中国精准施药技术和装备研究现状及发展建议

　　摘要: 植物化学保护即使用植保机械喷施化学农药是当前最主要的病虫害防控方法，一直以来对保障农业生产安全与粮食有效供给起至关重要作用。能够实现按需精准施药、变量施药、人机分离与人药分离的高效、精准、智能的施药技术和装备是提高农药药效与利用率的保证，也是保障食品安全、降低农民劳动强度的重要措施，是目前国内外研究的热点。本研究对精准施药关键技术及研究现状进行了分析，对适用于不同作业场景的精准施药装备的研究现状、典型代表、应用进展等进行了分类总结，分析了目前精准施药发展中面临的挑战，并提出了对策和建议。本研究可为精准施药技术研究的推进、智能施药装备的研发和现代化农业的发展提供参考和思路。

　　关键词: 精准施药；变量施药；自动对靶喷雾；仿形喷雾机；喷杆喷雾机；无人机

　　1 引言

　　农药在保障国家粮食安全和农产品有效供给中发挥着不可替代的作用。自1997年起，中国成为世界上最大的农药生产国与使用国[1]，但中国施药技术与植保机械发展水平却和农药高速发展水平极不相称，农药有效利用率仅为20%~40%[2]。此外，现阶段中国农业还存在农药用量大、利用率低、植保机械作业效率低、农民劳动强度大、农产品农药残留超标等问题。

　　2 精准施药关键技术及研究现状

　　精准施药技术是通过传感探测技术获取喷雾靶标即农作物与病虫草害的信息，利用计算决策系统制订精准喷雾策略，驱动变量执行系统或机构实现实时、非均一、非连续的精准喷雾作业，最终实现按需施药[4]。技术体系包括探测技术、施药控制系统及算法、喷雾控制技术等。

　　施药技术与施药装备正向着智能、精准、低量、高效方向发展。表1为国内精准施药关键技术的主要研发团队和研究内容。

　　3 精准施药装备研究进展

　　依托精准施药技术的发展，中国精准施药装备的发展也非常迅速。果园自动对靶喷雾机、基于风量调节的果园变量喷雾机、玉米田间自动对靶除草机、可调地隙与轮距的高地隙自走式喷杆喷雾机、自适应均匀喷雾机、循环喷雾机以及仿形喷雾机等新型施药装备纷纷问题，实现了农药的精准喷施，大大提高了农药利用率。此外还有遥控自走式作物喷杆喷雾机和植保无人机，它们实现了人机分离和人药分离，非常适合中国中小型农场的减量精准施药技术要求，发展迅速，深受用户欢迎。

　　3.1　果园自动对靶喷雾机

　　为解决传统果园喷雾机无法识别靶标及靶标间空隙差异连续喷雾而造成农药浪费和环境污染问题，研究人员开展了一系列针对果园自动对靶喷雾装备的研究探索。表2为中国研制成功的果园自动对靶喷雾机典型成果及关键技术点。

　　从表2可以看出，目前果园自动对靶喷雾机的关键技术集中于红外传感激光测距和超声波等。相比于传统的风送式果园喷雾机，自动对靶喷雾机能够提高在目标冠层及叶片背面的沉积量，且沉积均匀，使农药沉积利用率达到52.5%，实现节药40%~60%，减少雾滴的飘失及农药浪费，提高农药利用率及防治效果[31]。但是，目前自动对靶喷雾机靶标识别过程中产生误判概率高，尤其是在复杂环境中精准识别靶标的能力不强，在识别精度上仍有提高空间。

　　3.2　果园风送变量喷雾机

　　中国各地果园大多密植且布局形态各异，果树冠层在不同生长周期枝叶茂密程度不一，叶面指数（Leaf Area Index，LAI）在生长期内由0不断增大直至最大值，传统的纯液力喷雾机难以穿透枝叶茂密的果树冠层在树膛内沉积，且在早期的稀疏冠层内容易造成雾滴飘失。

　　传统果园喷雾机因茂密的枝叶雾滴难以穿透冠层，而采用风力辅助输送雾滴，可以提高雾滴在果树冠层的穿透和沉积分布。同时，风送喷雾机利用气流辅助技术，可胁迫雾滴定向沉积至目标冠层，在此过程中气流进一步第二次破碎雾滴同时翻转扰动冠层内部枝叶使得雾滴沉积到目标冠层内部，从而增加雾滴在目标冠层内部的穿透能力、叶片背面的沉积量、沉积分布均匀性，提高病虫害防治效果。联合国粮食及农业组织（Food and Agriculture Organization of the United Nations，FAO）于20世纪60年代在全球推广风送喷雾技术，中国在20世纪80年代引进该技术并进行了推广应用取得了良好的防治效果[32]。但在实际果园喷雾作业过程中，同一植株在不同生长周期冠层枝叶茂密程度不同，所需风量不同，传统风送喷雾机无法根据枝叶稀疏度调整风量作业，导致不同生长周期的目标冠层风量不足或过量，从而造成雾滴难以在目标冠层有效沉积。

　　4 精准施药面临的挑战及发展建议

　　4.1　面临的挑战

　　目前，精准施药在中国应用领域非常广泛，发展前景广阔。中国植保机械研究科研院所及相关领域的科学研究人员开展了大量的精准施药技术研究，取得了丰硕的成果，但因研发与技术条件等缺陷，在以下方面还面临着挑战。

　　（1）精准施药装备研发还处于探测技术与机电一体化的集成阶段，市场上的精准变量施药装备普遍存在装备结构复杂、造价高、不易操作等问题，关键技术与产品的研发水平远远落后于中国智慧农业发展的要求。

　　（2）农业专业传感器研发不够、农业专用传感器研发生产较少，同时市场上可用的传感器、控制与自动调节部件主要以购买进口为主，大规模应用少。

　　4.2　建议和展望

　　国民经济的快速增长与劳动市场人力的不断短缺必然伴随着对新型智能施药机械的需求。为了确保农药的精准喷雾，精准对靶、智能变量以及实现“人机分离”的自动化作业是植保机械在今后一段时期的发展主要方向。尽管国家加大了研发投入，在精准施药技术、新型施药机具研发应用推广方面取得了一定的成果，但与发达欧美国家相比，研发力度与投入力度明显不足、与中国高速发展的经济、生产实际应用明显不符，我们还需要做出更大的努力。

　　（1）开展关键传感技术与专业传感器、关键部件的研发、系统性的开展专业仿形变量喷雾的算法研究，研发出专业的计算芯片，将计算芯片通过中央控制装置控制电磁阀进行“有靶标喷雾，没有不喷雾”的仿形喷雾作业，可大大节省农药、提高农药利用率。所以建议国家层面上的农业、科研管理部门应该加大科研与资金投入力度，加强精准变量喷雾技术与装备及部件的研发、应用与推广。

　　（2）随着中国现代化的推进，新型精准施药技术与植保装备必将取代传统植保模式，将植保领域推向“简单化、智能化、精准化”的方向。建议加大高效施药技术与新型精准植保装备的推广应用，从而使先进的植保技术真正地服务于中国植保领域，突破长期在施药过程中的弊病，提高病虫草害的防治水平，让农业的增产增收达到良性循环的过程。

　　参考文献

　　[1] 何雄奎. 植保精准施药技术装备[J]. 农业工程技术, 2017, 37(30): 22-26.

　　[2] 何雄奎. 我国植保无人机喷雾系统与施药技术[J]. 农业工程技术, 2018, 38(9): 33-38.

　　[3] 翟长远, 朱瑞祥, 张佐经, 等. 精准施药技术现状分析[J]. 农机化研究, 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

《中国精准施药技术和装备研究现状及发展建议》

上一篇：宝丰县乡村发展问题及振兴措施

下一篇：基于机器视觉与深度学习的西兰花表型快速提取方法研究