蘇麗旭，劉莉滋

（重慶三峽學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，重慶 404130）

0 引 言

我國(guó)的果園總面積和總產(chǎn)量都位居世界前列，果園種植在我國(guó)農(nóng)業(yè)中占有重要的分量。隨著我國(guó)鄉(xiāng)村農(nóng)業(yè)的發(fā)展，水果種植產(chǎn)業(yè)已成為鄉(xiāng)村農(nóng)民重要的收入來(lái)源。果園植保是水果種植必不可缺的部分，果園種植每年都會(huì)因病蟲(chóng)害而減產(chǎn)，造成的損失困擾廣大的果農(nóng)，威脅著國(guó)家糧食安全，所以對(duì)果樹(shù)定期進(jìn)行病蟲(chóng)害防治工作可有效解決果園減產(chǎn)等問(wèn)題。

我國(guó)的果園按標(biāo)準(zhǔn)化分為傳統(tǒng)果園和現(xiàn)代果園。21 世紀(jì)之前建園的傳統(tǒng)果園多為低矮密植的種植方式，果樹(shù)的列距在3 m 左右，果樹(shù)間距為2～3 m，能長(zhǎng)到3m 左右。樹(shù)冠密集式生長(zhǎng)導(dǎo)致果樹(shù)之間枝葉交錯(cuò)，也稱(chēng)為郁閉型。這種情況機(jī)械作業(yè)空間小，對(duì)植保機(jī)的需求就是簡(jiǎn)單而輕巧。現(xiàn)代果園是21 世紀(jì)后引進(jìn)國(guó)外種植模式，種植的果樹(shù)樹(shù)冠枝干大都是圓柱狀細(xì)小型，果樹(shù)行距在3～4 m，充足的空間。果樹(shù)間距在1～1.5 m，樹(shù)冠直徑大概1 m，具有良好的通過(guò)性，適合大中型噴霧機(jī)械[1]。

1 植保機(jī)械化的意義

從20 世紀(jì)50 年代到現(xiàn)在，我國(guó)果園種植和噴藥植保經(jīng)過(guò)不斷的發(fā)展，在果園治理和病蟲(chóng)害防治方面得到明顯改善，水果的產(chǎn)量和質(zhì)量都有快速的提高。

1.1 提高噴霧作業(yè)效率

果園作物生長(zhǎng)季節(jié)一年需要噴灑農(nóng)藥8～15次，占據(jù)著很高的果園管理工作量，機(jī)械噴藥可長(zhǎng)時(shí)間、一次性代替?zhèn)鹘y(tǒng)人工噴霧，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，減少人工作業(yè)的環(huán)節(jié)。機(jī)械效率高，大容量藥箱減少中途補(bǔ)充藥水的次數(shù)，可及時(shí)解決生長(zhǎng)期出現(xiàn)的問(wèn)題，挽回果園減產(chǎn)的局面。

1.2 改善防治效果，提高藥液利用率

傳統(tǒng)人工打藥時(shí)，大多采用大流量連續(xù)噴藥，壓力不足導(dǎo)致藥液霧化不均勻，大部分藥液流失，利用率低。采用機(jī)械式打藥能提升噴霧質(zhì)量，充足的壓力使藥液霧化更均勻，先進(jìn)的噴藥技術(shù)可再次回收飄散的藥液，降低藥液損失，還能根據(jù)果樹(shù)種類(lèi)的不同進(jìn)行調(diào)節(jié)仿形噴霧。

1.3 可減少對(duì)果農(nóng)身體健康的危害

人工噴藥時(shí)缺乏防護(hù)裝備，與農(nóng)藥接觸會(huì)危害人身健康。機(jī)械化噴霧系統(tǒng)則采用了電控調(diào)速、隔離保護(hù)、在線混裝藥和遠(yuǎn)距離遙控等多項(xiàng)手段,相比以前噴霧作業(yè)應(yīng)更加注重對(duì)果農(nóng)的保護(hù)。減少了施藥人與藥劑的直接接觸，以確保果農(nóng)安全施藥。

2 常用的噴藥機(jī)械

2.1 背負(fù)式

人工背負(fù)式植保機(jī)結(jié)構(gòu)輕巧，使用簡(jiǎn)單，市價(jià)穩(wěn)定便宜，果農(nóng)廣泛使用。噴霧又分為手動(dòng)式和電動(dòng)式，目前市場(chǎng)的手動(dòng)式大都是改進(jìn)版工農(nóng)16 型，可施放各類(lèi)殺蟲(chóng)劑、葉面肥等，也可應(yīng)用于大田作物和果樹(shù)的病、蟲(chóng)、草害治理，而電動(dòng)式則使用蓄電池助力的電動(dòng)隔膜泵對(duì)藥液加壓，不需果農(nóng)手工動(dòng)桿，大大降低了施藥人的勞動(dòng)強(qiáng)度，打藥的射程范圍不長(zhǎng)，對(duì)于小地塊的果園很適用。

2.2 噴粉機(jī)

噴粉機(jī)與背負(fù)式相比不同的是，這類(lèi)機(jī)型不是通過(guò)水泵裝置噴射, 而是直接通過(guò)風(fēng)速把霧狀微粒擊碎（圖1）。主要是以汽油機(jī)當(dāng)作助動(dòng)力，采用空氣輸粉、空氣彌霧的方法，利用風(fēng)力氣流把植物葉片刮翻，所噴射的藥物比霧滴細(xì)小。逐漸研制并應(yīng)用了多種小噴量、高濃度有機(jī)物可使葉片正反面均可著藥，可以省藥省水。多容量的載藥量能在較大的果園施藥，作業(yè)高效靈活。

圖1 噴粉機(jī)

2.3 手推式

手推式也是人工高壓噴藥，通過(guò)隔膜泵從藥液箱吸水、經(jīng)過(guò)充分壓縮，再次轉(zhuǎn)換成高壓藥液，有大容量的藥液桶，可連續(xù)噴淋式作業(yè)。移動(dòng)耐高壓的藥液供送水管，高壓藥液通過(guò)拉動(dòng)噴槍水管?chē)姙?。裝備大功率的液泵，可出現(xiàn)較高的藥液壓力，射程范圍可達(dá)8～9 m，對(duì)各類(lèi)果園作物都能適用。

2.4 自走噴桿式

這一類(lèi)機(jī)型大多由三輪車(chē)為動(dòng)力搭載（圖2），降低了手推式的勞動(dòng)強(qiáng)度，采用噴桿豎直做噴霧，支架調(diào)節(jié)范圍在1～1.5 m。汽油機(jī)提供隔膜泵動(dòng)力，噴流平穩(wěn)，壓力較高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)便，作業(yè)壽命長(zhǎng)。過(guò)濾系統(tǒng)可避免雜質(zhì)直接流入噴嘴，有效提高了噴灑作業(yè)的效率，對(duì)果樹(shù)病、蟲(chóng)、草害預(yù)防和噴灑后作物生長(zhǎng)的調(diào)節(jié)效果好。

圖2 噴桿噴霧機(jī)

2.5 牽引風(fēng)送式

牽引風(fēng)送式在20 世紀(jì)80 年代引進(jìn)，主要采用拖拉機(jī)牽引（圖3），采用軸流風(fēng)扇，農(nóng)藥經(jīng)過(guò)液泵液壓后由藥箱連接到噴頭灑射，然后通過(guò)風(fēng)機(jī)帶來(lái)的風(fēng)力使噴射的霧狀微粒實(shí)現(xiàn)二次霧化，把二次霧化后的霧狀微粒帶到枝葉上。風(fēng)機(jī)出風(fēng)量大，有效地抵御自然風(fēng)的干擾。風(fēng)機(jī)的強(qiáng)大風(fēng)力使枝葉翻轉(zhuǎn)，射程遠(yuǎn)可提高霧滴的穿透能力，能讓藥液更均勻地附著在果樹(shù)的枝葉上[2]。

圖3 風(fēng)送式噴霧機(jī)

3 我國(guó)植保機(jī)械的不足之處

噴藥性能決定著果園防護(hù)和產(chǎn)量收益，果樹(shù)生長(zhǎng)期內(nèi)多次噴藥對(duì)施藥機(jī)械化水平要求較高，而我國(guó)大部分果園噴藥機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，先進(jìn)技術(shù)裝備少，主要存在以下問(wèn)題：

3.1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)單一，噴藥技術(shù)落后

果園低端型噴霧機(jī)因價(jià)格優(yōu)廉，得到果農(nóng)普遍使用，但作業(yè)效率低，液壓噴灑不穩(wěn)定，穿透性差，葉背附著率低，藥液很難達(dá)到果樹(shù)中間主干，經(jīng)常重噴、漏噴，農(nóng)藥利用率低。常用的風(fēng)送式大流量噴藥噴霧量過(guò)大，不能精準(zhǔn)控制噴藥量，風(fēng)量供需不匹配。風(fēng)量太小不能穿透每一層樹(shù)冠，噴藥防治效果下降。風(fēng)力過(guò)大會(huì)引起藥液漂移，藥液會(huì)集中沉積在枝葉上，造成大量藥液流失浪費(fèi)，還會(huì)影響周?chē)魑锏纳L(zhǎng)環(huán)境。

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3.2 農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝融合不充分

果園栽培果樹(shù)的規(guī)劃與植保機(jī)械的生產(chǎn)和應(yīng)用有著密切的聯(lián)系?，F(xiàn)如今，由于新老果園的原因，植保機(jī)受果樹(shù)栽培方式的影響，一些果樹(shù)生長(zhǎng)、施藥、耕作等環(huán)節(jié)的不同要求，植保機(jī)械作業(yè)很難有效相適應(yīng)。中大型作業(yè)率高的噴霧機(jī)不能進(jìn)入果園噴藥，中小型噴霧機(jī)也未能高效應(yīng)用。

3.3 研發(fā)和創(chuàng)新應(yīng)用不足

一般大公司在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中,對(duì)新產(chǎn)品的研制往往只是做了幾個(gè)簡(jiǎn)易的仿制，而小型噴霧機(jī)技術(shù)水平一般較小、易于模仿，但利潤(rùn)率卻很低，因此有能力的大公司通常都不愿進(jìn)行大量投資或開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品。中大型噴霧機(jī)科技含量高，且生產(chǎn)成本投入較高，大部分植保機(jī)械廠都不能夠?qū)ζ溥M(jìn)行研究與制造。

3.4 施藥安全性低

不管是背負(fù)式、自走噴桿式還是牽引風(fēng)送式噴霧，大都離不開(kāi)人工的操作，作業(yè)人員在混藥、噴藥、清洗時(shí)，多次與農(nóng)藥接觸、吸入導(dǎo)致中毒，對(duì)人的身體造成傷害，所以要發(fā)展機(jī)械自動(dòng)化噴藥。

4 國(guó)內(nèi)外果園植?，F(xiàn)狀

20 世紀(jì)中期，國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家的植保機(jī)械就已逐步實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、系列化。水果生產(chǎn)多為規(guī)?；a(chǎn)，蘋(píng)果、葡萄等水果有專(zhuān)用的果樹(shù)型噴霧機(jī)。現(xiàn)如今，歐美國(guó)家以中、大型噴霧機(jī)為主，運(yùn)用靜電噴霧、低容量、自動(dòng)混藥、機(jī)器視覺(jué)、防飄移、自動(dòng)對(duì)靶、導(dǎo)航控制等技術(shù)展開(kāi)研發(fā)應(yīng)用[3]。

目前，以意大利為代表的歐美國(guó)家，柔性導(dǎo)管式噴霧機(jī)是最常見(jiàn)的植保機(jī)（圖4），可利用柔性導(dǎo)管將一部分藥液延伸至作物的另一側(cè)。工作原理與風(fēng)送式有些類(lèi)似，利用強(qiáng)烈的氣流將藥液噴灑至作物上，不過(guò)這種打藥機(jī)還利用機(jī)械臂將氣流與藥液運(yùn)送到作物的另一面進(jìn)行噴灑，在風(fēng)送式打藥機(jī)優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上，更加節(jié)省藥量而且噴藥更具有針對(duì)性，噴灑效果更好。這種打藥機(jī)在一次行走的過(guò)程中可以對(duì)兩行作物四面進(jìn)行噴藥，減少了行走路線，效率更高。

圖4 柔性導(dǎo)管式噴霧機(jī)

20 世紀(jì)70 年末國(guó)外就開(kāi)始研制超低量靜電噴霧機(jī)（圖5），該機(jī)型與大功率拖拉機(jī)相配合，后牽引式作業(yè)，標(biāo)配管路清洗用水泵以及自動(dòng)清潔管路濾網(wǎng),并設(shè)有清洗水泵；利用高速攪拌機(jī)作為藥箱的混藥動(dòng)力, 可以確保在工作過(guò)程中藥劑不產(chǎn)生沉降現(xiàn)象,對(duì)粉劑和低溶解性度殺蟲(chóng)劑都有很大的適應(yīng)性；強(qiáng)力風(fēng)送式框架配以大排量隔膜泵，噴射透過(guò)力較強(qiáng)，適用于不同栽培密度的作物，可以有效提高葉面與葉背噴射效率。

圖5 靜電噴霧機(jī)

為了減少藥液損失、減少藥液對(duì)身體以及環(huán)境造成的危害，國(guó)外還研發(fā)了隧道式循環(huán)噴藥機(jī)，噴藥機(jī)對(duì)應(yīng)的果樹(shù)列寬在2.5 m 左右，果樹(shù)種植寬度在2 m左右，機(jī)型高度3～4 m（圖6）。主要由兩大系統(tǒng)構(gòu)成：藥液回收循環(huán)系統(tǒng)和藥液噴施系統(tǒng)。作業(yè)時(shí)，果樹(shù)表面被噴霧泵的隧道裝罩蓋罩住，而霧狀微粒則可以在被套罩內(nèi)直接噴施在作物表面，對(duì)沒(méi)有沉積在葉叢、樹(shù)枝和葉片上的霧狀微粒，通過(guò)被套罩的循環(huán)后直接使用，能更有效地防止農(nóng)藥飄失。果樹(shù)生長(zhǎng)期內(nèi)作業(yè)可節(jié)省50%的農(nóng)藥，減少農(nóng)藥飄失80%以上[4]。

圖6 隧道式循環(huán)噴藥機(jī)

隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，國(guó)內(nèi)企業(yè)、高校也對(duì)果園植保機(jī)械進(jìn)行高新技術(shù)上的研究，針對(duì)我國(guó)果樹(shù)栽培種植的特點(diǎn)研發(fā)多種噴霧機(jī)。

山東金原農(nóng)林裝備有限公司研發(fā)了一種履帶風(fēng)送式噴霧機(jī)（圖7）,特別針對(duì)地皮疏松的果園,是一款輕松、靈活、高效的植保機(jī)，依靠單人完成噴藥作業(yè)。該機(jī)在低壓風(fēng)機(jī)和高壓藥泵的聯(lián)合工作下，農(nóng)藥均勻融合在水霧中,并通過(guò)高速風(fēng)流空氣，使內(nèi)外部層面果枝葉正反著藥，并快速地?cái)U(kuò)大霧化，進(jìn)而增加了果樹(shù)附著度和通透性。現(xiàn)已應(yīng)用于規(guī)?；嘤?、標(biāo)準(zhǔn)化果樹(shù)園區(qū)、苗圃等多種類(lèi)型果園。

圖7 履帶風(fēng)送式噴霧機(jī)

魯虹植保企業(yè)為了解決果園噴藥難、噴藥累、噴藥效率低下的問(wèn)題，研制了果園精靈3WP-100B 型遙控噴霧機(jī)（圖8），通過(guò)加裝2 個(gè)搖擺噴桿噴槍?zhuān)瑖姌岄L(zhǎng)度僅30 cm，可以實(shí)現(xiàn)6 m 高度有效噴霧，180°無(wú)死角全方位噴灑，該機(jī)身高70 cm、寬80 cm，轉(zhuǎn)彎半徑僅1.2 m，適用于蘋(píng)果、梨、桃等喬木類(lèi)果樹(shù)的噴灑作業(yè)，環(huán)境適應(yīng)性好，擴(kuò)展性能強(qiáng)。

圖8 遙控電動(dòng)噴霧機(jī)

南京農(nóng)機(jī)所開(kāi)發(fā)了一種3WQ-400 型果園雙風(fēng)帶靜電噴霧，解決了水果施藥冠層過(guò)密，藥劑穿透難、操作自動(dòng)化水平低等技術(shù)難題（圖9）。采用風(fēng)送對(duì)靶變量施藥技術(shù)，霧化能力強(qiáng)，藥液覆蓋面大，附著性好，省水省藥，高效節(jié)能?？蛇m應(yīng)目前廣泛種植栽培的密植式果樹(shù)和新型標(biāo)準(zhǔn)化紡錘式植保噴藥作業(yè)，也可以解決小型水果基地的果樹(shù)病蟲(chóng)害防控需求。

圖9 3WQ-400 型果園雙風(fēng)帶靜電噴霧

華南農(nóng)業(yè)大學(xué)的李震、韓清春等[5]人研發(fā)了一種軌道搭載式風(fēng)送噴霧機(jī)（圖10），可以在不同的山地丘陵地形進(jìn)行植保打藥，打藥機(jī)安放于固定的軌道上，經(jīng)過(guò)軌道移動(dòng)平臺(tái)完成前進(jìn)后退，可根據(jù)鋪設(shè)的軌道來(lái)達(dá)到噴藥覆蓋，解決坡度高的果園機(jī)械作業(yè)不便的難題。

圖10 軌道風(fēng)送噴霧機(jī)

5 未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

目前，化學(xué)防治仍然是病蟲(chóng)害防治的主要手段，我國(guó)雖然也生產(chǎn)了數(shù)量眾多的背負(fù)式、中小型噴霧機(jī)，但果園噴藥裝備相對(duì)國(guó)外先進(jìn)設(shè)備還有一定差距，所以針對(duì)不同作業(yè)對(duì)象，仍需針對(duì)性開(kāi)發(fā)，提高作業(yè)效率，從而提高果品品質(zhì)。

5.1 精準(zhǔn)變量噴霧

現(xiàn)在的打藥方式常采用噴桿噴淋或大流量噴灑的方式，無(wú)論是液力式還是風(fēng)送式，很容易造成局部枝葉農(nóng)藥殘留過(guò)多，使大量農(nóng)藥沉積，無(wú)法通過(guò)果樹(shù)的冠層、枝葉茂密程度進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，對(duì)藥的利用率很低。精準(zhǔn)變量可減少農(nóng)藥殘留，可根據(jù)果樹(shù)的不同形態(tài)，隨時(shí)調(diào)整變量施藥，有效節(jié)省大約30%的農(nóng)藥，提高農(nóng)藥使用效率[8]。

主要是基于實(shí)時(shí)視覺(jué)傳感控制變量的方法，即自動(dòng)對(duì)靶噴藥。可采用圖像識(shí)別技術(shù)，通過(guò)將攝像頭采集的圖像數(shù)據(jù)處理，經(jīng)過(guò)圖像對(duì)比后，判斷出樹(shù)冠的有無(wú)、尺寸和密度，將信號(hào)傳輸給液泵流量控制系統(tǒng)進(jìn)行噴藥。樹(shù)冠尺寸密集增大噴藥量，樹(shù)冠稀疏減少?lài)娝幜?，從而達(dá)到理想的噴霧狀態(tài)。也可通過(guò)傳感探測(cè)技術(shù)，通過(guò)超聲波反射回波識(shí)別、紅外線等檢測(cè)不同果樹(shù)形態(tài)的辨別。

5.2 防飄移技術(shù)

以前打藥時(shí)有30%～40%的藥劑附著在作物上，而且霧狀顆粒飄移現(xiàn)象嚴(yán)重，因此藥劑的高效使用率并不高。所以在打藥作業(yè)時(shí)減少藥液大量飄移，就能減少對(duì)附近作物環(huán)境和土壤的污染。

5.2.1 靜電噴霧技術(shù)

高壓靜電在噴頭與果樹(shù)枝葉間生成靜電場(chǎng)，藥液通過(guò)噴頭霧化帶電更容易附著于果樹(shù)枝葉，在靜電場(chǎng)、風(fēng)速等的共同影響下做定向運(yùn)動(dòng)，最后吸附到果樹(shù)的各個(gè)部位。霧狀粒子飄散流失降低，可減少50%的藥物損失，同時(shí)有效沉降率也增加，并有效均勻地附著于樹(shù)葉正反面，從而增強(qiáng)防治效果。

5.2.2 風(fēng)幕技術(shù)與防飄噴頭

這個(gè)風(fēng)幕主要是在噴桿上安裝了風(fēng)套和電機(jī)，通過(guò)在噴嘴上部沿噴霧方向的強(qiáng)力送風(fēng)，形成風(fēng)幕并提高了對(duì)霧狀農(nóng)藥的穿透力。防飄噴頭設(shè)計(jì)是由于霧滴在霧化過(guò)程中吸收了空氣，氣液一起混合產(chǎn)生起泡霧狀顆粒，從而提高了霧狀粒子的防漂移能力，同時(shí)接觸果樹(shù)枝葉時(shí)會(huì)形成更多的農(nóng)藥?kù)F粒，從而增加了霧化農(nóng)藥顆粒的沉積和覆蓋均勻度。

5.3 霧滴回收技術(shù)

噴霧機(jī)采用了藥液的霧滴收集設(shè)備, 在工作時(shí)霧流橫向通過(guò)果樹(shù)枝葉時(shí), 可將不容易被果樹(shù)葉子所吸收的霧狀顆粒收集出來(lái), 經(jīng)過(guò)濾后再送回藥液箱再次循環(huán)使用,可節(jié)省30%的農(nóng)藥,不但可以保證農(nóng)藥的高效使用, 還能夠降低進(jìn)入周?chē)r(nóng)作物環(huán)境的可能性。

5.4 自動(dòng)混藥與清洗技術(shù)

自動(dòng)混藥是分別設(shè)置藥箱與水箱，作業(yè)時(shí)將母液傾倒在配藥箱中，用藥量可以隨時(shí)調(diào)整，避免農(nóng)藥浪費(fèi)。打開(kāi)水箱轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)加入清水，母液與清水按比例調(diào)制藥液，將調(diào)制好的藥液倒入主藥箱里。這個(gè)過(guò)程減少了藥液和配藥人員接觸，減少農(nóng)藥對(duì)人的危害，更加安全、方便。清洗技術(shù)通過(guò)植保機(jī)的自清潔降低農(nóng)藥污染的概率，還能降低噴頭堵塞、霧化不足的現(xiàn)象發(fā)生。