果園精準施藥技術的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢分析

姜業(yè)元，曹佃龍，高 磊，徐曉雪，趙 靜

（山東理工大學農(nóng)業(yè)工程與食品科學學院，山東 淄博 255000）

果園常年多次噴施農(nóng)藥對施藥機械作業(yè)水平要求較高，而我國應用于果園施藥的裝備相對落后，很多地區(qū)仍然使用低端噴霧機械。當前，對果園采取的施藥措施是以果園作物每一處的病、蟲、草害為條件，噴灑一致的藥量，無法精準施藥。果園精準施藥是根據(jù)果樹病、蟲、草害情況進行針對性的農(nóng)藥噴施，可減少藥物浪費，提高利用率，降低農(nóng)藥殘留量，削弱因農(nóng)藥過度使用帶來的環(huán)境問題，提高果實品質(zhì)，提高果樹產(chǎn)量。

1 果園精準施藥技術的現(xiàn)狀

1.1 國外果園精準施藥技術的現(xiàn)狀

果園進行霧化施藥過程中，霧滴的飄移和沉降損失是影響施藥效果的重要因素之一，尤其是在周圍環(huán)境風力較大的情況下，因飄移造成的農(nóng)藥浪費可達施藥量的70%～80%[1]。針對這一問題，國外普遍采用防飄噴頭來防止霧狀藥液飄移。該噴頭可噴出較大的霧滴，這樣可以增加每一噴出霧滴的重量，較大地降低噴藥損失。另外一種解決方式是在噴霧器的噴桿部位安裝防風屏，防風屏有氣力式和機械式兩種，可輔助阻擋霧滴飄移和沉降，試驗表明，使用防風屏可以有效降低因作業(yè)時周圍環(huán)境的風力帶來的飄移影響，能使常規(guī)噴桿的飄移和沉降減少65%～81%[2]。

近年來，隨著科技的發(fā)展，一種新型的精準施藥技術被研發(fā)出來，該技術主要利用靜電噴霧以達到精準施藥的目的。在噴頭與果樹待施藥部位之間利用高壓靜電形成一個靜電場，同時，農(nóng)藥液體在噴頭和高壓靜電的作用下轉(zhuǎn)化為帶有電荷的霧滴，由于靜電場力的作用，帶有電荷的霧滴做定向運動，達到對果樹精準施藥的目的，并使霧滴附著效果更加顯著，同樣可以很大程度上減小霧滴飄移的可能。利用靜電來實現(xiàn)藥液霧化的工作原理是：靜電作用可以降低液體表面張力，減小霧化阻力，同時，同性電荷間的排斥作用產(chǎn)生與表面張力相反的附加內(nèi)外壓力差，從而提高霧化程度，大大降低農(nóng)藥對環(huán)境的污染[3]。其中，Bertellirandell公司生產(chǎn)的靜電噴頭可用在噴桿式噴霧機和背負式噴霧噴粉機上，該噴頭可以使噴霧損失較常規(guī)噴霧技術減少65%以上[4]。

1.2 國內(nèi)果園精準施藥的現(xiàn)狀

目前我國農(nóng)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀正處于粗放農(nóng)業(yè)和智慧農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變的關鍵時期，在智慧化農(nóng)業(yè)的發(fā)展過程中，如何實現(xiàn)農(nóng)業(yè)的智能化和生態(tài)化成為農(nóng)業(yè)進一步革新的核心問題之一。我國傳統(tǒng)噴藥主要采用效率比較低的背負式手動噴霧器，背負式手動噴霧器現(xiàn)場作業(yè)如圖1所示。雖然利用手動操作規(guī)程簡單，但需要人力背負沉重的藥箱，勞動強度較高，而且在進行施藥時通過手動控制機械精準抵達果樹待施藥部位的藥量只有噴灑總藥量的15%～20%，剩余絕大多數(shù)的農(nóng)藥散失至四周環(huán)境當中，不僅會造成農(nóng)藥浪費和環(huán)境污染的負面影響，而且不可避免地會使部分農(nóng)藥停留在果實表面，往往得不到及時合理的處理，從而導致施藥效果大大下降。

圖1 背負式手動噴霧器現(xiàn)場作業(yè)

為了解決手動式噴霧機械存在的問題，我國大力發(fā)展智能化作業(yè)，研究出諸多新型的果園精準施藥技術。其中，風送式噴霧機可以在高強度風力的作用下進一步霧化，并利用離心風機送達至所需施藥的部位，該方法不僅可以有效穿透樹葉層，而且施藥高效，在果園施藥等領域得到了大力推廣。李超等[5]依據(jù)現(xiàn)在國內(nèi)大小型葡萄園的生長現(xiàn)狀，研究設計了一種立管風送式噴霧機，立管風送式噴霧機三維裝配圖如圖2所示，并測試了噴霧機施藥成效和農(nóng)藥飄散防治好壞的性能，測試表明該噴霧機噴出的藥液具有較高的附著能力，可減少農(nóng)藥因飄移造成的損失量[6]。

圖2 立管風送式噴霧機三維裝配圖

徐莎等[7]針對傳統(tǒng)噴霧器對于不同高度果樹的施藥現(xiàn)狀，研究了牽引式果園風送噴霧機，工作原理如圖3所示。該噴霧機包括離心風機和導流風箱，導流箱的角度可以進行調(diào)節(jié)，并且離心風機有相反的轉(zhuǎn)向。在進行果園噴藥時，通過調(diào)節(jié)導流箱的角度，以便于調(diào)節(jié)噴頭高度，適合對不同高度的果樹進行噴霧作業(yè)，相反轉(zhuǎn)向的離心風機則進一步保障了噴霧效果的穩(wěn)定性，提高噴霧效率。

圖3 牽引式果園風送噴霧機的工作原理

以上兩種風送式噴霧機主要針對果園施藥設計，但是諸如此類的果園噴霧機有一個缺點：即在一個作業(yè)周期內(nèi)不會停止噴灑農(nóng)藥，即使在果樹的空隙之間也不暫停作業(yè)，并且在自然風的作用下有一定量被霧化的藥液易飄失，仍會有50%左右的農(nóng)藥由于沒有作用在果樹相應位置而造成不必要浪費。解決果園連續(xù)噴藥時農(nóng)藥有效利用率低的有效方法之一是實現(xiàn)對靶施藥，利用自動化技術與噴霧技術進行互補作業(yè)，靶標探測“電子眼”發(fā)現(xiàn)靶標（果樹枝葉）時，噴霧機自動控制系統(tǒng)打開噴霧系統(tǒng)進行對靶噴霧，在沒有果樹枝葉的空當，“電子眼”把信號傳給自動控制系統(tǒng)，將噴霧系統(tǒng)關閉，噴霧機不對外噴霧施藥，該項技術至少可節(jié)省農(nóng)藥50%以上[8]。由于果園自動對靶靜電噴霧機實現(xiàn)自動對靶噴霧是基于紅外傳感探測技術，具有高靈敏度和高診斷效率的優(yōu)勢，可以從一定程度上提高農(nóng)藥的使用程度，從而降低施藥后的農(nóng)藥殘留，提高果實質(zhì)量。果園自動對靶靜電噴霧機的系統(tǒng)體系結構和組成如圖4所示。

圖4 果園自動對靶靜電噴霧機的系統(tǒng)體系結構和組成

2 果園精準施藥存在的問題

2.1 風送式施藥難以實現(xiàn)靶向施藥，造成污染和浪費問題

我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)果園大多采用風送施藥機等較為傳統(tǒng)的植保方式，主要采用人工管理和手動控制技術，人力依賴程度和勞動強度高。傳統(tǒng)的作業(yè)方式雖然在一定程度上提高了工作效率，改善了農(nóng)藥的利用率和噴灑農(nóng)藥的均勻性，但沒有關注到植株對藥量的差異化需求，造成了植保效果不足和藥物浪費等問題。近年來，隨著精準農(nóng)業(yè)概念的提出和電子信息技術的進步，國內(nèi)外的無人機遙感分析技術逐漸得到重視，美國等國家在21世紀初已廣泛將RS、GIS、GPS等技術應用于航空施藥領域。

2.2 當前植保無人機仍有不足，發(fā)展普及受限

果樹的產(chǎn)量和質(zhì)量很大程度上取決于前期對果樹進行的病蟲害管理。目前，果園精準施藥應用較為普遍的植保機械如植保無人機，雖然有更高的施藥效率，但現(xiàn)階段仍存在載重小、限制用藥、噴散效果有限等缺點。同時，植保無人機需要有專業(yè)人員進行操作和維修，盲目操作或拆卸容易影響植保機械的正常使用，并且植保無人機類型眾多，各具針對性，若盲目購買難以發(fā)揮其工作效能，會給果農(nóng)帶來許多不便，影響植保無人機在果園精準施藥領域進一步的普及和應用。

2.3 果園精準施藥技術大多處于理論研究階段，得不到實際應用

到目前為止，許多來自實驗室的研究無法在現(xiàn)實環(huán)境中得到試驗，導致缺少試驗參考數(shù)據(jù)，影響研究人員對設備進一步改進。另外，部分果園精準施藥技術盡管也取得了一定成就，但僅僅局限在理論階段，真正應用到果園實際生產(chǎn)中的技術較少。如靜電噴霧技術，雖然很早就在該領域展開研究，理論也得以證明，然而在實際的果園施藥技術中卻很少被應用，表明我國在果園精準施藥領域理論和實踐仍存在差距，很大程度上制約了果園精準施藥技術的發(fā)展。

3 果園精準施藥技術的發(fā)展趨勢

相對來說，地面植保機在果樹精準施藥方面占有較大的優(yōu)勢，有很大的發(fā)展空間[9]。目前基于多光譜相機的作物模型逐漸成熟，通過人工智能算法對作物病蟲害識別也更加精準，已經(jīng)出現(xiàn)很多可遙控或者可編輯路徑的地面植保機械，其中ROS系統(tǒng)、SLAM和GNSS的發(fā)展與應用也為地面果園的精準管理提供了可能，從而實現(xiàn)果園機械設備的不斷智能化。此外，果園精準施藥技術的提高應適當注意結合智慧農(nóng)機與農(nóng)藝。我國果園地理差異大，種植模式不同，因而果園的株距、行距、密度等千差萬別?，F(xiàn)存的一些果園精準施藥技術不能夠完全與現(xiàn)在的種植模式相適應，限制了機械的作業(yè)效果和潛力。隨著智能化、信息化的興起，雖然國內(nèi)外出現(xiàn)不少類型的操作系統(tǒng)，但是沒有統(tǒng)一的標準，接口互換性較差，為了實現(xiàn)穩(wěn)定操作和提高接口的互換性，要盡快搭建一個公開、開放的統(tǒng)一操作系統(tǒng)平臺，從而在我國建立一個成熟穩(wěn)定與安全的移動端操作平臺，為果園精準施藥技術實現(xiàn)平臺保障。為了進一步開發(fā)果園施藥機械的作業(yè)潛能，提高精準施藥效果，相關部門要建立標準化種植模式，為實現(xiàn)農(nóng)業(yè)智慧、智能和綠色的發(fā)展奠定基礎。通過應用物聯(lián)網(wǎng)等相關現(xiàn)代信息技術實現(xiàn)果樹自動識別、自動定位、自動配藥、精準施藥等一系列無人操作，從而推進精細、高效、綠色和智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展，逐步建成資源節(jié)約型和環(huán)境美好型的果園管理模式。

4 結語

果園精準施藥技術的發(fā)展順應了“十四五”的“實現(xiàn)鞏固拓展脫貧攻堅成果同鄉(xiāng)村振興有效銜接”的目標，是中國果園產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)現(xiàn)代化的基礎之一。近年來，政府加大對果園產(chǎn)業(yè)的補助保障力度，以及各高校和研究所對果園精準施藥技術的不斷研究，果園精準施藥技術必然會迎來高速發(fā)展的階段，使我國果園產(chǎn)業(yè)朝著綠色、經(jīng)濟、智能的方向發(fā)展。