設施農業施藥技術裝備機械化研究進展

劉德江，龔 艷

(農業部 南京農業機械化研究所，南京 210014)

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設施農業施藥技術裝備機械化研究進展

劉德江，龔 艷

(農業部 南京農業機械化研究所，南京 210014)

首先，指出了設施農業對施藥技術裝備要求的特殊性；其次，分析了目前國內設施農業施藥技術裝備的應用現狀；然后，從工作原理、結構特點、創新點等方面詳細論述了現有應用于設施農業可控霧滴施藥技術裝備，指出設施農業可控霧滴施藥技術裝備已有的研究成果和未來有待進一步研究的模塊。最后，針對設施農業可控霧滴施藥技術裝備引發的思考及未來該領域的研究重點及發展方向，提出了相關的建議與對策。本文旨在為我國設施農業施藥技術裝備的應用發展提供借鑒。

設施農業；施藥技術；可控霧滴；離心霧化

0 引言

設施農業是現代農業發展的顯著標志，促進設施農業發展是實現農業現代化的重要任務，近年來從中央到地方都給予其高度關注，我國設施農業目前已進入了快速發展階段。但是，由于對設施棚內配套的機械裝備重視程度不夠，使得我國設施農業施藥技術裝備的整體發展水平不高，機械化程度較低。

由于棚室內空間密閉、光照不足、高溫高濕，加之棚室內天敵數少，作物對病害的抵抗力降低，設施栽培作物較之露天栽培作物更易發生病蟲害[1]。設施農業產品一般都要求達到無公害農產品質量標準, 甚至更高。無公害農產品生產過程中控制的重點就是農藥使用, 包括使用農藥品種控制和安全間隔期的控制，這就要求植保工作在防治設施病蟲害的同時, 不僅要能迅速有效控制病蟲為害,防止造成產量損失,還要確保產品質量,保證產品安全。

設施農業由于其特殊的生態環境及全年連續生產和高質量產品的特點,對環境的要求更加嚴格,對以農藥為重點的農業面源污染將控制更加嚴格。因此，設施栽培作物的病蟲害防治頻率更高，難度更大，更需要專業化的防治機具。可控霧滴施藥技術是目前發達國家發展較快的低容量噴霧技術之一，離心霧化是目前國際上普遍認為獲得均勻細霧滴的最適宜方式，應用時不僅能達到有效防治農業病蟲害的目的，而且會降低對周圍環境造成的污染[2-3]。該技術可通過離心霧化器的轉速變化來控制霧滴直徑，以滿足不同作業對象及氣象條件對霧滴的要求。采用此項施藥技術，在提高農藥霧滴在靶標作物上的附著率及分布均勻性的同時，能大量減少無效霧滴數量，從而達到提高農藥有效利用率，以及節水、省藥的目的。

1 設施農業施藥技術裝備概況

目前，我國用于設施農業施藥技術裝備的機具類型主要有：背負式手動(電動)噴霧器、 靜電噴霧器、背負式動力噴霧機、擔架(推車)式機動噴霧機及常溫煙霧機等。

1.1 背負式手動(電動)噴霧器

背負式噴霧器是我國目前農用最多、保有量最大的傳統型施藥機具，具有成本低、操作簡便、適應性廣等特點，主要適用于小麥、玉米、棉花、水稻、果樹、設施大棚、葡萄、茶樹、花卉及園藝等各種農作物[9]，如圖1所示。但此類機具施藥效率低，難以用于規?；乐危幰红F化質量差，藥液在作物植株上的附著率不高，霧量分布也不均，總體防治效果不理想。

1.2 背負式動力噴霧機、擔架(推車)式機動噴霧機

此類噴霧機具是采用高壓噴霧方法，霧化效果好，藥液霧滴在農作物冠層中的穿透性強，對農作物病蟲害防治效果顯著，并且機具作業效率高。該機具主要應用在水稻、果園、花圃苗木、蔬菜基地、設施大棚等噴藥害蟲防治作業。但由于噴灑的霧滴直徑較大，霧滴在作物植株上的附著率不高，農藥流失到地面情況嚴重；機具噴霧時用水量大，施藥后會使設施棚室內的濕度增加，在防治病蟲害的同時又滋長了誘發另外一種病蟲害的條件，造成惡性循環；此外，施藥操作者在密閉空間內施藥，不僅勞動強度大，并且極易造成農藥中毒，對人身健康有威脅。YS-100T型擔架(推車)式機動噴霧機如圖2所示。

圖1 XFPWQ-12A型背負式手動(電動)噴霧器

圖2 YS-100T型擔架(推車)式機動噴霧機

1.3 常溫煙霧機

常溫煙霧機(見圖3)是我國在第9個五年計劃期間從日本引進，并在國內開始推廣應用于設施農業病蟲害防治新技術。機具噴灑的平均霧滴直徑約20μm，噴霧流量在50～70 mL/min范圍。該機具細霧滴及低容量噴霧不僅能有效提高作業質量，而且用水量少，設施棚室內的濕度增加不顯著，避免誘發二次病蟲害，對于密閉設施棚室內病蟲害防治效果較顯著[13，17，24]。施藥作業時，施藥操作人員也無需進入設施棚室內，因而對操作人員的人身安全更有保障；但較之背負式、擔架(推車)式噴霧機，常溫煙霧機的作業效率較低。此外，由于常溫煙霧機的噴射部件的孔徑小，霧化機理為氣液兩相流霧化，因此對農藥劑型及機具霧化系統的過濾條件要求高。當噴射部件管路系統過濾未達標時，易導致噴射口堵塞，噴施生物農藥時，由于噴射孔徑小易對生物農藥的活性造成損傷[23]。

圖3 LHW型常溫煙霧機

1.4 推車式離心霧化噴霧機

農業部南京農業機械化研究所針對設施農業棚室作物病蟲害防治的特殊要求，以離心霧化技術為核心技術，集成風送低量噴霧技術、電子遙控技術等多項技術，研制開發了適用于設施農業棚室作物病蟲害防治的新型離心霧化噴射部件及配套的可控霧滴施藥技術裝備。此施藥裝備是基于國外一項研究即生物最佳粒徑理論研發的，這一理論確定生物體對不同細度的霧滴都有一種選擇捕獲能力，都有一個最易于它們捕獲的霧滴粒徑范圍。該施藥裝備可根據不同農作物品種、防治對象、農藥劑型以及設施棚室內的作業環境對霧滴直徑大小的不同要求，對霧滴直徑進行有效的控制，在達到更好的防治效果的同時，減少了農藥的用量[7]。

2 設施農業可控霧滴施藥技術裝備

可控霧滴施藥技術是目前發達國家發展較快的低容量噴霧技術之一，其核心技術—離心霧化技術是目前國際上普遍認為獲得均勻細霧滴的最適宜方式。研究表明：離心霧化施藥技術不僅能有效防治農作物病蟲害，而且有助于減少對周圍環境的污染[5，7]。該技術通過離心霧化器的轉速變化來控制霧滴直徑以滿足不同對象及氣象條件對霧滴的要求，是當前世界上公認的產生霧滴均勻度比較好,、霧滴粒譜范圍較窄的“可控霧滴”施藥技術 ，經離心霧化的液滴直徑在50～100μm。離心霧化器主要有轉盤式和轉籠式兩種結構形式[25]：轉盤式離心霧化器工作時，液體被送到轉盤表面的中心附近，由于離心力的作用，被拋向盤的邊緣先形成液膜，在接近或達到邊緣后再形成霧滴，通過改變霧化器的轉速,可以有效地控制霧滴的直徑；轉籠式離心霧化噴頭工作時，液體從中心孔流出，在轉籠高速旋轉產生的離心力作用下，將藥液拋到轉籠的籠網上，經過第1層網篩的粗細化，第2層網篩的精細化而使其霧化成微小的霧滴，霧滴大小由轉籠的工作速度、直徑及其網目大小所決定[19，21-22]。離心霧化裝置被廣泛地應用于農作物病蟲害防治和衛生防疫，平均可省水50%以上，節省農藥15%～20%左右，適合于農作物中后期的病蟲害防治[19]。近年來，離心霧化技術已被應用于飛機超低量噴霧領域。

遙控式風送變量可控霧滴噴霧機如圖4所示。

圖4 遙控式風送變量可控霧滴噴霧機

2.1 可控霧滴施藥技術裝備部件

機具部件主要由信號發送與接收裝置、控制指令執行裝置、驅動電機、離心霧化噴射部件、低壓小流量潛水泵、藥箱及管路系統、藥液過濾混合系統、軸流式風機、三維換向機構等組成，如圖5所示。其中，離心霧化噴射部件是機具的核心部件。

2.2 離心霧化噴射部件工作原理

作業時，噴霧機供液系統將藥液送至霧化轉盤表面的中心附近，藥液在霧化轉盤高速旋轉產生的離心力的作用下，被拋向霧化轉盤的邊緣先形成液膜，在接近或達到邊緣后分裂成液絲，再呈點狀拋甩出，與空氣撞擊后形成霧滴，霧滴再與固定齒盤上的霧化齒撞擊破碎，形成更細小的霧滴。離心霧化噴射部件如圖6所示。

1.離心霧化器 2.離心霧化噴射部件驅動電機 3.風機葉輪端驅動電機 4.風機葉輪 5.驅動電機支撐 6.風筒 7.風筒支撐 8.變頻調速控制柜 9.供液系統 10.機架

圖6 離心霧化噴射部件

2.2.1 離心霧化器特點

離心霧化轉盤的大直徑、多折彎結構使該離心霧化噴射部件具有較大的慣性力和噴灑面，即使是在低轉速條件下，也可形成均勻液膜，有利于藥液隨后的裂化和霧化；固定霧化盤的多齒結構則使經離心霧化后的藥液霧滴進一步的撞擊破碎成更均勻細小的霧滴，從而有效提高離心霧化器的霧化質量。

2.2.2 離心霧化器結構參數對霧滴粒譜分布的影響研究

已有研究表明：大直徑是實現“低速”霧化的前提；多折彎結構增加了霧化器的噴灑面，因而有助于提高低速條件下的霧化質量；霧化齒可使離開霧化轉盤的霧滴進行二次霧化，從而獲得更小的霧滴，實現低量噴霧。有待進一步研究的領域：有、無霧化齒及霧化齒的形狀、數量、分布對霧滴二次霧化質量的影響，即對撞擊式低速離心霧化器霧滴粒譜分布(霧滴直徑大小、霧滴譜寬度)的影響。

2.3 可控霧滴噴霧機具的創新點

2.3.1 霧滴直徑精準可控

該離心霧化噴射部件工作轉速可在一定范圍內實現無級調節，達到了霧滴平均直徑在50～200μm范圍內的精準可控，改變了傳統施藥技術裝備的霧滴譜寬、霧滴直徑不可調的現狀，而傳統的施藥技術裝備無法滿足不同農作物品種、不同防治對象、農藥劑型及設施棚室內的作業環境對霧滴直徑的要求。提高藥液霧滴在靶標作物上的附著率及分布均勻性的同時，充分考慮到了“生物最佳粒徑”理論，很大程度上減少了無效霧滴數量，提高了農藥的有效利用率，減少了農藥用量，在節約作業成本的同時也有效解決了因過量施藥造成的設施棚室內環境污染及農產品農藥殘留超標的問題[11]。

2.3.2 流量快速、精準可調

通過小流量液壓控制、以及信號傳輸、采集、分析處理等技術研究，以及夾管機構、電動機構、控制電路的設計開發，研制了電子控制夾管流量閥，攻克了采用液泵變頻調速、電磁閥控制流道截面等現有技術難以對小流量條件下的液泵流量進行快速、精量調節的技術難題，實現了機具供液流量的實時、精準可調。

2.3.3 三維遠程均勻送風

三維換向機構為二次霧化藥液霧滴提供沿射程方面均勻分布的運輸載體，實現了機具噴霧方向及風力輔助系統送風的三維可調，以滿足不同的設施大棚幅寬及不用作物品種、作物生長期的噴霧需求，更有效地提高了藥液霧滴在靶標作物上的分布均勻性。

2.3.4 機具作業狀態及參數可自動控制

采用了單片機技術及電子遠程遙控技術等機電一體化自動控制技術，實現了對離心霧化噴射部件、變量供液系統、三維風力輔助換向系統等部件的工作狀態或參數的自動化控制。電子遠程遙控技術的應用實現了農藥噴灑作業的遠程控制，人機分離的作業方式，不僅極大地減輕了勞動強度，更避免了作業人員在棚內近距離接觸農藥、長期呼吸藥霧中毒，對施藥人員的人身安全更有保障。

3 可控霧滴施藥技術裝備發展思考

我國設施農業植保機具結構形式多樣，推廣及使用程度各異，就目前來說，主要問題依然集中在機具使用效果不穩定，通用性、適應性、使用經濟性較差等方面，普通農戶一般考慮到成本問題不采用最新研發出來的高科技施藥技術裝備[5-6，8]。作為一線科研工作者，還需要加強對設施農業可控霧滴施藥技術領域的研究，從思路和原理上尋求突破和創新，同時還應該注重機具的通用性、適應性及經濟性等問題的研究，以取得更理想的施藥實用性能。研究的同時還應掌握國內外的發展動態，借鑒相關的高新技術，以我國設施農業植保領域的實際情況為基礎，才能夠研制出高效的施藥技術裝置。

3.1 加強基礎性研究工作

結合生物最佳粒徑理論，開展可控霧滴施藥技術研究，研究霧滴二次破碎機理及相關影響霧滴尺寸的因素等，得出離心霧化器參數優化組合設計擬合相關關系，根據相關影響性研究探明經霧化轉盤離心霧化后的藥液霧滴與固定齒盤上的霧化齒撞擊所形成的二次霧化機理。基礎性的研究可設計有、無霧化齒及霧化齒參數(形狀、數量、分布)對離心霧化器霧滴直徑與霧滴譜寬度的影響進行試驗，為得出最佳離心霧化器的噴霧效果組合提供必要的參考依據。

3.2 當前亟需解決的重點問題

3.2.1 著力提高機具通用性與適用性

我國南、北方的農作物病蟲害防治情況各異，由于南、北方農作物種植模式及氣候有明顯的差異，許多施藥機具只是針對某一區域內的農作物，且施藥機具受農作物種植規模的影響程度較大，許多新發明的施藥機具通用性較差[15-16]。如可控霧滴施藥技術裝備，離心霧化裝置作為可控霧滴施藥技術裝備的核心部件，提高離心霧化裝置的適應性，使其不僅能夠作為單一品種農作物的施藥機具，而且應能夠用于其他農作物的施藥，對于推動農作物病蟲害全程機械化有著重要的作用。

3.2.2 進一步加大政府對高效、低污染設施農業植保機具的購機補貼力度

設施農業作為現代農業的顯著標志，促進設施農業發展是實現農業現代化的重要任務，從中央到地方都給予其高度關注，我國設施農業已進入了快速發展階段?！笆濉币詠恚畬r機的財政補貼政策對我國農業機械的科研開發與生產運用都發揮了積極的導向作用[12]?！笆濉笔寝r業實現現代化的關鍵時期，要盡快淘汰劣質低效、對環境污染嚴重的老舊植保機具類型，鼓勵農民購買、使用新型優質的用于設施農業高效植保機具，應將節能減排納入財政補貼招標的指標評價體系，對農藥有效利用率高、防治效果好，符合安全、環保要求的機具應加大補貼力度。

3.2.3 完善施藥技術領域規范

按照節能減排的相關技術要求，不斷完善設施農業植保裝備產品的標準體系，設施農業植保與農機推廣應用部門，要把研究開發的施藥裝備的節能減排和環境友好作為關鍵性經濟技術指標，并將其納入到植保機具的試驗鑒定與示范推廣工作中[10，20]。

3.2.4 逐步加大新型農機技術人員培訓

有關部門應大力開展設施農業施藥機具使用和施藥技術應用的相關培訓，提高基層農技人員和農民的安全施藥水平，引導他們改變陳舊的施藥觀念，幫助基層農民盡快掌握科學的農藥使用技術和方法，使機械化高效施藥技術與裝備能夠真正發揮其節約成本、提高效率、節能減排的作用。

3.3 結合新技術

隨著科學技術的不斷進步，機電一體化技術不斷發展，一些老舊的設施農業施藥技術裝備將逐漸被新型施藥技術裝備所取代，不斷簡化施藥裝置的研制開發中許多復雜的機械傳動結構、動力傳遞方式、普通材料和落后生產工藝，延長機具的使用壽命及降低勞動使用費用等將作為主要設計目標應用于設施農業施藥裝置的設計制造。隨著國內外相關技術的進一步發展，如何將最新技術更好的應用到實際生產中，也是目前設施農業施藥裝置需要盡快解決的問題[14，18]。

3.4 未來研究方向

隨著我國對農作物病蟲草害防治需求的持續增長，以及農藥與環境、生態、農產品質量、國民身體健康之間矛盾的日益突顯，高效、低量、低污染、精準施藥技術裝備的市場需求也將越來越大，其產業化前景十分廣闊[14]。

4 結束語

我國在設施農業的發展過程中，社會包括各級政府關注度較多的是設施棚架系統等基礎設施的建設，而對設施棚內配套的生產條件、機械裝備重視程度不夠，使得我國設施農業的整體發展水平不高，機械化、自動化、智能化和標準化程度較低。研發設施農業可控霧滴施藥技術裝備將為我國設施農業提供一種技術水平先進，安全性、可靠性更強，并與棚室作物病蟲害防治要求相適應的新型施藥技術與裝備。設施農業施藥技術裝備機械化發展任重道遠，在設施農業產業實際需求拉動和政府出臺的相關政策有效推動下，以及機械設計制造工藝水平的不斷提高的基礎上，我國的設施農業施藥技術裝備機械化技術必將走上健康快速發展道路。

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Advances in Technology and Equipment Agricultural Mechanization Administration Facilities

Liu Dejiang, Gong Yan

(Nanjing Institute of Agricultural Mechanization, Ministry of Agriculture, Nanjing 210014, China)

First noted the technical equipment required for spraying agricultural facilities particularity; then analyzes the application status of the domestic agricultural pesticide application technology facilities and equipment; and then, in terms of the working principle, structural features, and other innovations discussed in detail the current applied agricultural facilities controlled droplet application techniques and equipment, he noted agricultural facilities controlled droplet application techniques and equipment of existing and future research results for further research module. Finally, thinking and future research priorities and direction of development in the field of agricultural facilities for controlled droplet application techniques and equipment caused by the proposed suggestions and countermeasures, this paper aims to develop facilities of agricultural pesticide application technology and equipment to provide our reference.

agricultural facilities; application techniques; controlled droplet； centrifugal atomization

2016-04-12

國家自然科學基金項目(31401296)；江蘇省科技自主創新資金項目(CX[14]2101)

劉德江(1990-)，男，江蘇宿遷人，碩士研究生，(E-mail)1252810830@qq.com。

龔 艷(1976-)，女，南京人，研究員， (E-mail)jsgymm@hotmail.com。

S233.74

A

1003-188X(2017)05-0006-06