新型半自动输液打孔机在林业病虫害微孔施药技术中的应用研究

2023-03-22田羽博冯迅卢丹颖杨烨李伊芷嫣

农业灾害研究 2023年12期

田羽博冯迅卢丹颖杨烨李伊芷嫣

摘要微孔施药注射技术是一种向植物内部木质部细胞组织注射药物的病虫害防治方法。长期以来，如何准确控制输液打孔至木质部位的尺寸深度，一直困扰着林业工作者。目前，一种能够精准控制输液钻孔尺寸深度、让钻头按照预期轨道和规定运动参数推进的半自动输液打孔机，为微孔施药注射技术在输液钻孔至木质部位实现了精准的效果。详细介绍了新型半自动输液打孔机的基本原理和技术参数，并深入阐述了新型半自动输液打孔机的功能原理和操作方法及主要优势，以供林业相关工作者参考。

关键词木质部；形成层；半自动输液打孔机；微孔施药注射技术；微控制器

中图分类号：S763 文献标识码：B 文章编号：2095–3305（2023）12–00-05

Research on the Application of A New Semi-automatic Infusion Punching Machine in Micro Hole Pesticide Application Technology for Forestry Diseases and Pests

Tian Yu-bo et al（Northeast Forestry University， Harbin， Heilongjiang 150040）

Abstract Microporous drug injection technique is a method of disease and pest control by injecting drugs into xylem cells inside plants. For a long time， how to accurately control the dimensional depth of the infusion hole to the wood part has been troubled by forestry workers. At present， a semi-automatic infusion punch that can accurately control the size and depth of the infusion hole and allow the drill to advance in accordance with the expected track and specified motion parameters has achieved precise results for the microhole application injection technology in the infusion hole to the wood part. The basic principle and technical parameters of the new semi-automatic infusion punching machine are introduced in detail， and the functional principle， operation method and main advantages of the new semi-automatic infusion punching machine are explained in depth， so as to provide reference for forestry workers

Key words Xylem; Cambium; Semi-automatic infusion punching machine; Microporous injection technology; Microcontroller

植物在生長过程中会由于各种因素而影响其健康生长，比如遇到病虫害或在生长期营养元素缺失，这些因素制约了树木的生长发育。为确保植物的生发态势，要采取措施加强病虫害防治效果，提高树木质量和成活率[1]。

目前，现有传统化学农药喷洒防治法在应用过程中存在无法防治树体内部病虫害、施药会产生环境污染等弊端。微孔施药注射技术在应用过程中不受外界因素干扰，通过将药液注入树干木质部位，借助木质部自身蒸腾的作用和输送与扩散功能防治病虫害，且杀虫范围广泛，对林业病虫害的预防和治疗均有很好的功效，施药时还不会给外界环境产生污染，对隐蔽性较强的病害消杀效果也很好，能有效弥补传统外用喷洒方法的缺失。

微孔施药注射技术又称“静点”注射法，即用钻头在树木的树干木质部位钻一个输液孔洞，然后将输液器针头沿着钻好的输液孔洞插入树木的木质部位，利用植株的蒸腾作用将药液输入树木的各个细胞组织，实现药物在树体内均匀分布，从而实现林业病虫害防治达到最佳效果。

微孔施药注射技术在输液打孔作业中，现有钻孔机无法准确控制打孔尺寸深度，导致无法准确钻孔至木质部位，给微孔施药注射技术在输液钻孔方面带来了工作困扰，导致该无公害施药技术的推广遇到瓶颈，影响了病虫害防治的效果。一种可根据需要，自动定位输液钻孔尺寸深度位置的新型半自动输液打孔机解决了这个问题，新型半自动输液打孔机为林业病虫害防治工作发挥了积极的作用。

1 林业病虫害防治工作的意义

林业病虫害的发生是指在一定的环境条件下，病原物与寄主植物相互作用，使病原物群体大量生长、繁殖和蔓延，造成寄主植物病害加重甚至死亡的结果。为减轻或防止病原微生物和害虫危害植物，人为地采取某些手段和方法称为病虫害防治。

我国是林业大国，在林业发展过程中，由于受气候、环境等各方面因素的影响，病虫害随之出现了逐年增多的新情况和新特点，植物病虫害防治工作也从单一走向多元，“像保护眼睛一样保护生态环境，像对待生命一样对待生态环境”的珍爱自然观和“实现大地山川绿起来，生活环境美起来”的理念已深入人心[2]。

树木有着“三分靠种植、七分靠养护”的说法，如遇到病虫害或在生长期出现态势减弱的情况发生，就需要给树木输入一定的药液，起到防治病虫害、补充营养等作用。在病虫害防治工作中，要结合病虫害实际情况，运用科学、有效的方法，综合防治病虫害[3]。

林业病虫害种类繁多，病虫害的发生与发展严重影响了树木的健康生长[4]。植物病虫害被称为“不冒烟的火灾”，病虫害轻者可致一棵或数棵树木腐烂、溃疡，或部分出现枯萎，严重的可致一棵或数棵树木内部被掏空，甚至造成林木死亡，病虫害的发生与发展严重影响了树木的健康生长，导致自然生态保护系统被破坏。

植物与人们日常生活紧密相连，良好的生态环境是人类生存与发展的基本保证。随着“五位一体”总体布局的实施，生态文明建设上升到举足轻重的战略地位，同时赋予林业在建设生态文明和推动绿色发展中的新地位、新使命、新任务。因此，在推进生态文明建设的过程中，要树立和践行人与自然和谐共生的发展理念，护佑植物的健康生长态势，不断提高病虫害防治的能力和水平。

美丽环境是人们对幸福生活的永恒追求，事关民生福祉，为适应新形势、新要求，及时防治林业病虫害，科学技术扮演着至关重要的角色，在林业病虫害综合防治过程中采用新技术、新措施，不断提高病虫害绿色防控的能力和水平，已成为林业工作者的一项重要工作[5-6]。

2 我国林业病虫害的发生现状

植物受到病原物或非生物因子的侵扰后，植物内部的生理活动和外观的生长发育出现异常状态，受害部位先后会发生生理、组织、形态等一系列变化，最后发展为外部可见的变异症状。

近年来，受环境等各种因素的影响，我国每年发生的植物病虫害种类呈逐年增多趋势[7]，目前我国林业存在着超8 000余种的有害生物，其中，比较典型的有害生物达300多种[8]。此外，随着我国经济飞速发展，运输产业也在不断发展壮大，不同区域的植物交流也日趋活跃，导致外来危害性害虫的传播概率不断提高，给生态环境系统带来极大威胁，导致林业对人类产生的积极作用也随之被削弱[9]。

3 传统喷雾防治法的弊端

在林业病虫害防治中，目前应用较多的病虫害防治方法主要为常规传统的喷雾防治法（也称喷洒防治法），用喷雾机将含有化学农药等成分的药液喷洒至树周皮和树冠表层，喷洒防治方法在病虫害防治方面起到了一定作用，但其弊端是飘浮在空气中的药液随着空气流动，不仅给树木、土壤及周边环境等资源带来不同程度的污染，而且造成药剂浪费[10]。

传统喷洒防治方法已经与倡导健康、安全、环保的时代脱节，因此需要与时俱进地研发科学、环保的病虫害防治技术，坚定不移地推进生态文明建设，推动实现更高质量、更有效率、更可持续、更为安全的绿色发展之路。林业工作者应积极推广无公害施药技术的应用，实现高效、环保、及时消杀病虫害的目的，更好地控制林业病虫害的发生与蔓延[11]。

4 微孔施药注射技术

4.1 微孔施药注射技术的优势

微孔施药注射是一种林业病虫害防治技术，特点是具有操作灵活、简便的优势，并能有效降低药剂成本、提高工作效率等优点。在实际应用过程中，无公害微孔施药注射技術的防治效果明显，对林业资源的可持续发展有着积极的促进作用[12]。

微孔施药注射技术与常规传统外用喷雾防治方法存在较大差异，主要优点是可将药液注入树体内部细胞组织[13]，药液利用树木木质部细胞组织传导功能，实现药物在树体内均匀分布，实现对病虫害的综合防治、调节林木生长过程中的营养元素缺失。同时，这种方法使药液注入的药量十分精准，有利于药效的更好发挥，且杀虫范围十分广泛，对隐蔽性较强的害虫具有较好的消杀效果，且不受风、雨等外界天气因素的影响，不会给外界环境造成污染，能有效起到保护环境等积极作用，是一种防治病虫害的有效方法[14]。

4.2 微孔施药注射技术的应用

第一，应用原理。微孔施药注射技术是用直径3 mm左右的钻头在树木生长期内，在距离地面10 cm左右的树干木质部位钻一个输液孔洞，将贮液瓶或贮液袋倒挂于高处，然后将注射器针头沿着钻好的输液孔洞插入树木的木质部位，打开阀门开关，调节液体的流动速度，利用植株蒸腾作用，将药液输入树木的各个细胞组织，促进细胞组织有效吸收药物[15]。输液完毕后即可关上开关，拔出针头，在输液孔处涂抹含有抑制有害病菌侵染、抑制病菌繁衍元素功效的伤口愈合剂，避免引起树木孔口感染，起到保护树木健康生长的目的[16]。

微孔施药注射技术不能简单地认为是将针头刺进树体内部即可，其中涉及多项技术指标要求和注意事项，要明确给树体进行输送的目的，厘清树木的特性和病虫害症状，针头插入时的胸径径向木质部数值深度。不能插得过深，过深则容易破坏树木的木质部细胞组织，过浅则药液不能准确输入至所需细胞组织，不能达到理想的防治效果。

第二，微孔注射器的可循环利用。在微孔施药注射技术应用中，使用过的医疗器皿可以再次回收利用，将回收后用过的注射器放在温水中浸泡2～3 h，等注射器皿里的药剂被清水稀释净后即可，再将注射器皿清理干净，晾干之后保存，下一次可再行继续使用。多次回收再利用注射器皿，能避免资金浪费，还不会给环境产生污染[17]。

第三，输液钻孔至木质部位要准确。树木从外到内依次是树皮（周皮）—韧皮部—形成层—木质部—髓心。木质部是树木的重要组成部分，木质部位于髓心与形成层之间，木质部具有内部细胞组织的运输功能[18]。木质部由导管、管胞、木纤维、木薄壁、木射线这些细胞组织构成。当树木在生长过程中发生病虫害或需要补充一定的营养增强生长态势时，因植物的导管生长在木质部，在进行药液输送时，要通过木质部细胞组织进行传导。微孔输入药液，要保证输液钻孔时钻透树皮、韧皮部和形成层，到达木质部位，过深容易破坏树木的木质部细胞组织，过浅则药液不能输入至有效细胞组织。

第四，普通钻孔机无法满足输液钻孔尺度精准控制要求。随着推广无公害施药注射技术关注度的逐渐提升[19]，“静点”施药注射方法已经悄然兴起。这种前景广阔的无公害“静点”施药技术，限于目前的钻孔机输液钻孔时，深度尺寸位置不易掌控，只是凭着感觉的方式向前推进钻孔作业，而无法准确控制有效打孔尺寸深度至木质部位，在一定程度上制约了其推广普及，存在的主要问题是钻得过深容易破坏树木的木质部细胞组织，过浅药液不能准确输入至所需木质部细胞组织，因而不能有效发挥无公害施药技术的优势。这个具有较好应用前景的施药技术，只有在满足高效、精准的钻孔尺寸深度控制要求，才能发挥理想效果。

由无公害微孔施药技术面临的施药钻孔问题不难看出，要充分发挥智能装备和系统在设计理念上的应用，创新结构工艺，使其满足高效、精准的钻孔要求，推进智能化在钻孔深度上的推广应用，促进“微孔”施药注射方法在钻孔至木质部位尺寸上能实现精准的目标尺寸效果。

5 新型半自动输液打孔机

5.1 概述

要想助力微孔施药注射技术发挥应有功效，就要提高木质部细胞组织定位的质量，加强运用现代科技手段在林业病虫害防治中的应用。这款半自动输液打孔机是在基于林业病虫害综合防治工作，秉承以完善“静点”施药技术在钻孔深度尺寸位置精度准确的应用要求基础上而设计的，可根据深度尺寸需要，设定钻孔尺寸深度，充分发挥微控制器在设计理念上的应用，可迅速、精准地完成输液钻孔任务，提高劳动生产效率，实现林业高产、低耗和环保的目标。

该款新型半自动输液打孔机蕴含了科技和与时俱进的时代思想主题，是以完善静点施药技术在钻孔深度尺寸方面基于精度准确要求及兼具广泛的应用前景为设计理念，将用户端为实现可持续发展的环保思想融入创新设计之中。外观灵感来源于人体手形的仿生意境，电钻的造型呈现了“速度、尖锐、力量”的感受，这种对自然形态的抽象提炼和设计应用，映射了自然本身的灵气和力量，突出使用舒适、便捷的美妙交融，探求使用者依恋实用主义的意境追求，体现人性化和实用性的自然时尚元素，融入科学和情感交互的审美情怀，作业时既舒适，还给人以赏心悦目的美感视觉效果，新技术的应用为林业病虫害微孔施药注射技术的发展起到了推动作用。

新型半自动输液打孔机设有可自由拆卸的调节筒、紧固筒，调节筒靠近紧固筒的一端设有環形分布的导向杆，紧固筒处设有尺寸刻度，同时充分发挥微控制器在设计理念上的应用。微控制器将微型计算机的主要部分集成在一个芯片上，主要作用是控制程序代码，保证所采集数据的精准，用于对电钻机械的自动控制，协调和指挥电钻系统的钻孔电机、钻头操作。微控制器“嵌入”电钻内部装置，根据需要设定的尺寸数值标示进行控制，并负责向开关发出控制指令。微控制器由程序、指令等组成，是发布命令的“指挥中枢”，微控制器首先从刻度中读取尺寸数据的代码获取传感信息，并进行解码和执行，向设备中的开关发送信号以控制运行。

新型半自动输液钻孔机在展开作业时，根据深度尺寸目标，在刻度处设定钻孔尺寸数据，微控制器通过刻度处给予设定的尺寸数值标示，控制钻头按照预期的轨道和规定的运动参数推进，达到预期设定的尺寸时，自动停止作业，能精准控制钻头钻孔尺寸深度。新型半自动输液打孔机的设计推出弥补了钻孔深度尺寸不易控制的缺陷，呈现了科技的动感应用，增添了稳固与科技元素的穿插寓意，带给人们新颖的形态意境与无限的遐想互动空间，具有操作简单、精度准确、艺术特色明显、应用前景广阔等特点，能在钻孔作业中享受成功的魅力与愉悦，对林业病虫害综合防治工作具有重要的积极促进作用，也展现出了较好的发展前景。

5.2 应用优势

普通钻孔机在作业面上打孔时，操作人员只能凭借经验和感觉打孔，并不能确切知道具体的尺寸深度数值，给操作工作带来诸多不便。现有的普通钻孔机无法满足微孔施药注射技术在钻孔尺寸深度数值上的精准需要，因此，要创新设计出一种能满足目标人群，并能提供舒适、良好工作面的新型输液打孔机。

新型半自动输液打孔机的设计依据机器和人的特点，能准确地体现用户的情感，满足实际工作需要。设计者在形态设计上将理性的元素以感性的形式呈现出来，使钻孔机器和人达到一种相对平衡的关系，最终形成一个合理的人机环境，进而提高工作效率。作为一种新型的打孔机器，新型半自动输液打孔机融入了情感和人性化色彩，具有高灵敏度、高准确度、快速响应等优点，可以有效减轻操作者的疲劳[20]。

这款新型半自动输液打孔机是一种广泛应用于微孔施药注射技术中的专用电动钻孔工具，其高效、便捷的特点使得它成为林业工作者在林业病虫害防治中的得力助手，并已成为主要工具之一，在林业病虫害微孔施药注射技术钻孔中发挥着重要作用。随着新型半自动输液打孔机的成功应用，其已成为林业病虫害综合防治中微孔施药注射技术钻孔中的重要组成部分。

5.3 物理原理

新型半自动输液打孔机是一种利用电能驱动的旋转式工具，基于电动机旋转力矩驱动钻头，靠钻头的高速螺旋运动，增强锋利的钻头钻进树层的冲击力量。当电机的旋转力矩通过加大钻头的动力，使钻头循环运动的冲击力量破碎树层，从而使钻头在树木上更好地做刮削形式洞穿，呈现圆形口洞，实现对被钻树体的钻孔，并将孔内产生的树屑带出孔口，钻出适合标准尺寸的孔洞，继而能够迅速、准确地完成对树木钻孔至木质部位的任务要求。

5.4 主要技术参数

新型半自动输液打孔机材质主要为不锈钢、铝合金、高速钢等，不锈钢外壳规格为17 cm×21 cm。如图1所示，该打孔机包括：电钻（内置电机）（1）作业端上设置有可拆卸安装的用于调整钻头（3）和裸露距离的调整组件（2）；调整组件（2）包括：可拆卸安装在电钻（1）上的紧固筒（201）和调节筒（202），调节筒（202）呈现内部中空且两端贯穿的锥形状，调节筒（202）靠近紧固筒（201）的一端设有若干环形分布的导向杆（203），对应的紧固筒（201）上预设有用于导向杆（203）活动的槽孔，在紧固筒（201）上设有与择一槽孔互通的导向槽（205），对应的其中一导向杆（203）上设有延伸出导向槽（205）外的推板（206），且紧固筒（201）上等距设有刻度表。

电钻（1）上预设有外螺纹，对应的紧固筒（201）内设有用于与外螺纹连接的内螺纹。紧固筒（201）的外表面预设有螺纹端，并通过螺纹端螺纹连接有用于限位推板（206）和移动的限位环（204），限位环（204）设为2个，且推板（206）处于2个限位环（204）之间。电钻（1）作业端内延伸设置有用于控制程序的微控制器（101）。

电钻（1）手持端设有角度调节组件（4），其中，角度调节组件（4）包括安装座（401）、第一扣板（402）和第二扣板（403），第一扣板（402）通过活动轴设置在安装座（401）上，且第一扣板（402）扣接在电钻（1）手持端的底部，第二扣板（403）扣接在电钻（1）手持端的背部上方，安装座（401）为内部中空且顶部贯穿的矩形体，在安装座（401）内传动设有一丝杆（405），丝杆（405）上螺纹连接有一滑座（406），滑座（406）和第二扣板（403）之间均通过铰接轴安装有同一个调节杆（404）。

安装座（401）上设有角度标识，且滑座（406）的顶部局部延伸出安装座（401）外，对应的在滑座（406）上设有指示标（407）。安装座（401）的顶部固设有第一把手，对应的在安装座（401）的底部设有第二把手，第二把手呈现“L”形状。开关（5）设在手持端上部内侧。作业时具有操作简便、灵敏度高、钻孔尺寸精度准确、使用安全等特点，能够轻松完成大量的树木钻孔任务，既能提高钻孔质量，又能提高工作效率。

5.5 在微孔施药注射技术中的应用

使用该打孔机对树木进行钻孔时，

先要根据树木直径测算出木质部距外表皮尺寸深度的数值，在紧固筒处设有的刻度表上设定测得的木质部距外表皮尺寸数值。按下设置在手持端的开关，电源通过开关启动后，钻孔电机将电源提供的电能转化为机械能，通过推动推板和导向杆使调节筒驱动钻头，开始高速螺旋式移动推进作业，增强钻头钻进树层的冲击力量，使钻头循环运动的冲击力量破碎树层。在旋转移动时，丝杆通过指示标指示到对应的角度标识上，以此提示电钻是否有角度存在不同程度的倾斜，并通过调节杆控制倾斜角度，从而使钻头在树木上更好地做刮削形式洞穿，钻出适合标准尺寸数值的孔洞。当钻头钻至刻度表上设定的尺寸数值时，负责采集数据和控制程序代码的微控制器向开关发出感应信号，开关接收到微控制器发出的已完成钻孔至设定数值尺寸的感应信号后，钻孔电机、钻头自动停止工作，拔出已钻至木质部位的钻头，再将贮液袋倒挂于高处，将注射器针头沿着钻好的输液孔洞插入树木的木质部位，打开输液管阀门开关，调节好液体的流动速度，利用植株的蒸腾作用将药液输入树木的各个细胞组织。输液完毕后关上开关，拔出针头，在输液孔处涂抹含有抑制有害病菌侵染和抑制病菌繁衍元素功效的伤口愈合剂即可完成操作作业。

5.6 在林业病虫害微孔施药注射技术中应用的重要性

在林业病虫害防治中，科学技术的应用构成核心元素，不仅可以增强防治效果，还能在烘托和激发人的工作情感能动性方面发挥着积极作用。新型半自动输液打孔机具有较强的稳定性和灵敏度，还具有噪声小等优点，在作业操作时不会对周围的生态环境产生噪声，可以实现数字化运行，使机器精准地打出通往木质部且大小合适的输液孔，其优势在于解决了普通打孔机出现的钻孔尺寸深度不易控制的问题，为微孔施药注射技术的推广应用发挥了积极作用。

新型半自动输液打孔机的数据处理能力较强，可以自动分析和传输数据，具有体积小、功耗低、易于集成的特点，结合微控制器和尺寸刻度的精准性，保证采集数据的可靠，协调和指挥设备运行。微控制器通过自动采集到的数据，对获取的数据信息进行分析和处理。新型半自动输液打孔机通过对数据的分析和处理，识别工作情况，实现数字化运行。新型半自动输液打孔机可以将处理后的数据传输至控制系统，实现自动运行，减轻人工处理数据的负担，还能为林业病虫害微孔施药注射技术实现钻孔精准性和提升劳动生产效率起到积极作用，实现林业的高产、低耗和环保，从而提高病虫害绿色防控水平。

6 结束语

林业资源是人类赖以生存和发展的宝贵资源，林业病虫害防治是林业保护的重要任务之一。随着社会的不断进步与创新发展，林业病虫害防治离不开新技术的支撑，在林业病虫害防治工作中，科学技术的应用扮演了举足轻重的角色，智能设备的融入为林业病虫害防治赋予了科技推动力量，通过大力发展现代化智能技术，既大幅提高了工作效率，又打破了遇到的瓶颈。

半自动输液打孔机是一种新型的钻孔机器，结构工艺新颖，精度准确，效果明显，可控制钻孔尺寸深度，能够有效地钻孔至有效部位，填补了普通打孔机不能控制钻孔尺寸深度的缺陷，提升了微孔施药注射技术钻孔木质部位的精准性，降低了劳动作业成本，具有较高的应用价值，为微孔施药注射技术的应用完善发挥了积极作用，也为推动智慧林业可持续发展提供了可靠的保障。

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