植保精准施药技术装备

摘 要：农作物化学植保是最重要的病虫害防除技术之一，在农业生产中发挥着重要的作用。植保机械、农药与施药技术为植物化学保护的三大支柱，精良的植保机械与施药技术是农药发挥药效的重要手段与保证。随着人们对农产品安全、环境保护意识的增强，精准施药技术装备成为植保领域的重点研究内容与发展方向，作为精准农业的重要组成部分，世界各国对精准变量施药技术装备的发展潜力及应用前景有广泛共识。该文重点介绍了适用于不同专业作物的精准施药技术与装备及该领域的研究方法，分析、探讨了精准施药技术装备在植保作业中解决问题的途径与方法，对进一步提升我国现代化农业及减量施药提供新方法技术与精准施药装备。

关键词：植保机械，精准农业，变量施药，对靶喷雾

自新千年始，我国农药产量与使用量居全球第一。随着农药在农业生产中的广泛应用，农药用量大、施药次数多、操作人員中毒、农产品农药残留超标、环境污染等负面问题已严重威胁到我国从业人员、食品及环境的安全，造成了不应有的损失以及其他不良后果，其原因是我国施药机械与技术相对落后，农药有效利用率不足30%。

传统施药方式往往忽视一定区域内病虫害灾情的变化，采取一致的施药量，导致化学农药在部分作业区内用量不足，而在有些地方施量过度。精准施药是精准农业的重要组成部分，能够满足越来越高的环保要求，实现了低量、精准施药、少污染、高功效、高防效的作业要求。为了实现农药精确喷施，施药技术与施药装备机具正向着精准、低量、对靶、变量、自动化方向发展，它通过获取作物的病虫草害形貌与位置、密度与危害程度等喷雾对象信息，以及喷雾机位置、速度和喷雾压力等机器状态信息，对喷雾对象实施按需施药。目前，国际上对精准施药技术在提高农药利用率、减少农药残留和降低环境风险等方面的前景和潜力已形成共识，各国均在加大研发力度，它代表了21世纪精准农业上植保精准施药的发展方向。

为提高我国植保机械精准作业与自动化水平，改变施药技术落后的局面，本世纪2001年初中国农业大学药械与施药技术研究中心通过承担国家“十五”科技攻关重点项目《精准高效施药技术与装备研发》，在我国最先开始对精准智能喷雾技术及精准施药植保装备的研发，将植保精准施药技装备应用于农业生产实践，并结合我国国情，结合农学、农药、植保等相关学科优势，将遥感技术、传感器探测技术、机电一体化技术、导航技术、信号采集及数据处理等多种现代化技术与方法应用于精准施药技术装备，在我国率先开发出了一系列新型现代化植保精准施药技术准备，并大量应用于农业生产。本文在前期研究的基础上，重点介绍了近年来中国农业大学药械与施药技术研究中心在国内均为首发的适用于不同专业作物的精准施药技术与装备及该领域的研究方法，分析、探讨了精准施药技术与装备在植保作业中解决问题的途径与方法，对增强我国农业抗御病、虫、草害的能力，提高农药有效利用率，减少农药用量，赶超国外先进水平，解放农村劳动力，都具有重要的意义。

一、植保精准施药技术装备研发与应用

1、果园自动对靶静电喷雾机

为解决传统果园喷雾机连续喷药时农药使用量大、农药有效利用率低的问题，中国农业大学药械与施药技术研究中心在“十五”期间通过主持国家“十五”科技攻关重点项目《精准高效施药技术与装备研发》，于2002年成功研制出基于红外探测的我国第一台智能植保精准施药装备：自动对靶喷雾机，将目标物探测、自动化控制技术与喷雾技术相结合，靶标探测“电子眼”发现靶标（果树枝叶）时，喷雾机自动控制系统打开喷雾系统进行对靶喷雾，在没有果树枝叶的空挡，“电子眼”把信号传给自动控制系统，将喷雾系统关闭，喷雾机不对外喷雾施药，实现“有靶标时进行喷雾，没有靶标不喷雾”的作业要求；同时，该喷雾机融合静电喷雾技术，应用高压静电（电晕荷电方式）使雾滴带电，带电的细雾滴作定向运动趋向植株靶标，最后吸附在靶标上，其沉积率显著提高，在靶标上附着量增大，覆盖均匀，沉降速度增快，尤其是提高了在靶标叶片的背面的沉积量，减少了漂移和流失。自动对靶静电喷雾技术的应用至少可节省农药50%～80%以上，明显提高了农药的利用率和防治效率、可大幅度地减少农药使用引起的环境污染。自动对靶喷雾机还解决了风送式低量喷雾与静电喷雾等关键技术问题，至2006年已在全国15个省市推广应用300多台套。

2、自走履带式风送果园变量喷雾机

上世纪60年代以来，风送喷雾被联合国粮农组织作为一种先进高效的施药技术在全球推广，利用风送细雾滴，大大提高了雾滴在作物冠层中的穿透和在叶片背面的沉积量，可以明显改善雾滴在冠层沉积分布均匀性和病虫害防治效果。通常果树冠层作为一个立体靶标，药液难以深入穿透靶标内部实现均匀分布；同时，我国各地密植果园种植布局形态不一，果树在不同的生长期，冠层茂密程度各不相同，叶面指数LAI在生长期内由0至最大值不断增加，在生产中后期对于密度较大的果树冠层需要较大气流辅助雾滴穿透树冠实现均匀分布，对于果树生长早期叶片或密度较小的冠层则需较小的风量减少农药细雾滴的飘移。传统果园风送喷雾机采用单一风量工作模式，风量过大或过小均不利于雾滴在靶标作物上有效沉积，所以需要实时调节风速与风量，以保证良好的喷雾效果。为此，中国农业大学药械与施药技术研究中心于2007年通过承担国家“863”项目“农作物靶标光谱探测技术”与国家科技“十二五”科技支撑计划“新型施药技术与农用药械”项目成功研制出适用于低矮密植果园的变风量风送喷雾机，能够同时实现对靶喷雾与风量调节。变量控制系统采用机电一体化设计，指令接收和执行过程实现精确、实时管理；该机装备红外传感器实现自动对靶喷雾，采用组合式喷头技术控制喷雾量；风机调节装置基于步进电机驱动无级变速器，实现风机300～1670r/min的无级变速，产生相应风量。在此变量喷雾系统基础上，重点探究了不同葡萄冠型与喷雾机风量之间的关系，为精准变量喷雾系统的进一步改进提供可靠的数据支持。

3、基于LIDAR探测的果园自动仿形变量喷雾机

为进一步提高果园喷雾机自动化与精准喷雾作业性能，中国农业大学药械与施药技术研究中心在多年研究探索的基础上，通过主持“948”项目“农作物位变量施药键技术引进”与国家公益性行业（农业）科研专项“植保机械关键技术优化提升与集成示范”，于2015年成功研制出第三代果园精准变量喷雾机，该机采用扫描角度270°的LIDAR 激光扫描传感器作为探测装置，能够满足对树行两侧果树同时变量的作业需求；为量化冠层所需风量和流量，实现局部调节风量和喷雾量的施药目标，根据果树冠层分布特点，确定了基于树冠轮廓距离的冠层分割模型该喷雾机以冠层分割模型作为变量处方，并依据该模型确定冠层单元所需风量和喷雾量的算法。变量控制系统采用中央控制执行装置，应用光机电一体化、自动化控制等技术，通过LIDAR 探测果树冠层特征，通过冠层分割模型计算得到各冠层单元的边界、密度与体积，依据变量算法求得与冠层单元体积完全拟合的所需风量和喷雾量，调节电机和电磁阀的脉宽调制（pulse width modulation，PWM）信号以实时调节風机转速和喷头流量实时调节。与常规果园喷雾机相比，最多可节省45.7%的农药使用量，雾滴空中飘移与地面流失分别减少42.7%和67.4%。该机的成功研制实现了自动对靶、变风量、变喷雾量、仿形喷雾的集成与有机统一，为精准植保机具的结构设计和性能优化提供理论与方法参考。

4、自走式精准变量喷杆喷雾机

作为大田生产中较为常见的喷雾方式，喷杆式喷雾机的主要作业对象是粮食或经济作物，对病虫害防治和除草的效果良好，但目前精准施药技术在大田作业的喷杆式喷雾机应用较少，带来了诸如农药有效利用率低、农产品中农药残留超标和环境污染等问题。为提升我国喷杆喷雾机的喷雾性能，降低喷雾作业过程中形成的农药雾滴飘移，中国农业大学药械与施药技术研究中心通过主持国家“863”计划“新型施药技术与农用药械”项目、国家公益性行业（农业）科研专项“黄淮流域小麦玉米水稻田间用节水节肥节药综合技术”根据我国水、旱田的实际情况，采用喷杆式低量喷雾、气流辅助输送雾滴、液压控制、喷幅标识和喷杆自动折叠等先进技术，先后研制出3WSF-200型自走式水旱两用风送低量防飘喷杆喷雾机、3WFP-300/500第二代导流式防飘喷杆喷雾机、3WDFP-500第三代自走式高地隙低量导流防飘喷杆喷雾机，实现了旱地作物、水稻上植保机械化作业，大大提高了作业效率，喷雾量分布均匀性得到显著改善，降低了作业过程中的农药飘移造成的环境污染。

为提高水田喷杆喷雾机的自动化作业水平，我中心于2016年研制出基于变量施药的自走式精准变量喷杆喷雾机，该喷雾机集合GPS导航定位、多传感器数据采集、单片机自动化控制、Windows 程序界面可视化、机电液一体化等多种现代化技术手段，参考作物种类、病虫草发生情况自动调整单位面积施药量，并根据喷雾压力、运行速度、喷头流量实时调整喷雾机运行速度、管路液压和喷头流量。通过试验证明，该机作业过程中喷杆各处雾滴分布均匀性变异系数小于10%，单位面积施药量误差低于8%，定为精度控制在10cm以内，保证单位面积施药量保持一致，实现药液均匀喷洒到靶标作物。

5、植保无人机

近年来，我国植保无人机农药喷洒作业的使用量日益增长，应用的农作物范围也越来越广，尤其在地面喷杆喷雾机难以进地作业地区具有广阔发展应用前景。植保无人机用于低空低量施药作业与传统人力背负喷雾作业相比具有作业效率高，劳动强度小；与有人驾驶大型航空飞机施药相比成本大大降低，并能够满足高效农业经济发展的需求。特别是对于水稻、中后期玉米、丘陵中种植的农经作物等地面机械难以进地进行农药喷雾作业的情况，至目前，我国研发了多种适合于这种不同地区小农户的植保无人机，以应对日益严峻的病虫害防治任务；同时，采用植保无人机进行农药喷施，人机分离、人药分离、高效安全，并能实现生长期全程植保机械化喷雾作业。

从喷洒效果上看：（1）具有直升机的高效作业性能和良好喷洒效果；（2）植保无人机速度变化灵活，可以从零直接飞到正常速度，低速条件下作业有较好的雾滴覆盖，特别是旋翼产生的下旋气流，可减少雾粒的飘散，同时由于下旋气流而产生上升气流可使农药雾滴直接沉积到植物叶片的正反面；（3）植保无人机的空中悬停的功能使其具有单株喷洒能力。

从成本和安全性上看：（1）植保无人机的整体使用费用相对较少，虽然购机费用较高，但无需机场建设，与有人机相比性价比较高；（2）植保无人机的安全系数较高，特别是旋翼机，在发动机失效时，利用旋翼的自转性，通过驾驶员正确的操作，其迫降着陆速度可接近于0，另外植保无人机能通过减缓速度快速反应来增加飞行安全性和可预见性。

我国通用轻小型农用植保无人机主要有中国农业大学研发的单旋翼“CAU- 3WZN10A”与多旋翼“3WSZ-15”、“863”项目研发的“Z-3”、大疆“MG-1”、“安阳全丰3WQF120-12型”、“无锡汉和水星一号”以及“广西田园3XY8D型”、“天鹰-3”等。据农业部相关部门统计，截至2016年5月，全国在用的农用植保无人机共178种，至2017年有关应用部门不完全统计，全国各种型号的植保无人机装机容量已经接近上万台；可挂载5～20L的药箱（近2年市场上也有大于30L的植保无人机出现，但应用较少），喷幅在5～20m之间，可适用于不同的施药条件，喷雾作业效率高达6ha/h，能有效及时防治水稻病虫草害。至今，全国农业航空技术95%以上用于航空植保作业，还有5%左右用于农情信息获取、航空拍摄、农作物的辅助育种等。2015年，农林各种农业有人驾驶与无人航空器植保喷雾作业48586h，主要用于湖南、湖北、江西、河南、福建与其它南方水稻等粮食作物产区。

二、结语

随着我国社会经济的快速发展，高效施药机械与新型施药技术成为实现我国农业生产全程机械化的重要环节，是“公共植保、绿色植保”的主要组成部分，必将成为农业高产高效、农产品安全、环境保护目标的重要技术手段和方法。精准施技术与装备在农业中的应用不仅大大提高了工作效率，且减少了农药浪费、保护了环境，为实现复杂的变量喷洒提供了可能，或将有利于改变传统农业劳动力人口需求过多的状况，推动农业向简约化、精准化及可持续化发展。未来，随着“2020年农药使用量零增长行动”计划的顺利实施，利用先进传感技术、电子信息和自动化等先进技术，加快推进研发精准施药技术与装备，突破我国植保作业中的瓶颈技术，对提高植物病、虫、草害防治能力，促进农业稳定发展和农民增收具有重要意义。

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