精准喷雾技术在农业生产中的应用及科研要点分析
时间：2023-01-18 16:45:13 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
安 胜
(黑龙江省农业机械工程科学研究院，哈尔滨 150081)
我国是农业大国，农业作为第一产业一直以来为社会提供食物及物质资源，农业生产的稳定合理开展对于社会发展意义重大。为降低病虫害对农作物的危害，我国在农业生产中应用了大量的化学农药用于病虫害防治，据统计，我国平均每年使用的化学农药可达130万～140万t，为适应不同品种农作物的植保需求，我国农药厂家研究制造的农药品种也高达2 100种以上。随着农业机械化生产的广泛普及，喷雾机械逐渐成为农业病虫害防治的重要机型，其具有高效率植保的能力，能够快速完成农药喷施工作。在植保效率提升的同时，农药喷施量不合理的问题也愈发凸显，农药的过量喷施造成了农作物的药害、食品农药残留、农田环境污染等问题，不利于人们的健康和农业可持续发展。因此，在现代化机械喷雾技术的基础上，研发并应用更为先进的精准喷雾技术，在保证病虫害防治效果的同时，还兼顾节约农药和环境保护的优点，是农业喷雾机械技术未来发展的重要方向。
一直以来，我国在农业病虫害防治过程中的农药使用量普遍偏高，尽管近年来在国家环保政策和农民对农药使用认识提升的促进下，我国农药使用量相应减少，但总体上讲仍处于过量应用状态。2009—2020年，在机械化大生产过程中，我国农药的使用总量仍维持在140万t以上，图1为2009—2020年中国农药使用量与农业种植业生产面积的对比，可见农药使用量在2014年以前呈上升趋势，平均在170万t左右，在农药使用量零增长的政策要求下，2014年以后农药使用量呈现稳步下降趋势，2020年，我国三大粮食作物农药利用率40.6%，这得益于农药技术的提升和喷雾设备的技术升级。
图1 2009—2020年我国农药使用量与农业种植业生产面积对比
在未来的农业生产过程中，对于机械化植保的要求是：1)确保农业稳产高产。农业的稳产高产是农业发展的前提，农药喷雾必须保证病虫害防治的有效性，尽量降低农作物因病虫害产生的损失。2)保证农药用量逐步降低。降低农药使用量是国家政策要求，植保喷雾机械应当利用精量喷雾技术来提高农药的作用率，确保利用最少量的农药实现最佳的植保效果。3)喷雾效率进一步提升。现阶段的药物喷施主要利用喷杆喷雾的形式实施，喷施过程为保证药液雾滴的有效附着，通常机具行驶速度较低，这不利于病虫害防治的及时性，机械化植保应进一步提高作业效率。4)适用性进一步提高。现阶段的病虫害防治喷雾作业受到自然环境的影响较大，温度、风力、降雨等气候变化均会造成喷雾质量的降低，未来应加强技术研究提升喷雾过程中抵抗气候变化的能力[1]。
近年来，我国农用植保机械的保有量持续提升，应用于农业生产过程的机械产品种类和技术已经趋于丰富，为我国农药减量、科学植保、食品安全提供了更好的保障。现阶段我国农业生产中使用的植保机械主要包括以下几大类型。
2.1 人力植保机械
人力植保机械是农业生产中应用最早的植保机械类型，多通过人工增压的方式向药液箱中注入空气，使药液箱中的压力逐渐增加。该设备在我国的应用起始于20世纪30年代，后随着技术的逐渐提升，很多传统的人力植保机械与电驱动技术相结合，形成了更为省力的背负式电动喷雾机，但仍需要人工背负作业，该作业方式喷雾人员直接与药物接触，不利于操作者的人身健康。近年来，背负式机型也实现了近一步突破，部分先进产品向着高射程定向喷雾方向进步，为不适宜行进机械作业的地区提供了更好的病虫害防护保障。
2.2 机械行驶喷施
随着农业机械化的发展，行进式农业机械逐步替代了传统的农业半自动化作业，喷雾机械也开始采用机械行驶的形式实施。由于利用发动机驱动底盘行驶不仅节省了人力资源，而且提升了生产效率。现阶段，我国在农业生产中主要以行进式喷施设备为主，包括不同幅宽的喷杆喷雾机、行进式风送喷雾机、行进式弥雾机等设备。行进式机械能够更好适应现代化大规模生产的需求，且随着我国农业生产经营规模的进一步增加，我国自主研发的宽幅精量喷雾设备具有了更好的作业质量和可靠性，且产品体系近一步丰富，其中超大型喷雾设备的宽幅和作业效率已达到国际一线水平[2]。
2.3 遥控喷施
尽管现阶段广泛应用了机械行驶喷施技术，但在作业过程中驾驶员仍不可避免地处于高浓度药物环境中，仍可能对驾驶人员的人身健康造成一定的影响。为近一步改善植保作业的工作环境，日本率先于20世纪80—90年代研发了遥控植保机械，我国也于近年来针对遥控植保机型开展了大量的研究。现阶段，我国农业生产上已经应用的遥控植保设备包括植保无人机和摇控轮式植保机械两类，其中以植保无人机的应用居多。我国自主研发的植保无人机能够在卫星定位技术的支持下，实现不同高度的精量喷施作业，且利用植保无人机组成植保作业服务队，能够实现大面积农田的同时高效率作业，且摇控植保的形式保障了操作人员远离高浓度农药区，是更合理的植保作业实施方式。
2.4 机械化智能喷施
随着智慧农业理念的深入和国际农机技术向无人化发展，我国也针对植保机械开展了大量的智能化和无人化研究，从植保作业的特征来看，为降低药物喷施对人身健康的影响，无人的智能化作业是最佳选择[3]。图2为我国鲁虹农科公司自主研发的智能植保机器人，其能够结合卫星定位和遥感等技术实现自动行驶和变量喷雾。随着生产理念的不断进步和技术的进一步升级，智能农药喷施设备将成为未来农业生产不可或缺的中坚力量。
图2 鲁虹农科智能植保机器人
3.1 喷头技术
现阶段，根据农作物病虫害防治的不同要求，为进一步提高不同种类植保机械的适应能力和喷施过程的精确性，国际上所应用的喷头技术也呈现多样化发展趋势。从我国现阶段农业生产中应用的自主机型和进口机型来看，按照喷头喷雾技术原理大体可分为两种类型：一是传统的液力式喷头，包括扇形喷头、带有防飘移功能的扇形喷头、广角喷头、空心锥形喷头、气吸型喷头等；
二是离心式喷头，包括转盘式离心喷头、转笼式离心喷头。相对于国际先进的喷药机设备，我国自主生产的机型在喷头合理化利用方面仍存在明显不足，同时尖端的喷头技术仍掌握在发达国家手中，要进一步提升喷药机的作业精确性还需要加强自主喷头技术的研究[4]。
3.2 变量喷雾技术
变量喷雾技术利用田间已经测得的病虫害量或根据遥感实时监测病虫害数据，有针对性地开展农药喷施的作业方式(图3)，其特点是能够根据病虫害的严重程度实现自动增减，喷药量的调节方式包括药物浓度调整、喷施压力调整、喷施流量调整等，变量喷雾技术能够有效节省农药，预防农作物病害和环境污染。
图3 变量喷雾技术流程
3.3 静电喷雾法
静电喷雾法是利用电池或发电设备使药液带有一定的电荷，在被高压喷头雾化喷出后，带有电荷的雾滴能够利用静电吸附作用自行吸附到农作物表面，有效降低农药的飘散量，实现农药的最大化利用。静电喷雾法是未来农业病虫害药物精量喷施的研究方向之一。
3.4 雾滴回收技术
雾滴回收技术是将喷施出去的无效雾滴进行回收再利用的新技术，对于大田大面积喷施过程中农药的精确定向应用提供了新的思路，该技术不强调喷施过程中的对靶性，而是通过将被吸附到农作物表面的雾滴重新回收利用来提高农药在农作物病虫害防治中的应用率，同时有效减少雾滴飘散造成的环境污染问题[5]。
4.1 功能集成化
精量喷雾机械技术的近一步发展应重视操作过程的减化，尽可能将传统的农药添加、农药混配、剩余药液回收等功能与现阶段的定量喷药技术相结合，进一步提高精量喷雾机驾驶过程中的便捷性，为无人驾驶和喷药功能拓展创造有利条件。
4.2 智能化
将智能控制技术更好地应用于精量喷雾机械设备中，利用控制技术实现喷雾机的自动行驶、喷雾量自动调整、喷雾高度自动修正，田间障碍物的自动规避等功能。同时将喷雾机与网络技术、视觉识别技术相整合，实现农田信息的实时获取，并根据农田病虫害数据和预设的作业方案完成精确定量的区域化药物喷施。
4.3 产品多样化
我国农业生产环境复杂，要求喷雾机产品系列宽泛，且不同机型的适用范围应能覆盖我国不同农业生产地区的使用需求，在技术发展的过程中，不能单纯注重大型先进设备的精量化升级，还应同时兼顾小型喷雾机的研发与先进技术应用，确保我国大规模农业生产与丘陵山地等地形不良的农业生产区均有适宜的喷雾机产品可以选择。
综上所述，病虫害防治的喷雾作业做为农业生产中的必要农艺步骤，其机械化发展过程具有明显的自身特点，既需要考虑病虫害防治的有效性，还需要兼顾食品安全、人身健康与环境保护。因此，精量喷雾技术的应用符合植保机械合理化发展的趋势，我国农机生产企业应重视精量喷雾技术的研发与应用，确保自主喷雾及设备实现品质提升。
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