黃糧糧,周重軍,劉木華,蔡金平,肖麗萍,鄧方遷,葉洋洋,蒲 闖,蔡 翰

(1.江西農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院,南昌 330045;2.江西省通用技術(shù)工程學(xué)校,江西 九江 330306)

0 引言

我國(guó)南方農(nóng)作物種植主要以水田為主,北方旱地適用的比較先進(jìn)的大型植保機(jī)械并不適合水田作業(yè)[1]。若使用無人機(jī)作業(yè),存在低空飛行的穩(wěn)定性難以保證、霧滴普寬及漂移等問題[2]。若以實(shí)際到達(dá)標(biāo)靶上的農(nóng)藥量計(jì)算,我國(guó)農(nóng)藥有效利用率僅在35%左右[3],部分農(nóng)藥滲透污染土壤、水環(huán)境,威脅農(nóng)田生態(tài)安全。水稻種植比較密集,很多病蟲害發(fā)生在水稻中下部,藥液很難穿透葉冠層,真正到達(dá)病蟲害位置的藥液更少。例如,褐飛虱與灰飛虱卵產(chǎn)于稻株下部葉鞘或葉片中脈兩側(cè)組織中;稻瘟病在水稻根部,莖節(jié)、穗頸部谷子和葉片都有發(fā)生[4-5]。為此,改善噴霧技術(shù),保護(hù)生態(tài)環(huán)境,提高農(nóng)藥利用率已經(jīng)刻不容緩[6]。本研究結(jié)合山東眾合3WP-300自走式噴桿噴霧機(jī)動(dòng)力部分,設(shè)計(jì)了一種適用于南方水田,可以改變行距,自動(dòng)調(diào)節(jié)噴霧高度,且噴頭能夠探入水稻中下部,可對(duì)發(fā)生在水稻中下部病蟲害施藥的噴霧系統(tǒng)。

1 噴霧系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

自走式噴桿噴霧機(jī)隔膜泵工作壓力為0～3MPa,流量80～100L/min,最大速度8km/h,最大展開噴幅寬5m,整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示(非最大展開狀態(tài))。該機(jī)主要由車體、控制系統(tǒng)及噴桿系統(tǒng)等組成。其中,離合器控制噴藥動(dòng)力傳遞,可選擇不同的工作狀態(tài);控制系統(tǒng)控制藥液回路開關(guān)及噴桿系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)。噴霧系統(tǒng)以車體中心線左右對(duì)稱,主要由翼支架,一、二級(jí)轉(zhuǎn)動(dòng)裝置,升降系統(tǒng),超聲波測(cè)距裝置,藥液回路,噴桿支架和噴頭等組成。噴桿以30cm間隔均勻分布在噴桿支架上,共計(jì)16個(gè)。噴霧作業(yè)時(shí),該系統(tǒng)能夠自動(dòng)改變噴霧行距,自動(dòng)調(diào)整噴頭施藥高度,左右兩段分開噴藥。

1.車體 2.控制系統(tǒng) 3.藥箱 4.隔膜泵 5.一級(jí)轉(zhuǎn)動(dòng)裝置

1.2 工作原理

噴霧系統(tǒng)工作原理如圖2所示。工作時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力除用于行走外,分別引出部分動(dòng)力供給柱塞泵和發(fā)電機(jī),柱塞泵液送藥箱中藥液至各噴頭,控制裝置控制噴桿系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)動(dòng)作和藥液管路開啟。超聲波傳感器安裝在噴桿支架上,顯示噴頭相對(duì)于冠層的實(shí)時(shí)位置,施藥時(shí)調(diào)整噴頭工作高度。

圖2 工作原理圖

根據(jù)不同水稻種植行距,電推桿驅(qū)使一級(jí)轉(zhuǎn)動(dòng)裝置旋轉(zhuǎn),改變翼支架與主支架之間的夾角,從而改變噴頭在行進(jìn)方向的作業(yè)間距。為方便非作業(yè)轉(zhuǎn)場(chǎng)行進(jìn),兩個(gè)噴桿支架中間部分裝有折疊裝置,與一級(jí)轉(zhuǎn)動(dòng)裝置配合,使噴桿支架能夠自動(dòng)折疊與展開。

水稻病蟲害發(fā)生位置不同,如稻縱卷葉螟啃食水稻冠層葉片、葉蟬主要吸食水稻莖稈和葉鞘汁液、水稻水象甲象咬食水稻根部[7-9]。為把藥液有效噴施在水稻冠層以下病蟲害發(fā)生位置,由主支架安裝位置、噴桿安裝位置和自動(dòng)升降裝置3部分決定噴頭探入水稻葉冠以下對(duì)靶施藥。前兩部分直接在安裝時(shí)確定,作業(yè)時(shí)自動(dòng)升降裝置可根據(jù)超聲波傳感器測(cè)得距離調(diào)整噴桿支架上下運(yùn)動(dòng),最終決定噴頭施藥高度。

每個(gè)主水管上安裝2個(gè)五通分流閥,分流口通過軟管與噴桿逐一連接,可使噴頭壓力均勻分布。為實(shí)現(xiàn)噴頭探入水稻叢內(nèi)時(shí)360°噴藥,選用十字五眼噴頭,其中4個(gè)噴頭水平方向均勻分布,1個(gè)噴頭豎直向下。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)控制整個(gè)噴霧系統(tǒng)的工作和管路系統(tǒng)開合,所有控制開關(guān)集中在駕駛座左邊部位。

左右兩邊藥液管路通過2個(gè)2W-160-15常閉型電磁閥(流量口徑16mm,工作電壓12V)分別控制,施藥時(shí)電磁閥通電,噴幅為5m。在邊緣施藥時(shí),關(guān)閉一個(gè)電磁閥噴幅為一半,可以避免田塊邊緣重噴。一級(jí)轉(zhuǎn)動(dòng)裝置選擇HBA805型電推桿,行程160mm,推力6 000N控制,控制翼支架收攏和展開。二級(jí)轉(zhuǎn)動(dòng)裝置的電推桿為L(zhǎng)X800型,推力2 000N,行程150mm,控制副噴桿支架。通過兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)裝置之間的配合,實(shí)現(xiàn)噴桿的折疊和噴頭工作間距在0～300mm之間調(diào)節(jié)。

升降系統(tǒng)控制噴頭工作高度,主要由LX402型電推桿、導(dǎo)向軌和測(cè)距系統(tǒng)構(gòu)成。測(cè)距系統(tǒng)基于ArduinoUno開發(fā)板,由HC-RS40超聲波測(cè)距傳感器和1602LCD顯示屏組成。電推桿負(fù)載2 000N,行程400mm;HC-SR04超聲波測(cè)距模塊探測(cè)距離2～450cm。對(duì)水稻冠層以下施藥時(shí),由于葉片和稻穗的干擾,超聲波傳感器測(cè)不到噴頭與地面的距離,所以將噴頭與冠層距離顯示在LCD屏幕上,該值為傳感器與噴頭、水稻冠層距離的差。圖3為控制系統(tǒng)面板。根據(jù)顯示值調(diào)整噴頭到達(dá)施藥前調(diào)查的病蟲害部位對(duì)靶噴藥,在保證傳感器可用的情況下,噴頭可探入水稻冠層下60cm。

圖3 控制系統(tǒng)面板

3 噴霧機(jī)試驗(yàn)

為了驗(yàn)證自動(dòng)變行距探入式噴霧機(jī)噴霧效果,現(xiàn)對(duì)樣機(jī)進(jìn)行室內(nèi)噴霧均勻性試驗(yàn)和田間防治試驗(yàn)。

3.1 室內(nèi)試驗(yàn)

試驗(yàn)于2018年8月在江西農(nóng)業(yè)大學(xué)江西省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。

3.1.1 試驗(yàn)材料

噴霧均勻性檢測(cè)試驗(yàn)使用本課題噴霧機(jī)樣機(jī)進(jìn)行,試劑為普通自來水,噴頭為十字霧化噴頭(昆明優(yōu)網(wǎng)科技有限公司),實(shí)際工作壓力0.2～0.4MPa,流量50～90L/h。標(biāo)靶為水敏試紙(重慶六六山下植?？萍加邢薰?,寬3cm、長(zhǎng)4cm,是常用檢測(cè)噴霧效果試紙,遇水在表面形成藍(lán)點(diǎn)污點(diǎn)。使用該公司霧滴分析軟件,可計(jì)算按規(guī)定格式掃描后的水敏試紙上霧滴沉積的覆蓋率及霧滴大小等參數(shù)。

3.1.2 試驗(yàn)方法

試紙由雙面膠固定在小木樁上,每個(gè)木樁間隔30cm,成直線水平放置在樣機(jī)噴頭下方50cm處。噴霧機(jī)以8km/h的速度勻速行走,邊走邊噴灑在水敏試紙上方,重復(fù)4次,每次取出水敏試紙晾干后掃描,用霧滴分析軟件分析。

根據(jù)美國(guó)農(nóng)業(yè)與生物工程學(xué)會(huì)( ASABE) 和美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局572.1標(biāo)準(zhǔn)[10],選取DV0.1、DV0.5、DV0.9標(biāo)定霧滴粒徑分布情況,NMD、DR和霧滴覆蓋率(Coverage)作為計(jì)算指標(biāo)。DV0.1、DV0.5、DV0.9分別指按照從小到大的順序,選取霧滴排序并體積累加,總體積達(dá)到10%、50%、90%時(shí)所對(duì)應(yīng)的霧滴直徑。NMD(Number Median Diameter)是指所排序霧滴序號(hào)為所有霧滴序號(hào)中間數(shù)的霧滴直徑。DR(Droplet Diffusion Ratio)表示霧滴擴(kuò)散比,為NMD與DV0.5的比值,當(dāng)DR≥0.67時(shí),表明噴灑質(zhì)量良好[11]。

3.1.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)表明:通過一級(jí)轉(zhuǎn)動(dòng)裝置,可以使翼支架收攏和展開,噴頭工作間距在0～300mm之間。

圖4為某次試驗(yàn)的噴霧系統(tǒng)半邊噴霧效果圖。圖4中,白點(diǎn)部分為水敏試紙上的霧滴陰影。通過imagepy軟件分析霧滴相關(guān)噴霧參數(shù)。

圖4 噴霧機(jī)用清水對(duì)試紙噴霧效果圖

為減少噴霧機(jī)振動(dòng)產(chǎn)生的誤差累積,重復(fù)多次試驗(yàn),數(shù)據(jù)去除最大最小值后取平均值。表1給出十字霧化噴頭在0.35MPa壓力下的部分霧滴參數(shù)。由表1可知,DV0.1、DV0.5和NMD變化差異不大,只有在DV0.9上差異較明顯。根據(jù)生物最佳粒徑理論[12]:防治頁面爬蟲類害蟲類和防治植物病害的霧滴最佳理論分別為40～100μm和30～150μm,將NMD與DV0.5進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)大部分霧滴直徑在上述最佳霧滴譜范圍之內(nèi)。

結(jié)合圖5數(shù)據(jù)和圖4可知:各個(gè)噴頭霧滴覆蓋率差異不大,霧滴粒徑分布較為均勻,且霧滴擴(kuò)散比DR均不小于0.67水平。試驗(yàn)結(jié)果表明,噴霧系統(tǒng)藥液管路優(yōu)化后噴霧均勻性明顯提高。

(a) 各噴頭霧滴粒徑

(b) 各噴頭霧滴覆蓋率和擴(kuò)散比

3.2 田間施藥試驗(yàn)

第1次試驗(yàn)時(shí)間為2017年10月,第2次試驗(yàn)為2018年5月,地點(diǎn)為江西農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)田(見圖6)。

圖6 水稻農(nóng)藥噴灑試驗(yàn)

3.2.1 試驗(yàn)材料

參照何木蘭等的25%吡蚜酮WP防治稻飛虱田間藥效試驗(yàn)[13],試驗(yàn)藥劑為25%吡蚜酮,用量600g/hm2,兌水量675L/hm2。第1次施藥水稻品種甬優(yōu)538,處于成熟區(qū),株高112.8cm;第2次施藥品種為中嘉早17,株高42.7cm。種植方式均為插秧機(jī)種植,行距7寸,即230mm。

3.2.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)田分A、B、C3塊,每塊寬10m、長(zhǎng)20m,且設(shè)立寬為2m的保護(hù)行。在風(fēng)速不大于4m/s,天氣狀況良好情況下噴藥。噴霧機(jī)行駛速度為5km/h,調(diào)節(jié)一級(jí)轉(zhuǎn)動(dòng)裝置使噴頭工作間距達(dá)到230mm。在A區(qū)藥箱裝載25%吡蚜酮藥液,以常規(guī)施藥方式即噴頭在葉冠上方約20cm處施藥;在B區(qū)藥箱裝載同樣藥液,通過調(diào)節(jié)自動(dòng)升降裝置將噴頭下降至葉冠下方對(duì)水稻中下部施藥;C區(qū)為對(duì)照區(qū),不做處理。施藥時(shí)保持勻速、不重噴與漏噴[14]。為了防止稻飛虱在不同小區(qū)內(nèi)轉(zhuǎn)移,在試驗(yàn)后將3個(gè)區(qū)域用網(wǎng)膜隔開。

施藥前用盆拍法調(diào)查害蟲數(shù)量并記錄,用水潤(rùn)濕后的臉盆輕輕插入水稻底部,快速拍擊植株中下部,記錄震落在臉盆里的稻飛虱數(shù)量。分別在施藥后4天和7天統(tǒng)計(jì)水稻中下部稻飛虱數(shù)量(不限蟲齡),參照吳詠梅等[15]使用的平行跳躍法,每小區(qū)調(diào)查5點(diǎn),每點(diǎn)調(diào)查5叢。

計(jì)算公式為

(1)

(2)

3.2.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)完成后,將各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,其平均值如表1所示。

表1 噴霧機(jī)不同噴藥方式對(duì)稻飛虱的防治效果

兩次田間施藥結(jié)果顯示:探入式噴藥7天后的防治效果分別比常規(guī)噴藥方式高出18%和14.4%,防治效果均有很大的提高,但在水稻成熟期不同噴藥方式防治效果差距更大,因?yàn)樗境墒炱诠趯用芗?藥液更難到達(dá)根部區(qū)域;探入施藥時(shí)噴頭離靶區(qū)距離更短,飄移量更少,霧滴有更強(qiáng)的穿透力,沉積量更大。試驗(yàn)表明:該噴霧機(jī)相同用藥量時(shí),探入式施藥在水稻中下部有更大的覆蓋率,相對(duì)常規(guī)施藥消耗更少藥液即可保證防治效果。

4 結(jié)論

針對(duì)南北氣候差異各地區(qū)水稻行距不同,且病蟲害發(fā)生在水稻不同位置,充分結(jié)合實(shí)際,研發(fā)了一種可變行距探入式水稻噴霧系統(tǒng)。該噴霧系統(tǒng)噴桿支架可以自動(dòng)折疊與展開,噴頭工作間距能在0～30cm任意定點(diǎn)調(diào)節(jié);噴頭離地高度最大為130cm,最小為10cm,可以探入到水稻冠層以下,對(duì)不同位置病蟲害施藥。試驗(yàn)表明:相同施藥量時(shí),該噴霧系統(tǒng)探入施藥在水稻中下部有更大的覆蓋率,有效提高了農(nóng)藥的利用率,可節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境;且霧滴平均覆蓋率較為均勻,霧滴粒徑分布差異不大,有良好的噴霧效果。