我國大中型植保機(jī)械化技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展

王啟增，韓馥澤，陸博遠(yuǎn)，車 剛

（1.北大荒集團(tuán)前進(jìn)農(nóng)場有限公司，黑龍江 佳木斯 156331；2.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)，黑龍江 大慶 163319）

隨著我國農(nóng)業(yè)科技水平的不斷提高，植保作業(yè)水平也在穩(wěn)步提升，但在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)方面還需大力發(fā)展，就傳統(tǒng)噴霧器來講，效率極低且易農(nóng)藥中毒，損害噴藥者的身體。使用大型植保機(jī)械進(jìn)行噴藥，一方面使噴藥的效率得到了質(zhì)的提升，另一方面減輕了農(nóng)民的作業(yè)負(fù)擔(dān)，改善了農(nóng)民作業(yè)環(huán)境，將會大大降低農(nóng)藥對身體的危害，同時在保護(hù)生態(tài)環(huán)境等方面，也起到了重要的作用，故現(xiàn)在大型植保機(jī)械是噴藥機(jī)械的主力軍[1]。由于我國在植保機(jī)械技術(shù)上還存在短板，大型植保機(jī)械雖提高了噴藥的速度，但還未能更有效地解決使用率問題，也就是未完全掌握防飄技術(shù)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國需要噴灑農(nóng)藥的面積約2.4億公頃，噴灑的化學(xué)農(nóng)藥品種高達(dá)2 000多種，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示農(nóng)藥利用率僅為20%～40%[2]，故導(dǎo)致了嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問題和人體健康問題。為了深入貫徹落實(shí)農(nóng)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革，大力實(shí)施農(nóng)業(yè)“三減”行動，推廣高效節(jié)約先進(jìn)新技術(shù)，避免因正常施藥造成土壤環(huán)境的惡化，響應(yīng)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部發(fā)布的《到2020年農(nóng)藥使用量零增長行動方案》，實(shí)施精準(zhǔn)施藥勢在必行。

1 精準(zhǔn)變量噴藥技術(shù)

精準(zhǔn)噴藥是智能農(nóng)機(jī)的重要組成部分。如何實(shí)時檢測農(nóng)藥的流量和精確地進(jìn)行控制是解決問題的關(guān)鍵，所以變量噴霧技術(shù)成為精準(zhǔn)噴藥技術(shù)的一個重要發(fā)展方向[3]。變量噴霧技術(shù)是通過傳感器測量得到拖拉機(jī)行駛速度、噴藥機(jī)壓力以及確定靶標(biāo)對象的位置和數(shù)量等信息，將所得到的信息發(fā)送到植保機(jī)的控制中心得到控制指令，然后調(diào)節(jié)噴霧裝置來改變噴藥的流量和濃度，做到按需噴藥，提高農(nóng)藥的使用效率。即在高危害分布區(qū)域加大施藥量，而在低危害分布區(qū)域減小施藥量，在可變施藥量曲線的變化情況的基礎(chǔ)上，靈活調(diào)整農(nóng)藥的使用情況。使農(nóng)藥的使用量實(shí)時變量達(dá)到農(nóng)藥標(biāo)簽規(guī)定的施藥量，一方面有效控制病蟲草害，另一方面減少農(nóng)藥使用量，杜絕潛在的作物或非目標(biāo)植物損傷，減少環(huán)境污染，最終提高作物產(chǎn)量。

縱觀全球農(nóng)業(yè)，在農(nóng)藥植保問題上，大體上都是向著自動化、一體化、精準(zhǔn)、變量、對靶性、高濃度等方向發(fā)展。如美國加州大學(xué)戴維斯分校研制了基于視覺傳感器對成行作物實(shí)施精量噴霧的系統(tǒng)。農(nóng)藥精準(zhǔn)最終的目的是定時、定量、定點(diǎn)施藥。它是建立在自然環(huán)境的基礎(chǔ)上，運(yùn)用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)和傳感技術(shù)與現(xiàn)代農(nóng)林生產(chǎn)技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，基于實(shí)時視覺傳感或地圖的農(nóng)藥精準(zhǔn)施用方法。在施藥過程中要進(jìn)行多個執(zhí)行單元的相互配合，通過總結(jié)目標(biāo)信息采集、目標(biāo)識別、施藥決策、可變量噴霧執(zhí)行等主要技術(shù)要點(diǎn)，來提高農(nóng)藥的使用率，節(jié)省成本，減輕環(huán)境污染問題[4]。

2 國內(nèi)外技術(shù)研究現(xiàn)狀

自20世紀(jì)90年代以來，隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，許多發(fā)達(dá)國家開始針對變量噴霧技術(shù)展開相關(guān)領(lǐng)域的研究[5]。盡管我國植保機(jī)械的發(fā)展比較晚，但近年來我國持續(xù)大力發(fā)展農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，使傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)方式向智能化作業(yè)方式轉(zhuǎn)變，促進(jìn)了變量噴霧技術(shù)的快速發(fā)展。目前，國內(nèi)外主要有三種可變噴霧控制方式：濃度調(diào)節(jié)、脈寬調(diào)制和可變壓力調(diào)節(jié)。第一種通過改變濃度的方式，可以提高噴藥性能，改善噴藥質(zhì)量。但是系統(tǒng)響應(yīng)時間過長，無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時變量。第二種脈寬調(diào)制是通過改變噴嘴電磁閥的占空比和開關(guān)頻率來調(diào)節(jié)噴嘴的噴霧流量，在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)流量來保持壓力恒定，達(dá)到了良好動態(tài)響應(yīng)特性。第三種可變壓力調(diào)節(jié)是根據(jù)噴霧機(jī)實(shí)時的行駛速度，通過電動調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力實(shí)現(xiàn)變量式噴霧，結(jié)構(gòu)簡單、可靠性好且成本低廉[6]。

2.1 國外技術(shù)研究現(xiàn)狀

發(fā)達(dá)國家研制噴霧機(jī)起步比較早，各種先進(jìn)的技術(shù)應(yīng)用廣泛且相對比較成熟[7]。著名的農(nóng)業(yè)裝備生產(chǎn)廠家均具有自主研發(fā)高智能化的植保作業(yè)設(shè)備的能力，例如挪威的格蘭公司、法國的泰克諾瑪。Wenfeng等研發(fā)了智能對靶噴霧系統(tǒng)，主要由噴藥控制器、流量控制閥和控制機(jī)械裝置組成，其中流量控制閥是整個控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。系統(tǒng)工作原理是采用CCD照相機(jī)，實(shí)時對作物的重要信息進(jìn)行采集，根據(jù)作物的播種范圍對作物和雜草的位置進(jìn)行確定和識別，采用離散小波變換算法進(jìn)行對圖像的識別處理。再將處理得到的有用信息通過GPS裝置來控制機(jī)車的前進(jìn)速度，最后將以上信息發(fā)送給信息控制中心，根據(jù)算法來控制噴霧機(jī)的噴藥量，實(shí)現(xiàn)變量噴霧作業(yè)。

2.2 國內(nèi)技術(shù)研究現(xiàn)狀

變量噴霧是我國實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)噴霧的一項(xiàng)重要技術(shù)，目前在我國的應(yīng)用仍是起步階段，還沒有在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中大面積推廣使用。該技術(shù)與精準(zhǔn)作業(yè)要求仍有一定差距，對于大型噴霧機(jī)的研究起步相對較晚，很多關(guān)鍵技術(shù)一直被國外封鎖[8]。因此我國迫切需要高效、廉價(jià)的植保機(jī)械，在最大限度上降低農(nóng)藥使用量、提高農(nóng)藥利用率并降低環(huán)境污染程度。隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展，精準(zhǔn)噴藥已成為未來我國植保機(jī)械領(lǐng)域的重要方向[9]。在我國學(xué)者的不斷創(chuàng)新和研發(fā)下，不斷突破國外的技術(shù)壟斷，使我國大中型噴霧機(jī)的制造工藝、智能化水平等方面得到顯著提升，目前研發(fā)的噴霧技術(shù)已逐步應(yīng)用在懸掛式噴霧機(jī)械，生產(chǎn)出多種穩(wěn)定性較優(yōu)的實(shí)用機(jī)型。如中農(nóng)豐茂植保機(jī)械有限公司出品的3W系列懸掛式噴桿噴霧機(jī)。為了適應(yīng)寬幅高效植保機(jī)械的發(fā)展需要，北京德邦大為5007M懸掛式噴桿噴霧機(jī)工作幅寬達(dá)到20 m，最大藥箱容量達(dá)到1 200 L，該機(jī)械作業(yè)效率高且性能穩(wěn)定。

國內(nèi)的許多高校和科研院所都在進(jìn)行噴霧機(jī)的基礎(chǔ)研究并取得了突出的成果。例如江蘇大學(xué)設(shè)計(jì)一種懸掛式風(fēng)幕噴霧機(jī)，優(yōu)化設(shè)計(jì)了噴桿結(jié)構(gòu)、氣流輔助噴霧系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等，該噴霧機(jī)能夠克服惡劣作業(yè)環(huán)境，降低成本并提高防治效果。山東農(nóng)業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)了多種作業(yè)模式的懸掛式噴霧機(jī)，主要增加送風(fēng)裝置，提高噴藥的均勻性和附著性，各項(xiàng)作業(yè)要求均滿足國家標(biāo)準(zhǔn)。王利霞等對裝置控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)與開發(fā)，將傳感器采集的農(nóng)作物生長狀態(tài)和位置信息傳入控制器，與處方圖分析比較后在控制器內(nèi)進(jìn)行仿真和計(jì)算，精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物變量噴霧作業(yè)。

3 噴霧機(jī)應(yīng)用技術(shù)存在的問題

根據(jù)我國作物種植要求，應(yīng)用自走式、懸掛式、牽引式等多種變量精準(zhǔn)噴霧機(jī)進(jìn)行高效作業(yè)，對實(shí)現(xiàn)作物產(chǎn)量增長具有重要意義，且市場前景廣闊[10]。但是國產(chǎn)噴霧機(jī)種類繁多，良莠不齊，在應(yīng)用方面存在許多明顯不足之處。例如作業(yè)幅寬與液泵流量壓力不匹配，作業(yè)速度的變化與噴藥量的調(diào)整不一致等。大型懸掛式噴藥機(jī)在一個作業(yè)行程中，起步階段、加速階段和勻速階段噴藥量分布情況不同。由此可見，應(yīng)用變量噴霧技術(shù)和改進(jìn)傳統(tǒng)的植保機(jī)械至關(guān)重要。噴霧作業(yè)速度對霧滴沉積分布情況的影響很大，研究表明：普通噴霧機(jī)在作業(yè)速度較低時，雖然噴頭有防漏滴裝置，但是壓力恒定條件時，單位面積噴量較大，致使噴霧密度增大，藥量過量。一般在小于8 km/h的情況下，出現(xiàn)此類現(xiàn)象。噴霧作業(yè)速度過快則導(dǎo)致噴霧藥量不合適的問題，如超過10 km/h時，噴藥量會出現(xiàn)明顯減少的問題。因此，研發(fā)以壓力調(diào)流技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合單片機(jī)控制技術(shù)完成壓力傳感器、流量傳感器、總閥、控制閥、速度傳感器等各個部件的集成模塊化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了變量控制噴霧的主要功能，突破了大中型噴霧機(jī)始終保持恒定噴霧量的技術(shù)難點(diǎn)。

4 結(jié)論

國外大中型噴霧機(jī)采用機(jī)電一體化設(shè)計(jì)，同時應(yīng)用了先進(jìn)的制造技術(shù)、微電子技術(shù)、全球定位系統(tǒng)以及視覺計(jì)算機(jī)處理技術(shù)，整體作業(yè)具有較完善的標(biāo)準(zhǔn)化形式，具有可靠性強(qiáng)、應(yīng)用方便的特點(diǎn)，降低了農(nóng)藥的損失和浪費(fèi)，提高了綜合利用率。但價(jià)格比較昂貴，售后維護(hù)的成本較高。國內(nèi)的噴霧機(jī)價(jià)格便宜，能夠?qū)r(nóng)作物病蟲害的防治起到積極的作用，但是噴藥綜合使用效率僅為35%左右。大部分農(nóng)業(yè)噴藥不能精準(zhǔn)地覆蓋在作物上，通過徑流、滲透、藥液飄移等形式進(jìn)入土壤和河流中，造成環(huán)境的嚴(yán)重污染。因此，需要改進(jìn)噴藥作業(yè)方式，實(shí)施農(nóng)藥的減量與精準(zhǔn)作用，提高作業(yè)效果，減少對土壤與河流的污染，確保農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境可持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展。實(shí)踐證明，利用變量噴霧技術(shù)實(shí)現(xiàn)噴藥量精準(zhǔn)可控，對提高農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展、促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展有重要意義。