設施農(nóng)業(yè)專用固定管道式常溫煙霧系統(tǒng)

李雪，呂曉蘭，張美娜，陸岱鵬

【摘要】中國設施農(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)藥利用率低等問題，而且施藥過程中作業(yè)人員受毒害情況嚴重，針對以上問題，江蘇省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)設施與裝備研究所創(chuàng)新研發(fā)了一套設施農(nóng)業(yè)專用二相流固定管道式常溫煙霧系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，可快速轉(zhuǎn)換應用于不同農(nóng)業(yè)設施的施藥作業(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)工作后對溫室大棚內(nèi)的地面濕度沒有影響。另外，該噴霧系統(tǒng)成功實現(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)有設施植保機械裝備施藥量大、霧滴粗、彌漫效果差、沉積不均勻等問題，在緩解中國設施植保配套裝備應用不足的同時，為設施植保裝備的研發(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，中國設施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模逐年擴大，2013年中國蔬菜播種面積就已達7525萬畝（501.67萬hm2），溫室大棚面積達360萬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，設施的相對封閉性導致設施內(nèi)高溫高濕現(xiàn)象頻發(fā)，容易滋生病蟲害，從而引發(fā)農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)和產(chǎn)量嚴重下降[4]。因此，病蟲害防治一直是設施農(nóng)業(yè)管理中的關(guān)鍵性技術(shù)。但是，中國設施配套的施藥裝備匱乏，一般使用背負式噴霧器、機動噴槍進行大容量噴霧作業(yè)[5-6]，這種作業(yè)方式使農(nóng)藥有效利用率很低，同時造成大量霧滴沉積到地面，增加土壤濕度，為病蟲害多次爆發(fā)提供條件；而且大容量噴霧在作物成株期，噴灑農(nóng)藥時，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)，不僅費工、費藥、費水，而且造成環(huán)境和農(nóng)產(chǎn)品的嚴重污染。所以，在化學農(nóng)藥使用仍是農(nóng)作物病蟲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)藥能否達到防治目標的主要因素。早在20世紀80年代，以美國、日本等為代表的發(fā)達國家，便針對設施農(nóng)業(yè)特殊的農(nóng)藝要求和管理特點，致力于新型施藥技術(shù)和藥械的不斷創(chuàng)新與研發(fā)。常溫煙霧施藥技術(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)，達到防治效果的同時，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，如常溫煙霧法和粉塵法，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散到溫室內(nèi)各個角落，能夠在作物冠層內(nèi)和葉片背面均勻沉積，施藥量僅為2～4 L/667 m2。作業(yè)時，操作者無需進入溫室內(nèi)，節(jié)水節(jié)藥的同時，保證了操作者的人身安全。中國設施專用植保機械發(fā)展較晚，1998年，農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所自主設計制造了3YC-50型常溫煙霧機，其后又研制了新一代的3YC-100型常溫煙霧機，但是由于農(nóng)藥霧化不均勻，霧滴尺寸偏大，射程較短，中途操作者需進入溫室大棚內(nèi)調(diào)整煙霧機位置，無法實現(xiàn)人-藥分離，加之施藥效率低、農(nóng)藥沉積分布不均勻等問題，該機型并沒有得到廣泛的推廣應用。據(jù)統(tǒng)計，目前絕大部分地區(qū)的農(nóng)民依然使用背負式噴霧器進行設施噴藥作業(yè)。因此，為降低農(nóng)產(chǎn)品的農(nóng)藥殘留，實現(xiàn)設施農(nóng)產(chǎn)品安全生產(chǎn)，設施農(nóng)業(yè)專用高效施藥系統(tǒng)與化學農(nóng)藥減量使用技術(shù)研究勢在必行。

江蘇省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)設施與裝備研究所針對中國設施施藥存在的主要問題：藥械霧化質(zhì)量差，農(nóng)藥用量大而利用率低，作業(yè)人員受毒害嚴重和農(nóng)殘導致的食品安全問題等，創(chuàng)新研發(fā)了一套設施農(nóng)業(yè)專用固定管道式常溫煙霧系統(tǒng)，以期為設施植保裝備的發(fā)展起到推動作用。

固定管道式常溫煙霧系統(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的二相射流噴嘴，噴頭內(nèi)部的輸氣管管徑會在出口處收縮減小，噴頭構(gòu)造簡單，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)過噴口收縮處形成相對高速的氣流，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小噴嘴尖的撞擊進行二次霧化，形成煙霧狀的細小霧滴。二相流噴嘴的相關(guān)技術(shù)參數(shù)見表1。

固定管道式常溫煙霧系統(tǒng)的組成

系統(tǒng)包括可移動式室外主機和室內(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，實現(xiàn)了人-藥分離，避免了藥物對作業(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；可移動式室外主機集成了氣路輸出單元、液路輸出單元和控制系統(tǒng)，室外主機可通過快速接頭與棚室內(nèi)的固定管道系統(tǒng)進行連接，有利于實現(xiàn)主機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，空氣壓縮機和水泵的型號分別為紅五環(huán)JAC30A和歐維爾AS-15隔膜泵。控制系統(tǒng)可以控制空氣壓縮機1、水泵2和水泵3的工作狀態(tài)，空氣壓縮機1和水泵2同時開啟，煙霧系統(tǒng)處于噴藥狀態(tài)；空氣壓縮機1單獨開啟，煙霧系統(tǒng)處于送氣狀態(tài)，增加棚室內(nèi)部的空氣擾動，促使系統(tǒng)產(chǎn)生的超細霧滴彌漫在設施內(nèi)部；水泵3單獨開啟，煙霧系統(tǒng)處于噴水狀態(tài)，可以實現(xiàn)棚室降溫的目的，另外在每次噴藥結(jié)束后運行水泵3，對管路及噴嘴進行清洗，可以達到降低農(nóng)藥殘留物對噴霧管路系統(tǒng)的腐蝕與傷害的目的。

室外主機（圖3）采用雙水泵運作，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償式滴頭，可以使到達每個二相流噴嘴的輸入氣壓及液壓基本一致，達到噴霧效果穩(wěn)定均勻的目的。另外，通過氣路調(diào)節(jié)閥4和液路調(diào)節(jié)閥5可實現(xiàn)施藥霧滴尺寸、噴霧量及射程的控制。

固定管道式常溫煙霧系統(tǒng)的應用

為測試該系統(tǒng)的噴霧性能，研發(fā)團隊在江蘇省農(nóng)業(yè)科學院設施農(nóng)業(yè)與裝備研究所的塑料大棚內(nèi)進行了現(xiàn)場測試。該大棚跨度8 m，長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。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膩而均勻，細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CFD對噴霧霧滴運動情況進行分析發(fā)現(xiàn)，噴霧過程中，系統(tǒng)氣霧對設施空間氣流產(chǎn)生擾動，在設施內(nèi)部空間形成環(huán)狀湍流從而促進霧滴的進一步彌漫擴散和均勻沉積（圖5），而且由于該系統(tǒng)產(chǎn)生的霧滴粒徑十分細小（VMD僅為30～35 μm），液滴表面對固體具有較大的黏附張力，相比于粒徑粗大的粗霧滴，細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)后不會對棚室的地面濕度造成顯著影響，從而有效控制地面病蟲害的滋生。

由表3可知，該系統(tǒng)與目前設施內(nèi)常用管道式高壓噴霧系統(tǒng)的參數(shù)對比，具備噴霧細膩、安裝簡易、使用安全、部件可靠、維修成本低、作業(yè)面積大等優(yōu)勢，值得推廣應用。

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)有設施植保機械裝備施藥量大、霧滴粗、彌漫效果差、沉積不均勻等問題，在緩解中國設施植保配套裝備應用不足的同時，為設施植保裝備的研發(fā)提供借鑒。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、易加工、成本低、固定安裝在設施內(nèi)的氣體管路、液體管路，通過快速接頭實現(xiàn)與棚室外集成了液泵、空壓機、藥箱等供液供氣主機的對接，使得該系統(tǒng)可快速轉(zhuǎn)換，用于不同農(nóng)業(yè)設施的施藥作業(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)生的超細煙霧狀霧滴均勻彌漫沉積于設施內(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，保護環(huán)境和食品安全，同時設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，有利于病蟲害的徹底防治；噴射的細小霧滴，有利于棚室內(nèi)降溫，而不會明顯增加土壤濕度，可使設施環(huán)境的溫濕度處于合理范圍；另外，該噴霧系統(tǒng)的主控機組在設施外部，作業(yè)人員全程無需進入設施內(nèi)，降低了勞動強度，實現(xiàn)了人-藥分離，保障了作業(yè)者的人身安全。

參考文獻

[1] 郭世榮，孫錦，蘇勝，等.我國設施園藝概況及發(fā)展趨勢[J].中國蔬菜，2012（18）：1-14.

[2] 李天來.我國設施蔬菜科技與產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢[J].中國農(nóng)村科技，2016（5）：75-77.

[3] 董靜，趙志偉，梁斌，等.我國設施蔬菜產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀[J].中國園藝文摘，2017（1）：75-77.

[4] Brown RB， Sidahmed MM.Simulation of spray dispersal and deposition from a forestry air blast sprayer part II：droplet trajectory model[J]. Transactions of the ASAE，2001，44（1）：11-17.

[5] 李龍龍，何雄奎，宋堅利，等.果園仿形變量噴霧與常規(guī)風送噴霧性能對比試驗[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2017，33（16）：56-63.

[6] 劉德江，龔艷.設施農(nóng)業(yè)施藥技術(shù)裝備機械化研究進展[J].農(nóng)機化研究，2017（5）：6-11.

*項目支持：農(nóng)業(yè)部設施農(nóng)業(yè)工程重點實驗室開放課題基金；江蘇省自主創(chuàng)新資金CX（15）1033。

作者簡介：李雪，助理研究員，主要從事植保機械與施藥技術(shù)研究。

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

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