我国大中型植保机械化技术的应用现状与发展

王启增，韩馥泽，陆博远，车 刚

（1.北大荒集团前进农场有限公司，黑龙江 佳木斯 156331；2.黑龙江八一农垦大学，黑龙江 大庆 163319）

随着我国农业科技水平的不断提高，植保作业水平也在稳步提升，但在精准农业方面还需大力发展，就传统喷雾器来讲，效率极低且易农药中毒，损害喷药者的身体。使用大型植保机械进行喷药，一方面使喷药的效率得到了质的提升，另一方面减轻了农民的作业负担，改善了农民作业环境，将会大大降低农药对身体的危害，同时在保护生态环境等方面，也起到了重要的作用，故现在大型植保机械是喷药机械的主力军[1]。由于我国在植保机械技术上还存在短板，大型植保机械虽提高了喷药的速度，但还未能更有效地解决使用率问题，也就是未完全掌握防飘技术。据不完全统计，我国需要喷洒农药的面积约2.4亿公顷，喷洒的化学农药品种高达2 000多种，实验数据显示农药利用率仅为20%～40%[2]，故导致了严重的生态环境问题和人体健康问题。为了深入贯彻落实农业供给侧结构性改革，大力实施农业“三减”行动，推广高效节约先进新技术，避免因正常施药造成土壤环境的恶化，响应农业农村部发布的《到2020年农药使用量零增长行动方案》，实施精准施药势在必行。

1 精准变量喷药技术

精准喷药是智能农机的重要组成部分。如何实时检测农药的流量和精确地进行控制是解决问题的关键，所以变量喷雾技术成为精准喷药技术的一个重要发展方向[3]。变量喷雾技术是通过传感器测量得到拖拉机行驶速度、喷药机压力以及确定靶标对象的位置和数量等信息，将所得到的信息发送到植保机的控制中心得到控制指令，然后调节喷雾装置来改变喷药的流量和浓度，做到按需喷药，提高农药的使用效率。即在高危害分布区域加大施药量，而在低危害分布区域减小施药量，在可变施药量曲线的变化情况的基础上，灵活调整农药的使用情况。使农药的使用量实时变量达到农药标签规定的施药量，一方面有效控制病虫草害，另一方面减少农药使用量，杜绝潜在的作物或非目标植物损伤，减少环境污染，最终提高作物产量。

纵观全球农业，在农药植保问题上，大体上都是向着自动化、一体化、精准、变量、对靶性、高浓度等方向发展。如美国加州大学戴维斯分校研制了基于视觉传感器对成行作物实施精量喷雾的系统。农药精准最终的目的是定时、定量、定点施药。它是建立在自然环境的基础上，运用先进的计算机和传感技术与现代农林生产技术的有机结合，基于实时视觉传感或地图的农药精准施用方法。在施药过程中要进行多个执行单元的相互配合，通过总结目标信息采集、目标识别、施药决策、可变量喷雾执行等主要技术要点，来提高农药的使用率，节省成本，减轻环境污染问题[4]。

2 国内外技术研究现状

自20世纪90年代以来，随着科学技术的快速发展，许多发达国家开始针对变量喷雾技术展开相关领域的研究[5]。尽管我国植保机械的发展比较晚，但近年来我国持续大力发展农业领域，使传统农业机械作业方式向智能化作业方式转变，促进了变量喷雾技术的快速发展。目前，国内外主要有三种可变喷雾控制方式：浓度调节、脉宽调制和可变压力调节。第一种通过改变浓度的方式，可以提高喷药性能，改善喷药质量。但是系统响应时间过长，无法实现实时变量。第二种脉宽调制是通过改变喷嘴电磁阀的占空比和开关频率来调节喷嘴的喷雾流量，在一定范围内调节流量来保持压力恒定，达到了良好动态响应特性。第三种可变压力调节是根据喷雾机实时的行驶速度，通过电动调节阀调节系统压力实现变量式喷雾，结构简单、可靠性好且成本低廉[6]。

2.1 国外技术研究现状

发达国家研制喷雾机起步比较早，各种先进的技术应用广泛且相对比较成熟[7]。著名的农业装备生产厂家均具有自主研发高智能化的植保作业设备的能力，例如挪威的格兰公司、法国的泰克诺玛。Wenfeng等研发了智能对靶喷雾系统，主要由喷药控制器、流量控制阀和控制机械装置组成，其中流量控制阀是整个控制系统的关键部件。系统工作原理是采用CCD照相机，实时对作物的重要信息进行采集，根据作物的播种范围对作物和杂草的位置进行确定和识别，采用离散小波变换算法进行对图像的识别处理。再将处理得到的有用信息通过GPS装置来控制机车的前进速度，最后将以上信息发送给信息控制中心，根据算法来控制喷雾机的喷药量，实现变量喷雾作业。

2.2 国内技术研究现状

变量喷雾是我国实现精准喷雾的一项重要技术，目前在我国的应用仍是起步阶段，还没有在农业生产中大面积推广使用。该技术与精准作业要求仍有一定差距，对于大型喷雾机的研究起步相对较晚，很多关键技术一直被国外封锁[8]。因此我国迫切需要高效、廉价的植保机械，在最大限度上降低农药使用量、提高农药利用率并降低环境污染程度。随着农业现代化的发展，精准喷药已成为未来我国植保机械领域的重要方向[9]。在我国学者的不断创新和研发下，不断突破国外的技术垄断，使我国大中型喷雾机的制造工艺、智能化水平等方面得到显著提升，目前研发的喷雾技术已逐步应用在悬挂式喷雾机械，生产出多种稳定性较优的实用机型。如中农丰茂植保机械有限公司出品的3W系列悬挂式喷杆喷雾机。为了适应宽幅高效植保机械的发展需要，北京德邦大为5007M悬挂式喷杆喷雾机工作幅宽达到20 m，最大药箱容量达到1 200 L，该机械作业效率高且性能稳定。

国内的许多高校和科研院所都在进行喷雾机的基础研究并取得了突出的成果。例如江苏大学设计一种悬挂式风幕喷雾机，优化设计了喷杆结构、气流辅助喷雾系统、液压系统等，该喷雾机能够克服恶劣作业环境，降低成本并提高防治效果。山东农业大学设计了多种作业模式的悬挂式喷雾机，主要增加送风装置，提高喷药的均匀性和附着性，各项作业要求均满足国家标准。王利霞等对装置控制器进行设计与开发，将传感器采集的农作物生长状态和位置信息传入控制器，与处方图分析比较后在控制器内进行仿真和计算，精准实现农作物变量喷雾作业。

3 喷雾机应用技术存在的问题

根据我国作物种植要求，应用自走式、悬挂式、牵引式等多种变量精准喷雾机进行高效作业，对实现作物产量增长具有重要意义，且市场前景广阔[10]。但是国产喷雾机种类繁多，良莠不齐，在应用方面存在许多明显不足之处。例如作业幅宽与液泵流量压力不匹配，作业速度的变化与喷药量的调整不一致等。大型悬挂式喷药机在一个作业行程中，起步阶段、加速阶段和匀速阶段喷药量分布情况不同。由此可见，应用变量喷雾技术和改进传统的植保机械至关重要。喷雾作业速度对雾滴沉积分布情况的影响很大，研究表明：普通喷雾机在作业速度较低时，虽然喷头有防漏滴装置，但是压力恒定条件时，单位面积喷量较大，致使喷雾密度增大，药量过量。一般在小于8 km/h的情况下，出现此类现象。喷雾作业速度过快则导致喷雾药量不合适的问题，如超过10 km/h时，喷药量会出现明显减少的问题。因此，研发以压力调流技术为基础，结合单片机控制技术完成压力传感器、流量传感器、总阀、控制阀、速度传感器等各个部件的集成模块化设计，实现了变量控制喷雾的主要功能，突破了大中型喷雾机始终保持恒定喷雾量的技术难点。

4 结论

国外大中型喷雾机采用机电一体化设计，同时应用了先进的制造技术、微电子技术、全球定位系统以及视觉计算机处理技术，整体作业具有较完善的标准化形式，具有可靠性强、应用方便的特点，降低了农药的损失和浪费，提高了综合利用率。但价格比较昂贵，售后维护的成本较高。国内的喷雾机价格便宜，能够对农作物病虫害的防治起到积极的作用，但是喷药综合使用效率仅为35%左右。大部分农业喷药不能精准地覆盖在作物上，通过径流、渗透、药液飘移等形式进入土壤和河流中，造成环境的严重污染。因此，需要改进喷药作业方式，实施农药的减量与精准作用，提高作业效果，减少对土壤与河流的污染，确保农业生态环境可持续协调发展。实践证明，利用变量喷雾技术实现喷药量精准可控，对提高农业绿色发展、促进农业可持续发展有重要意义。