设施农业施药技术装备机械化研究进展

刘德江，龚 艳

(农业部 南京农业机械化研究所，南京 210014)



设施农业施药技术装备机械化研究进展

刘德江，龚 艳

(农业部 南京农业机械化研究所，南京 210014)

首先，指出了设施农业对施药技术装备要求的特殊性；其次，分析了目前国内设施农业施药技术装备的应用现状；然后，从工作原理、结构特点、创新点等方面详细论述了现有应用于设施农业可控雾滴施药技术装备，指出设施农业可控雾滴施药技术装备已有的研究成果和未来有待进一步研究的模块。最后，针对设施农业可控雾滴施药技术装备引发的思考及未来该领域的研究重点及发展方向，提出了相关的建议与对策。本文旨在为我国设施农业施药技术装备的应用发展提供借鉴。

设施农业；施药技术；可控雾滴；离心雾化

0 引言

设施农业是现代农业发展的显著标志，促进设施农业发展是实现农业现代化的重要任务，近年来从中央到地方都给予其高度关注，我国设施农业目前已进入了快速发展阶段。但是，由于对设施棚内配套的机械装备重视程度不够，使得我国设施农业施药技术装备的整体发展水平不高，机械化程度较低。

由于棚室内空间密闭、光照不足、高温高湿，加之棚室内天敌数少，作物对病害的抵抗力降低，设施栽培作物较之露天栽培作物更易发生病虫害[1]。设施农业产品一般都要求达到无公害农产品质量标准, 甚至更高。无公害农产品生产过程中控制的重点就是农药使用, 包括使用农药品种控制和安全间隔期的控制，这就要求植保工作在防治设施病虫害的同时, 不仅要能迅速有效控制病虫为害,防止造成产量损失,还要确保产品质量,保证产品安全。

设施农业由于其特殊的生态环境及全年连续生产和高质量产品的特点,对环境的要求更加严格,对以农药为重点的农业面源污染将控制更加严格。因此，设施栽培作物的病虫害防治频率更高，难度更大，更需要专业化的防治机具。可控雾滴施药技术是目前发达国家发展较快的低容量喷雾技术之一，离心雾化是目前国际上普遍认为获得均匀细雾滴的最适宜方式，应用时不仅能达到有效防治农业病虫害的目的，而且会降低对周围环境造成的污染[2-3]。该技术可通过离心雾化器的转速变化来控制雾滴直径，以满足不同作业对象及气象条件对雾滴的要求。采用此项施药技术，在提高农药雾滴在靶标作物上的附着率及分布均匀性的同时，能大量减少无效雾滴数量，从而达到提高农药有效利用率，以及节水、省药的目的。

1 设施农业施药技术装备概况

目前，我国用于设施农业施药技术装备的机具类型主要有：背负式手动(电动)喷雾器、 静电喷雾器、背负式动力喷雾机、担架(推车)式机动喷雾机及常温烟雾机等。

1.1 背负式手动(电动)喷雾器

背负式喷雾器是我国目前农用最多、保有量最大的传统型施药机具，具有成本低、操作简便、适应性广等特点，主要适用于小麦、玉米、棉花、水稻、果树、设施大棚、葡萄、茶树、花卉及园艺等各种农作物[9]，如图1所示。但此类机具施药效率低，难以用于规模化防治，药液雾化质量差，药液在作物植株上的附着率不高，雾量分布也不均，总体防治效果不理想。

1.2 背负式动力喷雾机、担架(推车)式机动喷雾机

此类喷雾机具是采用高压喷雾方法，雾化效果好，药液雾滴在农作物冠层中的穿透性强，对农作物病虫害防治效果显著，并且机具作业效率高。该机具主要应用在水稻、果园、花圃苗木、蔬菜基地、设施大棚等喷药害虫防治作业。但由于喷洒的雾滴直径较大，雾滴在作物植株上的附着率不高，农药流失到地面情况严重；机具喷雾时用水量大，施药后会使设施棚室内的湿度增加，在防治病虫害的同时又滋长了诱发另外一种病虫害的条件，造成恶性循环；此外，施药操作者在密闭空间内施药，不仅劳动强度大，并且极易造成农药中毒，对人身健康有威胁。YS-100T型担架(推车)式机动喷雾机如图2所示。

图1 XFPWQ-12A型背负式手动(电动)喷雾器

图2 YS-100T型担架(推车)式机动喷雾机

1.3 常温烟雾机

常温烟雾机(见图3)是我国在第9个五年计划期间从日本引进，并在国内开始推广应用于设施农业病虫害防治新技术。机具喷洒的平均雾滴直径约20μm，喷雾流量在50～70 mL/min范围。该机具细雾滴及低容量喷雾不仅能有效提高作业质量，而且用水量少，设施棚室内的湿度增加不显著，避免诱发二次病虫害，对于密闭设施棚室内病虫害防治效果较显著[13，17，24]。施药作业时，施药操作人员也无需进入设施棚室内，因而对操作人员的人身安全更有保障；但较之背负式、担架(推车)式喷雾机，常温烟雾机的作业效率较低。此外，由于常温烟雾机的喷射部件的孔径小，雾化机理为气液两相流雾化，因此对农药剂型及机具雾化系统的过滤条件要求高。当喷射部件管路系统过滤未达标时，易导致喷射口堵塞，喷施生物农药时，由于喷射孔径小易对生物农药的活性造成损伤[23]。

图3 LHW型常温烟雾机

1.4 推车式离心雾化喷雾机

农业部南京农业机械化研究所针对设施农业棚室作物病虫害防治的特殊要求，以离心雾化技术为核心技术，集成风送低量喷雾技术、电子遥控技术等多项技术，研制开发了适用于设施农业棚室作物病虫害防治的新型离心雾化喷射部件及配套的可控雾滴施药技术装备。此施药装备是基于国外一项研究即生物最佳粒径理论研发的，这一理论确定生物体对不同细度的雾滴都有一种选择捕获能力，都有一个最易于它们捕获的雾滴粒径范围。该施药装备可根据不同农作物品种、防治对象、农药剂型以及设施棚室内的作业环境对雾滴直径大小的不同要求，对雾滴直径进行有效的控制，在达到更好的防治效果的同时，减少了农药的用量[7]。

2 设施农业可控雾滴施药技术装备

可控雾滴施药技术是目前发达国家发展较快的低容量喷雾技术之一，其核心技术—离心雾化技术是目前国际上普遍认为获得均匀细雾滴的最适宜方式。研究表明：离心雾化施药技术不仅能有效防治农作物病虫害，而且有助于减少对周围环境的污染[5，7]。该技术通过离心雾化器的转速变化来控制雾滴直径以满足不同对象及气象条件对雾滴的要求，是当前世界上公认的产生雾滴均匀度比较好,、雾滴粒谱范围较窄的“可控雾滴”施药技术 ，经离心雾化的液滴直径在50～100μm。离心雾化器主要有转盘式和转笼式两种结构形式[25]：转盘式离心雾化器工作时，液体被送到转盘表面的中心附近，由于离心力的作用，被抛向盘的边缘先形成液膜，在接近或达到边缘后再形成雾滴，通过改变雾化器的转速,可以有效地控制雾滴的直径；转笼式离心雾化喷头工作时，液体从中心孔流出，在转笼高速旋转产生的离心力作用下，将药液抛到转笼的笼网上，经过第1层网筛的粗细化，第2层网筛的精细化而使其雾化成微小的雾滴，雾滴大小由转笼的工作速度、直径及其网目大小所决定[19，21-22]。离心雾化装置被广泛地应用于农作物病虫害防治和卫生防疫，平均可省水50%以上，节省农药15%～20%左右，适合于农作物中后期的病虫害防治[19]。近年来，离心雾化技术已被应用于飞机超低量喷雾领域。

遥控式风送变量可控雾滴喷雾机如图4所示。

图4 遥控式风送变量可控雾滴喷雾机

2.1 可控雾滴施药技术装备部件

机具部件主要由信号发送与接收装置、控制指令执行装置、驱动电机、离心雾化喷射部件、低压小流量潜水泵、药箱及管路系统、药液过滤混合系统、轴流式风机、三维换向机构等组成，如图5所示。其中，离心雾化喷射部件是机具的核心部件。

2.2 离心雾化喷射部件工作原理

作业时，喷雾机供液系统将药液送至雾化转盘表面的中心附近，药液在雾化转盘高速旋转产生的离心力的作用下，被抛向雾化转盘的边缘先形成液膜，在接近或达到边缘后分裂成液丝，再呈点状抛甩出，与空气撞击后形成雾滴，雾滴再与固定齿盘上的雾化齿撞击破碎，形成更细小的雾滴。离心雾化喷射部件如图6所示。

1.离心雾化器 2.离心雾化喷射部件驱动电机 3.风机叶轮端驱动电机 4.风机叶轮 5.驱动电机支撑 6.风筒 7.风筒支撑 8.变频调速控制柜 9.供液系统 10.机架

图6 离心雾化喷射部件

2.2.1 离心雾化器特点

离心雾化转盘的大直径、多折弯结构使该离心雾化喷射部件具有较大的惯性力和喷洒面，即使是在低转速条件下，也可形成均匀液膜，有利于药液随后的裂化和雾化；固定雾化盘的多齿结构则使经离心雾化后的药液雾滴进一步的撞击破碎成更均匀细小的雾滴，从而有效提高离心雾化器的雾化质量。

2.2.2 离心雾化器结构参数对雾滴粒谱分布的影响研究

已有研究表明：大直径是实现“低速”雾化的前提；多折弯结构增加了雾化器的喷洒面，因而有助于提高低速条件下的雾化质量；雾化齿可使离开雾化转盘的雾滴进行二次雾化，从而获得更小的雾滴，实现低量喷雾。有待进一步研究的领域：有、无雾化齿及雾化齿的形状、数量、分布对雾滴二次雾化质量的影响，即对撞击式低速离心雾化器雾滴粒谱分布(雾滴直径大小、雾滴谱宽度)的影响。

2.3 可控雾滴喷雾机具的创新点

2.3.1 雾滴直径精准可控

该离心雾化喷射部件工作转速可在一定范围内实现无级调节，达到了雾滴平均直径在50～200μm范围内的精准可控，改变了传统施药技术装备的雾滴谱宽、雾滴直径不可调的现状，而传统的施药技术装备无法满足不同农作物品种、不同防治对象、农药剂型及设施棚室内的作业环境对雾滴直径的要求。提高药液雾滴在靶标作物上的附着率及分布均匀性的同时，充分考虑到了“生物最佳粒径”理论，很大程度上减少了无效雾滴数量，提高了农药的有效利用率，减少了农药用量，在节约作业成本的同时也有效解决了因过量施药造成的设施棚室内环境污染及农产品农药残留超标的问题[11]。

2.3.2 流量快速、精准可调

通过小流量液压控制、以及信号传输、采集、分析处理等技术研究，以及夹管机构、电动机构、控制电路的设计开发，研制了电子控制夹管流量阀，攻克了采用液泵变频调速、电磁阀控制流道截面等现有技术难以对小流量条件下的液泵流量进行快速、精量调节的技术难题，实现了机具供液流量的实时、精准可调。

2.3.3 三维远程均匀送风

三维换向机构为二次雾化药液雾滴提供沿射程方面均匀分布的运输载体，实现了机具喷雾方向及风力辅助系统送风的三维可调，以满足不同的设施大棚幅宽及不用作物品种、作物生长期的喷雾需求，更有效地提高了药液雾滴在靶标作物上的分布均匀性。

2.3.4 机具作业状态及参数可自动控制

采用了单片机技术及电子远程遥控技术等机电一体化自动控制技术，实现了对离心雾化喷射部件、变量供液系统、三维风力辅助换向系统等部件的工作状态或参数的自动化控制。电子远程遥控技术的应用实现了农药喷洒作业的远程控制，人机分离的作业方式，不仅极大地减轻了劳动强度，更避免了作业人员在棚内近距离接触农药、长期呼吸药雾中毒，对施药人员的人身安全更有保障。

3 可控雾滴施药技术装备发展思考

我国设施农业植保机具结构形式多样，推广及使用程度各异，就目前来说，主要问题依然集中在机具使用效果不稳定，通用性、适应性、使用经济性较差等方面，普通农户一般考虑到成本问题不采用最新研发出来的高科技施药技术装备[5-6，8]。作为一线科研工作者，还需要加强对设施农业可控雾滴施药技术领域的研究，从思路和原理上寻求突破和创新，同时还应该注重机具的通用性、适应性及经济性等问题的研究，以取得更理想的施药实用性能。研究的同时还应掌握国内外的发展动态，借鉴相关的高新技术，以我国设施农业植保领域的实际情况为基础，才能够研制出高效的施药技术装置。

3.1 加强基础性研究工作

结合生物最佳粒径理论，开展可控雾滴施药技术研究，研究雾滴二次破碎机理及相关影响雾滴尺寸的因素等，得出离心雾化器参数优化组合设计拟合相关关系，根据相关影响性研究探明经雾化转盘离心雾化后的药液雾滴与固定齿盘上的雾化齿撞击所形成的二次雾化机理。基础性的研究可设计有、无雾化齿及雾化齿参数(形状、数量、分布)对离心雾化器雾滴直径与雾滴谱宽度的影响进行试验，为得出最佳离心雾化器的喷雾效果组合提供必要的参考依据。

3.2 当前亟需解决的重点问题

3.2.1 着力提高机具通用性与适用性

我国南、北方的农作物病虫害防治情况各异，由于南、北方农作物种植模式及气候有明显的差异，许多施药机具只是针对某一区域内的农作物，且施药机具受农作物种植规模的影响程度较大，许多新发明的施药机具通用性较差[15-16]。如可控雾滴施药技术装备，离心雾化装置作为可控雾滴施药技术装备的核心部件，提高离心雾化装置的适应性，使其不仅能够作为单一品种农作物的施药机具，而且应能够用于其他农作物的施药，对于推动农作物病虫害全程机械化有着重要的作用。

3.2.2 进一步加大政府对高效、低污染设施农业植保机具的购机补贴力度

设施农业作为现代农业的显著标志，促进设施农业发展是实现农业现代化的重要任务，从中央到地方都给予其高度关注，我国设施农业已进入了快速发展阶段。“十二五”以来，政府对农机的财政补贴政策对我国农业机械的科研开发与生产运用都发挥了积极的导向作用[12]。“十三五”是农业实现现代化的关键时期，要尽快淘汰劣质低效、对环境污染严重的老旧植保机具类型，鼓励农民购买、使用新型优质的用于设施农业高效植保机具，应将节能减排纳入财政补贴招标的指标评价体系，对农药有效利用率高、防治效果好，符合安全、环保要求的机具应加大补贴力度。

3.2.3 完善施药技术领域规范

按照节能减排的相关技术要求，不断完善设施农业植保装备产品的标准体系，设施农业植保与农机推广应用部门，要把研究开发的施药装备的节能减排和环境友好作为关键性经济技术指标，并将其纳入到植保机具的试验鉴定与示范推广工作中[10，20]。

3.2.4 逐步加大新型农机技术人员培训

有关部门应大力开展设施农业施药机具使用和施药技术应用的相关培训，提高基层农技人员和农民的安全施药水平，引导他们改变陈旧的施药观念，帮助基层农民尽快掌握科学的农药使用技术和方法，使机械化高效施药技术与装备能够真正发挥其节约成本、提高效率、节能减排的作用。

3.3 结合新技术

随着科学技术的不断进步，机电一体化技术不断发展，一些老旧的设施农业施药技术装备将逐渐被新型施药技术装备所取代，不断简化施药装置的研制开发中许多复杂的机械传动结构、动力传递方式、普通材料和落后生产工艺，延长机具的使用寿命及降低劳动使用费用等将作为主要设计目标应用于设施农业施药装置的设计制造。随着国内外相关技术的进一步发展，如何将最新技术更好的应用到实际生产中，也是目前设施农业施药装置需要尽快解决的问题[14，18]。

3.4 未来研究方向

随着我国对农作物病虫草害防治需求的持续增长，以及农药与环境、生态、农产品质量、国民身体健康之间矛盾的日益突显，高效、低量、低污染、精准施药技术装备的市场需求也将越来越大，其产业化前景十分广阔[14]。

4 结束语

我国在设施农业的发展过程中，社会包括各级政府关注度较多的是设施棚架系统等基础设施的建设，而对设施棚内配套的生产条件、机械装备重视程度不够，使得我国设施农业的整体发展水平不高，机械化、自动化、智能化和标准化程度较低。研发设施农业可控雾滴施药技术装备将为我国设施农业提供一种技术水平先进，安全性、可靠性更强，并与棚室作物病虫害防治要求相适应的新型施药技术与装备。设施农业施药技术装备机械化发展任重道远，在设施农业产业实际需求拉动和政府出台的相关政策有效推动下，以及机械设计制造工艺水平的不断提高的基础上，我国的设施农业施药技术装备机械化技术必将走上健康快速发展道路。

[1] Brown R B，Sidahmed MM．Simulationof spray dispersal and deposition from a forestry airblast sprayer part II: droplet trajectory model[J]．Transactions of the ASAE，2001，44( 1) :11-17．

[2] Katul G G，Mahrt L，Poggi D，et al.One-andtwo-equation models for canopy turbulence[J].Boundary-LayerMeteorology，2004，113( 2) :81-109．

[3] Phattaralerphong J，Sathornkich J，Sinoquet H．Aphotographic gap fraction method for estimating leaf area of isolated trees:assessment with 3D digitized plants[J].Tree Physiology，2006，26( 1) :1123-1136．

[4] Tokekar P,Vander Hook,J Mulla D,et al.Sensor planning for a symbiotic UAV and UGV system for precision agriculture[J].Intelligent Robots Systems9iros,2013(3-7):5321-5326.

[5] 傅锡敏.农业立体污染防治装备技术的战略选择[J]．农机推广与安全，2006(3)：26-27.

[6] 傅锡敏, 薛新宇.基于我国施药技术与装备现状的发展思路[J].中国农机化, 2008(6): 72-76.

[7] 龚艳，陈小兵.设施农业可控雾滴喷雾机的设计与试验[J].农业开发与装备，2012(10):10-13.

[8] 耿爱军,李法德.国内外植保机械及植保技术研究现状[J].农机化研究, 2007(4):189-191.

[9] 何雄奎，严苛荣.果园自动对靶静电喷雾机设计与试验研究[J].农业工程学报,2003(11)：78-80.

[10] 刘丰乐,张晓辉,马伟伟,等.国外大型植保机械及施药技术发展现状[J].农机化研究,2010 (3):246-248.

[11] 商庆清,张沂泉,郑建冬，等.雾滴直径影像反求测定法研究[J].工程图学学报,2007(6):78-81.

[12] 宋坚利,宫少俊.隧道式循环喷雾机的发展前景[J].农机科技推广，2006(4)：41-42.

[13] 汤伯敏．3YC-50型常温烟雾机施药技术[J]．植物保护，2000，26(5)：14-163.

[14] 涂同明.当今哪些高新技术应用于植保机械[J]．农业开发与装备,2007(2)：3.

[15] 唐辉宇.植保机械在国外的发展[J].河北农机, 2005 (1): 28-28.

[16] 唐辉宇.国外植保机械的发展方向[J] .南方农机, 2004(6) :43 .

[17] 吴萍.常温烟雾机棚室喷雾雾滴沉积分布试验研究[J]．农业装备技术，2005(6)：20-22.

[18] 朱成璞.卫生杀虫药械应用指南[M]．上海：上海交通大学出出版社,1988.

[29] 赵刚,刘建.两种离心雾化喷头性能试验研究 [J].中国农机化,2005(2):69-71.

[20〗 郑文钟, 应霞芳.我国植保机械和施药技术的现状,问题及对策[J].农机化研究, 2008 (5): 219-221.

[21] 赵德菱，邵孝候.一种撞击式喷头雾化特性研究[J]. 农机化研究, 2012，34(3):71-74.

[22] 张曼，陈永成.风力辅助条件下漂移特性的试验研究[J].农机化研究, 2016,38(3):183-195.

[23] 赵东,张晓辉,蔡冬梅,等.基于弥雾机风机参数优化的雾滴穿透性和沉积性研究[J].农业机械学报,2005(7):44-49.

[24] 郑建秋,师应春.现代化施药机械-自动转向微电脑自控施药常温烟雾[J].中国蔬菜,2004(6):63-64.

[25] 周海燕，杨学军，严荷荣，等．风轮转盘式离心喷头试验[J]．农业机械学报，2008(10) : 89-92．

Advances in Technology and Equipment Agricultural Mechanization Administration Facilities

Liu Dejiang, Gong Yan

(Nanjing Institute of Agricultural Mechanization, Ministry of Agriculture, Nanjing 210014, China)

First noted the technical equipment required for spraying agricultural facilities particularity; then analyzes the application status of the domestic agricultural pesticide application technology facilities and equipment; and then, in terms of the working principle, structural features, and other innovations discussed in detail the current applied agricultural facilities controlled droplet application techniques and equipment, he noted agricultural facilities controlled droplet application techniques and equipment of existing and future research results for further research module. Finally, thinking and future research priorities and direction of development in the field of agricultural facilities for controlled droplet application techniques and equipment caused by the proposed suggestions and countermeasures, this paper aims to develop facilities of agricultural pesticide application technology and equipment to provide our reference.

agricultural facilities; application techniques; controlled droplet； centrifugal atomization

2016-04-12

国家自然科学基金项目(31401296)；江苏省科技自主创新资金项目(CX[14]2101)

刘德江(1990-)，男，江苏宿迁人，硕士研究生，(E-mail)1252810830@qq.com。

龚 艳(1976-)，女，南京人，研究员， (E-mail)jsgymm@hotmail.com。

S233.74

A

1003-188X(2017)05-0006-06