摘要: 植物化學(xué)保護(hù)即使用植保機(jī)械噴施化學(xué)農(nóng)藥是當(dāng)前最主要的病蟲(chóng)害防控方法，一直以來(lái)對(duì)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(jī)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(dòng)強(qiáng)度的重要措施，是目前國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。本研究對(duì)精準(zhǔn)施藥關(guān)鍵技術(shù)及研究現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，對(duì)適用于不同作業(yè)場(chǎng)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(lèi)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(duì)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(dòng)對(duì)靶噴霧；仿形噴霧機(jī)；噴桿噴霧機(jī)；無(wú)人機(jī)

　　1 引言

　　農(nóng)藥在保障國(guó)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(guó)成為世界上最大的農(nóng)藥生產(chǎn)國(guó)與使用國(guó)[1]，但中國(guó)施藥技術(shù)與植保機(jī)械發(fā)展水平卻和農(nóng)藥高速發(fā)展水平極不相稱(chēng)，農(nóng)藥有效利用率僅為20%~40%[2]。此外，現(xiàn)階段中國(guó)農(nóng)業(yè)還存在農(nóng)藥用量大、利用率低、植保機(jī)械作業(yè)效率低、農(nóng)民勞動(dòng)強(qiáng)度大、農(nóng)產(chǎn)品農(nóng)藥殘留超標(biāo)等問(wèn)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(guò)傳感探測(cè)技術(shù)獲取噴霧靶標(biāo)即農(nóng)作物與病蟲(chóng)草害的信息，利用計(jì)算決策系統(tǒng)制訂精準(zhǔn)噴霧策略，驅(qū)動(dòng)變量執(zhí)行系統(tǒng)或機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、非均一、非連續(xù)的精準(zhǔn)噴霧作業(yè)，最終實(shí)現(xiàn)按需施藥[4]。技術(shù)體系包括探測(cè)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(guó)內(nèi)精準(zhǔn)施藥關(guān)鍵技術(shù)的主要研發(fā)團(tuán)隊(duì)和研究?jī)?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(guó)精準(zhǔn)施藥裝備的發(fā)展也非常迅速。果園自動(dòng)對(duì)靶噴霧機(jī)、基于風(fēng)量調(diào)節(jié)的果園變量噴霧機(jī)、玉米田間自動(dòng)對(duì)靶除草機(jī)、可調(diào)地隙與輪距的高地隙自走式噴桿噴霧機(jī)、自適應(yīng)均勻噴霧機(jī)、循環(huán)噴霧機(jī)以及仿形噴霧機(jī)等新型施藥裝備紛紛問(wèn)題，實(shí)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(jī)和植保無(wú)人機(jī)，它們實(shí)現(xiàn)了人機(jī)分離和人藥分離，非常適合中國(guó)中小型農(nóng)場(chǎng)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(dòng)對(duì)靶噴霧機(jī)

　　為解決傳統(tǒng)果園噴霧機(jī)無(wú)法識(shí)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(fèi)和環(huán)境污染問(wèn)題，研究人員開(kāi)展了一系列針對(duì)果園自動(dòng)對(duì)靶噴霧裝備的研究探索。表2為中國(guó)研制成功的果園自動(dòng)對(duì)靶噴霧機(jī)典型成果及關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)。

　　從表2可以看出，目前果園自動(dòng)對(duì)靶噴霧機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)集中于紅外傳感激光測(cè)距和超聲波等。相比于傳統(tǒng)的風(fēng)送式果園噴霧機(jī)，自動(dòng)對(duì)靶噴霧機(jī)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(shí)現(xiàn)節(jié)藥40%~60%，減少霧滴的飄失及農(nóng)藥浪費(fèi)，提高農(nóng)藥利用率及防治效果[31]。但是，目前自動(dòng)對(duì)靶噴霧機(jī)靶標(biāo)識(shí)別過(guò)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(shí)別靶標(biāo)的能力不強(qiáng)，在識(shí)別精度上仍有提高空間。

　　3.2　果園風(fēng)送變量噴霧機(jī)

　　中國(guó)各地果園大多密植且布局形態(tài)各異，果樹(shù)冠層在不同生長(zhǎng)周期枝葉茂密程度不一，葉面指數(shù)（Leaf Area Index，LAI）在生長(zhǎng)期內(nèi)由0不斷增大直至最大值，傳統(tǒng)的純液力噴霧機(jī)難以穿透枝葉茂密的果樹(shù)冠層在樹(shù)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(jī)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(shù)冠層的穿透和沉積分布。同時(shí)，風(fēng)送噴霧機(jī)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(guò)程中氣流進(jìn)一步第二次破碎霧滴同時(shí)翻轉(zhuǎn)擾動(dòng)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(chóng)害防治效果。聯(lián)合國(guó)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(guó)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(shí)際果園噴霧作業(yè)過(guò)程中，同一植株在不同生長(zhǎng)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(jī)無(wú)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(zhǎng)周期的目標(biāo)冠層風(fēng)量不足或過(guò)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(guó)應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，發(fā)展前景廣闊。中國(guó)植保機(jī)械研究科研院所及相關(guān)領(lǐng)域的科學(xué)研究人員開(kāi)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)。

　　（1）精準(zhǔn)施藥裝備研發(fā)還處于探測(cè)技術(shù)與機(jī)電一體化的集成階段，市場(chǎng)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(jià)高、不易操作等問(wèn)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(guó)智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展的要求。

　　（2）農(nóng)業(yè)專(zhuān)業(yè)傳感器研發(fā)不夠、農(nóng)業(yè)專(zhuān)用傳感器研發(fā)生產(chǎn)較少，同時(shí)市場(chǎng)上可用的傳感器、控制與自動(dòng)調(diào)節(jié)部件主要以購(gòu)買(mǎi)進(jìn)口為主，大規(guī)模應(yīng)用少。

　　4.2　建議和展望

　　國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)與勞動(dòng)市場(chǎng)人力的不斷短缺必然伴隨著對(duì)新型智能施藥機(jī)械的需求。為了確保農(nóng)藥的精準(zhǔn)噴霧，精準(zhǔn)對(duì)靶、智能變量以及實(shí)現(xiàn)“人機(jī)分離”的自動(dòng)化作業(yè)是植保機(jī)械在今后一段時(shí)期的發(fā)展主要方向。盡管?chē)?guó)家加大了研發(fā)投入，在精準(zhǔn)施藥技術(shù)、新型施藥機(jī)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(guó)家相比，研發(fā)力度與投入力度明顯不足、與中國(guó)高速發(fā)展的經(jīng)濟(jì)、生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用明顯不符，我們還需要做出更大的努力。

　　（1）開(kāi)展關(guān)鍵傳感技術(shù)與專(zhuān)業(yè)傳感器、關(guān)鍵部件的研發(fā)、系統(tǒng)性的開(kāi)展專(zhuān)業(yè)仿形變量噴霧的算法研究，研發(fā)出專(zhuān)業(yè)的計(jì)算芯片，將計(jì)算芯片通過(guò)中央控制裝置控制電磁閥進(jìn)行“有靶標(biāo)噴霧，沒(méi)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(guó)家層面上的農(nóng)業(yè)、科研管理部門(mén)應(yīng)該加大科研與資金投入力度，加強(qiáng)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。

　　（2）隨著中國(guó)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(jiǎn)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(guó)植保領(lǐng)域，突破長(zhǎng)期在施藥過(guò)程中的弊病，提高病蟲(chóng)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(guò)程。

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　　作者：何雄奎