送噴霧機(jī);風(fēng)送系統(tǒng);精準(zhǔn)噴藥

中圖分類號 ? ?S23 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼 ? ?A

文章編號 ? 1007-5739（2020）04-0152-02 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）

Abstract ? ?In the management of orchards，pest control is an extremely important part. In recent years，China′s orchard air delivery sprayers have developed tremendously，effectively increasing the utilization rate of pesticides，reducing the impact of pesticides on crops，and reducing environmental pollution problems.This paper expounded the research progress of orchard air delivery sprayers，and analyzed the air delivery systems of sprayers，in order to provide references for the development of orchard air delivery sprayers in China.

Key words ? ?orchard air delivery sprayer;air delivery system;precision spraying

病蟲害防治工作是整個(gè)果樹管理作業(yè)中重要的環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)主要依靠噴施農(nóng)藥。隨著季節(jié)變更、氣候變化，每年噴施農(nóng)藥8～15次，其工作量約占果樹管理工作總量的30%[1-3]。目前，國外發(fā)達(dá)國家的果園病蟲害防治工作普遍應(yīng)用風(fēng)送式噴霧機(jī)。近年來，我國對現(xiàn)代化果園管理大力扶持，果園施藥機(jī)械化水平有了大幅提高。我國現(xiàn)代化果園種植模式以低矮密植型為主，行間距4～6 m，株間距3～6 m，樹高1.5～3.5 m，更方便果園植保機(jī)械以及其他作業(yè)機(jī)械的應(yīng)用[4]。

風(fēng)送式噴霧機(jī)核心在于風(fēng)機(jī)和隔膜泵，二者的目的是提高霧滴在冠層中的穿透性能，提升藥液附著率，與傳統(tǒng)噴藥裝備相比，農(nóng)藥利用率和作業(yè)效率都明顯提高，但缺點(diǎn)在于難以對風(fēng)力進(jìn)行精準(zhǔn)控制，很難做到同時(shí)適用多種樹形，智能化噴霧程度較低。因此，全面分析我國施藥機(jī)械和施藥技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀以及存在的各種問題，提高農(nóng)藥利用率、提升病蟲害防治效果，積極借鑒國外成功經(jīng)驗(yàn)，研發(fā)智能化新型噴霧機(jī)，優(yōu)化已有噴霧機(jī)性能，對滿足農(nóng)作物病蟲害防治要求、環(huán)保要求、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量要求以及確保操作人員安全具有重要意義。

1 ? ?果園風(fēng)送噴霧機(jī)研究進(jìn)程

對于果園植保機(jī)具的發(fā)展，國內(nèi)外都經(jīng)歷了由手動施藥到機(jī)械施藥、由粗略施藥到精準(zhǔn)施藥的歷程，都在向著提高農(nóng)藥附著率和減少環(huán)境污染的方向前進(jìn)。

早在20世紀(jì)40年代后期，國外發(fā)達(dá)國家就開始了果園植保機(jī)械研發(fā)，由軸流風(fēng)機(jī)風(fēng)送噴霧機(jī)代替原始的手動噴槍作業(yè)，此類噴霧機(jī)被稱為傳統(tǒng)果園風(fēng)送噴霧機(jī)[5]，具有技術(shù)革命的重大意義。進(jìn)入70年代后，由于果樹種植面積擴(kuò)大以及高度和冠層直徑的減少，傳統(tǒng)果園噴霧機(jī)對于現(xiàn)代果園不再適用，因而歐美等國家開始對傳統(tǒng)果園風(fēng)送噴霧機(jī)進(jìn)行改進(jìn)，進(jìn)而誕生了塔式果園風(fēng)送噴霧機(jī)。也有部分研究者把傳統(tǒng)果園風(fēng)送噴霧機(jī)的軸流風(fēng)機(jī)風(fēng)送更改為橫流風(fēng)機(jī)風(fēng)送，該噴霧機(jī)為多風(fēng)管果園風(fēng)送噴霧機(jī)[5]。

相比國外植保機(jī)械的發(fā)展，國內(nèi)對于果園風(fēng)送噴霧機(jī)的研發(fā)要晚于國外30～40年，但發(fā)展歷程相同，均是傳統(tǒng)果園風(fēng)送噴霧機(jī)—塔式果園風(fēng)送噴霧機(jī)—多風(fēng)管果園風(fēng)送噴霧機(jī)—多風(fēng)機(jī)果園風(fēng)送噴霧機(jī)的發(fā)展歷程[6-11]。到目前為止，我國果園風(fēng)送式噴霧機(jī)已經(jīng)極大地縮小了與國外發(fā)展的差距，噴霧質(zhì)量有了極大的改善。

2 ? ?噴霧機(jī)風(fēng)送系統(tǒng)分析

2.1 ? ?傳統(tǒng)果園風(fēng)送噴霧機(jī)

傳統(tǒng)果園風(fēng)送噴霧機(jī)（圖1）采用牽引式，主要由牽引架、支架、隔膜泵、聯(lián)軸器、機(jī)架、藥箱、稱重輪及風(fēng)送輔助裝置等組成[12]，工作時(shí)，藥液經(jīng)加壓后由藥箱到達(dá)噴頭處進(jìn)行噴霧，再由風(fēng)送裝置產(chǎn)生的氣流使噴頭處霧滴進(jìn)行二次霧化，將二次霧化后的霧滴送到果樹上，同時(shí)風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的氣流能夠翻轉(zhuǎn)枝葉，使霧滴更多地附著在枝葉正反兩面[5]。傳統(tǒng)果園風(fēng)送噴霧機(jī)是風(fēng)送式噴霧機(jī)的開端，其初衷是為了代替人力手動噴灑農(nóng)藥，提升果園機(jī)械化水平，減小勞動力強(qiáng)度，提高作業(yè)效率，同時(shí)使藥液更多地附著在枝葉正反兩面，從而達(dá)到防治效果。丁素明等[13]研制的一種自走式果園風(fēng)送噴霧機(jī)在噴霧壓力1.0 MPa、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 450 r/min、行駛速度1.13 m/s的作業(yè)條件下進(jìn)行噴霧，樹冠內(nèi)部枝葉正、反面平均有61.22%、20.9%的藥液附著率，樹冠外層枝葉正、反面平均有77.22%、37.17%的藥液附著率。但這種傳統(tǒng)噴霧機(jī)采用的是放射式噴霧模式，噴霧半徑大，從而導(dǎo)致高度高于現(xiàn)代普遍果樹冠層高度，造成噴出的霧滴越過冠層，農(nóng)藥在空氣中大量飄失，污染環(huán)境，農(nóng)藥利用率低。

2.2 ? ?塔式果園風(fēng)送噴霧機(jī)

塔式果園風(fēng)送噴霧機(jī)（圖2）主要由風(fēng)機(jī)、立板、導(dǎo)流裝置、噴頭、藥箱、藥泵等組成[14]，與傳統(tǒng)風(fēng)送噴霧機(jī)相比，由圓形出風(fēng)口改進(jìn)為垂直直線形，使風(fēng)機(jī)吹出的霧滴水平送至果樹枝葉，內(nèi)部風(fēng)機(jī)系統(tǒng)與傳統(tǒng)風(fēng)送噴霧機(jī)相同。

與傳統(tǒng)果園風(fēng)送噴霧機(jī)相比，塔式果園風(fēng)送噴霧機(jī)垂直直線形的出風(fēng)口水平噴出的霧滴高度顯著減低，軸流風(fēng)機(jī)上的導(dǎo)風(fēng)裝置使氣流定向噴出，霧化后的霧滴更精準(zhǔn)地附著在果樹枝葉上，進(jìn)而減少了藥液在空氣中的飄失，提高了農(nóng)藥利用率，降低了農(nóng)藥對環(huán)境的污染。曹龍龍[5]通過對比塔式果園風(fēng)送噴霧機(jī)和傳統(tǒng)果園風(fēng)送噴霧機(jī)的性能發(fā)現(xiàn)，塔式果園風(fēng)送噴霧機(jī)果樹冠層整體藥液沉積量為1.932 μL/cm2，明顯高于傳統(tǒng)果園風(fēng)送噴霧機(jī)。

2.3 ? ?多風(fēng)管果園風(fēng)送噴霧機(jī)

多風(fēng)管果園風(fēng)送噴霧機(jī)（圖3）是將傳統(tǒng)風(fēng)送噴霧機(jī)的軸流式風(fēng)機(jī)替換成離心風(fēng)機(jī)風(fēng)送，并由單獨(dú)的蛇形風(fēng)管與單獨(dú)的噴頭相連接，噴頭的布置可根據(jù)果樹的高低和冠層直徑調(diào)整，因而也稱為仿形噴霧機(jī)。離心風(fēng)機(jī)流量小，風(fēng)壓高，傳輸距離遠(yuǎn)[15]，可使每一個(gè)蛇形風(fēng)管產(chǎn)生高壓氣流，穿透果樹冠層，達(dá)到噴藥效果。

對于多風(fēng)管果園風(fēng)送噴霧機(jī)則采用離心風(fēng)機(jī)風(fēng)送，由風(fēng)機(jī)吹出的氣流通過8個(gè)蛇形風(fēng)管到達(dá)噴頭，且導(dǎo)風(fēng)管的位置可以隨果樹冠層直徑和高低進(jìn)行調(diào)整，從而進(jìn)一步減少農(nóng)藥損失，使農(nóng)藥噴灑更精準(zhǔn)。多風(fēng)機(jī)果園風(fēng)送噴霧機(jī)采用軸流風(fēng)機(jī)風(fēng)送，噴霧效果與多風(fēng)道果園風(fēng)送噴霧機(jī)相近。張曉輝等[16]通過對履帶自走式果園定向風(fēng)送噴霧機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)有風(fēng)送時(shí)霧滴沉積量比無風(fēng)送時(shí)提高了42.9%，變異系數(shù)降低了18.5%;定向噴霧比普通噴霧霧滴個(gè)數(shù)提高了30.9%，變異系數(shù)降低了55.3%。

2.4 ? ?多風(fēng)機(jī)果園風(fēng)送噴霧機(jī)

多風(fēng)機(jī)果園風(fēng)送噴霧機(jī)（圖4）每一個(gè)噴頭對應(yīng)獨(dú)立的軸流風(fēng)機(jī)，并在工作時(shí)根據(jù)農(nóng)作物冠層高低調(diào)整噴頭高度以及角度，滿足噴藥要求。多風(fēng)機(jī)風(fēng)送噴霧機(jī)噴出的藥液能夠有效穿透果樹冠層，提升霧滴沉積率，但此項(xiàng)技術(shù)目前應(yīng)用較少。

2.5 ? ?其他噴霧機(jī)

為了實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)變量噴霧，除上述風(fēng)送式噴霧機(jī)外，研究者們還利用紅外探測技術(shù)、超聲波技術(shù)、圖像識別技術(shù)、激光探測技術(shù)等智能探測技術(shù)識別果樹形態(tài)[5]，進(jìn)行精準(zhǔn)噴霧。基于上述技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)在線識別探測，仍需要依靠操作人員的經(jīng)驗(yàn)施藥或均勻施藥，無法控制農(nóng)藥殘余量，致使農(nóng)產(chǎn)品安全受到嚴(yán)重影響。研究者們還通過調(diào)節(jié)管道壓力技術(shù)、在線混藥技術(shù)、PWM脈寬調(diào)制技術(shù)等實(shí)現(xiàn)變量噴霧，但管道壓力調(diào)節(jié)技術(shù)和在線混藥技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)對噴頭的單獨(dú)控制，不能針對無規(guī)則果樹按需施藥[17]。綜上所述，為實(shí)現(xiàn)果園病蟲害防治的精準(zhǔn)變量施藥，還需對現(xiàn)有噴霧機(jī)及相應(yīng)技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化和研發(fā)，以提高農(nóng)藥利用率，減少農(nóng)產(chǎn)品農(nóng)藥殘留和環(huán)境污染。

3 ? ?結(jié)語

目前，果園風(fēng)送噴霧機(jī)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了由手動到機(jī)械化的重大變革，實(shí)現(xiàn)了由大范圍放射式噴霧模式到精準(zhǔn)噴霧的改變，有效提高了農(nóng)藥利用率，減少了藥液在空氣中的飄失和環(huán)境污染，果樹的防治效果有了明顯改善。

但是，目前精準(zhǔn)噴霧技術(shù)能夠達(dá)到的水平也僅僅是利用各種光學(xué)傳感器、超聲波傳感器以及圖像識別技術(shù)判斷果樹的位置、冠層直徑以及高度[17-19]，進(jìn)而調(diào)整噴頭高度，噴頭與果樹間距以及噴出藥液的量和霧化程度。然而對于果樹冠層內(nèi)部結(jié)構(gòu)和疏密程度以及果樹病蟲害程度卻不能進(jìn)行精準(zhǔn)識別，因而也就無法達(dá)到精準(zhǔn)變量噴霧的要求。

現(xiàn)階段果園風(fēng)送噴霧機(jī)的優(yōu)化與研發(fā)主要面臨兩大難題。一是無法精準(zhǔn)計(jì)算果樹病蟲害程度，難以精準(zhǔn)控制噴霧機(jī)噴出的藥量，或?qū)е滤幜窟^大，藥液沉積，影響農(nóng)作物安全以及環(huán)境污染，或?qū)е滤幜坎蛔?，不能達(dá)到防治果樹病蟲害效果;二是無法按需調(diào)控不同風(fēng)送系統(tǒng)的風(fēng)力大小，或?qū)е嘛L(fēng)力過小無法穿透果樹冠層，病蟲害防治效果降低，或?qū)е嘛L(fēng)力過大，藥液在空中飄失，造成環(huán)境污染和藥液浪費(fèi)[13]。

未來風(fēng)送式果園噴霧機(jī)將向著以下方向發(fā)展：一是對于風(fēng)送式果園噴霧機(jī)的不同風(fēng)送系統(tǒng)，目前采用的是軸流風(fēng)機(jī)、橫流風(fēng)機(jī)和離心風(fēng)機(jī)產(chǎn)生不同風(fēng)場，未來風(fēng)送式噴霧機(jī)的風(fēng)送系統(tǒng)會更精細(xì)，施藥更精準(zhǔn)。二是病蟲害防治是果園治理的重要一環(huán)，每年需施藥數(shù)次，需要用到大量藥劑和水資源。因此，為響應(yīng)“2020年農(nóng)藥使用量零增長”計(jì)劃[20-22]，節(jié)約藥劑、節(jié)約水資源、提高農(nóng)藥利用率是各類噴霧機(jī)亟需解決的問題。三是病蟲害防治效果是衡量噴霧機(jī)好壞的重要標(biāo)準(zhǔn)，既要使霧滴沉積率滿足防治要求，又不能使藥液過量沉積，影響農(nóng)產(chǎn)品安全[23-24]。四是提高噴霧機(jī)的智能化水平是大勢所趨，應(yīng)積極借鑒國外先進(jìn)案例，利用各類傳感器以及新型技術(shù)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)變量噴霧的智能化控制。

4 ? ?參考文獻(xiàn)

[1] FAO.Minimum requirements for agricultural pesticide application equip-ment[R].Rome：Food and Agriculture Organization of the United Nations，2001.

[2] 李瀚哲，翟長遠(yuǎn)，張波，等.果園噴霧靶標(biāo)探測技術(shù)現(xiàn)狀分析[J].農(nóng)機(jī)化研究，2016，38（2）：1-5.

[3] GIL E，ARN？魷 J，LLORENS J，et al.Advanced technologies for the impro-vement of spray application techniques in Spanish viticulture：An overv-iew[J].Sensors，2014，14（1）：691-708.

[4] 傅錫敏，呂曉蘭，丁為民.我國果園植保機(jī)械現(xiàn)狀與技術(shù)需求[J].新疆農(nóng)機(jī)化，2011（1）：61-63.

[5] 曹龍龍.三種典型果園風(fēng)送式噴霧機(jī)霧滴沉積特性與風(fēng)送系統(tǒng)的優(yōu)化試驗(yàn)研究[D].泰安：山東農(nóng)業(yè)大學(xué)，2014.

[6] 郝永軍.果園打藥機(jī)自動行走控制系統(tǒng)研究[D].保定：河北農(nóng)業(yè)大學(xué)，2013.

[7] 鄧巍，丁為民，何雄奎.變量噴施技術(shù)及其霧化特性評價(jià)方法綜述[J].中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，14（3）：94-102.

[8] 鄧巍，何雄奎，丁為民.基于壓力變量噴霧的霧化特性及其比較[J].江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2009，30（6）：545-548+563.

[9] 李麗，宋堅(jiān)利，何雄奎.農(nóng)作物噴霧靶標(biāo)自動探測器設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2010，41（7）：54-56.

[10] 何雄奎.我國植保無人機(jī)的研究與發(fā)展應(yīng)用淺析[J].農(nóng)藥科學(xué)與管理，2018，39（9）：10-17.

[11] 李龍龍，何雄奎，宋堅(jiān)利，等.基于變量噴霧的果園自動仿形噴霧機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33（1）：70-76.

[12] 王利源，李鑫，趙鵬，等.3 WFQ-1600型牽引式風(fēng)送噴霧機(jī)噴霧性能試驗(yàn)研究[J].農(nóng)機(jī)化研究，2018，40（9）：167-171.

[13] 丁素明，薛新宇，張玲，等.自走式果園風(fēng)送噴霧機(jī)的研制[J].中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)，2016，37（4）：54-58.

[14] 宋雷潔，李建平，楊欣，等.塔型風(fēng)送式果園噴霧機(jī)風(fēng)場參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究，2020，42（4）：12-17.

[15] 王杰.苗木對靶噴霧機(jī)風(fēng)送系統(tǒng)設(shè)計(jì)及流場分析[D].南京：南京林業(yè)大學(xué)，2018.

[16] 張曉輝，姜宗月，范國強(qiáng)，等.履帶自走式果園定向風(fēng)送噴霧機(jī)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2014，45（8）：117-122.

[17] 翟長遠(yuǎn)，趙春江，Ning Wang，等.果園風(fēng)送噴霧精準(zhǔn)控制方法研究進(jìn)展[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2018，34（10）：1-15.

[18] 鄭文鐘，應(yīng)霞芳.我國植保機(jī)械和施藥技術(shù)的現(xiàn)狀、問題及對策[J].農(nóng)機(jī)化研究，2008（5）：219-221.

[19] 翟長遠(yuǎn).果園靶標(biāo)在線探測方法及風(fēng)送變量噴霧技術(shù)研究[D].楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2012.

[20] 何雄奎.植保精準(zhǔn)施藥技術(shù)裝備[J].農(nóng)業(yè)工程技術(shù)，2017，37（30）：22-26.

[21] NAGHAM SHALAL，TOBIAS LOW，CHERYL MCCARTHY，et al. Orchard mapping and mobile robot localisation using on-board camera and laser scanner data fusion-Part B：Mapping and localisation[J].Computers and Electronics in Agriculture，2015，119：267-278.

[22] 翟長遠(yuǎn)，趙春江，王秀，等.幼樹靶標(biāo)探測器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012，28（2）：18-22.

[23] ROSELL J R，SANZ R.A review of methods and applications of the geo-metric characterization of tree crops in agricultural activities[J].Compu-ters and Electronics in Agriculture，2011，81：124-141.

[24] ESCOL？魥 ALEXANDRE，PLANAS SANTIAGO，ROSELL JOAN RAM-ON，et al.Performance of an ultrasonic ranging sensor in apple tree can-opies.[J].Sensors（Basel，Switzerland），2011，11（3）：2459-2477.