环境友好型农药喷施机械研究进展与展望

　　摘要:在农林病虫害防治中，化学方法仍占主导地位，化学农药施用不当会引起农药浪费、环境污染和农药残留等问题。为此，本文阐述了国内外对农药雾化、在线混药、可变量控制、仿形喷雾、雾滴飘移控制、静电喷雾、智能对靶喷雾集成等关键技术的研究概况;综述了防飘移喷雾机、仿形喷雾机、喷杆喷雾机、杂草防除机械、果园喷雾机、智能喷雾机等6类典型地面植保机械的发展概况，以及包括植保无人机及其关键部件在内的典型航空植保机械的研究发展水平;提出了环境友好型农药喷施机械“绿色环保、精确高效”的研究理念，以及开展植保机器人与专用植保机械(植保机器人及其阵列、专用植保机械)研发、航空施药机具与植保无人机研究、智能物联农药喷雾系统(病虫草害靶标智能监测识别与防治预警系统、无线物联智能植保信息传输系统、立体智能协同农药喷雾系统)研究和植保机械关键技术(新型喷头及在线混药、智能化载运平台)研究等总体发展建议。

　　关键词:环境友好;植物保护;农药喷雾机

　　0引言

　　植物在复杂多变的生长过程中经常会受多种生物胁迫(病虫草鼠害等)及非生物胁迫(干旱、盐碱、洪涝等)因素的影响，因此农业发展史就是与病虫草鼠害斗争的历史。而全球气候变暖使害虫繁殖代数增加，国际间交流密切也使外来生物入侵频率增加，跨区机收促使病虫害传播，秸秆还田和免耕种植改善害虫栖息和越冬场所，连茬种植加重土传病害，因此农林病虫草鼠害发生面积总体居高不下。PAUL发现DDT杀虫剂活性后，植物保护从天然药物、无机合成农药进入人工合成有机农药时代，对病虫草鼠害防治起到重大作用。BOＲLAUG预言“我们要优先考虑的是吃并保持健康，为此必须要有农药。没有农药，全世界将挨饿!”化学农药防治已占有80%的主导地位，但是过分依赖农药导致了“3Ｒ”(农药残留(Ｒesidue)、害物再猖獗(Ｒesurgence)和害物抗药性(Ｒesistance))现象，影响整个农林生态系统，研究机构开展农药减量及精确施用技术研究［1］。推出了《农药使用量零增长行动方案》，探索农药减量控害且产出高效、产品安全、资源节约、环境友好的农业发展道路，需要研究更多切实有效的病虫草害防治方法和植保装备实现减量控害，以保证人类生存和环保的需求。因此本文拟综述国内外农药施用机械及其关键技术的发展，分析环境友好型农药喷施机械研究理念与总体思路，并提出相关研究建议。

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　　1农药喷雾关键技术发展

　　近百年来，国内外开展了大量的农药喷雾机械及其关键技术研究。随着科技发展，农药喷雾技术不断创新，新装备不断涌现，本文对近年来普遍受关注的关键技术进行分析。

　　1.1农药雾化技术及喷头

　　雾化理论:农药雾化按喷雾量分为常量、低容量(LV)、超低容量(ULV);按雾化动力分为毛细管雾化、液力雾化(扇型雾喷头、涡流式喷头等)［2－4］、转盘(转笼、转杯)离心雾化［5－8］、气动力雾化［9］、超声波雾化［10］、静电雾化［7］等及其组合雾化方式［11］。雾化需要克服气动阻力、粘滞力、液体表面张力、惯性力等及其各种力的相互作用，需要研究农药及助剂物理化学性质、液体雾化的动力、液体雾化所消耗的能量等［9］以及控滴技术原理［12］。

　　1.2农药直接注入技术与在线混药器

　　喷雾农药在线混合采用水箱和药箱分设，在农药施用过程中按需在线混合，如可通过恒定的用水量和变化的用药量来实现设定的农药使用量，达到药、水、人分离，达到安全、可靠、高效地使用农药，解决传统农药与水预先混合后直接喷施所造成的剩余药液的处理，或配比过程中过量使用农药的问题，以减少和消除残留农药对环境的污染［25－28］。

　　2典型地面植保机械研究进展

　　2.1防飘移喷雾机

　　防飘移喷雾机包括风幕式防飘喷雾机、罩盖式防飘喷雾机、隧道式喷雾机、循环喷雾机、静电喷雾机、固定式农药冠层输运系统等典型机具，也有研究专用防飘移喷头［21］。

　　风幕式防飘喷雾机:风幕式防飘喷雾机通常是在喷杆喷雾机喷杆上增加风机和风筒，喷雾作业时在喷头上方沿喷雾方向强制送风形成风幕，增大雾滴穿透力，减小飘移［117－118］。

　　罩盖式防飘喷雾机:罩盖式防飘喷雾机可以通过圆弧结构罩盖的导流作用改变雾流周围的空气流场，使雾滴在短时间内沉积在靶标而达到防飘目的［119］。

　　2.2仿形喷雾机

　　仿形喷雾机通过红外线、超声波、图像和LiDar等仿形目标探测方法与技术获取靶标植物冠层特征信息，自动调节仿形机构到达实时处理得到的喷雾距离时，对靶标冠层按需变量喷施农药，提高雾滴在靶标植物冠层分布的均匀性和农药施用效率，国内4农业机械学报2021年主要开展了果园和茶园等仿形喷雾机的设计和试验研究［62，125］。

　　3典型航空植保机械研究进展

　　农业航空施药应对突发性病虫害能力强、作业效率高、单位面积施药量少、不留车辙印、作业成本低，1911年德国研究用飞机喷洒农药控制森林虫害，1949年美国研制农用固定翼飞机，1987年日本研制农用无人直升机。于20世纪中叶开展航空喷雾研究，开展了直升机、航空静电喷雾技术等研究，至21世纪开发植保无人机，截至到2018年底，300多家植保无人机生产企业，已生产253种3.15万架各类植保无人机。同时研究精确和安全施药的航空喷头及飘移控制、可变量控制、优化喷雾模型以及配合各种应用技术［143－145］，本文重点综述植保无人机的发展状况。

　　4创新研究思路与展望

　　4.1环境友好型植保机械研究理念与总体思路

　　本文结合国内外植保机械发展状况及问题分析，提出未来植保机械应创新融合人、药、械、技，秉承“绿色环保、精确高效”的研究思路。

　　绿色环保理念:植保作业的绿色环保包括环境最友好、操作最安全、产品最优质等植物保护系统发展思想。①持续开展融合物理防治、农艺措施、低毒无毒及生物农药、飘移控制、农药残留检测与降解、农药全寿命周期管理等环境最友好植保技术研究，监测评估有害生物及潜在危害，将IPM(Integratedpestmanagement)各种策略组合成最适合特定需求的行动计划。②进一步研究在线混药、遥控自动、植保无人车平台、无线物联智能植保系统等操作最安全的植保技术，在农药施用前、中、后期用最少人工介入准确操控农药施用全过程。③采用现代设计方法以及智能制造技术等研发产品最优质的植保机械。

　　4.2环境友好型农药喷雾机械发展建议

　　4.2.1植保机器人与专用植保机械研发

　　探索开发能替代人类不愿干、不能干、干不好的植保机器人和专用植保机械。

　　(1)植保机器人及其阵列研究

　　集成传感器和高速物联网、云存储等，开发地面无人驾驶喷雾机器人，使之成为互联网的终端和结点，实现对外部相关信息(如靶标信息、环境信息等)的实时反馈;配备类似人眼、耳、鼻、触觉的靶标及环境因子传感设备，研究手脚并控型多足多臂专用植保机器人;采用AI帮助基于语言理解的植保机器人处理非规则、非连续性信息，使会学习、可交互的植保机器人能处理复杂繁琐的植保作业;研究面向植保机械多机协同作业的植保机器人阵列，即由一系列小规模网络化机器人阵列组成更大的田间植物保护系统，分别检测、控制田块中各类病虫草害。

　　(2)专用植保机械研究

　　研制符合国情的专用植保机械，如高性能防飘移喷雾机械及辅助装备、智能化自走式喷杆喷雾机、密闭空间烟雾机、远程遥控或在驾驶室可控制所有作业操作程序的全自动无人介入植保系统等;融合植物表型进行植物定制，实现半自主(需人工干预)智能植保机械、全自主(无人干预)智能植保机械。

　　4.2.2航空施药机具与植保无人机研究

　　基于农林航空喷雾在高效和应对爆发性农林病虫害的必要性，发展适合国情的航空喷雾装备，同时针对植保无人机在农林应用的优势以及存在的问题，在推广应用精准导航、主动避障、定量施药基础上，进一步开展专用无人机及机群系统、关键施药装备及专用药剂等研究。

　　参考文献

　　［1］郑加强，周宏平，徐幼林．农药精确使用技术［M］．北京:科学出版社，2006．

　　［2］GILESDK，BEN-SALEME．Spraydropletvelocityandenergyinintermittentflowfromhydraulicnozzles［J］．JournalofAgriculturalEngineeringＲesearch，1992，51(2):101－112．

　　［3］张慧春，DOＲＲGary，郑加强，等．扇形喷头雾滴粒径分布风洞试验［J/OL］．农业机械学报，2012，43(6):53－57，52．ZHANGHuichun，DOＲＲGary，ZHENGJiaqiang，etal．Windtunnelexperimentofinfluenceondropletsizedistributionofflatfannozzles［J/OL］．TransactionsoftheChineseSocietyforAgriculturalMachinery，2012，43(6):53－57，52．

　　郑加强徐幼林