果園防霜凍風(fēng)機(jī)比較分析與試驗(yàn)研究

張建強(qiáng)，余建國，陳 軍，劉民祥，鄭 容，陳 晶，雷 卿

(1.寶雞市農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展中心，陜西寶雞 721004；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院，陜西楊凌 712100；3.天水豐神防霜機(jī)有限公司，甘肅天水 741000；4.寶雞市農(nóng)業(yè)信息宣傳培訓(xùn)中心，陜西寶雞 721001)

果園的溫濕度條件是果樹生長發(fā)育、果實(shí)產(chǎn)量品質(zhì)的重要影響因素，同時(shí)也是直接導(dǎo)致果園各種病蟲害、農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害的重要影響因素。霜凍是一種由果園溫度變化引起的嚴(yán)重的農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害。尤其是發(fā)生在春季的晚霜，會(huì)直接凍傷果樹的嫩芽、嫩梢、花朵、幼果，直接影響果樹的生長發(fā)育和果實(shí)的開花結(jié)果，進(jìn)而造成減產(chǎn)絕收，特別嚴(yán)重時(shí)可直接導(dǎo)致果樹死亡。隨著全球溫室效應(yīng)的持續(xù)加強(qiáng)，春季氣溫回升速度加快，果樹發(fā)芽期提前，霜凍對于果園的危害正朝范圍廣、頻率高、強(qiáng)度大、周期長的方向快速發(fā)展。因此，防霜凍已成為近年來果園植物保護(hù)的熱點(diǎn)。但是由于防霜凍問題缺乏系統(tǒng)而精準(zhǔn)的研究，常使霜凍的預(yù)防措施沒有顯著的功效。如采用常規(guī)的覆蓋、煙熏、灌水等方法，效果較差，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而適合大規(guī)模應(yīng)用的自動(dòng)化、機(jī)械化防霜凍技術(shù)尚處于研發(fā)階段。在目前防霜凍的措施中，使用大功率的風(fēng)機(jī)擾動(dòng)空氣，引起果園溫度變化，從而防止或減輕霜凍危害的方法是較為可行的。因此，研究在風(fēng)機(jī)作用下果樹周圍各主要位置的溫度變化對于研發(fā)可有效防霜凍的風(fēng)機(jī)具有重要意義。田間試驗(yàn)是檢驗(yàn)其原理正確與否的主要方式，因此，需要對防霜凍風(fēng)機(jī)進(jìn)行田間試驗(yàn)。在田間試驗(yàn)中，通過對影響其性能的各因素進(jìn)行分析，可以更好地發(fā)現(xiàn)其規(guī)律，可為機(jī)器的研發(fā)提供理論依據(jù)。筆者使用FS5.5型吹風(fēng)式果園防霜機(jī)和FS110型吹風(fēng)式果園防霜機(jī)在果園進(jìn)行試驗(yàn)，通過測量在提溫過程中各位置的溫度變化情況，分析逆溫層對防霜凍的效果，以期為防止果園霜凍提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)備

FS5.5型吹風(fēng)式果園防霜機(jī)，功率為5.5 kW，高度為8.5 m，風(fēng)葉直徑為2.3 m。該防霜機(jī)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)而產(chǎn)生風(fēng)能，對果園上方空氣進(jìn)行物理擾動(dòng)。

FS110型吹風(fēng)式果園防霜機(jī)，功率為110 kW，高度為11.5 m，風(fēng)葉直徑為6.0 m。該防霜機(jī)由柴油機(jī)作為動(dòng)力源，再經(jīng)齒輪箱、傳動(dòng)軸帶動(dòng)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)而產(chǎn)生風(fēng)能，對果園上方空氣進(jìn)行物理擾動(dòng)。

在風(fēng)機(jī)周圍按不同距離、不同高度設(shè)立溫濕度觀測記錄點(diǎn)，建立智能溫濕度監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，每隔5 min自動(dòng)記錄溫濕度數(shù)據(jù)。溫度傳感器測量精度為0.2 ℃，測量范圍為-40～120 ℃；濕度傳感器測量精度為2%，測量范圍為0～100%。

2 試驗(yàn)方案

FS5.5型果園防霜機(jī)放置在陜西省寶雞市扶風(fēng)縣木林森種植專業(yè)合作社，分別在距離防霜機(jī)10、20、30、50 m，高度均為1.6 m的位置安裝溫濕度監(jiān)控探頭；在距離防霜機(jī)為20 m、高度為8.5 m的位置(逆溫層)安裝溫濕度監(jiān)控探頭；在距離防霜機(jī)為200 m、高度為1.6 m的位置安裝溫濕度探頭，作為檢驗(yàn)防霜凍效果的對比點(diǎn)。

FS110型果園防霜機(jī)放置在陜西省寶雞市千陽縣大地豐泰果業(yè)公司，分別在距離防霜機(jī)10、20、30、50、80、100 m，高度均為1.6 m的位置安裝溫濕度監(jiān)控探頭；在距離防霜機(jī)20 m、高度11.5 m的位置(逆溫層)安裝溫濕度監(jiān)控探頭；在距離防霜機(jī)為200 m、高度為1.6 m的位置安裝溫濕度探頭，作為檢驗(yàn)防霜凍效果的對比點(diǎn)。測試點(diǎn)布置見圖1。

圖1 測試點(diǎn)布置Fig.1 The layout of test points

當(dāng)溫度降至設(shè)定溫度下限時(shí)啟動(dòng)防霜機(jī)，在試驗(yàn)過程中，每隔5 min采集一次溫濕度數(shù)據(jù)，并進(jìn)行記錄。

如圖2所示，太陽能板為溫濕度傳感器提供動(dòng)力，測量終端采集的溫濕度數(shù)據(jù)通過校正和轉(zhuǎn)換，既可以進(jìn)行現(xiàn)場顯示，也可以通過信號基站自動(dòng)上傳至云平臺(tái)數(shù)據(jù)庫，并通過手機(jī)或電腦實(shí)時(shí)查看。

3 FS5.5型吹風(fēng)式果園防霜機(jī)試驗(yàn)結(jié)果與分析

因?yàn)榉浪獌鲲L(fēng)機(jī)的防霜凍效果產(chǎn)生的基礎(chǔ)是大氣中的逆溫層，因此是否存在逆溫層至關(guān)重要。為了減少無用數(shù)據(jù)量，對葉面處(1.6 m)溫度相同的數(shù)據(jù)予以剔除，只保留不同溫度數(shù)據(jù)。研究發(fā)現(xiàn)，從4月13日21：00開始，在8.5 m處出現(xiàn)明顯的逆溫層。溫差最大出現(xiàn)在4月14日02：15，在1.6 m處溫度為3.7 ℃，在8.5 m處溫度為6.4 ℃，溫差為2.7 ℃。在采集的53個(gè)溫度點(diǎn)中，平均升溫1.2 ℃。

果樹葉面、逆溫層與對比點(diǎn)處溫度變化如圖3所示。圖3中逆溫層溫度線、葉面溫度線和對比點(diǎn)溫度線分別為木林森種植專業(yè)合作社2號、9號和10號測試點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)。2021年4月13日20：00至14日8：00每5 min獲取一次溫度數(shù)據(jù)。由圖3可知，從4月13日21：00到14日7：50，逆溫層溫度始終高于葉面與對比點(diǎn)處溫度。逆溫層平均溫度7.0 ℃，葉面處平均溫度5.8 ℃，對比點(diǎn)平均溫度5.7 ℃。最低溫度發(fā)生在4月14日6：35，對比點(diǎn)溫度為2.5 ℃，葉面溫度為3.4 ℃，逆溫層溫度為5.1 ℃。

圖2 數(shù)據(jù)采集傳輸示意Fig 2 The diagram of data acquisition and transmission

圖3 FS5.5型吹風(fēng)式果園防霜機(jī)葉面、逆溫層、對比點(diǎn)處溫度變化Fig.3 The change of temperature of the leaf surface，temperature inversion layer and contrast point of FS5.5 orchard frost prevention machine

2021年4月14日4：00啟動(dòng)風(fēng)機(jī)后，葉面、逆溫層和對比點(diǎn)處的溫度變化如圖4所示。圖4中逆溫層溫度線、葉面溫度線和對比點(diǎn)溫度線分別為木林森種植專業(yè)合作社2號、9號和10號測試點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)，每5 min獲取一次數(shù)據(jù)。由圖4可知，4：30葉面溫度相對對比點(diǎn)溫度開始上升。4：30—7：30葉面溫度一直高于對比點(diǎn)溫度。因此，在風(fēng)機(jī)啟動(dòng)后，果樹葉面處溫度呈上升趨勢。4：00—6：00葉面與對比點(diǎn)溫差最高的時(shí)間點(diǎn)為5：35，此時(shí)葉面與對比點(diǎn)溫度分別為4.6 ℃、3.5 ℃，兩者溫差為1.1 ℃。4：30—7：50在采集的17個(gè)有效溫度點(diǎn)中，葉面平均溫度為4.8 ℃，對比點(diǎn)平均溫度為4.3 ℃。試驗(yàn)結(jié)果表明，存在逆溫層的情況下，風(fēng)機(jī)能有效提高果樹葉面溫度，以抵御霜凍災(zāi)害。

圖4 FS5.5型吹風(fēng)式果園防霜機(jī)風(fēng)機(jī)啟動(dòng)后葉面、逆溫層、對比點(diǎn)處溫度變化Fig.4 The change of temperature of the leaf surface，temperature inversion layer and contrast point after using the frost fan of FS5.5 orchard frost prevention machine

4 FS110型吹風(fēng)式果園防霜機(jī)試驗(yàn)結(jié)果與分析

2021年4月27日20：00至28日8：00果樹葉面、逆溫層處溫度變化如圖5所示。圖5中的逆溫層溫度線、葉面溫度線分別為大地豐泰果業(yè)公司3號、9號測試點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)，每5 min獲取一次溫度數(shù)據(jù)。由圖5可知，從4月27日20：00開始，在11.5 m處出現(xiàn)明顯的逆溫層。葉面與逆溫層的最大溫差出現(xiàn)在4：25，葉面(1.6 m處)溫度為2.1 ℃，逆溫層(11.5 m處)溫度為4.4 ℃，溫差為2.3 ℃。在采集的113個(gè)有效溫度點(diǎn)中，逆溫層與葉面處平均溫度分別為7.0 ℃與6.0 ℃，溫差為1.0 ℃。

圖5 FS110型吹風(fēng)式果園防霜機(jī)葉面、逆溫層處溫度變化Fig.5 The change of temperature of the leaf surface and temperature inversion layer of FS110 orchard frost prevention machine

從4月27日20：00到4月28日7：59，逆溫層溫度始終高于葉面和對比點(diǎn)處溫度。逆溫層平均溫度為7 ℃，葉面處平均溫度為5.96 ℃，對比點(diǎn)平均溫度為6.20 ℃。最低溫度發(fā)生在4月28日4：39，對比點(diǎn)溫度為2.90 ℃，葉面溫度為1.70 ℃，逆溫層溫度為3.50 ℃。

2021年4月28日4：00啟動(dòng)風(fēng)機(jī)后，葉面、逆溫層和對比點(diǎn)處的溫度變化如圖6所示。圖6中逆溫層、葉面和對比點(diǎn)溫度線分別為大地豐泰果業(yè)公司2號、9號和10號測試點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)。由圖6可知，4：00啟動(dòng)風(fēng)機(jī)后，4：40時(shí)葉面處溫度開始上升，5：35葉面溫度接近逆溫層溫度，達(dá)到4.6 ℃。此時(shí)葉面溫度比對比點(diǎn)高0.6 ℃。4：00—8：00，葉面平均溫度為4.4 ℃。4：00—6：00葉面最高溫度發(fā)生在5：50，溫度為4.9 ℃。試驗(yàn)表明，在夜間霜凍易發(fā)時(shí)間段，風(fēng)機(jī)能有效防止葉面溫度降低，提高果樹抵御霜凍災(zāi)害的能力。

圖6 FS110型吹風(fēng)式果園防霜機(jī)風(fēng)機(jī)啟動(dòng)后葉面、逆溫層、對比點(diǎn)處溫度變化Fig 6 The change of temperature of the leaf surface，temperature inversion layer and contrast point after using the frost fan of FS110 orchard frost prevention machine

5 結(jié)論

研究了FS5.5型吹風(fēng)式果園防霜機(jī)和FS110型吹風(fēng)式果園防霜機(jī)在果園提溫過程中各位置的溫度變化情況。研究發(fā)現(xiàn)，在空氣濕度小于70%時(shí)，逆溫層普遍存在。在有逆溫層存在的情況下，通過使用風(fēng)機(jī)擾動(dòng)空氣，可有效提高果樹葉面溫度。研究提出，在高度分別為1.6和8.5 m 2個(gè)位置測溫從而判斷逆溫層溫差的方法，可以有效顯示防霜凍效果。