果园种草有讲究

果园杂草一直都让果农深感头痛,用除草剂除草不仅伤果树的根系,还可能对果树枝叶产生药害。用防草布控杂草,成本比较高,施肥也不方便,有些防草布还难降解,影响果园生态环境。人工除草很费工,百亩左右的果园,每年人工除草的费用就要几万元。

果园智能化作业装备自主导航技术研究进展

果园生产管理主要包括喷药、施肥、割草、修剪、授粉、疏花和采收分级等作业环节,需要大量的人力投入,随着我国人口老龄化程度加剧,亟需果园生产管理由机械化向智能化转型升级。自主导航技术是果园机械化装备实现智能化的关键技术。本文围绕果园智能化作业装备导航控制需求,结合国内外研究现状,分别阐述了包含导航定位信息和障碍物信息的果园作业场景感知技术,导航地图构建、导航路径提取和路径规划技术,行走底盘运动学模型构建、运动控制技术,多机协同控制、远程交互控制技术等。随着智慧农业发展,智慧果园已成为果园未来发展方向,果园智能化作业装备是智慧果园建设必不可少的关键环节,在此基础上,归纳了我国果园智能化作业装备自主导航技术发展面临的问题为:环境感知能力不足、路径提取不稳定、局部路径规划不灵活、导航系统环境适应性欠缺、多机协同和远程控制不成熟等,提出了多传感器融合的环境感知与路径提取、完整路径规划、强通用性果园导航、大型果园多作业环节的多机协同与远程操作等未来发展方向。

丘陵山地果园全液压遥控式履带动力底盘设计与试验

针对目前丘陵山地果园作业农用底盘整机体积大、行驶作业操作繁琐和通过性差等问题,结合丘陵山地果园开沟、除草和修剪等农艺管理环节的实际需求,设计了一款全液压遥控式履带动力底盘。首先,对动力底盘的整机结构和工作原理进行了阐述;其次,对前置挂载机构、行走系、变幅宽底盘、液压系统、遥控系统等关键部件进行设计和相应的匹配选型;最后,对整机进行了性能试验。试验结果表明:动力底盘在最小幅宽(1220 mm)和最大幅宽(1620 mm)的直线行驶偏移率分别为2.24%和2.2%,均满足相应国家标准(≤6%)要求。底盘的转向机动性能良好,最小幅宽原地转弯半径为905 mm,可适应丘陵山地果园相对狭窄的坡地作业环境。遥控操作上下斜坡、翻越田埂、跨越畦沟等过程平稳,满足丘陵山地果园非结构化地形行走要求。挂载链式开沟器进行开沟作业时,沟深稳定系数为88.5%,沟宽稳定系数为92.5%,满足国家标准(≥85%)要求。整机工作性能满足丘陵果园复杂坡度地形管理作业要求,可为丘陵山地果园田间管理作业的有效实施提供综合应用平台和技术支撑。

基于形色筛选的苹果园羽化害虫粘连图像分割方法

针对苹果园害虫识别过程中的粘连问题,提出了一种基于形色筛选的害虫粘连图像分割方法。首先,采集苹果园害虫图像,聚焦于羽化害虫。害虫在羽化过程中已完成大部分生长发育,其外部形态、颜色、纹理更为稳定显著。因此,基于不同种类害虫的形色特征信息分析,来获取害虫HSV分割阈值和模板轮廓。其次,利用形状因子判定分割粘连区域,通过颜色分割法和轮廓定位分割法来实现非种间与种间粘连害虫的分割。最后,对采集的苹果园害虫图像进行了试验分析,采用基于形色筛选的分割法对单个害虫进行分割,结果表明,本文方法的平均分割率、平均分割错误率和平均分割有效率分别为101%、3.14%和96.86%,分割效果优于传统图像分割方法。此外,通过预定义的颜色阈值,本文方法实现了棉铃虫、桃蛀螟与玉米螟的精准分类,平均分类准确率分别为97.77%、96.75%与96.83%。同时,以Mask R-CNN模型作为识别模型,平均识别精度作为评价指标,分别对已用本文方法和未用本文方法分割的害虫图像进行识别试验。结果表明,已用本文方法分割的棉铃虫、桃蛀螟和玉米螟害虫图像平均识别精度分别为96.55%、94.80%与95.51%,平均识别精度分别提高16.42、16.59、16.46个百分点。这表明该方法可为果园害虫精准识别提供理论和方法基础。

基于改进YOLO v7轻量化模型的自然果园环境下苹果识别方法

针对自然果园环境下苹果果实识别中,传统的目标检测算法往往很难在检测模型的检测精度、速度和轻量化方面实现平衡,提出了一种基于改进YOLO v7的轻量化苹果检测模型。首先,引入部分卷积(Partial convolution, PConv)替换多分支堆叠模块中的部分常规卷积进行轻量化改进,以降低模型的参数量和计算量;其次,添加轻量化的高效通道注意力(Efficient channel attention, ECA)模块以提高网络的特征提取能力,改善复杂环境下遮挡目标的错检漏检问题;在模型训练过程中采用基于麻雀搜索算法(Sparrow search algorithm, SSA)的学习率优化策略来进一步提高模型的检测精度。试验结果显示:相比于YOLO v7原始模型,改进后模型的精确率、召回率和平均精度分别提高4.15、0.38、1.39个百分点,其参数量和计算量分别降低22.93%和27.41%,在GPU和CPU上检测单幅图像的平均用时分别减少0.003 s和0.014 s。结果表明,改进后的模型可以实时准确地识别复杂果园环境中的苹果,模型参数量和计算量较小,适合部署于苹果采摘机器人的嵌入式设备上,为实现苹果的无人化智能采摘奠定了基础。

基于轻量化PointNet网络的林果园喷雾作业靶标实时识别方法

为了进一步提高喷雾机器人靶标检测的精准性、实时性和应用部署的实用性,该研究提出一种基于轻量化PointNet网络的林果园喷雾作业靶标实时识别方法。首先通过区域提取降采样、地面分割和改进DBSCAN聚类等点云预处理方法提取原始点云中的靶标;然后通过移动最小二乘上采样将靶标点云转化为满足点云识别网络输入要求的点云数据;最终通过在PointNet网络中引入残差模块和改进循环剪枝算法轻量化PointNet网络,完成林果树靶标的实时识别。试验结果表明,在ModelNet40数据集上,轻量化PointNet网络可达89.7%的准确率;在实际苗圃环境的试验中,该研究方法对靶标的识别准确率可达92.49%,同时误识率与拒识率分别为13.4%和6.47%,相较PointNet网络识别准确率提升了4.38个百分点,误识率和拒识率分别降低了7.2和4.07个百分点;轻量化PointNet网络识别准确率仅比PointNet++网络低1.14个百分点,误识率和拒识率分别高了0.9和1.12个百分点。但是轻量化PointNet网络的模型参数量较PointNet网络和PointNet++网络的模型参数量显著减少,仅为PointNet网络的11.5%,PointNet++网络的27.02%;运算量相较PointNet网络、PointNet++网络分别减少13.3和76.79个百分点。该研究提出的轻量化PointNet网络具有较高的实时性、精确性和鲁棒性,能够满足林果园喷雾作业的靶标识别需求,可为林果园喷雾作业靶标实时识别提供参考。

不同覆盖措施对寒地苹果园土壤物理特性和树体生长的影响

为探索适合东北寒地雨养苹果园幼树生长的土壤覆盖技术,以当地主栽苹果品种龙丰为试材,连续2年采用稻草、玉米秸秆、食用菌菌渣和园艺地布覆盖,以清耕为对照,研究不同覆盖处理对苹果园土壤温度、含水量、容重、孔隙度以及树体生长的影响。结果表明:覆盖可显著影响表层土壤温度,与清耕对照相比,覆盖稻草显著降低了土壤温度,覆盖玉米秸秆和覆盖食用菌菌渣能够稳定土壤温度;覆盖处理显著提高了土壤含水量,以覆盖食用菌菌渣最佳,5—10月平均土壤含水量较对照提高40.5%;覆盖有机材料可降低土壤容重,增加土壤孔隙度,在成熟期与对照差异显著,以覆盖玉米秸秆最佳。覆盖促进了龙丰幼树生长,春梢长度和新梢长度、粗度增加,干径增加,促进了叶片生长。综合比较,覆盖园艺地布促进树体生长效果最佳,覆盖玉米秸秆和覆盖食用菌菌渣对改善土壤环境效果最好,同时也能够促进树体生长。

基于数字孪生的果园虚拟交互系统构建

针对果园种植管理系统存在可视性低、实时性差、适应性弱和交互方式单一的问题,提出一种面向种植管理过程的果园数字孪生系统六维模型。从管理要素实体建模、管理过程动态建模、管理系统仿真建模和管理策略优化建模4个方面论述了系统模型构建理论与技术体系。以六维模型为基础,理论与技术体系为支撑,设计了基于数字孪生的果园虚拟交互系统架构,并对系统开发过程的关键技术进行了阐述。借助Unity3D仿真平台搭建了果园虚拟交互系统,实现对果园的三维可视化监测。实验结果表明:该系统在农业物联网平台数据共享基础上,通过数据驱动、三维展示、人机交互、重构事件和智能决策方面提升了果园种植管理系统监测能力,为建设智慧果园提供参考。

履带式果园作业平台结构稳定性分析与研究

绝大多数果园主要以丘陵山地矮砧密植种植模式为主,其地形及地势特征存在操作难题,故对履带式果园作业平台的稳定性进行分析具有重要的意义,能够帮助作业者顺利完成果园作业疏花疏果、剪枝、收获、套袋等一系列作业。为此,对履带式果园作业平台进行坡面行驶稳定性力学分析,通过计算得出作业平台不倾翻的角度范围。分析结果表明:当坡面角度固定时,履带式果园作业平台的稳定性取决于相关性能参数的取值,设计的履带式果园作业平台稳定性安全装置能够满足稳定性要求。通过试验测得:果园作业平台无载重条件下的行走速度为低速0.352m/s、高速0.722m/s,履带式果园作业平台升降高度≤1.2m,最大承载负荷≤500kg,液压杆升降速度0.05m/s。通过爬坡性能试验可知:随着坡度角逐渐增大,履带式果园作业平台行驶的时间逐渐变长,爬坡速度逐渐变得缓慢;在试验过程中,履带式果园作业平台能够正常运行,且能正常行驶通过3种不同的坡度角。但是,当行驶在30°坡面时作业平台速度变慢并且出现抖动,出现略微打滑现象;在工作正常运行的情况下,履带式果园作业平台能够通过的最大坡度角为30°。

果园水肥药与防霜冻一体化系统装置的设计

针对我国果园生产中存在的水资料浪费、过度施肥、不科学施药、霜冻危害等问题,面向果园管理的水肥药节约省力需求,设计了一种果园水肥药与防霜冻一体化装置。以现有的果园灌溉系统为基础,构建水肥药、防霜冻和灌溉融合应用模式,实现了滴灌施肥、喷灌施药和防霜冻等果园农事功能。装置具有人工控制、定时定量、模型控制等多种控制方式,减少了设施设备成本,提高了果园现有设备的综合利用率,可精准控制水、肥、药的使用量,节约了农业资源。

生物有机肥对果园生产的影响研究进展

近年来,生物有机肥的研究与应用快速发展,特别是随着施肥报酬递减、土壤退化、面源污染、生态环境破坏等问题频发,生物有机肥料应用受到越来越多的重视,商品化生物有机肥料生产规模快速扩大,产品品类也不断丰富。本文梳理了生物有机肥的特点及其施用对果园土壤、土壤微生物以及果树生长发育、果实产量品质等方面的作用,并提出在果园生产中的施用策略,以期为果树生产栽培中的高效施肥管理提供参考依据。

宁夏引黄灌区果园生草处理对土壤理化性质的影响

本研究选用多年生黑麦草、紫花苜蓿、高羊茅、长柔毛野豌豆4种功能草种,以清耕和自然生草作为对照,探究不同生草处理对果园土壤理化性质的影响。结果表明,与多年生黑麦草生草处理相比,紫花苜蓿与长柔毛野豌豆生草处理可以显著提高0~20 cm土层土壤总孔隙度和0~20 cm、21~40 cm土层田间持水量(P<0.05),显著降低0~20 cm土层土壤容重(P<0.05)。与处理前相比,2022年10月紫花苜蓿与长柔毛野豌豆生草处理的土壤有机质含量、全盐含量、碱解氮含量(0~20 cm土层)、有效钾含量(0~20 cm土层)显著提高(P<0.05),土壤pH(0~20 cm土层)显著降低(P<0.05)。因此,在干旱和半干旱地区可以选择苜蓿和长柔毛野豌豆进行果园生草处理。本研究结果为改良果园土壤,提高水果产量提供了理论依据。

疏密改造对新疆富士苹果果园微环境和光谱特性的影响

【目的】研究疏密改造对郁闭富士苹果果园树冠内温度、相对湿度、光照强度、冠层反射光谱的影响,为提高果园产能和果实品质提供技术参考。【方法】以新疆阿克苏地区老龄低效的郁闭富士苹果果园为研究对象,比较疏密改造与正常修剪果树冠层内的温度、相对湿度、光照强度、冠层反射光谱,并进行差异性分析,分析疏密改造对新疆富士苹果果园微环境和光谱特性的影响。【结果】疏密改造后冠层的光照强度高于对照(尤其是上部冠层)疏密改造后,苹果园疏密改造与其对照相比对冠层内温度湿度产生显著影响(P<0.05)。疏密改造后相同层次树冠内相对光照强度高于对照组,且在上部相对光照强度差异达显著水平(P<0.05),疏密改造后,树体冠层反射光谱不同光质的反射率均有不同程度的提升。【结论】疏密改造显著降低了富士苹果树冠内的温度和相对湿度,冠层内东西南北4个方位、各时间段的光照强度与对照相比有不同程度的提升,同时冠层反射光谱不同光质的反射率也有显著的提升。疏密改造可以显著改善富士苹果果园通风透光条件和光质分布的方式及强度。

新疆阿克苏苹果园金纹细蛾发生规律研究

【目的】摸清新疆阿克苏地区苹果园金纹细蛾的发生规律,为该虫的综合治理提供科学依据。【方法】选择不同树龄、不同品种、不同间作方式的苹果园,利用性诱剂诱捕法和田间调查法,研究金纹细蛾的发生危害规律。【结果】金纹细蛾在阿克苏地区1年发生6代,第一代成虫发生期为5月上旬至6月上旬,第二代6月中旬至7月中旬,第三代7月中旬至8月上旬,第四代8月中旬至8月下旬,第五代9月上旬至10月。不同类型的果园中金纹细蛾危害程度和发生量不同,其中20年树龄果园>5年树龄果园、清耕果园>间作1年生绿肥作物果园>间作多年生绿肥作物果园、红色之爱果园>红富士果园。【结论】金纹细蛾以蛹在危害叶片虫斑内化蛹越冬,在阿克苏地区1年发生6代,其中7—8月危害较严重,老龄果园、清耕果园发生重,对不同品种的嗜好性也有差异。

丘陵果园立式螺旋开沟施肥机设计与试验

针对丘陵果园大型开沟施肥机无法进入,小型开沟施肥机因低功率限制无法达到所需开沟深度且功能单一的问题,设计了一种适宜丘陵地区25°坡度地形集开沟、施肥、覆土三大功能为一体的小型立式螺旋开沟施肥机。通过理论分析对开沟装置、施肥装置和覆土装置等关键部件进行了设计。根据丘陵果园土壤板结的特点选择Hertz-Mindlin with Bonding接触模型建立了开沟仿真模型,并以降低开沟旋转功耗、前进功耗、比功为目标,设计Box-Behnken试验对螺旋开沟刀结构参数进行优化。刀具优化仿真试验结果为:螺旋开沟刀的螺旋角、齿数、刃角、齿长分别取17.6°、10、30°、19.76 mm,此时,开沟旋转功耗、前进功耗、比功分别为6.74 kW、0.132 kW、0.165 kW·h/kg。将优化后的螺旋开沟刀试制并开展仿真验证试验,结果表明,试验与仿真测得开沟旋转功耗相对误差为5.6%,说明刀具优化结果正确。整机的田间试验结果表明,施肥机开沟深度稳定性系数、沟底宽度一致性系数、施肥均匀性系数、覆土率分别为96.91%、98.16%、97.08%、77.38%,各项指标均满足农艺要求。

果园生草条件下介导果树适施外源钙剂引起的果实内源激素和品质变化特征

以5种类型螯合剂钙源和人工生草草种为试材,采用田间随机区组试验设计,以清水为对照(CK),对采选的螯合剂钙源进行稀释500、1000、1500倍浓度喷施,结合行间人工生草和清耕耦合模式种植,研究了不同类型螯合剂钙源和生草处理下果实内源激素和品质变化特征,以期为当地果品提升开展果园可持续化生草管理和标准化施肥提供参考依据。结果表明:果实成熟后,整体处理提升效果主要集中在稀释1000倍浓度,其中SA(1000倍)和OM(1000倍)与生草模式耦合对果实内源激素和品质提升显著,即赤霉素(GA)提升38.0%与41.2%、细胞分裂素(CTK)提升26.9%与38.3%、生长素(IAA)提升47.4%与52.9%、脱落酸(ABA)拮抗作用34.9%与35.1%;果实品质当中,单果质量提升20.6%与16.6%;可滴定酸提升24.0%(SA)、可溶性固形物提升23.1%与21.9%、硬度提升71.8%(SA)、可溶性糖提升20.1%(SA)。相关性分析结果表明,内源激素与果实品质相关性集中于稀释1000倍浓度,聚焦于生草模式与喷施耦合(1000倍)相关性最强,GA、CTK、IAA与可溶性糖、硬度和果形指数呈显著正相关(P<0.001);仅喷施外源钙剂时,CTK、IAA与单果质量、可溶性固形物、可溶性糖呈显著相关性(P<0.001)。果园行间生草主要为GA、IAA与单果质量、可溶性固形物、硬度、可溶性糖呈显著正相关(P<0.05)。

黄土塬区果园-农田交界带土壤水分分布及农田对果园的供水特征

[目的]为探明黄土高原南部塬区果园-农田镶嵌格局下土壤水分空间分布与协同利用特征。[方法]选取长武塬区10龄、21龄和25龄苹果园(AO10、AO21和AO25)及其邻近农田,通过测定2021年雨季后果园-农田交界带有关位点的土壤含水量,定量计算农田土壤储水对果园耗水的贡献。[结果]2021年降水量756 mm,为典型的丰水年份,农田和AO21、AO25果园降雨入渗深度在11月底分别达8.4,7.0,5.0 m。AO10果园-农田交界带以4 m深度为界,其下部土壤含水量较上部大,4-10 m土层平均含水量为25.5%;AO21果园0-7 m土层平均含水量为22.1%,7-10 m为15.0%;AO25果园0-5 m土层平均含水量为20.9%,5-10 m土层平均含水量为13.6%,AO21和AO25果园分别在7.0,5.0 m以下仍存在土壤干层。水平方向上,AO21、AO25果园利用邻近农田土壤水分的距离分别达到5,8 m,农果交界面上农田向果园的供水量,当以干层上界划分土壤剖面,其上为表观供水量,2个果园分别为0.08,0.25 m^(3)/m^(2);其下为实际供水量,分别为0.45,0.81 m^(3)/m^(2)。[结论]黄土塬区果园和农田镶嵌布局是一种较为合理的利用结构,在其规划管理中应考虑果树年限及其相邻农田宽度等因素,研究结果有助于推进区域土壤水资源的可持续利用及其空间优化。

干旱半干旱区果园生草条件下土壤微生物(细菌)的多样性

采选4种具备潜在“绿肥”功能的草种(黑麦草、苜蓿、高羊茅、长柔毛野豌豆)以及自然生草和清耕模式进行果园行间长期生草处理,应用高通量测序技术分析不同生草模式下果园土壤细菌群落结构、数量和功能的变化,以期为干旱半干旱区果园的合理生草和苹果生产可持续发展提供参考依据。结果表明:生草处理下细菌OTUs被划分为39个已知细菌门、94纲、266目、541科、127属。其中苜蓿(458个OTUs)及自然生草(531个OTUs)处理具有更多的群体特异性OTUs,其次为黑麦草与长柔毛野豌豆处理,并且相较于清耕,生草处理的土壤显著富集了拟杆菌纲、梭状芽孢杆菌纲、放线菌纲、变形菌纲、拟杆菌门、草酸杆菌科、假单胞菌科、芽孢杆菌科等有益微生物。PCoA主成分、Adonis组间差异分析和α多样性(ACE指数)进一步表明,土壤细菌群落的组成主要受生草处理影响,其中自然生草、苜蓿及长柔毛野豌豆处理区域土壤样品中的细菌群落差异以及细菌多样性更显著。同时自然生草、苜蓿及长柔毛野豌豆生草处理下差异代谢通路主要聚焦于碳水化合物代谢,氨基酸代谢,能量代谢,跨膜转运及核苷酸代谢,其平均丰度分别为13.6%、9.5%、4.2%、3.4%、3.2%。综上所述,生草处理可影响细菌群落结构,其中自然生草、苜蓿及长柔毛野豌豆生草进一步显著促进了细菌群落的功能。

生草对贵州高海拔区苹果园土壤呼吸及水热环境的影响

【目的】探明西南冷凉高地苹果产区果园不同草种覆盖条件土壤呼吸特征及其与土壤水热的关系,为筛选苹果园适宜生草类型提供参考依据。【方法】设置鼠茅草(Vulpia myuros)、鸭茅(Dactylis glomerata)、黑麦草(Lolium perenne)、白三叶(Trifolium repens)、光叶紫花苕(Vicia villosa)、鼠茅草+鸭茅+白三叶混播、黑麦草+白三叶+鸭茅混播、鼠茅草+黑麦草+白三叶混播8个苹果园生草处理,以清耕作对照(CK),利用LI-6400XT便携式光合测定系统配套使用土壤呼吸气室(6400-09)测定果园土壤呼吸速率,采用非线性回归和指数模型,分析不同生草处理对土壤呼吸与土壤水热环境的影响。【结果】生草显著提高果园土壤呼吸速率,较清耕提高0.07%~256.39%,其中,黑麦草+白三叶+鸭茅混播处理提高幅度最高。生草覆盖显著提高土壤水分保持能力,对0~20 cm土层的影响最明显,相同月份不同生草处理间土壤水分差异明显,生草混播处理提高土壤水分能力优于生草单播处理。生草覆盖后显著降低夏季(5—7月)表层土壤(0~5 cm)温度。不同生草覆盖处理土壤水分含量与土壤呼吸以二次函数拟合效果最佳,决定系数R 2在0.242~0.989,拟合度较高。各生草处理土壤温度与土壤呼吸速率呈指数函数关系,0~5 cm和5~10 cm土层拟合模型决定系数R 2平均值高于10~15 cm和15~20 cm土层。土壤温度、水分及二者的交互作用对土壤呼吸的协同影响高于土壤单因子的影响。【结论】苹果园生草处理可显著提高土壤呼吸速率,显著增加0~20 cm土层土壤的水分保持能力,降低果园夏季表层土壤(0~5 cm)温度,有效改善苹果根系生长环境,有利于树体发育。不同生草模式中以黑麦草+白三叶+鸭茅混播处理效果最优。

丘陵山地柑橘果园机器人自主导航与精确控制系统设计与试验

为实现丘陵山地柑橘果园机器人的自主导航,设计了一种基于激光雷达和惯性传感器的果园自主导航系统.使用激光SLAM融合多传感器所获数据,并利用误差状态卡尔曼滤波器进行位姿优化,从而构建果园的三维全局点云地图.对全局地图进行分析和处理,确定机器人的安全行驶区域,并应用基于机器人运动学多约束条件的三次非均匀B样条曲线轨迹优化算法实现路径规划,使用NDT-ICP算法实现机器人在全局地图中的定位.为适应丘陵山地果园地形复杂性,提出了一种基于预瞄跟踪的自校正增量PID控制策略,利用递归最小二乘法实时调整PID参数,并在机器人履带式行走机构上进行了系统整合测试.试验结果表明,误差状态卡尔曼滤波器优化后的地图精度与优化前相比有明显提升.机器人以1.2 m/s速度行驶时,导航控制系统的直线行驶平均位置偏差和航向角偏差分别为0.18 m和4.2°,转弯行驶平均位置偏差和航向角偏差分别为0.38 m和16.7°,可满足丘陵山地柑橘果园智能农机自主导航作业需求.