山地果園固定管道噴霧裝置設(shè)計(jì)與性能研究

李昕昊，王鵬飛，李建平，邊永亮，薛春林

（河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河北 保定 071000）

我國優(yōu)質(zhì)果園多集中在丘陵山地地區(qū)，而山地地區(qū)地形復(fù)雜，道路崎嶇，各類大中型噴霧機(jī)械很難進(jìn)入果園作業(yè)[1～4]。部分果農(nóng)仍使用背負(fù)式噴霧機(jī)進(jìn)行植保作業(yè)，一方面作業(yè)效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，另一方面用藥量過多造成農(nóng)藥殘留，果品質(zhì)量降低，嚴(yán)重影響我國水果產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[5～8]。而固定管道噴霧裝置為山地果園植保作業(yè)提供了新的方向，管道噴霧裝置自20世紀(jì)80年代中期引入我國后，就得到了快速發(fā)展[9～13]。固定式管道噴霧作業(yè)效率高，霧化效果好，且受地形影響較小，并且在噴霧作業(yè)后可優(yōu)化果園內(nèi)微域環(huán)境進(jìn)而改善果樹生長條件。

李民宇等[14]設(shè)計(jì)了1套管道順序噴霧架，并在柚子園中對(duì)其噴霧有效性進(jìn)行了田間試驗(yàn)，為果樹病蟲害防治減量施藥提供了新的方法。王輝等[15]設(shè)計(jì)了1種果園管道自動(dòng)順序噴霧的電控系統(tǒng)，通過控制果園內(nèi)電磁閥的開啟順序，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)順序噴霧，不需要人工進(jìn)入果園作業(yè)。李懷有[16]設(shè)計(jì)了1種果園微灌與管道施藥復(fù)合系統(tǒng)，該系統(tǒng)可針對(duì)多目標(biāo)作業(yè)，具有節(jié)水省藥的效果。宋淑然等[17]針對(duì)果園管道噴藥系統(tǒng)非線性、大時(shí)滯特性，采用自整定模糊PID控制算法，以實(shí)現(xiàn)果園管道噴霧系統(tǒng)中對(duì)于藥液壓力的控制。吳偉鋒等[18]針對(duì)現(xiàn)有山地果園管道噴霧系統(tǒng)噴霧壓力問題，設(shè)計(jì)了1種多節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)，以單片機(jī)為核心，采用ZigBee模塊進(jìn)行通信，監(jiān)測(cè)各節(jié)點(diǎn)管道內(nèi)藥液壓力。代秋芳等[19]研究了果園山地管道噴霧壓力和孔徑對(duì)霧滴粒徑參數(shù)的影響，對(duì)霧滴參數(shù)進(jìn)行了多元線性回歸分析，建立了霧滴參數(shù)模型。Agnello等[20]針對(duì)密植蘋果園設(shè)計(jì)了1種基于PE管道以及連接在管道上的噴頭構(gòu)成的固定管道噴霧系統(tǒng)。綜合上述文獻(xiàn)，現(xiàn)有的山地果園管道噴霧系統(tǒng)研究多集中在固定式管道施藥系統(tǒng)設(shè)計(jì)和施藥控制技術(shù)的探討上，而本試驗(yàn)則設(shè)計(jì)了1種由果樹內(nèi)膛向外噴藥的固定管道噴霧裝置，研究了山地果園管道固定噴霧裝置對(duì)高紡錘形蘋果園的施藥效果以及施藥過程中果園內(nèi)微域環(huán)境的變化情況，為山地果園噴霧作業(yè)提供技術(shù)參考。

1 果園山地固定管道噴霧裝置構(gòu)成及原理

1.1 裝置的構(gòu)成

山地固定管道噴霧裝置主要由噴霧供給單元、噴霧單元和控制機(jī)構(gòu)組成，如圖1所示。噴霧供給單元為噴霧系統(tǒng)提供恒壓藥液，由藥液池、自動(dòng)配液泵、霧化主機(jī)和田間管網(wǎng)組成。噴霧單元由高壓PE管、噴霧架、高壓噴頭（GP—S3010）組成?？刂茩C(jī)構(gòu)由手持遙控器、分路控制閥和其內(nèi)部控制元件構(gòu)成。

1.2 工作原理

每行果樹立不銹鋼管作為噴霧管架，地頭、地尾各立1桿，中間均勻立2桿，高度為4 m。在果樹樹干上布置下垂管路，下垂管路螺旋盤在果樹上，單棵果樹下垂管路布置4個(gè)噴頭，最底層噴頭距地面0.5 m，其余噴頭沿管路均勻布置，如圖2所示。

田間噴霧時(shí)，通過手動(dòng)遙控器打開開關(guān)，運(yùn)行霧化主機(jī)，壓力調(diào)至50 bar，清水與藥液通過自動(dòng)配液泵進(jìn)行在線混藥，混合后的藥液通過霧化主機(jī)的處理，經(jīng)過高壓PE軟管輸送到噴頭處，并通過控制閥控制不同管路的運(yùn)行。

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

水敏紙（重慶六六山下植?？萍加邢薰荆患す鈷呙鑳x（EPSON PERFECTION 1670）； 溫濕度測(cè)量儀（精創(chuàng)RC-4）；風(fēng)速測(cè)試儀（?，擜S856S）；秒表。

2.2 試驗(yàn)內(nèi)容及方法

2.2.1 試驗(yàn)環(huán)境 果園山地固定管道噴霧試驗(yàn)于2020年10月11日在河北農(nóng)業(yè)大學(xué)曲陽縣果樹試驗(yàn)站標(biāo)準(zhǔn)果樹示范基地進(jìn)行（北緯38°40′46″，東經(jīng)114°42′57″），果樹為6年生蘋果樹，品種為‘國光’。該果園采用矮砧密植的果樹栽培模式，果樹冠層形狀為紡錘形，株距 1 m，行距 3.5 m，樹高 3.5 m，試驗(yàn)前環(huán)境溫度為24.2 ℃，試驗(yàn)前環(huán)境濕度為40%，環(huán)境風(fēng)速為 0.22 m/s。

2.2.2 采樣布置 固定管道噴霧試驗(yàn)區(qū)內(nèi)共7行試驗(yàn)用果樹，每行選取3棵果樹作為試驗(yàn)樣本，試驗(yàn)樣本選取過程中，盡量選取每行中間位置，且每隔1棵進(jìn)行取樣，防止樣本過近互相干擾，影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。為測(cè)量出管道噴霧霧滴的穿透性能以及霧滴附著效果，按照果樹冠層形狀布置水敏紙。根據(jù)試驗(yàn)果樹冠層直徑和形狀（如圖2所示），將果樹冠層分為上、中、下3層，3層的平均冠層直徑為0.8 、1.6、2.1 m，下層距地平均高度為0.7 m，每層之間的平均距離為1.1 m。在每個(gè)截面的東、南、西、北4個(gè)方位均布置水敏紙，由于試驗(yàn)果樹冠層形狀呈紡錘形，上層冠層直徑小，向下冠層直徑逐漸增大，因此布置水敏紙時(shí)，下層每個(gè)方位分外中內(nèi)布置，中層每個(gè)方位分中內(nèi)布置，上層每個(gè)方位只在冠層內(nèi)部布置，布置點(diǎn)如圖3所示。上述冠層內(nèi)部距樹干0.2 m，中部距樹干0.6 m，外部距樹干1.0 m。

2.2.3 試驗(yàn)過程 固定管道噴霧試驗(yàn)區(qū)內(nèi)共7行試驗(yàn)用果樹，試驗(yàn)過程中噴霧20 s關(guān)閉第1行閥門，同時(shí)根據(jù)五點(diǎn)取樣法在第1行內(nèi)選擇取樣點(diǎn)，每個(gè)取樣點(diǎn)距地面1.5 m，用溫濕度儀測(cè)量試驗(yàn)區(qū)內(nèi)的溫濕度值并進(jìn)行記錄，試驗(yàn)過程作業(yè)圖如圖4所示。第2行噴霧40 s，以此類推最后1行噴霧時(shí)間140 s，并及時(shí)記錄每1行的溫濕度值。噴霧完成后分別采集每行的水敏紙。

圖4 管道噴霧作業(yè)圖Fig. 4 Pipeline spray operation diagram

將采集好的水敏紙，利用激光掃描儀進(jìn)行掃描處理，通過Image-master軟件進(jìn)行霧滴信息后處理，經(jīng)過框選提取水敏紙、調(diào)節(jié)霧滴背景像素、霧滴背景剝離、霧滴反選、降噪篩選干擾因子等過程最后統(tǒng)計(jì)結(jié)果，如圖5所示。提取結(jié)果中的霧滴體積中值直徑和霧滴覆蓋率進(jìn)行匯總分析。

圖5 數(shù)據(jù)處理Fig. 5 Data processing

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 霧滴附著情況分析

3.1.1 霧滴覆蓋率分析 為探究固定管道噴霧霧滴附著情況，從霧滴分析軟件的統(tǒng)計(jì)結(jié)果中提取出霧滴沉積覆蓋率，將上中下冠層的覆蓋率均值進(jìn)行處理，如圖6所示。

圖6 覆蓋率分布Fig. 6 Distribution of coverage rate

分析圖6中的數(shù)據(jù)，5次試驗(yàn)中各冠層的霧滴沉積覆蓋率隨噴霧時(shí)間的增加，覆蓋率逐漸增加，時(shí)間每增加20 s覆蓋率增值分別為50.91%、32.41%、39.67%、14.54%、3.22%、1.07%，當(dāng)噴霧時(shí)間100 s期間后，霧滴沉積覆蓋率增加變緩，到100 s時(shí)霧滴沉積覆蓋率達(dá)到33.47%，滿足藥液在果樹上的覆蓋率要求[21]，為了達(dá)到節(jié)水節(jié)藥，保護(hù)環(huán)境的目的，將噴霧時(shí)間100 s定為管道噴霧設(shè)備作業(yè)時(shí)間。

3.1.2 霧滴穿透冠層性能 由于果樹冠層為紡錘形，下層冠層直徑大，且管道噴頭布置在冠層內(nèi)側(cè)，因此對(duì)果樹外部霧滴沉積效果要求較高，分析霧滴穿透冠層的性能能夠有效判斷管道噴霧設(shè)備噴霧性能。選取第100 s試驗(yàn)下層外部數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到噴霧結(jié)果，如圖7所示。

圖7 下層外部霧滴沉積覆蓋率Fig. 7 Deposition coverage of the lower and external fog droplet

由圖7可知，對(duì)于外部冠層霧滴沉積覆蓋率均集中在30%，表明固定管道噴霧設(shè)備對(duì)于下層較厚冠層的穿透性能良好，霧滴可穿透冠層附著在外側(cè)靶標(biāo)[21]。

3.1.3 垂直方向冠層霧滴沉積 為探究霧滴在果樹垂直方向冠層內(nèi)部分布情況，并根據(jù)噴頭布置方向，選取100 s上、中、下冠層內(nèi)部數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，噴灑的果樹冠層霧滴沉積覆蓋率及霧滴上、中、下3層的變異系數(shù)如表1所示。固定管道裝置作業(yè)后，靶標(biāo)果樹冠層垂直方向上的平均霧滴沉積覆蓋率上層>中層>下層，分析原因?yàn)殪F滴由噴頭噴出后，受重力場的影響下層霧滴沉積覆蓋率大。上、中、下冠層的變異系數(shù)分別為11.21%、13.24%、12.56%，參考文獻(xiàn)[22]中的變異系數(shù)值，固定管道噴霧裝置霧滴分布在垂直方向上施藥均勻。

表1 果樹垂直方向霧滴分布Table 1 Vertical droplet distribution of fruit trees

3.1.4 霧滴沉積分布均勻性 對(duì)果樹冠層霧滴沉積整體分析，上、中、下截面內(nèi)部冠層以及不同方位的霧滴沉積覆蓋率如表2所示，并選擇下層數(shù)據(jù)做折線圖如圖8所示。

表2 各冠層霧滴沉積覆蓋率Table 2 Droplet deposition coverage rate of each canopy %

圖8 下層各方位霧滴沉積覆蓋率分布Fig. 8 Distribution of fog droplet deposition coverage rate in different directions of the lower layer

分析各冠層不同方位的霧滴沉積覆蓋率（見表1），不同方位的霧滴沉積覆蓋率相差較大，各冠層不同方位最大偏差分別為80.69%、88.86%、83.39%，分析其原因是由于管道螺旋盤在樹干上，噴頭均勻布置在管道上，噴頭的霧化角度無法輻射到背面方向，導(dǎo)致霧滴沉積覆蓋率在某一個(gè)方位上小于10%，后續(xù)研究中需要調(diào)整噴頭及管道在樹干上的布置方式，使霧滴沉積在各個(gè)方向上都均勻沉積。

3.2 果園微域環(huán)境變化分析

固定管道噴霧設(shè)備與傳統(tǒng)噴霧機(jī)的不同在于管道噴霧可對(duì)果園整體作業(yè)，在防治果樹病蟲害的同時(shí)改變果園內(nèi)部微域環(huán)境，噴霧作業(yè)過程中果園內(nèi)部溫濕度變化如圖9所示。

圖9 溫濕度變化曲線Fig. 9 The change curve of temperature and humidity

由圖9可知，試驗(yàn)開始前的溫度為24.2 ℃，濕度為40%，試驗(yàn)開始后第1次結(jié)果顯示，溫度明顯下降，濕度明顯上升，在后續(xù)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)中溫度逐漸下降，最大降幅為7.2 ℃，濕度逐漸上升，最大升幅為21%。因此可通過固定管道噴霧設(shè)備改變果園內(nèi)部微域環(huán)境，夏季降溫，冬季加濕，溫濕度的良好控制可以使光合作用的效率提升，收成產(chǎn)量穩(wěn)定提升。

4 結(jié)論

為探究由果樹內(nèi)膛向外噴藥的固定管道噴霧裝置在高紡錘形蘋果園內(nèi)的作業(yè)性能，分別分析了噴霧試驗(yàn)后的蘋果樹上霧滴沉積效果以及果園內(nèi)微域環(huán)境的變化：

（1）霧滴可穿透冠層附著在外側(cè)靶標(biāo)，果樹下方冠層霧滴沉積覆蓋率均集中在30%，固定管道噴霧設(shè)備對(duì)下層較厚冠層的穿透性能良好。

（2）在垂直方向，上、中、下冠層霧滴沉積密度變異系數(shù)分別為11.21%、13.24%、12.56%，固定管道噴霧裝置霧滴分布在垂直方向上施藥均勻。

（3）測(cè)量噴霧后果園內(nèi)環(huán)境溫濕度，溫度最大降幅為7.2 ℃，濕度最大升幅為21%，果園微域環(huán)境溫濕度變化明顯，因此可通過固定管道噴霧設(shè)備改變果園內(nèi)部微域環(huán)境，控制果園內(nèi)部溫濕度。