柑橘園施藥關(guān)鍵技術(shù)及機(jī)械研究進(jìn)展

梁植源，范健文，林賢坤，卜慶鑫

（廣西科技大學(xué) 機(jī)械與交通工程學(xué)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(fèi)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(shí)品質(zhì)，給我國柑橘產(chǎn)業(yè)造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。針對柑橘黃龍病危害日趨嚴(yán)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(jìn)的施藥技術(shù)及噴藥機(jī)械為基礎(chǔ)，促進(jìn)柑橘產(chǎn)業(yè)建設(shè)。

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(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)了解，2019 年我國果園種植面積已達(dá)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(dá)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(yù)計(jì)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(gè)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(jì)損失。

目前，在我國種植柑橘的20 多個(gè)省區(qū)中，有11 個(gè)省受到該病的危害，發(fā)病面積已達(dá)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(kuò)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(yán)峻[4]。

2 施藥關(guān)鍵技術(shù)及機(jī)械研究現(xiàn)狀

2.1 施藥關(guān)鍵技術(shù)

在柑橘果樹植保過程中，大多會(huì)采用化學(xué)藥劑防治柑橘病蟲害，噴灑農(nóng)藥是最常見的化學(xué)防治方法。傳統(tǒng)的噴藥模式存在許多缺點(diǎn)，不但勞動(dòng)強(qiáng)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(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前，國內(nèi)外果園應(yīng)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(jì)40 年代的法國，是國際上先進(jìn)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(yīng)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(yīng)式充電效果較差；從安全角度來看，感應(yīng)式充電時(shí)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(jì)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(jìn)行多次試驗(yàn)研究，通過相關(guān)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(jìn)行噴霧參數(shù)動(dòng)態(tài)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)變量噴霧[9]。該變量噴霧技術(shù)設(shè)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(diǎn)變量控制系統(tǒng)包括噴霧流量控制、噴霧風(fēng)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(jìn)行調(diào)節(jié)噴霧，增加冠層受藥均勻性。

2.1.3 風(fēng)送噴霧技術(shù)

在20 世紀(jì)50 年代，在發(fā)達(dá)國家開始將風(fēng)送噴霧機(jī)用于果園植保作業(yè)，該風(fēng)送噴霧技術(shù)搭載風(fēng)機(jī)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(fēng)送噴霧技術(shù)進(jìn)行施藥作業(yè)時(shí)，僅是按照固定藥量噴灑于果樹冠層結(jié)構(gòu)，不能自動(dòng)調(diào)節(jié)作業(yè)參數(shù)，導(dǎo)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(fēng)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(shí)時(shí)混藥技術(shù)進(jìn)行結(jié)合研究，由粗放施藥向精準(zhǔn)施藥方向發(fā)展。

2.1.4 自動(dòng)對靶噴霧技術(shù)

在20 世紀(jì)70 年代前后，前蘇聯(lián)和美國開始研究自動(dòng)對靶噴霧技術(shù)[12]。自動(dòng)對靶噴霧技術(shù)是利用傳感器檢測技術(shù)從目標(biāo)上采集所需信息，并利用自動(dòng)控制技術(shù)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)噴藥。自動(dòng)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(jī)的前進(jìn)速度和信號(hào)脈沖處理精度有較高的要求。當(dāng)前傳感器檢測技術(shù)運(yùn)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(jī)械中有很大的應(yīng)用前景；激光傳感能達(dá)到檢測精度準(zhǔn)確，但因其價(jià)格昂貴不適用于大量的噴藥機(jī)械；圖像采集處理可以較好地識(shí)別農(nóng)作物姿態(tài)，但由于處理速度實(shí)時(shí)性還無法滿足，仍處于固定空間的作物病蟲害檢測試驗(yàn)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(biāo)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(zāi)害能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[13-14]。從2010 年開始，植保無人機(jī)在我國得到發(fā)展迅速，其主要優(yōu)點(diǎn)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(hù)中具有廣闊的應(yīng)用前景。

2.2 施藥技術(shù)及機(jī)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(zhǔn)化、變量化和智能化研究方向發(fā)展，廣泛應(yīng)用主要的先進(jìn)施藥技術(shù)，如靜電噴霧技術(shù)、變量噴霧技術(shù)、風(fēng)送噴霧技術(shù)、自動(dòng)檢測噴霧技術(shù)、無人機(jī)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(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室測速試驗(yàn)和田間噴霧效果試驗(yàn)，分析得出靜電噴霧時(shí)葉片沉積和前進(jìn)速度之間的顯著相關(guān)性。Heli H.T.de Assunc?o[16]等使用靜電噴霧器在玉米上進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，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(dǎo)率的增加有一定積極的關(guān)系。Denise T ourino Rezende de Cerqueira[17]等在靜電噴霧中添加了空氣輔助，以進(jìn)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(yīng)模糊邏輯的新型智能雙閉環(huán)控制方法，試驗(yàn)得出，控制系統(tǒng)的動(dòng)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(dǎo)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(dòng)噴嘴中液滴粒徑譜表征參數(shù)與主要影響因素之間的關(guān)系。Marco Grella[21]等應(yīng)用多排風(fēng)送噴霧器進(jìn)行試驗(yàn)，通過增加液滴粒徑譜，降低藥液損失達(dá)到75%以上。Simone Pascuzzi[22]等使用創(chuàng)新的風(fēng)送靜電噴霧器，評估風(fēng)送式靜電荷對葡萄園葉面噴霧沉積的影響。

Ron Berenstein[23]等設(shè)計(jì)了一種能夠處理不定形和可變目標(biāo)的精確農(nóng)藥噴灑裝置，分析估計(jì)，使用該噴灑方式時(shí)，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(dòng)檢測和噴灑除草劑的系統(tǒng)，通過數(shù)碼相機(jī)并使用MatlabTM軟件編寫算法對圖像進(jìn)行同步處理，現(xiàn)場研究表明，藥液應(yīng)用量明顯減少，應(yīng)用準(zhǔn)確率提高。

Javier Campos[25]等采用一架裝有多光譜相機(jī)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(dá)到精確地理參考位置，實(shí)時(shí)修改工作參數(shù)。Qi Lian[26]等設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)和微型隔膜泵的精密可變流量噴霧系統(tǒng)，試驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)對工作狀態(tài)響應(yīng)迅速，能夠快速完成泵目標(biāo)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(dòng)強(qiáng)度大等，已經(jīng)無法滿足標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計(jì)了一種風(fēng)送靜電噴頭用于解決葉背面霧滴密度低的問題，試驗(yàn)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(fēng)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(shè)計(jì)了一種依據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制變量噴霧系統(tǒng)，達(dá)到了單位面積藥量不變的目標(biāo)。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(bǔ)了傳統(tǒng)優(yōu)化控制方法對于不確定性反應(yīng)較為敏感的不足。束義平[32]等設(shè)計(jì)了激光雷達(dá)探測的變量噴霧控制系統(tǒng)，研究了變量噴霧控制算法，實(shí)現(xiàn)延時(shí)補(bǔ)償，保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

翟長遠(yuǎn)[33]等建立了噴霧高度調(diào)節(jié)模型，改進(jìn)后的試驗(yàn)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(fēng)方式對果園噴霧液滴分布的影響，在相同條件下，渦輪風(fēng)送技術(shù)的能耗比塔式風(fēng)送和圓形風(fēng)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(yùn)用了紅外探測技術(shù)及自動(dòng)控制技術(shù)，研制了果園自動(dòng)對靶噴霧機(jī)，結(jié)果得出該機(jī)的性能比較良好。許林云[35]等設(shè)計(jì)了一套自動(dòng)對靶噴霧控制系統(tǒng)，并將激光傳感器作為自動(dòng)目標(biāo)檢測裝置，試驗(yàn)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(jià)值。鄒偉[36]等采用紅外傳感器，設(shè)計(jì)了果園對靶噴藥控制系統(tǒng)，室外試驗(yàn)結(jié)果顯示，在傳感器檢測范圍內(nèi)，果樹識(shí)別率與噴藥覆蓋率分別達(dá)到了100%。

秦維彩[37]等針對N-3 型無人直升機(jī),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(shí)，霧滴在目標(biāo)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(dòng)無人機(jī)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(shí)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(jī)械發(fā)展存在的問題及相關(guān)措施

3.1 施藥技術(shù)及機(jī)械發(fā)展存在的問題

我國柑橘果園施藥技術(shù)及機(jī)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(gè)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(yán)重影響了作業(yè)機(jī)械行走、轉(zhuǎn)場；市場上現(xiàn)有的果園噴藥機(jī)械大多不適應(yīng)柑橘果園的種植環(huán)境和作業(yè)地形；柑橘果園標(biāo)準(zhǔn)化種植模式宣傳力度不夠，推廣服務(wù)體系不完善，果農(nóng)對柑橘果園有利于噴藥機(jī)械的新模式認(rèn)識(shí)不足。

3.2 發(fā)展施藥技術(shù)及機(jī)械的相關(guān)措施

進(jìn)入21 世紀(jì)以來，人們認(rèn)識(shí)到對生態(tài)環(huán)境保護(hù)的重要性，環(huán)保意識(shí)日漸增強(qiáng)，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(jìn)一步推進(jìn)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(jī)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(yīng)結(jié)合風(fēng)送、靜電、變量和自動(dòng)對靶技術(shù)，加快中小型智能噴藥機(jī)械的研發(fā)，增強(qiáng)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(shí)現(xiàn)精確目標(biāo)噴灑，或?qū)崿F(xiàn)風(fēng)量和噴灑量的智能調(diào)節(jié)，或?qū)崿F(xiàn)送風(fēng)量、噴藥量智能精準(zhǔn)調(diào)節(jié)，滿足標(biāo)準(zhǔn)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(tuán)隊(duì)的專業(yè)服務(wù)作用

隨著我國城市化進(jìn)程的加快和農(nóng)村勞動(dòng)力的短缺，對應(yīng)用施藥技術(shù)的服務(wù)要因勢利導(dǎo)，激勵(lì)果農(nóng)引進(jìn)先進(jìn)的施藥技術(shù)進(jìn)行柑橘果園作業(yè)，做好組織服務(wù)工作，并及時(shí)處理施藥技術(shù)使用、技術(shù)指導(dǎo)與推廣等問題，讓果農(nóng)收益更高。

3.2.3 加速推廣標(biāo)準(zhǔn)化柑橘果園種植建設(shè)

根據(jù)中國丘陵山區(qū)的緩坡平地，改造建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)化柑橘園溝渠和作業(yè)道的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，有助于提高施藥技術(shù)結(jié)合噴藥機(jī)械進(jìn)行作業(yè)時(shí)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(jī)械購置實(shí)施補(bǔ)貼政策，對企業(yè)生產(chǎn)研發(fā)和農(nóng)機(jī)研發(fā)機(jī)構(gòu)進(jìn)行定向資金補(bǔ)貼，科學(xué)安排項(xiàng)目資金，鼓勵(lì)企業(yè)對新型施藥機(jī)械加強(qiáng)投資；另外，政府應(yīng)加大推進(jìn)和引導(dǎo)種植戶和果農(nóng)購買和應(yīng)用柑橘果園新型施藥機(jī)械，進(jìn)一步推進(jìn)柑橘防治病蟲害先進(jìn)施藥技術(shù)的應(yīng)用及施藥機(jī)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(jìn)一步往大規(guī)模、低成本、高品質(zhì)、高收益的方向發(fā)展。現(xiàn)階段我國柑橘施藥主要有移動(dòng)式機(jī)動(dòng)噴霧器、電動(dòng)噴霧機(jī)，果園施藥技術(shù)的研究及推廣還比較滯后。對于標(biāo)準(zhǔn)化柑橘果園，應(yīng)逐漸向機(jī)械化、自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展，結(jié)合先進(jìn)的自動(dòng)檢測、風(fēng)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(jī)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(jī)械的研究，將促進(jìn)柑橘產(chǎn)業(yè)持續(xù)和健康的發(fā)展，縮小與國外先進(jìn)水平之間的差距，助推我國經(jīng)濟(jì)穩(wěn)步上升。