摘 要：農(nóng)作物化學(xué)植保是最重要的病蟲害防除技術(shù)之一，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著重要的作用。植保機(jī)械、農(nóng)藥與施藥技術(shù)為植物化學(xué)保護(hù)的三大支柱，精良的植保機(jī)械與施藥技術(shù)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(hù)意識的增強，精準(zhǔn)施藥技術(shù)裝備成為植保領(lǐng)域的重點研究內(nèi)容與發(fā)展方向，作為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的重要組成部分，世界各國對精準(zhǔn)變量施藥技術(shù)裝備的發(fā)展?jié)摿皯?yīng)用前景有廣泛共識。該文重點介紹了適用于不同專業(yè)作物的精準(zhǔn)施藥技術(shù)與裝備及該領(lǐng)域的研究方法，分析、探討了精準(zhǔn)施藥技術(shù)裝備在植保作業(yè)中解決問題的途徑與方法，對進(jìn)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(shù)與精準(zhǔn)施藥裝備。

關(guān)鍵詞：植保機(jī)械，精準(zhǔn)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(yīng)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(biāo)、環(huán)境污染等負(fù)面問題已嚴(yán)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(yīng)有的損失以及其他不良后果，其原因是我國施藥機(jī)械與技術(shù)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(zāi)情的變化，采取一致的施藥量，導(dǎo)致化學(xué)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(zhǔn)施藥是精準(zhǔn)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(zhǔn)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(shù)與施藥裝備機(jī)具正向著精準(zhǔn)、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(jī)位置、速度和噴霧壓力等機(jī)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(zhǔn)施藥技術(shù)在提高農(nóng)藥利用率、減少農(nóng)藥殘留和降低環(huán)境風(fēng)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(jì)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)上植保精準(zhǔn)施藥的發(fā)展方向。

為提高我國植保機(jī)械精準(zhǔn)作業(yè)與自動化水平，改變施藥技術(shù)落后的局面，本世紀(jì)2001年初中國農(nóng)業(yè)大學(xué)藥械與施藥技術(shù)研究中心通過承擔(dān)國家“十五”科技攻關(guān)重點項目《精準(zhǔn)高效施藥技術(shù)與裝備研發(fā)》，在我國最先開始對精準(zhǔn)智能噴霧技術(shù)及精準(zhǔn)施藥植保裝備的研發(fā)，將植保精準(zhǔn)施藥技裝備應(yīng)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(xué)、農(nóng)藥、植保等相關(guān)學(xué)科優(yōu)勢，將遙感技術(shù)、傳感器探測技術(shù)、機(jī)電一體化技術(shù)、導(dǎo)航技術(shù)、信號采集及數(shù)據(jù)處理等多種現(xiàn)代化技術(shù)與方法應(yīng)用于精準(zhǔn)施藥技術(shù)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(zhǔn)施藥技術(shù)準(zhǔn)備，并大量應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。本文在前期研究的基礎(chǔ)上，重點介紹了近年來中國農(nóng)業(yè)大學(xué)藥械與施藥技術(shù)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(zhǔn)施藥技術(shù)與裝備及該領(lǐng)域的研究方法，分析、探討了精準(zhǔn)施藥技術(shù)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(jìn)水平，解放農(nóng)村勞動力，都具有重要的意義。

一、植保精準(zhǔn)施藥技術(shù)裝備研發(fā)與應(yīng)用

1、果園自動對靶靜電噴霧機(jī)

為解決傳統(tǒng)果園噴霧機(jī)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(xué)藥械與施藥技術(shù)研究中心在“十五”期間通過主持國家“十五”科技攻關(guān)重點項目《精準(zhǔn)高效施藥技術(shù)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(zhǔn)施藥裝備：自動對靶噴霧機(jī)，將目標(biāo)物探測、自動化控制技術(shù)與噴霧技術(shù)相結(jié)合，靶標(biāo)探測“電子眼”發(fā)現(xiàn)靶標(biāo)（果樹枝葉）時，噴霧機(jī)自動控制系統(tǒng)打開噴霧系統(tǒng)進(jìn)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(guān)閉，噴霧機(jī)不對外噴霧施藥，實現(xiàn)“有靶標(biāo)時進(jìn)行噴霧，沒有靶標(biāo)不噴霧”的作業(yè)要求；同時，該噴霧機(jī)融合靜電噴霧技術(shù)，應(yīng)用高壓靜電（電暈荷電方式）使霧滴帶電，帶電的細(xì)霧滴作定向運動趨向植株靶標(biāo)，最后吸附在靶標(biāo)上，其沉積率顯著提高，在靶標(biāo)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(biāo)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(shù)的應(yīng)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(jī)還解決了風(fēng)送式低量噴霧與靜電噴霧等關(guān)鍵技術(shù)問題，至2006年已在全國15個省市推廣應(yīng)用300多臺套。

2、自走履帶式風(fēng)送果園變量噴霧機(jī)

上世紀(jì)60年代以來，風(fēng)送噴霧被聯(lián)合國糧農(nóng)組織作為一種先進(jìn)高效的施藥技術(shù)在全球推廣，利用風(fēng)送細(xì)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(biāo)，藥液難以深入穿透靶標(biāo)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(fēng)量減少農(nóng)藥細(xì)霧滴的飄移。傳統(tǒng)果園風(fēng)送噴霧機(jī)采用單一風(fēng)量工作模式，風(fēng)量過大或過小均不利于霧滴在靶標(biāo)作物上有效沉積，所以需要實時調(diào)節(jié)風(fēng)速與風(fēng)量，以保證良好的噴霧效果。為此，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)藥械與施藥技術(shù)研究中心于2007年通過承擔(dān)國家“863”項目“農(nóng)作物靶標(biāo)光譜探測技術(shù)”與國家科技“十二五”科技支撐計劃“新型施藥技術(shù)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(fēng)量風(fēng)送噴霧機(jī)，能夠同時實現(xiàn)對靶噴霧與風(fēng)量調(diào)節(jié)。變量控制系統(tǒng)采用機(jī)電一體化設(shè)計，指令接收和執(zhí)行過程實現(xiàn)精確、實時管理；該機(jī)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(shù)控制噴霧量；風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)裝置基于步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動無級變速器，實現(xiàn)風(fēng)機(jī)300～1670r/min的無級變速，產(chǎn)生相應(yīng)風(fēng)量。在此變量噴霧系統(tǒng)基礎(chǔ)上，重點探究了不同葡萄冠型與噴霧機(jī)風(fēng)量之間的關(guān)系，為精準(zhǔn)變量噴霧系統(tǒng)的進(jìn)一步改進(jìn)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(jī)

為進(jìn)一步提高果園噴霧機(jī)自動化與精準(zhǔn)噴霧作業(yè)性能，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)藥械與施藥技術(shù)研究中心在多年研究探索的基礎(chǔ)上，通過主持“948”項目“農(nóng)作物位變量施藥鍵技術(shù)引進(jìn)”與國家公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項“植保機(jī)械關(guān)鍵技術(shù)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(zhǔn)變量噴霧機(jī)，該機(jī)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(fēng)量和流量，實現(xiàn)局部調(diào)節(jié)風(fēng)量和噴霧量的施藥目標(biāo)，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(jī)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(fēng)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(yīng)用光機(jī)電一體化、自動化控制等技術(shù)，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(fēng)量和噴霧量，調(diào)節(jié)電機(jī)和電磁閥的脈寬調(diào)制（pulse width modulation，PWM）信號以實時調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和噴頭流量實時調(diào)節(jié)。與常規(guī)果園噴霧機(jī)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(jī)的成功研制實現(xiàn)了自動對靶、變風(fēng)量、變噴霧量、仿形噴霧的集成與有機(jī)統(tǒng)一，為精準(zhǔn)植保機(jī)具的結(jié)構(gòu)設(shè)計和性能優(yōu)化提供理論與方法參考。

4、自走式精準(zhǔn)變量噴桿噴霧機(jī)

作為大田生產(chǎn)中較為常見的噴霧方式，噴桿式噴霧機(jī)的主要作業(yè)對象是糧食或經(jīng)濟(jì)作物，對病蟲害防治和除草的效果良好，但目前精準(zhǔn)施藥技術(shù)在大田作業(yè)的噴桿式噴霧機(jī)應(yīng)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(biāo)和環(huán)境污染等問題。為提升我國噴桿噴霧機(jī)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(xué)藥械與施藥技術(shù)研究中心通過主持國家“863”計劃“新型施藥技術(shù)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(shù)”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(biāo)識和噴桿自動折疊等先進(jìn)技術(shù)，先后研制出3WSF-200型自走式水旱兩用風(fēng)送低量防飄噴桿噴霧機(jī)、3WFP-300/500第二代導(dǎo)流式防飄噴桿噴霧機(jī)、3WDFP-500第三代自走式高地隙低量導(dǎo)流防飄噴桿噴霧機(jī)，實現(xiàn)了旱地作物、水稻上植保機(jī)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(jī)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(zhǔn)變量噴桿噴霧機(jī)，該噴霧機(jī)集合GPS導(dǎo)航定位、多傳感器數(shù)據(jù)采集、單片機(jī)自動化控制、Windows 程序界面可視化、機(jī)電液一體化等多種現(xiàn)代化技術(shù)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(jī)運行速度、管路液壓和噴頭流量。通過試驗證明，該機(jī)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(biāo)作物。

5、植保無人機(jī)

近年來，我國植保無人機(jī)農(nóng)藥噴灑作業(yè)的使用量日益增長，應(yīng)用的農(nóng)作物范圍也越來越廣，尤其在地面噴桿噴霧機(jī)難以進(jìn)地作業(yè)地區(qū)具有廣闊發(fā)展應(yīng)用前景。植保無人機(jī)用于低空低量施藥作業(yè)與傳統(tǒng)人力背負(fù)噴霧作業(yè)相比具有作業(yè)效率高，勞動強度小；與有人駕駛大型航空飛機(jī)施藥相比成本大大降低，并能夠滿足高效農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)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(jī)械難以進(jìn)地進(jìn)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(jī)，以應(yīng)對日益嚴(yán)峻的病蟲害防治任務(wù)；同時，采用植保無人機(jī)進(jìn)行農(nóng)藥噴施，人機(jī)分離、人藥分離、高效安全，并能實現(xiàn)生長期全程植保機(jī)械化噴霧作業(yè)。

從噴灑效果上看：（1）具有直升機(jī)的高效作業(yè)性能和良好噴灑效果；（2）植保無人機(jī)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(jī)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(jī)的整體使用費用相對較少，雖然購機(jī)費用較高，但無需機(jī)場建設(shè)，與有人機(jī)相比性價比較高；（2）植保無人機(jī)的安全系數(shù)較高，特別是旋翼機(jī)，在發(fā)動機(jī)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(jī)能通過減緩速度快速反應(yīng)來增加飛行安全性和可預(yù)見性。

我國通用輕小型農(nóng)用植保無人機(jī)主要有中國農(nóng)業(yè)大學(xué)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(guān)部門統(tǒng)計，截至2016年5月，全國在用的農(nóng)用植保無人機(jī)共178種，至2017年有關(guān)應(yīng)用部門不完全統(tǒng)計，全國各種型號的植保無人機(jī)裝機(jī)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(jī)出現(xiàn)，但應(yīng)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(dá)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(shù)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(jì)的快速發(fā)展，高效施藥機(jī)械與新型施藥技術(shù)成為實現(xiàn)我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)全程機(jī)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(hù)目標(biāo)的重要技術(shù)手段和方法。精準(zhǔn)施技術(shù)與裝備在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用不僅大大提高了工作效率，且減少了農(nóng)藥浪費、保護(hù)了環(huán)境，為實現(xiàn)復(fù)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(zhǔn)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(jìn)傳感技術(shù)、電子信息和自動化等先進(jìn)技術(shù)，加快推進(jìn)研發(fā)精準(zhǔn)施藥技術(shù)與裝備，突破我國植保作業(yè)中的瓶頸技術(shù)，對提高植物病、蟲、草害防治能力，促進(jìn)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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