果樹葉面信息檢測及其對霧滴利用影響的研究進展

　　摘要：果樹的生長離不開農(nóng)藥等植保產(chǎn)品的使用，將藥液噴施于枝葉是主要的果樹植保作業(yè)方式，但是在對果樹進行噴霧時不科學的作業(yè)方式會使農(nóng)藥的使用效果大打折扣，造成浪費的同時也給農(nóng)田環(huán)境帶來污染。果樹的葉片作為主要接收農(nóng)藥霧滴的靶標，其表面的溫度、濕度以及包括氣孔密度在內的葉面信息的變化會影響農(nóng)藥霧滴的利用率。該研究從上述3類果樹葉面信息檢測的角度介紹了若干種葉面溫度、濕度和氣孔密度的檢測方法，綜述了國內外針對果樹葉面信息的檢測手段以及對農(nóng)藥霧滴沉積利用影響的研究;同時，總結歸納出農(nóng)藥噴霧霧滴的使用效果會不同程度地受到上述果樹葉面因素變化影響的結論，噴霧作業(yè)更需精細化、有計劃地開展;最后，為果樹精準噴霧作業(yè)方式提出了新的研究和發(fā)展方向，以期為今后果樹植保作業(yè)的科學、高效發(fā)展提供參考依據(jù)。

　　關鍵詞：果樹噴霧;葉面溫濕度;氣孔密度;葉面信息檢測;霧滴利用

　　農(nóng)業(yè)生產(chǎn)從古至今都受到病蟲草鼠等有害因素的影響，農(nóng)作物產(chǎn)量低極大的制約了農(nóng)業(yè)的發(fā)展進程。農(nóng)藥這類植保產(chǎn)品的出現(xiàn)，使農(nóng)作物產(chǎn)量低的問題得到一定的緩解。作為控制上述病害的特殊化學商品，農(nóng)藥在保護農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、提高農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)能力、促進農(nóng)民增收和糧油穩(wěn)定增產(chǎn)等方面發(fā)揮了重要作用[1]。

　　我國不乏高質量的農(nóng)藥生產(chǎn)制造技術，但農(nóng)藥利用方面的技術不如國外其他農(nóng)業(yè)大國。農(nóng)藥使用效率低、浪費多、流失嚴重，同量的藥液得不到有效利用，且農(nóng)藥殘留多，農(nóng)田周圍的環(huán)境受到不同程度的破壞，這些植保技術的薄弱環(huán)節(jié)都制約著我國農(nóng)業(yè)發(fā)展。國外自20世紀開始就對施藥技術進行改進、完善，通過采用低容量、超低容量、控滴噴霧和反飄噴霧等新技術減小了農(nóng)藥浪費污染，在施藥量減小的同時農(nóng)藥的利用效率和工效大幅度提高。

　　而國內大部分的農(nóng)藥作業(yè)依舊沿用20世紀的大容量淋雨式噴霧法[2]，企圖通過加大施藥容量來控制病害，殊不知這種施藥方式帶來的損失更大，用藥效率也極低，大量藥液流入農(nóng)田中，污染環(huán)境[3]。施藥技術與施藥裝備正向著智能、精準、低量、高效方向[4]發(fā)展，針對果樹噴霧這一領域，施藥裝備整體上仍未達到精準、按需噴施的要求，這是目前世界范圍內噴霧技術所面臨的普遍問題[5]。

　　如何更好地施用農(nóng)藥，保證藥液經(jīng)過噴嘴霧化后生成的霧滴能夠較好地沉積在果樹等植物葉片上就成為了農(nóng)業(yè)病蟲害防治工作的一個突破口。果樹種植在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)體系中占有相當?shù)谋戎�，極其依賴噴施農(nóng)藥來保證果樹在各季節(jié)的正常發(fā)育和最終產(chǎn)果的質量，隨著從事水果種植管理群體人數(shù)逐年下降，要增加水果的產(chǎn)量以滿足市場的需求，必須提高水果生產(chǎn)效率，由傳統(tǒng)的人工、半人工作業(yè)方式向機械化、自動化和智能化方向轉變[6]。

　　該研究所聚焦的噴霧作業(yè)主要是將藥液施用于果樹的葉面，如果能在進行作業(yè)之前或工作期間有效地檢測果樹葉面信息并掌握一定條件下的施藥規(guī)律，將農(nóng)藥噴霧霧滴的利用效果最大化，這對果樹噴霧技術和裝備的智能化、精細化發(fā)展有著積極的推動作用，也是今后精細農(nóng)業(yè)值得深入研究的方向。

　　1果樹葉面信息的檢測

　　1.1果樹葉面溫度檢測

　　在果樹的生長過程中，溫度起到了關鍵作用。從春季果樹發(fā)出新的枝葉進行光合作用，到夏季高溫天氣依靠葉片頻繁進行呼吸作用和蒸騰作用調整水分和溫度，再到秋季豐收時果實成熟前的養(yǎng)分積累，這期間果樹的葉面溫度隨外界環(huán)境和自身的生長情況不斷變化，作為植物的“體溫”，是植物生理參數(shù)的重要指標之一[7]。如果能夠持續(xù)或定期檢測果樹葉面的溫度，對生產(chǎn)計劃(噴藥施肥等)作相應調整，那么果實的質量也會有所保障。E·ASKENASY早在19世紀70年代提出過葉面溫度的概念，但當時的檢測手段落后，葉面溫度研究進展緩慢[8]，直到紅外技術的出現(xiàn)，對葉溫的檢測研究才有所突破。

　　葉面溫度的檢測方式一般可分為接觸式和非接觸式。熱電偶是最常見的接觸式類型的測溫器，相對于一般的水銀溫度計和半導體點溫計等精度不高的測溫工具來說，它更簡單可靠，并且靈敏度高、熱惰性小、種類繁多，可根據(jù)不同環(huán)境選擇不同材料組成熱電偶。魯墨森等[9]選用銅-康銅材料組成熱電偶，并將多組熱電偶串聯(lián)提高測量精度，利用其微小探頭不損害葉片和快速反應的特點為果樹葉面測溫，搭配高精度的數(shù)字表和顯示記錄儀就可以得到葉片溫度的微變動態(tài)過程。

　　自記型熱電偶通風干濕溫度表同樣利用熱電偶靈敏度高、反應快的特點，用來檢測農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的重要因子[10]，安置于果園內可常年檢測環(huán)境的空氣干濕球溫度和相對濕度，采集的數(shù)據(jù)自動處理，配合葉溫檢測器可掌握不同天氣情況下果園內溫濕度等生態(tài)信息，但隨著檢測技術的發(fā)展，這種對成本和人力要求較高的測溫方法很難適用于大面積的果園。對于非接觸式測溫方式，測溫儀器不需要直接接觸葉片來獲取溫度信息，大多通過光波的傳播、遙感定位等方式獲取一定范圍內的葉面溫度信息，比點對點的接觸式測溫方式效率更高，也能適應檢測手段的進步。

　　PATRIZIA等[11]使用的配有紅外傳感器的溫度測量儀就是通過接收物體所發(fā)射的光波，根據(jù)光波輻射強度與物體表面溫度之間的函數(shù)關系來得出物體的表面溫度;張慧春等[12]研究了農(nóng)藥精確施用系統(tǒng)中信息流集成的GPS和氣象數(shù)據(jù)庫的應用，可對包括溫度在內的各項氣象因子進行實時檢測，從而有針對性地進行農(nóng)藥噴施作業(yè)。相比于之前獲取葉溫時所采用的間接計算法和利用熱量平衡原理的空氣動力學方法，儀器測量更具有精度和效率。

　　綜合考慮影響葉溫檢測的因素和目前的技術要求，搭配計算機智能模塊的高精度接觸式傳感器，可直接精確測量葉片溫度，馬偉等[13]開發(fā)出兩通道的探測器模塊，融合植物株高和葉片溫度的檢測數(shù)據(jù)來獲得葉片溫度，一個通道為非接觸式集成紅外測溫傳感器，另一個通道探測株高間接檢測葉片位置，相互配合動態(tài)檢測葉面溫度。綜上所述，接觸式測溫更加直接方便，但在檢測范圍過大時就顯得效率低下，有時也會對植物葉片造成損壞;非接觸式測溫方式更容易憑借無物理接觸、數(shù)據(jù)實時自動采集、成本可控、操作簡單等優(yōu)點[14]取得不錯的發(fā)展前景，也更容易搭配時下流行的高光譜和圖像識別等智能檢測手段，是未來果樹葉面測溫的發(fā)展方向。

　　1.2果樹葉面濕度檢測

　　在果樹的病蟲害防治工作中，對環(huán)境濕度的把控同樣重要。以柑橘樹為例[15]，葉片濕度是導致葉片真菌病害流行的重要環(huán)境因子，濕度持續(xù)時間過長會造成產(chǎn)量和品質的嚴重損失。果樹葉片上的濕度與空氣的濕度密不可分，為了防止果樹沾濕產(chǎn)生病害以及因空氣濕度過大而抑制果樹的生長，首先要檢測并控制空氣濕度。果園內濕度太大可以通過通風換氣、覆蓋地膜和控制澆水等措施調節(jié);夏季高溫天氣導致干燥就需要采用噴霧加濕、濕簾加濕等方法實現(xiàn)降溫并加濕[16]。

　　溫度因素和濕度因素都是影響植物病菌侵害的主要氣象因子，同樣對多種真菌病害而言，落實在葉面上的濕度大小和持續(xù)時間的長短[17]也是影響病害的重要因素。隨著單片機技術和計算機模擬技術的發(fā)展，濕度信息大多可以和溫度一起檢測，以往傳統(tǒng)的人工使用濕度試紙檢測法已經(jīng)過時。鄭海菊等[18]利用MSP430F149超低耗單片機、智能傳感器SHT15等元器件設計了便攜式溫濕度監(jiān)測儀，通過葉面濕度采集傳感器模塊對葉片獲得水分的過程進行模擬，將檢測結果以電信號的形式傳輸至單片機芯片處理，根據(jù)葉面干濕情況與電信號的對照表得出葉面濕度結果。

　　并且濕度傳感器的選擇有很多，如楊光[19]選用HS1101濕敏元件連接555定時器構成的濕度傳感器可實現(xiàn)0～100相對濕度的檢測，這為葉片濕度檢測和傳感技術的整合提供了新的思路和方法。李旺昆[20]利用PLC(可編程邏輯控制器)檢測傳輸速度快、數(shù)據(jù)采集精度高等特點將農(nóng)業(yè)溫濕度檢測與其相結合，既能對環(huán)境的溫濕度進行檢測，還能將檢測結果與設定值相比從而做出調整，保證溫濕度穩(wěn)定。國外則有學者利用CFD(計算流體動力學)模擬葉片表面或附近的溫度和相對濕度[21]，得出的結果與實際相比誤差較小。

　　楊瑋等[22]在檢測葉面濕度時采用葉面濕度傳感器(leafwetnesssensor，LWS)的仿葉片外形設計來模擬真實葉片的特性，系統(tǒng)在準確反映葉面的溫度濕度的同時還能得出一定葉面環(huán)境下農(nóng)藥霧滴在葉片上的沉積量，這種將葉面信息檢測和農(nóng)藥霧滴沉積計算相結合的設計思路無疑比傳統(tǒng)的水敏紙測量法更具優(yōu)勢。HORNERO等[23]還開發(fā)了基于電容變化的人工樹葉電子接口電路(EIC)，它比集成電子傳感器檢測樹葉濕度更敏感，為后續(xù)研究霧滴的利用提供了便利。

　　由以往的研究不難看出，溫度和濕度均為影響果樹等作物生長的重要氣象因子，在追求測量精度和便利性的同時又不損壞作物本身，可以在今后的研究中嘗試同時檢測作物某處結構的溫濕度，采用模塊化、智能化的農(nóng)業(yè)信息檢測和數(shù)據(jù)處理手段，根據(jù)反饋的信息適當調整施藥作業(yè)方式，使農(nóng)藥的施用更加高效、精準。

　　1.3果樹葉面氣孔密度的檢測

　　葉面溫度、濕度均為作物體外的影響因素，對果樹噴霧來說，葉片作為接受農(nóng)藥霧滴的主要靶標，其本身的形態(tài)和性質[24]同樣對農(nóng)藥霧滴利用有著深遠的影響。宏觀上葉片與葉片之間的分布會影響作物群體的通風及透光的性質，而對于葉片本身，其微觀結構和材質決定著葉片在不同環(huán)境下對農(nóng)藥顆粒的滯納能力[25]，氣孔這種精細結構對農(nóng)藥霧滴的利用具有顯著影響。YU等[26]研究了基于葉片不同微結構所造成的葉表粗糙度而引起的拒水性，同時葉片上附有蠟質時還會表現(xiàn)疏水性[27-28]。

　　一般植物葉片表面均生有各種形狀的毛、刺和凸起物等，通常這些被稱為葉表面裝飾構造的附著物為對農(nóng)藥霧滴的沉積利用[29-30]有重要的影響。植物葉片大多可分為親水類和疏水類，噴霧液滴與葉表面的初次接觸對后續(xù)噴霧效果極其重要，依賴于霧滴(配方、粒徑大小、速度)和葉表(微觀結構、表面化學性質、葉脈、氣孔密度)之間的動態(tài)相互作用，并且主要由葉片表面蠟質含量和表面能力等因素[31-32]決定。氣孔作為植物葉表面的一個重要結構，是氣體交換和水分散失的通道[33]。當外界環(huán)境變化時，植物通過改變氣孔開度的大小來調節(jié)蒸騰作用速率，進而調節(jié)葉面溫度、保護植物含水量，適應環(huán)境的變化[34]。

　　氣孔密度的大小影響著葉面的粗糙程度和與外界之間的物質傳遞(水分、氣體、可吸收顆粒)，從這個角度的果樹葉面信息檢測入手可以幫助研究后續(xù)的施藥過程中霧滴顆粒的利用效果。由于肉眼難以觀察到果樹葉片表面的結構和氣孔密度分布，研究時就需要借助電子顯微技術[35]對葉表進行觀測，記錄葉片信息并分析不同葉表的氣孔分布特性。

　　2果樹葉面信息對農(nóng)藥霧滴利用的影響

　　在討論果樹葉面信息對農(nóng)藥噴霧霧滴利用的影響之前，需要了解農(nóng)藥的應用過程。王景旭[41]、NAIRN等[42]將農(nóng)藥噴施到作物的過程分為霧化、輸運、沉積和生物效應。霧化即藥液經(jīng)過噴頭產(chǎn)生大量的霧滴顆粒，這一過程霧滴的粒徑、速度和噴霧形狀是影響農(nóng)藥使用效率的主要因素，一般來說，霧滴粒徑越小越有利于增加霧滴與靶標的接觸表面積，但也增加了霧滴與空氣的接觸表面積，使得霧滴加速蒸發(fā)[43]，其優(yōu)缺點仍需在實際應用中進一步試驗探索。

　　輸運過程指噴霧霧滴在空氣中的運動會受到空氣擾動、操作噴霧設備造成的氣流改變和空氣溫濕度等基本大氣參數(shù)等因素的影響，到達葉面時也會受到作物冠層附近的微氣象學和液滴蒸發(fā)的影響，CFD技術[44]可以很好地模擬噴霧在該過程的狀態(tài)，便于研究農(nóng)藥的使用效率。沉積則是霧滴最終撞擊靶標并被靶標持留的能力，會受到葉片的大小、形狀、方向、葉表性質和到達的霧滴性質的影響，該研究的葉面溫濕度和氣孔密度信息的獲取體現(xiàn)于此。生物效應則指霧滴沉積到葉面產(chǎn)生的作用，不同成分的藥液與葉面產(chǎn)生的理化反應也不盡相同。

　　2.1葉面溫濕度對霧滴利用的影響

　　葉片表面的溫度和濕度一般會同時影響農(nóng)藥霧滴的利用，夏季進行噴藥作業(yè)時，低濕度、高溫的環(huán)境下霧滴蒸發(fā)很快，大量霧滴隨之蒸發(fā)漂移，不利于農(nóng)藥的利用，一般環(huán)境相對濕度大于70%時[45]適合作業(yè)。陶波等[46]利用植保無人機研究霧滴在葉片上的沉積，在不同溫濕度情況下測試了農(nóng)藥霧滴的沉積情況，分析得出溫度對農(nóng)藥霧滴分布的影響不明顯、濕度對農(nóng)藥霧滴分布影響顯著的結論。

　　環(huán)境溫度高、濕度低時農(nóng)藥霧滴蒸發(fā)迅速，農(nóng)藥大多浪費得不到很好的利用，所以夏季施藥一般選在09：00前，16：00后作業(yè)。同樣國外也有學者得出類似的結論，在干燥的樹葉條件下，夜間噴藥(與較低溫度和較高的相對濕度有關)比白天噴藥(與較高溫度和較低的相對濕度有關)具有更好的沉積作用[47]，一般來說，在潮濕的葉子上，霧滴的沉積量有所增加。

　　3結語與展望

　　農(nóng)藥大規(guī)模粗放式的噴施作業(yè)法已經(jīng)過時，21世紀的農(nóng)業(yè)必將走向以科技為主、人工或機械代替人工作業(yè)為輔的新道路，以果樹噴霧作業(yè)為代表的植物病蟲害防治工作也應考慮如何更加精細用藥，在保證農(nóng)田環(huán)境不被破壞的情況下將農(nóng)藥的使用效果最大化。目前，我國部分果園的施藥裝備已經(jīng)開始機械化、自動化作業(yè)，但受制于不同地區(qū)的果園地形復雜多變、南北氣候差異顯著，以及當?shù)剡m宜生長果樹的種植管理方式不同等因素，整體的水平與國外的農(nóng)機化作業(yè)程度相比仍還有一定地差距，并且隨著大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)技術更多地參與智慧農(nóng)業(yè)建設，提高施藥裝備的智能化和信息化程度儼然成為了新的發(fā)展趨勢。

　　果樹種植論文范例： 淺談生物技術在果樹種植上的應用

　　從對國內外學者的相關研究中可以看出，目前檢測果樹葉面溫度、濕度和氣孔密度的手段和技術比20世紀有了長遠的進步，設計先進、使用效果更優(yōu)異的傳感器和數(shù)據(jù)處理模塊能夠很好地代替之前效率較低的檢測方法，智慧農(nóng)業(yè)領域中流行的圖像處理算法和人機交互界面等快捷手段幫助農(nóng)戶與作物之間實現(xiàn)“直接對話”，但大多數(shù)有研究前景的檢測方法仍未得到大范圍推廣、適用面較窄，并且在果樹噴霧作業(yè)這方面的植保機械和技術領域中，該研究所聚焦的葉面信息數(shù)據(jù)的獲取分析與后續(xù)植保作業(yè)時農(nóng)藥霧滴利用效果之間是具有一定關聯(lián)的，但具體到特定地域、特定果樹種類時，其間的影響規(guī)律仍需各領域的科研團隊做后續(xù)深入研究。

　　參考文獻

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　　作者：王鎮(zhèn)霖1，周錫恩2，宋淑然1，3，孫道宗1，4，李震

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