果园风送喷雾机风送系统研究现状与发展趋势

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　　摘要    在果园管理工作中，病虫害防治是极其重要的一环。近些年，我国果园风送式喷雾机得到了巨大发展，有效提高了农药利用率，降低了农药对农作物的影响，减小了环境污染问题。本文阐述了果园风送喷雾机研究进程，分析了喷雾机风送系统，以期为我国果园风送喷雾机的研发提供参考。
　　关键词    果园风送喷雾机;风送系统;精准喷药
　　中图分类号    S23        文献标识码    A
　　文章编号   1007-5739（2020）04-0152-02                                                                                     开放科学（资源服务）标识码（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
　　病虫害防治工作是整个果树管理作业中重要的环节，该环节主要依靠喷施农药。随着季节变更、气候变化，每年喷施农药8～15次，其工作量约占果树管理工作总量的30%[1-3]。目前，国外发达国家的果园病虫害防治工作普遍应用风送式喷雾机。近年来，我国对现代化果园管理大力扶持，果园施药机械化水平有了大幅提高。我国现代化果园种植模式以低矮密植型为主，行间距4～6 m，株间距3～6 m，树高1.5～3.5 m，更方便果园植保机械以及其他作业机械的应用[4]。
　　风送式喷雾机核心在于风机和隔膜泵，二者的目的是提高雾滴在冠层中的穿透性能，提升药液附着率，与传统喷药装备相比，农药利用率和作业效率都明显提高，但缺点在于难以对风力进行精准控制，很难做到同时适用多种树形，智能化喷雾程度较低。因此，全面分析我国施药机械和施药技术的发展现状以及存在的各种问题，提高农药利用率、提升病虫害防治效果，积极借鉴国外成功经验，研发智能化新型喷雾机，优化已有喷雾机性能，对满足农作物病虫害防治要求、环保要求、农产品质量要求以及确保操作人员安全具有重要意义。
　　1    果园风送喷雾机研究进程
　　对于果园植保机具的发展，国内外都经历了由手动施药到机械施药、由粗略施药到精准施药的历程，都在向着提高农药附着率和减少环境污染的方向前进。
　　早在20世纪40年代后期，国外发达国家就开始了果园植保机械研发，由轴流风机风送喷雾机代替原始的手动喷枪作业，此类喷雾机被称为传统果园风送喷霧机[5]，具有技术革命的重大意义。进入70年代后，由于果树种植面积扩大以及高度和冠层直径的减少，传统果园喷雾机对于现代果园不再适用，因而欧美等国家开始对传统果园风送喷雾机进行改进，进而诞生了塔式果园风送喷雾机。也有部分研究者把传统果园风送喷雾机的轴流风机风送更改为横流风机风送，该喷雾机为多风管果园风送喷雾机[5]。
　　相比国外植保机械的发展，国内对于果园风送喷雾机的研发要晚于国外30～40年，但发展历程相同，均是传统果园风送喷雾机—塔式果园风送喷雾机—多风管果园风送喷雾机—多风机果园风送喷雾机的发展历程[6-11]。到目前为止，我国果园风送式喷雾机已经极大地缩小了与国外发展的差距，喷雾质量有了极大的改善。
　　2    喷雾机风送系统分析
　　2.1    传统果园风送喷雾机
　　传统果园风送喷雾机（图1）采用牵引式，主要由牵引架、支架、隔膜泵、联轴器、机架、药箱、称重轮及风送辅助装置等组成[12]，工作时，药液经加压后由药箱到达喷头处进行喷雾，再由风送装置产生的气流使喷头处雾滴进行二次雾化，将二次雾化后的雾滴送到果树上，同时风机产生的气流能够翻转枝叶，使雾滴更多地附着在枝叶正反两面[5]。传统果园风送喷雾机是风送式喷雾机的开端，其初衷是为了代替人力手动喷洒农药，提升果园机械化水平，减小劳动力强度，提高作业效率，同时使药液更多地附着在枝叶正反两面，从而达到防治效果。丁素明等[13]研制的一种自走式果园风送喷雾机在喷雾压力1.0 MPa、风机转速1 450 r/min、行驶速度1.13 m/s的作业条件下进行喷雾，树冠内部枝叶正、反面平均有61.22%、20.9%的药液附着率，树冠外层枝叶正、反面平均有77.22%、37.17%的药液附着率。但这种传统喷雾机采用的是放射式喷雾模式，喷雾半径大，从而导致高度高于现代普遍果树冠层高度，造成喷出的雾滴越过冠层，农药在空气中大量飘失，污染环境，农药利用率低。 　　2.2    塔式果园风送喷雾机
　　塔式果园风送喷雾机（图2）主要由风机、立板、导流装置、喷头、药箱、药泵等组成[14]，与传统风送喷雾机相比，由圆形出风口改进为垂直直线形，使风机吹出的雾滴水平送至果树枝叶，内部风机系统与传统风送喷雾机相同。
　　与传统果园风送喷雾机相比，塔式果园风送喷雾机垂直直线形的出风口水平喷出的雾滴高度显著减低，轴流风机上的导风装置使气流定向喷出，雾化后的雾滴更精准地附着在果树枝叶上，进而减少了药液在空气中的飘失，提高了农药利用率，降低了农药对环境的污染。曹龙龙[5]通过对比塔式果园风送喷雾机和传统果园风送喷雾机的性能发现，塔式果园风送喷雾机果树冠层整体药液沉积量为1.932 μL/cm2，明显高于传统果园风送喷雾机。
　　2.3    多风管果园风送喷雾机
　　多风管果园风送喷雾机（图3）是将传统风送喷雾机的轴流式风机替换成离心风机风送，并由单独的蛇形风管与单独的喷头相连接，喷头的布置可根据果树的高低和冠层直径调整，因而也称为仿形喷雾机。离心风机流量小，风压高，传输距离远[15]，可使每一个蛇形风管产生高压气流，穿透果树冠层，达到喷药效果。
　　对于多风管果园风送喷雾机则采用离心风机风送，由风机吹出的气流通过8个蛇形风管到达喷头，且导风管的位置可以随果树冠层直径和高低进行调整，从而进一步减少农药损失，使农药喷洒更精准。多风机果园风送喷雾机采用轴流风机风送，喷雾效果与多风道果园风送喷雾机相近。张晓辉等[16]通过对履带自走式果园定向风送喷雾机进行试验，发现有风送时雾滴沉积量比无风送时提高了42.9%，变异系数降低了18.5%;定向喷雾比普通喷雾雾滴个数提高了30.9%，变异系数降低了55.3%。
　　2.4    多风机果园风送喷雾机
　　多风机果园风送喷雾机（图4）每一个喷头对应独立的轴流风机，并在工作时根据农作物冠层高低调整喷头高度以及角度，满足喷药要求。多风机风送喷雾机喷出的药液能够有效穿透果树冠层，提升雾滴沉积率，但此项技术目前应用较少。
　　2.5    其他喷雾机
　　为了实现精准变量喷雾，除上述风送式喷雾机外，研究者们还利用红外探测技术、超声波技术、图像识别技术、激光探测技术等智能探测技术识别果树形态[5]，进行精准喷雾。基于上述技术难以实现在线识别探测，仍需要依靠操作人员的经验施药或均匀施药，无法控制农药残余量，致使农产品安全受到严重影响。研究者们还通过调节管道压力技术、在线混药技术、PWM脉宽调制技术等实现变量喷雾，但管道压力调节技术和在线混药技术无法实现对喷头的单独控制，不能针对无规则果树按需施药[17]。综上所述，为实现果园病虫害防治的精准变量施药，还需对现有喷雾机及相应技术进行进一步优化和研发，以提高农药利用率，减少农产品农药残留和环境污染。
　　3    结语
　　目前，果园风送喷雾机已经实现了由手动到机械化的重大变革，实现了由大范围放射式喷雾模式到精准喷雾的改变，有效提高了农药利用率，减少了药液在空气中的飘失和环境污染，果树的防治效果有了明显改善。
　　但是，目前精准喷雾技术能够达到的水平也仅仅是利用各种光学传感器、超声波传感器以及图像识别技术判断果树的位置、冠层直径以及高度[17-19]，进而调整喷头高度，喷头与果树间距以及喷出药液的量和雾化程度。然而对于果树冠层内部结构和疏密程度以及果树病虫害程度却不能进行精准识别，因而也就无法达到精准变量喷雾的要求。
　　现阶段果园风送喷雾机的优化与研发主要面临两大难题。一是无法精准计算果树病虫害程度，难以精准控制喷雾机喷出的药量，或导致药量过大，药液沉积，影响农作物安全以及环境污染，或导致药量不足，不能达到防治果树病虫害效果;二是无法按需调控不同风送系统的风力大小，或导致风力过小无法穿透果树冠层，病虫害防治效果降低，或导致风力过大，药液在空中飘失，造成环境污染和药液浪費[13]。
　　未来风送式果园喷雾机将向着以下方向发展：一是对于风送式果园喷雾机的不同风送系统，目前采用的是轴流风机、横流风机和离心风机产生不同风场，未来风送式喷雾机的风送系统会更精细，施药更精准。二是病虫害防治是果园治理的重要一环，每年需施药数次，需要用到大量药剂和水资源。因此，为响应“2020年农药使用量零增长”计划[20-22]，节约药剂、节约水资源、提高农药利用率是各类喷雾机亟需解决的问题。三是病虫害防治效果是衡量喷雾机好坏的重要标准，既要使雾滴沉积率满足防治要求，又不能使药液过量沉积，影响农产品安全[23-24]。四是提高喷雾机的智能化水平是大势所趋，应积极借鉴国外先进案例，利用各类传感器以及新型技术实现精准变量喷雾的智能化控制。
　　4    参考文献
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