四川丘陵大豆植保機械化發展現狀與展望

劉 錚，馬開東，呂小榮

（1.四川農業大學 機電學院，四川 雅安 625014；2.三臺縣金石鎮農業綜合服務中心，四川 三臺 621100）

大豆又叫黃豆，發源于我國，含有豐富的蛋白質、脂肪，還有卵磷脂及多種維生素，有著益氣潤膚、寬中下氣、潤脾消痢、清熱解毒的作用[1]。我國是大豆的主產國之一，我國大豆種植比較分散，除青海省外，其余各個省份均有種植，從國內生產布局來看，逐步形成東北春作大豆種植區、黃淮海流域夏大豆種植區、長江流域春夏大豆種植區和南方多作大豆種植區的生產格局[2]。

四川省農作物產區豐富，是我國的農業大省。地形多為海拔較低的丘陵和山地，且大部分耕地為旱地，是我國多熟早作物農業的典型代表。四川豆類種植很廣泛，種植規模僅次于玉米、小麥，其中以大豆種植為主。2018年，四川全省大豆總產量為88.80×104t[3]，省內大豆種植范圍比較集中，主要分布在川東丘陵地區，占全省總種植面積的70%以上[4]。由于受丘陵地形有效種植耕地面積小、地塊小、土地肥力不足、作物種類較多并且規模較小等問題的影響，一些高效的大型植保機械無法使用。丘陵山區農業基礎設施建設仍然相對滯后，道路寬度不夠且崎嶇不平，道路建設不全，機械通行難度大的問題依然存在，造成作業局限性較大，作業成本高，投入產出比不高，這是影響丘陵山區植保機械化發展的另一個重要因素[5]。四川丘陵山區的豆類植保工作主要還是由傳統人工分散完成。對于同一片地，如果種植了多種作物，對植保機械的要求更是多種多樣。因此，提高丘陵山區豆類植保的機械化作業水平，改善作業條件，降低生產成本和增加生產效益，對于丘陵地區豆類產量和品質的提升有現實意義。

本文對四川省丘陵山區大豆植保機械化發展現狀和展望做出了綜述，通過分析一些地區的植保機械應用和相關研究現狀，總結了四川省丘陵大豆植保機械化存在的問題，并對其發展的趨勢提出了合理的建議。

1 四川丘陵大豆植保機械化發展現狀

在我國南方丘陵山區各省中，四川省的植保機械化水平排在第3位[6]，僅次于浙江和湖北2省，為22.14%，但跟第1名浙江省的65.65%相比較，差距還非常巨大。中國國產植保機械以手動噴霧器為主，其中囊括了20多個品種、80多個型號，其中75%左右的產品僅處于發達國家20世紀六七十年代的水平。四川丘陵山區大豆植保也是以手動噴霧器噴灑農藥為主[7]，最常用的機具包括單管、壓索、背負式噴霧器等，市場占有率達到80%[8]，且90%以上的噴霧器仍使用的是圓錐霧噴頭。這種動用人力較多的老式噴霧式作業方法，由于其工作過程中存在的“跑、冒、滴、漏”現象，大多數情況下的農藥有效利用率只有1/3左右，浪費極其嚴重，農藥的毒性也會給人們帶來不小的安全隱患[9]；其次是噴霧效率低下，很難滿足實際農村生產所需。

四川省有關植保機械的相關企業總體呈現為產量較低、規模較小、核心技術不夠先進。截至到2016年4月，成都和瀘州的4個廠家通過了3C認證，但只有位于成都的2個廠家在正常生產，主要的產品還是以背負式的手動/電動噴霧器為主[10]。

盡管四川在植保機械技術和設備方面目前還比較落后，但在開發和推廣新型大豆植保機械方面得到了國家的重點支持和關注，革新后的新型大豆植保機械在適用范圍和適用群體上也在逐年擴大。

1.1 四川丘陵山區大豆植保機械應用現狀

綿陽市對大豆的病蟲害防治主要是以人工噴霧或者電動噴霧為主，但是由于效率較低、人工費用較高等原因，嚴重影響了農民防治病蟲害的積極性。無人植保機具有操作簡單、速度快且效率高、噴灑均勻且霧化效果好、環保性好等優點，為了探索無人機在丘陵山區病蟲害防治方面的效果，2016年，四川省綿陽市農業科學研究院在三臺縣開展了無人機試飛防治試驗，無人機防治對比人工防治組，作物的發病率和病情指數分別降低了23.86%和18.62%[11]。

四川省自貢市沿灘區處于川南丘陵區，屬亞熱帶濕潤氣候，適宜種植大豆[12]。該區對大豆的病蟲害防治通常采用的是背負手動式噴霧器和背負機動式彌霧機這2種半自動化的噴藥機械，部分機型還存在植保過程中農藥使用量過大、利用率低等問題。為適應大豆中后期藥物噴施需要，近年來開始使用高地隙噴藥機。為適應不同作物不同行距帶來的工作環境變化，通常高地隙噴藥機底盤的輪距都是可調節的。常用機型有東方紅-WPZ2500型、亞泰3WZG-650型、約翰迪爾4730型等高地隙噴藥機[13]。

從2013年開始，四川省綿陽、廣安等多地對植保無人機在丘陵地區的作業情況進行了試驗和示范，主要還是針對的病蟲害防治，其次用于作物的施肥等。從目前的發展形勢看，無人機植保防治作業針對的作物種類還在不斷擴大，從矮稈作物的大豆、水稻、小麥擴展到高稈的玉米、高粱等，且作業量也增大到13.33×104hm2，無人機利用率不斷提高[14]。截至到2018年底，省內保有的農用植保無人機架次達300多架，并且以每年幾十架的增速增長。

1.2 四川丘陵山區植保機械研究現狀

2014年華南農業大學的洪添勝等[15]對作業環境為丘陵山區的一類植保機械進行了研究并取得成果，研制出一種能夠適用于多人同時噴施作業的恒壓噴霧機。該機具有以下優點：能保持工作時的噴霧始終恒壓，保證噴施均勻穩定；設置有過載保護裝置，壓力傳感器檢測到壓力超過限定值時，機器立即停止工作，達到防止爆管的效果；整機在啟動過程中不存在機械沖擊轉矩，能增加機器的工作壽命；噴霧工作完成時能進行“軟停車”，避免水錘效應對整機管路影響。

2011年，雷小龍等[16]經研究制造了一種解放人力，并且能實現遠程控制自動噴霧工作的自走式電控植保噴霧機械。通過自動控制技術和植保機械相結合，采用直流電機脈寬調制（PWM）技術與液壓技術，達到精確調節電機轉速和噴藥器噴桿高度與轉向控制的作用。通過對控制系統進行編程，使機器能按照指令行走并且準確轉向。帶有空氣室的活塞泵可以在噴霧時比普通的活塞泵受到更小的壓力脈沖影響，保證其工作穩定。總體提高了藥液的利用率，減少了藥液的用量，對于土壤環境的保護有一定積極作用。

王海艷等[17]針對丘陵山區背負式噴霧器效率低等問題，對傳統背負式噴霧器進行了改進，增加了速度控制系統，實現了自走功能，以電力為能源提供動力，通過轉動把手調節電機的轉速，采用可調節長度的噴桿以適應不同環境噴灑高度的變化，該機高效環保，可一機多用，山地、大棚使用效果均良好。

中國農業大學聯手德國技術部門研發的小型機動/電動背負式均勻穩壓噴桿噴霧機突破了以往背負式噴霧機作業范圍不均勻、噴霧效率低下的瓶頸，能高效完成全面機械化均勻施藥；針對低稈高稈作物的植保需求，同時滿足植保機械的機械多用性要求，研發出單旋翼動力的電動植保無人機等新型低空低量無人機機型[18]。

周彥春等[19]設計了一種高效的適用于丘陵山區的履帶自走式植保機械，經植保作業實驗，該機械有以下優點：一是設計的履帶式底盤能保證在丘陵地帶穩定通過，且行走速度（≤1 m/s）符合植保要求，每側3個噴藥口保持較大的噴藥量；二是兩側同時工作的噴幅最大能達到12 m，噴頭的噴灑角度能在0°～180°內變化，符合多數地塊植保要求；三是履帶式底盤可原地360°轉向，解決了地塊小、轉向困難的難題，能穩定通過40 cm的溝渠。履帶自走式植保機械的結構見圖1。

圖1 履帶自走式植保機械結構Fig.1 The structure of crawler self-propelled plant protection machinery

受國外先進植保機械化發展現狀的啟發，近年來國內有關的植保研究團隊也啟動了對丘陵山區植保機械及技術的研究，在高效噴霧技術方面取得了不俗成果，但在較為前沿的無人機植保技術和精準噴藥技術的研發等方面仍進展緩慢，較為落后，亟待取得新的突破。部分最新研發的植保機械還在試驗示范和推廣階段，暫時不能實現在大范圍植保作業中的使用。

2 四川丘陵大豆植保機械化的展望

2.1 四川丘陵大豆植保機械發展存在的問題

2.1.1 設計落后產品單一

當前市面上的大多數手動噴霧機結構設計落后，噴頭關鍵部件單一，霧化性能不穩定，易造成藥液浪費，增加植保成本；產品種類規格少，對于不同作物在不同生長時期的病蟲害防治作業并不能達到完全適用；核心部件的工藝、普及程度及產品可靠性不足，還不足以達到我國國情的需求。

2.1.2 農藥有效利用率較低

目前，我國農田單位面積的用藥量是美國、德國的1/2，但農殘為他們的數倍，嚴重的高達數十倍，農藥利用效率較低，僅為30%左右，流失率高達50%以上，可見我國針對提高農藥利用率的植保機械施藥技術研究尚處于較為落后的階段。

2.1.3 先進施藥技術和完備的技術規范的缺失

3S技術（GPS技術、GIS技術、RS技術）等先進計算機技術已經被發達國家廣泛運用到丘陵植保機械的研制中，使其達到高效、安全、智能、精確的噴灑要求，并且也出臺了相應的有關安全無害地處理廢棄農藥和農藥容器的行業要求。而放眼國內，我國丘陵植保機械所搭載的關鍵技術還較為落后，多數研發的植保作業機械仍與國外存在一定的差距，且由于缺乏植保規范的普及，農民只能依據說明書中規定的用量或者經驗來施藥，在植保作業方面可能操作得不標準、不安全，達不到現代施藥技術中安全高效施藥的要求。

2.2 四川丘陵大豆植保機械化的發展趨勢

2.2.1 低容量與超低容量技術

小霧滴覆蓋密度更大，漏施情況少，防治效果好，研究施藥時藥液霧滴運動的仿真模型，與田間小生態環境如環境溫度等對作物受藥情況影響，找到其中的物理學規律，為新型機器研發提供理論研究模型，對研發生產植保無人機和風送式低量噴桿噴霧機的進程有積極推進作用。

2.2.2 機電一體化技術

采用機械、電控技術結合的植保機械可通過顯示器實時監控機組速度、噴藥速度、噴頭壓力、藥液余量等。并且能通過人工操作改變相應參數，達到控制噴液量、行進速度等目的，操作簡單，并通過安裝GPS系統來展開精量施藥、精準施藥，提高了工作效率。

2.2.3 大型噴桿及防飄噴霧機的生產

在普通噴桿噴霧機上采用防飄噴頭，可以降低70%左右的噴藥損失。

2.2.4 全液壓驅動系統

采用液壓的結構可簡化噴霧機，液壓裝置因為其緩沖吸震的特性，相對于機械的結構提高了整機的穩定性。比如液壓懸浮減震設備，可以讓植保機械在丘陵上坡和平地行走的時候做出相應調整，進而確保噴桿速度與高度改變時系統能夠穩定運轉。

2.2.5 健全的過濾產品與系統

不同種類的藥液流動性不盡相同，為了防止系統堵塞造成漏噴或霧化不良，噴霧器應設置能夠自潔、防堵的壓力過濾器，以滿足多種藥劑與多種作物的噴霧要求，從而提高噴灑質量。

2.3 四川丘陵大豆植保機械化的發展建議

一直以來，我國從事農藥產業和有關機械生產的部門之間缺少針對農藥和藥械產品生產和病蟲害防治三者有機結合的合作，未來的農機研究不可避免地要將“農機與農藝相結合”放在優先地位，各部門之間與學科之間的協同研究變得格外重要。為此，針對大豆植保機械與施藥技術、農藥、病蟲害防治方面產生的問題提出如下發展建議。

2.3.1 注重農機與農藝結合

丘陵山區地形特點就是斜坡、碎石居多，地勢也不平坦，很大程度上阻礙了大型植保機械的進入，根據大豆不同生長時期的株高研究相應的自走式高地隙大豆植保機械意義重大，可大大提高丘陵地區植保效率。

2.3.2 借鑒國際經驗

由于施藥技術落后，不僅有農藥噴施不均勻的問題，而且大量農藥浪費還會污染環境、危害人類健康。為此，應吸收國外研究經驗，進行施藥技術的基礎研究，從根源上解決施藥效率低和浪費的問題。

2.3.3 制定完善健全的技術規范

由農機生產、農業相關部門等制定一套完整、健全的山地環境農藥施用、農機使用技術規范，并派專職講師對相關務農人員講授有關農藥施用方法和機具使用細則，以提升廣大務農人員的植保水平和環保意識。

3 結語

針對目前四川丘陵山地地區大豆植保機械的使用情況可以發現，多數地區植保機械和施藥方式還處于落后水平，從生產結果來看，在一定程度上阻礙了地區大豆生產效益的提高。為改變現狀，亟待研發適用于丘陵山地的高地隙高效植保機械。

國外的無人機植保技術已經比較成熟。作為一種新型的植保機械，無人機是丘陵山區植保機械發展的方向之一。對于一般噴霧機施藥困難的高稈作物，無人機施藥則是得心應手，不僅節約成本而且高效。近年來，國內技術人員也加大了對丘陵山區無人機植保的研究與推廣。

缺乏先進的施藥技術和完整、系統的技術規范，且缺乏對于農民群眾在植保機械使用和施藥技術方面的培訓教育，多數農民只能操作簡易的背負式噴藥機。通過專職人員的相關培訓，提高農民群眾的機械使用技術和施藥水平，對提高丘陵地區的作物產值有極大的作用。