農(nóng)藥精準(zhǔn)施用技術(shù)與裝備研究現(xiàn)狀及展望*

王果，張曉，陳曉，劉德江，龔艷

(農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所,南京市,210014)

0 引言

我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó),也是農(nóng)藥使用量大國(guó),目前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中使用的農(nóng)藥達(dá)200多種,可滿(mǎn)足大多數(shù)病蟲(chóng)害防治需求。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示,“十三五”期間,我國(guó)農(nóng)藥年均使用量27.03萬(wàn)噸,比“十二五”期間下降了9.84%。2020年,水稻、小麥、玉米三大主糧的農(nóng)藥有效利用率達(dá)到40.6%,比“十二五”末期提升了4個(gè)百分點(diǎn),水稻、小麥、玉米的農(nóng)藥利用率分別達(dá)到41.10%、40.16%、40.75%,平均植保貢獻(xiàn)率分別為16.42%、15.53%、8.56%[1-2],盡管數(shù)據(jù)表明我國(guó)的農(nóng)藥利用率已有顯著提升,但仍然明顯落后于美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家。我國(guó)植保機(jī)械和農(nóng)藥使用技術(shù)狀況嚴(yán)重滯后于農(nóng)藥生產(chǎn)技術(shù)的高速發(fā)展,影響病蟲(chóng)草害的防治效果,導(dǎo)致大量農(nóng)藥的浪費(fèi)與環(huán)境污染等嚴(yán)重問(wèn)題[3-4]。

目前我國(guó)傳統(tǒng)的植保機(jī)械裝備仍主要采用大容量、大霧滴的噴霧需求設(shè)計(jì),造成農(nóng)藥過(guò)量不合理使用,導(dǎo)致嚴(yán)峻的環(huán)境壓力和農(nóng)產(chǎn)品農(nóng)藥殘留超標(biāo)問(wèn)題。近年來(lái),隨著信息技術(shù)和人工智能的發(fā)展,國(guó)家提出精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)概念,精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是將傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與信息技術(shù)結(jié)合,實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)智能化管理的一套現(xiàn)代農(nóng)業(yè)經(jīng)營(yíng)系統(tǒng)。農(nóng)藥的精準(zhǔn)施用是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)重要的一部分,其主要目標(biāo)是為減少農(nóng)藥使用量、提高農(nóng)藥使用效率、實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)裝備精準(zhǔn)作業(yè)[5]。其中,農(nóng)藥變量噴霧技術(shù)、霧滴飄移防控技術(shù)和在線(xiàn)混藥技術(shù)是農(nóng)藥精準(zhǔn)施用的三大主要技術(shù),在結(jié)合現(xiàn)代信息技術(shù)和人工智能的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)農(nóng)藥的精準(zhǔn)施用,提高施藥裝備工作效率和農(nóng)藥利用率、降低農(nóng)藥使用量,對(duì)提升我國(guó)植保機(jī)械裝備在國(guó)際上的競(jìng)爭(zhēng)力,促進(jìn)植保機(jī)械行業(yè)創(chuàng)新有著重大意義。

本文針對(duì)農(nóng)藥精準(zhǔn)施用中的變量噴霧技術(shù)、霧滴飄移防控技術(shù)、在線(xiàn)混藥技術(shù)等方面展開(kāi)論述,分析了國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者在這幾方面的研究現(xiàn)狀及裝備的應(yīng)用情況,指出了當(dāng)前國(guó)內(nèi)研究存在的問(wèn)題,并對(duì)未來(lái)的應(yīng)用提出展望建議。

1 變量噴霧技術(shù)研究現(xiàn)狀

農(nóng)藥的變量噴霧技術(shù)是實(shí)現(xiàn)農(nóng)藥精準(zhǔn)施用的重要環(huán)節(jié),通過(guò)采集靶標(biāo)作物的病蟲(chóng)害嚴(yán)重程度、作物冠層形貌和密度等數(shù)據(jù)信息,并結(jié)合作業(yè)機(jī)具的位置、速度、噴霧壓力等作業(yè)參數(shù)信息,對(duì)靶標(biāo)作物進(jìn)行按需噴藥的一種施藥技術(shù)[6]。變量噴霧整個(gè)作業(yè)過(guò)程包括識(shí)別檢測(cè),形成施藥決策、執(zhí)行施藥決策,是國(guó)內(nèi)外公認(rèn)的實(shí)現(xiàn)農(nóng)藥減施增效的技術(shù),可有效降低環(huán)境污染,減少農(nóng)藥殘留,提高農(nóng)藥使用效率,已成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)[7]。變量噴霧常用關(guān)鍵技術(shù)主要有脈寬調(diào)制、激光雷達(dá)探測(cè)、視覺(jué)輔助以及相關(guān)技術(shù)的整合運(yùn)用。

PWM(Pulse-Width Modulation)全稱(chēng)脈沖寬度調(diào)制,通過(guò)調(diào)節(jié)輸出直流電壓的脈沖寬度,獲得電壓波形,使用高分辨率計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù),當(dāng)計(jì)數(shù)器值小于比較寄存器(CCR)值,輸出低電平;當(dāng)計(jì)數(shù)器值大于比較寄存器值,輸出高電平,在一個(gè)脈沖周期內(nèi),高電平時(shí)間所占的比值稱(chēng)為占空比。

西北農(nóng)林科技大學(xué)齊闖[8]基于脈寬調(diào)制(PWM)的變量控制方法,設(shè)計(jì)單個(gè)噴嘴獨(dú)立控制的變量施藥控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)以下位機(jī)ARDUINO-UNO作為控制器,以弱電控制強(qiáng)電為基本原則,在電磁閥與電源的通路之間添加繼電器模塊,通過(guò)控制繼電器的使能信號(hào)實(shí)現(xiàn)電磁閥開(kāi)斷,編寫(xiě)程序控制使能信號(hào)的高頻率轉(zhuǎn)換間接實(shí)現(xiàn)電磁閥周期性通斷,利用通斷頻率的精確控制,從而實(shí)現(xiàn)同一周期內(nèi)噴嘴輸出流量不同,達(dá)到變量噴霧需求。將設(shè)計(jì)的變量噴霧系統(tǒng)在噴霧檢測(cè)平臺(tái)[9]上進(jìn)行施藥模擬試驗(yàn),分別以DC5V和DC12V輸出電源給控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)板和電磁閥供電,設(shè)置0、40%、60%、100%四個(gè)占空比變量級(jí)別。試驗(yàn)結(jié)果顯示,100%級(jí)別施藥量為246.46 mL,60%級(jí)別施藥量為215.94 mL,40%級(jí)別施藥量為160.94 mL,施藥量有明顯變化趨勢(shì),基本滿(mǎn)足變量施藥需求。

中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)喬白羽等[10]為提高甘蔗等高莖稈作物的機(jī)械化病蟲(chóng)害防治水平,研制一套基于LiDAR三維掃描和PWM技術(shù)的高地隙寬幅噴霧機(jī)變量施藥系統(tǒng)。該系統(tǒng)關(guān)鍵部件由激光雷達(dá)、PWM變量發(fā)生模塊、PWM變量調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行模塊、電磁閥、壓力傳感器、流量傳感器、液壓馬達(dá)組成。作業(yè)時(shí),首先使用三維LiDAR對(duì)高莖稈作物冠層進(jìn)行掃描,獲取其三維信息和植株高度等特征參數(shù),建立植株高度與施藥量之間的數(shù)學(xué)模型,隨后根據(jù)植株高度變化,PWM變量控制器按照給定的占空比產(chǎn)生相應(yīng)的PWM波用于控制電磁閥驅(qū)動(dòng)器進(jìn)而控制電磁閥的開(kāi)關(guān)動(dòng)作,改變各段對(duì)應(yīng)噴桿的噴頭流量,實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)噴霧量,實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)變量施藥。該變量施藥系統(tǒng)在甘蔗地塊進(jìn)行的試驗(yàn)表明,激光雷達(dá)識(shí)別作物株高平均誤差4.59%,最大誤差8.42%,最小誤差0.17%;變量施藥對(duì)比常量施藥,用藥量降幅為28.5%,具有明顯的農(nóng)藥減施效果。

歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家研究團(tuán)隊(duì)及企業(yè)從20世紀(jì)90年代起就開(kāi)展了農(nóng)藥精準(zhǔn)噴施技術(shù)的系統(tǒng)性研究與應(yīng)用,其研發(fā)生產(chǎn)的精準(zhǔn)植保機(jī)械裝備已有部分商品化產(chǎn)品供應(yīng)市場(chǎng)。

2007年,美國(guó)的Tumbo[11]將變量控制器與地面驅(qū)動(dòng)電動(dòng)離合器(GDEC)、脈寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)電機(jī)(PWMM)兩套驅(qū)動(dòng)裝備相耦合,量化了響應(yīng)時(shí)間和速率傳輸距離、測(cè)定兩套驅(qū)動(dòng)裝備的合適延時(shí)時(shí)間,進(jìn)行變量噴霧控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性測(cè)試。其試驗(yàn)結(jié)果表明,在對(duì)地速度為7 km/h,不設(shè)置延時(shí)的條件下,GDEC和PWMM的平均中點(diǎn)響應(yīng)距離為1.8 m、3.6 m;當(dāng)GDEC的延時(shí)時(shí)間分別提高和降低1 s時(shí),對(duì)應(yīng)的平均中點(diǎn)響應(yīng)距離分別降低0.06 m、增加0.04 m;PWMM的最佳延時(shí)時(shí)間則分別為提高1 s和降低2 s。由于研制的樣機(jī)無(wú)法同時(shí)兼容兩種不同延時(shí)時(shí)間,因此試驗(yàn)將延時(shí)時(shí)間提高和降低設(shè)置為2 s,該研究團(tuán)隊(duì)提出在運(yùn)用變量控制器進(jìn)行變量噴霧時(shí),應(yīng)預(yù)留一定的延時(shí)緩沖區(qū)。

2002年,美國(guó)的Tian[12]研發(fā)設(shè)計(jì)了一套基于視覺(jué)傳感器的智能精準(zhǔn)除草施藥系統(tǒng)。該施藥系統(tǒng)集成了實(shí)時(shí)圖像感知系統(tǒng)和獨(dú)立的噴頭控制裝置,通過(guò)攝像頭獲取雜草生長(zhǎng)密度和形態(tài),并將圖像信息發(fā)送至計(jì)算機(jī),生成處方圖,實(shí)時(shí)控制各噴頭的噴霧量,實(shí)現(xiàn)變量噴霧目的。田間試驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)機(jī)具行進(jìn)速度在3.2～14 km/h區(qū)間時(shí),圖像識(shí)別裝置對(duì)田間雜草的識(shí)別精確度達(dá)到91%,運(yùn)用該實(shí)時(shí)傳感器進(jìn)行精準(zhǔn)施藥后,在普通田間條件下,除草劑的潛在使用量可節(jié)約51%～71%,可極大降低農(nóng)藥的使用量。

綜上可以看出,發(fā)達(dá)國(guó)家在變量噴霧技術(shù)研究方面較早地運(yùn)用PWM技術(shù)、視覺(jué)識(shí)別技術(shù)進(jìn)行了裝備研制,產(chǎn)學(xué)研體系更為完善,相關(guān)產(chǎn)品已有較為成熟的市場(chǎng)化運(yùn)用,并經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證取得了良好的運(yùn)用效果;我國(guó)在變量噴霧領(lǐng)域研究起步較晚,目前研究工作主要以高校等科研機(jī)構(gòu)為主導(dǎo),取得了一定的研究成果,但與國(guó)外研究相比,研究成果尚停留在實(shí)驗(yàn)室階段,產(chǎn)品市場(chǎng)化程度不足,尚未得到規(guī)模化運(yùn)用。

2 霧滴飄移防控技術(shù)研究現(xiàn)狀

飄移是指農(nóng)藥?kù)F滴在到達(dá)靶標(biāo)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中因氣流影響而向非預(yù)定目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象,霧滴飄移一般存在飛行飄移及蒸發(fā)飄移兩種主要方式[13],影響霧滴飄移的因素主要有藥液自身特性,霧滴粒徑、噴霧高度、噴霧壓力等施藥參數(shù),溫濕度、風(fēng)速等氣象因素。已有研究資料表明,影響霧滴飄移和沉降的關(guān)鍵性因素為霧滴粒徑[14-15]。目前國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者在霧滴飄移防控裝備上開(kāi)展了大量研究工作,并已取得顯著研究成果。

黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)胡軍等[16-17]基于錐形風(fēng)場(chǎng)防飄機(jī)理,設(shè)計(jì)了一種錐形風(fēng)場(chǎng)式防飄移裝置,并以錐形風(fēng)風(fēng)速、側(cè)風(fēng)風(fēng)速、噴霧壓力為試驗(yàn)因素,進(jìn)行了三因素三水平的霧滴飄移沉積影響驗(yàn)證試驗(yàn)。結(jié)果表明,三種因素對(duì)霧滴沉積特性的影響從大到小依次為：錐形風(fēng)風(fēng)速、側(cè)風(fēng)風(fēng)速、噴霧壓力;側(cè)風(fēng)風(fēng)速為2 m/s時(shí),在錐形風(fēng)作用下,霧滴覆蓋率、沉積密度、沉積量分別較無(wú)錐形風(fēng)相比提高了21.9%、26.7%、22.6%,錐形風(fēng)場(chǎng)可有效提高霧滴的沉降效果;通過(guò)響應(yīng)面優(yōu)化分析,結(jié)果表明,當(dāng)錐形風(fēng)風(fēng)速為16.53 m/s、側(cè)風(fēng)風(fēng)速為2 m/s、噴霧壓力為0.34 MPa時(shí),霧滴沉積量達(dá)到最佳值,為3.14 μL/cm2;當(dāng)側(cè)風(fēng)風(fēng)速大于2 m/s時(shí),降低噴霧壓力、增大錐形風(fēng)速可有效抑制霧滴飄移,從而保證較高的沉積量。

中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)王俊等[18]探討了雙圓弧罩蓋的防飄移機(jī)理,并對(duì)其防飄移效果進(jìn)行了量化研究。該團(tuán)隊(duì)運(yùn)用CFD仿真技術(shù)模擬了雙圓弧罩蓋內(nèi)部及周?chē)膰婌F速度場(chǎng)和霧滴運(yùn)動(dòng)軌跡,仿真結(jié)果顯示,雙圓弧罩蓋的內(nèi)外圓弧形成的導(dǎo)風(fēng)道下方產(chǎn)生了高速下降氣流和低速水平氣流,并削弱了后方的渦流強(qiáng)度,在其內(nèi)外形成垂直向下的速度場(chǎng),從而防止了霧滴橫向飄移,增加了霧滴沉積量;研究了罩蓋內(nèi)部噴嘴安裝參數(shù)、噴嘴類(lèi)型及風(fēng)速對(duì)飄移率的影響,正交試驗(yàn)和回歸分析結(jié)果表明,噴嘴安裝位置和安裝角度與飄移率相關(guān)系數(shù)達(dá)0.974,呈現(xiàn)高度相關(guān)性,噴嘴型號(hào)和風(fēng)速與飄移率相關(guān)系數(shù)為0.981,同樣表現(xiàn)為高度相關(guān)性。

山東農(nóng)業(yè)大學(xué)梁昭等[19-20]基于霧滴飄移沉積雙峰分布模型和蒙特卡洛預(yù)測(cè),設(shè)計(jì)了可實(shí)現(xiàn)短距離風(fēng)速糾正的智能風(fēng)幕防飄移試驗(yàn)系統(tǒng)。該試驗(yàn)系統(tǒng)主要由防飄風(fēng)幕、類(lèi)拉瓦爾導(dǎo)流板、三軸移動(dòng)噴頭組成。風(fēng)幕吹出的氣流垂直向下,可加快霧滴的沉降速度,抑制飄移;類(lèi)拉瓦爾導(dǎo)流板可形成拉瓦爾效應(yīng)氣流通道,起到阻擋并糾正側(cè)向風(fēng)作用;三軸移動(dòng)噴頭置于風(fēng)幕前方,實(shí)現(xiàn)三自由度移動(dòng),通過(guò)風(fēng)速預(yù)測(cè)和模糊控制算法,調(diào)控噴頭與風(fēng)幕的不同距離。該團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了防飄試驗(yàn)系統(tǒng)的室內(nèi)試驗(yàn),結(jié)果表明,類(lèi)拉瓦爾導(dǎo)流板使霧滴沉降區(qū)域內(nèi)的風(fēng)向糾正為正向橫風(fēng),增加目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的霧滴沉積量,與防飄效果最佳的常規(guī)固定風(fēng)幕系統(tǒng)相比,沉積效果提升了29.53%;對(duì)于靜電噴霧的荷電霧滴,飄移沉積的雙峰沉積比相對(duì)于效果最佳的常規(guī)風(fēng)幕降低了33.18%,沉積尾長(zhǎng)降低了20.45%;與無(wú)風(fēng)速預(yù)測(cè)的風(fēng)幕系統(tǒng)相比,該風(fēng)幕防飄系統(tǒng)的霧滴飄移沉積的雙峰沉積比下降28.07%,沉積尾長(zhǎng)縮短28.4 cm;模糊控制算法使飄移雙峰沉積比下降8.8%,沉積尾長(zhǎng)降低34.6%。

歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家研究學(xué)者高度關(guān)注霧滴飄移引起的環(huán)境污染和農(nóng)產(chǎn)品安全等問(wèn)題,較早開(kāi)展了針對(duì)霧滴飄移問(wèn)題的探索和研究。針對(duì)霧滴飄移控制部件,國(guó)外的噴霧部件生產(chǎn)企業(yè)研制了各種防飄移噴頭,典型的防飄移效果較好的有德國(guó)的AI系列氣吸式噴頭、AD系列防飄移噴頭,美國(guó)的XRC系列延長(zhǎng)扇形噴頭、AIXR系列氣吸型噴頭。

2019年西班牙的Eduard等[21-22]首次針對(duì)果園風(fēng)送式噴霧機(jī)上標(biāo)準(zhǔn)空心錐噴頭和防飄空心錐噴頭,進(jìn)行了基于激光雷達(dá)探測(cè)(LiDAR)技術(shù)的潛在防飄(DPR)特性評(píng)估測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果表明,標(biāo)準(zhǔn)空心錐噴頭和防飄空心錐噴頭的DPR值介于88.6%～93.6%之間,具有良好的防飄移效果,且將相位多普勒粒度儀(PDPA)獲得的粒徑參數(shù)V100與LiDAR信號(hào)關(guān)聯(lián),實(shí)現(xiàn)LiDAR自動(dòng)對(duì)飄移霧滴的觀測(cè);該團(tuán)隊(duì)針對(duì)上述兩種空心錐噴頭進(jìn)行了桃園噴霧的防飄移效果檢測(cè)試驗(yàn)。田間試驗(yàn)結(jié)果顯示,激光探測(cè)雷達(dá)測(cè)得的DPR值為56.7%,運(yùn)用LiDAR技術(shù)可實(shí)時(shí)快速反饋田間噴霧作業(yè)霧滴的飄移狀況,客觀定量地評(píng)估噴頭的潛在防飄移特性。

希臘的Bourodimos等[23]于2019年在原有的TOPPS-Prowadis飄移評(píng)估模型基礎(chǔ)上,通過(guò)預(yù)設(shè)溫濕度、風(fēng)速、風(fēng)向等氣象參數(shù)的范圍,開(kāi)發(fā)了一套適用于葡萄園的噴霧飄移風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估預(yù)測(cè)模型。該風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)模型將霧滴飄移分為低中高三個(gè)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí),田間噴霧試驗(yàn)結(jié)果表明,在機(jī)具作業(yè)時(shí),該模型可根據(jù)所預(yù)設(shè)的氣象參數(shù)范圍,結(jié)合實(shí)時(shí)環(huán)境氣象參數(shù)值,準(zhǔn)確做出潛在飄移風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的預(yù)判;此外,用戶(hù)可根據(jù)果園所在地氣象參數(shù)經(jīng)驗(yàn)值,可對(duì)劃分飄移風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的氣候參數(shù)范圍進(jìn)行調(diào)整,根據(jù)模型做出的“低風(fēng)險(xiǎn)”預(yù)判,合理規(guī)劃施藥作業(yè),避開(kāi)霧滴飄移“高風(fēng)險(xiǎn)”的氣象參數(shù)和時(shí)間,降低霧滴飄移產(chǎn)生的環(huán)境污染和人身安全風(fēng)險(xiǎn)。

國(guó)內(nèi)外團(tuán)隊(duì)在霧滴飄移防控領(lǐng)域研究現(xiàn)狀表明,一方面可在施藥時(shí)選用具備防飄特性的噴頭從藥液霧化環(huán)節(jié)解決飄移問(wèn)題,降低霧滴潛在飄移概率;另一方面,在常規(guī)噴霧裝備上增設(shè)特殊防飄移裝置,通過(guò)增加輔助氣流或改變霧滴運(yùn)動(dòng)軌跡的方式,來(lái)削弱自然風(fēng)對(duì)霧滴在向靶標(biāo)傳遞過(guò)程中的影響,從而達(dá)到防飄目的;此外,國(guó)外學(xué)者從氣象因素對(duì)飄移的影響角度進(jìn)行飄移風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè),具有較高的實(shí)用意義,在作業(yè)前進(jìn)行預(yù)判,可最大程度規(guī)避飄移風(fēng)險(xiǎn)。

3 在線(xiàn)混藥技術(shù)研究現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的植保機(jī)械中,藥劑、助劑、水的混合方式采用的是預(yù)混式,即預(yù)先將藥劑、助劑、水按照一定配比方案進(jìn)行混合,再加入機(jī)具藥箱。預(yù)混式混藥存在較多弊端,首先容易形成藥劑和水混合不勻的現(xiàn)象;而且混藥操作時(shí),作業(yè)人員與農(nóng)藥直接接觸,帶來(lái)嚴(yán)重健康安全風(fēng)險(xiǎn);另外,藥液預(yù)先按照配藥濃度配制,無(wú)法實(shí)時(shí)調(diào)控藥液濃度,且作業(yè)結(jié)束后藥箱內(nèi)殘余藥液的處理也存在較大風(fēng)險(xiǎn)。在線(xiàn)混藥采用藥箱和水箱分開(kāi)設(shè)置的方式,實(shí)現(xiàn)藥、水獨(dú)立存放,作業(yè)時(shí)根據(jù)所需配比濃度,實(shí)時(shí)在線(xiàn)混合,達(dá)到藥液標(biāo)準(zhǔn)化、精準(zhǔn)化施用,降低環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)和人身安全隱患。

華南農(nóng)業(yè)大學(xué)楊洲等[24-26]在線(xiàn)混藥和靜電噴霧技術(shù),研制了一種果園在線(xiàn)混藥型靜電噴霧機(jī),設(shè)計(jì)了在線(xiàn)混藥系統(tǒng),并進(jìn)行了在線(xiàn)混藥均勻性與穩(wěn)定性試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明,在線(xiàn)混藥均勻性和穩(wěn)定性最大變異系數(shù)分別為4.46%、3.51%,具有良好的混藥性能。

南京林業(yè)大學(xué)徐幼林等[27-28]設(shè)計(jì)了一種旋動(dòng)式射流混藥器,并進(jìn)行混藥器流場(chǎng)數(shù)值模擬,并基于像素變異系數(shù)α和均勻性指數(shù)β的均勻性評(píng)價(jià)指標(biāo),進(jìn)行了混合脂溶性農(nóng)藥的變工況在線(xiàn)混藥試驗(yàn),評(píng)價(jià)該混藥器混合均勻性。試驗(yàn)表明,混合比一定條件下,流量越大,混合均勻性越高;在流量為2 400 mL/min時(shí),不同的混合比均能得到最佳均勻性;流量介于2 000～2 400 mL/min之間時(shí),可以完成不同混合比條件下藥與水的均勻混合;流量介于800～2 000 mL/min時(shí),可完成較高混合比條件下的藥水均勻混合;流量低于800 mL/min時(shí),基本無(wú)法完成各種混合比的藥水均勻混合。

國(guó)外對(duì)在線(xiàn)混藥的研究起步時(shí)間早于國(guó)內(nèi),早在1970年就提出了農(nóng)藥在線(xiàn)混藥的概念,20世紀(jì)90年代初,研制了基于壓縮空氣的農(nóng)藥直接注入系統(tǒng),由操作者根據(jù)機(jī)具行進(jìn)速度調(diào)節(jié)水箱和藥箱空氣壓力,實(shí)現(xiàn)藥液的在線(xiàn)混合。近年來(lái),隨著CFD仿真技術(shù)的發(fā)展與運(yùn)用,國(guó)外研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了多種新型在線(xiàn)混藥裝置,并通過(guò)仿真與試驗(yàn),驗(yàn)證了混藥效果。

伊朗的Hosseini等[29]基于CFD仿真技術(shù),研究了兩種混溶液體在新型翼片式靜態(tài)混藥器中的流動(dòng)和混合形態(tài),以壓降比、變異系數(shù)、外延效率來(lái)評(píng)價(jià)能耗、混合均勻度、分散混合性能,并與另外三種靜態(tài)混藥器(Kenics、Komax、SMX)進(jìn)行混藥效果對(duì)比。仿真與試驗(yàn)表明,新型翼片式混藥器的壓降比在相同條件下比SMX混藥器低45%;混藥效率和延伸效率高于另外三種混藥器,混合均勻度變異系數(shù)低于另外三種混藥器,該新型混藥器較其他混藥器有更佳的混藥效果。

印度的Saravanan等[30]開(kāi)展了針對(duì)圓柱形藥箱的射流混藥器混合過(guò)程流體動(dòng)力學(xué)仿真分析,并基于噴嘴直徑、噴射位置、射流速度等參數(shù),來(lái)研究評(píng)價(jià)對(duì)混藥效果的影響。仿真及試驗(yàn)結(jié)果表明,射流混藥器在同一幾何排列下,射流噴嘴直徑對(duì)藥液混合效果起到較大影響作用,該團(tuán)隊(duì)的研究結(jié)果為射流混藥的設(shè)計(jì)制造提供了流體動(dòng)力學(xué)方面的理論依據(jù)。

在線(xiàn)混藥技術(shù)提供了一種更安全、環(huán)保、精準(zhǔn)的農(nóng)藥施用方案,而混藥器的設(shè)計(jì)和優(yōu)化決定了藥液混合質(zhì)量和噴灑質(zhì)量,國(guó)外研究團(tuán)隊(duì)主要針對(duì)新型混藥器進(jìn)行了設(shè)計(jì)和優(yōu)化工作,提升了藥劑混合均勻度、穩(wěn)定性等參數(shù)指標(biāo);相較于起步較早的國(guó)外團(tuán)隊(duì),我國(guó)研究團(tuán)隊(duì)在混藥器設(shè)計(jì)、在線(xiàn)混藥裝備性能評(píng)估方面取得了一定進(jìn)展,得到了較好的藥液穩(wěn)定性和均勻性,并通過(guò)新型混藥器試驗(yàn)驗(yàn)證了不同流量對(duì)混藥均勻性的影響差異。

4 存在問(wèn)題

以變量噴霧、霧滴飄移防控和在線(xiàn)混藥為主的農(nóng)藥精準(zhǔn)施用技術(shù)可有效降低傳統(tǒng)施藥方式帶來(lái)的環(huán)境污染、農(nóng)殘超標(biāo)、人身危害等一系列作業(yè)風(fēng)險(xiǎn),促進(jìn)農(nóng)藥高效、安全、精準(zhǔn)施用,但由于我國(guó)農(nóng)藥精準(zhǔn)施用的概念提出較晚,傳統(tǒng)施藥裝備保有量大,且農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式地域性差異顯著,使得國(guó)內(nèi)在農(nóng)藥精準(zhǔn)施用方面與發(fā)達(dá)國(guó)家存在明顯差距,主要表現(xiàn)在以下方面。

1) 專(zhuān)用傳感器的技術(shù)自主化程度較低。精準(zhǔn)施藥裝備專(zhuān)用傳感器產(chǎn)品研發(fā)生產(chǎn)較少,目前主要以進(jìn)口國(guó)外產(chǎn)品為主,傳感器關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)投入不夠。

2) 精準(zhǔn)施藥裝備輕簡(jiǎn)化程度不夠。當(dāng)前現(xiàn)有的農(nóng)藥精準(zhǔn)施用裝備處于技術(shù)探究階段,裝備結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,操作較繁瑣,機(jī)具作業(yè)精度和作業(yè)質(zhì)量有待進(jìn)一步提高。

3) 精準(zhǔn)施藥技術(shù)與農(nóng)藥劑型、作物種植模式、氣象條件的結(jié)合研究尚不足。當(dāng)前對(duì)于精準(zhǔn)施藥裝備的研究處于技術(shù)集成階段,研究側(cè)重于提升裝備的適用性及智能化程度,對(duì)實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中農(nóng)藥劑型、特定作物種植模式及作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)氣候條件的影響尚缺乏系統(tǒng)性的關(guān)注及研究。

5 展望

隨著對(duì)農(nóng)業(yè)環(huán)境要求和農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全需求的不斷提升,農(nóng)藥精準(zhǔn)施用技術(shù)已受?chē)?guó)內(nèi)外高校、植保裝備生產(chǎn)制造企業(yè)的廣泛關(guān)注,成為研究熱點(diǎn)。本文結(jié)合前述的研究現(xiàn)狀,并針對(duì)上述存在問(wèn)題,對(duì)我國(guó)精準(zhǔn)施藥裝備的發(fā)展提出以下幾點(diǎn)展望。

1) 加大基礎(chǔ)研究的投入。針對(duì)傳感器技術(shù)、控制理論技術(shù)等基礎(chǔ)理論,加大研究投入力度。開(kāi)展農(nóng)藥精準(zhǔn)施藥專(zhuān)用關(guān)鍵部件、傳感技術(shù)的研發(fā)及精準(zhǔn)施藥算法研究,研制專(zhuān)用控制系統(tǒng)模塊,提升關(guān)鍵技術(shù)和部件的國(guó)產(chǎn)化水平,加大應(yīng)用及推廣。

2) 推動(dòng)裝備輕簡(jiǎn)化、模塊化發(fā)展。農(nóng)作物不同種類(lèi)、不同種植模式、不同生長(zhǎng)期所適用的施藥裝備有較大差異性,制定實(shí)施相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),根據(jù)植保施藥裝備的分類(lèi),開(kāi)發(fā)研制標(biāo)準(zhǔn)化、通用化的精準(zhǔn)施藥控制模塊,配置通用數(shù)據(jù)傳輸接口,實(shí)現(xiàn)在同一類(lèi)型施藥裝備上的通用性和互換性,降低研發(fā)生產(chǎn)成本。

3) 促進(jìn)多學(xué)科融合交叉。病蟲(chóng)害防治涉及了農(nóng)機(jī)、農(nóng)藝栽培種植、農(nóng)藥等不同學(xué)科領(lǐng)域的交叉融合,精準(zhǔn)施藥裝備應(yīng)充分結(jié)合農(nóng)藝要求、農(nóng)藥劑型特性及作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)氣象條件,進(jìn)行作業(yè)決策。對(duì)于采用復(fù)合種植、套種模式的作物,需提高霧滴飄移監(jiān)測(cè)的靈敏度和準(zhǔn)確度;對(duì)于不同劑型的農(nóng)藥在線(xiàn)混藥裝備,需提高流量監(jiān)測(cè)和管路堵塞等故障報(bào)警的響應(yīng)速度,提升作業(yè)過(guò)程中的故障響應(yīng)反饋效率,提高作業(yè)精度與質(zhì)量。