我国果园风送式喷雾装备与技术研究进展

徐陶 吕晓兰 祁雁楠 曾锦 雷哓晖 袁全春

摘要：风送式喷雾机是目前我国果园喷雾装备的主流，针对我国现阶段果园风送式喷雾装备起步晚、装备落后，存在用药量大、雾滴飘失严重等施药现状，从施药原理、作业特点等分别介绍不同机型风送式喷雾装备研究现状，并结合当前先进静电喷雾技术、循环喷雾技术、精准变量施药技术及CFD流体仿真模拟技术，重点阐述目前我国风送式喷雾装备与先进施药技术融合的最新研究进展，分析不同作业方式下风送式喷雾机在果园喷药应用中存在的问题，提出未来我国风送式喷雾机械装备发展的几点建议：深化推进平原及丘陵山地的标准化、宜机化建园；融合先进施药技术及智能探测手段，实现果园风送式喷雾机智能化、精准化施药；针对丘陵山地，研发推广具有体积小、适用性强的适用于丘陵等地小型果园喷雾机型。

关键词：风送喷雾；果园；施药技术；靶标探测；精准施药；CFD仿真

中图分类号：S491+.2

文献标识码：A

文章编号：20955553 （2023） 070069

09

Research status on equipment and technology of orchard air-assisted sprayer in China

Xu Tao1， Lü Xiaolan1， 2， Qi Yannan1， Zeng Jin1， Lei Xiaohui1， Yuan Quanchun1

（1. Institute of Agricultural Facilities and Equipment， Jiangsu Academy of Agricultural Sciences，

Nanjing， 210014， China; 2. Key Laboratory of Horticultural Equipment， Ministry of Agriculture and

Rural Affairs， Nanjing， 210014， China）

Abstract： Air-assisted sprayer is the main orchard sprayer equipment in China. Given the late start and outdated air-delivered spray equipment in orchards， excessive use of pesticides， and serious droplet loss， the research status of different types of air-delivered spray equipment was introduced， focusing on the principle of application and operation characteristics. In addition， the latest research progress on the integration of air-delivered spray equipment and advanced spray technology in China， including the current advanced electrostatic spray technology， circulating spray technology， precision variable spray technology， and CFD fluid simulation technology was emphasized. The existing problems in the application of air-assisted sprayers in orchard spraying were analyzed. Suggestions for the development of air-delivered sprayers in China in the future were put forward， including promoting the standardization and mechanization of the orchard construction in plains and hilly areas， integrating advanced application technology and intelligent detection means to achieve intelligent and precise application of the air-assisted sprayer in orchards， and developing small-sized orchard sprayer models for hilly and mountainous regions.

Keywords： air-assisted spray; orchard; applying pesticide technology; target detection; precise spray; CFD simulation

0 引言

果樹病虫害可导致水果落果、次果及劣果等，严重影响果品的质量［1］。根据种植经验，果树在一年的生长期内施药次数约8～15次［2］，而目前我国的农药利用率约30%左右，农药的过度使用不仅导致资源浪费，更易引起水土污染。为减少雾滴飘失，提高喷雾效果，在提高喷雾装备工作性能的同时，研究学者纷纷致力于如静电喷雾技术、靶标探测技术、变量施药技术、在线混药技术等先进施药技术的研究，在基于果树冠层的精准变量仿形施药方面取得了一定成效。

目前，发达国家的果园风送喷雾技术较成熟，雾流穿透性强，作业效率高。一般来说，西方国家的风送喷雾装备主要以大中型牵引、悬挂式为主，其特点是动力大、射程长、药箱容积大，此类型适用于宽行高冠的标准化果园。日本、韩国为代表的东南亚国家则主要以中小型自走式喷雾装备为主，具有功率小、结构紧凑、通过性好等特点，此类型适用于果园同间距、低矮密植果园。

我国的喷雾施药技术研发起步较晚，现阶段果园的农药喷施设备仍以背负式电动喷雾机为主，存在农药施用量大，雾滴在冠层中飘失、分布不均等问题［3］，植保机械的发展对果园机械全程化及水果生产水平产生重要影响。果园风送喷雾技术自80年代引进中国，经过科研人员多年研究改进，已取得突破性进展，目前已成为果园植保方面应用最广泛的技术。果园风送式喷雾技术是利用风机产生强气流，通过气流流动，带动被喷头霧化的细小雾滴送达果树冠层表面及内部，有效附着于叶面正反面，进而实现果树病虫害防治的效果［4］。

本文针对不同机型的果园风送式喷雾装备工作原理及特点，介绍了不同类型风送式喷雾装备在我国的发展现状；同时结合当前先进果园植保施药技术与理论基础，对我国果园风送式喷雾装备与先进施药技术融合的研究进展进行介绍，并针对当前不同风送式喷雾装备存在的问题，提出果园风送式喷雾机发展建议，分析未来装备研发趋势，以期为科研人员提供参考。

1 国内果园风送式喷雾装备研究进展

经过多年技术研发，我国市面上风送喷雾装备机型多样，功能特点各异。按照喷雾机气流输出方式，风送式喷雾机可分为圆盘式风送喷雾机、塔式风送喷雾机、隧道式风送喷雾机和多风管喷雾机等。

1.1 圆盘式风送喷雾机

圆盘式风送喷雾机的喷头呈圆环状布置在风机出风口处，工作时雾滴呈放射状分散于靶标，该喷雾机型一般适用于普通喷雾作业的传统果园。风送式喷雾机是应用较早的植保喷雾机型，因此又称为传统风送式喷雾机。

圆盘式风送喷雾机的风机为轴流式，在导流板的导向下，将高速气流在吹至喷雾机各出风口，实现气流流动。有研究表明导流结构对气流流动及空间分布规律影响差异较大，因此导流板及其安装角度对气流分布有重要影响。

针对上述问题，吕晓兰等［5］通过设置导流板角度，对空间气流场分布特性进行研究，探究导流板对气流场分布的影响规律，得出当导流板角度调整到最佳位置时，风场分布与果树冠形吻合度较高。周良富等［6］设计的组合圆盘式果园风送喷雾机，具有一定的仿形功能，喷雾位置可根据果树冠层分布来实现调节，雾滴有效沉积到果树冠层内部；邱威等［7］针对低矮密植果园，设计了一种圆环双流道风送雾化装置，有效提高了雾滴在树堂内部叶面正反面的附着率。

在实际作业过程中，与背负式电动喷雾机相比，圆盘式果园风送喷雾机有效提高了作业效率及雾滴在靶标上的覆盖密度和均匀度，但雾滴飘移现象仍较严重。

1.2 塔式风送喷雾机

塔式风送喷雾机是在传统圆盘式风送喷雾机的基础上增加导风装置，改变气流的流向，喷头在风机两侧直列排布，外形类似塔状。与传统风送喷雾机相比，塔式风送喷雾机可以有效降低喷雾高度，减少雾滴流失及漂移。

塔式风送喷雾机在作业时，为实现喷雾高度随果树高度变化的需求，徐莎等［8］设计了一种角度可调的牵引式塔式果园风送喷雾机，改进后的喷雾机喷雾效果良好，可以满足喷雾高度可调的作业要求，喷雾效果得到有效提高。翟长远等［9］针对此机型风向角度不能精准控制的问题，对风箱固定方式、传动方案等结构进行改进优化，并建立雾滴沉积分布高度、喷雾宽度和风箱角度之间的数学模型，试验结果显示改进后的喷雾高度实现了精确调节，有效提高了喷雾效果。

目前果园风送式喷雾机仿形喷雾适应性较差，树堂内雾滴覆盖率低，且分布不均。宋雷洁等［10］针对此问题，对塔式风送式喷雾机的导流结构、风机风速等因素进行优化，通过试验验证，风机吹出的高速气流在导向板的作用下，可均匀地导向至各出风口，有效提高了不同高度果树冠层的着药覆盖效率。

1.3 多导管式风送喷雾机

多导管式喷雾机是通过离心风机产生的气流，经安装有一个或一组喷头的各个导管导向吹出，柔性导管的位置可根据冠层高度、形状、密度等进行调整，达到定向仿形喷雾的目的。

为提高多导管式风送喷雾机的仿形施药作业效果，邱威等［11］针对不规则冠层雾滴沉积不均的情况，通过调节风机转速和导流板安装位置，设计了一种多通道气流仿形施药方法，施药角度可调，达到仿形施药效果。为探究果园多通道风送喷雾机的气流分布规律，李昕昊等［12］对风机内部气流场进行模拟，并对风机主体部分的气流场分布特性进行分析，并得出多通道风送喷雾机最佳送作业参数。

上述对果树冠层仿形施药的控制多基于风速调整或导管截面积风量调节，姜红花等［13］基于单风机多风管喷雾机，提出一种基于果树冠层特征实时调整风量的喷雾技术，试验结果表明较自动对靶风送喷雾，该技术的雾滴在冠层的沉积量提高了17.3%；相比于普通风送喷雾，飘移量降低了69.9%，相比于自动对靶变量喷雾，飘移量降低了50.9%。

多导管式喷雾机能基于冠层分布特性实现仿形喷雾，但该机型一般体积较大，不适用于低矮密植型果园。

1.4 隧道式风送喷雾机

针对篱架式果园植保作业过程中施药工作效率低、农药流失和雾滴飘失严重的现象［14］，国内外研究学者开始研发药液可回收利用的隧道式喷雾机，隧道式循环喷雾机设有隧道型的罩盖，喷雾作业过程将冠层置于近似的封闭环境内，此作业方式可有效减少雾滴飘失节约农药资源，减轻环境污染。

目前隧道式循环喷雾机主要适用于果树冠层高度较低的矮化果园，如篱架式葡萄园等［15］，朱松等［16］设计了一种隧道式雾滴回收施药车，该装置通过将作物置于一个半封闭空间，在风送气流的带动下使雾滴撞击作物冠层表面，从而提高雾滴沉积比例。气流边缘的雾滴随机撞击到封闭挡板后积累并回收再利用，使得风送喷雾机农药使用率低大大提高，克服了农药流失及飘失的缺点。宋坚利等［17］设计了针对篱壁式种植葡萄的“Π”型循环喷雾机，并对循环喷雾机的雾滴回收率与农药在冠层中沉积分布进行测试分析，得出不同喷雾方式下的最佳药液回收率及药液沉积量。

1.5 不同风送喷雾装备对比分析

针对上述不同风送喷雾装备介绍，对我国几种相关产品及技术参数分别介绍，如表1所示。可以看出目前国内风送式喷雾装备仍以中小型为主，多适用于行距株距基本一致的标准化果园。

2 施药技术在风送式喷雾装备上的应用研究进展

2.1 静电喷雾技术

国内外对静电喷雾技术研究起步较晚，我国从70年代末开始了静电喷雾技术的研究，其原理是在电场力的作用下，带电雾滴命中率及沉降速度可得到明显提高，从而降低雾滴漂移，减少农药对环境的污染，实现节约资源及病虫害防治的效果。目前静电喷雾技术已成为国内外学者研究的热点［18］。

研究表明静电喷雾技术在果园风送式喷雾机上的应用，可减少农药损失30%以上。何雄奎等［2］結合静电喷雾及红外传感探测技术，对传统风送式喷雾机改进，研发了针对果园的自动对靶静电喷雾机，试验表明该喷雾机可节省药液50%～75%以上。周良富等［19］针对带电雾滴荷电量快速衰退的问题，设计出双气流辅助系统与静电喷雾系统相结合的果园喷雾机，试验结果表明，雾滴覆盖密度比非静电喷雾分别提高了20%和7.2%，农药雾滴难以沉积到叶片背面的问题得到改善。为阐明感应电压、风机频率、喷雾距离和喷雾压力对雾滴覆盖率的影响，周良富等［20］对各影响因子建立二次回归模型，得出对叶面正反面覆盖率的影响显著性顺序，为合理匹配风送式静电喷雾工作参数，提高雾滴覆盖率提高了理论指导。

尽管利用静电喷雾技术对提高雾滴附着率有显著影响，但此技术仍存在电量消耗大、易漏电、工作性能不稳定等问题，且风送静电喷雾受环境（温湿度）、冠层特征和果树修剪方式等影响较大，因此目前我国风送式静电喷雾技术仍处于研发阶段。

2.2 循环喷雾技术

循环喷雾技术始于20世纪70年代，针对果园施药过程中农药流失、飘失严重的现状，研究学者就果园中流失农药开展了回收利用的研究［1416］。其工作原理是利用封闭装置实现药液回收、拦截并收集未附着的药液，将其回收再利用［21］。为确定循环喷雾机的防漂性能，张京等［22］以传统果园风送喷雾机为对照，对宋坚利设计的“Π”型循环喷雾机的防飘性能进行试验验证，结果表明，在空中飘失和地面飘失的药液中，“Π”型循环喷雾机比传统果园风送喷雾机分别减少了97.9%和99.3%。牛萌萌等［21］设计的高地隙隧道式循环喷雾机，增加控制系统，可对对喷雾量和药液回收流量实时检测，并在操作屏上实现控制和操作。试验表明该循环喷雾机可提高冠层正反面雾滴沉积量，并具有良好的回收循环效果。

我国对循环喷雾技术研究起步较晚，以上研究均基于喷杆式喷雾机，适用于低矮篱笆式各类果蔬园的施药作业，针对果园的风送式循环喷雾相关研究较少。邱威等［23］设计的环流式循环风送喷雾机，改变传统风机放置方式，将风机顶置，通过改变气流运动方向，实现雾滴由外及内、由下而上的运动，从而实现雾滴在果树冠层内的环流。试验结果表明雾滴沉积量得到有效提高，改善了传统喷雾机气流经过冠层时雾滴穿透难、叶片正反面沉积分布不均等问题。

以上研究均表明循环喷雾技术可有效提高雾滴沉积，降低漂移，由于此技术仅适用于低矮的标准化果园［24］，目前尚未普及，但在节能增效方面未来仍有很大发展前景。

2.3 精准施药技术

传统果园风送喷雾机连续喷雾作业时，农药过度使用及无效附着问题严重，因此实现果树的精准对靶变量施药技术是解决这一问题的有效途径，研究表明精准施药技术至少可节省农药50%以上［25］，因此果园精准变量喷雾成为广大科研学者的研究热点。

果园精准施药的有效辅助手段是传感器探测技术，如基于红外传感器、超声波传感器、激光雷达传感器、立体视觉等方法的探测技术已得到广泛应用。何雄奎［26］应用红外传感器探测喷雾靶标，实现了果树的自动对靶喷雾功能；翟长远等［27］基于超声波传感器对果树外形轮廓进行探测，结果表明该方法探测精度较高。李秋洁等［28］基于激光雷达，对树冠距离进行分析计算，试验结果表明基于激光雷达的探测方法性能稳定，在树冠连续和不连续情况下均能实现树冠体积在线测量。李龙龙等［29］以激光传感器为探测源，基于冠层特点建立冠层分割模型，设计了一种可根据探测信息实现风量、喷雾量可调的果园自动仿形喷雾机，喷雾试验表明该喷雾机可以满足果园病虫害防治要求。

2.4 变量施药技术

变量施药是在已有的喷雾机基础上融合传感器探测技术及变量喷雾技术，目前国内科研人员已对变量施药技术开展了大量研究。束义平［30］设计了一种基于激光传感器的多通道变量喷雾机，开发的对靶喷雾控制系统利用激光传感器实现离散化植株体积的精度计算并验证，最后根据果树冠层实时体积实现喷雾调控方法。试验结果表明，该变量喷雾控制方法可精确地检测树干距离，冠层体积的计算相对误差小于10%。董祥等［31］结合超声波靶标探测、多柔性出风管风送与风送喷雾技术等核心施药技术，设计了3WPZ-4型风送式葡萄喷雾机，该喷雾机使用超声波传感器对地面位置、冠层高度、喷杆高度等信息采集并输出到PLC控制系统，对喷雾流量、压力、机架行走速度等参数采集处理，并通过各施药执行机构控制变量喷雾。试验结果表明该系统精准对靶系统精度高，喷雾量平均误差2.90%，雾滴流失率为13.40%，飘移率为20.84%。

为实现对不同高度位置喷头药量进行独立调控，孙文峰等［32］基于变量施药技术，设计的变量施药控制系统，采用多传感器对车速、流量、压力等信息实时监测，并将采集到的信息运用神经网络自学习能力修正PID参数，实现精准调控药液回流量。试验结果表明该控制系统工作稳定，实际施药量与理论值相差1.3%，实现了变量施药的目的。

目前精准变量施药的相关试验研究均基于理想环境，由于田间作业复杂，果树冠层参差不齐，交互重叠，精准施药技术仍处于理论研究阶段，目标探测可靠性、稳定性等还有所欠缺，因此实现喷雾实时精准调节仍是科研人员攻克的难题。

2.5 不同施药技术对比分析

不同先进施药技术对比分析情况如表2所示。在风送喷雾装备基础上融合先进施药技术，有效提高了雾滴穿透性及命中率，尤其在雾滴精准对靶仿形变量施药方面取得突破性进展。智能化、精准化仍是我国风送喷雾装备未来发展方向，但各先进施药技术的工作性能稳定性、适应性仍有待加强。

3 CFD仿真模拟技术应用

采用CFD仿真模拟技术建立风场、雾滴运动模型，可不受外部环境（冠层特性、温度、湿度、风速等）的影响，可以有效节约试验成本及时间［33］。CFD仿真模拟技术，主要通过改变作业参数，模拟喷雾机在不同环境中的气流场及雾滴沉积分布，观察不同工况下风场及雾滴运动的运动规律及趋势，以调整作业参数适应不同作业环境，为进一步优化风送式喷雾机提供理论支撑与数据参考，达到最佳喷雾效果。目前国内外学者已基于CFD的流体仿真软件对风送式喷雾的风场及雾滴分布特性展开了大量研究。

3.1 风场试验模拟

近年来，研究学者进行了大量的风场建模方法研究，主要基于模型初始条件、模型选择、计算域三方面研究。翟长远等［34］以果园常用的塔式风送喷雾机为研究对象，基于CFD仿真模拟技术，通过设置边界条件及作业参数，建立了喷雾机气流场空间分布模型。陈发元等［35］利用CFD模拟技术对仿形风送喷雾机的气流场进行三维模拟研究，并进行了验证试验，结果表明不同出风口位置的速度是影响风场分布的首要因素，且不同出风口的风场会产生干涉现象。喷头是风送喷雾机中关键部件，在风机动力转换、改变风场分布、提高雾滴穿透性等方面均发挥重要作用，基于此，杨风波等［36］针对新型气助式喷头建立了气流场CFD模型。吕晓兰等［5］为探究果园风送式喷雾机的上下导流板角度对三维风场分布的影响，利用CFD模拟建立三维风场模型。丁天航等［37］针对单风道果园喷雾机两侧气流场不对称、施药不均匀的情况，设计了双风道果园风送试验台，并利用CFD仿真模拟建立了单双风道的气流场模型。

以上研究对风送式喷雾机的设计及优化提供了数据参考，但在风场建模试验中没有考虑果树冠层对风场的影响，对此，国内外部分研究学者开展了基于冠层的风送喷雾机气流场和雾滴分布模型［38］，为简化计算过程，研究学者以多孔介质代替果树冠层。国外对果园风送式喷雾机多孔介质数值模拟方面研究较多，国内相关研究报导较少。张豪等［39］利用多孔介质模型代替果树冠层，构建虚拟果园模型，建立了果树在不同生长阶段、不同风速等喷雾作业参数下气流场分布模型，如图1所示，并研究其气流场分布规律，为果树施药的对靶喷雾自适应控制技术提供了参考。

3.2 雾滴沉积分布试验模拟

雾滴在作物冠层内的有效沉积是决定施药质量的关键环节，近年来许多学者基于CFD仿真模拟技术对雾滴沉积分布特性进行了大量研究。祁力钧等［40］基于果园风送式喷雾机建立了雾滴分布模型，研究雾滴沉积分布规律特性，仿真结果表明基于CFD的雾滴沉积分布趋势及沉积量与雾场分布試验吻合度高。李杰等［41］为研究喷头距离及送风角度对雾滴沉积的影响，建立雾滴沉积分布模型，结果表明送风角度对雾滴飘失影响随着喷头距离的增大而逐渐增大。孙国祥等［42］探究了不同施药高度和风速对雾滴沉积分布的影响，结果显示雾滴的沉积量与喷雾高度和风速呈负相关。王梅香等［43］基于离散相模型对气流速度与喷施角度对雾滴沉积分布的影响进一步验证，结果表明设置合理的喷施角度可有效减少风速对雾滴漂移的影响。王景旭等［44］研究了靶标对雾滴运动及喷雾角度的影响关系，如图2所示，模拟结果表明气流速度与雾滴粒径是雾滴附着靶标的关键因素，喷雾速度越高，农药雾滴的沉积率越低。

CFD仿真模拟技术作为风场及雾滴分析的辅助手段，已被科研人员广泛应用。但目前大多集中于喷雾机静止时的简单风场与雾滴在简单冠层环境内的研究，瞬态条件下由于喷雾机移动导致的出风口位移出现引起较大的风场变化，雾滴在气流场带动下在果树冠层的绕流与穿透等问题，使得风场及雾滴分布建模方法有待完善。

4 存在问题与不足

风送式喷雾机通过风机产生强大的气流，利用导向装置将雾滴输送至果树冠层，具有喷雾质量好、劳动强度低等优点，在科研人员的不断努力下，我国的风送喷雾装备及技术均取得了长足进步，但仍存在一些问题。

1）  农机农艺结合较差。我国地形复杂，且种植模式多样，尚没有制定相关的果树种植标准，很难实现果园风送喷雾机通用性。如部分果农通过增加种植密度、减少株距、行距的形式盲目追求果实产量，但此种植模式不适宜大面积推广及机械化的应用。另外受丘陵山区地形及地块面积的影响，农机适应性差。

2）  机型老旧。据统计，2022年我国果园种植面积达12 266khm2，主要集中于广西、陕西等丘陵地带。为控制投入成本，小型、旧式风送喷雾装备仍受部分果农青睐。且其作业方式单一，大部分为连续喷雾作业方式，药液利用率极低，并且危害操作人员的健康。部分果园使用了比较先进的风送式喷雾机，但由于绝大多数人员没有考虑因喷雾机风场存在的漂移问题，仍存在药液浪费现象。

3）  先进施药技术尚不成熟。风送式喷雾机是目前喷雾装备的主流，但由于静电喷雾技术、循环喷雾技术、多传感器融合技术等应用到风送式喷雾机的技术研究尚不成熟，施药技术与果树冠层的交互耦合机理尚不明晰，提高风送喷雾均匀度，减少雾滴飘失、药液流失等仍是研究的关键。

4）  基于CFD仿真模拟的建模技术不够成熟，离实用化和产品化仍有较大的差距，对风送喷雾雾流在果树冠层的绕流与穿透研究的CFD模型研究较少，还需要深入探究、完善成熟的建模方法。

5 展望

我国作为水果生产大国，果园种植面积达12266khm2，果园植保机械应用前景广泛。果园风送式喷雾机作为果园植保机械主流，传统的果园喷雾装备已满足不了林果业发展的需要，针对现阶段果园风送式喷雾机研发基础及现状，提出未来果园风送式喷雾机研发重点及发展建议。

1）  农机农艺有机结合，深化推进标准化果园建设。我国尚处于标准化建园的起步阶段，平原地区鼓励土地承包制，将小地块果园实形集中化、标准化管理，果树种植模式实现统一化、宜机化管理；丘陵山地，进行宜机化改造，深化推进标准化建园模式，为实现机具通用性、提高适应性提供作业条件。

2）  通过建设标准化示范园区，示范推广可靠性强、喷雾作业效果好的喷雾机型。同时完善农机具报废制度，通过增加农机具报废补贴及扩大农机具报废补贴范围的方式鼓励农户及合作社及时对新机型更新换代，以提高农机具作业效果。

3）  先进的施药技术与植保机械有机高效融合，在现有施药装备研发基础上，重视理论研究，重点解决以静电喷雾技术、循环喷雾技术、在线混药技术等的痛点难点问题，基于果树冠层密度分布特征，提高靶标精准变量仿形施药精度，实现农药的低喷量、精喷洒、少污染、高工效，实现新技术、新机型推广示范。

4）  不断完善CFD仿真计算模型，提高基于CFD仿真模拟技术对复杂作业环境的通用性及适用性。

随着经济发展和科技进步，人们对生态环境安全和健康环保理念更加重视，风送喷雾装备将逐步向大型化、智能化、精准化、节约化、高效化方向发展，施药技术更加完善，为解放劳动力、实现无人农场提供基础。

参 考 文 献

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