變量噴霧技術(shù)原理及其在機(jī)械化植保中的應(yīng)用優(yōu)勢

(黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院，哈爾濱 150081)

0 引言

機(jī)械化植保作業(yè)是現(xiàn)代化的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)的基礎(chǔ)保證，近年來，隨著植保機(jī)械的技術(shù)升級，機(jī)械化植保作業(yè)模式已經(jīng)有效替代了傳統(tǒng)的人工噴施作業(yè)，使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的植保噴藥工作效率和安全性大幅提升[1]。但與此同時(shí)，傳統(tǒng)人工噴施中存在的農(nóng)藥使用過量、噴施均勻度不合理、環(huán)境污染嚴(yán)重等問題并沒有在機(jī)械作業(yè)中得到有效解決，導(dǎo)致現(xiàn)階段的藥物噴施仍然采用大劑量的恒量噴施作業(yè)為主。農(nóng)藥的大量使用不僅造成了藥物浪費(fèi)和環(huán)境污染，也同時(shí)造成糧食中的藥物殘留量超標(biāo)、糧食品質(zhì)下降等問題[2]。變量噴霧技術(shù)是針對傳統(tǒng)的粗放型植保噴霧技術(shù)研究的新型植保技術(shù)，更適合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的精細(xì)化作業(yè)使用，對于節(jié)能環(huán)保和糧食安全具有積極作用，加強(qiáng)對其研究和應(yīng)用能有效改善我國現(xiàn)階段的植保作業(yè)問題。

1 傳統(tǒng)植保噴藥機(jī)存在的不足之處

現(xiàn)階段，我國的農(nóng)藥技術(shù)發(fā)展很快，應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的農(nóng)藥品種多達(dá)180種以上，能夠應(yīng)對絕大部分病蟲害的防治工作。但從現(xiàn)階段生產(chǎn)中使用的噴藥機(jī)械技術(shù)來看，其平均技術(shù)水平仍比較落后。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國植保機(jī)械作業(yè)的平均農(nóng)藥有效利用率僅為20%～30%，而發(fā)達(dá)國家的綜合農(nóng)藥利用率已經(jīng)超過50%，農(nóng)藥利用率低已經(jīng)對農(nóng)業(yè)的發(fā)展和生態(tài)環(huán)境建設(shè)造成了很多不利影響[3]。

1.1 噴藥機(jī)的技術(shù)與性能相對落后

從現(xiàn)階段我國使用的噴藥機(jī)產(chǎn)品來看，大多數(shù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)使用的都是結(jié)構(gòu)簡單的低價(jià)產(chǎn)品，其設(shè)計(jì)和制造過程對于藥物噴施的合理性缺少研究，導(dǎo)致實(shí)際應(yīng)用過程中藥物因?yàn)殪F化不良、覆蓋面不合理，造成噴施效果不理想，部分機(jī)具甚至存在著農(nóng)藥滲漏、農(nóng)藥緩滴等問題，對農(nóng)田土壤造成了較為嚴(yán)重的污染。

1.2 機(jī)具結(jié)構(gòu)不合理

隨著近年來農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中合作經(jīng)營的模式增多，農(nóng)業(yè)經(jīng)營的土地面積逐漸向著擴(kuò)大化發(fā)展，土地的連片化對于噴霧效率的要求更高。中大型的寬幅噴霧機(jī)占比不足，小型機(jī)具的作業(yè)效率低下。小幅寬機(jī)具的噴霧作業(yè)需要往返多次才能完成耕地的作業(yè)任務(wù)，而多次往返既造成了噴霧效率低下，不利于病蟲害的及時(shí)防治，又造成重噴和漏噴概率的增加，影響最終的植保效果。

1.3 操作不規(guī)范

人工操作對作業(yè)質(zhì)量影響較大，植保作業(yè)的藥物噴施過程會受到駕駛員主觀判斷的影響。由于缺少科學(xué)的病蟲害程度評判就直接進(jìn)行藥物噴施，會存在噴施過量或噴施量不足等問題。同時(shí)機(jī)具噴霧的高度、行駛速度也會對噴霧后的實(shí)際效果產(chǎn)生較大影響。

2 變量噴霧的技術(shù)原理

變量噴霧技術(shù)實(shí)施的主要目的是能根據(jù)農(nóng)田作物的實(shí)際情況進(jìn)行分析，并通過數(shù)據(jù)運(yùn)算有針對性地調(diào)整噴施量和噴施方式，以最小的農(nóng)藥噴施量達(dá)到最佳的防治效果。在變量噴藥技術(shù)的發(fā)展過程中，對于變量噴藥的執(zhí)行邏輯，不同研究過程存在著一定的差異性，但在其機(jī)構(gòu)組成與運(yùn)行原理方面存在著很多相似點(diǎn)。總體來講，變量噴霧技術(shù)的系統(tǒng)基本組成如圖1所示，變量噴霧技術(shù)工作過程主要涉及到環(huán)境信息獲取、位置信息獲取、執(zhí)行動作感知、數(shù)據(jù)處理與控制、可供控制的泵體和噴頭等，其中利用計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的邏輯分析、信息處理、方案決策等功能是變量噴霧技術(shù)運(yùn)行的核心，而運(yùn)行過程中利用衛(wèi)星定位系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)、傳感器技術(shù)來獲取環(huán)境、位置和執(zhí)行結(jié)果等信息供計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析與處理，根據(jù)農(nóng)田的實(shí)際情況，對噴霧的速率、位置等進(jìn)行計(jì)算和校正，實(shí)現(xiàn)噴霧過程的柔性調(diào)整。

圖1 變量噴霧技術(shù)的系統(tǒng)基本組成

3 變量噴霧技術(shù)的研究和應(yīng)用

現(xiàn)階段研究并逐步應(yīng)用的變量噴霧技術(shù)主要有兩種類型[4]。

3.1 基于處方圖的變量噴霧技術(shù)

主要是利用地理信息系統(tǒng)對需要進(jìn)行植保作業(yè)的農(nóng)田進(jìn)行相關(guān)的信息采集，采集后利用計(jì)算機(jī)或農(nóng)田管理人員對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，形成區(qū)域化的網(wǎng)格圖，并對每個(gè)區(qū)域的植保噴施量進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而形成以單位區(qū)域?yàn)榛A(chǔ)的變量噴藥作業(yè)模式，將這種作業(yè)方式稱為處方圖作業(yè)。在植保機(jī)械作業(yè)時(shí)，利用衛(wèi)星定位確定機(jī)具位置，控制器會根據(jù)機(jī)具所在的區(qū)域自動調(diào)整藥量和霧滴大小，從而形成機(jī)具作業(yè)按照處方圖實(shí)施噴霧的效果。

3.2 基于實(shí)時(shí)感知的變量噴霧技術(shù)

這種變量噴霧技術(shù)主要依靠傳感器和視覺技術(shù)配合實(shí)現(xiàn)，使傳感器和視覺系統(tǒng)獲取的信息與農(nóng)機(jī)具進(jìn)行配套，通過植保機(jī)械行駛過程實(shí)施獲取農(nóng)田和作物的相關(guān)特點(diǎn)，并利用計(jì)算機(jī)快速對獲取的方案進(jìn)行判斷和形成決策。

3.3 對比情況

對比來說，基于處方圖的變量噴霧技術(shù)實(shí)施的技術(shù)難度相對更小，技術(shù)的普及相對容易，但其存在著對農(nóng)田信息掌握的實(shí)時(shí)性較差，植保作業(yè)實(shí)施具有明顯滯后性的特點(diǎn)，對于環(huán)境變化的適應(yīng)能力不足。而基于實(shí)時(shí)感知的變量噴霧技術(shù)對于農(nóng)田的變化適應(yīng)能力較好，作業(yè)的合理性更強(qiáng)，但其應(yīng)用對于傳感器和處理器的性能要求很高，項(xiàng)目實(shí)施過程不僅耗費(fèi)較大，而且難度較高。

4 變量噴霧技術(shù)的植保作業(yè)優(yōu)勢

4.1 作業(yè)過程的合理性明顯提升

具有變量噴霧技術(shù)的植保機(jī)具配套了先進(jìn)的定位和控制系統(tǒng)，機(jī)具作業(yè)的過程中對于行駛路線、行駛速度、噴藥量、噴藥高度的調(diào)整極為合理，作業(yè)過程中產(chǎn)生的重噴、漏噴、噴施量不合理問題有效改善，植保作業(yè)的效果大幅提升。

4.2 農(nóng)藥的有效利用率得到顯著改善

變量噴霧技術(shù)利用農(nóng)藥噴施量調(diào)控、高霧化噴施、對靶噴施、靜電噴施等技術(shù)使農(nóng)藥的作用得到充分發(fā)揮。據(jù)統(tǒng)計(jì)，合理地應(yīng)用變量噴霧技術(shù)，農(nóng)藥的有效利用率可達(dá)到60%～70%，有效避免農(nóng)藥使用過程中的浪費(fèi)問題。

4.3 植保機(jī)具作業(yè)的可靠性明顯提高

由于采用了多傳感器檢測和分路控制等方式，植保機(jī)具工作過程中出現(xiàn)的堵塞、霧化不良等問題得到有效改善，同時(shí)植保機(jī)具整體的結(jié)構(gòu)和制造品質(zhì)也得到明顯提升，作業(yè)過程中的故障率顯著降低。

4.4 生產(chǎn)過程的環(huán)境污染問題得到改善

利用變量噴霧技術(shù)單位面積的農(nóng)藥使用量明顯減少，使農(nóng)藥噴施對環(huán)境的污染問題明顯減輕，機(jī)具作業(yè)過程中的漏、滴問題明顯改善，化學(xué)植保的過程向著科學(xué)化和綠色化發(fā)展。

5 結(jié)語

近年來，各級政府和農(nóng)業(yè)主管部門都加強(qiáng)了對于農(nóng)藥使用的管理力度，要求在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的過程中合理化使用農(nóng)藥。具有變量噴藥技術(shù)特點(diǎn)的植保機(jī)械能夠良好實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的任務(wù)需求，做到科學(xué)利用農(nóng)藥進(jìn)行合理噴施，有利于更好地保證食品安全并減少植保作業(yè)造成的環(huán)境污染問題，其普及與應(yīng)用是我國農(nóng)業(yè)機(jī)械化生產(chǎn)向著精確化和科學(xué)化發(fā)展的表現(xiàn)。

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