摘要:植物化學保護即使用植保機械噴施化學農藥是當前最主要的病蟲害防控方法，一直以來對保障農業生產安全與糧食有效供給起至關重要作用。能夠實現按需精準施藥、變量施藥、人機分離與人藥分離的高效、精準、智能的施藥技術和裝備是提高農藥藥效與利用率的保證，也是保障食品安全、降低農民勞動強度的重要措施，是目前國內外研究的熱點。本研究對精準施藥關鍵技術及研究現狀進行了分析，對適用于不同作業場景的精準施藥裝備的研究現狀、典型代表、應用進展等進行了分類總結，分析了目前精準施藥發展中面臨的挑戰，并提出了對策和建議。本研究可為精準施藥技術研究的推進、智能施藥裝備的研發和現代化農業的發展提供參考和思路。

　　關鍵詞:精準施藥;變量施藥;自動對靶噴霧;仿形噴霧機;噴桿噴霧機;無人機

　　農機論文投稿刊物：《南方農機》(雙月刊)創刊于1970年，由江西省農業機械研究所、江西省農業機械化技術推廣站、江西省農業機械學會主辦。本刊是國內外公開發行，頗有南方特色的農機化技術刊物，以全面推介南方適用農業機械，大力普及實用農機科技為宗旨，謁誠為廣大農村機手、農機生產和銷售企業、基層農機工作者、農機科技人員服務。

　　1引言

　　農藥在保障國家糧食安全和農產品有效供給中發揮著不可替代的作用。自1997年起，中國成為世界上最大的農藥生產國與使用國[1]，但中國施藥技術與植保機械發展水平卻和農藥高速發展水平極不相稱，農藥有效利用率僅為20%~40%[2]。此外，現階段中國農業還存在農藥用量大、利用率低、植保機械作業效率低、農民勞動強度大、農產品農藥殘留超標等問題。

　　傳統植保作業通常在作業區域內使用同一施藥量進行單一連續噴霧作業。由于此種作業方式未考慮作業區域內病蟲草害的分布情況與差異等特點，容易造成農藥有效成分在病蟲草害嚴重的區域用量不足，而在輕微或沒有發生的區域用量過度。進入21世紀以來，美國、日本、歐盟等陸續將自動化、信息化技術與新型傳感器應用于精準施藥技術和智能植保機械的研發，農藥利用率迅速提高到50%~60%的高水平[3]。

　　為改變中國精準施藥技術落后的局面，提高植保機械作業精準與自動化水平，科學技術部、國家自然基金委、農業農村部等資助了一系列精準施藥技術和裝備的研發項目。中國農業大學、華南農業大學、南京農業大學、中國農業機械化科學研究院、國家農業信息化工程技術研究中心、農業農村部南京農業機械化研究所等單位基于中國農業生產實際情況，發揮院校、科研院所在農業工程、植保機械、植物保護、農藥學和農學等學科交叉領域的優勢，融合傳感器探測、遙感、機電一體化、衛星導航等多種前沿技術，并聯合部分裝備制造企業，研發出一系列精準施藥技術，創制了一批新型現代化植保裝備，并在農業生產中大量推廣。

　　利用精準施藥技術與高效施藥裝備可有效減少農藥使用量、提高農藥利用率、減少農藥對環境的污染，實現對不同種類作物的精準施藥。本研究系統闡述了中國精準施藥技術的研究現狀，概述了中國創制的適用于不同作業場景的精準施藥裝備，解析了精準施藥技術與裝備如何解決植保作業中存在的問題，并針對目前中國精準施藥發展中面臨的挑戰，提出了發展對策和建議。本研究為精準施藥技術研究的推進、智能施藥裝備的研發提供了參考，可為中國農藥減量計劃的推進和農業現代化發展提供新方法和新思路。

　　2精準施藥關鍵技術及研究現狀

　　精準施藥技術是通過傳感探測技術獲取噴霧靶標即農作物與病蟲草害的信息，利用計算決策系統制訂精準噴霧策略，驅動變量執行系統或機構實現實時、非均一、非連續的精準噴霧作業，最終實現按需施藥[4]。技術體系包括探測技術、施藥控制系統及算法、噴霧控制技術等。施藥技術與施藥裝備正向著智能、精準、低量、高效方向發展。表1為國內精準施藥關鍵技術的主要研發團隊和研究內容。

　　研究了樹冠內霧滴穿透比例分布規律，構建了風送噴霧霧滴冠層穿透模型。精準施藥技術是智慧農業的重要技術組成部分，也是信息時代精準農業發展的重要特征之一[16]，在提高農藥利用率、減少農藥用量與殘留和降低環境風險等方面的巨大潛力和廣闊前景已獲得普遍的國際認同[1]，符合當前日趨嚴格的環保要求[17]。經過科研人員多年努力，中國精準施藥技術已取得長足進步，為智能施藥裝備的發展提供了良好的技術基礎，但目前精準施藥技術仍存在定位系統精度不足、關鍵技術的協調性差、傳感器新技術的產業化難度大等問題，后續需對這些問題進行針對性研究。

　　3精準施藥裝備研究進展

　　依托精準施藥技術的發展，中國精準施藥裝備的發展也非常迅速。果園自動對靶噴霧機、基于風量調節的果園變量噴霧機、玉米田間自動對靶除草機、可調地隙與輪距的高地隙自走式噴桿噴霧機、自適應均勻噴霧機、循環噴霧機以及仿形噴霧機等新型施藥裝備紛紛問題，實現了農藥的精準噴施，大大提高了農藥利用率。此外還有遙控自走式作物噴桿噴霧機和植保無人機，它們實現了人機分離和人藥分離，非常適合中國中小型農場的減量精準施藥技術要求，發展迅速，深受用戶歡迎。

　　3.1果園自動對靶噴霧機

　　為解決傳統果園噴霧機無法識別靶標及靶標間空隙差異連續噴霧而造成農藥浪費和環境污染問題，研究人員開展了一系列針對果園自動對靶噴霧裝備的研究探索。表2為中國研制成功的果園自動對靶噴霧機典型成果及關鍵技術點。

　　目前果園自動對靶噴霧機的關鍵技術集中于紅外傳感激光測距和超聲波等。相比于傳統的風送式果園噴霧機，自動對靶噴霧機能夠提高在目標冠層及葉片背面的沉積量，且沉積均勻，使農藥沉積利用率達到52.5%，實現節藥40%~60%，減少霧滴的飄失及農藥浪費，提高農藥利用率及防治效果[31]。但是，目前自動對靶噴霧機靶標識別過程中產生誤判概率高，尤其是在復雜環境中精準識別靶標的能力不強，在識別精度上仍有提高空間。

　　3.2果園風送變量噴霧機

　　中國各地果園大多密植且布局形態各異，果樹冠層在不同生長周期枝葉茂密程度不一，葉面指數(LeafAreaIndex，LAI)在生長期內由0不斷增大直至最大值，傳統的純液力噴霧機難以穿透枝葉茂密的果樹冠層在樹膛內沉積，且在早期的稀疏冠層內容易造成霧滴飄失。

　　傳統果園噴霧機因茂密的枝葉霧滴難以穿透冠層，而采用風力輔助輸送霧滴，可以提高霧滴在果樹冠層的穿透和沉積分布。同時，風送噴霧機利用氣流輔助技術，可脅迫霧滴定向沉積至目標冠層，在此過程中氣流進一步第二次破碎霧滴同時翻轉擾動冠層內部枝葉使得霧滴沉積到目標冠層內部，從而增加霧滴在目標冠層內部的穿透能力、葉片背面的沉積量、沉積分布均勻性，提高病蟲害防治效果。

　　聯合國糧食及農業組織(FoodandAgricultureOrganizationoftheUnitedNations，FAO)于20世紀60年代在全球推廣風送噴霧技術，中國在20世紀80年代引進該技術并進行了推廣應用取得了良好的防治效果[32]。但在實際果園噴霧作業過程中，同一植株在不同生長周期冠層枝葉茂密程度不同，所需風量不同，傳統風送噴霧機無法根據枝葉稀疏度調整風量作業，導致不同生長周期的目標冠層風量不足或過量，從而造成霧滴難以在目標冠層有效沉積。

　　風送變量噴霧機能夠依據果樹不同生長周期及冠層枝葉稠密程度實時調節風速與風量，以保證目標冠層有效沉積提高噴霧質量。目前國內多個團隊已經研制出了多種風送變量噴霧機。基于蠕動泵與靜態混合器設計的實時混藥模塊與基于測速單元與冠形探測單元設計的變量噴霧模塊分別單獨控制，構建三種不同類型靜態混合器的三維模型。設計四指噴頭、五指噴頭、六指噴頭三種不同結構的多流道噴頭，在風速流場和霧化性能方面進行了仿真模擬和試驗。基于激光雷達探測技術，研究了果園變量對靶噴霧系統信息采集方法，變量對靶噴霧系統實時控制方法，開發了變量對靶噴霧控制系統軟件。

　　3.3果園自動仿形變量噴霧機

　　精準施藥需要依靠傳感器探測技術獲取的作物冠層信息，國內外研究者針對傳感器探測技術進行了諸多研究。翟長遠等[22]研究了樹型噴灑靶標外形輪廓探測方法，基于超聲傳感器研制了靶標外形輪廓探測試驗平臺;Lee等[39]、Tellaeche等[40]、Feyaerts等[41]利用多光譜等圖像傳感探測技術對特征各異的雜草進行識別。近年來，激光傳感器(LightDetectionandRanging,LiDAR)由于探測精度高，其在農業領域的應用也越來越廣泛[42]，超聲波、圖像傳感器技術也為變量噴霧提供了實現手段[43]。

　　為進一步提高農藥利用率、噴霧作業的自動化及精準程度，降低農藥的使用量，國內科研機構開展了技術攻關。2013年，中國農業大學聯合無錫市中波機械制造有限公司在果園自動對靶噴霧機及自走履帶式風送果園變量噴霧機的基礎上，成功研制出果園自動仿形變量噴霧機，該機通過掃描角度為270°的LiADR激光傳感器實時獲取樹冠特征信息，并根據冠層分割模型及變量決策算法實時調節風機風量和噴頭流量，進而實現自動仿形變量噴霧。具體實現流程如下：

　　以LiADR激光傳感器為探測源不間斷的掃描機具兩側的果樹冠層，控制系統將收集到的點云信息進行處理同時根據果樹冠層邊界、密度及體積特征將果樹冠層分割成若干個冠層單元[29]，通過冠層單元體積所需風量及噴量改變電機及電磁閥的PWM占空比[44]，實時調控電動風機出風量及噴頭噴量。該機縱向沉積分布呈仿形結構，各冠層單元沉積均勻，與定向風送噴霧機相比，可降低用藥量45.7%，而霧滴飄移及地面流失分別減少23.2%及67.4%[45,46]。該機在之前成熟的自動對靶、變風量技術的基礎上，針對植株冠層特征創新實現了仿形變量噴霧，提高了農藥利用率，為果園精準噴霧機提供了新設計、新思路、新結構。

　　3.4大田變量噴桿噴霧機

　　噴桿噴霧機是大田管理作業中最為常見的施藥機械，主要針對種植在大田中的小麥、大豆及甜菜等主糧作物或經濟作物，可有針對性地噴施殺蟲劑、殺菌劑、除草劑及植物生長調節劑等。然而，這種連續均勻的傳統施藥方式，未考慮機體參數、作物參數及噴霧參數的差異，極易造成農藥浪費、農藥利用率低、作物農藥殘留嚴重等問題。由于大田作業的復雜性和大田作物的特殊性，大田噴桿噴霧機很少使用精準施藥技術。為實現中國大田噴桿噴霧機精準施藥并減少作業過程中農藥霧滴飄移，國內科研機構和企業開展了聯合攻關，研發成功了多款大田變量噴桿噴霧機。

　　此外，中國農業大學藥械與施藥技術研究中心和中國農業機械化科學研究院正在開展技術攻關，研發基于多功能高地隙底盤的精準變量噴桿噴霧機，該機利用三維激光雷達探測技術、PWM技術、冠層特征參數建模等技術，實現噴頭噴霧的實時變量控制，激光傳感器的作物密度測量誤差≤15%，變量施藥系統的施藥液量控制精度在±8%以內，實現精確施藥的目標。

　　噴桿噴霧機憑借作業效率高、施藥效果佳等特點成為當前農業發達國家普遍使用的大田高效精準施藥機具，但其在中國的推廣應用程度一直不高，仍有很大發展空間，基于大田噴桿噴霧機的精準變量施藥裝備及技術研究將為噴桿噴霧機在中國的發展與應用提供新動力。

　　3.5植保無人機

　　相比地面植保設備，植保無人機具有地形適應性好[56]、速度調節快速方便、霧滴覆蓋率高、定點噴灑[57]、成本低[58]、安全性好等優勢，近年來已成為一種重要的新型植保作業機具[59]。根據相關國家檢測部門調查統計顯示，截止到2018年年底，中國共有300多家植保無人機生產廠家，已開發出253種各類植保無人機總計3.15萬架，全年銷售各類植保無人機1萬多臺。各類植保無人機在除西藏自治區、青海省與臺灣地區以外全國各種作物上噴霧作業面積達到26700萬畝次，實現了“人機分離、人藥分離”，一分鐘一畝地的高效作業[60]。到目前為止，中國已經有95%以上的航空技術被應用在田間病蟲害防治的植保無人機上，另外5%的農業航空技術主要用于不同作物農情信息的及時獲取、航空影像的拍攝以及不同種類農作物的育種等[61,62]。

　　中國通用輕小型農用植保無人機目前型號繁多，藥箱容量范圍基本在5~20L(最近兩年相繼出現過藥箱容量大于30L的植保無人機，但是應用相對較少)，噴幅范圍基本在5~20m，可以滿足不同的施藥環境和作業條件，病蟲害防治可以達到6hm2/h，可以有效地防治不同作物病蟲草害的大面積突發情況。

　　研究人員利用針對植保無人機開展的研究主要集中在無人機噴霧的霧滴沉積和漂移特性方面。王昌陵等[63,64]提出了一種植保無人機施藥霧滴空間質量平衡測試方法，采用霧滴質量平衡收集裝置、北斗衛星定位系統和多通道微氣象測量系統聯用，對國內典型植保無人機沉積和飄移特性進行了評估;王瀟楠等[65]針對油動單旋翼植保無人機在精準作業參數(速度、高度)條件下的霧滴飄移分布特性研究結果表明側風風速為霧滴飄移的主要影響因素。邱白晶等[66]建立了無人直升機噴霧霧滴沉積濃度、沉積均勻性與飛行速度和飛行高度之間的關系模型。秦維彩等[67,68]的研究表明無人機在玉米、水稻冠層作業高度和橫向噴幅會顯著影響霧滴沉積量和分布均勻性。陳盛德等[69]通過設計不同的飛行參數研究了不同噴霧作業參數對水稻冠層的霧滴沉積分布的影響，飛行高度和飛行速度對靶區內采集點上霧滴平均沉積量影響顯著，對霧滴沉積均勻性影響并不顯著。王玲等[70,71]設計了微型無人機脈寬調制型變量噴藥系統，通過熒光粉測試方法對懸停無人機變量噴藥的霧滴沉積規律進行了風洞試驗研究。朱航等[72]應用噴霧性能綜合試驗臺對無人機在不同旋翼轉速、噴霧高度、離心噴頭轉速情況下的霧滴沉積分布、霧滴粒徑進行了試驗測試，結果表明噴霧高度對沉積量影響極顯著，噴頭轉速和旋翼轉速對霧滴粒徑影響極顯著。

　　2010年以來，隨著植保無人機在中國的迅速發展，以植保無人機為應用載體的低空低量航空施藥技術已逐步成為研究熱點，尤其近五年以來，植保無人機的發展非常迅猛，市場火爆，各廠家新產品層出不窮。同時這種發展也是一個大浪淘沙的過程，在施藥均勻性、防治效果穩定性、法律法規和標準完善性、自身質量、安全監管、農藥霧滴飄移環境污染等方面仍存在諸多問題，還需要管理部門、科研機構、生產廠商和使用者回歸理性，共同努力讓植保無人機真正成為專用高效精準施藥裝備。

　　4精準施藥面臨的挑戰及發展建議

　　4.1面臨的挑戰

　　目前，精準施藥在中國應用領域非常廣泛，發展前景廣闊。中國植保機械研究科研院所及相關領域的科學研究人員開展了大量的精準施藥技術研究，取得了豐碩的成果，但因研發與技術條件等缺陷，在以下方面還面臨著挑戰。

　　(1)精準施藥裝備研發還處于探測技術與機電一體化的集成階段，市場上的精準變量施藥裝備普遍存在裝備結構復雜、造價高、不易操作等問題，關鍵技術與產品的研發水平遠遠落后于中國智慧農業發展的要求。

　　(2)農業專業傳感器研發不夠、農業專用傳感器研發生產較少，同時市場上可用的傳感器、控制與自動調節部件主要以購買進口為主，大規模應用少。

　　(3)精準施藥技術與裝備的研發應該結合不同的專業作物、應用環境條件、同一作物不同生長期等開展深入系統的研究，以計算方法為核心的控制模型的缺乏是精準施藥技術與產品研發領域存在的明顯的短板。

　　(4)精準噴霧要合理利用低容量與超低容量噴霧技術，同時還需要結合農藥劑型、不同專業作物與氣象條件加以系統地研究，噴霧過程中的霧化、沉積、減少飄失機理與實現智能變量的噴霧簡單易行的噴霧計算控制方法等基礎理論有待于進一步深入探索。

　　4.2建議和展望

　　國民經濟的快速增長與勞動市場人力的不斷短缺必然伴隨著對新型智能施藥機械的需求。為了確保農藥的精準噴霧，精準對靶、智能變量以及實現“人機分離”的自動化作業是植保機械在今后一段時期的發展主要方向。盡管國家加大了研發投入，在精準施藥技術、新型施藥機具研發應用推廣方面取得了一定的成果，但與發達歐美國家相比，研發力度與投入力度明顯不足、與中國高速發展的經濟、生產實際應用明顯不符，我們還需要做出更大的努力。

　　(1)開展關鍵傳感技術與專業傳感器、關鍵部件的研發、系統性的開展專業仿形變量噴霧的算法研究，研發出專業的計算芯片，將計算芯片通過中央控制裝置控制電磁閥進行“有靶標噴霧，沒有不噴霧”的仿形噴霧作業，可大大節省農藥、提高農藥利用率。所以建議國家層面上的農業、科研管理部門應該加大科研與資金投入力度，加強精準變量噴霧技術與裝備及部件的研發、應用與推廣。

　　(2)隨著中國現代化的推進，新型精準施藥技術與植保裝備必將取代傳統植保模式，將植保領域推向“簡單化、智能化、精準化”的方向。建議加大高效施藥技術與新型精準植保裝備的推廣應用，從而使先進的植保技術真正地服務于中國植保領域，突破長期在施藥過程中的弊病，提高病蟲草害的防治水平，讓農業的增產增收達到良性循環的過程。

　　(3)未來除繼續大力研發推廣適合中國現有種植模式與作業規模的低空低量航空施藥植保無人機以外，應加大研發植保裝備的人機分離、人藥分離并結合北斗自主導航的地面自走式各類大田糧食作物、果樹與其他經濟作物的精準變量植保裝備與技術，整理提高中國植保裝備的現代化智能化水平，實現跨越式發展。

　　(4)智能精準變量新藥械與高效施藥技術的研發是關鍵，藥械的產品性能、作業效率以及智能變量準確性是本技術推廣應用的核心要求。廣大研發生產單位應繼續加大精準噴霧裝備研發過程中新技術的集成，將輕簡化作業作為研究開發的關鍵內容之一，生產、銷售推廣價廉物美、適合農民操作的簡單易行的新產品。

　　(5)農藥是一把“雙刃劍”，在助力病蟲草害防治的同時，農藥使用者必須在具有智能化手段的前提下，更加具備農藥、植保、化學農藥與生物技術的專門知識。所以政府應在進一步加大對智能精準變量施藥裝備與技術的研發、應用推廣的同時，加大對使用現代智能植保裝備與技術專業植保人才培養的支持力度，采用發達國家的先進經驗，建立特殊的政府補貼制定、專門的人才專業培訓系統。

　　參考文獻

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　　作者：何雄奎