我國大中型植保機械化技術的應用現狀與發展

王啟增，韓馥澤，陸博遠，車 剛

（1.北大荒集團前進農場有限公司，黑龍江 佳木斯 156331；2.黑龍江八一農墾大學，黑龍江 大慶 163319）

隨著我國農業科技水平的不斷提高，植保作業水平也在穩步提升，但在精準農業方面還需大力發展，就傳統噴霧器來講，效率極低且易農藥中毒，損害噴藥者的身體。使用大型植保機械進行噴藥，一方面使噴藥的效率得到了質的提升，另一方面減輕了農民的作業負擔，改善了農民作業環境，將會大大降低農藥對身體的危害，同時在保護生態環境等方面，也起到了重要的作用，故現在大型植保機械是噴藥機械的主力軍[1]。由于我國在植保機械技術上還存在短板，大型植保機械雖提高了噴藥的速度，但還未能更有效地解決使用率問題，也就是未完全掌握防飄技術。據不完全統計，我國需要噴灑農藥的面積約2.4億公頃，噴灑的化學農藥品種高達2 000多種，實驗數據顯示農藥利用率僅為20%～40%[2]，故導致了嚴重的生態環境問題和人體健康問題。為了深入貫徹落實農業供給側結構性改革，大力實施農業“三減”行動，推廣高效節約先進新技術，避免因正常施藥造成土壤環境的惡化，響應農業農村部發布的《到2020年農藥使用量零增長行動方案》，實施精準施藥勢在必行。

1 精準變量噴藥技術

精準噴藥是智能農機的重要組成部分。如何實時檢測農藥的流量和精確地進行控制是解決問題的關鍵，所以變量噴霧技術成為精準噴藥技術的一個重要發展方向[3]。變量噴霧技術是通過傳感器測量得到拖拉機行駛速度、噴藥機壓力以及確定靶標對象的位置和數量等信息，將所得到的信息發送到植保機的控制中心得到控制指令，然后調節噴霧裝置來改變噴藥的流量和濃度，做到按需噴藥，提高農藥的使用效率。即在高危害分布區域加大施藥量，而在低危害分布區域減小施藥量，在可變施藥量曲線的變化情況的基礎上，靈活調整農藥的使用情況。使農藥的使用量實時變量達到農藥標簽規定的施藥量，一方面有效控制病蟲草害，另一方面減少農藥使用量，杜絕潛在的作物或非目標植物損傷，減少環境污染，最終提高作物產量。

縱觀全球農業，在農藥植保問題上，大體上都是向著自動化、一體化、精準、變量、對靶性、高濃度等方向發展。如美國加州大學戴維斯分校研制了基于視覺傳感器對成行作物實施精量噴霧的系統。農藥精準最終的目的是定時、定量、定點施藥。它是建立在自然環境的基礎上，運用先進的計算機和傳感技術與現代農林生產技術的有機結合，基于實時視覺傳感或地圖的農藥精準施用方法。在施藥過程中要進行多個執行單元的相互配合，通過總結目標信息采集、目標識別、施藥決策、可變量噴霧執行等主要技術要點，來提高農藥的使用率，節省成本，減輕環境污染問題[4]。

2 國內外技術研究現狀

自20世紀90年代以來，隨著科學技術的快速發展，許多發達國家開始針對變量噴霧技術展開相關領域的研究[5]。盡管我國植保機械的發展比較晚，但近年來我國持續大力發展農業領域，使傳統農業機械作業方式向智能化作業方式轉變，促進了變量噴霧技術的快速發展。目前，國內外主要有三種可變噴霧控制方式：濃度調節、脈寬調制和可變壓力調節。第一種通過改變濃度的方式，可以提高噴藥性能，改善噴藥質量。但是系統響應時間過長，無法實現實時變量。第二種脈寬調制是通過改變噴嘴電磁閥的占空比和開關頻率來調節噴嘴的噴霧流量，在一定范圍內調節流量來保持壓力恒定，達到了良好動態響應特性。第三種可變壓力調節是根據噴霧機實時的行駛速度，通過電動調節閥調節系統壓力實現變量式噴霧，結構簡單、可靠性好且成本低廉[6]。

2.1 國外技術研究現狀

發達國家研制噴霧機起步比較早，各種先進的技術應用廣泛且相對比較成熟[7]。著名的農業裝備生產廠家均具有自主研發高智能化的植保作業設備的能力，例如挪威的格蘭公司、法國的泰克諾瑪。Wenfeng等研發了智能對靶噴霧系統，主要由噴藥控制器、流量控制閥和控制機械裝置組成，其中流量控制閥是整個控制系統的關鍵部件。系統工作原理是采用CCD照相機，實時對作物的重要信息進行采集，根據作物的播種范圍對作物和雜草的位置進行確定和識別，采用離散小波變換算法進行對圖像的識別處理。再將處理得到的有用信息通過GPS裝置來控制機車的前進速度，最后將以上信息發送給信息控制中心，根據算法來控制噴霧機的噴藥量，實現變量噴霧作業。

2.2 國內技術研究現狀

變量噴霧是我國實現精準噴霧的一項重要技術，目前在我國的應用仍是起步階段，還沒有在農業生產中大面積推廣使用。該技術與精準作業要求仍有一定差距，對于大型噴霧機的研究起步相對較晚，很多關鍵技術一直被國外封鎖[8]。因此我國迫切需要高效、廉價的植保機械，在最大限度上降低農藥使用量、提高農藥利用率并降低環境污染程度。隨著農業現代化的發展，精準噴藥已成為未來我國植保機械領域的重要方向[9]。在我國學者的不斷創新和研發下，不斷突破國外的技術壟斷，使我國大中型噴霧機的制造工藝、智能化水平等方面得到顯著提升，目前研發的噴霧技術已逐步應用在懸掛式噴霧機械，生產出多種穩定性較優的實用機型。如中農豐茂植保機械有限公司出品的3W系列懸掛式噴桿噴霧機。為了適應寬幅高效植保機械的發展需要，北京德邦大為5007M懸掛式噴桿噴霧機工作幅寬達到20 m，最大藥箱容量達到1 200 L，該機械作業效率高且性能穩定。

國內的許多高校和科研院所都在進行噴霧機的基礎研究并取得了突出的成果。例如江蘇大學設計一種懸掛式風幕噴霧機，優化設計了噴桿結構、氣流輔助噴霧系統、液壓系統等，該噴霧機能夠克服惡劣作業環境，降低成本并提高防治效果。山東農業大學設計了多種作業模式的懸掛式噴霧機，主要增加送風裝置，提高噴藥的均勻性和附著性，各項作業要求均滿足國家標準。王利霞等對裝置控制器進行設計與開發，將傳感器采集的農作物生長狀態和位置信息傳入控制器，與處方圖分析比較后在控制器內進行仿真和計算，精準實現農作物變量噴霧作業。

3 噴霧機應用技術存在的問題

根據我國作物種植要求，應用自走式、懸掛式、牽引式等多種變量精準噴霧機進行高效作業，對實現作物產量增長具有重要意義，且市場前景廣闊[10]。但是國產噴霧機種類繁多，良莠不齊，在應用方面存在許多明顯不足之處。例如作業幅寬與液泵流量壓力不匹配，作業速度的變化與噴藥量的調整不一致等。大型懸掛式噴藥機在一個作業行程中，起步階段、加速階段和勻速階段噴藥量分布情況不同。由此可見，應用變量噴霧技術和改進傳統的植保機械至關重要。噴霧作業速度對霧滴沉積分布情況的影響很大，研究表明：普通噴霧機在作業速度較低時，雖然噴頭有防漏滴裝置，但是壓力恒定條件時，單位面積噴量較大，致使噴霧密度增大，藥量過量。一般在小于8 km/h的情況下，出現此類現象。噴霧作業速度過快則導致噴霧藥量不合適的問題，如超過10 km/h時，噴藥量會出現明顯減少的問題。因此，研發以壓力調流技術為基礎，結合單片機控制技術完成壓力傳感器、流量傳感器、總閥、控制閥、速度傳感器等各個部件的集成模塊化設計，實現了變量控制噴霧的主要功能，突破了大中型噴霧機始終保持恒定噴霧量的技術難點。

4 結論

國外大中型噴霧機采用機電一體化設計，同時應用了先進的制造技術、微電子技術、全球定位系統以及視覺計算機處理技術，整體作業具有較完善的標準化形式，具有可靠性強、應用方便的特點，降低了農藥的損失和浪費，提高了綜合利用率。但價格比較昂貴，售后維護的成本較高。國內的噴霧機價格便宜，能夠對農作物病蟲害的防治起到積極的作用，但是噴藥綜合使用效率僅為35%左右。大部分農業噴藥不能精準地覆蓋在作物上，通過徑流、滲透、藥液飄移等形式進入土壤和河流中，造成環境的嚴重污染。因此，需要改進噴藥作業方式，實施農藥的減量與精準作用，提高作業效果，減少對土壤與河流的污染，確保農業生態環境可持續協調發展。實踐證明，利用變量噴霧技術實現噴藥量精準可控，對提高農業綠色發展、促進農業可持續發展有重要意義。