我国山区与丘陵的面积占全国国土面积的65%左右，适合果品经济的发展，由此我国成为世界最大的水果出产国[1]。山地果园受地形地貌、种植方式及规模、生产管理方式以及果园现代装备技术水平等因素的限制，导致多数果园的生产管理仍依靠传统的作业方式，这严重制约了我国果园生产机械化的发展。据广东省统计年鉴数据，2010—2017年期间，柑橘橙的产量分别为81.06、259.34、313.84、317.53、307.77、323.18万t，呈上升态势；而乡镇中从事农、林、牧、渔业的人口分别为1572.07、1468.25、1363.19、1351.83、1341.20、1342.80万人，却呈下降趋势。从上述数据不难看出，水果产量与劳动力数量之间呈现出剪刀差的关系，因此，在从事水果种植管理群体人数逐年下降的情况下，要增加水果的产量以满足市场的需求，必须提高水果生产效率，由传统的人工、半人工作业方式向机械化、自动化和智能化方向转变。在水果消费量逐年增加的同时，绿色果品的概念也越来越受到消费者的重视，优质、绿色、安全、无公害果品生产及消费成为新时期果品发展的必由之路[2]，但目前我国尚没有针对山地果园的施药标准，农药使用量大，但利用率却不到30%；果品的品质也影响果业的经济发展，因此，掌握并推广适宜的果园植保技术，才能实现林果业的健康可持续发展[3]。

1、山地果园植保技术及装备研究现状

果树种植方式在很大程度上影响着山地果园植保技术及装备的应用。目前，我国大多数的果园种植模式相似，多采用低矮密植型[4]。山地果园内，病虫害防治工作是果园植保工作过程中必不可少的环节，费时费工、劳动强度大，工作量在果园管理总工作量中约占30%[5-7]。长期以来，山地果园的种植受限于种植模式等方面的影响，大多数地区的果农对植保机械的利用不足，导致果园发展成本居高不下，难以在激烈的市场竞争中生存[8-10]。广东省现代农业产业技术体系柑橘芒果高效植保技术研究项目组在我国柑橘主产区的山地橘园的实地调研中发现，在垂直方向上，阶梯式种植方式较多；水平方向上，多为依山走势而种植，植保机械进入困难，加大了病虫害防治难度和劳动强度。为此，研究适用于山地果园农药喷施作业的省力化及自动化装备具有广阔的应用前景。

1.1 山地果园省力化植保技术及装备

1.1.1 遥控喷雾技术及遥控装置

部分山地果园的规模较小，例如在我国湖北、重庆、江西等部分地区，果农自家果园的面积小，在土地没有进行流转和规模化经营的情况下，果农一般都是利用背负式喷雾机或担架式喷雾机进行喷雾作业。利用担架式喷雾机进行喷雾作业时，需要专人值机操控喷雾机的启动与停止，而电动喷雾机遥控装置可以解决专人值机的问题[11]。如图1所示，遥控装置、遥控器与电动喷雾机组组成一套遥控电动喷雾机[12]，遥控装置分遥控及手控两种工作模式，在山地果园最大遥控距离为370m。喷雾时，作业人员将药液泵吸水管和出水管连接好，控制箱接上电源，电动机接上控制箱的插座，按下电源指示按钮；在作业点安装好喷雾胶管和喷枪后，作业人员可以按下随身配挂的遥控器的“开”按钮，启动喷雾机进行喷雾作业；转移作业点时，按下遥控器上的“关”按钮使喷雾机停止工作，整理好喷雾胶管和喷枪移至下一个作业点继续进行遥控喷雾作业。

图1     遥控喷雾技术及装置

1.1.2 管道恒压喷雾技术及设施大型山地果园道路崎岖，甚至没有供大型植保机械行走的作业道路，因此在20世纪80年代中期，管道喷雾技术引入我国时，因省工省能、喷药速度快、投资少、效益高等优点而发展迅速[13]。该技术利用柱塞泵将药液加压并泵入喷雾管道，药液经喷头雾化后施向靶标，可供多人同时进行喷雾；但管道内的药液压力因受外界因素的影响，会导致药液压力分布不均，影响农药雾滴的粒径，因此药液压力成为影响管道喷雾效果的最重要的因素之一。这种喷雾技术在江西省赣南的山地柑橘园应用比较普遍，据使用者反映，利用喷雾管道喷施农药，虽然解决了背负式喷雾器劳动强度高和作业效率低的问题，但由于进行喷雾作业的人数不同，时常会发生喷雾管道爆裂的情况。管道恒压喷雾控制装置可以有效地解决使用中的爆管问题。宋淑然等研发了山地果园管道恒压喷雾控制装置，并研制了基于自整定模糊PID控制的管道恒压喷雾控制系统。在理论计算与实地科学试验的基础上，对机泵房位置的确定、电动机柱塞泵机组的类别、喷雾管道的选择及布置方式、药池容量、药池搅拌方式与机械等进行了选择，给出了适用于山地果园管道恒压喷雾的装备及设施在设计与选择方面的一般性原则，对山地柑橘园管道恒压喷雾设施建立中的关键技术参数进行了研究和计算。管道恒压喷雾设施示意图如图2所示。

图2     管道恒压喷雾设施示意图

管道恒压喷雾设施包括管道喷雾首部和田间地下管道系统两部分。管道喷雾首部包括水源、电源、变频器、变频电动机、药泵（柱塞泵）、药池、搅拌装置等；田间地下管道系统由主管道、支管道、竖管、阀门等组成，可供多人同时喷药作业。水平铺设的管道埋在地下，只有竖管和阀门在地面上可见。吴伟锋等在上述研究的基础上，针对控制药液泵出药口压力的问题，设计了一种管道喷雾多节点药液压力控制系统（简称多节点系统）。该系统以单片机为核心，在喷雾管道上部署多个ZigBee无线压力发送节点，采用ZigBee无线模块进行通信，监测各节点药液压力。为了优化管道中每个出药口的压力，设计了基于ZigBee的管道喷雾多点药液压力控制系统，解决了原有管道喷雾技术中对药液压力缺乏全局性有效控制的问题。研究表明，比例积分微分（PID）控制、模糊控制、参数自整定控制、反馈线性化控制、自适应控制、鲁棒控制及多种控制相结合等方法对于管道喷雾系统有相对较好的稳压控制效果。

1.1.3 基于管道喷雾的在线混药技术研究

管道恒压喷雾技术在降低喷雾作业强度、提高喷雾作业效率、防止爆管、降低农药流失造成的环境污染等方面具有明显的优势。但管道喷雾作业结束后，管道中有剩留药液是这项喷雾技术需进一步解决的问题。在线混药技术可以降低农药残留对环境污染的影响，提高施药的安全性。在线混药技术的药、水独立存放，可消除预配药液过多而造成的农药浪费问题。在已有的在线混药技术研究中，CFD数值模拟常用于研究影响射流混药装置施药效果的因素，药与水混合的效果则利用混药浓度检测技术评价。针对山地果园管道喷雾技术与设施在应用中存在药液残留的问题，李致等参考射流混药器的混合原理，设计了基于管道喷雾的在线混药器的基本结构，主要包括收缩管、吸入室、喉管和扩散管等部分组成。采用基于CFD正交试验的分析方法，研究收缩管收缩角、扩散管扩散角、喉管直径以及喉管长度4个关键结构参数的改变对混药器吸药性能和混药性能的影响，得到了各结构参数及它们的交互作用分别对各混药效果影响的主次顺序。综合考虑各评价指标的分析结果，最终找到最优的混药器结构参数，实现对混药器结构参数的优化。

1.2 山地果园自动化植保技术及装备

1.2.1 管道顺序自动喷雾技术研究

山地果园管道恒压喷雾技术及在线混药技术仍然存在一定的局限性：一是采用管道喷雾技术依然需要大量的人工作业；二是在密植果园或成熟果园中，果树树冠逐渐长大郁闭，人工在果树行间行走困难，难以自由移动喷杆进行喷雾作业；同时，作业人员行走于附着农药的果树间，有发生农药中毒的危险。Agnello等针对高密度苹果种植园，设计了一种由果树顶部支撑线、固定在支撑线上的PE管道以及连接在管道上的喷嘴构成的固定式喷雾系统，通过人工开启和关闭每行的阀门对果树进行喷雾，但人工开闭阀门时间难以精准控制，会造成果树喷雾时间不统一。为此，王辉等[17]设计了果园管道顺序自动喷雾控制系统，该系统由喷雾给药单元、自动顺序喷雾主控制器和电磁阀控制节点组成。喷雾给药单元为系统提供药液，自动顺序喷雾主控制器给电磁阀控制节点提供控制信号，电磁阀控制节点控制电磁阀的开关，通过控制果园中多个电磁阀的顺序开启和关闭，实现对果树的自动顺序喷雾。管道顺序自动喷雾设施如图3所示。

图3     管道顺序自动喷雾设施示意图

喷雾架作为管道顺序自动喷雾系统中的重要组成部分，一般采用悬挂形式，该形式的喷雾架需要果树种植行为直线。在山地果园，果树依山的走势而种植，果树行难以种植成直线，为此，李民宇等设计了一种立于地面的管道顺序自动喷雾架，该喷雾架满足两方面的要求：一是喷雾架的高度及喷头的定位要便于调节，以适应果树不断生长及树冠改变的需要；二是喷雾架要有足够的强度用以支撑充满药液的软管和喷头。另外，喷头的布置方式以喷头雾滴范围既能覆盖果树树冠又不能喷在树冠外边为原则[16]。这种喷雾技术的优点是不用人工喷雾，喷雾效率高，不足之处是一次性投资大。

1.2.2 远射程风送式喷雾技术

在山顶和山脚有可行道路的山地果园，可以利用自走式远射程风送式喷雾机进行植保作业。这种喷雾机的喷筒水平角度可以俯仰调整，在山顶，喷筒沿山势俯下一定角度进行喷雾；在山脚，喷筒则沿山势扬起一定角度喷雾，其有效喷雾射程可达60m。对于安装了运送轨道的果园，可以搭载轻简风送式喷雾机或担架式喷雾机进行喷雾作业。将轻简风送式喷雾机搭载在山地果园轨道运输车上，可以对轨道两侧的果树喷施农药。这种喷雾方式喷施距离远，覆盖面积广，如图4所示。

图4     轨道搭载风送式喷雾机

1.2.3 无人机喷雾技术

植保无人机具有省时省力省药的特点，在提高喷药效率的同时节约成本。依靠无人机飞行高度的优势，刘晖等研究设计在无人机上搭载图像与光谱传感器，收集果树冠层数据信息。但是，由于山地果园的复杂环境，无人机信号丢失的概率较高。据大疆农业服务微信号宣传，在果园植保作业中，针对果树离散分布的果园，研发了基于AI识别树心、识别结果编辑、树心智能规划航线及定点施药功能基础上的定点施药模式。但喷雾效果及雾滴在果树内膛的有效率尚需开展进一步的田间试验。

2、山地果园植保机械化进程中的问题及对策

2.1 山地果园植保机械化进程中的问题

由于山地果园矮化密植水平低，病虫害诱导率高，喷施化学农药仍然是病虫害防治的主要方法，合理选择有效的农药喷雾方式，不仅可以减少用药次数，降低用工成本，还可以降低农药污染，提高果品品质。农业发达国家的果园一般具有适应机械化作业的良好农艺条件，欧洲和美国的果园风送式喷雾机械以大中型为主，日本和韩国的果园风送式喷雾机械以中小型为主，我国的山地果园，坡度大，不适合直接引进国外大中型喷雾机械。国内一些学者对山地果园植保技术和装备方面的研发，在降低山地果园植保作业的劳动强度和提高作业效率方面取得了一定的进展，但在提高喷雾的精准性和农药有效利用率方面，相较于国外的研 究水平还存在诸多不足。影响我国山地果园植保机械化的突出问题主要有以下两方面：

2.1.1 山地果园地形复杂，千园千样

项目组在我国柑橘主产区的实地调研发现，山地果园的果树基本依山势而种植，在不同地势地貌建立的果园各自具有独特的特征，例如在不同坡度的山地果园采用阶梯式种植的果树，行与行间的高度差不同；因为山坡面多为凸起状态，使得同一阶梯下种植的果树不在同一直线上，且阶梯的弯曲度也各自不同。

2.1.2 果树种植模式不统一

在山地果园中，果树种植有阶梯式的水平种植方式，也有自山顶向下的垂直式顺坡种植模式；有的山地果园中没有任何形式的作业道；植保装备难以适应各种不同种植模式的山地果园，因而造成研发投入高、周期长，研发的装备造价高。

2.2 山地果园植保作业实现机械化的途径

作业环境决定了机械作业的可行性，中国丘陵山地面积占比较大，是否适宜于机械化作业，应该科学、客观地分析判断。从国内外相关研究文献可以看出，发达国家在发展农业机械化方面并没有单纯强调就农业机械的本身问题去研究农业机械，而是通过多部门、多角度、多管齐下的方式进行联合攻关。因此，为使我国山地果园植保作业实现机械化，政府、果农及农机科研工作者，应以山地果园整体的经济效益最大化为目标，长期开展相关工作。

2.2.1 宜机化改造山地果园

建设适应机械化作业的山地果园是实现植保机械化的基本条件，山地果园宜机化改造，用“以园适机”取代长期以来“以机适园”的方式，是实现山地果园植保机械化的首要条件，保证植保机械能进入果园。2019年6月，在昆明召开的丘陵山区农林机械发展论坛上，西南大学陈建教授指出，以山地、丘陵地形为主的日本从1965年开始，便组织实施了长达40年的土地改良计划，为农业机械化创造了条件。有相似地形地貌的韩国及我国台湾地区也进行了相关土地整改工作。2014年开始，重庆市进行了农田宜机化改造的探索，即在丘陵地区，汇集小块地扩成大块地，为机械化作业提供空间。在进行宜机化改造山地果园的探索中，江西赣南果园开展了有益的实践，在新建果园或老果园改造时，为山地作业机械与设施留有空间，政府出资在山顶或山脚建设水泥路，在山坡纵向敷设较直的作业道路。

2.2.2 改变山地果园果树种植模式

为保证进入山地果园的植保机械能有效地进行喷雾作业，采用与植保作业机械及装备相适宜的果树种植模式是实现植保机械化的农艺条件，因此，“农艺适应农机”也是实现山地果园植保机械化的重要条件。在果树种植方式上，一些学者进行了有益探索，如阶梯式种植的山地果园，应适当加大梯台的宽度，果树靠梯台边栽植，梯台靠山边侧留有一定的空间，供小型机械行走作业。据报道，2017年初，在国家柑橘产业技术体系首席科学家邓秀新院士和彭抒昂教授的指导下，江西绿萌科技控股有限公司建成了柑橘栽培新模式示范园，示范园将传统的梯面种植改为顺坡种植，园区内有一块篱壁式立架栽培新模式的柑橘试验园，如图5所示。

图5     柑橘顺坡种植篱壁式栽培模式

2.2.3 研发先进适用的山地果园机械

目前，我国的山地果园生产管理中，缺少适宜的植保作业机械，导致果园未能实现机械化及规模化生产，制约了我国山地果园机械化的发展进程。在劳动力数量不断减少的大趋势下，山地果园机械的研发应在小型化、轻简化的基础上，向自动化与智能化方向发展；国内在这方面的研究仍处在不断探索与完善的阶段。

2.2.4 加强山地果园基础设施建设

实现山地果园植保作业机械化，需要一定的基础配套，例如，前文介绍的管道恒压喷雾设施在某地的山地果园应用时，曾因为果园的三相电源电压严重不对称而无法使用。因此，在农村电力网建设与改造时，应把高质量的三相交流电源引入山地果园，为山地果园的自动化与智能化提供电力基础保障。

3、结语

在劳动力不断减少和人工成本不断攀高的趋势下，山地果园只有实现机械化作业，才能在未来的竞争中生存。政府加大对山地机械研发的投入、积极推广应用先进适用的山地机械是山地果园植保作业实现机械化的重要手段。山地果园植保技术及装备的研究应该在借鉴国外成果基础上，结合我国实际，研发先进适用的山地果园植保机械，加快山地果园植保机械化的进程，早日实现高工效、高防效、精准施药与安全施药。

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基金项目:国家自然科学基金项目(31671591);广东省现代农业产业技术体系创新团队建设专项资金(2019KJ108);广东省农业厅2018年省级乡村振兴战略专项资金(粤财农[2018]125号);广东省科技发展专项资金(2017A020208049);现代农业产业技术体系建设专项资金(CARS-27).