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，各類大中型噴霧機械很難進入果園作業(yè)[1～4]。部分果農(nóng)仍使用背負式噴霧機進行植保作業(yè)，一方面作業(yè)效率低，勞動強度大，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)境進而改善果樹生長條件。

李民宇等[14]設(shè)計了1套管道順序噴霧架，并在柚子園中對其噴霧有效性進行了田間試驗，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)計了1種果園管道自動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，實現(xiàn)自動順序噴霧，不需要人工進入果園作業(yè)。李懷有[16]設(shè)計了1種果園微灌與管道施藥復(fù)合系統(tǒng)，該系統(tǒng)可針對多目標(biāo)作業(yè)，具有節(jié)水省藥的效果。宋淑然等[17]針對果園管道噴藥系統(tǒng)非線性、大時滯特性，采用自整定模糊PID控制算法，以實現(xiàn)果園管道噴霧系統(tǒng)中對于藥液壓力的控制。吳偉鋒等[18]針對現(xiàn)有山地果園管道噴霧系統(tǒng)噴霧壓力問題，設(shè)計了1種多節(jié)點系統(tǒng)，以單片機為核心，采用ZigBee模塊進行通信，監(jiān)測各節(jié)點管道內(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霧滴粒徑參數(shù)的影響，對霧滴參數(shù)進行了多元線性回歸分析，建立了霧滴參數(shù)模型。Agnello等[20]針對密植蘋果園設(shè)計了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，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)計和施藥控制技術(shù)的探討上，而本試驗則設(shè)計了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、自動配液泵、霧化主機和田間管網(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，通過手動遙控器打開開關(guān)，運行霧化主機，壓力調(diào)至50 bar，清水與藥液通過自動配液泵進行在線混藥，混合后的藥液通過霧化主機的處理，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行。

2 試驗材料與方法

2.1 試驗材料

水敏紙（重慶六六山下植?？萍加邢薰荆?；激光掃描儀（EPSON PERFECTION 1670）； 溫濕度測量儀（精創(chuàng)RC-4）；風(fēng)速測試儀（?，擜S856S）；秒表。

2.2 試驗內(nèi)容及方法

2.2.1 試驗環(huán)境 果園山地固定管道噴霧試驗于2020年10月11日在河北農(nóng)業(yè)大學(xué)曲陽縣果樹試驗站標(biāo)準(zhǔn)果樹示范基地進行（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，試驗前環(huán)境溫度為24.2 ℃，試驗前環(huán)境濕度為40%，環(huán)境風(fēng)速為 0.22 m/s。

2.2.2 采樣布置 固定管道噴霧試驗區(qū)內(nèi)共7行試驗用果樹，每行選取3棵果樹作為試驗樣本，試驗樣本選取過程中，盡量選取每行中間位置，且每隔1棵進行取樣，防止樣本過近互相干擾，影響試驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。為測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。在每個截面的東、南、西、北4個方位均布置水敏紙，由于試驗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，下層每個方位分外中內(nèi)布置，中層每個方位分中內(nèi)布置，上層每個方位只在冠層內(nèi)部布置，布置點如圖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 試驗過程 固定管道噴霧試驗區(qū)內(nèi)共7行試驗用果樹，試驗過程中噴霧20 s關(guān)閉第1行閥門，同時根據(jù)五點取樣法在第1行內(nèi)選擇取樣點，每個取樣點距地面1.5 m，用溫濕度儀測量試驗區(qū)內(nèi)的溫濕度值并進行記錄，試驗過程作業(yè)圖如圖4所示。第2行噴霧40 s，以此類推最后1行噴霧時間140 s，并及時記錄每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，利用激光掃描儀進行掃描處理，通過Image-master軟件進行霧滴信息后處理，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行匯總分析。

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

3 試驗結(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次試驗中各冠層的霧滴沉積覆蓋率隨噴霧時間的增加，覆蓋率逐漸增加，時間每增加20 s覆蓋率增值分別為50.91%、32.41%、39.67%、14.54%、3.22%、1.07%，當(dāng)噴霧時間100 s期間后，霧滴沉積覆蓋率增加變緩，到100 s時霧滴沉積覆蓋率達到33.47%，滿足藥液在果樹上的覆蓋率要求[21]，為了達到節(jié)水節(jié)藥，保護環(huán)境的目的，將噴霧時間100 s定為管道噴霧設(shè)備作業(yè)時間。

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試驗下層外部數(shù)據(jù)進行分析，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，分析原因為霧滴由噴頭噴出后，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[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)噴霧機的不同在于管道噴霧可對果園整體作業(yè)，在防治果樹病蟲害的同時改變果園內(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，試驗開始前的溫度為24.2 ℃，濕度為40%，試驗開始后第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。