果園精準(zhǔn)施藥技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)分析

姜業(yè)元，曹佃龍，高 磊，徐曉雪，趙 靜

（山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，山東 淄博 255000）

果園常年多次噴施農(nóng)藥對(duì)施藥機(jī)械作業(yè)水平要求較高，而我國(guó)應(yīng)用于果園施藥的裝備相對(duì)落后，很多地區(qū)仍然使用低端噴霧機(jī)械。當(dāng)前，對(duì)果園采取的施藥措施是以果園作物每一處的病、蟲(chóng)、草害為條件，噴灑一致的藥量，無(wú)法精準(zhǔn)施藥。果園精準(zhǔn)施藥是根據(jù)果樹(shù)病、蟲(chóng)、草害情況進(jìn)行針對(duì)性的農(nóng)藥噴施，可減少藥物浪費(fèi)，提高利用率，降低農(nóng)藥殘留量，削弱因農(nóng)藥過(guò)度使用帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題，提高果實(shí)品質(zhì)，提高果樹(shù)產(chǎn)量。

1 果園精準(zhǔn)施藥技術(shù)的現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外果園精準(zhǔn)施藥技術(shù)的現(xiàn)狀

果園進(jìn)行霧化施藥過(guò)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(fēng)力較大的情況下，因飄移造成的農(nóng)藥浪費(fèi)可達(dá)施藥量的70%～80%[1]。針對(duì)這一問(wèn)題，國(guó)外普遍采用防飄噴頭來(lái)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(fēng)屏，防風(fēng)屏有氣力式和機(jī)械式兩種，可輔助阻擋霧滴飄移和沉降，試驗(yàn)表明，使用防風(fēng)屏可以有效降低因作業(yè)時(shí)周圍環(huán)境的風(fēng)力帶來(lái)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(lái)，隨著科技的發(fā)展，一種新型的精準(zhǔn)施藥技術(shù)被研發(fā)出來(lái)，該技術(shù)主要利用靜電噴霧以達(dá)到精準(zhǔn)施藥的目的。在噴頭與果樹(shù)待施藥部位之間利用高壓靜電形成一個(gè)靜電場(chǎng)，同時(shí)，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(chǎng)力的作用，帶有電荷的霧滴做定向運(yùn)動(dòng)，達(dá)到對(duì)果樹(shù)精準(zhǔn)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(lái)實(shí)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(shí)，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(duì)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(jī)和背負(fù)式噴霧噴粉機(jī)上，該噴頭可以使噴霧損失較常規(guī)噴霧技術(shù)減少65%以上[4]。

1.2 國(guó)內(nèi)果園精準(zhǔn)施藥的現(xiàn)狀

目前我國(guó)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(guān)鍵時(shí)期，在智慧化農(nóng)業(yè)的發(fā)展過(guò)程中，如何實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的智能化和生態(tài)化成為農(nóng)業(yè)進(jìn)一步革新的核心問(wèn)題之一。我國(guó)傳統(tǒng)噴藥主要采用效率比較低的背負(fù)式手動(dòng)噴霧器，背負(fù)式手動(dòng)噴霧器現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)如圖1所示。雖然利用手動(dòng)操作規(guī)程簡(jiǎn)單，但需要人力背負(fù)沉重的藥箱，勞動(dòng)強(qiáng)度較高，而且在進(jìn)行施藥時(shí)通過(guò)手動(dòng)控制機(jī)械精準(zhǔn)抵達(dá)果樹(shù)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(dāng)中，不僅會(huì)造成農(nóng)藥浪費(fèi)和環(huán)境污染的負(fù)面影響，而且不可避免地會(huì)使部分農(nóng)藥停留在果實(shí)表面，往往得不到及時(shí)合理的處理，從而導(dǎo)致施藥效果大大下降。

圖1 背負(fù)式手動(dòng)噴霧器現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)

為了解決手動(dòng)式噴霧機(jī)械存在的問(wèn)題，我國(guó)大力發(fā)展智能化作業(yè)，研究出諸多新型的果園精準(zhǔn)施藥技術(shù)。其中，風(fēng)送式噴霧機(jī)可以在高強(qiáng)度風(fēng)力的作用下進(jìn)一步霧化，并利用離心風(fēng)機(jī)送達(dá)至所需施藥的部位，該方法不僅可以有效穿透樹(shù)葉層，而且施藥高效，在果園施藥等領(lǐng)域得到了大力推廣。李超等[5]依據(jù)現(xiàn)在國(guó)內(nèi)大小型葡萄園的生長(zhǎng)現(xiàn)狀，研究設(shè)計(jì)了一種立管風(fēng)送式噴霧機(jī)，立管風(fēng)送式噴霧機(jī)三維裝配圖如圖2所示，并測(cè)試了噴霧機(jī)施藥成效和農(nóng)藥飄散防治好壞的性能，測(cè)試表明該噴霧機(jī)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(fēng)送式噴霧機(jī)三維裝配圖

徐莎等[7]針對(duì)傳統(tǒng)噴霧器對(duì)于不同高度果樹(shù)的施藥現(xiàn)狀，研究了牽引式果園風(fēng)送噴霧機(jī)，工作原理如圖3所示。該噴霧機(jī)包括離心風(fēng)機(jī)和導(dǎo)流風(fēng)箱，導(dǎo)流箱的角度可以進(jìn)行調(diào)節(jié)，并且離心風(fēng)機(jī)有相反的轉(zhuǎn)向。在進(jìn)行果園噴藥時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)導(dǎo)流箱的角度，以便于調(diào)節(jié)噴頭高度，適合對(duì)不同高度的果樹(shù)進(jìn)行噴霧作業(yè)，相反轉(zhuǎn)向的離心風(fēng)機(jī)則進(jìn)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(fēng)送噴霧機(jī)的工作原理

以上兩種風(fēng)送式噴霧機(jī)主要針對(duì)果園施藥設(shè)計(jì)，但是諸如此類的果園噴霧機(jī)有一個(gè)缺點(diǎn)：即在一個(gè)作業(yè)周期內(nèi)不會(huì)停止噴灑農(nóng)藥，即使在果樹(shù)的空隙之間也不暫停作業(yè)，并且在自然風(fēng)的作用下有一定量被霧化的藥液易飄失，仍會(huì)有50%左右的農(nóng)藥由于沒(méi)有作用在果樹(shù)相應(yīng)位置而造成不必要浪費(fèi)。解決果園連續(xù)噴藥時(shí)農(nóng)藥有效利用率低的有效方法之一是實(shí)現(xiàn)對(duì)靶施藥，利用自動(dòng)化技術(shù)與噴霧技術(shù)進(jìn)行互補(bǔ)作業(yè)，靶標(biāo)探測(cè)“電子眼”發(fā)現(xiàn)靶標(biāo)（果樹(shù)枝葉）時(shí)，噴霧機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)打開(kāi)噴霧系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)靶噴霧，在沒(méi)有果樹(shù)枝葉的空當(dāng)，“電子眼”把信號(hào)傳給自動(dòng)控制系統(tǒng)，將噴霧系統(tǒng)關(guān)閉，噴霧機(jī)不對(duì)外噴霧施藥，該項(xiàng)技術(shù)至少可節(jié)省農(nóng)藥50%以上[8]。由于果園自動(dòng)對(duì)靶靜電噴霧機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)靶噴霧是基于紅外傳感探測(cè)技術(shù)，具有高靈敏度和高診斷效率的優(yōu)勢(shì)，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(shí)質(zhì)量。果園自動(dòng)對(duì)靶靜電噴霧機(jī)的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)和組成如圖4所示。

圖4 果園自動(dòng)對(duì)靶靜電噴霧機(jī)的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)和組成

2 果園精準(zhǔn)施藥存在的問(wèn)題

2.1 風(fēng)送式施藥難以實(shí)現(xiàn)靶向施藥，造成污染和浪費(fèi)問(wèn)題

我國(guó)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)果園大多采用風(fēng)送施藥機(jī)等較為傳統(tǒng)的植保方式，主要采用人工管理和手動(dòng)控制技術(shù)，人力依賴程度和勞動(dòng)強(qiáng)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(méi)有關(guān)注到植株對(duì)藥量的差異化需求，造成了植保效果不足和藥物浪費(fèi)等問(wèn)題。近年來(lái)，隨著精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)概念的提出和電子信息技術(shù)的進(jìn)步，國(guó)內(nèi)外的無(wú)人機(jī)遙感分析技術(shù)逐漸得到重視，美國(guó)等國(guó)家在21世紀(jì)初已廣泛將RS、GIS、GPS等技術(shù)應(yīng)用于航空施藥領(lǐng)域。

2.2 當(dāng)前植保無(wú)人機(jī)仍有不足，發(fā)展普及受限

果樹(shù)的產(chǎn)量和質(zhì)量很大程度上取決于前期對(duì)果樹(shù)進(jìn)行的病蟲(chóng)害管理。目前，果園精準(zhǔn)施藥應(yīng)用較為普遍的植保機(jī)械如植保無(wú)人機(jī)，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(diǎn)。同時(shí)，植保無(wú)人機(jī)需要有專業(yè)人員進(jìn)行操作和維修，盲目操作或拆卸容易影響植保機(jī)械的正常使用，并且植保無(wú)人機(jī)類型眾多，各具針對(duì)性，若盲目購(gòu)買難以發(fā)揮其工作效能，會(huì)給果農(nóng)帶來(lái)許多不便，影響植保無(wú)人機(jī)在果園精準(zhǔn)施藥領(lǐng)域進(jìn)一步的普及和應(yīng)用。

2.3 果園精準(zhǔn)施藥技術(shù)大多處于理論研究階段，得不到實(shí)際應(yīng)用

到目前為止，許多來(lái)自實(shí)驗(yàn)室的研究無(wú)法在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中得到試驗(yàn)，導(dǎo)致缺少試驗(yàn)參考數(shù)據(jù)，影響研究人員對(duì)設(shè)備進(jìn)一步改進(jìn)。另外，部分果園精準(zhǔn)施藥技術(shù)盡管也取得了一定成就，但僅僅局限在理論階段，真正應(yīng)用到果園實(shí)際生產(chǎn)中的技術(shù)較少。如靜電噴霧技術(shù)，雖然很早就在該領(lǐng)域展開(kāi)研究，理論也得以證明，然而在實(shí)際的果園施藥技術(shù)中卻很少被應(yīng)用，表明我國(guó)在果園精準(zhǔn)施藥領(lǐng)域理論和實(shí)踐仍存在差距，很大程度上制約了果園精準(zhǔn)施藥技術(shù)的發(fā)展。

3 果園精準(zhǔn)施藥技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

相對(duì)來(lái)說(shuō)，地面植保機(jī)在果樹(shù)精準(zhǔn)施藥方面占有較大的優(yōu)勢(shì)，有很大的發(fā)展空間[9]。目前基于多光譜相機(jī)的作物模型逐漸成熟，通過(guò)人工智能算法對(duì)作物病蟲(chóng)害識(shí)別也更加精準(zhǔn)，已經(jīng)出現(xiàn)很多可遙控或者可編輯路徑的地面植保機(jī)械，其中ROS系統(tǒng)、SLAM和GNSS的發(fā)展與應(yīng)用也為地面果園的精準(zhǔn)管理提供了可能，從而實(shí)現(xiàn)果園機(jī)械設(shè)備的不斷智能化。此外，果園精準(zhǔn)施藥技術(shù)的提高應(yīng)適當(dāng)注意結(jié)合智慧農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝。我國(guó)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(wàn)別?，F(xiàn)存的一些果園精準(zhǔn)施藥技術(shù)不能夠完全與現(xiàn)在的種植模式相適應(yīng)，限制了機(jī)械的作業(yè)效果和潛力。隨著智能化、信息化的興起，雖然國(guó)內(nèi)外出現(xiàn)不少類型的操作系統(tǒng)，但是沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，接口互換性較差，為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定操作和提高接口的互換性，要盡快搭建一個(gè)公開(kāi)、開(kāi)放的統(tǒng)一操作系統(tǒng)平臺(tái)，從而在我國(guó)建立一個(gè)成熟穩(wěn)定與安全的移動(dòng)端操作平臺(tái)，為果園精準(zhǔn)施藥技術(shù)實(shí)現(xiàn)平臺(tái)保障。為了進(jìn)一步開(kāi)發(fā)果園施藥機(jī)械的作業(yè)潛能，提高精準(zhǔn)施藥效果，相關(guān)部門要建立標(biāo)準(zhǔn)化種植模式，為實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)智慧、智能和綠色的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。通過(guò)應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)等相關(guān)現(xiàn)代信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)果樹(shù)自動(dòng)識(shí)別、自動(dòng)定位、自動(dòng)配藥、精準(zhǔn)施藥等一系列無(wú)人操作，從而推進(jìn)精細(xì)、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(jié)語(yǔ)

果園精準(zhǔn)施藥技術(shù)的發(fā)展順應(yīng)了“十四五”的“實(shí)現(xiàn)鞏固拓展脫貧攻堅(jiān)成果同鄉(xiāng)村振興有效銜接”的目標(biāo)，是中國(guó)果園產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化的基礎(chǔ)之一。近年來(lái)，政府加大對(duì)果園產(chǎn)業(yè)的補(bǔ)助保障力度，以及各高校和研究所對(duì)果園精準(zhǔn)施藥技術(shù)的不斷研究，果園精準(zhǔn)施藥技術(shù)必然會(huì)迎來(lái)高速發(fā)展的階段，使我國(guó)果園產(chǎn)業(yè)朝著綠色、經(jīng)濟(jì)、智能的方向發(fā)展。