果树叶面信息检测及其对雾滴利用影响的研究进展

　　摘要：果树的生长离不开农药等植保产品的使用，将药液喷施于枝叶是主要的果树植保作业方式，但是在对果树进行喷雾时不科学的作业方式会使农药的使用效果大打折扣，造成浪费的同时也给农田环境带来污染。果树的叶片作为主要接收农药雾滴的靶标，其表面的温度、湿度以及包括气孔密度在内的叶面信息的变化会影响农药雾滴的利用率。该研究从上述3类果树叶面信息检测的角度介绍了若干种叶面温度、湿度和气孔密度的检测方法，综述了国内外针对果树叶面信息的检测手段以及对农药雾滴沉积利用影响的研究;同时，总结归纳出农药喷雾雾滴的使用效果会不同程度地受到上述果树叶面因素变化影响的结论，喷雾作业更需精细化、有计划地开展;最后，为果树精准喷雾作业方式提出了新的研究和发展方向，以期为今后果树植保作业的科学、高效发展提供参考依据。

　　关键词：果树喷雾;叶面温湿度;气孔密度;叶面信息检测;雾滴利用

　　农业生产从古至今都受到病虫草鼠等有害因素的影响，农作物产量低极大的制约了农业的发展进程。农药这类植保产品的出现，使农作物产量低的问题得到一定的缓解。作为控制上述病害的特殊化学商品，农药在保护农业生产、提高农业综合生产能力、促进农民增收和粮油稳定增产等方面发挥了重要作用[1]。

　　我国不乏高质量的农药生产制造技术，但农药利用方面的技术不如国外其他农业大国。农药使用效率低、浪费多、流失严重，同量的药液得不到有效利用，且农药残留多，农田周围的环境受到不同程度的破坏，这些植保技术的薄弱环节都制约着我国农业发展。国外自20世纪开始就对施药技术进行改进、完善，通过采用低容量、超低容量、控滴喷雾和反飘喷雾等新技术减小了农药浪费污染，在施药量减小的同时农药的利用效率和工效大幅度提高。

　　而国内大部分的农药作业依旧沿用20世纪的大容量淋雨式喷雾法[2]，企图通过加大施药容量来控制病害，殊不知这种施药方式带来的损失更大，用药效率也极低，大量药液流入农田中，污染环境[3]。施药技术与施药装备正向着智能、精准、低量、高效方向[4]发展，针对果树喷雾这一领域，施药装备整体上仍未达到精准、按需喷施的要求，这是目前世界范围内喷雾技术所面临的普遍问题[5]。

　　如何更好地施用农药，保证药液经过喷嘴雾化后生成的雾滴能够较好地沉积在果树等植物叶片上就成为了农业病虫害防治工作的一个突破口。果树种植在农业生产体系中占有相当的比重，极其依赖喷施农药来保证果树在各季节的正常发育和最终产果的质量，随着从事水果种植管理群体人数逐年下降，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[6]。

　　该研究所聚焦的喷雾作业主要是将药液施用于果树的叶面，如果能在进行作业之前或工作期间有效地检测果树叶面信息并掌握一定条件下的施药规律，将农药喷雾雾滴的利用效果最大化，这对果树喷雾技术和装备的智能化、精细化发展有着积极的推动作用，也是今后精细农业值得深入研究的方向。

　　1果树叶面信息的检测

　　1.1果树叶面温度检测

　　在果树的生长过程中，温度起到了关键作用。从春季果树发出新的枝叶进行光合作用，到夏季高温天气依靠叶片频繁进行呼吸作用和蒸腾作用调整水分和温度，再到秋季丰收时果实成熟前的养分积累，这期间果树的叶面温度随外界环境和自身的生长情况不断变化，作为植物的“体温”，是植物生理参数的重要指标之一[7]。如果能够持续或定期检测果树叶面的温度，对生产计划(喷药施肥等)作相应调整，那么果实的质量也会有所保障。E·ASKENASY早在19世纪70年代提出过叶面温度的概念，但当时的检测手段落后，叶面温度研究进展缓慢[8]，直到红外技术的出现，对叶温的检测研究才有所突破。

　　叶面温度的检测方式一般可分为接触式和非接触式。热电偶是最常见的接触式类型的测温器，相对于一般的水银温度计和半导体点温计等精度不高的测温工具来说，它更简单可靠，并且灵敏度高、热惰性小、种类繁多，可根据不同环境选择不同材料组成热电偶。鲁墨森等[9]选用铜-康铜材料组成热电偶，并将多组热电偶串联提高测量精度，利用其微小探头不损害叶片和快速反应的特点为果树叶面测温，搭配高精度的数字表和显示记录仪就可以得到叶片温度的微变动态过程。

　　自记型热电偶通风干湿温度表同样利用热电偶灵敏度高、反应快的特点，用来检测农业生态环境的重要因子[10]，安置于果园内可常年检测环境的空气干湿球温度和相对湿度，采集的数据自动处理，配合叶温检测器可掌握不同天气情况下果园内温湿度等生态信息，但随着检测技术的发展，这种对成本和人力要求较高的测温方法很难适用于大面积的果园。对于非接触式测温方式，测温仪器不需要直接接触叶片来获取温度信息，大多通过光波的传播、遥感定位等方式获取一定范围内的叶面温度信息，比点对点的接触式测温方式效率更高，也能适应检测手段的进步。

　　PATRIZIA等[11]使用的配有红外传感器的温度测量仪就是通过接收物体所发射的光波，根据光波辐射强度与物体表面温度之间的函数关系来得出物体的表面温度;张慧春等[12]研究了农药精确施用系统中信息流集成的GPS和气象数据库的应用，可对包括温度在内的各项气象因子进行实时检测，从而有针对性地进行农药喷施作业。相比于之前获取叶温时所采用的间接计算法和利用热量平衡原理的空气动力学方法，仪器测量更具有精度和效率。

　　综合考虑影响叶温检测的因素和目前的技术要求，搭配计算机智能模块的高精度接触式传感器，可直接精确测量叶片温度，马伟等[13]开发出两通道的探测器模块，融合植物株高和叶片温度的检测数据来获得叶片温度，一个通道为非接触式集成红外测温传感器，另一个通道探测株高间接检测叶片位置，相互配合动态检测叶面温度。综上所述，接触式测温更加直接方便，但在检测范围过大时就显得效率低下，有时也会对植物叶片造成损坏;非接触式测温方式更容易凭借无物理接触、数据实时自动采集、成本可控、操作简单等优点[14]取得不错的发展前景，也更容易搭配时下流行的高光谱和图像识别等智能检测手段，是未来果树叶面测温的发展方向。

　　1.2果树叶面湿度检测

　　在果树的病虫害防治工作中，对环境湿度的把控同样重要。以柑橘树为例[15]，叶片湿度是导致叶片真菌病害流行的重要环境因子，湿度持续时间过长会造成产量和品质的严重损失。果树叶片上的湿度与空气的湿度密不可分，为了防止果树沾湿产生病害以及因空气湿度过大而抑制果树的生长，首先要检测并控制空气湿度。果园内湿度太大可以通过通风换气、覆盖地膜和控制浇水等措施调节;夏季高温天气导致干燥就需要采用喷雾加湿、湿帘加湿等方法实现降温并加湿[16]。

　　温度因素和湿度因素都是影响植物病菌侵害的主要气象因子，同样对多种真菌病害而言，落实在叶面上的湿度大小和持续时间的长短[17]也是影响病害的重要因素。随着单片机技术和计算机模拟技术的发展，湿度信息大多可以和温度一起检测，以往传统的人工使用湿度试纸检测法已经过时。郑海菊等[18]利用MSP430F149超低耗单片机、智能传感器SHT15等元器件设计了便携式温湿度监测仪，通过叶面湿度采集传感器模块对叶片获得水分的过程进行模拟，将检测结果以电信号的形式传输至单片机芯片处理，根据叶面干湿情况与电信号的对照表得出叶面湿度结果。

　　并且湿度传感器的选择有很多，如杨光[19]选用HS1101湿敏元件连接555定时器构成的湿度传感器可实现0～100相对湿度的检测，这为叶片湿度检测和传感技术的整合提供了新的思路和方法。李旺昆[20]利用PLC(可编程逻辑控制器)检测传输速度快、数据采集精度高等特点将农业温湿度检测与其相结合，既能对环境的温湿度进行检测，还能将检测结果与设定值相比从而做出调整，保证温湿度稳定。国外则有学者利用CFD(计算流体动力学)模拟叶片表面或附近的温度和相对湿度[21]，得出的结果与实际相比误差较小。

　　杨玮等[22]在检测叶面湿度时采用叶面湿度传感器(leafwetnesssensor，LWS)的仿叶片外形设计来模拟真实叶片的特性，系统在准确反映叶面的温度湿度的同时还能得出一定叶面环境下农药雾滴在叶片上的沉积量，这种将叶面信息检测和农药雾滴沉积计算相结合的设计思路无疑比传统的水敏纸测量法更具优势。HORNERO等[23]还开发了基于电容变化的人工树叶电子接口电路(EIC)，它比集成电子传感器检测树叶湿度更敏感，为后续研究雾滴的利用提供了便利。

　　由以往的研究不难看出，温度和湿度均为影响果树等作物生长的重要气象因子，在追求测量精度和便利性的同时又不损坏作物本身，可以在今后的研究中尝试同时检测作物某处结构的温湿度，采用模块化、智能化的农业信息检测和数据处理手段，根据反馈的信息适当调整施药作业方式，使农药的施用更加高效、精准。

　　1.3果树叶面气孔密度的检测

　　叶面温度、湿度均为作物体外的影响因素，对果树喷雾来说，叶片作为接受农药雾滴的主要靶标，其本身的形态和性质[24]同样对农药雾滴利用有着深远的影响。宏观上叶片与叶片之间的分布会影响作物群体的通风及透光的性质，而对于叶片本身，其微观结构和材质决定着叶片在不同环境下对农药颗粒的滞纳能力[25]，气孔这种精细结构对农药雾滴的利用具有显著影响。YU等[26]研究了基于叶片不同微结构所造成的叶表粗糙度而引起的拒水性，同时叶片上附有蜡质时还会表现疏水性[27-28]。

　　一般植物叶片表面均生有各种形状的毛、刺和凸起物等，通常这些被称为叶表面装饰构造的附着物为对农药雾滴的沉积利用[29-30]有重要的影响。植物叶片大多可分为亲水类和疏水类，喷雾液滴与叶表面的初次接触对后续喷雾效果极其重要，依赖于雾滴(配方、粒径大小、速度)和叶表(微观结构、表面化学性质、叶脉、气孔密度)之间的动态相互作用，并且主要由叶片表面蜡质含量和表面能力等因素[31-32]决定。气孔作为植物叶表面的一个重要结构，是气体交换和水分散失的通道[33]。当外界环境变化时，植物通过改变气孔开度的大小来调节蒸腾作用速率，进而调节叶面温度、保护植物含水量，适应环境的变化[34]。

　　气孔密度的大小影响着叶面的粗糙程度和与外界之间的物质传递(水分、气体、可吸收颗粒)，从这个角度的果树叶面信息检测入手可以帮助研究后续的施药过程中雾滴颗粒的利用效果。由于肉眼难以观察到果树叶片表面的结构和气孔密度分布，研究时就需要借助电子显微技术[35]对叶表进行观测，记录叶片信息并分析不同叶表的气孔分布特性。

　　2果树叶面信息对农药雾滴利用的影响

　　在讨论果树叶面信息对农药喷雾雾滴利用的影响之前，需要了解农药的应用过程。王景旭[41]、NAIRN等[42]将农药喷施到作物的过程分为雾化、输运、沉积和生物效应。雾化即药液经过喷头产生大量的雾滴颗粒，这一过程雾滴的粒径、速度和喷雾形状是影响农药使用效率的主要因素，一般来说，雾滴粒径越小越有利于增加雾滴与靶标的接触表面积，但也增加了雾滴与空气的接触表面积，使得雾滴加速蒸发[43]，其优缺点仍需在实际应用中进一步试验探索。

　　输运过程指喷雾雾滴在空气中的运动会受到空气扰动、操作喷雾设备造成的气流改变和空气温湿度等基本大气参数等因素的影响，到达叶面时也会受到作物冠层附近的微气象学和液滴蒸发的影响，CFD技术[44]可以很好地模拟喷雾在该过程的状态，便于研究农药的使用效率。沉积则是雾滴最终撞击靶标并被靶标持留的能力，会受到叶片的大小、形状、方向、叶表性质和到达的雾滴性质的影响，该研究的叶面温湿度和气孔密度信息的获取体现于此。生物效应则指雾滴沉积到叶面产生的作用，不同成分的药液与叶面产生的理化反应也不尽相同。

　　2.1叶面温湿度对雾滴利用的影响

　　叶片表面的温度和湿度一般会同时影响农药雾滴的利用，夏季进行喷药作业时，低湿度、高温的环境下雾滴蒸发很快，大量雾滴随之蒸发漂移，不利于农药的利用，一般环境相对湿度大于70%时[45]适合作业。陶波等[46]利用植保无人机研究雾滴在叶片上的沉积，在不同温湿度情况下测试了农药雾滴的沉积情况，分析得出温度对农药雾滴分布的影响不明显、湿度对农药雾滴分布影响显著的结论。

　　环境温度高、湿度低时农药雾滴蒸发迅速，农药大多浪费得不到很好的利用，所以夏季施药一般选在09：00前，16：00后作业。同样国外也有学者得出类似的结论，在干燥的树叶条件下，夜间喷药(与较低温度和较高的相对湿度有关)比白天喷药(与较高温度和较低的相对湿度有关)具有更好的沉积作用[47]，一般来说，在潮湿的叶子上，雾滴的沉积量有所增加。

　　3结语与展望

　　农药大规模粗放式的喷施作业法已经过时，21世纪的农业必将走向以科技为主、人工或机械代替人工作业为辅的新道路，以果树喷雾作业为代表的植物病虫害防治工作也应考虑如何更加精细用药，在保证农田环境不被破坏的情况下将农药的使用效果最大化。目前，我国部分果园的施药装备已经开始机械化、自动化作业，但受制于不同地区的果园地形复杂多变、南北气候差异显著，以及当地适宜生长果树的种植管理方式不同等因素，整体的水平与国外的农机化作业程度相比仍还有一定地差距，并且随着大数据、物联网技术更多地参与智慧农业建设，提高施药装备的智能化和信息化程度俨然成为了新的发展趋势。

　　果树种植论文范例： 浅谈生物技术在果树种植上的应用

　　从对国内外学者的相关研究中可以看出，目前检测果树叶面温度、湿度和气孔密度的手段和技术比20世纪有了长远的进步，设计先进、使用效果更优异的传感器和数据处理模块能够很好地代替之前效率较低的检测方法，智慧农业领域中流行的图像处理算法和人机交互界面等快捷手段帮助农户与作物之间实现“直接对话”，但大多数有研究前景的检测方法仍未得到大范围推广、适用面较窄，并且在果树喷雾作业这方面的植保机械和技术领域中，该研究所聚焦的叶面信息数据的获取分析与后续植保作业时农药雾滴利用效果之间是具有一定关联的，但具体到特定地域、特定果树种类时，其间的影响规律仍需各领域的科研团队做后续深入研究。

　　参考文献

　　[1]纪明山.农药对农业的贡献及发展趋势[J].新农业，2011(4)：43-44.

　　[2]袁会珠，王国宾.雾滴大小和覆盖密度与农药防治效果的关系[J].植物保护，2015，41(6)：9-16.

　　[3]何雄奎.改变我国植保机械和施药技术严重落后的现状[J].农业工程学报，2004(1)：13-15.

　　作者：王镇霖1，周锡恩2，宋淑然1，3，孙道宗1，4，李震

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