果园防霜冻风机比较分析与试验研究

张建强，余建国，陈 军，刘民祥，郑 容，陈 晶，雷 卿

(1.宝鸡市农业机械化发展中心，陕西宝鸡 721004；2.西北农林科技大学机械与电子工程学院，陕西杨凌 712100；3.天水丰神防霜机有限公司，甘肃天水 741000；4.宝鸡市农业信息宣传培训中心，陕西宝鸡 721001)

果园的温湿度条件是果树生长发育、果实产量品质的重要影响因素，同时也是直接导致果园各种病虫害、农业气象灾害的重要影响因素。霜冻是一种由果园温度变化引起的严重的农业气象灾害。尤其是发生在春季的晚霜，会直接冻伤果树的嫩芽、嫩梢、花朵、幼果，直接影响果树的生长发育和果实的开花结果，进而造成减产绝收，特别严重时可直接导致果树死亡。随着全球温室效应的持续加强，春季气温回升速度加快，果树发芽期提前，霜冻对于果园的危害正朝范围广、频率高、强度大、周期长的方向快速发展。因此，防霜冻已成为近年来果园植物保护的热点。但是由于防霜冻问题缺乏系统而精准的研究，常使霜冻的预防措施没有显著的功效。如采用常规的覆盖、烟熏、灌水等方法，效果较差，费时费力，而适合大规模应用的自动化、机械化防霜冻技术尚处于研发阶段。在目前防霜冻的措施中，使用大功率的风机扰动空气，引起果园温度变化，从而防止或减轻霜冻危害的方法是较为可行的。因此，研究在风机作用下果树周围各主要位置的温度变化对于研发可有效防霜冻的风机具有重要意义。田间试验是检验其原理正确与否的主要方式，因此，需要对防霜冻风机进行田间试验。在田间试验中，通过对影响其性能的各因素进行分析，可以更好地发现其规律，可为机器的研发提供理论依据。笔者使用FS5.5型吹风式果园防霜机和FS110型吹风式果园防霜机在果园进行试验，通过测量在提温过程中各位置的温度变化情况，分析逆温层对防霜冻的效果，以期为防止果园霜冻提供理论依据。

1 试验设备

FS5.5型吹风式果园防霜机，功率为5.5 kW，高度为8.5 m，风叶直径为2.3 m。该防霜机由电机驱动叶片转动进而产生风能，对果园上方空气进行物理扰动。

FS110型吹风式果园防霜机，功率为110 kW，高度为11.5 m，风叶直径为6.0 m。该防霜机由柴油机作为动力源，再经齿轮箱、传动轴带动叶片转动进而产生风能，对果园上方空气进行物理扰动。

在风机周围按不同距离、不同高度设立温湿度观测记录点，建立智能温湿度监测预警系统，每隔5 min自动记录温湿度数据。温度传感器测量精度为0.2 ℃，测量范围为-40～120 ℃；湿度传感器测量精度为2%，测量范围为0～100%。

2 试验方案

FS5.5型果园防霜机放置在陕西省宝鸡市扶风县木林森种植专业合作社，分别在距离防霜机10、20、30、50 m，高度均为1.6 m的位置安装温湿度监控探头；在距离防霜机为20 m、高度为8.5 m的位置(逆温层)安装温湿度监控探头；在距离防霜机为200 m、高度为1.6 m的位置安装温湿度探头，作为检验防霜冻效果的对比点。

FS110型果园防霜机放置在陕西省宝鸡市千阳县大地丰泰果业公司，分别在距离防霜机10、20、30、50、80、100 m，高度均为1.6 m的位置安装温湿度监控探头；在距离防霜机20 m、高度11.5 m的位置(逆温层)安装温湿度监控探头；在距离防霜机为200 m、高度为1.6 m的位置安装温湿度探头，作为检验防霜冻效果的对比点。测试点布置见图1。

图1 测试点布置Fig.1 The layout of test points

当温度降至设定温度下限时启动防霜机，在试验过程中，每隔5 min采集一次温湿度数据，并进行记录。

如图2所示，太阳能板为温湿度传感器提供动力，测量终端采集的温湿度数据通过校正和转换，既可以进行现场显示，也可以通过信号基站自动上传至云平台数据库，并通过手机或电脑实时查看。

3 FS5.5型吹风式果园防霜机试验结果与分析

因为防霜冻风机的防霜冻效果产生的基础是大气中的逆温层，因此是否存在逆温层至关重要。为了减少无用数据量，对叶面处(1.6 m)温度相同的数据予以剔除，只保留不同温度数据。研究发现，从4月13日21：00开始，在8.5 m处出现明显的逆温层。温差最大出现在4月14日02：15，在1.6 m处温度为3.7 ℃，在8.5 m处温度为6.4 ℃，温差为2.7 ℃。在采集的53个温度点中，平均升温1.2 ℃。

果树叶面、逆温层与对比点处温度变化如图3所示。图3中逆温层温度线、叶面温度线和对比点温度线分别为木林森种植专业合作社2号、9号和10号测试点的温度数据。2021年4月13日20：00至14日8：00每5 min获取一次温度数据。由图3可知，从4月13日21：00到14日7：50，逆温层温度始终高于叶面与对比点处温度。逆温层平均温度7.0 ℃，叶面处平均温度5.8 ℃，对比点平均温度5.7 ℃。最低温度发生在4月14日6：35，对比点温度为2.5 ℃，叶面温度为3.4 ℃，逆温层温度为5.1 ℃。

图2 数据采集传输示意Fig 2 The diagram of data acquisition and transmission

图3 FS5.5型吹风式果园防霜机叶面、逆温层、对比点处温度变化Fig.3 The change of temperature of the leaf surface，temperature inversion layer and contrast point of FS5.5 orchard frost prevention machine

2021年4月14日4：00启动风机后，叶面、逆温层和对比点处的温度变化如图4所示。图4中逆温层温度线、叶面温度线和对比点温度线分别为木林森种植专业合作社2号、9号和10号测试点的温度数据，每5 min获取一次数据。由图4可知，4：30叶面温度相对对比点温度开始上升。4：30—7：30叶面温度一直高于对比点温度。因此，在风机启动后，果树叶面处温度呈上升趋势。4：00—6：00叶面与对比点温差最高的时间点为5：35，此时叶面与对比点温度分别为4.6 ℃、3.5 ℃，两者温差为1.1 ℃。4：30—7：50在采集的17个有效温度点中，叶面平均温度为4.8 ℃，对比点平均温度为4.3 ℃。试验结果表明，存在逆温层的情况下，风机能有效提高果树叶面温度，以抵御霜冻灾害。

图4 FS5.5型吹风式果园防霜机风机启动后叶面、逆温层、对比点处温度变化Fig.4 The change of temperature of the leaf surface，temperature inversion layer and contrast point after using the frost fan of FS5.5 orchard frost prevention machine

4 FS110型吹风式果园防霜机试验结果与分析

2021年4月27日20：00至28日8：00果树叶面、逆温层处温度变化如图5所示。图5中的逆温层温度线、叶面温度线分别为大地丰泰果业公司3号、9号测试点的温度数据，每5 min获取一次温度数据。由图5可知，从4月27日20：00开始，在11.5 m处出现明显的逆温层。叶面与逆温层的最大温差出现在4：25，叶面(1.6 m处)温度为2.1 ℃，逆温层(11.5 m处)温度为4.4 ℃，温差为2.3 ℃。在采集的113个有效温度点中，逆温层与叶面处平均温度分别为7.0 ℃与6.0 ℃，温差为1.0 ℃。

图5 FS110型吹风式果园防霜机叶面、逆温层处温度变化Fig.5 The change of temperature of the leaf surface and temperature inversion layer of FS110 orchard frost prevention machine

从4月27日20：00到4月28日7：59，逆温层温度始终高于叶面和对比点处温度。逆温层平均温度为7 ℃，叶面处平均温度为5.96 ℃，对比点平均温度为6.20 ℃。最低温度发生在4月28日4：39，对比点温度为2.90 ℃，叶面温度为1.70 ℃，逆温层温度为3.50 ℃。

2021年4月28日4：00启动风机后，叶面、逆温层和对比点处的温度变化如图6所示。图6中逆温层、叶面和对比点温度线分别为大地丰泰果业公司2号、9号和10号测试点的温度数据。由图6可知，4：00启动风机后，4：40时叶面处温度开始上升，5：35叶面温度接近逆温层温度，达到4.6 ℃。此时叶面温度比对比点高0.6 ℃。4：00—8：00，叶面平均温度为4.4 ℃。4：00—6：00叶面最高温度发生在5：50，温度为4.9 ℃。试验表明，在夜间霜冻易发时间段，风机能有效防止叶面温度降低，提高果树抵御霜冻灾害的能力。

图6 FS110型吹风式果园防霜机风机启动后叶面、逆温层、对比点处温度变化Fig 6 The change of temperature of the leaf surface，temperature inversion layer and contrast point after using the frost fan of FS110 orchard frost prevention machine

5 结论

研究了FS5.5型吹风式果园防霜机和FS110型吹风式果园防霜机在果园提温过程中各位置的温度变化情况。研究发现，在空气湿度小于70%时，逆温层普遍存在。在有逆温层存在的情况下，通过使用风机扰动空气，可有效提高果树叶面温度。研究提出，在高度分别为1.6和8.5 m 2个位置测温从而判断逆温层温差的方法，可以有效显示防霜冻效果。