中國精準(zhǔn)施藥技術(shù)和裝備研究現(xiàn)狀及發(fā)展建議

　　摘要: 植物化學(xué)保護(hù)即使用植保機械噴施化學(xué)農(nóng)藥是當(dāng)前最主要的病蟲害防控方法，一直以來對保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)安全與糧食有效供給起至關(guān)重要作用。能夠?qū)崿F(xiàn)按需精準(zhǔn)施藥、變量施藥、人機分離與人藥分離的高效、精準(zhǔn)、智能的施藥技術(shù)和裝備是提高農(nóng)藥藥效與利用率的保證，也是保障食品安全、降低農(nóng)民勞動強度的重要措施，是目前國內(nèi)外研究的熱點。本研究對精準(zhǔn)施藥關(guān)鍵技術(shù)及研究現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，對適用于不同作業(yè)場景的精準(zhǔn)施藥裝備的研究現(xiàn)狀、典型代表、應(yīng)用進(jìn)展等進(jìn)行了分類總結(jié)，分析了目前精準(zhǔn)施藥發(fā)展中面臨的挑戰(zhàn)，并提出了對策和建議。本研究可為精準(zhǔn)施藥技術(shù)研究的推進(jìn)、智能施藥裝備的研發(fā)和現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供參考和思路。

　　關(guān)鍵詞: 精準(zhǔn)施藥；變量施藥；自動對靶噴霧；仿形噴霧機；噴桿噴霧機；無人機

　　1 引言

　　農(nóng)藥在保障國家糧食安全和農(nóng)產(chǎn)品有效供給中發(fā)揮著不可替代的作用。自1997年起，中國成為世界上最大的農(nóng)藥生產(chǎn)國與使用國[1]，但中國施藥技術(shù)與植保機械發(fā)展水平卻和農(nóng)藥高速發(fā)展水平極不相稱，農(nóng)藥有效利用率僅為20%~40%[2]。此外，現(xiàn)階段中國農(nóng)業(yè)還存在農(nóng)藥用量大、利用率低、植保機械作業(yè)效率低、農(nóng)民勞動強度大、農(nóng)產(chǎn)品農(nóng)藥殘留超標(biāo)等問題。

　　2 精準(zhǔn)施藥關(guān)鍵技術(shù)及研究現(xiàn)狀

　　精準(zhǔn)施藥技術(shù)是通過傳感探測技術(shù)獲取噴霧靶標(biāo)即農(nóng)作物與病蟲草害的信息，利用計算決策系統(tǒng)制訂精準(zhǔn)噴霧策略，驅(qū)動變量執(zhí)行系統(tǒng)或機構(gòu)實現(xiàn)實時、非均一、非連續(xù)的精準(zhǔn)噴霧作業(yè)，最終實現(xiàn)按需施藥[4]。技術(shù)體系包括探測技術(shù)、施藥控制系統(tǒng)及算法、噴霧控制技術(shù)等。

　　施藥技術(shù)與施藥裝備正向著智能、精準(zhǔn)、低量、高效方向發(fā)展。表1為國內(nèi)精準(zhǔn)施藥關(guān)鍵技術(shù)的主要研發(fā)團(tuán)隊和研究內(nèi)容。

　　3 精準(zhǔn)施藥裝備研究進(jìn)展

　　依托精準(zhǔn)施藥技術(shù)的發(fā)展，中國精準(zhǔn)施藥裝備的發(fā)展也非常迅速。果園自動對靶噴霧機、基于風(fēng)量調(diào)節(jié)的果園變量噴霧機、玉米田間自動對靶除草機、可調(diào)地隙與輪距的高地隙自走式噴桿噴霧機、自適應(yīng)均勻噴霧機、循環(huán)噴霧機以及仿形噴霧機等新型施藥裝備紛紛問題，實現(xiàn)了農(nóng)藥的精準(zhǔn)噴施，大大提高了農(nóng)藥利用率。此外還有遙控自走式作物噴桿噴霧機和植保無人機，它們實現(xiàn)了人機分離和人藥分離，非常適合中國中小型農(nóng)場的減量精準(zhǔn)施藥技術(shù)要求，發(fā)展迅速，深受用戶歡迎。

　　3.1　果園自動對靶噴霧機

　　為解決傳統(tǒng)果園噴霧機無法識別靶標(biāo)及靶標(biāo)間空隙差異連續(xù)噴霧而造成農(nóng)藥浪費和環(huán)境污染問題，研究人員開展了一系列針對果園自動對靶噴霧裝備的研究探索。表2為中國研制成功的果園自動對靶噴霧機典型成果及關(guān)鍵技術(shù)點。

　　從表2可以看出，目前果園自動對靶噴霧機的關(guān)鍵技術(shù)集中于紅外傳感激光測距和超聲波等。相比于傳統(tǒng)的風(fēng)送式果園噴霧機，自動對靶噴霧機能夠提高在目標(biāo)冠層及葉片背面的沉積量，且沉積均勻，使農(nóng)藥沉積利用率達(dá)到52.5%，實現(xiàn)節(jié)藥40%~60%，減少霧滴的飄失及農(nóng)藥浪費，提高農(nóng)藥利用率及防治效果[31]。但是，目前自動對靶噴霧機靶標(biāo)識別過程中產(chǎn)生誤判概率高，尤其是在復(fù)雜環(huán)境中精準(zhǔn)識別靶標(biāo)的能力不強，在識別精度上仍有提高空間。

　　3.2　果園風(fēng)送變量噴霧機

　　中國各地果園大多密植且布局形態(tài)各異，果樹冠層在不同生長周期枝葉茂密程度不一，葉面指數(shù)（Leaf Area Index，LAI）在生長期內(nèi)由0不斷增大直至最大值，傳統(tǒng)的純液力噴霧機難以穿透枝葉茂密的果樹冠層在樹膛內(nèi)沉積，且在早期的稀疏冠層內(nèi)容易造成霧滴飄失。

　　傳統(tǒng)果園噴霧機因茂密的枝葉霧滴難以穿透冠層，而采用風(fēng)力輔助輸送霧滴，可以提高霧滴在果樹冠層的穿透和沉積分布。同時，風(fēng)送噴霧機利用氣流輔助技術(shù)，可脅迫霧滴定向沉積至目標(biāo)冠層，在此過程中氣流進(jìn)一步第二次破碎霧滴同時翻轉(zhuǎn)擾動冠層內(nèi)部枝葉使得霧滴沉積到目標(biāo)冠層內(nèi)部，從而增加霧滴在目標(biāo)冠層內(nèi)部的穿透能力、葉片背面的沉積量、沉積分布均勻性，提高病蟲害防治效果。聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織（Food and Agriculture Organization of the United Nations，F(xiàn)AO）于20世紀(jì)60年代在全球推廣風(fēng)送噴霧技術(shù)，中國在20世紀(jì)80年代引進(jìn)該技術(shù)并進(jìn)行了推廣應(yīng)用取得了良好的防治效果[32]。但在實際果園噴霧作業(yè)過程中，同一植株在不同生長周期冠層枝葉茂密程度不同，所需風(fēng)量不同，傳統(tǒng)風(fēng)送噴霧機無法根據(jù)枝葉稀疏度調(diào)整風(fēng)量作業(yè)，導(dǎo)致不同生長周期的目標(biāo)冠層風(fēng)量不足或過量，從而造成霧滴難以在目標(biāo)冠層有效沉積。

　　4 精準(zhǔn)施藥面臨的挑戰(zhàn)及發(fā)展建議

　　4.1　面臨的挑戰(zhàn)

　　目前，精準(zhǔn)施藥在中國應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，發(fā)展前景廣闊。中國植保機械研究科研院所及相關(guān)領(lǐng)域的科學(xué)研究人員開展了大量的精準(zhǔn)施藥技術(shù)研究，取得了豐碩的成果，但因研發(fā)與技術(shù)條件等缺陷，在以下方面還面臨著挑戰(zhàn)。

　?。?）精準(zhǔn)施藥裝備研發(fā)還處于探測技術(shù)與機電一體化的集成階段，市場上的精準(zhǔn)變量施藥裝備普遍存在裝備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價高、不易操作等問題，關(guān)鍵技術(shù)與產(chǎn)品的研發(fā)水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于中國智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展的要求。

　?。?）農(nóng)業(yè)專業(yè)傳感器研發(fā)不夠、農(nóng)業(yè)專用傳感器研發(fā)生產(chǎn)較少，同時市場上可用的傳感器、控制與自動調(diào)節(jié)部件主要以購買進(jìn)口為主，大規(guī)模應(yīng)用少。

　　4.2　建議和展望

　　國民經(jīng)濟(jì)的快速增長與勞動市場人力的不斷短缺必然伴隨著對新型智能施藥機械的需求。為了確保農(nóng)藥的精準(zhǔn)噴霧，精準(zhǔn)對靶、智能變量以及實現(xiàn)“人機分離”的自動化作業(yè)是植保機械在今后一段時期的發(fā)展主要方向。盡管國家加大了研發(fā)投入，在精準(zhǔn)施藥技術(shù)、新型施藥機具研發(fā)應(yīng)用推廣方面取得了一定的成果，但與發(fā)達(dá)歐美國家相比，研發(fā)力度與投入力度明顯不足、與中國高速發(fā)展的經(jīng)濟(jì)、生產(chǎn)實際應(yīng)用明顯不符，我們還需要做出更大的努力。

　　（1）開展關(guān)鍵傳感技術(shù)與專業(yè)傳感器、關(guān)鍵部件的研發(fā)、系統(tǒng)性的開展專業(yè)仿形變量噴霧的算法研究，研發(fā)出專業(yè)的計算芯片，將計算芯片通過中央控制裝置控制電磁閥進(jìn)行“有靶標(biāo)噴霧，沒有不噴霧”的仿形噴霧作業(yè)，可大大節(jié)省農(nóng)藥、提高農(nóng)藥利用率。所以建議國家層面上的農(nóng)業(yè)、科研管理部門應(yīng)該加大科研與資金投入力度，加強精準(zhǔn)變量噴霧技術(shù)與裝備及部件的研發(fā)、應(yīng)用與推廣。

　?。?）隨著中國現(xiàn)代化的推進(jìn)，新型精準(zhǔn)施藥技術(shù)與植保裝備必將取代傳統(tǒng)植保模式，將植保領(lǐng)域推向“簡單化、智能化、精準(zhǔn)化”的方向。建議加大高效施藥技術(shù)與新型精準(zhǔn)植保裝備的推廣應(yīng)用，從而使先進(jìn)的植保技術(shù)真正地服務(wù)于中國植保領(lǐng)域，突破長期在施藥過程中的弊病，提高病蟲草害的防治水平，讓農(nóng)業(yè)的增產(chǎn)增收達(dá)到良性循環(huán)的過程。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1] 何雄奎. 植保精準(zhǔn)施藥技術(shù)裝備[J]. 農(nóng)業(yè)工程技術(shù), 2017, 37(30): 22-26.

　　[2] 何雄奎. 我國植保無人機噴霧系統(tǒng)與施藥技術(shù)[J]. 農(nóng)業(yè)工程技術(shù), 2018, 38(9): 33-38.

　　[3] 翟長遠(yuǎn), 朱瑞祥, 張佐經(jīng), 等. 精準(zhǔn)施藥技術(shù)現(xiàn)狀分析[J]. 農(nóng)機化研究, 2010, 32(5): 9-12.Zhai C, Zhu R, Zhang Z, et al. Status analysis of precision pesticide application techniques[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2010, 32(5): 9-12.

　　作者：何雄奎

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