农药精准施用技术与装备研究现状及展望*

王果，张晓，陈晓，刘德江，龚艳

(农业农村部南京农业机械化研究所,南京市,210014)

0 引言

我国是一个农业大国,也是农药使用量大国,目前农业生产中使用的农药达200多种,可满足大多数病虫害防治需求。统计数据显示,“十三五”期间,我国农药年均使用量27.03万吨,比“十二五”期间下降了9.84%。2020年,水稻、小麦、玉米三大主粮的农药有效利用率达到40.6%,比“十二五”末期提升了4个百分点,水稻、小麦、玉米的农药利用率分别达到41.10%、40.16%、40.75%,平均植保贡献率分别为16.42%、15.53%、8.56%[1-2],尽管数据表明我国的农药利用率已有显著提升,但仍然明显落后于美国、日本等发达国家。我国植保机械和农药使用技术状况严重滞后于农药生产技术的高速发展,影响病虫草害的防治效果,导致大量农药的浪费与环境污染等严重问题[3-4]。

目前我国传统的植保机械装备仍主要采用大容量、大雾滴的喷雾需求设计,造成农药过量不合理使用,导致严峻的环境压力和农产品农药残留超标问题。近年来,随着信息技术和人工智能的发展,国家提出精准农业概念,精准农业是将传统农业生产与信息技术结合,实现农业智能化管理的一套现代农业经营系统。农药的精准施用是精准农业重要的一部分,其主要目标是为减少农药使用量、提高农药使用效率、实现农机装备精准作业[5]。其中,农药变量喷雾技术、雾滴飘移防控技术和在线混药技术是农药精准施用的三大主要技术,在结合现代信息技术和人工智能的基础上,实现农药的精准施用,提高施药装备工作效率和农药利用率、降低农药使用量,对提升我国植保机械装备在国际上的竞争力,促进植保机械行业创新有着重大意义。

本文针对农药精准施用中的变量喷雾技术、雾滴飘移防控技术、在线混药技术等方面展开论述,分析了国内外研究学者在这几方面的研究现状及装备的应用情况,指出了当前国内研究存在的问题,并对未来的应用提出展望建议。

1 变量喷雾技术研究现状

农药的变量喷雾技术是实现农药精准施用的重要环节,通过采集靶标作物的病虫害严重程度、作物冠层形貌和密度等数据信息,并结合作业机具的位置、速度、喷雾压力等作业参数信息,对靶标作物进行按需喷药的一种施药技术[6]。变量喷雾整个作业过程包括识别检测,形成施药决策、执行施药决策,是国内外公认的实现农药减施增效的技术,可有效降低环境污染,减少农药残留,提高农药使用效率,已成为国内外学者的研究热点[7]。变量喷雾常用关键技术主要有脉宽调制、激光雷达探测、视觉辅助以及相关技术的整合运用。

PWM(Pulse-Width Modulation)全称脉冲宽度调制,通过调节输出直流电压的脉冲宽度,获得电压波形,使用高分辨率计数器进行计数,当计数器值小于比较寄存器(CCR)值,输出低电平;当计数器值大于比较寄存器值,输出高电平,在一个脉冲周期内,高电平时间所占的比值称为占空比。

西北农林科技大学齐闯[8]基于脉宽调制(PWM)的变量控制方法,设计单个喷嘴独立控制的变量施药控制系统。控制系统以下位机ARDUINO-UNO作为控制器,以弱电控制强电为基本原则,在电磁阀与电源的通路之间添加继电器模块,通过控制继电器的使能信号实现电磁阀开断,编写程序控制使能信号的高频率转换间接实现电磁阀周期性通断,利用通断频率的精确控制,从而实现同一周期内喷嘴输出流量不同,达到变量喷雾需求。将设计的变量喷雾系统在喷雾检测平台[9]上进行施药模拟试验,分别以DC5V和DC12V输出电源给控制系统开发板和电磁阀供电,设置0、40%、60%、100%四个占空比变量级别。试验结果显示,100%级别施药量为246.46 mL,60%级别施药量为215.94 mL,40%级别施药量为160.94 mL,施药量有明显变化趋势,基本满足变量施药需求。

中国农业大学乔白羽等[10]为提高甘蔗等高茎秆作物的机械化病虫害防治水平,研制一套基于LiDAR三维扫描和PWM技术的高地隙宽幅喷雾机变量施药系统。该系统关键部件由激光雷达、PWM变量发生模块、PWM变量调节驱动执行模块、电磁阀、压力传感器、流量传感器、液压马达组成。作业时,首先使用三维LiDAR对高茎秆作物冠层进行扫描,获取其三维信息和植株高度等特征参数,建立植株高度与施药量之间的数学模型,随后根据植株高度变化,PWM变量控制器按照给定的占空比产生相应的PWM波用于控制电磁阀驱动器进而控制电磁阀的开关动作,改变各段对应喷杆的喷头流量,实时调节喷雾量,实现精准变量施药。该变量施药系统在甘蔗地块进行的试验表明,激光雷达识别作物株高平均误差4.59%,最大误差8.42%,最小误差0.17%;变量施药对比常量施药,用药量降幅为28.5%,具有明显的农药减施效果。

欧美等发达国家研究团队及企业从20世纪90年代起就开展了农药精准喷施技术的系统性研究与应用,其研发生产的精准植保机械装备已有部分商品化产品供应市场。

2007年,美国的Tumbo[11]将变量控制器与地面驱动电动离合器(GDEC)、脉宽调制驱动电机(PWMM)两套驱动装备相耦合,量化了响应时间和速率传输距离、测定两套驱动装备的合适延时时间,进行变量喷雾控制系统的动态特性测试。其试验结果表明,在对地速度为7 km/h,不设置延时的条件下,GDEC和PWMM的平均中点响应距离为1.8 m、3.6 m;当GDEC的延时时间分别提高和降低1 s时,对应的平均中点响应距离分别降低0.06 m、增加0.04 m;PWMM的最佳延时时间则分别为提高1 s和降低2 s。由于研制的样机无法同时兼容两种不同延时时间,因此试验将延时时间提高和降低设置为2 s,该研究团队提出在运用变量控制器进行变量喷雾时,应预留一定的延时缓冲区。

2002年,美国的Tian[12]研发设计了一套基于视觉传感器的智能精准除草施药系统。该施药系统集成了实时图像感知系统和独立的喷头控制装置,通过摄像头获取杂草生长密度和形态,并将图像信息发送至计算机,生成处方图,实时控制各喷头的喷雾量,实现变量喷雾目的。田间试验结果表明,当机具行进速度在3.2～14 km/h区间时,图像识别装置对田间杂草的识别精确度达到91%,运用该实时传感器进行精准施药后,在普通田间条件下,除草剂的潜在使用量可节约51%～71%,可极大降低农药的使用量。

综上可以看出,发达国家在变量喷雾技术研究方面较早地运用PWM技术、视觉识别技术进行了装备研制,产学研体系更为完善,相关产品已有较为成熟的市场化运用,并经试验验证取得了良好的运用效果;我国在变量喷雾领域研究起步较晚,目前研究工作主要以高校等科研机构为主导,取得了一定的研究成果,但与国外研究相比,研究成果尚停留在实验室阶段,产品市场化程度不足,尚未得到规模化运用。

2 雾滴飘移防控技术研究现状

飘移是指农药雾滴在到达靶标的运动过程中因气流影响而向非预定目标运动的现象,雾滴飘移一般存在飞行飘移及蒸发飘移两种主要方式[13],影响雾滴飘移的因素主要有药液自身特性,雾滴粒径、喷雾高度、喷雾压力等施药参数,温湿度、风速等气象因素。已有研究资料表明,影响雾滴飘移和沉降的关键性因素为雾滴粒径[14-15]。目前国内外研究学者在雾滴飘移防控装备上开展了大量研究工作,并已取得显著研究成果。

黑龙江八一农垦大学胡军等[16-17]基于锥形风场防飘机理,设计了一种锥形风场式防飘移装置,并以锥形风风速、侧风风速、喷雾压力为试验因素,进行了三因素三水平的雾滴飘移沉积影响验证试验。结果表明,三种因素对雾滴沉积特性的影响从大到小依次为：锥形风风速、侧风风速、喷雾压力;侧风风速为2 m/s时,在锥形风作用下,雾滴覆盖率、沉积密度、沉积量分别较无锥形风相比提高了21.9%、26.7%、22.6%,锥形风场可有效提高雾滴的沉降效果;通过响应面优化分析,结果表明,当锥形风风速为16.53 m/s、侧风风速为2 m/s、喷雾压力为0.34 MPa时,雾滴沉积量达到最佳值,为3.14 μL/cm2;当侧风风速大于2 m/s时,降低喷雾压力、增大锥形风速可有效抑制雾滴飘移,从而保证较高的沉积量。

中国农业大学王俊等[18]探讨了双圆弧罩盖的防飘移机理,并对其防飘移效果进行了量化研究。该团队运用CFD仿真技术模拟了双圆弧罩盖内部及周围的喷雾速度场和雾滴运动轨迹,仿真结果显示,双圆弧罩盖的内外圆弧形成的导风道下方产生了高速下降气流和低速水平气流,并削弱了后方的涡流强度,在其内外形成垂直向下的速度场,从而防止了雾滴横向飘移,增加了雾滴沉积量;研究了罩盖内部喷嘴安装参数、喷嘴类型及风速对飘移率的影响,正交试验和回归分析结果表明,喷嘴安装位置和安装角度与飘移率相关系数达0.974,呈现高度相关性,喷嘴型号和风速与飘移率相关系数为0.981,同样表现为高度相关性。

山东农业大学梁昭等[19-20]基于雾滴飘移沉积双峰分布模型和蒙特卡洛预测,设计了可实现短距离风速纠正的智能风幕防飘移试验系统。该试验系统主要由防飘风幕、类拉瓦尔导流板、三轴移动喷头组成。风幕吹出的气流垂直向下,可加快雾滴的沉降速度,抑制飘移;类拉瓦尔导流板可形成拉瓦尔效应气流通道,起到阻挡并纠正侧向风作用;三轴移动喷头置于风幕前方,实现三自由度移动,通过风速预测和模糊控制算法,调控喷头与风幕的不同距离。该团队进行了防飘试验系统的室内试验,结果表明,类拉瓦尔导流板使雾滴沉降区域内的风向纠正为正向横风,增加目标区域内的雾滴沉积量,与防飘效果最佳的常规固定风幕系统相比,沉积效果提升了29.53%;对于静电喷雾的荷电雾滴,飘移沉积的双峰沉积比相对于效果最佳的常规风幕降低了33.18%,沉积尾长降低了20.45%;与无风速预测的风幕系统相比,该风幕防飘系统的雾滴飘移沉积的双峰沉积比下降28.07%,沉积尾长缩短28.4 cm;模糊控制算法使飘移双峰沉积比下降8.8%,沉积尾长降低34.6%。

欧美等发达国家研究学者高度关注雾滴飘移引起的环境污染和农产品安全等问题,较早开展了针对雾滴飘移问题的探索和研究。针对雾滴飘移控制部件,国外的喷雾部件生产企业研制了各种防飘移喷头,典型的防飘移效果较好的有德国的AI系列气吸式喷头、AD系列防飘移喷头,美国的XRC系列延长扇形喷头、AIXR系列气吸型喷头。

2019年西班牙的Eduard等[21-22]首次针对果园风送式喷雾机上标准空心锥喷头和防飘空心锥喷头,进行了基于激光雷达探测(LiDAR)技术的潜在防飘(DPR)特性评估测试。试验结果表明,标准空心锥喷头和防飘空心锥喷头的DPR值介于88.6%～93.6%之间,具有良好的防飘移效果,且将相位多普勒粒度仪(PDPA)获得的粒径参数V100与LiDAR信号关联,实现LiDAR自动对飘移雾滴的观测;该团队针对上述两种空心锥喷头进行了桃园喷雾的防飘移效果检测试验。田间试验结果显示,激光探测雷达测得的DPR值为56.7%,运用LiDAR技术可实时快速反馈田间喷雾作业雾滴的飘移状况,客观定量地评估喷头的潜在防飘移特性。

希腊的Bourodimos等[23]于2019年在原有的TOPPS-Prowadis飘移评估模型基础上,通过预设温湿度、风速、风向等气象参数的范围,开发了一套适用于葡萄园的喷雾飘移风险评估预测模型。该风险预测模型将雾滴飘移分为低中高三个风险等级,田间喷雾试验结果表明,在机具作业时,该模型可根据所预设的气象参数范围,结合实时环境气象参数值,准确做出潜在飘移风险等级的预判;此外,用户可根据果园所在地气象参数经验值,可对划分飘移风险等级的气候参数范围进行调整,根据模型做出的“低风险”预判,合理规划施药作业,避开雾滴飘移“高风险”的气象参数和时间,降低雾滴飘移产生的环境污染和人身安全风险。

国内外团队在雾滴飘移防控领域研究现状表明,一方面可在施药时选用具备防飘特性的喷头从药液雾化环节解决飘移问题,降低雾滴潜在飘移概率;另一方面,在常规喷雾装备上增设特殊防飘移装置,通过增加辅助气流或改变雾滴运动轨迹的方式,来削弱自然风对雾滴在向靶标传递过程中的影响,从而达到防飘目的;此外,国外学者从气象因素对飘移的影响角度进行飘移风险预测,具有较高的实用意义,在作业前进行预判,可最大程度规避飘移风险。

3 在线混药技术研究现状

传统的植保机械中,药剂、助剂、水的混合方式采用的是预混式,即预先将药剂、助剂、水按照一定配比方案进行混合,再加入机具药箱。预混式混药存在较多弊端,首先容易形成药剂和水混合不匀的现象;而且混药操作时,作业人员与农药直接接触,带来严重健康安全风险;另外,药液预先按照配药浓度配制,无法实时调控药液浓度,且作业结束后药箱内残余药液的处理也存在较大风险。在线混药采用药箱和水箱分开设置的方式,实现药、水独立存放,作业时根据所需配比浓度,实时在线混合,达到药液标准化、精准化施用,降低环境污染风险和人身安全隐患。

华南农业大学杨洲等[24-26]在线混药和静电喷雾技术,研制了一种果园在线混药型静电喷雾机,设计了在线混药系统,并进行了在线混药均匀性与稳定性试验。试验结果表明,在线混药均匀性和稳定性最大变异系数分别为4.46%、3.51%,具有良好的混药性能。

南京林业大学徐幼林等[27-28]设计了一种旋动式射流混药器,并进行混药器流场数值模拟,并基于像素变异系数α和均匀性指数β的均匀性评价指标,进行了混合脂溶性农药的变工况在线混药试验,评价该混药器混合均匀性。试验表明,混合比一定条件下,流量越大,混合均匀性越高;在流量为2 400 mL/min时,不同的混合比均能得到最佳均匀性;流量介于2 000～2 400 mL/min之间时,可以完成不同混合比条件下药与水的均匀混合;流量介于800～2 000 mL/min时,可完成较高混合比条件下的药水均匀混合;流量低于800 mL/min时,基本无法完成各种混合比的药水均匀混合。

国外对在线混药的研究起步时间早于国内,早在1970年就提出了农药在线混药的概念,20世纪90年代初,研制了基于压缩空气的农药直接注入系统,由操作者根据机具行进速度调节水箱和药箱空气压力,实现药液的在线混合。近年来,随着CFD仿真技术的发展与运用,国外研究团队开发设计了多种新型在线混药装置,并通过仿真与试验,验证了混药效果。

伊朗的Hosseini等[29]基于CFD仿真技术,研究了两种混溶液体在新型翼片式静态混药器中的流动和混合形态,以压降比、变异系数、外延效率来评价能耗、混合均匀度、分散混合性能,并与另外三种静态混药器(Kenics、Komax、SMX)进行混药效果对比。仿真与试验表明,新型翼片式混药器的压降比在相同条件下比SMX混药器低45%;混药效率和延伸效率高于另外三种混药器,混合均匀度变异系数低于另外三种混药器,该新型混药器较其他混药器有更佳的混药效果。

印度的Saravanan等[30]开展了针对圆柱形药箱的射流混药器混合过程流体动力学仿真分析,并基于喷嘴直径、喷射位置、射流速度等参数,来研究评价对混药效果的影响。仿真及试验结果表明,射流混药器在同一几何排列下,射流喷嘴直径对药液混合效果起到较大影响作用,该团队的研究结果为射流混药的设计制造提供了流体动力学方面的理论依据。

在线混药技术提供了一种更安全、环保、精准的农药施用方案,而混药器的设计和优化决定了药液混合质量和喷洒质量,国外研究团队主要针对新型混药器进行了设计和优化工作,提升了药剂混合均匀度、稳定性等参数指标;相较于起步较早的国外团队,我国研究团队在混药器设计、在线混药装备性能评估方面取得了一定进展,得到了较好的药液稳定性和均匀性,并通过新型混药器试验验证了不同流量对混药均匀性的影响差异。

4 存在问题

以变量喷雾、雾滴飘移防控和在线混药为主的农药精准施用技术可有效降低传统施药方式带来的环境污染、农残超标、人身危害等一系列作业风险,促进农药高效、安全、精准施用,但由于我国农药精准施用的概念提出较晚,传统施药装备保有量大,且农业生产模式地域性差异显著,使得国内在农药精准施用方面与发达国家存在明显差距,主要表现在以下方面。

1) 专用传感器的技术自主化程度较低。精准施药装备专用传感器产品研发生产较少,目前主要以进口国外产品为主,传感器关键技术的研发投入不够。

2) 精准施药装备轻简化程度不够。当前现有的农药精准施用装备处于技术探究阶段,装备结构较复杂,操作较繁琐,机具作业精度和作业质量有待进一步提高。

3) 精准施药技术与农药剂型、作物种植模式、气象条件的结合研究尚不足。当前对于精准施药装备的研究处于技术集成阶段,研究侧重于提升装备的适用性及智能化程度,对实际生产应用中农药剂型、特定作物种植模式及作业现场气候条件的影响尚缺乏系统性的关注及研究。

5 展望

随着对农业环境要求和农产品质量安全需求的不断提升,农药精准施用技术已受国内外高校、植保装备生产制造企业的广泛关注,成为研究热点。本文结合前述的研究现状,并针对上述存在问题,对我国精准施药装备的发展提出以下几点展望。

1) 加大基础研究的投入。针对传感器技术、控制理论技术等基础理论,加大研究投入力度。开展农药精准施药专用关键部件、传感技术的研发及精准施药算法研究,研制专用控制系统模块,提升关键技术和部件的国产化水平,加大应用及推广。

2) 推动装备轻简化、模块化发展。农作物不同种类、不同种植模式、不同生长期所适用的施药装备有较大差异性,制定实施相关标准,根据植保施药装备的分类,开发研制标准化、通用化的精准施药控制模块,配置通用数据传输接口,实现在同一类型施药装备上的通用性和互换性,降低研发生产成本。

3) 促进多学科融合交叉。病虫害防治涉及了农机、农艺栽培种植、农药等不同学科领域的交叉融合,精准施药装备应充分结合农艺要求、农药剂型特性及作业现场气象条件,进行作业决策。对于采用复合种植、套种模式的作物,需提高雾滴飘移监测的灵敏度和准确度;对于不同剂型的农药在线混药装备,需提高流量监测和管路堵塞等故障报警的响应速度,提升作业过程中的故障响应反馈效率,提高作业精度与质量。