精準(zhǔn)噴霧技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用及科研要點分析

安 勝

(黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院，哈爾濱 150081)

0 引言

我國是農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)作為第一產(chǎn)業(yè)一直以來為社會提供食物及物質(zhì)資源，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的穩(wěn)定合理開展對于社會發(fā)展意義重大。為降低病蟲害對農(nóng)作物的危害，我國在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用了大量的化學(xué)農(nóng)藥用于病蟲害防治，據(jù)統(tǒng)計，我國平均每年使用的化學(xué)農(nóng)藥可達(dá)130萬～140萬t，為適應(yīng)不同品種農(nóng)作物的植保需求，我國農(nóng)藥廠家研究制造的農(nóng)藥品種也高達(dá)2 100種以上。隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械化生產(chǎn)的廣泛普及，噴霧機(jī)械逐漸成為農(nóng)業(yè)病蟲害防治的重要機(jī)型，其具有高效率植保的能力，能夠快速完成農(nóng)藥噴施工作。在植保效率提升的同時，農(nóng)藥噴施量不合理的問題也愈發(fā)凸顯，農(nóng)藥的過量噴施造成了農(nóng)作物的藥害、食品農(nóng)藥殘留、農(nóng)田環(huán)境污染等問題，不利于人們的健康和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。因此，在現(xiàn)代化機(jī)械噴霧技術(shù)的基礎(chǔ)上，研發(fā)并應(yīng)用更為先進(jìn)的精準(zhǔn)噴霧技術(shù)，在保證病蟲害防治效果的同時，還兼顧節(jié)約農(nóng)藥和環(huán)境保護(hù)的優(yōu)點，是農(nóng)業(yè)噴霧機(jī)械技術(shù)未來發(fā)展的重要方向。

1 植保噴霧作業(yè)需求分析

一直以來，我國在農(nóng)業(yè)病蟲害防治過程中的農(nóng)藥使用量普遍偏高，盡管近年來在國家環(huán)保政策和農(nóng)民對農(nóng)藥使用認(rèn)識提升的促進(jìn)下，我國農(nóng)藥使用量相應(yīng)減少，但總體上講仍處于過量應(yīng)用狀態(tài)。2009—2020年，在機(jī)械化大生產(chǎn)過程中，我國農(nóng)藥的使用總量仍維持在140萬t以上，圖1為2009—2020年中國農(nóng)藥使用量與農(nóng)業(yè)種植業(yè)生產(chǎn)面積的對比，可見農(nóng)藥使用量在2014年以前呈上升趨勢，平均在170萬t左右，在農(nóng)藥使用量零增長的政策要求下，2014年以后農(nóng)藥使用量呈現(xiàn)穩(wěn)步下降趨勢，2020年，我國三大糧食作物農(nóng)藥利用率40.6%，這得益于農(nóng)藥技術(shù)的提升和噴霧設(shè)備的技術(shù)升級。

圖1 2009—2020年我國農(nóng)藥使用量與農(nóng)業(yè)種植業(yè)生產(chǎn)面積對比

在未來的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，對于機(jī)械化植保的要求是：1)確保農(nóng)業(yè)穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)。農(nóng)業(yè)的穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)是農(nóng)業(yè)發(fā)展的前提，農(nóng)藥噴霧必須保證病蟲害防治的有效性，盡量降低農(nóng)作物因病蟲害產(chǎn)生的損失。2)保證農(nóng)藥用量逐步降低。降低農(nóng)藥使用量是國家政策要求，植保噴霧機(jī)械應(yīng)當(dāng)利用精量噴霧技術(shù)來提高農(nóng)藥的作用率，確保利用最少量的農(nóng)藥實現(xiàn)最佳的植保效果。3)噴霧效率進(jìn)一步提升。現(xiàn)階段的藥物噴施主要利用噴桿噴霧的形式實施，噴施過程為保證藥液霧滴的有效附著，通常機(jī)具行駛速度較低，這不利于病蟲害防治的及時性，機(jī)械化植保應(yīng)進(jìn)一步提高作業(yè)效率。4)適用性進(jìn)一步提高。現(xiàn)階段的病蟲害防治噴霧作業(yè)受到自然環(huán)境的影響較大，溫度、風(fēng)力、降雨等氣候變化均會造成噴霧質(zhì)量的降低，未來應(yīng)加強(qiáng)技術(shù)研究提升噴霧過程中抵抗氣候變化的能力[1]。

2 農(nóng)業(yè)噴霧機(jī)械技術(shù)分類

近年來，我國農(nóng)用植保機(jī)械的保有量持續(xù)提升，應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程的機(jī)械產(chǎn)品種類和技術(shù)已經(jīng)趨于豐富，為我國農(nóng)藥減量、科學(xué)植保、食品安全提供了更好的保障。現(xiàn)階段我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中使用的植保機(jī)械主要包括以下幾大類型。

2.1 人力植保機(jī)械

人力植保機(jī)械是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最早的植保機(jī)械類型，多通過人工增壓的方式向藥液箱中注入空氣，使藥液箱中的壓力逐漸增加。該設(shè)備在我國的應(yīng)用起始于20世紀(jì)30年代，后隨著技術(shù)的逐漸提升，很多傳統(tǒng)的人力植保機(jī)械與電驅(qū)動技術(shù)相結(jié)合，形成了更為省力的背負(fù)式電動噴霧機(jī)，但仍需要人工背負(fù)作業(yè)，該作業(yè)方式噴霧人員直接與藥物接觸，不利于操作者的人身健康。近年來，背負(fù)式機(jī)型也實現(xiàn)了近一步突破，部分先進(jìn)產(chǎn)品向著高射程定向噴霧方向進(jìn)步，為不適宜行進(jìn)機(jī)械作業(yè)的地區(qū)提供了更好的病蟲害防護(hù)保障。

2.2 機(jī)械行駛噴施

隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械化的發(fā)展，行進(jìn)式農(nóng)業(yè)機(jī)械逐步替代了傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)半自動化作業(yè)，噴霧機(jī)械也開始采用機(jī)械行駛的形式實施。由于利用發(fā)動機(jī)驅(qū)動底盤行駛不僅節(jié)省了人力資源，而且提升了生產(chǎn)效率。現(xiàn)階段，我國在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中主要以行進(jìn)式噴施設(shè)備為主，包括不同幅寬的噴桿噴霧機(jī)、行進(jìn)式風(fēng)送噴霧機(jī)、行進(jìn)式彌霧機(jī)等設(shè)備。行進(jìn)式機(jī)械能夠更好適應(yīng)現(xiàn)代化大規(guī)模生產(chǎn)的需求，且隨著我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營規(guī)模的進(jìn)一步增加，我國自主研發(fā)的寬幅精量噴霧設(shè)備具有了更好的作業(yè)質(zhì)量和可靠性，且產(chǎn)品體系近一步豐富，其中超大型噴霧設(shè)備的寬幅和作業(yè)效率已達(dá)到國際一線水平[2]。

2.3 遙控噴施

盡管現(xiàn)階段廣泛應(yīng)用了機(jī)械行駛噴施技術(shù)，但在作業(yè)過程中駕駛員仍不可避免地處于高濃度藥物環(huán)境中，仍可能對駕駛?cè)藛T的人身健康造成一定的影響。為近一步改善植保作業(yè)的工作環(huán)境，日本率先于20世紀(jì)80—90年代研發(fā)了遙控植保機(jī)械，我國也于近年來針對遙控植保機(jī)型開展了大量的研究。現(xiàn)階段，我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上已經(jīng)應(yīng)用的遙控植保設(shè)備包括植保無人機(jī)和搖控輪式植保機(jī)械兩類，其中以植保無人機(jī)的應(yīng)用居多。我國自主研發(fā)的植保無人機(jī)能夠在衛(wèi)星定位技術(shù)的支持下，實現(xiàn)不同高度的精量噴施作業(yè)，且利用植保無人機(jī)組成植保作業(yè)服務(wù)隊，能夠?qū)崿F(xiàn)大面積農(nóng)田的同時高效率作業(yè)，且搖控植保的形式保障了操作人員遠(yuǎn)離高濃度農(nóng)藥區(qū)，是更合理的植保作業(yè)實施方式。

2.4 機(jī)械化智能噴施

隨著智慧農(nóng)業(yè)理念的深入和國際農(nóng)機(jī)技術(shù)向無人化發(fā)展，我國也針對植保機(jī)械開展了大量的智能化和無人化研究，從植保作業(yè)的特征來看，為降低藥物噴施對人身健康的影響，無人的智能化作業(yè)是最佳選擇[3]。圖2為我國魯虹農(nóng)科公司自主研發(fā)的智能植保機(jī)器人，其能夠結(jié)合衛(wèi)星定位和遙感等技術(shù)實現(xiàn)自動行駛和變量噴霧。隨著生產(chǎn)理念的不斷進(jìn)步和技術(shù)的進(jìn)一步升級，智能農(nóng)藥噴施設(shè)備將成為未來農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不可或缺的中堅力量。

圖2 魯虹農(nóng)科智能植保機(jī)器人

3 精確噴霧的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 噴頭技術(shù)

現(xiàn)階段，根據(jù)農(nóng)作物病蟲害防治的不同要求，為進(jìn)一步提高不同種類植保機(jī)械的適應(yīng)能力和噴施過程的精確性，國際上所應(yīng)用的噴頭技術(shù)也呈現(xiàn)多樣化發(fā)展趨勢。從我國現(xiàn)階段農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的自主機(jī)型和進(jìn)口機(jī)型來看，按照噴頭噴霧技術(shù)原理大體可分為兩種類型：一是傳統(tǒng)的液力式噴頭，包括扇形噴頭、帶有防飄移功能的扇形噴頭、廣角噴頭、空心錐形噴頭、氣吸型噴頭等；二是離心式噴頭，包括轉(zhuǎn)盤式離心噴頭、轉(zhuǎn)籠式離心噴頭。相對于國際先進(jìn)的噴藥機(jī)設(shè)備，我國自主生產(chǎn)的機(jī)型在噴頭合理化利用方面仍存在明顯不足，同時尖端的噴頭技術(shù)仍掌握在發(fā)達(dá)國家手中，要進(jìn)一步提升噴藥機(jī)的作業(yè)精確性還需要加強(qiáng)自主噴頭技術(shù)的研究[4]。

3.2 變量噴霧技術(shù)

變量噴霧技術(shù)利用田間已經(jīng)測得的病蟲害量或根據(jù)遙感實時監(jiān)測病蟲害數(shù)據(jù)，有針對性地開展農(nóng)藥噴施的作業(yè)方式(圖3)，其特點是能夠根據(jù)病蟲害的嚴(yán)重程度實現(xiàn)自動增減，噴藥量的調(diào)節(jié)方式包括藥物濃度調(diào)整、噴施壓力調(diào)整、噴施流量調(diào)整等，變量噴霧技術(shù)能夠有效節(jié)省農(nóng)藥，預(yù)防農(nóng)作物病害和環(huán)境污染。

圖3 變量噴霧技術(shù)流程

3.3 靜電噴霧法

靜電噴霧法是利用電池或發(fā)電設(shè)備使藥液帶有一定的電荷，在被高壓噴頭霧化噴出后，帶有電荷的霧滴能夠利用靜電吸附作用自行吸附到農(nóng)作物表面，有效降低農(nóng)藥的飄散量，實現(xiàn)農(nóng)藥的最大化利用。靜電噴霧法是未來農(nóng)業(yè)病蟲害藥物精量噴施的研究方向之一。

3.4 霧滴回收技術(shù)

霧滴回收技術(shù)是將噴施出去的無效霧滴進(jìn)行回收再利用的新技術(shù)，對于大田大面積噴施過程中農(nóng)藥的精確定向應(yīng)用提供了新的思路，該技術(shù)不強(qiáng)調(diào)噴施過程中的對靶性，而是通過將被吸附到農(nóng)作物表面的霧滴重新回收利用來提高農(nóng)藥在農(nóng)作物病蟲害防治中的應(yīng)用率，同時有效減少霧滴飄散造成的環(huán)境污染問題[5]。

4 精量噴霧技術(shù)的科研要點

4.1 功能集成化

精量噴霧機(jī)械技術(shù)的近一步發(fā)展應(yīng)重視操作過程的減化，盡可能將傳統(tǒng)的農(nóng)藥添加、農(nóng)藥混配、剩余藥液回收等功能與現(xiàn)階段的定量噴藥技術(shù)相結(jié)合，進(jìn)一步提高精量噴霧機(jī)駕駛過程中的便捷性，為無人駕駛和噴藥功能拓展創(chuàng)造有利條件。

4.2 智能化

將智能控制技術(shù)更好地應(yīng)用于精量噴霧機(jī)械設(shè)備中，利用控制技術(shù)實現(xiàn)噴霧機(jī)的自動行駛、噴霧量自動調(diào)整、噴霧高度自動修正，田間障礙物的自動規(guī)避等功能。同時將噴霧機(jī)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、視覺識別技術(shù)相整合，實現(xiàn)農(nóng)田信息的實時獲取，并根據(jù)農(nóng)田病蟲害數(shù)據(jù)和預(yù)設(shè)的作業(yè)方案完成精確定量的區(qū)域化藥物噴施。

4.3 產(chǎn)品多樣化

我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境復(fù)雜，要求噴霧機(jī)產(chǎn)品系列寬泛，且不同機(jī)型的適用范圍應(yīng)能覆蓋我國不同農(nóng)業(yè)生產(chǎn)地區(qū)的使用需求，在技術(shù)發(fā)展的過程中，不能單純注重大型先進(jìn)設(shè)備的精量化升級，還應(yīng)同時兼顧小型噴霧機(jī)的研發(fā)與先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用，確保我國大規(guī)模農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與丘陵山地等地形不良的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)均有適宜的噴霧機(jī)產(chǎn)品可以選擇。

5 結(jié)語

綜上所述，病蟲害防治的噴霧作業(yè)做為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的必要農(nóng)藝步驟，其機(jī)械化發(fā)展過程具有明顯的自身特點，既需要考慮病蟲害防治的有效性，還需要兼顧食品安全、人身健康與環(huán)境保護(hù)。因此，精量噴霧技術(shù)的應(yīng)用符合植保機(jī)械合理化發(fā)展的趨勢，我國農(nóng)機(jī)生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)重視精量噴霧技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用，確保自主噴霧及設(shè)備實現(xiàn)品質(zhì)提升。