水果已成为继粮食和蔬菜后的中国第三大种植业，据农业部规划，到 2020 年中国果园面积将稳定在 1.33×107 hm2[1]。在果园管理中，果园植保是保障水果稳产、增产的关键环节，其工作量约占果园管理总工作量的 25%[2-3]。当前果园植保主要依赖喷施化学农药进行病虫害防治，先进的施药技术与植保机械是提升农药利用率、提高作业效率、增强防治效果的重要手段。目前，中国果园施药仍以手动喷雾器大容量淋雨式喷雾法为主，用水量达 600～1 200 L/hm2 ，农药利用率尚不足 30%，造成大量药液浪费、环境污染及果品农药残留超标，严重时甚至导致作业人员中毒;而发达国家大量应用低容量、超低容量、循环喷雾等新技术，用水量低至 200 L/hm2左右，施药量大大降低，农药利用率大幅提高[4]。关于植保机械，中国各类背负式手动(电动、机动)喷雾器社会保有量达 1 亿台以上，一台设备打遍百药防治各种病虫害是普遍情形[5];而发达国家已普遍采用机械施药，实现专业化植保。从成本上看，随着中国城市化进程加快，农村劳动力转移，人工施药成本增加且作业效率低，导致水果种植效益不断降低，水果产业发展缓慢。果园机械施药不仅用药少、农药利用率高，在降低劳动强度、提升作业效率、节约生产成本等方面也具有突出优势，是未来中国果园植保发展的必然趋势。本文首先介绍中国果园的主要种植方式及其植保机械化发展水平，然后阐述当前植保机械化关键技术与装备研究进展，最后结合果园种植方式与植保机械研究现状，提出果园植保机械化发展建议。
1 果园种植方式与植保机械化发展水平
1.1 果园种植方式中国果园品种繁多、地域分布广泛、种植历史悠久。按照地形划分，主要分为丘陵山区果园和平原果园，但以丘陵山区果园为主，约占果园总面积的 65%[6]。丘陵山区果园大多为陡丘陵和缓丘陵种植，仅有少许平地种植。特别是陡丘陵地区，坡度较大、崎岖不平，主要采用梯面种植方式，其垂直方向呈阶梯式，水平方向依山走势，由于山坡多为凸起状态，同一梯面种植果树并不在同一直线上，且不同阶梯弯曲度也不相同;缓丘陵地带存在沟沟坎坎且田块分散，阶梯种植或顺坡种植方式居多;坡度更小，地势更加平坦的平地果园则接近平原果园种植方式。
1.2 果园植保机械化发展水平受果园立地条件及种植方式等因素影响，中国果园植保机械化发展水平仍然偏低，资料显示丘陵山区果园仅为 7.5%，平原果园为 15%[3]。分析原因主要有：丘陵山区果园种植面积比例大，但其地形地势复杂，严重阻碍机械化施药;如陡丘陵果园地面植保机械根本无法进园，导致几乎无机可用;缓丘陵果园同样地势凹凸起伏，加之分散种植、分户管理，缺乏机械行走、转场农机道，导致机械化施药程度低。平原果园立体条件虽好，但由于以家庭种植方式为主，单户种植规模小，购买设备成本高、获益慢，影响了植保机械化发展;传统果园种植方式农艺管理较为粗放，行株距不规范、大树冠、平拉枝、行间郁闭，影响植保机械通过性。此外，植保服务体系不健全，技术推广培训不到位以及果农对机械施药认识不足等，均是限制植保机械化发展的重要原因。
2 果园施药技术发展
实现果园植保机械化，离不开先进的施药技术与植保机械。其中施药技术是果园喷雾作业的关键环节，目前国内果园施药技术主要包括管道喷雾、风力辅助喷雾、静电喷雾、循环喷雾、变量喷雾和航空施药等。如今施药技术与植保机械正逐渐向着智能、精准、高工效、低喷量的方向发展。
2.1 管道喷雾技术管道喷雾技术指采用地下埋设管道，经立管联结地面高压软管和喷枪，通过药泵对药液加压送入管道后带动多个喷枪同时作业[14-15]。该技术多适用于中国丘陵山区果园，自 20 世纪 80 年代中期引入中国后得到不断推广[6]，表 1 为果园管道喷雾技术在中国部分地区的应用发展。
2.2 风力辅助喷雾技术风力辅助喷雾技术是利用高速风机产生的强气流，将经过药泵和喷头雾化形成的细小雾滴吹送到果树冠层，进而达到果树防虫治病的效果[22]。该技术既能保证喷雾距离，又能增强雾滴穿透性和沉积均匀性，同时气流扰动叶片翻转提高了叶片背面药液附着率，自 20 世纪 80 年代引进中国，经过多年研究改进，已取得长足发展。国内学者王荣等[23]通过改进风机蜗壳结构使出口风速提高 61.5%;刘青等[24]通过在风筒中加装导流器使喷洒幅宽提高 22%～46%;祁力钧等[25]通过 CFD 仿真与试验发现距风机中心 2.4 m 处雾滴沉积量分布平均相对误差最低为 33%;张晓辛等[26]通过优化导流片与喷头喷射角度，使风速和喷雾量分布曲线与树冠轮廓高度吻合。风力辅助喷雾技术的不断进步，为风送喷雾机在中国的应用发展提供了良好的技术基础。
2.3 静电喷雾技术静电喷雾技术源于 20 世纪 40 年代的法国，指通过高压静电发生装置让静电喷头与靶标之间形成电场，使带电雾滴与冠层形成“静电环绕”效应并在静电力、气流曳力和重力作用下快速沉积到靶标，从而增加雾滴在作物表面的附着能力[27-28]。该技术能够显著提高雾滴沉积量，特别是作物背面雾滴沉积率，一度成为国内学者研究的热点。针对静电喷雾技术在果园的应用，舒朝然等[29]采用数理方法建立了树冠静电喷雾过程的电子-机械模型，精确表达了树冠静电喷雾过程中荷电雾滴的沉积机制，验证了果园静电喷雾的可行性，且其研究表明：雾滴粒径在 30～80 μm 时，雾滴荷电性能最好，考虑自然蒸发和风的影响，建议作业雾滴粒径谱宽范围以 50～100 μm 为宜;周良富等[30]提出风送喷雾与静电喷雾相结合，并通过响应面模型分析法研究了感应电压、风机频率、喷雾距离和喷雾压力等工作参数对叶背面雾滴覆盖率的影响，结果表明该模型决定系数为 93.68%，相对误差小于 10%，工作参数对响应面模型有显著性影响;除此，周良富等[31]还设计了双气流道辅助静电喷头，通过试验表明该喷头在喷雾压力 0.4 MPa、感应电压 6 kV、采集距离 1.0 m 以内条件下，静电喷雾叶背面雾滴覆盖密度较非静电喷雾提高 15%以上。上述研究均为果园静电喷雾机的研制及部件选择、作业参数匹配等提供了良好的理论依据。
3 果园植保机械研究进展
植保机械是果园植保的关键装备，依托施药技术发展，植保机械也获得了快速发展，经过了从手动到机动、从粗放到精细、从地面到航空的发展历程[60]。目前，果园植保机械主要分为地面植保机械和航空植保机械，地面植保机械除半机械化植保机具外，主要包括管道喷雾设施、风送喷雾机、静电喷雾机、循环喷雾机和变量喷雾机等;航空植保机械则主要为植保无人机，包括单旋翼无人直升机和多旋翼植保无人机等。
3.1 半机械化植保机具半机械化植保机具主要指各类型背负式喷雾器/机、背负式热力烟雾机、担架式(框架式、车载式)及推车式(手推式)机动喷雾机等，发达国家已多采用标准化果园种植方式，农机农艺融合程度深，机械化植保专业程度强，该类机具主要在其设施果园中仍有使用。中国大部分果园农艺特点机械化作业适应性差，仍以半机械化植保机具为主。其中背负式手动喷雾器体力耗费大，背负式机动喷雾机质量重，施药人员易劳累，随着技术推广成熟，两类机型正逐渐被背负式电动喷雾器取代。目前典型半机械化植保机具相关技术参数，如表 4 所示。
3.2 管道喷雾设施管道喷雾设施相比半机械化植保机具，在集中连片管理、大中型机械进园难的丘陵山区果园具有突出优势，已获得相当地区农户的认可。管道喷雾设施主要包括管道喷雾首部、地下管道系统和地面喷雾系统 3 部分，其中管道喷雾首部包括水源、药池、电源、电动机和药泵等，电动机功率一般选择 3～4 kW;地下管道系统主要由主管、支管和立管构成，主管多采用直径 20 mm 的 PVC 管，支管上一般每隔 50 m 安装一根立管，立管长 20～30 cm，露出地面约 10～15 cm 作为出药口，每个出药口控制喷药面积 0.20～0.33 hm2 ;地面喷雾系统由耐压胶管和喷枪构成，胶管和立管连接，喷枪数量根据实际情况配置[66]。管道喷雾设施在应用中由于作业人数不同，管道压力分布不均，时常会发生爆管问题;作业后管道中存在药液残留，残留液用清水冲洗既造成农药浪费，又污染环境;此外在行间郁闭、枝繁叶密的复杂成龄果园环境中，不仅施药困难，而且容易造成施药人员中毒。为此，国内学者进行了多项研究和改进工作，研发了多项管道喷雾设施新成果(表 5)，有效促进了上述问题的解决。
3.3 风送喷雾机风送喷雾机
是目前果园植保中应用最多的机具，其核心部件是风机和导流装置。风机分为轴流风机和离心风机;导流装置分为导流板和导流管，导流管有多导管式结构和加农炮式结构，这些设计较好的满足了果园多品种、多种植方式的植保需求[72]。
3.3.1 国外风送喷雾机发展现状目前，欧美、日、韩等国生产的果园风送喷雾机技术先进、产品成熟。著名生产企业有意大利 CAFFINI 公司、荷兰 MUNCKHOF 公司、丹麦 HARDI 公司、日本丸山制作所及韩国 ASIA TECH 公司等。部分典型产品相关技术参数如表 6 所示。总体来看，欧美果园多以牵引式和悬挂式大中型风送喷雾机为主，功率大、射程远、药箱容积大、风机风量高，适合宽行窄株、树冠高大的标准化果园;日韩果园种植方式与中国相似，多以自走式中小型风送喷雾机为主，其功率较欧美低，具有结构紧凑、通过性好、药箱容积小等特点，适合果树行株距基本一致，密集程度低的果园。
3.3.2 国内风送喷雾机研究进展直接引进国外大中型风送喷雾机，其在中国果园适用性较差，因此国内研发团队纷纷展开攻关，针对中国果园种植方式特点研发了多种风送喷雾机，典型成果如表 7 所示。从表 7 可以看出，针对中国果园低矮密植种植方式特点，自走式(轮式驱动、履带底盘)风送喷雾机因其结构紧凑、通过性强，受到国内广大学者青睐，研发人员较多。在导流装置设计方面，除常规圆环形喷头布置形式，亦有学者改进为垂直喷杆式、多柔性导管式、立管式和蝶形风箱等，适应了中国果园类型多样的植保需求。目前国内代表性生产企业有中农丰茂、永佳动力、中农博远等，典型成熟的风送喷雾装备相关技术参数如表 8 所示。
3.4 静电喷雾机进入 21 世纪，随着静电喷雾技术的快速发展，果园静电喷雾机因其具有雾滴飘移少、环境污染小、水药用量低及农药利用率高等优点得到推广应用。 3.4.1 国外静电喷雾机发展现状国外果园静电喷雾机著名生产企业有美国 ESS 公司、BRUSHHOUND 公司及意大利 MARTIGNANI 公司等。图 1a 为 MARTIGNANI 公司生产的典型静电喷雾机，该喷雾机采用牵引方式连接于拖拉机后方，通过离心风机将荷电雾滴输送到果树冠层，药箱容积 1 000 L，作业幅宽 4.6～5.8 m，可节约用水达 90%，主要适用于篱笆型标准化果园，而对其静电喷雾系统的介绍及使用效果尚无文献研究[89]。ESS 公司静电喷雾机是在 MaxCharge™ 静电喷头基础上根据果园实际应用条件研制的，适用于行距宽、冠层高、树冠厚的果树，图 1b 为该公司典型产品，采用 3 点悬挂方式连接于拖拉机后方，最小药箱容积 212 L，最大流量 5.03 L/min，雾滴粒径为 40 μm[90]。3.4.2 国内静电喷雾机研究进展国内学者对果园静电喷雾机的研究，主要集中在多技术集成的样机研制方面，表 9 为国内研发团队成功研制的静电喷雾样机及其测试效果。从表 9 可以看出，静电喷雾机中感应式充电是使用最普遍的方式，且静电喷雾一般与风送喷雾相结合，克服了自身的局限性，在此基础上融合气力辅助喷雾、对靶喷雾等技术，更加提高了靶标雾滴密度、药液覆盖率以及农药利用率。目前，国内市场商业化产品有博远 3WFQD-1600风送静电喷雾机，该机采用牵引式连接于拖拉机后方，工作压力0.5～2.5 MPa，喷洒幅宽8～12 m，可减少30%～60% 农药使用量。然而，因环境参数(温湿度、悬浮颗粒物、污染气体、气流速度等)、作业参数(充电方式、充电电压、作业速度、喷雾方向、喷雾距离、喷雾量等)及靶标参数(材质、叶面积指数、叶片倾角等)等对雾滴沉积的影响机理尚未清楚，果园静电喷雾装备成熟商业化产品仍然较少，而且距离广泛推广应用还有较大差距。
3.5 循环喷雾机 3.5.1 国外循环喷雾机发展现状欧美矮化果园种植方式发展后，风送喷雾机单侧喷雾大量雾滴脱离靶标、无法回收利用问题变得凸显，循环喷雾机能够有效解决这一问题，受到人们广泛重视。图 2 所示 Nestor 循环喷雾机为国外典型循环喷雾机型之一，该机采用牵引方式连接于拖拉机后方，药箱容量 2 000 L，作业幅宽 0.94～2.70 m，适宜树冠高度 2.10～ 2.35 m[96]。此外，据 LIPCO 公司资料显示其生产的循环喷雾机在果树枝叶稀疏时药液回收率达 70%，枝叶茂盛时药液回收率亦有 20%;MUNKHOF 公司制造的循环喷雾机根据枝叶茂密程度，药液回收率在 30%～60%[32]。可见循环喷雾在增强雾滴沉积、减少雾滴飘失、提升药液回收利用方面具有重大优势。 3.5.2 国内循环喷雾机研究进展国内果园种植方式与欧美果园区别明显，循环喷雾机在中国适用程度低，因此目前中国学者对循环喷雾机的研究较少。中国农业大学宋坚利等[97-98]曾于 2012 年针对葡萄园研发了“Π”型循环喷雾机并开展了防飘失性能试验，结果表明该机比普通风送喷雾机雾滴飘失减少 97.9%，地面流失量减少 99.3%，极大的减少了农药浪费;山东农业机械科学研究院牛萌萌等[99]同样针对葡萄设计了高地隙隧道式循环喷雾机(图 3)，该机采用乘坐式设计，结构紧凑、通过性强，“Π”型立杆长 1.30 m，间距 1.20 m，最大通过高度 1.90 m，最大喷幅达 8.10 m，经试验其药液回收率达 7.33%。
4 结论与展望
进入新世纪以来，随着人们环保意识增强和对农药污染问题的重视，针对果园施药，越来越多的学者投入到降低农药使用量，提高植保机械化水平的研究中。从上述文献分析可以看出，现阶段中国果园植保半机械化植保机具应用最广泛，用药量最大、浪费最严重、农药利用率最低;其他地面植保机具中，风送喷雾机应用较普遍，对提高农药利用率，减少药液损失有很大帮助;静电喷雾机、循环喷雾机和变量喷雾机多处在样机试验阶段，未形成产业化发展;航空植保机具特别是植保无人机多方面优势明显，正处于蓬勃发展阶段，但雾滴穿透能力弱，续航时间段尚是其发展制约因素。为进一步提升果园植保机械化水平，推进水果产业健康发展，可重点加强以下几个方面研究工作： 1)推广标准化果园种植方式随着土地流转政策支持与家庭农场建设实施，针对中国丘陵山区缓坡、平地地带田块分散种植的果园，通过土地承包，集中连片管理，大力推进园区阶梯改坡、陡坡改缓坡、缓坡改平地等宜机化改造，推广标准化果园种植方式，对于提高果园植保机械化水平意义重大。 2)发展立体植保施药技术随着航空施药技术不断发展，果树连续、定点喷洒作业模式应用成熟，针对槟榔、香蕉等树冠高大、叶面宽厚、行间郁闭的果园，发展地空协同立体植保施药技术，通过研发小微型地面植保机具与植保无人机结合，有望解决该类果园施药难、受药不均、机械化作业水平低的问题，将是未来重点研究方向。 3)大力推广专业化机械植保服务模式随着中国城市化进程加快，农村劳动力紧缺，果园人工采用半机械化植保机具施药效率低、成本高，针对此类问题，大力推广专业化机械植保服务模式，让专业的人做专业的事，让少数的人干更多的活，让施药成本更低，让果农收益更高，专业化机械植保前景广阔。 4)研发智能植保机器人针对中国广泛种植的低矮密植果园，加强小微型智能植保机器人研发，使其能够精量对靶喷雾，实现送风量、药流量智能精准调节，如发展植保无人机随速变量、仿冠层飞行施药技术等，以期达到单位面积果园定量化、精量化、均匀性施药要求。
[参 考 文 献]
[1] 2020年果园面积要稳定在2亿亩. [2020-10-17] https://news. cnhnb.com/rdzx/detail/384719/
[2] 常有宏，吕晓兰，蔺经，等. 我国果园机械化现状与发展思路[J]. 中国农机化学报，2013，34(6)：21-26. Chang Youhong, Lü Xiaolan, Lin Jing, et al. Present state and thinking about development of orchard mechanization in China[J]. Journal of Chinese Agricultural Mechanization, 2013, 34(6): 21-26. (in Chinese with English abstract)
[3] 赵映，肖宏儒，梅松，等. 我国果园机械化生产现状与发展策略[J]. 中国农业大学学报，2017，22(6)：116-127. Zhao Ying, Xiao Hongru, Mei Song, et al. Current status and development strategies of orchard mechanization production in China[J]. Journal of China Agricultural University, 2017, 22(6): 116-127. (in Chinese with English abstract)
《中国果园植保机械化技术与装备研究进展》来源：《农业工程学报》，作者：郑永军 1 ，陈炳太 1 ，吕昊暾 1 ，康 峰 2 ，江世界 1