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中國果園植保機(jī)械化技術(shù)與裝備
水果已成為繼糧食和蔬菜后的中國第三大種植業(yè)， 據(jù)農(nóng)業(yè)部規(guī)劃，到 2020 年中國果園面積將穩(wěn)定在 1.33×107 hm2。在果園管理中，果園植保是保障水果穩(wěn)產(chǎn)、增產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其工作量約占果園管理總工作量的 25%。當(dāng)前果園植保主要依賴噴施化學(xué)農(nóng)藥進(jìn)行病蟲害防治，先進(jìn)的施藥技術(shù)與植保機(jī)械是提升農(nóng)藥利用率、提高作業(yè)效率、增強(qiáng)防治效果的重要手段。
目前，中國果園施藥仍以手動(dòng)噴霧器大容量淋雨式噴霧法為主，用水量達(dá) 600～1 200 L/hm2 ，農(nóng)藥利用率尚不足 30%，造成大量藥液浪費(fèi)、環(huán)境污染及果品農(nóng)藥殘留超標(biāo)，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致作業(yè)人員中毒;而發(fā)達(dá)國家大量應(yīng)用低容量、超低容量、循環(huán)噴霧等新技術(shù)，用水量低至 200 L/hm2左右，施藥量大大降低，農(nóng)藥利用率大幅提高。關(guān)于植保機(jī)械，中國各類背負(fù)式手動(dòng)(電動(dòng)、機(jī) 動(dòng))噴霧器社會(huì)保有量達(dá)1億臺(tái)以上，一臺(tái)設(shè)備打遍百藥防治各種病蟲害是普遍情形;而發(fā)達(dá)國家已普遍采用 機(jī)械施藥，實(shí)現(xiàn)專業(yè)化植保。從成本上看，隨著中國城市化進(jìn)程加快，農(nóng)村勞動(dòng)力轉(zhuǎn)移，人工施藥成本增加且作業(yè)效率低，導(dǎo)致水果種植效益不斷降低，水果產(chǎn)業(yè)發(fā)展緩慢。果園機(jī)械施藥不僅用藥少、農(nóng)藥利用率高，在降低勞動(dòng)強(qiáng)度、提升作業(yè)效率、節(jié)約生產(chǎn)成本等方面也具有突出優(yōu)勢(shì)，是未來中國果園植保發(fā)展的必然趨勢(shì)。
本文首先介紹中國果園的主要種植方式及其植保機(jī)械化發(fā)展水平，然后闡述當(dāng)前植保機(jī)械化關(guān)鍵技術(shù)與裝備研究進(jìn)展，最后結(jié)合果園種植方式與植保機(jī)械研究現(xiàn)狀，提出果園植保機(jī)械化發(fā)展建議。
1 果園種植方式與植保機(jī)械化發(fā)展水平
1.1 果園種植方式
中國果園品種繁多、地域分布廣泛、種植歷史悠久。 按照地形劃分，主要分為丘陵山區(qū)果園和平原果園， 但以丘陵山區(qū)果園為主，約占果園總面積的 65%。丘陵 山區(qū)果園大多為陡丘陵和緩丘陵種植，僅有少許平地種植。特別是陡丘陵地區(qū)，坡度較大、崎嶇不平，主要采 用梯面種植方式，其垂直方向呈階梯式，水平方向依山走勢(shì)，由于山坡多為凸起狀態(tài)，同一梯面種植果樹并不 在同一直線上，且不同階梯彎曲度也不相同;緩丘陵地 帶存在溝溝坎坎且田塊分散，階梯種植或順坡種植方式 居多;坡度更小，地勢(shì)更加平坦的平地果園則接近平原果園種植方式。
按照年代劃分，主要分為傳統(tǒng)果園和現(xiàn)代標(biāo)準(zhǔn)化果園，但以傳統(tǒng)果園為主，約占果園總面積的 75%。傳統(tǒng) 果園有喬化稀植型和低矮密植型，目前以低矮密植型居多。以蘋果為例，傳統(tǒng)果園行距一般為 4.0～5.0 m，株距 3.0～4.0 m，樹冠多為開心形，冠層高大、枝干粗壯，因 建園時(shí)未考慮機(jī)械化作業(yè)需求及管理粗放等，易形成行間郁閉;現(xiàn)代標(biāo)準(zhǔn)化果園行距一般為3.0～4.0 m，株距 1.0～1.5 m，樹型有紡錘形、直干形、Y形等，冠幅小而細(xì)高，管理規(guī)范，易于機(jī)械化作業(yè)。此外，果樹設(shè)施栽培作為露地自然栽培的特殊形式，具有調(diào)控果實(shí)成熟期、延長果品供應(yīng)期、擴(kuò)大種植范圍和控制病蟲害傳播 等優(yōu)點(diǎn)，在中國得到快速發(fā)展，其主要種植方式有日光溫室、塑料大棚和避雨栽培等，目前在葡萄、草莓、櫻桃、桃等果品種植中，應(yīng)用較為成熟。
1.2 果園植保機(jī)械化發(fā)展水平
受果園立地條件及種植方式等因素影響，中國果園植保機(jī)械化發(fā)展水平仍然偏低，資料顯示丘陵山區(qū)果園 僅為 7.5%，平原果園為 15%。分析原因主要有：丘陵 山區(qū)果園種植面積比例大，但其地形地勢(shì)復(fù)雜，嚴(yán)重阻礙機(jī)械化施藥;如陡丘陵果園地面植保機(jī)械根本無法進(jìn) 園，導(dǎo)致幾乎無機(jī)可用;緩丘陵果園同樣地勢(shì)凹凸起伏， 加之分散種植、分戶管理，缺乏機(jī)械行走、轉(zhuǎn)場農(nóng)機(jī)道， 導(dǎo)致機(jī)械化施藥程度低。平原果園立體條件雖好，但由于以家庭種植方式為主，單戶種植規(guī)模小，購買設(shè)備成本高、獲益慢，影響了植保機(jī)械化發(fā)展;傳統(tǒng)果園種植方式農(nóng)藝管理較為粗放，行株距不規(guī)范、大樹冠、平拉枝、行間郁閉，影響植保機(jī)械通過性。此外，植保服務(wù)體系不健全，技術(shù)推廣培訓(xùn)不到位以及果農(nóng)對(duì)機(jī)械施藥認(rèn)識(shí)不足等，均是限制植保機(jī)械化發(fā)展的重要原因。
2 果園施藥技術(shù)發(fā)展
實(shí)現(xiàn)果園植保機(jī)械化，離不開先進(jìn)的施藥技術(shù)與植保機(jī)械。其中施藥技術(shù)是果園噴霧作業(yè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，目前國內(nèi)果園施藥技術(shù)主要包括管道噴霧、風(fēng)力輔助噴霧、 靜電噴霧、循環(huán)噴霧、變量噴霧和航空施藥等。如今施藥技術(shù)與植保機(jī)械正逐漸向著智能、精準(zhǔn)、高工效、低噴量的方向發(fā)展。
2.1 管道噴霧技術(shù)
管道噴霧技術(shù)指采用地下埋設(shè)管道，經(jīng)立管聯(lián)結(jié)地面高壓軟管和噴槍，通過藥泵對(duì)藥液加壓送入管道后帶動(dòng)多個(gè)噴槍同時(shí)作業(yè)。該技術(shù)多適用于中國丘陵山區(qū)果園， 自 20 世紀(jì) 80 年代中期引入中國后得到不斷推廣，表1為果園管道噴霧技術(shù)在中國部分地區(qū)的應(yīng)用發(fā)展。
從表 1 可以看出，管道噴霧技術(shù)在中國應(yīng)用分布廣 泛，且較人工背負(fù)式、推車式及車載式噴藥省工省時(shí)、 效率高、投資少、效益好，能夠有效控制病蟲害發(fā)生和蔓延。但由于該技術(shù)仍然存在管道壓力分布不均時(shí)常爆管、管道藥液殘留腐蝕、郁閉果園施藥人員易中毒等問題，后續(xù)仍需進(jìn)行針對(duì)性研究。
2.2 風(fēng)力輔助噴霧技術(shù)
風(fēng)力輔助噴霧技術(shù)是利用高速風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的強(qiáng)氣流， 將經(jīng)過藥泵和噴頭霧化形成的細(xì)小霧滴吹送到果樹冠 層，進(jìn)而達(dá)到果樹防蟲治病的效果。該技術(shù)既能保證 噴霧距離，又能增強(qiáng)霧滴穿透性和沉積均勻性，同時(shí)氣流擾動(dòng)葉片翻轉(zhuǎn)提高了葉片背面藥液附著率，自20世紀(jì)80年代引進(jìn)中國，經(jīng)過多年研究改進(jìn)，已取得長足發(fā)展。
國內(nèi)學(xué)者王榮等[23]通過改進(jìn)風(fēng)機(jī)蝸殼結(jié)構(gòu)使出口風(fēng) 速提高 61.5%;劉青等通過在風(fēng)筒中加裝導(dǎo)流器使噴灑 幅寬提高 22%～46%;祁力鈞等通過 CFD 仿真與試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)距風(fēng)機(jī)中心 2.4 m處霧滴沉積量分布平均相對(duì)誤差 最低為 33%;張曉辛等通過優(yōu)化導(dǎo)流片與噴頭噴射角度，使風(fēng)速和噴霧量分布曲線與樹冠輪廓高度吻合。風(fēng)力輔助噴霧技術(shù)的不斷進(jìn)步，為風(fēng)送噴霧機(jī)在中國的應(yīng)用發(fā)展提供了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。
2.3 靜電噴霧技術(shù)
靜電噴霧技術(shù)源于 20 世紀(jì) 40 年代的法國，指通過 高壓靜電發(fā)生裝置讓靜電噴頭與靶標(biāo)之間形成電場，使 帶電霧滴與冠層形成“靜電環(huán)繞”效應(yīng)并在靜電力、氣 流曳力和重力作用下快速沉積到靶標(biāo)，從而增加霧滴在作物表面的附著能力。該技術(shù)能夠顯著提高霧滴沉 積量，特別是作物背面霧滴沉積率，一度成為國內(nèi)學(xué)者研究的熱點(diǎn)。
針對(duì)靜電噴霧技術(shù)在果園的應(yīng)用，舒朝然等采用 數(shù)理方法建立了樹冠靜電噴霧過程的電子-機(jī)械模型，精 確表達(dá)了樹冠靜電噴霧過程中荷電霧滴的沉積機(jī)制，驗(yàn) 證了果園靜電噴霧的可行性，且其研究表明：霧滴粒徑 在 30～80 μm 時(shí)，霧滴荷電性能最好，考慮自然蒸發(fā)和 風(fēng)的影響，建議作業(yè)霧滴粒徑譜寬范圍以 50～100 μm 為 宜;周良富等[30]提出風(fēng)送噴霧與靜電噴霧相結(jié)合，并通 過響應(yīng)面模型分析法研究了感應(yīng)電壓、風(fēng)機(jī)頻率、噴霧 距離和噴霧壓力等工作參數(shù)對(duì)葉背面霧滴覆蓋率的影響，結(jié)果表明該模型決定系數(shù)為 93.68%，相對(duì)誤差小于 10%，工作參數(shù)對(duì)響應(yīng)面模型有顯著性影響;除此，周良富等還設(shè)計(jì)了雙氣流道輔助靜電噴頭，通過試驗(yàn)表明該 噴頭在噴霧壓力 0.4 MPa、感應(yīng)電壓 6 kV、采集距離 1.0 m 以內(nèi)條件下，靜電噴霧葉背面霧滴覆蓋密度較非靜電噴霧 提高 15%以上。上述研究均為果園靜電噴霧機(jī)的研制及部件選擇、作業(yè)參數(shù)匹配等提供了良好的理論依據(jù)。
2.4 循環(huán)噴霧技術(shù)
循環(huán)噴霧技術(shù)最早出現(xiàn)在 20 世紀(jì) 70 年代，那時(shí)國外果園趨于矮化種植，原來高達(dá)近 4.0 m 的果樹冠層 降到 2.5 m 以下，使其能夠被橫跨覆蓋噴霧，并且采用藥液回收裝置攔截并收集未沉積的藥液回收再利用成為可能，由此循環(huán)噴霧應(yīng)運(yùn)而生。循環(huán)噴霧種類繁多，主要可概括為“П”型罩蓋型、收集器型、反射型和氣流循環(huán)型 4 種類型。隨著技術(shù)發(fā)展，多技術(shù)融合，各類型之間區(qū)別已不再明顯，如“П”型罩蓋型與氣流循環(huán)型相 結(jié)合。Ade 等通過葡萄噴霧試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，循環(huán)噴霧較普通風(fēng)送噴霧地面流失量減少5%，霧滴沉積率提升至87%; Peterson 等[35]通過改進(jìn)循環(huán)噴霧風(fēng)機(jī)配置方案，進(jìn)一步提高了循環(huán)噴霧的工作性能。
2.5 變量噴霧技術(shù)
果園變量噴霧技術(shù)最早開始于 20 世紀(jì) 70 年代，是 將對(duì)靶噴霧與變量控制相結(jié)合，通過非接觸式靶標(biāo)探測 技術(shù)獲得樹冠特征信息，在大量試驗(yàn)基礎(chǔ)上建立與樹冠 特征信息適應(yīng)的噴霧決策模型，依據(jù)模型反饋的噴霧參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，最終實(shí)現(xiàn)變量噴霧。該技術(shù)核心是 靶標(biāo)探測技術(shù)，重點(diǎn)是變量控制系統(tǒng)，表 2 為目前最具 代表性的靶標(biāo)探測技術(shù)原理及優(yōu)缺點(diǎn)，表3為變量控制系統(tǒng)及其效果。
2.6 航空施藥技術(shù)
航空施藥技術(shù)指利用飛機(jī)或其他飛行器將農(nóng)藥從 空中均勻噴施在目標(biāo)區(qū)域的施藥方法[51-52]。2010 年以 來，隨著植保無人機(jī)在中國的迅速發(fā)展，以植保無人機(jī) 為應(yīng)用載體的低空低量航空施藥技術(shù)已逐步成為研究 熱點(diǎn)。植保無人機(jī)施藥藥箱容量一般在 5～20 L(最近兩年相繼出現(xiàn)過藥箱容量大于 30 L 的植保無人機(jī)，但是應(yīng)用相對(duì)較少)，噴灑幅寬在 5～20 m，果園植保時(shí)飛 行高度一般設(shè)置距離冠層頂端 1.5～2.0 m，距地面高度至少為 3.5～4.0 m[59]。該技術(shù)具有作業(yè)效率高、作業(yè)效果好、 應(yīng)急能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景廣闊。
