机械化植保作业的主要技术及研究方向

    张金伟

    摘 要：植保作业是农作物健康生长和高产的基础性保证，现代化的农业生产通过植保机械完成高效率的植保作业，显著提升了我国农药喷施作业的工作效率，通过对常用植保机型的介绍，说明了植保机械和相关技术的发展趋势。

    关键词：农业机械化；植保作业；应用；发展

    中图分类号：S49 文献标识码：A

    doi：10.14031/j.cnki.njwx.2019.04.004

    植保作业是农业病虫害防治的主要方法，现阶段的作业以化学防治为主，主要通过农业机械的喷施来实现。我国的机械化植保基本能够覆盖主要农作物生产的前中后期，随着农机购置补贴政策的推进，主要粮食作物的机械化植保水平已经显著提升。为更好地体现科学植保和合理植保，我国植保机械的研究应认清现阶段的主要不足和问题，利用机械结构优化和先进技术应用降低植保过程对农作物的食品安全和环境污染的影响，达到植保作业与农业可持续发展的同步进行，并促进农业植保机械向着更高效、智能、精确方向发展。

    1 植保机械应用现状

    1.1 植保机械的使用情况

    植保作业在我国经历了较长的发展时期，在化学农药普及后，通过喷施作业实现对农作物病虫草害的防治成为了现代化植保作业的主要方式。现阶段我国的农药加工技术位居世界前列，但植保机械和相关的喷施技术却较为落后，相关技术约落后发达国家15～20年。由于机械化施药技术的落后，导致农作物植保后的农药残留居高不下，严重影响了粮食作物的质量。

    我国使用的植保机械大体经历了以下几个阶段：一是结构相对简单的单筒式喷雾机和手摇式喷粉机阶段，主要以人力驱动进行作业，效率较为低下；二是喷气式动力烟雾机、气压式自动喷雾器的研制，使喷雾作业通过机械实现，但仍采用人工背负式作业的形式，虽然效率有所提升，但喷施过程存在着农药浪费和人员易中毒等缺点；三是动力机械喷施阶段，多采用拖拉机配套喷药机械实施作业，采用气泵加压，多进行宽幅喷施，作业效率提升明显。但与发达国家相比在植保机械种类、喷头雾化技术等方面仍有较大的提升空间。

    2 机械植保的主要形式

    现阶段的机械化植保以喷杆喷雾技术为主，常用的机械包括悬挂式喷杆喷雾机和自走式喷杆喷雾机两类，近年来，多旋翼植保无人机的作业量也在增加，我国的植保作业方式开始向多样化转变。

    2.1 悬挂式喷杆喷雾机

    悬挂式喷杆喷雾机主要通过拖拉机悬挂植保机械实现作业（如图1），通常需要使用24马力以上的拖拉机进行作业，喷雾机械的动力由拖拉机后动力输出轴提供，并能通过拖拉机的后悬挂系统实现液压和连接功能，不仅能够保证连接的稳固，拖拉机还能达到通过液压功能控制喷药架的伸展与收缩，减轻人力劳动的负担。根据不同的动力，喷药架的展开幅度在10～18 m之间，具有结构简单、经济性好的优点，同时作业效率和雾化效果也能达到使用要求。悬挂式的结构有利于充分利用农户已有的拖拉机，能显著降低农民购置植保机械的费用。但由于每次使用的安装与调试过程较为复杂，拖拉机的三点式连接、液压系统连接、气泵装置的连接都相对复杂，因此，这种形式通常只适合小规模经营使用。

    2.2 自走式喷杆喷雾机

    自走式喷杆喷雾机具备独自的动力系统、传动系统以及转向控制系统等，能通过液压装置控制杆件伸展、收缩或位置调整，机型功能更为丰富。自走式喷杆喷雾机大体包括三轮自走式和四轮自走式两类，三轮自走式的喷雾机通常动力在10～18马力，作业幅宽在6～10 m。该机型结构相对简单，价格较低，由于作业灵活和体积较小，适合中小地块使用，但由于三轮式的结构行驶稳定性不足，因此作业速度相对较慢，效率相对较低。四轮自走式喷雾机的配套动力通常在28～48马力，最高可达100马力，作业幅宽多在10～18 m，作业效率较高，可达80～120 亩 / h，但售价相对较高，适合大面积连片耕地使用。

    2.3 农用植保无人机

    农业植保无人机是近年来发展迅速的植保机械，按飞行原理和技术特点分为固定翼、单旋翼和多旋翼几类，现阶段以多旋翼机型为主。市场上主流的旋翼数量有4旋翼、6旋翼和8旋翼，多旋翼无人机主要包括了飞行平台、控制系统以及喷洒装置三部分，采用无刷电机带动桨叶旋转提供飞行动力，通过无刷电机转速的控制实现方向和高度的控制。多旋翼无人机飞行十分平稳，有利于保证农药喷施的均匀性，多旋翼植保无人机的喷药幅宽通常在3～5 m之间，作业中通过旋翼产生的下旋风促进农药的渗透和均匀喷施，如图2所示。由于电池技术的限制，植保无人机单次作业的续航仅在20 min左右，这在一定程度上限制了植保无人机的工作效率，在电池技术突破之前，植保无人机的连续作业通过电池快换快充技术实现。其喷药速度在4～6 m/s，防治效率2～5 亩/min，日作业量最高可达600 亩。植保无人机具有显著的节约农药特性，且作业方式灵活，对操作人员危害小，有利于高秆作物后期的病虫害防治，因此，使用量正逐渐增多。

    3 机械化植保的研究方向

    （1）变量喷药技术的广泛实施。变量喷药技术是精确农业思想的重要分支，随着电子控制技术的广泛应用，农药喷施的速度与行进速度能实现动态的合理性匹配，喷杆的倾斜度、喷药压力都能实现精确的控制，并通过与GPS装置的匹配，结合数据采集与决策系统，有效实现高精度的合理化喷施。

    （2）农药多级过滤技术的广泛使用。在液体农药使用过程中，必须通过兑水稀释后才能进行喷雾作业，由于自来水中不可避免地存在一定量的杂质，它们会严重影响精密喷头的喷施效果。在高雾化喷头的技术不断提升的同时，喷雾系统对农药中杂质的过滤能力要求越来越高，通过多级的过滤装置，能够有效减少喷头堵塞问题的发生率，并有利于提高植保机械对不同喷头的适应能力，保证喷洒质量的大幅提升。

    （3）农药自动配比技术的广泛应用。农药中的化学成分对喷施人员具有一定的毒害作用，会严重影响操作人员的人身健康，在人工混药过程中，由于农药的挥发或操作不当，很容易造成生产安全事故或导致环境污染。通过研究按比例自动混药技术，能够有效减少农药与水源和人体接触的机会，有利于环境保护和人身健康，同时有利于用药量的随时调节，有效防止药瓶直接连接到喷杆的混药器上，从而提升植保作业的安全程度。

    （4）对靶喷雾技术的综合应用。

    我国的农药喷施技术目前明显落后于发达国家，农业生产中更多地采用粗放的喷施方式，在智能农业装备逐渐加深研究的情况下，我国的很多农机研究机构都着重在精确喷施技术上加大力度。对靶喷雾技术主要通过距离传感器或机器视觉识别技术获取靶标作物的参数信息，控制过程中根据获取的信息确定合适的喷雾方案。其中传感器技术原理的对靶喷雾机是通过直接测量目标作物的现场参数信息实现关联；视觉技术主要是利用影像获取装置获取的图像，并结合相关的算法进行RGB色彩处理，以实现作物面积、大小等参数信息的转化。

    我国的相关研究在参考发达国家的对靶喷雾技术的基础上，对精确施药技术做了符合我国实际情况的可行性研究，也逐步获得了显著的成果。但目前大多数成果还停留在试验阶段，应用速度较慢。在精确施药技术与喷雾机具的研究上要从国内实际种植管理模式出发，重点从精确度和智能化方向寻找突破点。

    4 结语

    机械化植保作业作为农作物健康生长和高产的基础保障，为保证生产过程的合理性与安全性，必须要兼顾植保效果、食品安全与环境保护多重因素，这就要求现代化植保作业的发展不仅要在喷施效果上下功夫，还必须要减少农药的使用量，提高喷药过程中的安全性，使农业的机械化植保作业更符合绿色农业和精确农业的发展要求。

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