柑橘园施药关键技术及机械研究进展

梁植源，范健文，林贤坤，卜庆鑫

（广西科技大学 机械与交通工程学院，广西壮族自治区 柳州 545006）

目前，我国已成为世界最大的柑橘生产国和消费国。柑橘是人们喜爱的水果，随着人们对美好生活的追求，人们对柑橘的需求也逐步增加。然而，黄龙病对于柑橘来说，是最具破坏性的[1]，极大地影响了柑橘的果实品质，给我国柑橘产业造成了巨大的经济损失。针对柑橘黄龙病危害日趋严重的现状，防治工作迫在眉睫，要想提高柑橘产业的健康发展，就需要以先进的施药技术及喷药机械为基础，促进柑橘产业建设。

1 柑橘产业现状及黄龙病发生情况

1.1 柑橘产业概述

由国家统计局数据了解，2019 年我国果园种植面积已达到 1.227 668×107hm2，水果产量 2.740 084×108t，其中柑橘种植面积有2.617 3×106 hm2，柑橘产量达到4.584 54×107t[2]。柑橘种植面积、产量分别占果园种植面积、水果产量的22.52%、16.75%。表1显示了近10年来我国柑橘种植面积和产量的基本数据。从表中可以得出，我国柑橘产业在10年中保持稳定增长，预计在未来3～5年，我国柑橘种植面积和产量继续稳步略升。

表1 我国近10年柑橘基本情况Tab.1 The basic situation of citrus in the past ten years

1.2 柑橘黄龙病发生情况

柑橘黄龙病现象是使得柑橘叶片变黄，它不仅影响柑橘的产量，而且影响柑橘的品质。全球有接近50个国家都受到黄龙病迫害，给柑橘种植户带来了巨大的经济损失。

目前，在我国种植柑橘的20 多个省区中，有11 个省受到该病的危害，发病面积已达到面积的80%，产量损失占总产量的85%[3]。近几年由于带病木苗流入，广西黄龙病发生率出现上升趋势；赣南、湘南、桂北柑橘黄龙病蔓延加重；浙江南部柑橘产区发生的黄龙病和木虱逐渐往西面、北面扩大，已危害到衢州产区；四川凉山地区受到黄龙病威胁，宜宾屏山县发现有木虱和黄龙病现象；云南主要特色基地防控黄龙病形势严峻[4]。

2 施药关键技术及机械研究现状

2.1 施药关键技术

在柑橘果树植保过程中，大多会采用化学药剂防治柑橘病虫害，喷洒农药是最常见的化学防治方法。传统的喷药模式存在许多缺点，不但劳动强度大，喷药消耗成本高，而且损害喷药员的身体健康，极大限制了柑橘产业的发展[5]。有效的施药技术是果园喷药作业的关键环节。目前，国内外果园应用的施药技术主要有以下几种。

2.1.1 静电喷雾技术

静电喷雾技术兴起于20 世纪40 年代的法国，是国际上先进的防漂移技术，静电喷嘴与作物靶间的电场由高压静电器产生，喷射出来的带电液滴在电场力、空气阻力和重力的共同作用下迅速沉积在作物表面，它能有效改善雾滴在作物表面的附着，减少用量，减少环境污染[6-8]。目前雾滴均匀带电方式分为3 种，即接触充电、电晕充电、感应充电，见图1。从形成的雾滴充电效果考虑，接触式充电效果最优，电晕式充电效果不易控制，感应式充电效果较差；从安全角度来看，感应式充电时最安全的，其次是电晕式充电，接触式充电绝缘较难。

图1 静电喷雾技术充电原理图Fig.1 The charging principle of electrostatic spray technology

2.1.2 变量喷雾技术

果园变量喷雾技术始于20 世纪70 年代，主要作业流程是：利用非接触式检测技术，采集果树冠层的所需特征信息，进行多次试验研究，通过相关算法建立适合冠层特征信息的喷雾决策模型，依据决策模型的反馈信息，系统进行喷雾参数动态调整，实现变量喷雾[9]。该变量喷雾技术设备主要有信息检测采集系统、变量控制系统、喷雾系统，核心在于搭载信息检测采集系统，其中重点变量控制系统包括喷雾流量控制、喷雾风量控制、喷雾位置控制等，能针对不同的冠层结构分别进行调节喷雾，增加冠层受药均匀性。

2.1.3 风送喷雾技术

在20 世纪50 年代，在发达国家开始将风送喷雾机用于果园植保作业，该风送喷雾技术搭载风机和液泵，它能增加雾滴在果树冠层中的渗透性，增加冠层中的液体沉积量，使农药利用率提高到30%～40%，与传统喷雾相比具有明显优势[10]。但风送喷雾技术进行施药作业时，仅是按照固定药量喷洒于果树冠层结构，不能自动调节作业参数，导致果树冠层出现局部喷药过量和局部施药过少情况[11]。目前，风送喷雾技术逐渐与变量喷雾技术、静电喷雾技术、仿形技术、实时混药技术进行结合研究，由粗放施药向精准施药方向发展。

2.1.4 自动对靶喷雾技术

在20 世纪70 年代前后，前苏联和美国开始研究自动对靶喷雾技术[12]。自动对靶喷雾技术是利用传感器检测技术从目标上采集所需信息，并利用自动控制技术驱动执行机构实现自动喷药。自动对靶喷雾技术可以节约植株间距之间的农药喷洒量，但是对喷雾机的前进速度和信号脉冲处理精度有较高的要求。当前传感器检测技术运用较多的是超声波传感检测、激光传感检测、图像采集处理技术等。其中超声波成本低，结构简单，在喷雾机械中有很大的应用前景；激光传感能达到检测精度准确，但因其价格昂贵不适用于大量的喷药机械；图像采集处理可以较好地识别农作物姿态，但由于处理速度实时性还无法满足，仍处于固定空间的作物病虫害检测试验阶段。

2.1.5 航空喷药技术

航空喷药技术是指利用农用航空器或者其他航空器，从空中向目标作物区喷洒农药的方法，具有速度快、喷洒效率高、面对突发性大灾害能力强等优点[13-14]。从2010 年开始，植保无人机在我国得到发展迅速，其主要优点是工作高度低、药液漂移小、环境污染小、病虫害防治效果好、灵活性高等，在农作物保护中具有广阔的应用前景。

2.2 施药技术及机械国内外研究现状

2.2.1 国外研究现状

许多国家为了降低施药污染、提高喷雾效果，已经逐渐往低量化、精准化、变量化和智能化研究方向发展，广泛应用主要的先进施药技术，如静电喷雾技术、变量喷雾技术、风送喷雾技术、自动检测喷雾技术、无人机航空喷雾技术等。

Ramón Salcedo[15]等研究了静电喷雾技术在西班牙棚架葡萄园的效率，分别进行了实验室测速试验和田间喷雾效果试验，分析得出静电喷雾时叶片沉积和前进速度之间的显著相关性。Heli H.T.de Assuncão[16]等使用静电喷雾器在玉米上进行现场试验，结果表明，静电喷雾器提高喷药效率的原因在于喷药溶液电导率的增加有一定积极的关系。Denise T ourino Rezende de Cerqueira[17]等在静电喷雾中添加了空气辅助，以进一步改善喷药沉积。

Lepeng Song[18]等基于多传感器的变量喷雾系统，提出了一种基于混沌优化和自适应模糊逻辑的新型智能双闭环控制方法，试验得出，控制系统的动态性能取得了令人满意的控制效果。Liming Chen[19]等得出了激光引导变量智能喷雾技术有效减少农作物生产中的农药使用。

Paolo Balsari[20]等研究了气动喷嘴中液滴粒径谱表征参数与主要影响因素之间的关系。Marco Grella[21]等应用多排风送喷雾器进行试验，通过增加液滴粒径谱，降低药液损失达到75%以上。Simone Pascuzzi[22]等使用创新的风送静电喷雾器，评估风送式静电荷对葡萄园叶面喷雾沉积的影响。

Ron Berenstein[23]等设计了一种能够处理不定形和可变目标的精确农药喷洒装置，分析估计，使用该喷洒方式时，最多可以减少45%的农药。Hayrettin KARADÖL[24]等开发了一种基于杂草密度的自动检测和喷洒除草剂的系统，通过数码相机并使用MatlabTM软件编写算法对图像进行同步处理，现场研究表明，药液应用量明显减少，应用准确率提高。

Javier Campos[25]等采用一架装有多光谱相机的无人驾驶飞行器，从遥感技术获得数据，绘制葡萄园树冠活力图，达到精确地理参考位置，实时修改工作参数。Qi Lian[26]等设计了一种基于单片机和微型隔膜泵的精密可变流量喷雾系统，试验结果表明，系统对工作状态响应迅速，能够快速完成泵目标流量的调节。

2.2.2 国内研究现状

过去我国果园施药技术与国外相比，存在许多不足，比如喷洒效果差、作业效率低、劳动强度大等，已经无法满足标准化果园病虫害防治的要求。近几年来，国内的施药技术也有了初步的发展。

夏伟[27]等设计了一种风送静电喷头用于解决叶背面雾滴密度低的问题，试验研究表明，静电喷头在作物背面覆盖率可提升70%以上。周良富[28]等分析了双风送静电果园喷雾器的喷雾效果，得出了在2 挡和4 挡转速下，静电喷雾反面雾滴的覆盖率分别提高了40%和17%。马旭[29]等总结出静电喷雾与喷杆喷雾相结合的喷雾技术，研究表明，静电喷雾能有效增加植株下部和叶背上水滴的沉积量。

孙文峰[30]等设计了一种依据神经网络的PID控制变量喷雾系统，达到了单位面积药量不变的目标。茹启龙[31]等提出了一种基于电控伺服变量柱塞泵的变量施药控制方法，弥补了传统优化控制方法对于不确定性反应较为敏感的不足。束义平[32]等设计了激光雷达探测的变量喷雾控制系统，研究了变量喷雾控制算法，实现延时补偿，保证系统的实时性。

翟长远[33]等建立了喷雾高度调节模型，改进后的试验表明，波纹管的角度得到了精确调节。李昕昊[10]等探讨了不同送风方式对果园喷雾液滴分布的影响，在相同条件下，涡轮风送技术的能耗比塔式风送和圆形风送分别节省了36%和33.3%，叶片与叶背喷雾密度相差9.6%。

袁湘月[34]等运用了红外探测技术及自动控制技术，研制了果园自动对靶喷雾机，结果得出该机的性能比较良好。许林云[35]等设计了一套自动对靶喷雾控制系统，并将激光传感器作为自动目标检测装置，试验结果表明，该系统对稀疏果园的精确对靶喷药有较好的使用价值。邹伟[36]等采用红外传感器，设计了果园对靶喷药控制系统，室外试验结果显示，在传感器检测范围内，果树识别率与喷药覆盖率分别达到了100%。

秦维彩[37]等针对N-3 型无人直升机,通过研究喷洒参数对玉米冠层雾滴沉积分布的影响，结果表明，作业高度为7 m时，雾滴在目标上的沉积量大，雾滴沉积量的离散程度最小，雾滴分布均匀性最好。陈盛德[38]等以HY-B-10L型单旋翼电动无人机搭载北斗系统UB351 绘制作业轨迹，研究结果表明，在作业高度为1.92 m 时雾滴沉积平均均匀性最佳，且非靶区的雾滴漂移总量最少。

3 我国果园施药技术及机械发展存在的问题及相关措施

3.1 施药技术及机械发展存在的问题

我国柑橘果园施药技术及机械水平低的主要原因有：柑橘果园总体种植面积较太大，占全国果园总部面积的20%以上，且主要种植在丘陵山区；柑橘种植多为个体种植，规模小，传统的管理模式，集中管理的难度加大；丘陵山区的地形严重影响了作业机械行走、转场；市场上现有的果园喷药机械大多不适应柑橘果园的种植环境和作业地形；柑橘果园标准化种植模式宣传力度不够，推广服务体系不完善，果农对柑橘果园有利于喷药机械的新模式认识不足。

3.2 发展施药技术及机械的相关措施

进入21 世纪以来，人们认识到对生态环境保护的重要性，环保意识日渐增强，并且对农作物农药污染问题的重视。因此，对于要提高柑橘果园的施药技术水平，能够更好地防止柑橘受到病虫害的威胁，进一步推进柑橘产业的蓬勃发展，具有极大的紧迫性和重要性。

3.2.1 加大柑橘果园施药技术及机械的研发力度

针对我国柑橘果园的种植地形和多种柑橘果树的生长趋势，应结合风送、静电、变量和自动对靶技术，加快中小型智能喷药机械的研发，增强柑橘果园喷药作业与防治病虫害的针对性、高效性和适用性，以实现精确目标喷洒，或实现风量和喷洒量的智能调节，或实现送风量、喷药量智能精准调节，满足标准柑橘果园定量、精确、均匀喷洒的要求。

3.2.2 充分发挥施药技术团队的专业服务作用

随着我国城市化进程的加快和农村劳动力的短缺，对应用施药技术的服务要因势利导，激励果农引进先进的施药技术进行柑橘果园作业，做好组织服务工作，并及时处理施药技术使用、技术指导与推广等问题，让果农收益更高。

3.2.3 加速推广标准化柑橘果园种植建设

根据中国丘陵山区的缓坡平地，改造建设标准化柑橘果园，通过土地承包和集中管理，规范柑橘果园的种植密度，改善施药作业的基本环境，强化柑橘园沟渠和作业道的基础设施建设，有助于提高施药技术结合喷药机械进行作业时的效率和质量。

3.2.4 加大政策扶持力度

针对果农所需的柑橘果园新型施药机械购置实施补贴政策，对企业生产研发和农机研发机构进行定向资金补贴，科学安排项目资金，鼓励企业对新型施药机械加强投资；另外，政府应加大推进和引导种植户和果农购买和应用柑橘果园新型施药机械，进一步推进柑橘防治病虫害先进施药技术的应用及施药机械发展化。

4 总结

综上所述，随着水果产业不断发展，柑橘产业要进一步往大规模、低成本、高品质、高收益的方向发展。现阶段我国柑橘施药主要有移动式机动喷雾器、电动喷雾机，果园施药技术的研究及推广还比较滞后。对于标准化柑橘果园，应逐渐向机械化、自动化、智能化方向发展，结合先进的自动检测、风送、变量、对靶控制技术开展研究，提升病虫害防治效果，增加农药使用率，降低脱靶率和漂移率，提高喷雾沉积率，研制作业效率高、适用于我国柑橘果园地形的施药机械，改善柑橘果园环境，减少污染。

柑橘作为水果产业的一大支柱产业，加大柑橘施药技术及其机械的研究，将促进柑橘产业持续和健康的发展，缩小与国外先进水平之间的差距，助推我国经济稳步上升。