中國(guó)果園植保機(jī)械化技術(shù)與裝備研究

李 興

(山東魯抗生物農(nóng)藥有限責(zé)任公司，山東 德州 251100)

0 引言

無(wú)論是從規(guī)模還是產(chǎn)量上來(lái)看，我國(guó)水果產(chǎn)出都位居世界前列。但與此同時(shí)，我國(guó)果園植保機(jī)械化發(fā)展起步時(shí)間相對(duì)較晚，很多地區(qū)在進(jìn)行果園植保作業(yè)時(shí)，機(jī)械化技術(shù)及設(shè)備應(yīng)用程度還相對(duì)較低，這對(duì)于我國(guó)水果產(chǎn)業(yè)發(fā)展產(chǎn)生了直接影響。從技術(shù)層面上來(lái)看，我國(guó)果園植保機(jī)械化技術(shù)目前發(fā)展態(tài)勢(shì)良好，無(wú)論是自研設(shè)備還是根據(jù)發(fā)達(dá)國(guó)家相關(guān)設(shè)備思路進(jìn)行研究的設(shè)備都具有較好的使用參數(shù)。由于水果種植業(yè)是我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要組成部分，同時(shí)水果種植也是我國(guó)農(nóng)民重要的經(jīng)濟(jì)來(lái)源，因此提升果園植保機(jī)械化技術(shù)及設(shè)備應(yīng)用水平進(jìn)而強(qiáng)化水果種植業(yè)的整體作業(yè)效率，保障水果產(chǎn)量，對(duì)于我國(guó)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)乃至整體經(jīng)濟(jì)發(fā)展都具有重要意義，因此必須加強(qiáng)果園植保機(jī)械化技術(shù)及裝備的研究。

1 果園施藥技術(shù)分析

1.1 管道噴霧

管道噴霧技術(shù)是當(dāng)前果園比較常見(jiàn)，且應(yīng)用范圍相對(duì)較廣的施藥技術(shù)。管道噴霧技術(shù)具體來(lái)講，是指將藥液箱內(nèi)的藥液通過(guò)電泵進(jìn)行增壓，經(jīng)由鋪設(shè)好的管道進(jìn)行藥物輸送，由噴頭將藥液霧化形成小液滴，作用于作物表面達(dá)到相應(yīng)的施藥防治目的。就目前我國(guó)果園植保工作中管道噴霧的應(yīng)用情況來(lái)看，山東、浙江、廣西及相當(dāng)一部分華北地區(qū)在水果種植過(guò)程中均廣泛應(yīng)用管道噴霧技術(shù)[1]。而從該技術(shù)與相關(guān)地區(qū)地理情況的匹配程度上看，該技術(shù)可在丘陵地區(qū)發(fā)揮較好的給藥效果，由于這些區(qū)域人工給藥不便，且大范圍給藥人力勞動(dòng)輸出相對(duì)較大，因而在這些區(qū)域更適合采用管道噴霧技術(shù)。就當(dāng)前我國(guó)管道噴霧技術(shù)實(shí)際應(yīng)用情況來(lái)看，其相較于傳統(tǒng)推車(chē)式、背負(fù)式噴藥作業(yè)方式具有給藥效率高、整體給藥效果持平、投資少、收益高等諸多優(yōu)勢(shì)。

1.2 風(fēng)力輔助噴霧

果園施藥過(guò)程中，應(yīng)將相應(yīng)藥物均勻噴施于冠層，以此達(dá)到較好的防治效果，而基于這一給藥目標(biāo)，風(fēng)力輔助噴霧技術(shù)逐漸發(fā)展，并大范圍應(yīng)用于果園植保作業(yè)中。風(fēng)力輔助噴霧是指通過(guò)電泵將管道內(nèi)的藥液進(jìn)行加壓，通過(guò)霧化噴頭噴出，而在這一基礎(chǔ)上使用大型風(fēng)機(jī)對(duì)噴出的霧化小液滴進(jìn)行吹送，這樣能夠較好地保證將噴出的霧化藥液均勻送至果樹(shù)冠層[2]。相較于管道噴霧，通過(guò)風(fēng)機(jī)進(jìn)行風(fēng)力輔助吹送能更好地將霧化藥液遠(yuǎn)距離輸送至果樹(shù)相應(yīng)部位，且能夠達(dá)到更為均勻的給藥效果，傳統(tǒng)噴霧技術(shù)果樹(shù)葉片背部給藥效果相對(duì)較差，而在風(fēng)力輔助的基礎(chǔ)上，通過(guò)氣流擾動(dòng)可以對(duì)葉片背部實(shí)現(xiàn)較好的給藥效果。數(shù)字統(tǒng)計(jì)研究顯示，通過(guò)風(fēng)機(jī)進(jìn)行風(fēng)力輔助吹送，藥物均勻覆蓋的幅寬提升了40%左右，通過(guò)仿真模擬實(shí)驗(yàn)可知，其相較于傳統(tǒng)噴霧給藥，給藥偏差下降了33%，可見(jiàn)其技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯。

1.3 航空施藥

航空施藥是現(xiàn)代化果園植保作業(yè)的一種典型技術(shù)，航空施藥是指利用各種飛行器從空中進(jìn)行藥液噴灑的一種作業(yè)方式，不同地區(qū)其果園植保航空給藥所利用的飛行器不盡相同，近年來(lái)隨著我國(guó)無(wú)人機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，通過(guò)無(wú)人機(jī)進(jìn)行航空施藥成為了果園植保作業(yè)的一種重要形式。由于無(wú)人機(jī)負(fù)載能力不斷提升，其一次性攜帶藥量相對(duì)增加，一次升空所能覆蓋的給藥范圍也明顯增大，而且隨著無(wú)人機(jī)攜帶的噴霧設(shè)備不斷發(fā)展，其所能覆蓋的噴灑幅寬得到提升。無(wú)人機(jī)具有升空高度控制性相對(duì)較好、噴灑速度相對(duì)均勻等作業(yè)優(yōu)勢(shì)，而且通過(guò)這種航空施藥的形式能夠克服傳統(tǒng)地面施藥所面臨的不利情況，并可在一些特殊情況下作為應(yīng)急施藥手段應(yīng)用。另外采用航空施藥方式，可以通過(guò)無(wú)人機(jī)上攜帶的攝錄系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)果園整體情況的了解，包括給藥情況及當(dāng)前果園整體生長(zhǎng)態(tài)勢(shì)等數(shù)據(jù)獲取[3]。

2 果園噴霧作業(yè)機(jī)械化的意義

2.1 提高噴霧作業(yè)效率

果園噴霧機(jī)械化作業(yè)相比傳統(tǒng)手工噴霧作業(yè)，可以利用單行或多行的方式完成大面積作業(yè)，并且機(jī)械化噴霧設(shè)備具備大功率藥泵和大容量藥箱，能夠有效保障作業(yè)人員的作業(yè)效率，減少中途補(bǔ)充藥水的次數(shù)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，果園機(jī)械化噴霧設(shè)備較傳統(tǒng)人工噴霧作業(yè)效率提升3～20倍左右。

2.2 藥液噴灑均勻

傳統(tǒng)人工噴霧作業(yè)過(guò)程中，由于部分施藥手段不成熟，導(dǎo)致藥液沒(méi)有均勻液化，進(jìn)而導(dǎo)致噴霧作業(yè)針對(duì)果樹(shù)背面的噴霧率較低。而機(jī)械式噴霧能更好保證藥液分布均勻，再通過(guò)藥泵的高壓減少藥液飄失。此外，機(jī)械式噴霧還能根據(jù)果樹(shù)種類(lèi)的不同進(jìn)行適配噴霧作業(yè)，提高噴霧效率。

2.3 減少藥液流失

傳統(tǒng)的噴霧作業(yè)主要以大面積噴灑為主，在實(shí)際噴霧作業(yè)過(guò)程中，常出現(xiàn)藥液噴灑量過(guò)高，但有效噴灑面積較低的現(xiàn)象。據(jù)統(tǒng)計(jì)，淋洗式連續(xù)噴霧作業(yè)過(guò)程中80%以上的藥液都沒(méi)有被科學(xué)合理地利用。

而通過(guò)機(jī)械式噴霧技術(shù)，作業(yè)人員根據(jù)不同果樹(shù)類(lèi)型可以進(jìn)行仿形噴霧作業(yè)，自動(dòng)對(duì)靶功能可有效減少藥液飄失現(xiàn)象的發(fā)生，進(jìn)而減少水資源和農(nóng)藥資源的浪費(fèi)。此外，靜電噴霧技術(shù)還可提高藥液的附著力，減少在噴霧作業(yè)過(guò)程中藥液的飄失，促進(jìn)環(huán)境保護(hù)工作的開(kāi)展。

3 國(guó)內(nèi)果園機(jī)械式噴霧作業(yè)現(xiàn)狀

在21世紀(jì)初期，我國(guó)果園以老果園為主，當(dāng)時(shí)由于機(jī)械化設(shè)備不足，因此果樹(shù)在生長(zhǎng)過(guò)程中導(dǎo)致果園郁閉。并且由于郁閉型果園普遍存在果園架較低的現(xiàn)象，使果園機(jī)械式噴霧作業(yè)無(wú)法有效開(kāi)展。但隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，農(nóng)業(yè)與機(jī)械制造業(yè)逐漸結(jié)合，使機(jī)械化農(nóng)具普及率顯著提升。目前，我國(guó)使用的機(jī)械式果園噴霧設(shè)備主要包括：高紡錘形果園噴霧機(jī)械、郁閉型果園噴霧機(jī)械和丘陵山地果園噴霧機(jī)械。

高紡錘形果園噴霧機(jī)械主要是通過(guò)牽引式風(fēng)送噴霧機(jī)對(duì)高紡錘形果樹(shù)進(jìn)行噴霧作業(yè)。牽引式風(fēng)送噴霧機(jī)由變速箱、隔膜泵、扇葉、導(dǎo)流板、藥箱、傳動(dòng)軸承、懸掛、底架和承重輪構(gòu)成。其中，牽引式風(fēng)送噴霧機(jī)通過(guò)風(fēng)動(dòng)力機(jī)和隔膜泵對(duì)高紡錘形果樹(shù)進(jìn)行噴霧作業(yè)，提高施藥面積，使?fàn)恳斤L(fēng)送噴霧機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單實(shí)用性強(qiáng)的特點(diǎn)。

而在2017年，我國(guó)農(nóng)業(yè)專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員根據(jù)高紡錘形果樹(shù)設(shè)計(jì)了果園自動(dòng)仿形噴霧機(jī)。果園自動(dòng)仿形噴霧機(jī)由獨(dú)立風(fēng)機(jī)和霧化噴頭構(gòu)成霧化單元，內(nèi)部結(jié)構(gòu)由噴霧機(jī)架、電磁閥、發(fā)電機(jī)組、藥液箱、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、線纜拖鏈、激光傳感器、單片機(jī)信號(hào)控制板、變壓器、隔膜泵、蝸桿支撐輪及速度傳感器構(gòu)成。自動(dòng)仿形噴霧機(jī)由于搭載了獨(dú)立風(fēng)機(jī)的霧化單元，使其在噴霧作業(yè)過(guò)程中可根據(jù)高紡錘形果樹(shù)的冠層分割模型采用與之適配的噴霧方案。

由于低矮密植是我國(guó)郁閉型果園主要栽培方式，因此相關(guān)技術(shù)人員研發(fā)了自走式果園風(fēng)送定向噴霧機(jī)。自走式果園風(fēng)送定向噴霧機(jī)由駕駛室、電磁離合器、隔膜泵、藥箱、皮帶組、靜液壓裝置、風(fēng)機(jī)、車(chē)架、兩個(gè)萬(wàn)向節(jié)聯(lián)軸器、風(fēng)機(jī)支路傳動(dòng)主軸、行走支路傳動(dòng)主軸、分動(dòng)箱、取力箱、變速箱和發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)成。自走式果園風(fēng)送定向噴霧機(jī)以柴油發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力，通過(guò)四輪驅(qū)動(dòng)方式提高運(yùn)動(dòng)能力，并且利用14個(gè)可調(diào)節(jié)式噴頭，實(shí)現(xiàn)對(duì)郁閉型果園的低矮果樹(shù)進(jìn)行均勻噴灑作業(yè)。自走式果園風(fēng)送定向噴霧機(jī)利用離心風(fēng)機(jī)、鴨嘴出風(fēng)口等自由調(diào)節(jié)設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)不同低矮果樹(shù)冠層進(jìn)行多方位噴霧，降低了噴霧變異系數(shù)。

由于丘陵山地果園相比于郁閉型和高紡錘形果樹(shù)果園，具有種植面積大、坡度跨度大、行株距狹窄等特點(diǎn)，導(dǎo)致丘陵山地果園無(wú)法應(yīng)用大型果園噴霧機(jī)械設(shè)備。

因此，相關(guān)技術(shù)人員根據(jù)丘陵山地的地理面貌研發(fā)了小型助力推車(chē)式果園噴霧機(jī)。小型助力推車(chē)式果園噴霧機(jī)由輪轂電機(jī)、機(jī)架、藥液箱、汽油機(jī)、高速液泵、巡航調(diào)速把手、輪轂電機(jī)控制器、鋰電池和萬(wàn)向輪構(gòu)成。小型助力推車(chē)式果園噴霧機(jī)利用可調(diào)式噴槍和仿形均勻霧噴桿能夠有效對(duì)果樹(shù)進(jìn)行噴霧作業(yè)。此外，由于小型助力推車(chē)式果園噴霧機(jī)質(zhì)量較輕，該設(shè)備便于在丘陵山地果園和低矮密植果園開(kāi)展噴霧作業(yè)。

此外，相關(guān)技術(shù)人員針對(duì)南方丘陵山地果園還研發(fā)了果園在線混藥型靜電噴霧機(jī)。該設(shè)備由噴霧機(jī)架、混藥系統(tǒng)、水箱、傳動(dòng)帶、液泵、轉(zhuǎn)向桿、汽油機(jī)、傳動(dòng)鏈、變速箱和萬(wàn)向傳動(dòng)軸構(gòu)成。能夠?qū)崿F(xiàn)豎直方向0.7 m的高度調(diào)節(jié)，而利用在線混藥技術(shù)和靜電噴霧技術(shù)能夠有效開(kāi)展果樹(shù)病蟲(chóng)害防治工作。

4 果園植保機(jī)械裝備研究

4.1 管道噴霧設(shè)施

管道噴霧設(shè)施主要包括藥池、加壓電泵、地下管道、地上管道及噴霧頭等，通過(guò)管道噴霧給藥，能夠?qū)B片果園尤其是占地面積相對(duì)較大的大型果園達(dá)到較好的均勻給藥目的。整個(gè)噴霧系統(tǒng)需要有良好的水源供應(yīng)，同時(shí)噴霧電機(jī)及加壓電泵都需要有穩(wěn)定的電源供應(yīng)。目前來(lái)看多數(shù)大型果園，在選擇管道噴霧進(jìn)行給藥時(shí)，所選擇的電機(jī)功率一般在4 kW左右，而根據(jù)果園種植的作物種類(lèi)不同，地面管道和噴頭間距距離設(shè)置也各不相同，一般平均距離為50 m左右，當(dāng)然，這也與整體噴霧壓力和噴霧頭相應(yīng)的覆蓋參數(shù)有關(guān)。地面立管長(zhǎng)度一般控制在10～20 cm左右。而且隨著管道噴霧的應(yīng)用覆蓋范圍逐漸擴(kuò)大，相應(yīng)的技術(shù)改進(jìn)也在持續(xù)跟進(jìn)，包括恒壓噴霧管道、在線混藥系統(tǒng)，以及全自動(dòng)順序噴藥系統(tǒng)等，都是當(dāng)前管道噴霧系統(tǒng)的重要組成部分。

4.2 風(fēng)送噴霧機(jī)

風(fēng)送噴霧機(jī)是當(dāng)前果園植保機(jī)械中一種比較常見(jiàn)的設(shè)備。風(fēng)送噴霧機(jī)的核心部件是大型風(fēng)機(jī)及風(fēng)體導(dǎo)流設(shè)備，風(fēng)機(jī)是提供送藥風(fēng)力的主要設(shè)備，而導(dǎo)流設(shè)備則能夠?qū)L(fēng)機(jī)產(chǎn)生的風(fēng)力向固定方向引導(dǎo)。不同形式的果園，其種植作物差異相對(duì)較大，對(duì)于一些寬行窄株，樹(shù)冠相對(duì)高大的果園而言，更適合使用懸掛式或牽引式風(fēng)送噴霧機(jī)，而對(duì)于一些行距株距基本一致，作物整體密度相對(duì)較低的果園則更適合使用小型風(fēng)送噴霧機(jī)。兩者之間優(yōu)勢(shì)各異，大型牽引式或懸掛式風(fēng)送噴霧機(jī)，覆蓋范圍大，能夠?qū)Υ笮透呙芏裙麍@進(jìn)行持續(xù)給藥，而小型風(fēng)送噴霧機(jī)，則具有靈活性較強(qiáng)、整體應(yīng)用投入相對(duì)較少、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)勢(shì)，適用于小型果園。當(dāng)前比較常見(jiàn)的導(dǎo)流裝置，包括離心多導(dǎo)管、軸流導(dǎo)流板、加農(nóng)炮式導(dǎo)流系統(tǒng)等。

4.3 植保無(wú)人機(jī)

植保無(wú)人機(jī)根據(jù)果園實(shí)際給藥需求，可選擇不同類(lèi)型不同帶藥量的機(jī)種。當(dāng)前比較常見(jiàn)的植保無(wú)人機(jī)主要包括單旋翼無(wú)人機(jī)、四旋翼無(wú)人機(jī)、六旋翼無(wú)人機(jī)、四軸八旋翼無(wú)人機(jī)。這些不同的植保無(wú)人機(jī)，其藥箱容量、平均作業(yè)速度、噴幅、續(xù)航里程、續(xù)航時(shí)間等都有一定差異。對(duì)于在日常植保作業(yè)中需要頻繁用到無(wú)人機(jī)噴灑系統(tǒng)的果園，應(yīng)選擇藥箱容量相對(duì)較大，持續(xù)作業(yè)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，噴幅相對(duì)較寬的無(wú)人機(jī)。且在設(shè)定相應(yīng)的給藥任務(wù)計(jì)劃時(shí)可通過(guò)改變系統(tǒng)設(shè)定調(diào)整飛行方式及作業(yè)模式。目前來(lái)看，我國(guó)植保無(wú)人機(jī)可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)噴灑、定點(diǎn)噴灑、連續(xù)噴灑、全自動(dòng)噴灑等作業(yè)模式，飛行方式上可以選擇手動(dòng)控制飛行、設(shè)定航行任務(wù)軌跡的自動(dòng)飛行模式。植保無(wú)人機(jī)可以克服地面噴施植保的諸多困難，但其對(duì)于氣象情況也有較高要求，因此需要根據(jù)所使用的無(wú)人機(jī)類(lèi)型，遵照使用規(guī)范科學(xué)應(yīng)用[4]。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)我國(guó)果園植保機(jī)械化相關(guān)技術(shù)及技術(shù)體系下的各類(lèi)型裝備進(jìn)行了詳細(xì)分析。當(dāng)前我國(guó)果園植保作業(yè)過(guò)程中機(jī)械化水平仍有待提升，希望文中所述相關(guān)內(nèi)容能夠切實(shí)幫助各果園在進(jìn)行植保作業(yè)過(guò)程中提升機(jī)械化水平，強(qiáng)化技術(shù)應(yīng)用的科學(xué)性，提升整體作業(yè)效率。