張建強(qiáng),余建國(guó),陳 軍,劉民祥,鄭 容,陳 晶,雷 卿
(1.寶雞市農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展中心,陜西寶雞 721004;2.西北農(nóng)林科技大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院,陜西楊凌 712100;3.天水豐神防霜機(jī)有限公司,甘肅天水 741000;4.寶雞市農(nóng)業(yè)信息宣傳培訓(xùn)中心,陜西寶雞 721001)
果園的溫濕度條件是果樹(shù)生長(zhǎng)發(fā)育、果實(shí)產(chǎn)量品質(zhì)的重要影響因素,同時(shí)也是直接導(dǎo)致果園各種病蟲(chóng)害、農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害的重要影響因素。霜凍是一種由果園溫度變化引起的嚴(yán)重的農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害。尤其是發(fā)生在春季的晚霜,會(huì)直接凍傷果樹(shù)的嫩芽、嫩梢、花朵、幼果,直接影響果樹(shù)的生長(zhǎng)發(fā)育和果實(shí)的開(kāi)花結(jié)果,進(jìn)而造成減產(chǎn)絕收,特別嚴(yán)重時(shí)可直接導(dǎo)致果樹(shù)死亡。隨著全球溫室效應(yīng)的持續(xù)加強(qiáng),春季氣溫回升速度加快,果樹(shù)發(fā)芽期提前,霜凍對(duì)于果園的危害正朝范圍廣、頻率高、強(qiáng)度大、周期長(zhǎng)的方向快速發(fā)展。因此,防霜凍已成為近年來(lái)果園植物保護(hù)的熱點(diǎn)。但是由于防霜凍問(wèn)題缺乏系統(tǒng)而精準(zhǔn)的研究,常使霜凍的預(yù)防措施沒(méi)有顯著的功效。如采用常規(guī)的覆蓋、煙熏、灌水等方法,效果較差,費(fèi)時(shí)費(fèi)力,而適合大規(guī)模應(yīng)用的自動(dòng)化、機(jī)械化防霜凍技術(shù)尚處于研發(fā)階段。在目前防霜凍的措施中,使用大功率的風(fēng)機(jī)擾動(dòng)空氣,引起果園溫度變化,從而防止或減輕霜凍危害的方法是較為可行的。因此,研究在風(fēng)機(jī)作用下果樹(shù)周?chē)髦饕恢玫臏囟茸兓瘜?duì)于研發(fā)可有效防霜凍的風(fēng)機(jī)具有重要意義。田間試驗(yàn)是檢驗(yàn)其原理正確與否的主要方式,因此,需要對(duì)防霜凍風(fēng)機(jī)進(jìn)行田間試驗(yàn)。在田間試驗(yàn)中,通過(guò)對(duì)影響其性能的各因素進(jìn)行分析,可以更好地發(fā)現(xiàn)其規(guī)律,可為機(jī)器的研發(fā)提供理論依據(jù)。筆者使用FS5.5型吹風(fēng)式果園防霜機(jī)和FS110型吹風(fēng)式果園防霜機(jī)在果園進(jìn)行試驗(yàn),通過(guò)測(cè)量在提溫過(guò)程中各位置的溫度變化情況,分析逆溫層對(duì)防霜凍的效果,以期為防止果園霜凍提供理論依據(jù)。
FS5.5型吹風(fēng)式果園防霜機(jī),功率為5.5 kW,高度為8.5 m,風(fēng)葉直徑為2.3 m。該防霜機(jī)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)而產(chǎn)生風(fēng)能,對(duì)果園上方空氣進(jìn)行物理擾動(dòng)。
FS110型吹風(fēng)式果園防霜機(jī),功率為110 kW,高度為11.5 m,風(fēng)葉直徑為6.0 m。該防霜機(jī)由柴油機(jī)作為動(dòng)力源,再經(jīng)齒輪箱、傳動(dòng)軸帶動(dòng)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)而產(chǎn)生風(fēng)能,對(duì)果園上方空氣進(jìn)行物理擾動(dòng)。
在風(fēng)機(jī)周?chē)床煌嚯x、不同高度設(shè)立溫濕度觀測(cè)記錄點(diǎn),建立智能溫濕度監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng),每隔5 min自動(dòng)記錄溫濕度數(shù)據(jù)。溫度傳感器測(cè)量精度為0.2 ℃,測(cè)量范圍為-40~120 ℃;濕度傳感器測(cè)量精度為2%,測(cè)量范圍為0~100%。
FS5.5型果園防霜機(jī)放置在陜西省寶雞市扶風(fēng)縣木林森種植專(zhuān)業(yè)合作社,分別在距離防霜機(jī)10、20、30、50 m,高度均為1.6 m的位置安裝溫濕度監(jiān)控探頭;在距離防霜機(jī)為20 m、高度為8.5 m的位置(逆溫層)安裝溫濕度監(jiān)控探頭;在距離防霜機(jī)為200 m、高度為1.6 m的位置安裝溫濕度探頭,作為檢驗(yàn)防霜凍效果的對(duì)比點(diǎn)。
FS110型果園防霜機(jī)放置在陜西省寶雞市千陽(yáng)縣大地豐泰果業(yè)公司,分別在距離防霜機(jī)10、20、30、50、80、100 m,高度均為1.6 m的位置安裝溫濕度監(jiān)控探頭;在距離防霜機(jī)20 m、高度11.5 m的位置(逆溫層)安裝溫濕度監(jiān)控探頭;在距離防霜機(jī)為200 m、高度為1.6 m的位置安裝溫濕度探頭,作為檢驗(yàn)防霜凍效果的對(duì)比點(diǎn)。測(cè)試點(diǎn)布置見(jiàn)圖1。
圖1 測(cè)試點(diǎn)布置Fig.1 The layout of test points
當(dāng)溫度降至設(shè)定溫度下限時(shí)啟動(dòng)防霜機(jī),在試驗(yàn)過(guò)程中,每隔5 min采集一次溫濕度數(shù)據(jù),并進(jìn)行記錄。
如圖2所示,太陽(yáng)能板為溫濕度傳感器提供動(dòng)力,測(cè)量終端采集的溫濕度數(shù)據(jù)通過(guò)校正和轉(zhuǎn)換,既可以進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)顯示,也可以通過(guò)信號(hào)基站自動(dòng)上傳至云平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù),并通過(guò)手機(jī)或電腦實(shí)時(shí)查看。
因?yàn)榉浪獌鲲L(fēng)機(jī)的防霜凍效果產(chǎn)生的基礎(chǔ)是大氣中的逆溫層,因此是否存在逆溫層至關(guān)重要。為了減少無(wú)用數(shù)據(jù)量,對(duì)葉面處(1.6 m)溫度相同的數(shù)據(jù)予以剔除,只保留不同溫度數(shù)據(jù)。研究發(fā)現(xiàn),從4月13日21:00開(kāi)始,在8.5 m處出現(xiàn)明顯的逆溫層。溫差最大出現(xiàn)在4月14日02:15,在1.6 m處溫度為3.7 ℃,在8.5 m處溫度為6.4 ℃,溫差為2.7 ℃。在采集的53個(gè)溫度點(diǎn)中,平均升溫1.2 ℃。
果樹(shù)葉面、逆溫層與對(duì)比點(diǎn)處溫度變化如圖3所示。圖3中逆溫層溫度線、葉面溫度線和對(duì)比點(diǎn)溫度線分別為木林森種植專(zhuān)業(yè)合作社2號(hào)、9號(hào)和10號(hào)測(cè)試點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)。2021年4月13日20:00至14日8:00每5 min獲取一次溫度數(shù)據(jù)。由圖3可知,從4月13日21:00到14日7:50,逆溫層溫度始終高于葉面與對(duì)比點(diǎn)處溫度。逆溫層平均溫度7.0 ℃,葉面處平均溫度5.8 ℃,對(duì)比點(diǎn)平均溫度5.7 ℃。最低溫度發(fā)生在4月14日6:35,對(duì)比點(diǎn)溫度為2.5 ℃,葉面溫度為3.4 ℃,逆溫層溫度為5.1 ℃。
圖2 數(shù)據(jù)采集傳輸示意Fig 2 The diagram of data acquisition and transmission
圖3 FS5.5型吹風(fēng)式果園防霜機(jī)葉面、逆溫層、對(duì)比點(diǎn)處溫度變化Fig.3 The change of temperature of the leaf surface,temperature inversion layer and contrast point of FS5.5 orchard frost prevention machine
2021年4月14日4:00啟動(dòng)風(fēng)機(jī)后,葉面、逆溫層和對(duì)比點(diǎn)處的溫度變化如圖4所示。圖4中逆溫層溫度線、葉面溫度線和對(duì)比點(diǎn)溫度線分別為木林森種植專(zhuān)業(yè)合作社2號(hào)、9號(hào)和10號(hào)測(cè)試點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù),每5 min獲取一次數(shù)據(jù)。由圖4可知,4:30葉面溫度相對(duì)對(duì)比點(diǎn)溫度開(kāi)始上升。4:30—7:30葉面溫度一直高于對(duì)比點(diǎn)溫度。因此,在風(fēng)機(jī)啟動(dòng)后,果樹(shù)葉面處溫度呈上升趨勢(shì)。4:00—6:00葉面與對(duì)比點(diǎn)溫差最高的時(shí)間點(diǎn)為5:35,此時(shí)葉面與對(duì)比點(diǎn)溫度分別為4.6 ℃、3.5 ℃,兩者溫差為1.1 ℃。4:30—7:50在采集的17個(gè)有效溫度點(diǎn)中,葉面平均溫度為4.8 ℃,對(duì)比點(diǎn)平均溫度為4.3 ℃。試驗(yàn)結(jié)果表明,存在逆溫層的情況下,風(fēng)機(jī)能有效提高果樹(shù)葉面溫度,以抵御霜凍災(zāi)害。
圖4 FS5.5型吹風(fēng)式果園防霜機(jī)風(fēng)機(jī)啟動(dòng)后葉面、逆溫層、對(duì)比點(diǎn)處溫度變化Fig.4 The change of temperature of the leaf surface,temperature inversion layer and contrast point after using the frost fan of FS5.5 orchard frost prevention machine
2021年4月27日20:00至28日8:00果樹(shù)葉面、逆溫層處溫度變化如圖5所示。圖5中的逆溫層溫度線、葉面溫度線分別為大地豐泰果業(yè)公司3號(hào)、9號(hào)測(cè)試點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù),每5 min獲取一次溫度數(shù)據(jù)。由圖5可知,從4月27日20:00開(kāi)始,在11.5 m處出現(xiàn)明顯的逆溫層。葉面與逆溫層的最大溫差出現(xiàn)在4:25,葉面(1.6 m處)溫度為2.1 ℃,逆溫層(11.5 m處)溫度為4.4 ℃,溫差為2.3 ℃。在采集的113個(gè)有效溫度點(diǎn)中,逆溫層與葉面處平均溫度分別為7.0 ℃與6.0 ℃,溫差為1.0 ℃。
圖5 FS110型吹風(fēng)式果園防霜機(jī)葉面、逆溫層處溫度變化Fig.5 The change of temperature of the leaf surface and temperature inversion layer of FS110 orchard frost prevention machine
從4月27日20:00到4月28日7:59,逆溫層溫度始終高于葉面和對(duì)比點(diǎn)處溫度。逆溫層平均溫度為7 ℃,葉面處平均溫度為5.96 ℃,對(duì)比點(diǎn)平均溫度為6.20 ℃。最低溫度發(fā)生在4月28日4:39,對(duì)比點(diǎn)溫度為2.90 ℃,葉面溫度為1.70 ℃,逆溫層溫度為3.50 ℃。
2021年4月28日4:00啟動(dòng)風(fēng)機(jī)后,葉面、逆溫層和對(duì)比點(diǎn)處的溫度變化如圖6所示。圖6中逆溫層、葉面和對(duì)比點(diǎn)溫度線分別為大地豐泰果業(yè)公司2號(hào)、9號(hào)和10號(hào)測(cè)試點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)。由圖6可知,4:00啟動(dòng)風(fēng)機(jī)后,4:40時(shí)葉面處溫度開(kāi)始上升,5:35葉面溫度接近逆溫層溫度,達(dá)到4.6 ℃。此時(shí)葉面溫度比對(duì)比點(diǎn)高0.6 ℃。4:00—8:00,葉面平均溫度為4.4 ℃。4:00—6:00葉面最高溫度發(fā)生在5:50,溫度為4.9 ℃。試驗(yàn)表明,在夜間霜凍易發(fā)時(shí)間段,風(fēng)機(jī)能有效防止葉面溫度降低,提高果樹(shù)抵御霜凍災(zāi)害的能力。
圖6 FS110型吹風(fēng)式果園防霜機(jī)風(fēng)機(jī)啟動(dòng)后葉面、逆溫層、對(duì)比點(diǎn)處溫度變化Fig 6 The change of temperature of the leaf surface,temperature inversion layer and contrast point after using the frost fan of FS110 orchard frost prevention machine
研究了FS5.5型吹風(fēng)式果園防霜機(jī)和FS110型吹風(fēng)式果園防霜機(jī)在果園提溫過(guò)程中各位置的溫度變化情況。研究發(fā)現(xiàn),在空氣濕度小于70%時(shí),逆溫層普遍存在。在有逆溫層存在的情況下,通過(guò)使用風(fēng)機(jī)擾動(dòng)空氣,可有效提高果樹(shù)葉面溫度。研究提出,在高度分別為1.6和8.5 m 2個(gè)位置測(cè)溫從而判斷逆溫層溫差的方法,可以有效顯示防霜凍效果。