我国是世界上水果生产最大的国家,2017年我国果园面积为11135.92khm2,水果产量为25241.9万t[1]。果园的植保作业是水果生产过程中不可或缺的一部分,其工作量占果园管理总工作量的30%,植保工作的质量与效率对水果品质和产量均会产生极大的影响[2]。

我国丘陵山地面积占我国国土面积的50%以上,由于地形特点(坡度大、存在大量的坡、埂、碎石等),大型植保机械无法使用,造成我国丘陵山区总体机械化水平不高,80%以上的施药工作仍然采用人工完成,已成为制约我国果品生产的重要因素[3]。因此,提高丘陵山区果园植保的机械化作业水平,改善作业条件,从而促进我国水果产业提质增效已成为业内共识。

本文对国内外丘陵山区果园植保机械的研究现状及发展趋势进行了综述,通过分析我国国情和参考国外先进的经验,总结了我国丘陵山区果园植保机械发展的存在问题,对我国丘陵山区果园植保机械发展趋势提出了合理性建议。

1、国外丘陵山区果园植保机械发展现状

1.1新型植保机械及无人机植保

目前农业发达国家将信息科学技术、智能计算机技术、卫星定位技术等先进技术融入植保机械的生产及使用中,使植保机械向精确化、智能化方向发展。

农业发达国家70%的农药喷洒由飞机完成[4]。日本果园分布比较散乱而且规模较小,其植保设备多采用小型无人机。图1所示为2018年日本东京千叶县幕张国际展览中心一架小型无人机,可负载农药10kg,每小时可喷洒4hm2地,喷洒效率可达人工喷洒的30倍以上。而且它拥有飞行高度低,抗漂移、抗风度高,穿透性强等优点,防治效果远高于地面植保机械[5]。与此同时日本还开发一种可通过设置感应电缆的方式沿预设路径行走的无人驾驶喷雾机,在丘陵山区地区得到了广泛的推广。

需要说明的是,日本果园地形大部分也以丘陵山区为主,与我国情况相似,因此我国可学习日本果园植保作业经验采用无人机喷洒施药。此种方式可远程操控无人植保机进行施药,不易对施药人员的人身安全造成伤害,对于改善果园植保作业条件是极为有利。

图1日本新型植保无人机

从欧美等农业发达国家来看,其果园机械化水平较高,植保作业基本采用果树行间行走高压风送喷雾或隧道式跨行自走循环喷雾,果园施药机械种类较多,包括喷雾式、柔性导管式等[6]。

美国、日本等发达国家非常重视植保作业对环境的影响,重点研究喷雾技术,精准对靶技术等减少农药漂移,提高农药利用率,降低农药使用量。

1.2先进的喷雾技术

喷雾技术是植保机械作业的关键技术,针对农药的喷洒提出了“智能喷洒、精确喷洒、选择喷洒”等概念[7]。如韩国的Tag-GyongKang等对果园静电喷雾沉积特性进行了研究,得出了喷雾最佳时的静电喷头孔径、充电电压以及气助流速[8]。美国SES公司将航空静电喷雾系统在市场推广,其工作时,雾滴体积中径约为150μm,远小于通常的350μm,有效地防止了药液的漂移,大大提高了农药的有效利用率[9],如图2所示。国外对静电喷雾技术进行了深入研究和推广,取得了良好的效果。

图2美国SES公司的静电喷雾系统

目前,欧美许多企业重视新型防飘喷头的研究,如美国喷雾系统公司生产的宽幅扁扇形喷头和低压扁扇形喷头:喷头具有喷雾自动控制的功能,在不同的工作压力下,会产生不同的雾形,使喷雾更好的附着于标靶[9]。此外,Womac等[10]也研发了一种可以通过调节活塞从而控制药液流量的喷头。

1.3精准对靶施药技术

精准对靶技术是降低农药浪费,提高农药利用率的重要方式之一,如何更为准确的获取靶标相关信息是该技术的精髓。1988年,Roper在已有喷雾机上安装超声波传感器来测量冠层结构,从而使植保机械完成变量喷雾作业[11]。近些年,MartinBéland、AljažOsterman、PallejaT等,利用激光扫描的方式测得树冠轮廓数据,同时调整喷头的喷洒角度和位置进行喷洒,实现精准施药[12,13]。Giles等利用机器视觉技术采集图像,实现精确对靶施药,达到减少农药残留的目的[14]。Stajnko等[15]设计了可通过超声波的反射强度来反应标靶冠层密度的一套精准对靶系统。

2、国内丘陵山区果园植保机械发展现状

目前国内植保机械设备较为落后只相当于发达国家20世纪60—70年代的水平,尤其是山地果园植保机械。我国80%左右的仍然是单管式喷雾器、踏板式喷雾器、压缩式喷雾器以及背负喷雾器,传统喷雾式需要较高的人力成本,且工作过程中仍然存在的“跑、冒、滴、漏”现象,农药的有效利用率较低,只为37%左右,浪费极其严重,存在一定的安全隐患[16]。因此针对丘陵山区果园提升植保机械的性能,促使其向农药利用率更高,对环境更友好的方向发展势在必行。

虽然我国植保机械设备较为落后,随着国家对新型、高效的果园植保机械研发与推广的重视以及大力支持,新型的果园植保机械正在逐步获得农户的认可,应用范围在逐年增加。

2.1国内部分丘陵山区植保机械应用概况

广东省内的山地果园主要使用手动喷雾器、踏板式喷雾器、电动喷雾机及管道恒压喷雾机,少数果园使用了背负式喷雾机、担架式喷雾机、推车式机动喷雾机、喷杆式喷雾机、风送式喷雾机等。

湖北省夷陵区山地果园植保机械的发展经历的阶段为:杆式喷雾器一背负式喷雾器一背负式机动喷雾器一人工柱塞泵一固定的电动机或者汽油机作动力的三缸可调压回流柱塞加压泵[17]。就施药工具的使用情况来说,山地果园施药方式在不断进化,施药工具的使用在不断发展。

浙江省永康市进行了农用无人植保机的示范推广。应用农用无人植保机后,每667m2大约节约30%～50%的农药使用量以及90%以上的用水量,在提高了农药利用效率的同时,节约了人工成本、农药要购买成本,提高了果品品质及产量[18]。

陕西省宝鸡市千阳县在引进自走式喷雾植保机械的同时,也开始引入无人机在果园植保方面尝试投入使用[19]。

北京市平谷区开展了“果园新型植保机械更新及配套技术入户”项目,项目开展后,使该地区的果园植保机械全面更新换代,为果农更新质量更高的自动卸压泵、喷枪、管线等植保机械装备[20]。项目的开展不仅提高了农药的使用效率,提高了果品的质量,而且还减少了农药残留对人体的伤害和对环境的污染,推动了丘陵山区果园机械化进程。

2.2国内丘陵山区植保机械研究进展

2003年何雄奎等[21]采用红外传感探测技术对果树靶标进行自动识别和控制研制出了高压静电喷雾装置,节省农药50%～70%以上。2009年吉林省林业科学研究院研发了一款新型适用于丘陵山区的高射程喷雾机其垂直射程高达20m,2013年又对其进行改进,使其射程达到22m以上[22]。

2014年华南农业大学的洪添胜等[23]对针对丘陵山区的植保机械做出了深入研究,并研制了能够保持喷雾压力恒定、防止爆管,还可以连接注肥枪或喷水枪,进行施用液肥或水,实现药肥水一体化的山地果园恒压喷雾机以及实现远程遥控的单相遥控电动喷雾机,如图3、图4所示。

图3单相遥控电动喷雾机

图4恒压喷雾机

国内的邓魏等[24]使用红外光线的反射光触发控制器的方法,实现自动对靶施药。翟长远等[25]提出了使用超声测距传感器的靶标外形轮廓探测方法的优势,并使用红外光电传感技术开发了针对幼树的靶标探测系统。

近年来,我国山区丘陵果园植保机械正向无人化、自动化方向发展。

2011年,雷小龙等[26]设计了一款能够完成在田间自动行走和自动喷雾的植保机械。2016年,姬广永等[27]将CPS运用到果园植保机器人上,使植保机器人除了具有感知和传输信息的功能外,还加入了对信息判断和反馈控制,实现了植保设备的信息化和自动化。2017年西南大学的陈魁等[28]针对山地丘陵地区设计了一款可以根据果树位置自动对靶的果园自动喷雾机,该喷雾机可进行自动手动控制的切换。2018年青岛农业大学的刘艳芬等研制了一种具有启停、速度控制、药量调整等动态管理功能的自走式喷雾智能果园植保机。

此外,安徽农业大学曹玮鑫等[29]针对丘陵山区地形设计了一种可远程操控的喷药机器人。如图5所示。

图5远程遥控式智能喷药机器人

该机器人最大爬坡角度达33°,作业速度达5.65km/h,机械臂水平调节角度能达到180°[29]。西南大学马驰等[30]针对丘陵山地柑橘果园设计了具备自动对靶、自动喷药功能的喷药系统,达到改善喷药质量、提升喷药效率等目的。

与此同时,国内越来越多的企业也开始重视丘陵山区果园植保机械的研发。许多国内企业也开始致力于新型果园植保机械设计、推广与生产。其中:3WFS-300A01型全自动自走式风送喷雾机,具有300L大容量药箱,工作效率可达0.67～1hm2/h。

图6、图7分别为国内公司生产的新型果园植保机械及植保无人机。

图6新型果园植保机械

图7可折叠植保无人机

使用植保无人机进行植保作业可以及时的控制大范围病虫害的出现,相较于地面植保机械而言,有工作效率高、适用于各种复杂地形、减少对施药者的损害等优点[31]。2014年以来,我国植保无人机保有量快速增加,未来将会有更为广阔的发展前景。

图8我国植保无人机保有量

虽然国内越来越多的研究人员开始对丘陵山区果园植保机械进行研究,但是在喷雾技术的使用、精准对靶技术的应用、植保无人机的研发等方面与国外仍然存在着较一定的差距,且我国多数研发的植保作业机械依旧处于示范推广阶段未能大面积实际运用于农业生产过程中。

3、我国丘陵山区果园植保机械发展的存在问题与建议

3.1我国丘陵山区果园植保机械发展中存在的问题

1)植保技术相对落后。

国外许多发达国家已经将信息科学技术、智能计算机技术、卫星定位技术等先进技术融入进植保机械的生产及使用中,达到了智能、精确、高效、安全的喷洒要求,而国内植保机械设备较为落后,多数研发的植保作业机械仍与国外存在一定的差距,且推广力度较差,未能实际运用于农业生产过程中。

2)植保机械单一化。

国外植保机械品种多样且环境适应性较强,而我国目前丘陵山区果园的植保机械产品单一,制造水平、使用程度与发达国家存在很大的差异,远远不能适应我国国情的要求。

3)农机与农艺结合较差。

国外的农业植保机械和果园农艺之间能相互适应,构成了较为完善的植保机械作业的运行系统。而我国没有制定相关的果树种植标准,植保机械生产企业、农药制造商、政府相关部门之间缺乏必要的沟通,且我国缺少完整规范的施药体系,致使无法达到农机农艺相结合的要求。

4)国内植保机械易造成环境污染。

相对于美国、日本等发达国家来说,我国农药使用量高,农药利用效率较低,容易造成对环境严重污染以及对施药者造成人身伤害。

3.2我国丘陵山区果园植保机械发展建议

1)借鉴国外植保的经验,学习国外的植保技术,如机电一体化技术、精准对靶技术、喷雾技术等,引进国外先进的适合于丘陵山区果园植保机型,并且在此基础研发和推广适用于我国丘陵山区果园作业的植保机具。

2)鉴于丘陵山区存在大量的坡、埂、碎石等,其地形条件较差,大型植保机械无法使用,因此,针对丘陵山区的特殊地形应重点开发低成本、高效率、低污染的小型、轻便的果园植保机械。针对我国各地区的丘陵山区不同环境,不同果树,研究与使用不同的植保机械预计是丘陵山区果园植保机械的发展趋势之一。

3)由于丘陵地区使用的小型果园植保机械由于研发难度较大,推广较为困难而且利润较低等因素,使得许多企业望而却步。因此,着重增加政府对适用于丘陵山区果园的小型农机具的研究和生产的重视程度,加大政府补贴力度,将会极大提高目前丘陵地区果园植保农具机械化的程度。同时应根据我国国情,制定一套针对我国丘陵山区特殊地形的农药使用技术体系与使用规范,建立山区果园植物保护服务机构,定期给山区果农传授安全、合理的施药知识与技术,全面提高我国广大果农的植保水平和环保意识。

4)在果园施药过程中,避免农药对果农的损害以及减少农药损失提高农业喷洒效率,降低农药残留对环境的污染,是现代植保机械发展水平的重要标志。应尽快提高针对丘陵山区果园的植保机械的技术水平研究和开发新的基础部件并开发新型产品,推动我国植保机械的全面更新换代,为我国广大山区果农提供安全、高效的的植保机械。

4、结论

1)目前我国山地果园植保机械和施药方式相对落后,阻碍了我国果品品质及效益的提高和果品产业的进一步发展,研发小型轻便的、适用于丘陵山地果园的智能化植保机械势在必行。

2)国外的先进植保经验表明:植保无人机是丘陵山区果园植保机械发展的方向之一。无人机作为一种新型的植保机械,其不受地形影响、安全、高效的特点,正能有效地解决我国丘陵山区果园施药的各方面问题。

3)对现有的植保机械进行更新换代,将精准对靶技术、机电一体化技术、变量施药技术等先进的科学技术应用于植保机械的生产及使用过程中,能有效的提高施药效率以及农药有效利用率。

参考文献：

[1]国家统计局.果园面积统计[DB/OL].

[2]李艳丽.浅议果园植保机械现状与技术需求[J].科技致富向导,2010(17):91-91.

[3]刘小伟.丘陵山区农业机械化发展路径选择[J].现代农业装备,2018(1):13-17.

[4]沈建文.农药喷洒机械化势在必行[J].北京农业,2012(7):36-36.

[5]张鹏.日本植保无人机展2018东京国际展览中心盛会[EB/OL].

[6]常有宏,吕晓兰,蔺经,等.我国果园机械化现状与发展思路[J].中国农机化学报,2013(6):21-26.

[7]白鹏.基于Android的果园自动对靶风送式喷雾试验台的研制[D].泰安:山东农业大学,2016. 

[8]黄贵,王顺喜,王继承,等.静电喷雾技术研究与应用进展[J].中国植保导刊,2008,28(1):19-21.

[9]董福龙,周宏平.国外植保喷头技术开发进展[J].江西农业大学报,2018,40(4):866-874.

[16]齐鹏.我国植保机械的现状、存在的问题及其对策[J].科学种养,2017(11):6-8.

[17]郑祖江,田开凤,汤先锡.山地果园植保机械化技术研究与配套[J].湖北农化,2009(3):31-32.

[18]李虹甫,施妙录.浙江丘陵地区农用无人植保机的示范推广分析[J].中国农业信息,2017(20):53-54.

[19]唐国芳.千阳县植保无人机应用现状及发展前景展望[J].科学种养,2017(8):7-8.

[20]宫少俊,宫福生,王立成.果园新型植保机械科技入户项目成功实施背后的思考[J].北京农业,2007(33):79-81.

[21]何雄奎,严苛荣,储金宇,等.果园自动对靶静电喷雾机设计与试验研究[J].农业工程学报,2003(6):78-80.

[22]雒鹰,山广茂,黄国樑,等.6HW-12B高射程森林病虫害防治喷雾机的研制[J].森林工程,2015,31(3):85-89.

[23]洪添胜,张衍林,宋淑然,等.山地果园运输与喷雾机械的研究与应用[J].现代农业装备,2014(5):21-27,31.

[24]邓巍,丁为民,何雄奎.PWM间歇式变量喷雾的雾化特性[J].农业机械学报,2009,40(1):74-78.

[25]翟长远,赵春江,王秀,等.树型喷洒靶标外形轮廓探测方法[J].农业工程学报,2011,26(12):173-177.

[26]雷小龙,马荣朝,雷顺波,等.自控式植保喷雾机械的研制[J].中国农机化学报,2011(4):79-82.

[27]姬广永,艾长胜,杨婷松,等.基于CPS的果园植保机器人系统体系结构设计[J].计算机与现化,2016(10):100-103.

[28]陈魁,李光林,李晓东,等.果园喷雾机喷头自适应运动与自动喷雾控制系统研制与试验[J].西南大学学报(自然科学版),2017,39(4):178-184.

[29]曹玮鑫,张金砖,李东坤,等.远程遥控式智能果园喷药机器人的设计[J].湖北农业科学,2018,57(8):114-116,122.

[30]马驰,李光林,李晓东,等.丘陵山地柑橘果园多方位自动喷药装置研制[J].农业工程学报,2019,35(3):31-41.

[31]田志伟,薛新宇,李林.植保无人机施药技术研究现状与展望[J].中国农机化学报,2019,40(1):37-45.

张悦,宋月鹏,韩云,张红梅,樊桂菊,张晓辉.丘陵山区果园植保机械研究现状及发展趋势[J].中国农机化学报,2020,41(05):47-52.

基金:十三五国家重点研发计划(2018YFD0700604);山东省现代农业产业技术体系创新团队专项—果品创新团队专项资金(SDAIT—06—12､SDAIT—06—1);山东农业大学“双一流”科技创新团队专项(SYL2017XTTD07);山东省农机装备研发创新计划(2017YF003).