传统植保喷药机使用现状及变量喷雾技术的应用

张 翔 ， 张 进

（南阳职业学院，河南 南阳 474550）

机械化植保作业已经成为农业增产增收的重要保证，农业植保喷药作业的机械化发展，不仅提高了植保喷药的效率，还为农业生产提供了安全保障。传统的植保喷药机往往存在喷洒不均匀、用药量大等问题，极易影响空气质量、污染环境[1]，且传统喷药机操作障碍问题一直未解决，农户使用非常不方便。农药使用过多不仅会造成药物浪费，还会影响农作物的产量，进而影响到农户的经济收入。变量喷雾技术是基于传统植保喷雾技术改良创新的新型植保技术[2]，不仅节能环保，还能保障食品安全，非常适用于农业生产。

1 传统植保喷药机存在的问题

我国是农业大国，农药施用技术在不断发展，农药种类也非常丰富，基本可以应对农业生产中出现的大部分病虫害。但我国使用的传统喷药机较落后，导致农药的防治功效未完全发挥，与西方发达国家相比，我国的农药利用率非常低，不仅严重影响了农业的发展进度，还对生态环境造成了恶劣影响。

1.1 传统喷药机结构不合理

国家对“三农”问题一直都非常重视，近年来农业生产的经营模式愈加丰富，农业经营面积也不断扩大，土地连接在一起形成连片化。例如东北平原地区的农地，对农药喷雾机械有着更高、更精确的要求[3]。在实际农业生产中，小型农机虽然便捷易操作，但是效率低下，大中型农机很少。很多农户选择小农机进行喷药工作，但是需要在田间地头往返喷洒很多次才能完成，这样不仅效率低，还会出现漏喷或重复喷洒的情况[4]，不利于精准防治病虫害，农业植保效果也会大打折扣。

1.2 传统喷药机技术含量不高

纵观我国目前市场上的农药喷雾机，很多都是结构简单的低端产品，设计缺乏科学性，制作器具时也没有充分考虑药物喷洒的实际情况[5]，缺少合理性研究。因此，在实际使用中，往往会因覆盖面积小、雾化效果不好，导致喷药效果差，部分器具甚至会存在接口处密封性不强的问题，导致农药渗出，影响农作物土壤的“健康”，还会对施药人员的皮肤造成伤害。

1.3 农药喷雾操作不规范

传统农业喷雾作业中，很多都是人工操作，容易受到施药人员主观意识的影响，影响喷雾质量。一方面，农户对防治病虫害缺乏科学系统的学习，根据自己的经验进行喷药，难免存在喷药量不准确的问题；另一方面，农户喷药时的行驶速度及喷药幅度也会对实际效果产生影响[6]。

2 变量喷雾技术原理及相关技术介绍

变量喷雾技术是基于农作物的实际生长情况，通过科学计算来调整喷雾方式和农药喷施的剂量[7-8]，从而实现用最合理的农药喷施剂量取得最佳的防治效果。变量喷雾技术也不断地更新迭代，每一代产品在实施变量喷雾作业的逻辑上都会存在一定的差异，但是万变不离其宗，其组成原理和运行机理还是大同小异。变量喷雾技术主要是借助计算机技术来进行信息收集、逻辑分析以及最终决策[9]，因此，一般会涉及位置、环境等信息的获得，还要对操作员的执行动作进行感知，对喷嘴和泵体进行控制[10]。应用变量喷雾技术过程中，可以通过GPS 定位系统一级传感技术来获取上述相关信息，然后传输到计算机系统中进行分析和处理，再根据农作物区域的实际情况，调整喷药机的喷洒位置和剂量，方便在不同条件下灵活调整喷药作业[11]。

2.1 喷药机介绍

在传统农药喷洒作业中，人们没有对农作物的被害程度进行精确区分，而是将更多注意力放在病虫害对管理工作的影响上。经研究发现，在不同时间和地域的情况下，同一种病虫害对作物造成的伤害并不是完全一致的。传统农药喷洒作业中，大面积的喷洒极易导致局部作物农药喷洒量过度，农药的实际效用只有1/3 左右。农药喷洒过量，不仅会增加农业生产成本，还会增加农作物的农药残留量，危害人体健康。现代农业在科学技术的支撑下，引入了变量喷雾技术，借助自动化技术和大数据技术，提高农药喷洒准确度和效率。变量喷雾技术的应用标志着现代精准农业的进步，在传统农药喷洒机的基础上，采用GPS 定位和扩散控制技术等提高农业机械设备的性能，优点是可以结合病虫害的程度提高农药喷洒的精确度。变量喷雾设备主要由控制器、喷洒机、牵引机械和GPS 定位系统四个部分组成。操作方式如下：通过GPS 定位系统确定病虫害的位置，再根据农作物区域内病虫害的严重程度，调整喷洒机的农药用量，最后通过牵引机械实现自动喷洒，大大提高了农药喷洒的效率，将农药喷洒的负面影响降到最低。

2.2 喷药机技术原理

2.2.1 GPS 定位系统

在执行变量喷雾作业过程中，需要两次定位，通过GPS 定位系统可以获取不同位置的信息。首先，需要通过GPS 系统获取病虫害和杂物的位置信息，再借助专业农作物系统对这些信息进行分析，然后确定不同区域的农药需求量，定制喷洒方案。其次，需要通过GPS 系统确定喷洒机和相关设备的位置，喷洒机中的卫星接收器根据方案中的位置和地图上的对应位置，获取喷洒指令，并同步给变量控制系统，使喷洒机根据农作物病虫害的实际情况执行针对性喷洒。在我国，使用频率最高的精确定位的农业研究技术是北斗技术[12]，通过自主差分定位提高定位精度，完全满足现代化农业生产的要求。

2.2.2 及时获取病虫害信息

获取病虫害的相关信息主要通过实验室分析和现场取样两种方式，当然，要实现这一目的离不开GPS 定位技术。要完成现场取样，必须要在现场安装GPS 系统，分析病虫害的实际情况，然后把定位区域和病虫害的信息录入到计算机系统中，做好病虫害信息的收集归档工作。在处理病虫害信息的过程中离不开地理信息系统，这个系统主要是空间信息数据库，它收录了监测员现场取样的信息，并能根据使用需求进行图形和统计转换，为后续的喷药工作提供依据。

2.2.3 喷雾制度设置

农业支持决策系统是喷雾制度的核心，主要包括历史数据库和专家数据库。该系统会根据地理信息和病虫害信息，从数据库中提取相关数据指标，制定有针对性的喷雾制度，从而有效控制喷雾范围、剂量和时间。这种情况下，若病虫害防治工作效果不理想，还能修改数据库的相关信息。首先，系统会依据机械的地理位置和原喷洒方案中的病虫害信息，确定农药的使用剂量，同时计算出系统在运行过程中消耗的流量；其次，将原数据和流量采集的数据进行比较，计算出准确的调节流量，确定出最适合的可变喷雾方案。

2.2.4 喷雾方案实施

控制信号决定着喷洒方案的实施，它主要是通过喷洒方案分析出的流量控制信号，例如喷洒信号和位置信号，变量喷雾器便可以根据定义好的流量参数执行喷洒指令。此外，雷达系统、压力传感器等会将行驶速度、喷洒压力等参数实时传输到控制系统中，计算机会自动记录喷雾操作的相关参数。最后，通过控制方案，返回信号会控制执行器，从而调整各项参数，实现可变喷雾。

3 变量喷雾技术应用优势

相较于传统喷雾技术而言，变量喷雾技术在农业生产中占据了很大优势，主要体现在以下方面：一方面，操作流程更科学。执行喷雾作业过程中调整路线、速度和剂量都是很常见的，可变喷雾的农业植保机配备了科学的定位和控制系统，对于喷雾过程中存在的漏喷和重喷的情况有很好的改良效果，植保效果更佳，也提高了农药的使用率。变量喷雾让农药作用最大化，主要是通过控制农药喷洒高度、距离和扩散面积。据不完全统计，针对农作物生产条件选择可变喷雾技术，农药使用率可以大幅增高，也能将农药残留量降到最低。多传感器在农业植保作业中的应用，有效改善了硬件器具在使用过程中的堵塞和雾化不良等问题。另一方面，植保机械的结构和质量都得到了改良，减少了因设备故障而罢工的现象，提高了农业生产效率。应用变量喷雾技术之后，农地单位面积的农药使用量会减少，降低了农药喷洒对环境的污染，也很好地改善了机械运行中的泄露现象。

4 变量喷雾技术在农业喷洒中的具体应用

4.1 喷雾目标形貌探测与识别

目前，在许多果蔬和花卉种植中都会用到植物形态检测技术，但都各有差异。在传统植保作业中，喷洒往往采取连续均匀的方法，会在植株、树枝和空地上留下许多农药，导致农药残留和严重的环境破坏。因此，变量喷雾技术衍生出了三态喷雾系统，也就是全喷、中喷和无喷三种形态，主要是基于超声波的智能传感器建立的检测系统，喷嘴前方是空地时便关闭，若识别到前方有灌木丛便开启。

4.2 喷雾目标密度探测与识别

在确定喷洒目标时，最核心的是检测农作物的形态，但若农作物的大小差不多时，农作物的密度也会影响喷洒效果。随着农业植保研究的深入，若只单一考虑形态，农药也无法完全喷洒。基于此，国内外许多农业专家对农作物的密度进行了深入研究，国外发达国家甚至还研发出一种智能传感器，这种传感器是单向接收信号，探测范围是方圆两米内。但是，传感器的探测范围会受到超声波入射角和目标农作物的表面特性的限制。借助超声波的外力，智能传感器可以自行设置灵敏参数，以此抵消目标农作物的特性带来的误差，获取更准确的农作物密度信息。

4.3 喷雾目标病虫害探测与识别

现代农业检测技术主要包括两种，有害生物检测和远程空间检测。航空探测技术和卫星遥感技术也可以收集病虫害的相关信息，但是这些技术成本太高，只适合大规模信息分析，适用场景并不是平常的农业生产作业，不适合实时可变量喷洒。近年来，我国农药喷雾技术大有精进，对农田植保的要求也有所不同，对病虫害检测技术和分析方法的深入研究推动了农业生产的长远发展。在新媒体技术不断发展的背景下，农业检测技术可以通过工业摄像机和光谱仪记录病虫害信息，并通过大数据技术科学分析这些信息，从而鉴定病虫害的类别及其对农作物的危害系数。

4.4 喷雾压力智能调节

喷雾压力调节技术，是通过喷洒压力来控制流量，这种流量控制技术也是最原始的。众所周知，喷雾流量和喷雾液滴的分布范围成正比，与粒径的变化趋势成反比。也就是说，喷雾流量增加，也会增加液滴的动能和速率，只要喷洒剂量小于标准值，能耗均是低于正常值的，可以有效降低能耗。此外，变压喷洒对雾化性能有很大影响，可控制和可调节的范围小，调节原理简单，便于维护，成本较低，可以大规模推广应用。

4.5 喷雾喷头智能调节

传统植保喷雾机的喷嘴内部结构简单，使用方便。但是随着农业生产规模和结构的变化，这种简单的构造无法满足生产需求。基于此，改进完善变量喷雾喷嘴是非常有必要的，变量喷雾喷嘴主要是改变喷水的流量和方向，内部结构相对较复杂。通过水流的压力，加入两个折叠的金属片来达到改变水流的目的；在使用过程中又进行了改良，在喷嘴中加入监控恒流恒芯，研制出一种具有跟踪检测功能的可变喷嘴。

5 结语

随着我国农业的不断发展，各级政府部门对农药的使用管控更加严格，提出农药使用不仅要高效，还要合理。变量喷雾技术很好地满足了农业生产的需要，农药用量适量准确，喷洒技术也更加科学，大大提高了食品安全程度，对生态环境起到了很好的保护作用。变量喷雾技术取代传统植保喷药技术是必然趋势，也是推动我国农业机械化、智能化发展的重要助力，有助于乡村振兴战略的实施。