發(fā)布時間：2020-02-19所屬分類：科技論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要:針對我國南北地區(qū)水稻種植行距不統(tǒng)一、水稻從稻冠到根部病蟲害發(fā)生位置不同等情況，研發(fā)了一套變行距探入式自動折疊均勻噴霧系統(tǒng)。該噴霧系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)不同行距水稻的噴霧，且在水稻整個生產(chǎn)期間，既可以實現(xiàn)冠層上噴霧，也可將噴頭探入到冠層以下，對水
摘要:針對我國南北地區(qū)水稻種植行距不統(tǒng)一、水稻從稻冠到根部病蟲害發(fā)生位置不同等情況，研發(fā)了一套變行距探入式自動折疊均勻噴霧系統(tǒng)。該噴霧系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)不同行距水稻的噴霧，且在水稻整個生產(chǎn)期間，既可以實現(xiàn)冠層上噴霧，也可將噴頭探入到冠層以下，對水稻中下部位置病蟲害實現(xiàn)對靶噴藥，有效提高了農(nóng)藥利用效率，降低了生產(chǎn)成本，可節(jié)約能源和減少環(huán)境污染。對發(fā)生在水稻中下部的稻飛虱與常規(guī)機械進行對比試驗，結(jié)果顯示:對成熟期和生長期水稻7天后的防治效果分別為91.3%和90.6%，比常規(guī)機械施藥分別高出18%和14.4%。
關(guān)鍵詞:水稻病蟲害;探入式噴霧;自動折疊;變行距施藥;防治效果
0引言
我國南方農(nóng)作物種植主要以水田為主，北方旱地適用的比較先進的大型植保機械并不適合水田作業(yè)[1]。若使用無人機作業(yè)，存在低空飛行的穩(wěn)定性難以保證、霧滴普寬及漂移等問題[2]。若以實際到達標(biāo)靶上的農(nóng)藥量計算，我國農(nóng)藥有效利用率僅在35%左右[3]，部分農(nóng)藥滲透污染土壤、水環(huán)境，威脅農(nóng)田生態(tài)安全。水稻種植比較密集，很多病蟲害發(fā)生在水稻中下部，藥液很難穿透葉冠層，真正到達病蟲害位置的藥液更少。例如，褐飛虱與灰飛虱卵產(chǎn)于稻株下部葉鞘或葉片中脈兩側(cè)組織中;稻瘟病在水稻根部，莖節(jié)、穗頸部谷子和葉片都有發(fā)生[4-5]。為此，改善噴霧技術(shù)，保護生態(tài)環(huán)境，提高農(nóng)藥利用率已經(jīng)刻不容緩[6]。本研究結(jié)合山東眾合3WP-300自走式噴桿噴霧機動力部分，設(shè)計了一種適用于南方水田，可以改變行距，自動調(diào)節(jié)噴霧高度，且噴頭能夠探入水稻中下部，可對發(fā)生在水稻中下部病蟲害施藥的噴霧系統(tǒng)。
1噴霧系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)和工作原理
1.1總體結(jié)構(gòu)
自走式噴桿噴霧機隔膜泵工作壓力為0～3MPa，流量80～100L/min，最大速度8km/h，最大展開噴幅寬5m，整機結(jié)構(gòu)如圖1所示(非最大展開狀態(tài))。該機主要由車體、控制系統(tǒng)及噴桿系統(tǒng)等組成。其中，離合器控制噴藥動力傳遞，可選擇不同的工作狀態(tài);控制系統(tǒng)控制藥液回路開關(guān)及噴桿系統(tǒng)的運動。噴霧系統(tǒng)以車體中心線左右對稱，主要由翼支架，一、二級轉(zhuǎn)動裝置，升降系統(tǒng)，超聲波測距裝置，藥液回路，噴桿支架和噴頭等組成。噴桿以30cm間隔均勻分布在噴桿支架上，共計16個。噴霧作業(yè)時，該系統(tǒng)能夠自動改變噴霧行距，自動調(diào)整噴頭施藥高度，左右兩段分開噴藥。
1.2工作原理
噴霧系統(tǒng)工作原理如圖2所示。工作時，發(fā)動機動力除用于行走外，分別引出部分動力供給柱塞泵和發(fā)電機，柱塞泵液送藥箱中藥液至各噴頭，控制裝置控制噴桿系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)動作和藥液管路開啟。超聲波傳感器安裝在噴桿支架上，顯示噴頭相對于冠層的實時位置，施藥時調(diào)整噴頭工作高度。
根據(jù)不同水稻種植行距，電推桿驅(qū)使一級轉(zhuǎn)動裝置旋轉(zhuǎn)，改變翼支架與主支架之間的夾角，從而改變噴頭在行進方向的作業(yè)間距。為方便非作業(yè)轉(zhuǎn)場行進，兩個噴桿支架中間部分裝有折疊裝置，與一級轉(zhuǎn)動裝置配合，使噴桿支架能夠自動折疊與展開。
水稻病蟲害發(fā)生位置不同，如稻縱卷葉螟啃食水稻冠層葉片、葉蟬主要吸食水稻莖稈和葉鞘汁液、水稻水象甲象咬食水稻根部[7-9]。為把藥液有效噴施在水稻冠層以下病蟲害發(fā)生位置，由主支架安裝位置、噴桿安裝位置和自動升降裝置3部分決定噴頭探入水稻葉冠以下對靶施藥。前兩部分直接在安裝時確定，作業(yè)時自動升降裝置可根據(jù)超聲波傳感器測得距離調(diào)整噴桿支架上下運動，最終決定噴頭施藥高度。
每個主水管上安裝2個五通分流閥，分流口通過軟管與噴桿逐一連接，可使噴頭壓力均勻分布。為實現(xiàn)噴頭探入水稻叢內(nèi)時360°噴藥，選用十字五眼噴頭，其中4個噴頭水平方向均勻分布，1個噴頭豎直向下。
2控制系統(tǒng)設(shè)計
控制系統(tǒng)控制整個噴霧系統(tǒng)的工作和管路系統(tǒng)開合，所有控制開關(guān)集中在駕駛座左邊部位。
左右兩邊藥液管路通過2個2W-160-15常閉型電磁閥(流量口徑16mm，工作電壓12V)分別控制，施藥時電磁閥通電，噴幅為5m。在邊緣施藥時，關(guān)閉一個電磁閥噴幅為一半，可以避免田塊邊緣重噴。一級轉(zhuǎn)動裝置選擇HBA805型電推桿，行程160mm，推力6000N控制，控制翼支架收攏和展開。二級轉(zhuǎn)動裝置的電推桿為LX800型，推力2000N，行程150mm，控制副噴桿支架。通過兩個轉(zhuǎn)動裝置之間的配合，實現(xiàn)噴桿的折疊和噴頭工作間距在0～300mm之間調(diào)節(jié)。
升降系統(tǒng)控制噴頭工作高度，主要由LX402型電推桿、導(dǎo)向軌和測距系統(tǒng)構(gòu)成。測距系統(tǒng)基于ArduinoUno開發(fā)板，由HC-RS40超聲波測距傳感器和1602LCD顯示屏組成。電推桿負載2000N，行程400mm;HC-SR04超聲波測距模塊探測距離2～450cm。對水稻冠層以下施藥時，由于葉片和稻穗的干擾，超聲波傳感器測不到噴頭與地面的距離，所以將噴頭與冠層距離顯示在LCD屏幕上，該值為傳感器與噴頭、水稻冠層距離的差。圖3為控制系統(tǒng)面板。根據(jù)顯示值調(diào)整噴頭到達施藥前調(diào)查的病蟲害部位對靶噴藥，在保證傳感器可用的情況下，噴頭可探入水稻冠層下60cm。
3噴霧機試驗
為了驗證自動變行距探入式噴霧機噴霧效果，現(xiàn)對樣機進行室內(nèi)噴霧均勻性試驗和田間防治試驗。
3.1室內(nèi)試驗
試驗于2018年8月在江西農(nóng)業(yè)大學(xué)江西省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備實驗室進行。
3.1.1試驗材料
噴霧均勻性檢測試驗使用本課題噴霧機樣機進行，試劑為普通自來水，噴頭為十字霧化噴頭(昆明優(yōu)網(wǎng)科技有限公司)，實際工作壓力0.2～0.4MPa，流量50～90L/h。標(biāo)靶為水敏試紙(重慶六六山下植保科技有限公司)，寬3cm、長4cm，是常用檢測噴霧效果試紙，遇水在表面形成藍點污點。使用該公司霧滴分析軟件，可計算按規(guī)定格式掃描后的水敏試紙上霧滴沉積的覆蓋率及霧滴大小等參數(shù)。
3.1.2試驗方法
試紙由雙面膠固定在小木樁上，每個木樁間隔30cm，成直線水平放置在樣機噴頭下方50cm處。噴霧機以8km/h的速度勻速行走，邊走邊噴灑在水敏試紙上方，重復(fù)4次，每次取出水敏試紙晾干后掃描，用霧滴分析軟件分析。
根據(jù)美國農(nóng)業(yè)與生物工程學(xué)會(ASABE)和美國國家標(biāo)準(zhǔn)局572.1標(biāo)準(zhǔn)[10]，選取DV0.1、DV0.5、DV0.9標(biāo)定霧滴粒徑分布情況，NMD、DR和霧滴覆蓋率(Coverage)作為計算指標(biāo)。DV0.1、DV0.5、DV0.9分別指按照從小到大的順序，選取霧滴排序并體積累加，總體積達到10%、50%、90%時所對應(yīng)的霧滴直徑。NMD(NumberMedianDiameter)是指所排序霧滴序號為所有霧滴序號中間數(shù)的霧滴直徑。DR(DropletDiffusionRatio)表示霧滴擴散比，為NMD與DV0.5的比值，當(dāng)DR≥0.67時，表明噴灑質(zhì)量良好[11]。
3.1.3試驗結(jié)果與分析
試驗表明:通過一級轉(zhuǎn)動裝置，可以使翼支架收攏和展開，噴頭工作間距在0～300mm之間。
圖4為某次試驗的噴霧系統(tǒng)半邊噴霧效果圖。圖4中，白點部分為水敏試紙上的霧滴陰影。通過imagepy軟件分析霧滴相關(guān)噴霧參數(shù)。
為減少噴霧機振動產(chǎn)生的誤差累積，重復(fù)多次試驗，數(shù)據(jù)去除最大最小值后取平均值。表1給出十字霧化噴頭在0.35MPa壓力下的部分霧滴參數(shù)。由表1可知，DV0.1、DV0.5和NMD變化差異不大，只有在DV0.9上差異較明顯。根據(jù)生物最佳粒徑理論[12]:防治頁面爬蟲類害蟲類和防治植物病害的霧滴最佳理論分別為40～100μm和30～150μm，將NMD與DV0.5進行比較，發(fā)現(xiàn)大部分霧滴直徑在上述最佳霧滴譜范圍之內(nèi)。
結(jié)合圖5數(shù)據(jù)和圖4可知:各個噴頭霧滴覆蓋率差異不大，霧滴粒徑分布較為均勻，且霧滴擴散比DR均不小于0.67水平。試驗結(jié)果表明，噴霧系統(tǒng)藥液管路優(yōu)化后噴霧均勻性明顯提高。
3.2田間施藥試驗
第1次試驗時間為2017年10月，第2次試驗為2018年5月，地點為江西農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗田(見圖6)。
3.2.1試驗材料
參照何木蘭等的25%吡蚜酮WP防治稻飛虱田間藥效試驗[13]，試驗藥劑為25%吡蚜酮，用量600g/hm2，兌水量675L/hm2。第1次施藥水稻品種甬優(yōu)538，處于成熟區(qū)，株高112.8cm;第2次施藥品種為中嘉早17，株高42.7cm。種植方式均為插秧機種植，行距7寸，即230mm。
3.2.2試驗方法
試驗田分A、B、C3塊，每塊寬10m、長20m，且設(shè)立寬為2m的保護行。在風(fēng)速不大于4m/s，天氣狀況良好情況下噴藥。噴霧機行駛速度為5km/h，調(diào)節(jié)一級轉(zhuǎn)動裝置使噴頭工作間距達到230mm。在A區(qū)藥箱裝載25%吡蚜酮藥液，以常規(guī)施藥方式即噴頭在葉冠上方約20cm處施藥;在B區(qū)藥箱裝載同樣藥液，通過調(diào)節(jié)自動升降裝置將噴頭下降至葉冠下方對水稻中下部施藥;C區(qū)為對照區(qū)，不做處理。施藥時保持勻速、不重噴與漏噴[14]。為了防止稻飛虱在不同小區(qū)內(nèi)轉(zhuǎn)移，在試驗后將3個區(qū)域用網(wǎng)膜隔開。
施藥前用盆拍法調(diào)查害蟲數(shù)量并記錄，用水潤濕后的臉盆輕輕插入水稻底部，快速拍擊植株中下部，記錄震落在臉盆里的稻飛虱數(shù)量。分別在施藥后4天和7天統(tǒng)計水稻中下部稻飛虱數(shù)量(不限蟲齡)，參照吳詠梅等[15]使用的平行跳躍法，每小區(qū)調(diào)查5點，每點調(diào)查5叢。
兩次田間施藥結(jié)果顯示:探入式噴藥7天后的防治效果分別比常規(guī)噴藥方式高出18%和14.4%，防治效果均有很大的提高，但在水稻成熟期不同噴藥方式防治效果差距更大，因為水稻成熟期冠層密集，藥液更難到達根部區(qū)域;探入施藥時噴頭離靶區(qū)距離更短，飄移量更少，霧滴有更強的穿透力，沉積量更大。試驗表明:該噴霧機相同用藥量時，探入式施藥在水稻中下部有更大的覆蓋率，相對常規(guī)施藥消耗更少藥液即可保證防治效果。
4結(jié)論
針對南北氣候差異各地區(qū)水稻行距不同，且病蟲害發(fā)生在水稻不同位置，充分結(jié)合實際，研發(fā)了一種可變行距探入式水稻噴霧系統(tǒng)。該噴霧系統(tǒng)噴桿支架可以自動折疊與展開，噴頭工作間距能在0～30cm任意定點調(diào)節(jié);噴頭離地高度最大為130cm，最小為10cm，可以探入到水稻冠層以下，對不同位置病蟲害施藥。試驗表明:相同施藥量時，該噴霧系統(tǒng)探入施藥在水稻中下部有更大的覆蓋率，有效提高了農(nóng)藥的利用率，可節(jié)約資源、保護環(huán)境;且霧滴平均覆蓋率較為均勻，霧滴粒徑分布差異不大，有良好的噴霧效果。
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