設(shè)施園藝利用特定設(shè)施創(chuàng)造適應作物生長的環(huán)境,是作物優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、高效生產(chǎn)的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)模式。 目前,荷蘭、美國、日本等設(shè)施園藝發(fā)達國家已完成機械化和 自 動 化, 正 處 在 信 息 化 向 智 能 化 發(fā) 展 的 進 程中[1] 。 我國設(shè)施溫室種植面積位居世界第一,但設(shè)施生產(chǎn)仍主要依靠人工作業(yè),機械化水平低,施藥裝備是其中薄弱環(huán)節(jié)之一。

　　化學農(nóng)藥仍是當前設(shè)施溫室病蟲害防治的主要方法,農(nóng)藥用量為大田作物的幾倍甚至十幾倍。 我國設(shè)施溫室施藥裝備仍以背負式手動或電動噴霧器為主, 其霧滴粒徑大、沉降快,易從作物靶標上流失,無法滿足生物最佳粒徑理論[2 - 3] ;霧滴沉積分布均勻性差,嚴重影響農(nóng)藥防治效果;機具作業(yè)效率低,產(chǎn)品標準化程度不高,技術(shù)含量較低,農(nóng)戶為保障施藥效果盲目增加農(nóng)藥用量,導致農(nóng)藥利用率低、蔬菜產(chǎn)品農(nóng)藥殘留超標、生態(tài)環(huán)境污染等問題,且密閉環(huán)境對施藥人員健康傷害大。 因此,開展精準、高效、智能施藥技術(shù)與裝備研究是現(xiàn)代設(shè)施園藝高效生產(chǎn)的迫切需求,也是目前國內(nèi)外的研究熱點。

　　筆者對國內(nèi)外設(shè)施園藝生產(chǎn)中常用的施藥裝備收稿日期: 2020-11-26 基金項目: 國家重點研發(fā)計劃項目(2016YFD0200708) 作者簡介: 郭 娜( 1983 -) ,女,河北保定人,講師,博士,( E - mail) guona_stacy@ 163. com。通訊作者: 李天來(1955-) ,男,遼寧綏中人,院士,博士生導師,( Email) ltl@ syau. edu. cn。進行了分類介紹,綜述了導航技術(shù)、變量施藥技術(shù)、對靶施藥技術(shù)、風送施藥技術(shù)、靜電噴霧技術(shù)、可控霧滴粒徑技術(shù)等在設(shè)施精準施藥技術(shù)的研究進展,并對精準施藥技術(shù)未來的發(fā)展進行了展望。

　　1 設(shè)施園藝施藥技術(shù)及裝備

　　目前,設(shè)施園藝生產(chǎn)中常用的施藥技術(shù)和裝備根據(jù)其霧化原理可分為壓力式和氣力式兩種。

　　1. 1 壓力式施藥技術(shù)與裝備壓力式噴霧利用手動或噴藥泵加壓使混合液體經(jīng)過噴嘴噴孔破裂霧化噴出,改變噴霧壓力與噴孔直徑可改變霧滴粒徑和噴霧量。 我國設(shè)施園藝生產(chǎn)中應用廣泛的背負式手動/ 電動噴霧器、推車式機動噴霧機、懸掛式噴灌機等多采用該霧化原理,如圖 1 所示。國外大型溫室在黃瓜、西紅柿等吊蔓栽培作物的施藥時多采用豎直噴桿噴藥機,圖 1( d) 為荷蘭 Metazet 公司的噴藥機。 但是,壓力式施藥技術(shù)所產(chǎn)生的霧滴粒徑多大于 100μm,在作物冠層中穿透性較強,霧滴在靶標上不易附著,造成農(nóng)藥流失嚴重,同時用水量大, 會使溫室內(nèi)濕度增加,誘發(fā)作物其它病害。

　　1. 2 氣力式施藥技術(shù)與裝備氣力式霧化又稱為氣液二相流霧化,其利用高壓空氣產(chǎn)生高速氣流實現(xiàn)空氣與藥液混合霧化成均勻細小的煙霧后噴出[ 4] 。 其霧滴粒徑小,附著性好,在空氣中長時間彌漫擴散沉降到靶標,施藥用量較少, 稱為超低容量噴霧,且對溫室濕度影響較小,是設(shè)施園藝中普遍使用的新型高效施藥技術(shù),已成為國內(nèi)外學者的研究熱點。氣力式施藥裝備根據(jù)其氣流產(chǎn)生方式分為常溫煙霧機和熱煙霧機兩種,其移動方式主要為背負式、固定式和移動式,如圖 2 所示。

　　常溫煙霧機利用常溫高壓高速氣體把藥液破碎成細小霧滴,并輔助風機將霧滴送達遠處作物。 常溫煙霧機在塑料大棚中一般固定在大棚中軸線上,日光溫室多為移動式,可在溫室北側(cè)或上部軌道上行駛,并改變噴頭高度或角度來提高施藥均勻性[ 5 - 6 ] 。 國內(nèi)外學者對其性能參數(shù)、沉積分布特性等進行了大量試驗分析,發(fā)現(xiàn)霧滴覆蓋率沿送風方向隨距離增加,在一定距離到達峰值后再逐漸減小,垂直送風方向上呈兩側(cè)多中間小的趨勢[ 7 - 10 ] ,且提出了各種提高霧滴沉積均勻性的方法[ 11-12 ] 。

　　2 設(shè)施精準施藥技術(shù)研究現(xiàn)狀

　　精準施藥技術(shù)將自動控制技術(shù)、傳感器技術(shù)、信息技術(shù)、電子技術(shù)等先進技術(shù)應用到施藥裝備上,可實現(xiàn)農(nóng)藥的低量、精準、少污染、高工效、高防效噴灑, 提高了裝備的可靠性、安全性及便捷性[ 2] 。 國外已研發(fā)出一系列精準施藥裝備,如圖 3 所示。 荷蘭 Berg Hortimotive 公司的智能噴藥機器人配合運輸車可實現(xiàn)噴藥機器人在過道的自動移動,實現(xiàn)了全自動無人噴藥;荷蘭 Holland Green Machine 公司的 S55 系列噴藥機器人在鋪設(shè)的軌道上進入作物行間進行噴藥,并可配備雙流體噴頭提供更細小的霧滴和覆蓋面積,也可配備混藥裝置實現(xiàn)農(nóng)藥的在線配比[ 24] 。

　　國內(nèi)外學者對于設(shè)施精準施藥技術(shù)的研究主要集中在以下幾個方面。

　　2. 1 設(shè)施施藥裝備的導航控制導航控制能夠?qū)崿F(xiàn)作業(yè)機械在溫室狹窄環(huán)境的自主行駛,是實現(xiàn)溫室內(nèi)自動化施藥、采摘、運輸?shù)茸鳂I(yè)的基礎(chǔ)技術(shù),能夠大幅減輕勞動強度。 目前,溫室設(shè)備的導航策略大致可以劃分為軌道導航、引導導航和自動導航 3 種。

　　2. 1. 1 軌道導航控制軌道導航控制是指在溫室鋪設(shè)軌道或吊裝的軌道,施藥裝備只需沿軌道進行施藥作業(yè)即可,對控制算法要求較低,可靠性高且穩(wěn)定性好,但該方法需要前期投入大量建造成本,且只能沿軌道移動,靈活性較差。 國外設(shè)施農(nóng)業(yè)強國的溫室結(jié)構(gòu)高、空間大,多采用此種方法,利用作物行間鋪設(shè)軌道或利用加溫的熱水管路用于施藥設(shè)備的自主行駛[ 20-22] ,如圖 4( a) 所示。

　　2. 1. 2 引導導航控制引導導航控制是指移動設(shè)備沿預先布置好的磁條、色帶等引導標志構(gòu)成的路徑行駛,技術(shù)比較成熟, 且其導航路徑與引導標志的布置,可根據(jù)溫室環(huán)境調(diào)整引導標志位置,具有一定的靈活性。電磁導航在溫室預鋪設(shè)電磁誘導線,車身布置的電磁傳感器檢測誘導線獲得路徑信息,控制噴藥設(shè)備沿誘導線移動和自動噴霧[ 27 - 2 8] 。 王鵬等利用視覺獲取直線路徑的導航線實現(xiàn)直線導航,識別 QR 碼進行轉(zhuǎn)彎控制[ 29] 。 胡焉為提出一種基于信標識別和雙目視覺的定位與建圖算法用于溫室 AGV 車的定位和地圖構(gòu)建[ 30] 。 Julián 等利用激光發(fā)射器發(fā)射的激光在作物行間和通道形成激光引導網(wǎng)絡(luò),利用攝像機識別激光點,引導作業(yè)車在溫室內(nèi)行駛[3 1] 。

　　2. 1. 3 測距導航測距導航采用超聲波傳感器、紅外傳感器、激光雷達等測量移動設(shè)備與周圍物體的距離,控制車體始終與路沿等處于相對穩(wěn)定的位姿范圍內(nèi)行駛,也可用于檢測障礙物,實現(xiàn)實時避障,提高安全性能。

　　2. 2 變量施藥技術(shù)變量施藥技術(shù)源自于精確農(nóng)業(yè)思想,是一種施藥量控制技術(shù),可根據(jù)作物病蟲害程度調(diào)整施藥量[ 64] , 并可根據(jù)機具前進速度調(diào)整施藥量,保證在機具前進方向上單位面積施藥量均勻[ 65 - 66] ,在大田、果園、無人機施藥中有著廣泛研究和應用[6 7 ] 。流量調(diào)節(jié)的實現(xiàn)手段主要包括壓力式、脈寬調(diào)制式(Pulse Width Modulation,PWM) 及注入式 3 種[ 69] 。壓力式變量施藥通過直接或間接的方式調(diào)整噴頭工作壓力來控制噴頭的流量,實現(xiàn)簡單,但噴頭壓力的變化會對噴頭霧化性能造成很大的影響,且流量調(diào)節(jié)范圍比較小[ 39 , 70-72] 。 PWM 式變量施藥通過控制與噴頭相連的高速開關(guān)型電磁閥的脈沖信號占空比來實現(xiàn)[ 73-76] ,注入式變量施藥又稱為在線混藥式,農(nóng)藥與水溶劑分別存放在不同的容器中,藥液與水在管路中實時混合[ 68 - 69] ,該技術(shù)在溫室噴藥中尚未見應用,但能夠?qū)崿F(xiàn)農(nóng)藥的在線配比,避免人員與農(nóng)藥直接接觸,安全性更高,具有一定的研究價值。

　　2. 3 對靶施藥技術(shù)對靶施藥技術(shù),是指施藥機具根據(jù)作物靶標的位置、高度、冠層體積及病蟲害情況,實時精確控制噴灑位置和施藥量,避免了藥液的浪費,提高了施藥精準性,與基于實時傳感器的變量噴藥技術(shù)相似[ 69 , 77] 。

　　2. 4 風送施藥技術(shù)風送施藥技術(shù)利用輔助氣流將霧滴進一步霧化成細小霧滴,氣流一方面可將霧化后的霧滴攜帶送入靶標內(nèi)部或到達較遠靶標上,另一方面可促進葉片翻動,提 高 霧 滴 在 作 物 正 反 面 獲 得 更 好 的 沉 積 效果[94 - 97] 。 該技術(shù)在大田、果園噴藥領(lǐng)域被廣泛研究和應用[ 67] ,也逐漸成為溫室高效施藥技術(shù)的研究熱點之一。

　　2. 5 靜電施藥技術(shù)靜電噴霧技術(shù)是指利用高壓電極在噴嘴與靶標之間建立靜電場,使霧化后的霧滴帶有電荷,在電場力和其它外力的驅(qū)動下,向靶標做沉積運動的施藥方法[ 111] 。 與常規(guī)施藥技術(shù)相比,靜電施藥的霧滴粒徑小,在靜電場的作用下在靶標附著率高,可深入靶標作物的內(nèi)部沉積到葉片的背面,且?guī)�同種電荷的霧滴由于 相 斥 在 靶 標 作 物 分 布 更 均 勻, 節(jié) 省 農(nóng) 藥 用 量 30% ~ 50%,防治成本降低 50%左右,是提高農(nóng)藥利用率的重要技術(shù)之一[ 16 , 112-113] 。

　　3 展望

　　1)適合我國設(shè)施溫室的精準施藥技術(shù)。 我國設(shè)施溫室種類多,北方主要為日光溫室,南方則以塑料大棚為主,溫室結(jié)構(gòu)多樣,空間狹小,作物種類多,種植模式多,缺乏標準化生產(chǎn)農(nóng)藝流程,導致施藥機械工作環(huán)境復雜。精準施藥技術(shù)與裝備的研發(fā)應結(jié)合我國設(shè)施溫室結(jié)構(gòu)、作物種類、種植模式、作物的生長階段、農(nóng)藥的劑型、病蟲害特征等因素開展研究,以各地區(qū)溫室植保生產(chǎn)需求為研發(fā)依據(jù),分析總結(jié)不同植保作業(yè)的共同特征,研制適合不同溫室工作環(huán)境、不同作物的專業(yè)化精準施藥機械,推進設(shè)施植保機械專業(yè)化、標準化、輕簡化。

　　2)設(shè)施施藥裝備的智能控制技術(shù)。 設(shè)施溫室施藥裝備智能控制技術(shù)應圍繞導航控制和噴藥控制逐步展開,以溫室無人自主精準施藥為目標,從實際生產(chǎn)出發(fā)考慮施藥裝備經(jīng)濟性,針對我國溫室的生產(chǎn)環(huán)境,構(gòu)建靈活以激光發(fā)射器、磁標志、色帶等為引導標志的導航網(wǎng)絡(luò),結(jié)合測距導航和慣性導航,在優(yōu)化直線導航精度的基礎(chǔ)上,重點開展施藥機械在狹小地頭換行的轉(zhuǎn)向控制策略研究。 確定有效的施藥裝備底盤結(jié)構(gòu),開展低成本、高效、穩(wěn)定的全自動導航控制系統(tǒng)研發(fā);開展基于作物高度、體積、冠層稠密程度等靶標信息的對靶施藥技術(shù),建立作物稠密程度與施藥量之間的模型,研制變量噴藥控制系統(tǒng),以實現(xiàn)對靶變量噴藥,減少農(nóng)藥使用量,提高農(nóng)藥利用率。

　　3)設(shè)施溫室高效施藥技術(shù)研究。 設(shè)施溫室高效施藥要結(jié)合氣力式霧化、靜電噴霧、風送施藥、可控霧滴等技術(shù)展開以實現(xiàn)低容量/ 超低容量噴霧,加強其霧化理論和機理研究,加強霧滴沉積運動規(guī)律的研究,加強噴頭等低容量噴藥系統(tǒng)關(guān)鍵部件的自主研發(fā),考慮作物冠層結(jié)構(gòu)和病蟲害類型,利用 CFD 技術(shù)對風場和霧場進行仿真分析,分析風量、風速、風向、噴霧距離與角度等對霧滴沉積的影響,建立不同作物的風送模式和風力需求模型,優(yōu)化風送系統(tǒng)參數(shù),以提高施藥均勻性和霧滴在冠層內(nèi)部和葉片背面附著率。

　　參考文獻:

　　[1] 齊飛,李愷,李邵,等. 世界設(shè)施園藝智能化裝備發(fā)展對中國的啟示研究[ J] . 農(nóng)業(yè)工程學報,2019,35( 2) :191- 203.

　　[2] 何雄奎. 中國精準施藥技術(shù)和裝備研究現(xiàn)狀及發(fā)展建議 [ J] . 智慧農(nóng)業(yè),2020,2(1) :133-146.

　　《設(shè)施園藝植保裝備及其精準施藥技術(shù)研究進展》來源：《農(nóng)機化研究》，作者：郭 娜1a,3 , 田素博2 , 須 暉1a,2 , 關(guān)旭生1b , 李天來1a,2

轉(zhuǎn)載請注明來自：http://www.jinnzone.com/nongyehuanjingkexuelw/74438.html