设施农业专用固定管道式常温烟雾系统

李雪，吕晓兰，张美娜，陆岱鹏

【摘要】中国设施农业配套施药装备匮乏，现有施药装备存在装备落后、药械雾化质量差、农药用量大、农药利用率低等问题，而且施药过程中作业人员受毒害情况严重，针对以上问题，江苏省农业科学院农业设施与装备研究所创新研发了一套设施农业专用二相流固定管道式常温烟雾系统，该系统结构简单，可快速转换应用于不同农业设施的施药作业，节约投入成本；喷雾系统产生的超细烟雾状雾滴具有均匀的弥漫性，可以有效降低农药的使用量和成本；系统工作后对温室大棚内的地面湿度没有影响。另外，该喷雾系统成功实现了人-药分离，保障了作业者的人身安全。该系统可有效解决现有设施植保机械装备施药量大、雾滴粗、弥漫效果差、沉积不均匀等问题，在缓解中国设施植保配套装备应用不足的同时，为设施植保装备的研发提供借鉴。

背景

随着农业产业结构的调整，中国设施农业生产规模逐年扩大，2013年中国蔬菜播种面积就已达7525万亩（501.67万hm2），温室大棚面积达360万hm2，占全球温室面积的85%以上，是世界最大的蔬菜温室生产区域[1-3]。然而，设施的相对封闭性导致设施内高温高湿现象频发，容易滋生病虫害，从而引发农产品品质和产量严重下降[4]。因此，病虫害防治一直是设施农业管理中的关键性技术。但是，中国设施配套的施药装备匮乏，一般使用背负式喷雾器、机动喷枪进行大容量喷雾作业[5-6]，这种作业方式使农药有效利用率很低，同时造成大量雾滴沉积到地面，增加土壤湿度，为病虫害多次爆发提供条件；而且大容量喷雾在作物成株期，喷洒农药时，雾滴不容易穿透植株冠层，叶片背面更难以沉积药液，而有些病虫集中隐藏在叶片背面，致使防治不彻底，为此用户不得不增加喷洒次数，不仅费工、费药、费水，而且造成环境和农产品的严重污染。所以，在化学农药使用仍是农作物病虫害防治的主要方法的前提下，农药的减量使用是降低农药污染的主要措施。

农药使用技术是研究如何把农药有效成分正确地输送到靶标上的技术，所采用的施药技术和施药器械能否保证足够剂量的有效输送，是影响农药能否达到防治目标的主要因素。早在20世纪80年代，以美国、日本等为代表的发达国家，便针对设施农业特殊的农艺要求和管理特点，致力于新型施药技术和药械的不断创新与研发。常温烟雾施药技术和低容量/超低容量施药技术、气流辅助喷洒技术等，逐步取代大容量喷洒技术，达到防治效果的同时，大幅度提高了农药利用效率，降低了农药使用量和环境污染，如常温烟雾法和粉尘法，可使农药形成体积中径（VMD）为5～30 μm的烟状雾，靠超微雾滴和粉粒本身的悬浮飘移均匀扩散到温室内各个角落，能够在作物冠层内和叶片背面均匀沉积，施药量仅为2～4 L/667 m2。作业时，操作者无需进入温室内，节水节药的同时，保证了操作者的人身安全。中国设施专用植保机械发展较晚，1998年，农业部南京农业机械化研究所自主设计制造了3YC-50型常温烟雾机，其后又研制了新一代的3YC-100型常温烟雾机，但是由于农药雾化不均匀，雾滴尺寸偏大，射程较短，中途操作者需进入温室大棚内调整烟雾机位置，无法实现人-药分离，加之施药效率低、农药沉积分布不均匀等问题，该机型并没有得到广泛的推广应用。据统计，目前绝大部分地区的农民依然使用背负式喷雾器进行设施喷药作业。因此，为降低农产品的农药残留，实现设施农产品安全生产，设施农业专用高效施药系统与化学农药减量使用技术研究势在必行。

江苏省农业科学院农业设施与装备研究所针对中国设施施药存在的主要问题：药械雾化质量差，农药用量大而利用率低，作业人员受毒害严重和农残导致的食品安全问题等，创新研发了一套设施农业专用固定管道式常温烟雾系统，以期为设施植保装备的发展起到推动作用。

固定管道式常温烟雾系统

二相流喷嘴的结构原理

噴嘴作为喷雾系统的关键部件，其喷雾性能直接决定了喷雾系统性能的优劣。该系统采用的喷头是基于文丘里效应的二相射流喷嘴，喷头内部的输气管管径会在出口处收缩减小，喷头构造简单，易加工，易安装。喷嘴的雾化原理（图1）为喷头内腔的低压气流经过喷口收缩处形成相对高速的气流，高流速的气体和套管中被吸入的低压药液在狭窄真空区域充分混合摩擦碰撞雾化后以高速气雾流的形式喷出，之后喷出的高速气雾流再受到细小喷嘴尖的撞击进行二次雾化，形成烟雾状的细小雾滴。二相流喷嘴的相关技术参数见表1。

固定管道式常温烟雾系统的组成

系统包括可移动式室外主机和室内固定管道执行系统两大部分。作业人员全程室外操控，实现了人-药分离，避免了药物对作业人员的侵害。室内管道由气路管道、液路管道以及二相流喷嘴组成；可移动式室外主机集成了气路输出单元、液路输出单元和控制系统，室外主机可通过快速接头与棚室内的固定管道系统进行连接，有利于实现主机在棚室间的快速作业转换。

烟雾系统的主要构成部件如图2，空气压缩机和水泵的型号分别为红五环JAC30A和欧维尔AS-15隔膜泵。控制系统可以控制空气压缩机1、水泵2和水泵3的工作状态，空气压缩机1和水泵2同时开启，烟雾系统处于喷药状态；空气压缩机1单独开启，烟雾系统处于送气状态，增加棚室内部的空气扰动，促使系统产生的超细雾滴弥漫在设施内部；水泵3单独开启，烟雾系统处于喷水状态，可以实现棚室降温的目的，另外在每次喷药结束后运行水泵3，对管路及喷嘴进行清洗，可以达到降低农药残留物对喷雾管路系统的腐蚀与伤害的目的。

室外主机（图3）采用双水泵运作，室内管道式执行系统采用了恒压微滴灌管路及压力补偿式滴头，可以使到达每个二相流喷嘴的输入气压及液压基本一致，达到喷雾效果稳定均匀的目的。另外，通过气路调节阀4和液路调节阀5可实现施药雾滴尺寸、喷雾量及射程的控制。

固定管道式常温烟雾系统的应用

为测试该系统的喷雾性能，研发团队在江苏省农业科学院设施农业与装备研究所的塑料大棚内进行了现场测试。该大棚跨度8 m，长50 m，脊高3 m。在棚内中部南-北截面距地面高度2 m位置的直线上布置喷头，喷头间距2 m，共布置25个。喷雾系统的工作参数如表2，可知该系统工作5 min后，药液可均匀弥散在棚室内部，作业效率相当于人工作业效率的5～6倍。作业效果如图4，喷嘴处喷出的雾滴细腻而均匀，细雾滴能够均匀的分布弥散在喷嘴下方的棚室空间，在棚顶的雾滴分布较少，通过CFD对喷雾雾滴运动情况进行分析发现，喷雾过程中，系统气雾对设施空间气流产生扰动，在设施内部空间形成环状湍流从而促进雾滴的进一步弥漫扩散和均匀沉积（图5），而且由于该系统产生的雾滴粒径十分细小（VMD仅为30～35 μm），液滴表面对固体具有较大的黏附张力，相比于粒径粗大的粗雾滴，细雾滴更容易附着在固体表面，有利于药液在植物叶片上的附着和沉积，提高农药利用率。另外，相比于大中容量喷雾，该系统在作业前和作业后不会对棚室的地面湿度造成显著影响，从而有效控制地面病虫害的滋生。

由表3可知，该系统与目前设施内常用管道式高压喷雾系统的参数对比，具备喷雾细腻、安装简易、使用安全、部件可靠、维修成本低、作业面积大等优势，值得推广应用。

总结

二相流雾化技术及固定管道式烟雾系统研发可有效解决现有设施植保机械装备施药量大、雾滴粗、弥漫效果差、沉积不均匀等问题，在缓解中国设施植保配套装备应用不足的同时，为设施植保装备的研发提供借鉴。该系统结构简单、易加工、成本低、固定安装在设施内的气体管路、液体管路，通过快速接头实现与棚室外集成了液泵、空压机、药箱等供液供气主机的对接，使得该系统可快速转换，用于不同农业设施的施药作业，节约了投入成本，提高施药作业效率；喷雾系统产生的超细烟雾状雾滴均匀弥漫沉积于设施内，能够有效降低农药的使用量和农药投入成本，减少农药残留发生，保护环境和食品安全，同时设施作物冠层直接置于立体环绕的农药环境中，作物能够与农药充分接触，有利于病虫害的彻底防治；喷射的细小雾滴，有利于棚室内降温，而不会明显增加土壤湿度，可使设施环境的温湿度处于合理范围；另外，该喷雾系统的主控机组在设施外部，作业人员全程无需进入设施内，降低了劳动强度，实现了人-药分离，保障了作业者的人身安全。

参考文献

[1] 郭世荣，孙锦，苏胜，等.我国设施园艺概况及发展趋势[J].中国蔬菜，2012（18）：1-14.

[2] 李天来.我国设施蔬菜科技与产业发展现状及趋势[J].中国农村科技，2016（5）：75-77.

[3] 董静，赵志伟，梁斌，等.我国设施蔬菜产业发展现状[J].中国园艺文摘，2017（1）：75-77.

[4] Brown RB， Sidahmed MM.Simulation of spray dispersal and deposition from a forestry air blast sprayer part II：droplet trajectory model[J]. Transactions of the ASAE，2001，44（1）：11-17.

[5] 李龙龙，何雄奎，宋坚利，等.果园仿形变量喷雾与常规风送喷雾性能对比试验[J].农业工程学报，2017，33（16）：56-63.

[6] 刘德江，龚艳.设施农业施药技术装备机械化研究进展[J].农机化研究，2017（5）：6-11.

*项目支持：农业部设施农业工程重点实验室开放课题基金；江苏省自主创新资金CX（15）1033。

作者简介：李雪，助理研究员，主要从事植保机械与施药技术研究。

**通信作者：呂晓兰，研究员，硕士生导师，主要从事植保机械与施药技术研究。

[引用信息]李雪，吕晓兰 ，张美娜，等.设施农业专用固定管道式常温烟雾系统[J].农业工程技术，2017，37（31）：32-35.