设施农业机械化、自动化、规模化、智能化

目前，我国农业正逐步向机械化、自动化、规模化、多样化、精细化发展。自动化生产装备将提高我国农业劳动生产率，解决劳动力的季节性不足；同时对改善农业的生产环境，防止农药、化肥等对人体的伤害，提高作业质量等意义重大，必将会得到推广应用。

壹
设施农业生产现状




设施农业在中国发展几十年来，结合中国耕作习惯和农村特点，出现了日光温室、单面坡温室、 单体冷棚、连栋式温室等多种建造形式，由于设计要求不同，形成了温室建筑型号多、规格杂的特点，设计建造往往只考虑园艺要求， 忽略了农机作业的需求。现代温室产品也不仅限于蔬菜，一些高附加值的产品，如特种植物、水果、花卉及观赏性作物已成为现代温室的主要产品之一。

农机农艺融合存在的问题




由于温室种植作物种类增多，工作环境复杂，农业机械与农艺不匹配问题日益明显。传统农艺如育种目标和栽培方式注重产量，未考虑农机适用性，若单纯从农机方面入手开发适用于所有农艺的农业机械研发技术难度很大。


为增强温室机械化作业程度，提高作物产量及品质，一方面，农业机械应达到农艺需求，结合农艺设施效果进行研发，紧密配合作物农艺。另一方面，由于农艺要求特殊性及农机研发技术等问题，温室农业机械无法有效实现农艺目标，应采取优化栽培方式等适应温室农业机械的农艺模式，实现设施农 业环境下农业机械通用性，增强农机与农艺的结合程度。

设施农业生产种植模式




通过对温室种植作物品种和种植模式的调研，我们发现吊蔓式种植、篱架式种植、平铺式和苗床式作物种植模式比较广泛。


经过大量调研，我们归纳总结了设施农业种植模式尺寸范围图，吊蔓式和篱架式作物成长高度为 1800mm~2400mm之间，垄间距为 600mm ~1500mm 之间；平铺式种植模式行走道路宽度一般在 600mm 左右，单边种植宽度为3200mm~5800mm ；苗床高度一般在 850mm左右苗床宽度为 2800mm~4200mm 之间。设施农业种植模式标准不统一，结构不规范，随意性强。在设施农业复杂的农艺环境中，急需解决自动化喷药机械、施肥机械。国内外学界针对设施农业装备的研究也是方兴未艾。

贰
自动喷施装备国内外研究

国内自动喷施装备研究




我国植保机械 80% 仍为背负式等手动喷雾器，作业效率低，利用率低， 施药过程还存在习惯大雾滴、大容量喷洒药液，药液附着率低、流失现象严重。


设施农业环境通常是半封闭空间，这种施药方式不但造成农业生产资料浪费、增加了农产品安全风险和加大了对环境的污染，同时，还对作业者健康造成很大的影响。

施药机械逐步向精细化、专业化、智能化、高效率等方向发展。自动精准施药装备已呈现国际发展的趋势，开展了变量喷雾技术、对靶喷雾技术、静电喷雾技术等多方面研究。在节省农药的基础上，提高农药的沉积量，减少对植物、人体和环境的危害，实现效益最大化。


静电喷雾技术是在喷雾系统中增加高压静电设备，应用高压静电在喷嘴与靶标之间建立高压静电场，农药液体流经喷头雾化后，通过不同的充电方法被充上电荷，利用静电场所产生的电力线的穿透特性，使雾滴作定向运动被主动吸附在植株的各个部位，减少了雾滴飘移散失，提高了喷药效果并降低了农药的实际用量。运用高压静电雾化和轴流风送技术设计了轴流风送高压静电喷雾试验装置， 改善喷雾的均匀性和沉积性能，减少环境污染。


农用荷电喷雾雾滴粒径与速度分布试验，研究荷电喷雾场的空间运动结构及其对植株界面的影响，结合核质比、喷雾宽度测量结果，对雾滴特性进行分析和讨论，得到了粒径大小、均匀度与喷嘴压力和充电电压的关系。

国外自动喷施装备研究




美国ES公司提供的静电喷雾设备喷雾雾滴比普通喷雾设备的小 900 倍，在雾滴原子化之后静电喷雾，结果显示静电喷雾的吸附率是传统的喷雾设备的 2 倍。


静电喷雾效果能够产生比重力强 75 倍的吸引力，雾滴改变运动方向，吸附在植物的整个表面。对靶喷雾技术是当前国内外精准施药技术的主要组成部分，自动对靶施药机械根据靶标的有无和靶标特征的变化选择性对靶施药，有效提高农药在作物上的附着率，施药效果好，减少生产成本， 降低环境污染。




叁
温室喷施机研究




温室喷施机作为实用型的温室自动化产品，伴随着温室大棚的普及，以及自动化技术在温室内的应用，作为取代人工喷灌、施药、加湿的工具，越来越得到重视。



作为一种实用的温室自动化机械产品，国外多家公司生产温室喷施机产品。其中比较知名的有韩国派茹公司（Paru）、美国 ITS公司和荷兰Visser 公司等。


韩国 Paru 公司的 gro- mister 轨道式移动喷灌机采用 PLC 控制器及光感应装置控制，单按钮启动，自动往返作业，并能够实现不同轨道间的自动跨间转移，喷射角度和喷雾量可调，采用静电陶瓷喷嘴，药液吸附性好。


美国ITS Basic Grower Jr 双轨喷灌机，采用可编程控制器控制喷灌机运行，行走速度在 1.5m/min ～ 21m/ min 可调。

荷兰Visser 公司的Irrispray-Auto型全自动喷施机，往返运行于行走轨道，自动往返工作于轨道之上。利用自动化编程技术，在完成一垄作业之后，根据程序设定，全自动操作系统将喷灌机在垄间转移。水源和电源采用拖曳式，随喷施机行走于各个工作垄。William 等设计了温室悬挂式喷水系统，实现了温室灌溉的半自动化。这种装置减少了对人的危害和劳动强度，促进了应用率的提高，增加了可重复性，减少了废物处理的成本，并降低了对温室的损耗。Pieter 发明了用于温室作物喷雾的轨道车，水和药液通过水管卷盘从垄头小车送入垄间小车进行喷雾作业，机构设计简单，操作方便。

综上所述，发展“优质、安全、生态”的现代农业，应改变设施农业生产单纯追求产量、经济效益的现状，逐步转向“高产、优质、高效、安全、生态”发展方式。目前迫切需要解决封闭环境下适合不同生产规模、种植模式的高效率、低污染、自动化施药机械化技术装备。

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