[摘要]：本文介绍了果园植保机械国内外发展现状以及存在的问题，分析了发展变量施药机械与施药技术的必要性。然后从变量药液喷施技术方面分析了在国内外果园变量施药技术的研究现状，对比了国内外在变量喷雾喷头发展的不同。国外对于果园变量喷雾的研究起步早，技术更新快；国内起步晚，技术在引进国外技术的同时也在改进适用于我国植保方面的机械，如国内目前使用较多是风送喷雾机，介绍了风送喷雾机以及相关变量喷雾喷头的国内研究现状，分析了现有机具及变量喷雾喷头的优劣。
关键词：植保机械 施药机械 施药技术 风送喷雾机 变量喷雾喷头
[Abstract]: This paper introduces the development status and existing problems of orchard plant protection machinery at home and abroad, and analyzes the necessity of developing variable application machinery and application technology. Then, from the perspective of variable drug spraying technology, the research status of variable application techniques in orchard at home and abroad was analyzed, and the differences in the development of variable spray nozzles at home and abroad were compared. Foreign research on the orchard variable spray started early, and the technology update was fast; the domestic start late, the technology is also improving the machinery applicable to China#39;s plant protection while introducing foreign technology. For example, the domestic use of air spray sprayer is introduced. The domestic research status of air spray sprayer and related variable spray nozzles analyzes the advantages and disadvantages of existing implements and variable spray nozzles.
Key words: Plant protection machinery, Application machinery, Application technology,Air delivery sprayer, Variable spray nozzle
课题研究目的和意义
我国林木种苗种植面积约100万公顷、主要经济林果（如油茶、红枣、核桃等）种植面积达800万公顷。2012年，我国果园面积达1.237亿公顷，水果产量达1.57亿吨[1]。但我国的林业喷药技术较为落后，严重影响了我国林业经济的发展，对林业产品质量及市场竞争力的提高产生较大的阻碍。尤其在果树成长周期内，一般需喷药8-15次，是果园生产中重要的作业任务，喷药效果的好坏直接影响了水果的品质和等级。而且我国农林业、园艺、果园等病虫害防治机具仍以机械化、自动化程度较低的手动踏板式/背负式喷雾机、高压喷枪、背负式喷雾喷粉机、担架式喷雾机为主，其中手动喷雾机占80%左右的市场份额，其喷雾压力低、射程短，在果园防治中只适用于低矮果树、果苗、除草等，苗圃不同种类树形变化大、树间距大，传统的喷雾机械不能根据树冠的大小和密度实时调整药液喷施量，是按照设定的喷雾参数进行恒定的喷施，导致过量或喷施量不足。在施药过程中，我国果园每亩施药量是发达国家2-5倍，喷施的药剂只有30%-50%能沉积在作物叶片上，不足1%沉积在靶标害虫上，真正起到杀虫作用的药剂不到0.03%，绝大部分药剂散落在地表或者环境中，存在药液利用率低，无效喷洒多、农药浪费严重、环境有污染等突出问题。因此化学农药是高效的，但有效利用率却很低[2-3]。故此在不断更新植保机械。
在我国目前风送喷雾机是果园植保作业中的重要技术装备，工作时雾滴在风机产生高速气流带动下，远距离输送附着在果树各个部位，达到省时省力的目的。果树在气流的吹动下，药液更易于沉积在树膛内部，提高雾滴的穿透性，农药利用率达30%-40%，解决了我国果园施药难、施药设备落后和农药利用率低等难题 [4-5]。果园风送喷雾机多以轴流风机作为风源，由于轴流风机叶片的定向转动导致两侧风向有上扬和下扑之分，两侧气流场并不对称，从而导致施药中雾滴的沉积分布不一致，造成对两侧果树病虫害防治效果不相同。且大多采用单一的出口，造成垂直方向上气流场分布不均匀，冠层上部药液的沉积效果差而下部药液流失严重。合理安排喷雾机出风口流道可以将风机的风场进行合理规划，从而改善喷雾效果。将风送装置与传统的喷头相结合，能够充分发挥风送喷雾的优点，将化学农药高效、环保的输送到靶标部位。
- 国内外研究现状
2.1国外发展现状
国外对喷雾机械的研发设计早，起点和水平较高，整机具有重量轻，功率大且操作方便等优点，现已有成熟的系列化产品。目前，欧美发达国家的植保机械以大、中型喷雾机为主，主要有自走式、牵引式和悬挂式3种配套形式，集现代微电子技术、仪器与控制技术、信息技术、光机电一体化技术和GPS定位技术为一体，设备的可靠性、安全性及方便性好，具有喷量少、喷洒精度高、污染少和效率高等特点，可以看出国外的植保机械正朝着智能化方向发展[6-9]。如有R. C. Derksen等人开发了一种带有五指喷嘴的空气辅助喷雾器，通过实验和数学方法分析得到适合的喷雾器，改善雾滴穿透冠层性能[10]。Amelese E等人使用新的计算流体动力学（CFD）方法模拟从果园风送喷雾器到梨园的农药喷雾流以及在不同环境系统中的沉积，通过试验和计算机辅助设计，得到提高喷雾效率和减少对环境的影响的合适数据[11]。Jamar L在较小地块中进行多因素试验，得出使用隧道式喷雾器减少了农药的输入和在果园中的飘移，有利于提高农药利用率[12]。Cai Jichen等人通过实验，在“开发实时激光扫描系统检测树木可变速率农药应用的冠层特征”这项研究中，设计了激光扫描系统用于获取树的网格体积以实时量化树的几何特征树冠。通过实验表明可以应用激光扫描系统来提供网格体积实时不同的顶棚密度，具有良好的可靠性，可用于引导变速喷涂机，对喷头改进方面有着重要意义[13]。
随着技术的进步，国外对施药机械的研究也从来没有止步不前过。目前由USDA-ARS-ATRU自主研发出了一种新型喷雾机械。它是在原葡萄园喷雾机药液输送和风送系统的基础上采用了新型五指风送式喷头,集成了高速激光扫描系统、自定义的传感器数据分析仪、变量控制器和一个多通道的风送式喷施系统形成的新型果园智能喷雾机械，如图1(a)所示。其中五指风送式喷头喷头是从巴西一家montana industrials买的。巴西montana industrials这家公司还生产了各种类型的多流道喷头，如图1(b)，其类型为二指，三指，四指喷头，主要是针对葡萄园药液喷雾的。关于多流道喷头的研究，南京农业大学的顾家冰针对由USDA-ARS-ATRU自主研发出了一种新型喷雾机械，做了气液两相流及雾化的试验，研究了安装五指喷头的风送喷雾机的性能。另外还有其他学者类似的研究，如Nuytens D等关于农业喷雾漂移，喷嘴类型，尺寸的影响的研究项目的框架研究了喷雾液滴特性的压力，通过试验研究，得到测试结果清楚地显示了喷嘴类型，尺寸和压力对液滴尺寸的影响速度谱同的顶棚密度，具有良好的可靠性，可用于引导变速喷涂机，对喷头改进方面有着重要意义[14]。Emilia Hilz等人通过试验分析，提供了有关物理的系统报告农业喷雾液的特性以及它们如何影响喷雾特性。得出结论，不仅与喷雾混合添加剂有关，而且还与一定配方类型有关，为此而用于减少喷雾漂移。最后讨论了根据物理化学估算漂移风险的可能性得出不同配方类型诱导喷雾液的性质[15]。P.C.H. Miller等人对农业喷嘴的性能具有与液滴尺寸和速度分布有关的成分喷雾，喷雾结构，夹带空气特性和喷雾体积分布模式做了研究。结果表明，其他因素也影响喷雾形成过程。通过分析知道，空气感应和双喷嘴在喷雾配方过程中混合空气和液体，产生带有空气夹杂物的液滴对结果也有影响。另外那些已经发现喷嘴设计具有对喷雾液体性质变化更敏感的性能液压喷嘴和展示与传统喷嘴类型不同的趋势[16]。J.D. Obermiller等人进行了一系列实验来比较轴流风机，鼓风喷雾机，配备空气感应（AI）或常规（C）中密度苹果（Malus·domestica）果园的喷嘴。性能是通过评估1）在四个水平的横跨风速下，冠层内的喷洒覆盖率，2）在静止条件下来自空气漂移的地面沉积物；3）开花后间伐喷雾和季节性“高风险”的生物功效不包括甲基托布津的杀菌剂计划。通过试验得出，这些不一致性与喷嘴类型的组合效应有关。另知道人工智能喷嘴应提供同等或可能改进的覆盖范围，以及在管理良好的果园中与C型喷口相比的生物效应两排之间的距离不超过18英尺。然而，当果园排成一排时大于18英尺，AI喷嘴将导致减少喷雾覆盖率和化学效果与C喷嘴相比，相邻行，因为减少了喷雾，及由于空中漂移得出C喷嘴好的结论[17]。Ronen.B等人通过分析知道，传统的喷嘴用来产生喷雾，广泛应用于农业喷雾。在许多情况下，它们依靠空气辅助有效地将喷雾液滴输送到目标，但存在比如药液利用率不高等问题。因此他们通过实验，研究了一种传统的平板风扇液压喷嘴，最优的当使用高环境空气速度来防止带电液滴沉积在电极及其绝缘装置。实验室测试表明，喷嘴之间的间距可能因为太小，从而降低了每个喷嘴的充气量的液位，为此得出较好的结果[18]。可以看出，国外对于植保机械的发展很重视，对这方面的研究一直在不断探索中。
