植保精準施藥技術裝備

摘 要：農(nóng)作物化學植保是最重要的病蟲害防除技術之一，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著重要的作用。植保機械、農(nóng)藥與施藥技術為植物化學保護的三大支柱，精良的植保機械與施藥技術是農(nóng)藥發(fā)揮藥效的重要手段與保證。隨著人們對農(nóng)產(chǎn)品安全、環(huán)境保護意識的增強，精準施藥技術裝備成為植保領域的重點研究內(nèi)容與發(fā)展方向，作為精準農(nóng)業(yè)的重要組成部分，世界各國對精準變量施藥技術裝備的發(fā)展?jié)摿皯们熬坝袕V泛共識。該文重點介紹了適用于不同專業(yè)作物的精準施藥技術與裝備及該領域的研究方法，分析、探討了精準施藥技術裝備在植保作業(yè)中解決問題的途徑與方法，對進一步提升我國現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)及減量施藥提供新方法技術與精準施藥裝備。

關鍵詞：植保機械，精準農(nóng)業(yè)，變量施藥，對靶噴霧

自新千年始，我國農(nóng)藥產(chǎn)量與使用量居全球第一。隨著農(nóng)藥在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的廣泛應用，農(nóng)藥用量大、施藥次數(shù)多、操作人員中毒、農(nóng)產(chǎn)品農(nóng)藥殘留超標、環(huán)境污染等負面問題已嚴重威脅到我國從業(yè)人員、食品及環(huán)境的安全，造成了不應有的損失以及其他不良后果，其原因是我國施藥機械與技術相對落后，農(nóng)藥有效利用率不足30%。

傳統(tǒng)施藥方式往往忽視一定區(qū)域內(nèi)病蟲害災情的變化，采取一致的施藥量，導致化學農(nóng)藥在部分作業(yè)區(qū)內(nèi)用量不足，而在有些地方施量過度。精準施藥是精準農(nóng)業(yè)的重要組成部分，能夠滿足越來越高的環(huán)保要求，實現(xiàn)了低量、精準施藥、少污染、高功效、高防效的作業(yè)要求。為了實現(xiàn)農(nóng)藥精確噴施，施藥技術與施藥裝備機具正向著精準、低量、對靶、變量、自動化方向發(fā)展，它通過獲取作物的病蟲草害形貌與位置、密度與危害程度等噴霧對象信息，以及噴霧機位置、速度和噴霧壓力等機器狀態(tài)信息，對噴霧對象實施按需施藥。目前，國際上對精準施藥技術在提高農(nóng)藥利用率、減少農(nóng)藥殘留和降低環(huán)境風險等方面的前景和潛力已形成共識，各國均在加大研發(fā)力度，它代表了21世紀精準農(nóng)業(yè)上植保精準施藥的發(fā)展方向。

為提高我國植保機械精準作業(yè)與自動化水平，改變施藥技術落后的局面，本世紀2001年初中國農(nóng)業(yè)大學藥械與施藥技術研究中心通過承擔國家“十五”科技攻關重點項目《精準高效施藥技術與裝備研發(fā)》，在我國最先開始對精準智能噴霧技術及精準施藥植保裝備的研發(fā)，將植保精準施藥技裝備應用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實踐，并結(jié)合我國國情，結(jié)合農(nóng)學、農(nóng)藥、植保等相關學科優(yōu)勢，將遙感技術、傳感器探測技術、機電一體化技術、導航技術、信號采集及數(shù)據(jù)處理等多種現(xiàn)代化技術與方法應用于精準施藥技術裝備，在我國率先開發(fā)出了一系列新型現(xiàn)代化植保精準施藥技術準備，并大量應用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。本文在前期研究的基礎上，重點介紹了近年來中國農(nóng)業(yè)大學藥械與施藥技術研究中心在國內(nèi)均為首發(fā)的適用于不同專業(yè)作物的精準施藥技術與裝備及該領域的研究方法，分析、探討了精準施藥技術與裝備在植保作業(yè)中解決問題的途徑與方法，對增強我國農(nóng)業(yè)抗御病、蟲、草害的能力，提高農(nóng)藥有效利用率，減少農(nóng)藥用量，趕超國外先進水平，解放農(nóng)村勞動力，都具有重要的意義。

一、植保精準施藥技術裝備研發(fā)與應用

1、果園自動對靶靜電噴霧機

為解決傳統(tǒng)果園噴霧機連續(xù)噴藥時農(nóng)藥使用量大、農(nóng)藥有效利用率低的問題，中國農(nóng)業(yè)大學藥械與施藥技術研究中心在“十五”期間通過主持國家“十五”科技攻關重點項目《精準高效施藥技術與裝備研發(fā)》，于2002年成功研制出基于紅外探測的我國第一臺智能植保精準施藥裝備：自動對靶噴霧機，將目標物探測、自動化控制技術與噴霧技術相結(jié)合，靶標探測“電子眼”發(fā)現(xiàn)靶標（果樹枝葉）時，噴霧機自動控制系統(tǒng)打開噴霧系統(tǒng)進行對靶噴霧，在沒有果樹枝葉的空擋，“電子眼”把信號傳給自動控制系統(tǒng)，將噴霧系統(tǒng)關閉，噴霧機不對外噴霧施藥，實現(xiàn)“有靶標時進行噴霧，沒有靶標不噴霧”的作業(yè)要求；同時，該噴霧機融合靜電噴霧技術，應用高壓靜電（電暈荷電方式）使霧滴帶電，帶電的細霧滴作定向運動趨向植株靶標，最后吸附在靶標上，其沉積率顯著提高，在靶標上附著量增大，覆蓋均勻，沉降速度增快，尤其是提高了在靶標葉片的背面的沉積量，減少了漂移和流失。自動對靶靜電噴霧技術的應用至少可節(jié)省農(nóng)藥50%～80%以上，明顯提高了農(nóng)藥的利用率和防治效率、可大幅度地減少農(nóng)藥使用引起的環(huán)境污染。自動對靶噴霧機還解決了風送式低量噴霧與靜電噴霧等關鍵技術問題，至2006年已在全國15個省市推廣應用300多臺套。

2、自走履帶式風送果園變量噴霧機

上世紀60年代以來，風送噴霧被聯(lián)合國糧農(nóng)組織作為一種先進高效的施藥技術在全球推廣，利用風送細霧滴，大大提高了霧滴在作物冠層中的穿透和在葉片背面的沉積量，可以明顯改善霧滴在冠層沉積分布均勻性和病蟲害防治效果。通常果樹冠層作為一個立體靶標，藥液難以深入穿透靶標內(nèi)部實現(xiàn)均勻分布；同時，我國各地密植果園種植布局形態(tài)不一，果樹在不同的生長期，冠層茂密程度各不相同，葉面指數(shù)LAI在生長期內(nèi)由0至最大值不斷增加，在生產(chǎn)中后期對于密度較大的果樹冠層需要較大氣流輔助霧滴穿透樹冠實現(xiàn)均勻分布，對于果樹生長早期葉片或密度較小的冠層則需較小的風量減少農(nóng)藥細霧滴的飄移。傳統(tǒng)果園風送噴霧機采用單一風量工作模式，風量過大或過小均不利于霧滴在靶標作物上有效沉積，所以需要實時調(diào)節(jié)風速與風量，以保證良好的噴霧效果。為此，中國農(nóng)業(yè)大學藥械與施藥技術研究中心于2007年通過承擔國家“863”項目“農(nóng)作物靶標光譜探測技術”與國家科技“十二五”科技支撐計劃“新型施藥技術與農(nóng)用藥械”項目成功研制出適用于低矮密植果園的變風量風送噴霧機，能夠同時實現(xiàn)對靶噴霧與風量調(diào)節(jié)。變量控制系統(tǒng)采用機電一體化設計，指令接收和執(zhí)行過程實現(xiàn)精確、實時管理；該機裝備紅外傳感器實現(xiàn)自動對靶噴霧，采用組合式噴頭技術控制噴霧量；風機調(diào)節(jié)裝置基于步進電機驅(qū)動無級變速器，實現(xiàn)風機300～1670r/min的無級變速，產(chǎn)生相應風量。在此變量噴霧系統(tǒng)基礎上，重點探究了不同葡萄冠型與噴霧機風量之間的關系，為精準變量噴霧系統(tǒng)的進一步改進提供可靠的數(shù)據(jù)支持。endprint

3、基于LIDAR探測的果園自動仿形變量噴霧機

為進一步提高果園噴霧機自動化與精準噴霧作業(yè)性能，中國農(nóng)業(yè)大學藥械與施藥技術研究中心在多年研究探索的基礎上，通過主持“948”項目“農(nóng)作物位變量施藥鍵技術引進”與國家公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項“植保機械關鍵技術優(yōu)化提升與集成示范”，于2015年成功研制出第三代果園精準變量噴霧機，該機采用掃描角度270°的LIDAR 激光掃描傳感器作為探測裝置，能夠滿足對樹行兩側(cè)果樹同時變量的作業(yè)需求；為量化冠層所需風量和流量，實現(xiàn)局部調(diào)節(jié)風量和噴霧量的施藥目標，根據(jù)果樹冠層分布特點，確定了基于樹冠輪廓距離的冠層分割模型該噴霧機以冠層分割模型作為變量處方，并依據(jù)該模型確定冠層單元所需風量和噴霧量的算法。變量控制系統(tǒng)采用中央控制執(zhí)行裝置，應用光機電一體化、自動化控制等技術，通過LIDAR 探測果樹冠層特征，通過冠層分割模型計算得到各冠層單元的邊界、密度與體積，依據(jù)變量算法求得與冠層單元體積完全擬合的所需風量和噴霧量，調(diào)節(jié)電機和電磁閥的脈寬調(diào)制（pulse width modulation，PWM）信號以實時調(diào)節(jié)風機轉(zhuǎn)速和噴頭流量實時調(diào)節(jié)。與常規(guī)果園噴霧機相比，最多可節(jié)省45.7%的農(nóng)藥使用量，霧滴空中飄移與地面流失分別減少42.7%和67.4%。該機的成功研制實現(xiàn)了自動對靶、變風量、變噴霧量、仿形噴霧的集成與有機統(tǒng)一，為精準植保機具的結(jié)構設計和性能優(yōu)化提供理論與方法參考。

4、自走式精準變量噴桿噴霧機

作為大田生產(chǎn)中較為常見的噴霧方式，噴桿式噴霧機的主要作業(yè)對象是糧食或經(jīng)濟作物，對病蟲害防治和除草的效果良好，但目前精準施藥技術在大田作業(yè)的噴桿式噴霧機應用較少，帶來了諸如農(nóng)藥有效利用率低、農(nóng)產(chǎn)品中農(nóng)藥殘留超標和環(huán)境污染等問題。為提升我國噴桿噴霧機的噴霧性能，降低噴霧作業(yè)過程中形成的農(nóng)藥霧滴飄移，中國農(nóng)業(yè)大學藥械與施藥技術研究中心通過主持國家“863”計劃“新型施藥技術與農(nóng)用藥械”項目、國家公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項“黃淮流域小麥玉米水稻田間用節(jié)水節(jié)肥節(jié)藥綜合技術”根據(jù)我國水、旱田的實際情況，采用噴桿式低量噴霧、氣流輔助輸送霧滴、液壓控制、噴幅標識和噴桿自動折疊等先進技術，先后研制出3WSF-200型自走式水旱兩用風送低量防飄噴桿噴霧機、3WFP-300/500第二代導流式防飄噴桿噴霧機、3WDFP-500第三代自走式高地隙低量導流防飄噴桿噴霧機，實現(xiàn)了旱地作物、水稻上植保機械化作業(yè)，大大提高了作業(yè)效率，噴霧量分布均勻性得到顯著改善，降低了作業(yè)過程中的農(nóng)藥飄移造成的環(huán)境污染。

為提高水田噴桿噴霧機的自動化作業(yè)水平，我中心于2016年研制出基于變量施藥的自走式精準變量噴桿噴霧機，該噴霧機集合GPS導航定位、多傳感器數(shù)據(jù)采集、單片機自動化控制、Windows 程序界面可視化、機電液一體化等多種現(xiàn)代化技術手段，參考作物種類、病蟲草發(fā)生情況自動調(diào)整單位面積施藥量，并根據(jù)噴霧壓力、運行速度、噴頭流量實時調(diào)整噴霧機運行速度、管路液壓和噴頭流量。通過試驗證明，該機作業(yè)過程中噴桿各處霧滴分布均勻性變異系數(shù)小于10%，單位面積施藥量誤差低于8%，定為精度控制在10cm以內(nèi)，保證單位面積施藥量保持一致，實現(xiàn)藥液均勻噴灑到靶標作物。

5、植保無人機

近年來，我國植保無人機農(nóng)藥噴灑作業(yè)的使用量日益增長，應用的農(nóng)作物范圍也越來越廣，尤其在地面噴桿噴霧機難以進地作業(yè)地區(qū)具有廣闊發(fā)展應用前景。植保無人機用于低空低量施藥作業(yè)與傳統(tǒng)人力背負噴霧作業(yè)相比具有作業(yè)效率高，勞動強度?。慌c有人駕駛大型航空飛機施藥相比成本大大降低，并能夠滿足高效農(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展的需求。特別是對于水稻、中后期玉米、丘陵中種植的農(nóng)經(jīng)作物等地面機械難以進地進行農(nóng)藥噴霧作業(yè)的情況，至目前，我國研發(fā)了多種適合于這種不同地區(qū)小農(nóng)戶的植保無人機，以應對日益嚴峻的病蟲害防治任務；同時，采用植保無人機進行農(nóng)藥噴施，人機分離、人藥分離、高效安全，并能實現(xiàn)生長期全程植保機械化噴霧作業(yè)。

從噴灑效果上看：（1）具有直升機的高效作業(yè)性能和良好噴灑效果；（2）植保無人機速度變化靈活，可以從零直接飛到正常速度，低速條件下作業(yè)有較好的霧滴覆蓋，特別是旋翼產(chǎn)生的下旋氣流，可減少霧粒的飄散，同時由于下旋氣流而產(chǎn)生上升氣流可使農(nóng)藥霧滴直接沉積到植物葉片的正反面；（3）植保無人機的空中懸停的功能使其具有單株噴灑能力。

從成本和安全性上看：（1）植保無人機的整體使用費用相對較少，雖然購機費用較高，但無需機場建設，與有人機相比性價比較高；（2）植保無人機的安全系數(shù)較高，特別是旋翼機，在發(fā)動機失效時，利用旋翼的自轉(zhuǎn)性，通過駕駛員正確的操作，其迫降著陸速度可接近于0，另外植保無人機能通過減緩速度快速反應來增加飛行安全性和可預見性。

我國通用輕小型農(nóng)用植保無人機主要有中國農(nóng)業(yè)大學研發(fā)的單旋翼“CAU- 3WZN10A”與多旋翼“3WSZ-15”、“863”項目研發(fā)的“Z-3”、大疆“MG-1”、“安陽全豐3WQF120-12型”、“無錫漢和水星一號”以及“廣西田園3XY8D型”、“天鷹-3”等。據(jù)農(nóng)業(yè)部相關部門統(tǒng)計，截至2016年5月，全國在用的農(nóng)用植保無人機共178種，至2017年有關應用部門不完全統(tǒng)計，全國各種型號的植保無人機裝機容量已經(jīng)接近上萬臺；可掛載5～20L的藥箱（近2年市場上也有大于30L的植保無人機出現(xiàn)，但應用較少），噴幅在5～20m之間，可適用于不同的施藥條件，噴霧作業(yè)效率高達6ha/h，能有效及時防治水稻病蟲草害。至今，全國農(nóng)業(yè)航空技術95%以上用于航空植保作業(yè)，還有5%左右用于農(nóng)情信息獲取、航空拍攝、農(nóng)作物的輔助育種等。2015年，農(nóng)林各種農(nóng)業(yè)有人駕駛與無人航空器植保噴霧作業(yè)48586h，主要用于湖南、湖北、江西、河南、福建與其它南方水稻等糧食作物產(chǎn)區(qū)。

二、結(jié)語

隨著我國社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，高效施藥機械與新型施藥技術成為實現(xiàn)我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)全程機械化的重要環(huán)節(jié)，是“公共植保、綠色植?！钡闹饕M成部分，必將成為農(nóng)業(yè)高產(chǎn)高效、農(nóng)產(chǎn)品安全、環(huán)境保護目標的重要技術手段和方法。精準施技術與裝備在農(nóng)業(yè)中的應用不僅大大提高了工作效率，且減少了農(nóng)藥浪費、保護了環(huán)境，為實現(xiàn)復雜的變量噴灑提供了可能，或?qū)⒂欣诟淖儌鹘y(tǒng)農(nóng)業(yè)勞動力人口需求過多的狀況，推動農(nóng)業(yè)向簡約化、精準化及可持續(xù)化發(fā)展。未來，隨著“2020年農(nóng)藥使用量零增長行動”計劃的順利實施，利用先進傳感技術、電子信息和自動化等先進技術，加快推進研發(fā)精準施藥技術與裝備，突破我國植保作業(yè)中的瓶頸技術，對提高植物病、蟲、草害防治能力，促進農(nóng)業(yè)穩(wěn)定發(fā)展和農(nóng)民增收具有重要意義。

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