柑橘園施藥關鍵技術(shù)及機械研究進展

梁植源，范健文，林賢坤，卜慶鑫

（廣西科技大學 機械與交通工程學院，廣西壯族自治區(qū) 柳州 545006）

目前，我國已成為世界最大的柑橘生產(chǎn)國和消費國。柑橘是人們喜愛的水果，隨著人們對美好生活的追求，人們對柑橘的需求也逐步增加。然而，黃龍病對于柑橘來說，是最具破壞性的[1]，極大地影響了柑橘的果實品質(zhì)，給我國柑橘產(chǎn)業(yè)造成了巨大的經(jīng)濟損失。針對柑橘黃龍病危害日趨嚴重的現(xiàn)狀，防治工作迫在眉睫，要想提高柑橘產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展，就需要以先進的施藥技術(shù)及噴藥機械為基礎，促進柑橘產(chǎn)業(yè)建設。

1 柑橘產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及黃龍病發(fā)生情況

1.1 柑橘產(chǎn)業(yè)概述

由國家統(tǒng)計局數(shù)據(jù)了解，2019 年我國果園種植面積已達到 1.227 668×107hm2，水果產(chǎn)量 2.740 084×108t，其中柑橘種植面積有2.617 3×106 hm2，柑橘產(chǎn)量達到4.584 54×107t[2]。柑橘種植面積、產(chǎn)量分別占果園種植面積、水果產(chǎn)量的22.52%、16.75%。表1顯示了近10年來我國柑橘種植面積和產(chǎn)量的基本數(shù)據(jù)。從表中可以得出，我國柑橘產(chǎn)業(yè)在10年中保持穩(wěn)定增長，預計在未來3～5年，我國柑橘種植面積和產(chǎn)量繼續(xù)穩(wěn)步略升。

表1 我國近10年柑橘基本情況Tab.1 The basic situation of citrus in the past ten years

1.2 柑橘黃龍病發(fā)生情況

柑橘黃龍病現(xiàn)象是使得柑橘葉片變黃，它不僅影響柑橘的產(chǎn)量，而且影響柑橘的品質(zhì)。全球有接近50個國家都受到黃龍病迫害，給柑橘種植戶帶來了巨大的經(jīng)濟損失。

目前，在我國種植柑橘的20 多個省區(qū)中，有11 個省受到該病的危害，發(fā)病面積已達到面積的80%，產(chǎn)量損失占總產(chǎn)量的85%[3]。近幾年由于帶病木苗流入，廣西黃龍病發(fā)生率出現(xiàn)上升趨勢；贛南、湘南、桂北柑橘黃龍病蔓延加重；浙江南部柑橘產(chǎn)區(qū)發(fā)生的黃龍病和木虱逐漸往西面、北面擴大，已危害到衢州產(chǎn)區(qū)；四川涼山地區(qū)受到黃龍病威脅，宜賓屏山縣發(fā)現(xiàn)有木虱和黃龍病現(xiàn)象；云南主要特色基地防控黃龍病形勢嚴峻[4]。

2 施藥關鍵技術(shù)及機械研究現(xiàn)狀

2.1 施藥關鍵技術(shù)

在柑橘果樹植保過程中，大多會采用化學藥劑防治柑橘病蟲害，噴灑農(nóng)藥是最常見的化學防治方法。傳統(tǒng)的噴藥模式存在許多缺點，不但勞動強度大，噴藥消耗成本高，而且損害噴藥員的身體健康，極大限制了柑橘產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[5]。有效的施藥技術(shù)是果園噴藥作業(yè)的關鍵環(huán)節(jié)。目前，國內(nèi)外果園應用的施藥技術(shù)主要有以下幾種。

2.1.1 靜電噴霧技術(shù)

靜電噴霧技術(shù)興起于20 世紀40 年代的法國，是國際上先進的防漂移技術(shù)，靜電噴嘴與作物靶間的電場由高壓靜電器產(chǎn)生，噴射出來的帶電液滴在電場力、空氣阻力和重力的共同作用下迅速沉積在作物表面，它能有效改善霧滴在作物表面的附著，減少用量，減少環(huán)境污染[6-8]。目前霧滴均勻帶電方式分為3 種，即接觸充電、電暈充電、感應充電，見圖1。從形成的霧滴充電效果考慮，接觸式充電效果最優(yōu)，電暈式充電效果不易控制，感應式充電效果較差；從安全角度來看，感應式充電時最安全的，其次是電暈式充電，接觸式充電絕緣較難。

圖1 靜電噴霧技術(shù)充電原理圖Fig.1 The charging principle of electrostatic spray technology

2.1.2 變量噴霧技術(shù)

果園變量噴霧技術(shù)始于20 世紀70 年代，主要作業(yè)流程是：利用非接觸式檢測技術(shù)，采集果樹冠層的所需特征信息，進行多次試驗研究，通過相關算法建立適合冠層特征信息的噴霧決策模型，依據(jù)決策模型的反饋信息，系統(tǒng)進行噴霧參數(shù)動態(tài)調(diào)整，實現(xiàn)變量噴霧[9]。該變量噴霧技術(shù)設備主要有信息檢測采集系統(tǒng)、變量控制系統(tǒng)、噴霧系統(tǒng)，核心在于搭載信息檢測采集系統(tǒng)，其中重點變量控制系統(tǒng)包括噴霧流量控制、噴霧風量控制、噴霧位置控制等，能針對不同的冠層結(jié)構(gòu)分別進行調(diào)節(jié)噴霧，增加冠層受藥均勻性。

2.1.3 風送噴霧技術(shù)

在20 世紀50 年代，在發(fā)達國家開始將風送噴霧機用于果園植保作業(yè)，該風送噴霧技術(shù)搭載風機和液泵，它能增加霧滴在果樹冠層中的滲透性，增加冠層中的液體沉積量，使農(nóng)藥利用率提高到30%～40%，與傳統(tǒng)噴霧相比具有明顯優(yōu)勢[10]。但風送噴霧技術(shù)進行施藥作業(yè)時，僅是按照固定藥量噴灑于果樹冠層結(jié)構(gòu)，不能自動調(diào)節(jié)作業(yè)參數(shù)，導致果樹冠層出現(xiàn)局部噴藥過量和局部施藥過少情況[11]。目前，風送噴霧技術(shù)逐漸與變量噴霧技術(shù)、靜電噴霧技術(shù)、仿形技術(shù)、實時混藥技術(shù)進行結(jié)合研究，由粗放施藥向精準施藥方向發(fā)展。

2.1.4 自動對靶噴霧技術(shù)

在20 世紀70 年代前后，前蘇聯(lián)和美國開始研究自動對靶噴霧技術(shù)[12]。自動對靶噴霧技術(shù)是利用傳感器檢測技術(shù)從目標上采集所需信息，并利用自動控制技術(shù)驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)實現(xiàn)自動噴藥。自動對靶噴霧技術(shù)可以節(jié)約植株間距之間的農(nóng)藥噴灑量，但是對噴霧機的前進速度和信號脈沖處理精度有較高的要求。當前傳感器檢測技術(shù)運用較多的是超聲波傳感檢測、激光傳感檢測、圖像采集處理技術(shù)等。其中超聲波成本低，結(jié)構(gòu)簡單，在噴霧機械中有很大的應用前景；激光傳感能達到檢測精度準確，但因其價格昂貴不適用于大量的噴藥機械；圖像采集處理可以較好地識別農(nóng)作物姿態(tài)，但由于處理速度實時性還無法滿足，仍處于固定空間的作物病蟲害檢測試驗階段。

2.1.5 航空噴藥技術(shù)

航空噴藥技術(shù)是指利用農(nóng)用航空器或者其他航空器，從空中向目標作物區(qū)噴灑農(nóng)藥的方法，具有速度快、噴灑效率高、面對突發(fā)性大災害能力強等優(yōu)點[13-14]。從2010 年開始，植保無人機在我國得到發(fā)展迅速，其主要優(yōu)點是工作高度低、藥液漂移小、環(huán)境污染小、病蟲害防治效果好、靈活性高等，在農(nóng)作物保護中具有廣闊的應用前景。

2.2 施藥技術(shù)及機械國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.2.1 國外研究現(xiàn)狀

許多國家為了降低施藥污染、提高噴霧效果，已經(jīng)逐漸往低量化、精準化、變量化和智能化研究方向發(fā)展，廣泛應用主要的先進施藥技術(shù)，如靜電噴霧技術(shù)、變量噴霧技術(shù)、風送噴霧技術(shù)、自動檢測噴霧技術(shù)、無人機航空噴霧技術(shù)等。

Ramón Salcedo[15]等研究了靜電噴霧技術(shù)在西班牙棚架葡萄園的效率，分別進行了實驗室測速試驗和田間噴霧效果試驗，分析得出靜電噴霧時葉片沉積和前進速度之間的顯著相關性。Heli H.T.de Assunc?o[16]等使用靜電噴霧器在玉米上進行現(xiàn)場試驗，結(jié)果表明，靜電噴霧器提高噴藥效率的原因在于噴藥溶液電導率的增加有一定積極的關系。Denise T ourino Rezende de Cerqueira[17]等在靜電噴霧中添加了空氣輔助，以進一步改善噴藥沉積。

Lepeng Song[18]等基于多傳感器的變量噴霧系統(tǒng)，提出了一種基于混沌優(yōu)化和自適應模糊邏輯的新型智能雙閉環(huán)控制方法，試驗得出，控制系統(tǒng)的動態(tài)性能取得了令人滿意的控制效果。Liming Chen[19]等得出了激光引導變量智能噴霧技術(shù)有效減少農(nóng)作物生產(chǎn)中的農(nóng)藥使用。

Paolo Balsari[20]等研究了氣動噴嘴中液滴粒徑譜表征參數(shù)與主要影響因素之間的關系。Marco Grella[21]等應用多排風送噴霧器進行試驗，通過增加液滴粒徑譜，降低藥液損失達到75%以上。Simone Pascuzzi[22]等使用創(chuàng)新的風送靜電噴霧器，評估風送式靜電荷對葡萄園葉面噴霧沉積的影響。

Ron Berenstein[23]等設計了一種能夠處理不定形和可變目標的精確農(nóng)藥噴灑裝置，分析估計，使用該噴灑方式時，最多可以減少45%的農(nóng)藥。Hayrettin KARAD?L[24]等開發(fā)了一種基于雜草密度的自動檢測和噴灑除草劑的系統(tǒng)，通過數(shù)碼相機并使用MatlabTM軟件編寫算法對圖像進行同步處理，現(xiàn)場研究表明，藥液應用量明顯減少，應用準確率提高。

Javier Campos[25]等采用一架裝有多光譜相機的無人駕駛飛行器，從遙感技術(shù)獲得數(shù)據(jù)，繪制葡萄園樹冠活力圖，達到精確地理參考位置，實時修改工作參數(shù)。Qi Lian[26]等設計了一種基于單片機和微型隔膜泵的精密可變流量噴霧系統(tǒng)，試驗結(jié)果表明，系統(tǒng)對工作狀態(tài)響應迅速，能夠快速完成泵目標流量的調(diào)節(jié)。

2.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

過去我國果園施藥技術(shù)與國外相比，存在許多不足，比如噴灑效果差、作業(yè)效率低、勞動強度大等，已經(jīng)無法滿足標準化果園病蟲害防治的要求。近幾年來，國內(nèi)的施藥技術(shù)也有了初步的發(fā)展。

夏偉[27]等設計了一種風送靜電噴頭用于解決葉背面霧滴密度低的問題，試驗研究表明，靜電噴頭在作物背面覆蓋率可提升70%以上。周良富[28]等分析了雙風送靜電果園噴霧器的噴霧效果，得出了在2 擋和4 擋轉(zhuǎn)速下，靜電噴霧反面霧滴的覆蓋率分別提高了40%和17%。馬旭[29]等總結(jié)出靜電噴霧與噴桿噴霧相結(jié)合的噴霧技術(shù)，研究表明，靜電噴霧能有效增加植株下部和葉背上水滴的沉積量。

孫文峰[30]等設計了一種依據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡的PID控制變量噴霧系統(tǒng)，達到了單位面積藥量不變的目標。茹啟龍[31]等提出了一種基于電控伺服變量柱塞泵的變量施藥控制方法，彌補了傳統(tǒng)優(yōu)化控制方法對于不確定性反應較為敏感的不足。束義平[32]等設計了激光雷達探測的變量噴霧控制系統(tǒng)，研究了變量噴霧控制算法，實現(xiàn)延時補償，保證系統(tǒng)的實時性。

翟長遠[33]等建立了噴霧高度調(diào)節(jié)模型，改進后的試驗表明，波紋管的角度得到了精確調(diào)節(jié)。李昕昊[10]等探討了不同送風方式對果園噴霧液滴分布的影響，在相同條件下，渦輪風送技術(shù)的能耗比塔式風送和圓形風送分別節(jié)省了36%和33.3%，葉片與葉背噴霧密度相差9.6%。

袁湘月[34]等運用了紅外探測技術(shù)及自動控制技術(shù)，研制了果園自動對靶噴霧機，結(jié)果得出該機的性能比較良好。許林云[35]等設計了一套自動對靶噴霧控制系統(tǒng)，并將激光傳感器作為自動目標檢測裝置，試驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)對稀疏果園的精確對靶噴藥有較好的使用價值。鄒偉[36]等采用紅外傳感器，設計了果園對靶噴藥控制系統(tǒng)，室外試驗結(jié)果顯示，在傳感器檢測范圍內(nèi)，果樹識別率與噴藥覆蓋率分別達到了100%。

秦維彩[37]等針對N-3 型無人直升機,通過研究噴灑參數(shù)對玉米冠層霧滴沉積分布的影響，結(jié)果表明，作業(yè)高度為7 m時，霧滴在目標上的沉積量大，霧滴沉積量的離散程度最小，霧滴分布均勻性最好。陳盛德[38]等以HY-B-10L型單旋翼電動無人機搭載北斗系統(tǒng)UB351 繪制作業(yè)軌跡，研究結(jié)果表明，在作業(yè)高度為1.92 m 時霧滴沉積平均均勻性最佳，且非靶區(qū)的霧滴漂移總量最少。

3 我國果園施藥技術(shù)及機械發(fā)展存在的問題及相關措施

3.1 施藥技術(shù)及機械發(fā)展存在的問題

我國柑橘果園施藥技術(shù)及機械水平低的主要原因有：柑橘果園總體種植面積較太大，占全國果園總部面積的20%以上，且主要種植在丘陵山區(qū)；柑橘種植多為個體種植，規(guī)模小，傳統(tǒng)的管理模式，集中管理的難度加大；丘陵山區(qū)的地形嚴重影響了作業(yè)機械行走、轉(zhuǎn)場；市場上現(xiàn)有的果園噴藥機械大多不適應柑橘果園的種植環(huán)境和作業(yè)地形；柑橘果園標準化種植模式宣傳力度不夠，推廣服務體系不完善，果農(nóng)對柑橘果園有利于噴藥機械的新模式認識不足。

3.2 發(fā)展施藥技術(shù)及機械的相關措施

進入21 世紀以來，人們認識到對生態(tài)環(huán)境保護的重要性，環(huán)保意識日漸增強，并且對農(nóng)作物農(nóng)藥污染問題的重視。因此，對于要提高柑橘果園的施藥技術(shù)水平，能夠更好地防止柑橘受到病蟲害的威脅，進一步推進柑橘產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，具有極大的緊迫性和重要性。

3.2.1 加大柑橘果園施藥技術(shù)及機械的研發(fā)力度

針對我國柑橘果園的種植地形和多種柑橘果樹的生長趨勢，應結(jié)合風送、靜電、變量和自動對靶技術(shù)，加快中小型智能噴藥機械的研發(fā)，增強柑橘果園噴藥作業(yè)與防治病蟲害的針對性、高效性和適用性，以實現(xiàn)精確目標噴灑，或?qū)崿F(xiàn)風量和噴灑量的智能調(diào)節(jié)，或?qū)崿F(xiàn)送風量、噴藥量智能精準調(diào)節(jié)，滿足標準柑橘果園定量、精確、均勻噴灑的要求。

3.2.2 充分發(fā)揮施藥技術(shù)團隊的專業(yè)服務作用

隨著我國城市化進程的加快和農(nóng)村勞動力的短缺，對應用施藥技術(shù)的服務要因勢利導，激勵果農(nóng)引進先進的施藥技術(shù)進行柑橘果園作業(yè)，做好組織服務工作，并及時處理施藥技術(shù)使用、技術(shù)指導與推廣等問題，讓果農(nóng)收益更高。

3.2.3 加速推廣標準化柑橘果園種植建設

根據(jù)中國丘陵山區(qū)的緩坡平地，改造建設標準化柑橘果園，通過土地承包和集中管理，規(guī)范柑橘果園的種植密度，改善施藥作業(yè)的基本環(huán)境，強化柑橘園溝渠和作業(yè)道的基礎設施建設，有助于提高施藥技術(shù)結(jié)合噴藥機械進行作業(yè)時的效率和質(zhì)量。

3.2.4 加大政策扶持力度

針對果農(nóng)所需的柑橘果園新型施藥機械購置實施補貼政策，對企業(yè)生產(chǎn)研發(fā)和農(nóng)機研發(fā)機構(gòu)進行定向資金補貼，科學安排項目資金，鼓勵企業(yè)對新型施藥機械加強投資；另外，政府應加大推進和引導種植戶和果農(nóng)購買和應用柑橘果園新型施藥機械，進一步推進柑橘防治病蟲害先進施藥技術(shù)的應用及施藥機械發(fā)展化。

4 總結(jié)

綜上所述，隨著水果產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展，柑橘產(chǎn)業(yè)要進一步往大規(guī)模、低成本、高品質(zhì)、高收益的方向發(fā)展?，F(xiàn)階段我國柑橘施藥主要有移動式機動噴霧器、電動噴霧機，果園施藥技術(shù)的研究及推廣還比較滯后。對于標準化柑橘果園，應逐漸向機械化、自動化、智能化方向發(fā)展，結(jié)合先進的自動檢測、風送、變量、對靶控制技術(shù)開展研究，提升病蟲害防治效果，增加農(nóng)藥使用率，降低脫靶率和漂移率，提高噴霧沉積率，研制作業(yè)效率高、適用于我國柑橘果園地形的施藥機械，改善柑橘果園環(huán)境，減少污染。

柑橘作為水果產(chǎn)業(yè)的一大支柱產(chǎn)業(yè)，加大柑橘施藥技術(shù)及其機械的研究，將促進柑橘產(chǎn)業(yè)持續(xù)和健康的發(fā)展，縮小與國外先進水平之間的差距，助推我國經(jīng)濟穩(wěn)步上升。