中国果园植保机械化技术与装备

　　水果已成为继粮食和蔬菜后的中国第三大种植业， 据农业部规划，到 2020 年中国果园面积将稳定在 1.33×107 hm2。在果园管理中，果园植保是保障水果稳产、增产的关键环节，其工作量约占果园管理总工作量的 25%。当前果园植保主要依赖喷施化学农药进行病虫害防治，先进的施药技术与植保机械是提升农药利用率、提高作业效率、增强防治效果的重要手段。

　　目前，中国果园施药仍以手动喷雾器大容量淋雨式喷雾法为主，用水量达 600～1 200 L/hm2 ，农药利用率尚不足 30%，造成大量药液浪费、环境污染及果品农药残留超标，严重时甚至导致作业人员中毒;而发达国家大量应用低容量、超低容量、循环喷雾等新技术，用水量低至 200 L/hm2左右，施药量大大降低，农药利用率大幅提高。关于植保机械，中国各类背负式手动(电动、机 动)喷雾器社会保有量达1亿台以上，一台设备打遍百药防治各种病虫害是普遍情形;而发达国家已普遍采用 机械施药，实现专业化植保。从成本上看，随着中国城市化进程加快，农村劳动力转移，人工施药成本增加且作业效率低，导致水果种植效益不断降低，水果产业发展缓慢。果园机械施药不仅用药少、农药利用率高，在降低劳动强度、提升作业效率、节约生产成本等方面也具有突出优势，是未来中国果园植保发展的必然趋势。

　　本文首先介绍中国果园的主要种植方式及其植保机械化发展水平，然后阐述当前植保机械化关键技术与装备研究进展，最后结合果园种植方式与植保机械研究现状，提出果园植保机械化发展建议。

　　1 果园种植方式与植保机械化发展水平

　　1.1 果园种植方式

　　中国果园品种繁多、地域分布广泛、种植历史悠久。 按照地形划分，主要分为丘陵山区果园和平原果园， 但以丘陵山区果园为主，约占果园总面积的 65%。丘陵 山区果园大多为陡丘陵和缓丘陵种植，仅有少许平地种植。特别是陡丘陵地区，坡度较大、崎岖不平，主要采 用梯面种植方式，其垂直方向呈阶梯式，水平方向依山走势，由于山坡多为凸起状态，同一梯面种植果树并不 在同一直线上，且不同阶梯弯曲度也不相同;缓丘陵地 带存在沟沟坎坎且田块分散，阶梯种植或顺坡种植方式 居多;坡度更小，地势更加平坦的平地果园则接近平原果园种植方式。

　　按照年代划分，主要分为传统果园和现代标准化果园，但以传统果园为主，约占果园总面积的 75%。传统 果园有乔化稀植型和低矮密植型，目前以低矮密植型居多。以苹果为例，传统果园行距一般为 4.0～5.0 m，株距 3.0～4.0 m，树冠多为开心形，冠层高大、枝干粗壮，因 建园时未考虑机械化作业需求及管理粗放等，易形成行间郁闭;现代标准化果园行距一般为3.0～4.0 m，株距 1.0～1.5 m，树型有纺锤形、直干形、Y形等，冠幅小而细高，管理规范，易于机械化作业。此外，果树设施栽培作为露地自然栽培的特殊形式，具有调控果实成熟期、延长果品供应期、扩大种植范围和控制病虫害传播 等优点，在中国得到快速发展，其主要种植方式有日光温室、塑料大棚和避雨栽培等，目前在葡萄、草莓、樱桃、桃等果品种植中，应用较为成熟。

　　1.2 果园植保机械化发展水平

　　受果园立地条件及种植方式等因素影响，中国果园植保机械化发展水平仍然偏低，资料显示丘陵山区果园 仅为 7.5%，平原果园为 15%。分析原因主要有：丘陵 山区果园种植面积比例大，但其地形地势复杂，严重阻碍机械化施药;如陡丘陵果园地面植保机械根本无法进 园，导致几乎无机可用;缓丘陵果园同样地势凹凸起伏， 加之分散种植、分户管理，缺乏机械行走、转场农机道， 导致机械化施药程度低。平原果园立体条件虽好，但由于以家庭种植方式为主，单户种植规模小，购买设备成本高、获益慢，影响了植保机械化发展;传统果园种植方式农艺管理较为粗放，行株距不规范、大树冠、平拉枝、行间郁闭，影响植保机械通过性。此外，植保服务体系不健全，技术推广培训不到位以及果农对机械施药认识不足等，均是限制植保机械化发展的重要原因。

　　2 果园施药技术发展

　　实现果园植保机械化，离不开先进的施药技术与植保机械。其中施药技术是果园喷雾作业的关键环节，目前国内果园施药技术主要包括管道喷雾、风力辅助喷雾、 静电喷雾、循环喷雾、变量喷雾和航空施药等。如今施药技术与植保机械正逐渐向着智能、精准、高工效、低喷量的方向发展。

　　2.1 管道喷雾技术

　　管道喷雾技术指采用地下埋设管道，经立管联结地面高压软管和喷枪，通过药泵对药液加压送入管道后带动多个喷枪同时作业。该技术多适用于中国丘陵山区果园， 自 20 世纪 80 年代中期引入中国后得到不断推广，表1为果园管道喷雾技术在中国部分地区的应用发展。

　　从表 1 可以看出，管道喷雾技术在中国应用分布广 泛，且较人工背负式、推车式及车载式喷药省工省时、 效率高、投资少、效益好，能够有效控制病虫害发生和蔓延。但由于该技术仍然存在管道压力分布不均时常爆管、管道药液残留腐蚀、郁闭果园施药人员易中毒等问题，后续仍需进行针对性研究。

　　2.2 风力辅助喷雾技术

　　风力辅助喷雾技术是利用高速风机产生的强气流， 将经过药泵和喷头雾化形成的细小雾滴吹送到果树冠 层，进而达到果树防虫治病的效果。该技术既能保证 喷雾距离，又能增强雾滴穿透性和沉积均匀性，同时气流扰动叶片翻转提高了叶片背面药液附着率，自20世纪80年代引进中国，经过多年研究改进，已取得长足发展。

　　国内学者王荣等[23]通过改进风机蜗壳结构使出口风 速提高 61.5%;刘青等通过在风筒中加装导流器使喷洒 幅宽提高 22%～46%;祁力钧等通过 CFD 仿真与试验发现距风机中心 2.4 m处雾滴沉积量分布平均相对误差 最低为 33%;张晓辛等通过优化导流片与喷头喷射角度，使风速和喷雾量分布曲线与树冠轮廓高度吻合。风力辅助喷雾技术的不断进步，为风送喷雾机在中国的应用发展提供了良好的技术基础。

　　2.3 静电喷雾技术

　　静电喷雾技术源于 20 世纪 40 年代的法国，指通过 高压静电发生装置让静电喷头与靶标之间形成电场，使 带电雾滴与冠层形成“静电环绕”效应并在静电力、气 流曳力和重力作用下快速沉积到靶标，从而增加雾滴在作物表面的附着能力。该技术能够显著提高雾滴沉 积量，特别是作物背面雾滴沉积率，一度成为国内学者研究的热点。

　　针对静电喷雾技术在果园的应用，舒朝然等采用 数理方法建立了树冠静电喷雾过程的电子-机械模型，精 确表达了树冠静电喷雾过程中荷电雾滴的沉积机制，验 证了果园静电喷雾的可行性，且其研究表明：雾滴粒径 在 30～80 μm 时，雾滴荷电性能最好，考虑自然蒸发和 风的影响，建议作业雾滴粒径谱宽范围以 50～100 μm 为 宜;周良富等[30]提出风送喷雾与静电喷雾相结合，并通 过响应面模型分析法研究了感应电压、风机频率、喷雾 距离和喷雾压力等工作参数对叶背面雾滴覆盖率的影响，结果表明该模型决定系数为 93.68%，相对误差小于 10%，工作参数对响应面模型有显著性影响;除此，周良富等还设计了双气流道辅助静电喷头，通过试验表明该 喷头在喷雾压力 0.4 MPa、感应电压 6 kV、采集距离 1.0 m 以内条件下，静电喷雾叶背面雾滴覆盖密度较非静电喷雾 提高 15%以上。上述研究均为果园静电喷雾机的研制及部件选择、作业参数匹配等提供了良好的理论依据。

　　2.4 循环喷雾技术

　　循环喷雾技术最早出现在 20 世纪 70 年代，那时国外果园趋于矮化种植，原来高达近 4.0 m 的果树冠层 降到 2.5 m 以下，使其能够被横跨覆盖喷雾，并且采用药液回收装置拦截并收集未沉积的药液回收再利用成为可能，由此循环喷雾应运而生。循环喷雾种类繁多，主要可概括为“П”型罩盖型、收集器型、反射型和气流循环型 4 种类型。随着技术发展，多技术融合，各类型之间区别已不再明显，如“П”型罩盖型与气流循环型相 结合。Ade 等通过葡萄喷雾试验发现，循环喷雾较普通风送喷雾地面流失量减少5%，雾滴沉积率提升至87%; Peterson 等[35]通过改进循环喷雾风机配置方案，进一步提高了循环喷雾的工作性能。

　　2.5 变量喷雾技术

　　果园变量喷雾技术最早开始于 20 世纪 70 年代，是 将对靶喷雾与变量控制相结合，通过非接触式靶标探测 技术获得树冠特征信息，在大量试验基础上建立与树冠 特征信息适应的喷雾决策模型，依据模型反馈的喷雾参数进行动态调节，最终实现变量喷雾。该技术核心是 靶标探测技术，重点是变量控制系统，表 2 为目前最具 代表性的靶标探测技术原理及优缺点，表3为变量控制系统及其效果。

　　2.6 航空施药技术

　　航空施药技术指利用飞机或其他飞行器将农药从 空中均匀喷施在目标区域的施药方法[51-52]。2010 年以 来，随着植保无人机在中国的迅速发展，以植保无人机 为应用载体的低空低量航空施药技术已逐步成为研究 热点。植保无人机施药药箱容量一般在 5～20 L(最近两年相继出现过药箱容量大于 30 L 的植保无人机，但是应用相对较少)，喷洒幅宽在 5～20 m，果园植保时飞 行高度一般设置距离冠层顶端 1.5～2.0 m，距地面高度至少为 3.5～4.0 m[59]。该技术具有作业效率高、作业效果好、 应急能力强等优点，应用前景广阔。