浅谈变量施药技术发展现状

孙 鸿，韩子鑫，王 婧

（吉林省农业机械研究院，吉林长春 130022）

0 引言

改革开放以来，伴随着国内农业科学技术水平的快速提高，国家对农业技术的投资力度逐渐加大，对于发展高新农业技术的政策逐步完善，我国农业产值正在逐年攀升。目前我国的农产品产量居世界首位，但在农业生产环节中，主要以喷施农药作为防治虫、草、病害的有效方法。就目前国内农业生产过程中所消耗的农药仅有30%左右的有效利用率，这不仅会造成大量农药浪费，而且还会对自然资源造成严重的破坏，如果使用不当还会造成人员中毒，可见农药的施用技术是我国农业现代化可持续发展的重要环节。

最为我国农业现代化可持续发展的重要环节，关于变量施药技术已经成为现代农业植保的热点，变量施药技术先通过对田间虫、草、病害区域信息进行采集，再通过后台大数据云计算对被虫、草、病害侵蚀区域信息进行科学评估，最后通过变量施药对侵蚀区域进行按需施药。变量施药技术其优势在于有效提高农药利用率的同时最大限度的降低环境污染，国外对于变量施药技术的研究起步较早，不仅积累了丰富的经验而且还得到了广泛的发展及应用。我国开展农业施药装备起步较晚，绝大多数装备并不是根据田间被虫、草、病害侵蚀程度进行变量合理的施药作业，而是以落后的粗放式喷药装备不差别喷施农药，这种方式是对农药资源的极度浪费，农作物中的农药残留极度超标，农作物质量与产量发展严重失衡，生态系统遭到严重破坏，环境污染问题频发。

就目前我国变量施药技术的实际情况，需要充分调动龙头企业、高校、科研院所等对于研究农业变量施药植保技术的积极性，通过相互合作利用各自领域交叉学科的优势发展基于传感器技术、遥感技术、卫星导航、5G大数据等融合了先进科学技术的变量施药技术与装备，并得到大力推广。本文通过简述变量施药技术发展现状，总结现有技术的局限性及需要解决的问题。

1 变量施药技术现状

变量施药技术是现阶段我国农业现代化可持续发展的重要环节，首先需要获取田间农作物虫、草、病害被侵蚀的区域信息，其次需要对变量施药装备在田间的位置、运行速度、施药喷头压力等信息进行实时监控，最后通过大数据云计算等现代化技术对获取信息进行实时运算，制定最佳施药方案，随着机器在田间的行进完成按需施药，既保证了喷施农药的综合利用率，又在降低环境污染隐患的同时提升了农产品的质量。

1.1 防漂移技术

施药机器向前运行的过程中，由于施药喷头的施药方向与机器的行走方向相互垂直，施药喷雾会在空中发生沉降与漂移，如果施药机器运行速度过快将会造成70%～80%的农药浪费。为了改善传统施药喷头对农药的浪费，使用少漂喷头技术可以将施药喷雾在空中由于飘移所造成的农药损失降低30%～65%。少飘喷头防止药液飘移原理是在喷雾装置的喷杆上加装气力式防风屏障或者机械式防风屏障，加装防风屏障的施药机器可使传统施药机械的施药雾滴减少65%～81%，同时还可以有效提升了农药在作物上的附着量。

1.2 药液回收技术

药液回收技术是在喷雾装置的喷杆上加装药液回收设备，空中发生沉降与漂移的施药喷雾会经药滴收集槽、药滴过滤网等装置输送回配药箱，由此循环被回收的药滴会再一次由施药喷头喷出，这样不但能有效减少基于药液飘失所产生的环境污染，又能在一定程度上有效减小整体农药施用量，很大程度上缓解了农药资源的浪费。

1.3 静电喷雾技术

静电喷雾技术所采用的是在高压静电喷头与农作物之间创建一个静电磁场，当农药经过高压静电喷头时，会形成群体荷电药滴，在磁场的作用下，由喷头喷出的药滴会向目标农作物移动，并吸附于目标农作物表面。该项技术具有大幅提升农药利用率、提高药液沉积效率、降低农药漂移损失、降低环境污染等作用。

1.4 自动对靶技术

自动对靶技术的关键在于能够及时有效的获取农作物虫、草、病害侵蚀的区域信息，通过机械视觉系统对虫、草、病害侵蚀区域的症状及危害程度信息进行识别，通过大数据云计算等评估被虫、草、病害侵蚀区域的农作物特征信息，制定合理的变量施药方案，通过变量施药机械完成自动对靶施药，从而提高农药在作物上的附着率，同时还能有效降低成本和减少农药对环境的污染。目前主要有基于地理信息技术的自动对靶技术和实时信息采集的自动对靶技术，均可有效提高农药在作物上的附着率，减少农药在非目标农作物的沉降，从而获得理想的施药效果，自动对耙技术的难点是信息的采集、处理的准确性及系统的整体协调性。

1.5 自主行走技术

由于农作物间存在间隙小、有垄沟等阻碍变量施药装备在农作物间自由移动的问题。自主行走技术是根据系统预设轨迹或依据传感器的信号指令进行自主前行、停止及拐弯的技术。

1.6 植保无人机

由于生长到中后期的农作物普遍植株体型较大，这就给传统基于地面行驶的施药机械带来极大的局限性。农用植保飞机的出现为解决这一局限性提供了十分理想的途径，尤其在应对具有突发性质的虫、草、病害时效果拔群，但农用植保飞机并不适用于低空飞行，而且飞行时由于速度过快会对药液造成较大的飘移，使得施药效率较低。近些年来，随着小型无人机技术的发展，我国利用无人机对农作物施药的普及量正在与日俱增，无人机因其具有体积小、操作灵活、适应性强的优点，已经越来越受到农业植保的青睐。植保无人机在空中飞行的施药过程中由旋翼所产生的气流会使农药雾滴直接沉积于植物叶片的正反面，极大的提升了药物的弥散效果，对提高农药利用率、实现农业可持续发展具有重要意义。我国现已研发出多种适合于不同工况下的植保无人机，农户通过植保无人机对田地进行变量施药可以有效降低劳动力，提升农业资源利用率。由于植保无人机是在空中作业，所以可以完全规避基于地面作业的植保机械对农作物的碾压损害，可以方便快捷且有效的完成农作物在各个时期的植保工作。

2 变量施药存在的主要问题

近些年来，基于虫、草、病害识别的变量施药技术虽然已经取得了很多技术上的突破，但综合来看还不够成熟，固还面临着诸多问题。

1）由于缺乏关于变量施药相关技术的推广，农民对于变量施药技术仍然处于观望状态，认为变量施药机械的施药量对比于传统施药机械的施药量过少，不能有效根治草、病、虫害对农作物的威胁，从而放弃使用变量施药技术，仍然采用传统的施药方式。

2）变量施药装备的研发仍然处于探测技术与机电一体化的集成的初级阶段，基于我国国情，农业专用传感器研发生产较少，多数基于农业的传感器、控制与自动调节部件均采用进口方式，变量施药装备普遍存在装备市场售价过高、结构复杂、操作门槛高等问题，变量施药技术与产品的研发水平不能满足中国智慧农业发展的要求。

3）农业识别技术落后，很难在复杂环境下对农作物的生长状态做出准确的识别，农作物的生长环境相对复杂，通常农作物周围会伴有多种杂草与农作物的颜色相近的杂草，导致识别时误判频发。关于农作物虫、草、病害的云数据库并不完善，对于不同地区、不同生长阶段农作物特征的提取需要大数据的支持，固现有的技术无论是基于机器视觉还是光谱检测，对于准确识别农作物的相似虫、草、病害还存在着严重的不足。

4）真实环境与理论研究仍存在较大差异，以计算方法为核心的控制模型缺乏对不同作物、不同生长环境条件、同一作物不同生长期等开展深入系统的研究，导致整机控制程度低，各部分之间协调性差、自动化程度低、根据环境变化能力弱，各部件工作性能还需优化。机具部件存在工作故障时，系统没有自动修复能力，很多时候需要人工辅助。

3 结语

变量施药技术主要先进的传感技术、电子信息技术和自动化技术等的技术融合，实现对农作物植保的按需喷药，在保证农药施药效果的同时有效降低农药的施用量，在提高施药工作效率的同时，减少因过度施药而对环境造成严重的污染。未来应加大对农业科研与资金投入力度，加强变量施药技术与装备及部件的研发、应用及推广。大力开展农业专业传感技术与关键部件的研发，研发自主品牌的农业运算芯片，未来变量施药技术将植保领域推向简单化、智能化、精准化的方向。同时也要加大对变量施药技术的推广，切实的将技术应用到植保领域，提高虫、草、病害的防治能力，实现农作物的增产增收。

伴随我国科学技术的高速发展，变量施药技术是公共植保和绿色植保的重要组成部分，实现我国农业生产全程机械化的重要环节。变量施药技术为实现复杂变量喷洒的施药作业提供了技术基础，或将改善传统农业劳动力人口需求过多的现状，加速推动农业向集约型、精准型、可持续型转化，加快推进变量施药技术与装备的研发，对提高农作物虫、草、病害防治能力和促进农业高速发展及农民稳定增产增收具有重要意义。植保无人机的潜力不可小觑，应在植保无人机的人机分离技术、人药分离技术等进行深入研究，提高植保无人机的产品可靠性、工作效率、智能变量施药的准确性及现代化智能水平。研发单位应重视变量施药技术研发过程中与新兴技术的集成，尽量简化装置结构、降低设备操作门槛高、控制成本、重视技术推广，切实的将变量施药技术应用于农业植保过程中去。