淺談變量施藥技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

孫 鴻，韓子鑫，王 婧

（吉林省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究院，吉林長春 130022）

0 引言

改革開放以來，伴隨著國內(nèi)農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)水平的快速提高，國家對農(nóng)業(yè)技術(shù)的投資力度逐漸加大，對于發(fā)展高新農(nóng)業(yè)技術(shù)的政策逐步完善，我國農(nóng)業(yè)產(chǎn)值正在逐年攀升。目前我國的農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量居世界首位，但在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，主要以噴施農(nóng)藥作為防治蟲、草、病害的有效方法。就目前國內(nèi)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中所消耗的農(nóng)藥僅有30%左右的有效利用率，這不僅會造成大量農(nóng)藥浪費(fèi)，而且還會對自然資源造成嚴(yán)重的破壞，如果使用不當(dāng)還會造成人員中毒，可見農(nóng)藥的施用技術(shù)是我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化可持續(xù)發(fā)展的重要環(huán)節(jié)。

最為我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化可持續(xù)發(fā)展的重要環(huán)節(jié)，關(guān)于變量施藥技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)植保的熱點(diǎn)，變量施藥技術(shù)先通過對田間蟲、草、病害區(qū)域信息進(jìn)行采集，再通過后臺大數(shù)據(jù)云計算對被蟲、草、病害侵蝕區(qū)域信息進(jìn)行科學(xué)評估，最后通過變量施藥對侵蝕區(qū)域進(jìn)行按需施藥。變量施藥技術(shù)其優(yōu)勢在于有效提高農(nóng)藥利用率的同時最大限度的降低環(huán)境污染，國外對于變量施藥技術(shù)的研究起步較早，不僅積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)而且還得到了廣泛的發(fā)展及應(yīng)用。我國開展農(nóng)業(yè)施藥裝備起步較晚，絕大多數(shù)裝備并不是根據(jù)田間被蟲、草、病害侵蝕程度進(jìn)行變量合理的施藥作業(yè)，而是以落后的粗放式噴藥裝備不差別噴施農(nóng)藥，這種方式是對農(nóng)藥資源的極度浪費(fèi)，農(nóng)作物中的農(nóng)藥殘留極度超標(biāo)，農(nóng)作物質(zhì)量與產(chǎn)量發(fā)展嚴(yán)重失衡，生態(tài)系統(tǒng)遭到嚴(yán)重破壞，環(huán)境污染問題頻發(fā)。

就目前我國變量施藥技術(shù)的實(shí)際情況，需要充分調(diào)動龍頭企業(yè)、高校、科研院所等對于研究農(nóng)業(yè)變量施藥植保技術(shù)的積極性，通過相互合作利用各自領(lǐng)域交叉學(xué)科的優(yōu)勢發(fā)展基于傳感器技術(shù)、遙感技術(shù)、衛(wèi)星導(dǎo)航、5G大數(shù)據(jù)等融合了先進(jìn)科學(xué)技術(shù)的變量施藥技術(shù)與裝備，并得到大力推廣。本文通過簡述變量施藥技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，總結(jié)現(xiàn)有技術(shù)的局限性及需要解決的問題。

1 變量施藥技術(shù)現(xiàn)狀

變量施藥技術(shù)是現(xiàn)階段我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化可持續(xù)發(fā)展的重要環(huán)節(jié)，首先需要獲取田間農(nóng)作物蟲、草、病害被侵蝕的區(qū)域信息，其次需要對變量施藥裝備在田間的位置、運(yùn)行速度、施藥噴頭壓力等信息進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，最后通過大數(shù)據(jù)云計算等現(xiàn)代化技術(shù)對獲取信息進(jìn)行實(shí)時運(yùn)算，制定最佳施藥方案，隨著機(jī)器在田間的行進(jìn)完成按需施藥，既保證了噴施農(nóng)藥的綜合利用率，又在降低環(huán)境污染隱患的同時提升了農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量。

1.1 防漂移技術(shù)

施藥機(jī)器向前運(yùn)行的過程中，由于施藥噴頭的施藥方向與機(jī)器的行走方向相互垂直，施藥噴霧會在空中發(fā)生沉降與漂移，如果施藥機(jī)器運(yùn)行速度過快將會造成70%～80%的農(nóng)藥浪費(fèi)。為了改善傳統(tǒng)施藥噴頭對農(nóng)藥的浪費(fèi)，使用少漂噴頭技術(shù)可以將施藥噴霧在空中由于飄移所造成的農(nóng)藥損失降低30%～65%。少飄噴頭防止藥液飄移原理是在噴霧裝置的噴桿上加裝氣力式防風(fēng)屏障或者機(jī)械式防風(fēng)屏障，加裝防風(fēng)屏障的施藥機(jī)器可使傳統(tǒng)施藥機(jī)械的施藥霧滴減少65%～81%，同時還可以有效提升了農(nóng)藥在作物上的附著量。

1.2 藥液回收技術(shù)

藥液回收技術(shù)是在噴霧裝置的噴桿上加裝藥液回收設(shè)備，空中發(fā)生沉降與漂移的施藥噴霧會經(jīng)藥滴收集槽、藥滴過濾網(wǎng)等裝置輸送回配藥箱，由此循環(huán)被回收的藥滴會再一次由施藥噴頭噴出，這樣不但能有效減少基于藥液飄失所產(chǎn)生的環(huán)境污染，又能在一定程度上有效減小整體農(nóng)藥施用量，很大程度上緩解了農(nóng)藥資源的浪費(fèi)。

1.3 靜電噴霧技術(shù)

靜電噴霧技術(shù)所采用的是在高壓靜電噴頭與農(nóng)作物之間創(chuàng)建一個靜電磁場，當(dāng)農(nóng)藥經(jīng)過高壓靜電噴頭時，會形成群體荷電藥滴，在磁場的作用下，由噴頭噴出的藥滴會向目標(biāo)農(nóng)作物移動，并吸附于目標(biāo)農(nóng)作物表面。該項技術(shù)具有大幅提升農(nóng)藥利用率、提高藥液沉積效率、降低農(nóng)藥漂移損失、降低環(huán)境污染等作用。

1.4 自動對靶技術(shù)

自動對靶技術(shù)的關(guān)鍵在于能夠及時有效的獲取農(nóng)作物蟲、草、病害侵蝕的區(qū)域信息，通過機(jī)械視覺系統(tǒng)對蟲、草、病害侵蝕區(qū)域的癥狀及危害程度信息進(jìn)行識別，通過大數(shù)據(jù)云計算等評估被蟲、草、病害侵蝕區(qū)域的農(nóng)作物特征信息，制定合理的變量施藥方案，通過變量施藥機(jī)械完成自動對靶施藥，從而提高農(nóng)藥在作物上的附著率，同時還能有效降低成本和減少農(nóng)藥對環(huán)境的污染。目前主要有基于地理信息技術(shù)的自動對靶技術(shù)和實(shí)時信息采集的自動對靶技術(shù)，均可有效提高農(nóng)藥在作物上的附著率，減少農(nóng)藥在非目標(biāo)農(nóng)作物的沉降，從而獲得理想的施藥效果，自動對耙技術(shù)的難點(diǎn)是信息的采集、處理的準(zhǔn)確性及系統(tǒng)的整體協(xié)調(diào)性。

1.5 自主行走技術(shù)

由于農(nóng)作物間存在間隙小、有壟溝等阻礙變量施藥裝備在農(nóng)作物間自由移動的問題。自主行走技術(shù)是根據(jù)系統(tǒng)預(yù)設(shè)軌跡或依據(jù)傳感器的信號指令進(jìn)行自主前行、停止及拐彎的技術(shù)。

1.6 植保無人機(jī)

由于生長到中后期的農(nóng)作物普遍植株體型較大，這就給傳統(tǒng)基于地面行駛的施藥機(jī)械帶來極大的局限性。農(nóng)用植保飛機(jī)的出現(xiàn)為解決這一局限性提供了十分理想的途徑，尤其在應(yīng)對具有突發(fā)性質(zhì)的蟲、草、病害時效果拔群，但農(nóng)用植保飛機(jī)并不適用于低空飛行，而且飛行時由于速度過快會對藥液造成較大的飄移，使得施藥效率較低。近些年來，隨著小型無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展，我國利用無人機(jī)對農(nóng)作物施藥的普及量正在與日俱增，無人機(jī)因其具有體積小、操作靈活、適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)越來越受到農(nóng)業(yè)植保的青睞。植保無人機(jī)在空中飛行的施藥過程中由旋翼所產(chǎn)生的氣流會使農(nóng)藥霧滴直接沉積于植物葉片的正反面，極大的提升了藥物的彌散效果，對提高農(nóng)藥利用率、實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。我國現(xiàn)已研發(fā)出多種適合于不同工況下的植保無人機(jī)，農(nóng)戶通過植保無人機(jī)對田地進(jìn)行變量施藥可以有效降低勞動力，提升農(nóng)業(yè)資源利用率。由于植保無人機(jī)是在空中作業(yè)，所以可以完全規(guī)避基于地面作業(yè)的植保機(jī)械對農(nóng)作物的碾壓損害，可以方便快捷且有效的完成農(nóng)作物在各個時期的植保工作。

2 變量施藥存在的主要問題

近些年來，基于蟲、草、病害識別的變量施藥技術(shù)雖然已經(jīng)取得了很多技術(shù)上的突破，但綜合來看還不夠成熟，固還面臨著諸多問題。

1）由于缺乏關(guān)于變量施藥相關(guān)技術(shù)的推廣，農(nóng)民對于變量施藥技術(shù)仍然處于觀望狀態(tài)，認(rèn)為變量施藥機(jī)械的施藥量對比于傳統(tǒng)施藥機(jī)械的施藥量過少，不能有效根治草、病、蟲害對農(nóng)作物的威脅，從而放棄使用變量施藥技術(shù)，仍然采用傳統(tǒng)的施藥方式。

2）變量施藥裝備的研發(fā)仍然處于探測技術(shù)與機(jī)電一體化的集成的初級階段，基于我國國情，農(nóng)業(yè)專用傳感器研發(fā)生產(chǎn)較少，多數(shù)基于農(nóng)業(yè)的傳感器、控制與自動調(diào)節(jié)部件均采用進(jìn)口方式，變量施藥裝備普遍存在裝備市場售價過高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、操作門檻高等問題，變量施藥技術(shù)與產(chǎn)品的研發(fā)水平不能滿足中國智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展的要求。

3）農(nóng)業(yè)識別技術(shù)落后，很難在復(fù)雜環(huán)境下對農(nóng)作物的生長狀態(tài)做出準(zhǔn)確的識別，農(nóng)作物的生長環(huán)境相對復(fù)雜，通常農(nóng)作物周圍會伴有多種雜草與農(nóng)作物的顏色相近的雜草，導(dǎo)致識別時誤判頻發(fā)。關(guān)于農(nóng)作物蟲、草、病害的云數(shù)據(jù)庫并不完善，對于不同地區(qū)、不同生長階段農(nóng)作物特征的提取需要大數(shù)據(jù)的支持，固現(xiàn)有的技術(shù)無論是基于機(jī)器視覺還是光譜檢測，對于準(zhǔn)確識別農(nóng)作物的相似蟲、草、病害還存在著嚴(yán)重的不足。

4）真實(shí)環(huán)境與理論研究仍存在較大差異，以計算方法為核心的控制模型缺乏對不同作物、不同生長環(huán)境條件、同一作物不同生長期等開展深入系統(tǒng)的研究，導(dǎo)致整機(jī)控制程度低，各部分之間協(xié)調(diào)性差、自動化程度低、根據(jù)環(huán)境變化能力弱，各部件工作性能還需優(yōu)化。機(jī)具部件存在工作故障時，系統(tǒng)沒有自動修復(fù)能力，很多時候需要人工輔助。

3 結(jié)語

變量施藥技術(shù)主要先進(jìn)的傳感技術(shù)、電子信息技術(shù)和自動化技術(shù)等的技術(shù)融合，實(shí)現(xiàn)對農(nóng)作物植保的按需噴藥，在保證農(nóng)藥施藥效果的同時有效降低農(nóng)藥的施用量，在提高施藥工作效率的同時，減少因過度施藥而對環(huán)境造成嚴(yán)重的污染。未來應(yīng)加大對農(nóng)業(yè)科研與資金投入力度，加強(qiáng)變量施藥技術(shù)與裝備及部件的研發(fā)、應(yīng)用及推廣。大力開展農(nóng)業(yè)專業(yè)傳感技術(shù)與關(guān)鍵部件的研發(fā)，研發(fā)自主品牌的農(nóng)業(yè)運(yùn)算芯片，未來變量施藥技術(shù)將植保領(lǐng)域推向簡單化、智能化、精準(zhǔn)化的方向。同時也要加大對變量施藥技術(shù)的推廣，切實(shí)的將技術(shù)應(yīng)用到植保領(lǐng)域，提高蟲、草、病害的防治能力，實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物的增產(chǎn)增收。

伴隨我國科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，變量施藥技術(shù)是公共植保和綠色植保的重要組成部分，實(shí)現(xiàn)我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)全程機(jī)械化的重要環(huán)節(jié)。變量施藥技術(shù)為實(shí)現(xiàn)復(fù)雜變量噴灑的施藥作業(yè)提供了技術(shù)基礎(chǔ)，或?qū)⒏纳苽鹘y(tǒng)農(nóng)業(yè)勞動力人口需求過多的現(xiàn)狀，加速推動農(nóng)業(yè)向集約型、精準(zhǔn)型、可持續(xù)型轉(zhuǎn)化，加快推進(jìn)變量施藥技術(shù)與裝備的研發(fā)，對提高農(nóng)作物蟲、草、病害防治能力和促進(jìn)農(nóng)業(yè)高速發(fā)展及農(nóng)民穩(wěn)定增產(chǎn)增收具有重要意義。植保無人機(jī)的潛力不可小覷，應(yīng)在植保無人機(jī)的人機(jī)分離技術(shù)、人藥分離技術(shù)等進(jìn)行深入研究，提高植保無人機(jī)的產(chǎn)品可靠性、工作效率、智能變量施藥的準(zhǔn)確性及現(xiàn)代化智能水平。研發(fā)單位應(yīng)重視變量施藥技術(shù)研發(fā)過程中與新興技術(shù)的集成，盡量簡化裝置結(jié)構(gòu)、降低設(shè)備操作門檻高、控制成本、重視技術(shù)推廣，切實(shí)的將變量施藥技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)植保過程中去。