山地果园固定管道喷雾装置设计与性能研究

李昕昊，王鹏飞，李建平，边永亮，薛春林

（河北农业大学 机电工程学院，河北 保定 071000）

我国优质果园多集中在丘陵山地地区，而山地地区地形复杂，道路崎岖，各类大中型喷雾机械很难进入果园作业[1～4]。部分果农仍使用背负式喷雾机进行植保作业，一方面作业效率低，劳动强度大，另一方面用药量过多造成农药残留，果品质量降低，严重影响我国水果产业的发展[5～8]。而固定管道喷雾装置为山地果园植保作业提供了新的方向，管道喷雾装置自20世纪80年代中期引入我国后，就得到了快速发展[9～13]。固定式管道喷雾作业效率高，雾化效果好，且受地形影响较小，并且在喷雾作业后可优化果园内微域环境进而改善果树生长条件。

李民宇等[14]设计了1套管道顺序喷雾架，并在柚子园中对其喷雾有效性进行了田间试验，为果树病虫害防治减量施药提供了新的方法。王辉等[15]设计了1种果园管道自动顺序喷雾的电控系统，通过控制果园内电磁阀的开启顺序，实现自动顺序喷雾，不需要人工进入果园作业。李怀有[16]设计了1种果园微灌与管道施药复合系统，该系统可针对多目标作业，具有节水省药的效果。宋淑然等[17]针对果园管道喷药系统非线性、大时滞特性，采用自整定模糊PID控制算法，以实现果园管道喷雾系统中对于药液压力的控制。吴伟锋等[18]针对现有山地果园管道喷雾系统喷雾压力问题，设计了1种多节点系统，以单片机为核心，采用ZigBee模块进行通信，监测各节点管道内药液压力。代秋芳等[19]研究了果园山地管道喷雾压力和孔径对雾滴粒径参数的影响，对雾滴参数进行了多元线性回归分析，建立了雾滴参数模型。Agnello等[20]针对密植苹果园设计了1种基于PE管道以及连接在管道上的喷头构成的固定管道喷雾系统。综合上述文献，现有的山地果园管道喷雾系统研究多集中在固定式管道施药系统设计和施药控制技术的探讨上，而本试验则设计了1种由果树内膛向外喷药的固定管道喷雾装置，研究了山地果园管道固定喷雾装置对高纺锤形苹果园的施药效果以及施药过程中果园内微域环境的变化情况，为山地果园喷雾作业提供技术参考。

1 果园山地固定管道喷雾装置构成及原理

1.1 装置的构成

山地固定管道喷雾装置主要由喷雾供给单元、喷雾单元和控制机构组成，如图1所示。喷雾供给单元为喷雾系统提供恒压药液，由药液池、自动配液泵、雾化主机和田间管网组成。喷雾单元由高压PE管、喷雾架、高压喷头（GP—S3010）组成。控制机构由手持遥控器、分路控制阀和其内部控制元件构成。

1.2 工作原理

每行果树立不锈钢管作为喷雾管架，地头、地尾各立1杆，中间均匀立2杆，高度为4 m。在果树树干上布置下垂管路，下垂管路螺旋盘在果树上，单棵果树下垂管路布置4个喷头，最底层喷头距地面0.5 m，其余喷头沿管路均匀布置，如图2所示。

田间喷雾时，通过手动遥控器打开开关，运行雾化主机，压力调至50 bar，清水与药液通过自动配液泵进行在线混药，混合后的药液通过雾化主机的处理，经过高压PE软管输送到喷头处，并通过控制阀控制不同管路的运行。

2 试验材料与方法

2.1 试验材料

水敏纸（重庆六六山下植保科技有限公司）；激光扫描仪（EPSON PERFECTION 1670）； 温湿度测量仪（精创RC-4）；风速测试仪（希玛AS856S）；秒表。

2.2 试验内容及方法

2.2.1 试验环境 果园山地固定管道喷雾试验于2020年10月11日在河北农业大学曲阳县果树试验站标准果树示范基地进行（北纬38°40′46″，东经114°42′57″），果树为6年生苹果树，品种为‘国光’。该果园采用矮砧密植的果树栽培模式，果树冠层形状为纺锤形，株距 1 m，行距 3.5 m，树高 3.5 m，试验前环境温度为24.2 ℃，试验前环境湿度为40%，环境风速为 0.22 m/s。

2.2.2 采样布置 固定管道喷雾试验区内共7行试验用果树，每行选取3棵果树作为试验样本，试验样本选取过程中，尽量选取每行中间位置，且每隔1棵进行取样，防止样本过近互相干扰，影响试验数据的准确性。为测量出管道喷雾雾滴的穿透性能以及雾滴附着效果，按照果树冠层形状布置水敏纸。根据试验果树冠层直径和形状（如图2所示），将果树冠层分为上、中、下3层，3层的平均冠层直径为0.8 、1.6、2.1 m，下层距地平均高度为0.7 m，每层之间的平均距离为1.1 m。在每个截面的东、南、西、北4个方位均布置水敏纸，由于试验果树冠层形状呈纺锤形，上层冠层直径小，向下冠层直径逐渐增大，因此布置水敏纸时，下层每个方位分外中内布置，中层每个方位分中内布置，上层每个方位只在冠层内部布置，布置点如图3所示。上述冠层内部距树干0.2 m，中部距树干0.6 m，外部距树干1.0 m。

2.2.3 试验过程 固定管道喷雾试验区内共7行试验用果树，试验过程中喷雾20 s关闭第1行阀门，同时根据五点取样法在第1行内选择取样点，每个取样点距地面1.5 m，用温湿度仪测量试验区内的温湿度值并进行记录，试验过程作业图如图4所示。第2行喷雾40 s，以此类推最后1行喷雾时间140 s，并及时记录每1行的温湿度值。喷雾完成后分别采集每行的水敏纸。

图4 管道喷雾作业图Fig. 4 Pipeline spray operation diagram

将采集好的水敏纸，利用激光扫描仪进行扫描处理，通过Image-master软件进行雾滴信息后处理，经过框选提取水敏纸、调节雾滴背景像素、雾滴背景剥离、雾滴反选、降噪筛选干扰因子等过程最后统计结果，如图5所示。提取结果中的雾滴体积中值直径和雾滴覆盖率进行汇总分析。

图5 数据处理Fig. 5 Data processing

3 试验结果分析

3.1 雾滴附着情况分析

3.1.1 雾滴覆盖率分析 为探究固定管道喷雾雾滴附着情况，从雾滴分析软件的统计结果中提取出雾滴沉积覆盖率，将上中下冠层的覆盖率均值进行处理，如图6所示。

图6 覆盖率分布Fig. 6 Distribution of coverage rate

分析图6中的数据，5次试验中各冠层的雾滴沉积覆盖率随喷雾时间的增加，覆盖率逐渐增加，时间每增加20 s覆盖率增值分别为50.91%、32.41%、39.67%、14.54%、3.22%、1.07%，当喷雾时间100 s期间后，雾滴沉积覆盖率增加变缓，到100 s时雾滴沉积覆盖率达到33.47%，满足药液在果树上的覆盖率要求[21]，为了达到节水节药，保护环境的目的，将喷雾时间100 s定为管道喷雾设备作业时间。

3.1.2 雾滴穿透冠层性能 由于果树冠层为纺锤形，下层冠层直径大，且管道喷头布置在冠层内侧，因此对果树外部雾滴沉积效果要求较高，分析雾滴穿透冠层的性能能够有效判断管道喷雾设备喷雾性能。选取第100 s试验下层外部数据进行分析，得到喷雾结果，如图7所示。

图7 下层外部雾滴沉积覆盖率Fig. 7 Deposition coverage of the lower and external fog droplet

由图7可知，对于外部冠层雾滴沉积覆盖率均集中在30%，表明固定管道喷雾设备对于下层较厚冠层的穿透性能良好，雾滴可穿透冠层附着在外侧靶标[21]。

3.1.3 垂直方向冠层雾滴沉积 为探究雾滴在果树垂直方向冠层内部分布情况，并根据喷头布置方向，选取100 s上、中、下冠层内部数据进行处理，喷洒的果树冠层雾滴沉积覆盖率及雾滴上、中、下3层的变异系数如表1所示。固定管道装置作业后，靶标果树冠层垂直方向上的平均雾滴沉积覆盖率上层>中层>下层，分析原因为雾滴由喷头喷出后，受重力场的影响下层雾滴沉积覆盖率大。上、中、下冠层的变异系数分别为11.21%、13.24%、12.56%，参考文献[22]中的变异系数值，固定管道喷雾装置雾滴分布在垂直方向上施药均匀。

表1 果树垂直方向雾滴分布Table 1 Vertical droplet distribution of fruit trees

3.1.4 雾滴沉积分布均匀性 对果树冠层雾滴沉积整体分析，上、中、下截面内部冠层以及不同方位的雾滴沉积覆盖率如表2所示，并选择下层数据做折线图如图8所示。

表2 各冠层雾滴沉积覆盖率Table 2 Droplet deposition coverage rate of each canopy %

图8 下层各方位雾滴沉积覆盖率分布Fig. 8 Distribution of fog droplet deposition coverage rate in different directions of the lower layer

分析各冠层不同方位的雾滴沉积覆盖率（见表1），不同方位的雾滴沉积覆盖率相差较大，各冠层不同方位最大偏差分别为80.69%、88.86%、83.39%，分析其原因是由于管道螺旋盘在树干上，喷头均匀布置在管道上，喷头的雾化角度无法辐射到背面方向，导致雾滴沉积覆盖率在某一个方位上小于10%，后续研究中需要调整喷头及管道在树干上的布置方式，使雾滴沉积在各个方向上都均匀沉积。

3.2 果园微域环境变化分析

固定管道喷雾设备与传统喷雾机的不同在于管道喷雾可对果园整体作业，在防治果树病虫害的同时改变果园内部微域环境，喷雾作业过程中果园内部温湿度变化如图9所示。

图9 温湿度变化曲线Fig. 9 The change curve of temperature and humidity

由图9可知，试验开始前的温度为24.2 ℃，湿度为40%，试验开始后第1次结果显示，温度明显下降，湿度明显上升，在后续的试验数据中温度逐渐下降，最大降幅为7.2 ℃，湿度逐渐上升，最大升幅为21%。因此可通过固定管道喷雾设备改变果园内部微域环境，夏季降温，冬季加湿，温湿度的良好控制可以使光合作用的效率提升，收成产量稳定提升。

4 结论

为探究由果树内膛向外喷药的固定管道喷雾装置在高纺锤形苹果园内的作业性能，分别分析了喷雾试验后的苹果树上雾滴沉积效果以及果园内微域环境的变化：

（1）雾滴可穿透冠层附着在外侧靶标，果树下方冠层雾滴沉积覆盖率均集中在30%，固定管道喷雾设备对下层较厚冠层的穿透性能良好。

（2）在垂直方向，上、中、下冠层雾滴沉积密度变异系数分别为11.21%、13.24%、12.56%，固定管道喷雾装置雾滴分布在垂直方向上施药均匀。

（3）测量喷雾后果园内环境温湿度，温度最大降幅为7.2 ℃，湿度最大升幅为21%，果园微域环境温湿度变化明显，因此可通过固定管道喷雾设备改变果园内部微域环境，控制果园内部温湿度。