南机所植保机械化研究实现创新突破
当前，由于我国农业生产植保机械化作业水平低、植保机械品种相对单一、系列化基础部件严重匮乏，导致植保行业一机多用现象普遍存在，农药流失严重，从而造成农业生态环境恶化、农产品品质下降等一系列问题。
从2012年起，农业部南京农业机械化研究所（以下简称“南机所”）着手立足于植保机械通用基础部件研究和专用施药机械技术的研究。近期，由南机所承担的公益性行业（农业）科研专项“植保机械关键技术优化提升与集成示范”项目成功完成验收。项目通过5年的实施，突破了“航空精准施药技术”、“双风送静电喷雾技术”等8项关键技术，取得了“植保机械关键基础部件”、“果园高效风送喷雾技术与装备”等8项标志性成果，为加快我国植保机械发展提供技术支撑。
水田航空施药技术装备
8项关键性技术
“我们团队在适宜产区对技术装备进行熟化、集成和示范，因地制宜，制定适合不同作物的机械化施药技术规范，形成适合我国农业生产特点的现代植保机械化工程技术体系。在整个创新研发中，我们取得了航空精准施药技术、双风送静电喷雾技术、静电喷雾技术、在线混药技术、气力辅助静电喷雾技术、自走式高秆喷雾技术、低量防飘喷雾技术、果园风送式对靶喷雾技术共8项关键性技术，实现了我国植保机械化技术上的突破。”南机所研究员、项目首席科学家薛新宇欣慰地说道。
据了解，植保无人机进行病虫害防治作业，农药有效利用率超过35%，在达到同样的防效情况下，平均能节省农药10%—20%，减少农药使用对环境的污染，具有良好的生态效益。并且，高效植保无人机的使用，能够实现省工、省时、节本、增效，缓解了劳动力短缺的矛盾，能有效防治作物病虫，保证了粮食安全。
“此次项目突破的关键技术之一就是航空精准施药技术。我们通过开发低空喷洒雾滴沉降、‘农田环境—作物—气液流场’相互作用规律研究，确定无人机施药参数量化指标，制订技术规范，确保科学作业。同时，研究了高稳定飞行控制技术、高精度导航技术、变量施药技术等，并通过系统集成形成无人机精准施药装备，提高作业效率。之后，通过建立田间防治效果测定、农药高浓度施用安全技术规范，开展施药飘移预测模型与安全评估技术研究，保障施药效果和安全性。目前该技术已经达到可实际应用水平，与多家植保无人机生产企业合作，已经形成相应的技术产品在市场销售、应用，取得了良好的社会、经济效益。”薛新宇研究员向记者介绍道。
据了解，该技术已分别在无锡汉和航空技术有限公司、总参第六十研究所、广州极飞科技有限公司、苏州绿农航空植保技术有限公司等企业进行成果转化并在CD-15/20、Z-3N等多种机型上进行应用，在江苏、河南、安徽、新疆、湖北等多个省份累计使用面积超过50万亩次，节水省药效果明显，有效减轻了环境污染的压力。
“植保无人机作业平均每天200至500亩，效率是传统植保机具的20—25倍。以防治水稻病虫害为例，水稻田使用的Z-3N型无人航空植保装备，作业效率为34.5亩/小时,农药投入成本9元/亩，人工成本为100元/亩，每亩消耗燃油费为0.53元，每天工作五小时计算，每亩作业成本为10.85元，作业成本可节省45%。”负责水稻病虫害防治技术示范的相关技术人员说道。
据悉，中国农业科学院植物保护研究所在本次项目中负责“高秆作物轻便高架喷杆喷雾技术集成与示范”，并在自走式高秆喷雾技术上获得重大进展。
“经过两年在北京、河北、辽宁、山东、内蒙古和黑龙江等地的反复生产试验示范，筛选应用自走式喷杆喷雾装备，选择高效低毒农药，根据气象条件确定喷雾时间，在每个施药喷雾作业季节开始时、喷雾机械检修后、轮胎更换或者安装新的喷头后，我们都对该喷雾机进行校准，根据病虫草害发生危害规律选择喷头和喷头作业参数。”中国农科院植物保护研究所的科研人员详细介绍了整个技术研发过程，“最终，团队设计出操作方便安全、病虫害防治效果好的适用于玉米生长中后期病虫害防治的高秆喷杆喷雾样机。机具的喷洒性能、使用安全性、使用经济性、防治效果和适用农药都得到很好验证，充分体现了农机农艺融合，玉米种植栽培模式与喷杆喷雾作业需求的紧密结合，为玉米田以及高秆作物中后期病虫害防治提供了技术与装备支撑。”
据了解，自走式高秆喷雾技术在玉米黏虫、玉米螟和玉米穗蚜以及玉米中后期大斑病防治中得到了广泛应用，适合于我国东北、华北、华东和华中等玉米主产区，解决了农户背负喷雾器钻入玉米田手动喷雾作业的模式。此项技术不仅克服了高温季节农户钻入高大玉米田喷洒农药防治病虫害时发生人员中毒的风险，还成功防控了暴发性害虫如玉米黏虫的发生，社会效益显著。相比于农户采用传统背负手动喷洒农药方式，自走式喷杆喷雾技术工作效率高、省工省水、防治效果好、农药利用率高，经济效益和生态效益显著。
“目前，由于我国果园施药冠层密，存在药液穿透困难、喷雾量过大、风量供需不匹配、喷雾作业自动化程度低等技术难题。此次项目在果园风送式对靶变量喷雾技术方面也进行了艰苦攻关，攻克了风送对靶变量施药技术，可广泛应用于我国普遍分布的密植型果园及新型标准化纺锤型果树的植保喷雾作业，能够满足华北平原中小型果园基地的果树病虫害防治要求，主要防治对象为苹果树、枣树、葡萄、梨树等经济作物。果园风送对靶变量喷雾随着现代标准机械化果园建设的推进将被越来越广泛的应用，按照每1000亩1台市场保有量测算，市场前景广阔。”薛新宇介绍道。
中国农业大学作为此部分的参与单位，项目执行期间在北京等地作业1000亩次，利用此成果能够减少农药对环境的污染，实现自动化作业，降低操作员劳动强度，并降低农产品中的农药残留，提高农产品品质，提高了生态效益，并具有良好的经济和社会效益。
相关技术人员为记者算了一笔账：“运用该技术的作业效率为200亩/天，是人工喷雾作业效率的20倍。按每个人工平均100元/天计算，使用果园风送式对靶喷雾技术操作时需要2人作业，因此200亩作业面积可每天减少人工支出1800元，并减少农药用量20%，每亩又节省约60元。通过实际应用证明，新型施药设备平均减少农药用量20%，增加农民收入3000元。”
3WZS-600型水田自走式喷杆喷雾机
果园风送式对靶喷雾技术是果园植保机械化的重要手段，使用该技术能够大大提高作业效率，减少劳动力强度，降低农药用量，解决目前果园管理人工需求多与农村劳动力短缺日益突出的矛盾，同时提高了果园安全性、作业人员操控舒适性，降低了对生态环境的污染。
8项标志性成果
据薛新宇研究员介绍，项目还取得了植保关键基础部件研究、水稻病虫害防治技术与装备、小麦等旱地矮秆作物喷雾技术与装备、高秆作物轻便高架喷杆喷雾技术与装备、果园风送式喷雾技术及装备、电诱导频振杀虫技术及装备、设施园艺弥雾技术及装备、典型作物施药技术规范共8项标志性成果，完成了我国水稻水田作物、小麦旱地矮秆作物、玉米旱地高秆作物、果树、设施园艺5类典型作物现有植保施药技术与装备的筛选对比试验。
项目实施过程中，针对每类作物不同生长期不同病虫害种类分别对比分析3—5种植保机具，在北京、天津、河北、山东、黑龙江、江苏、河南、湖北、湖南、新疆等主要作物产区，在6—10个典型区域进行万亩先进植保技术作业模式的示范，减少作业成本20%—30%。此外，团队还完成了典型作物机械施药技术规范制订，构建植保机械使用技术标准及防治效果评价体系。
据介绍，在水稻病虫害防治技术与装备方面，此次研发成果包括5种水稻病虫害防治技术与装备，主要包括水田航空施药装备、1种水田自走式喷杆装备、3种水田高压宽幅施药装备。
“我们的创新点在于研制除了水田自主飞行航空施药装备，实现均匀施药。基于北斗GPS与GIS融合的航路规划系统，借助无人机飞控技术，实现‘航路规划—自主飞行—定点施药’；基于声纳传感器、气压高度计等多传感器与垂向加速度互补滤波、高度数据融合控制算法，降低地效影响；研究了恒速速度下流量控制以及基于速度反馈的变量施药技术，开发了变量航空施药系统，实现航空变量施药；开发新型轻量化施药关键部件，减轻施药装备重量，减小风阻，降低功耗，最大程度地减轻装备重量，增加载药量，提高施药效率。”植保机械团队科研人员向记者介绍道。
“在小麦等旱地矮秆作物喷雾技术与装备方面，创新研究了均匀喷洒稳压喷雾技术，创制小型机械化均匀施药喷雾机，可实现植保机械多品种、喷雾形式多样化，满足不同作物病虫害防治需要。另外，我们还优化了高地隙自走式底盘技术，实现高地隙自走式底盘的稳定性支撑、动力传递、行走及转向控制。同时，研究喷杆喷雾机喷杆自平衡技术，通过降低喷杆垂直振动和水平摇摆，实现喷杆与作物高度差变化范围小，提高施药质量，解决喷杆易于损坏的问题。”科研人员继续讲解道。
“在自走式高秆喷雾技术上获得重大突破的基础上，我们主要试验了2种自走式高地隙喷杆喷雾机与2种轻便高架喷杆喷雾机。”中国农科院植物保护研究所的相关技术人员解释道，“主要加强了高地隙自走式底盘行走稳定性技术的研究。通过降低喷雾机中心高度、前轮气液组合减振，以减轻机具振动，提高驾驶员舒适性。同时，优化提高高地隙底盘地隙和轮距动态调控技术，实现喷雾机的地隙和轮距的可调整，以适应作物行距和生长高度的需要。”
“中国农业大学在设施园艺弥雾技术及装备方面也有重要贡献，攻克了传统的高压包直接升压的方式，研发了安全可靠、低成本的农用静电发生系统，并基于该系统研制了气力辅助式静电雾化喷枪。该喷枪可手持作业，雾化效果较好，荷电效果优异，借助风力辅助技术其喷幅超出普通静电喷雾机，作业范围更广。项目中，主要设计了1种气力辅助静电喷雾装备与2种温室风助式弥雾装备。”薛新宇介绍道。
“本次项目研究攻克或优化提升了8项关键技术，取得了8项标志性成果，创制、研发、优化提升了73台（套）设备，建立了22个示范基地，申请专利111项，培训农民超过5000人，机械化生产技术累计示范面积777.6万亩，共获得综合经济效益10.67亿元。下一步，我们将持续进行攻关，争取在植保机械技术上取得更大的创新突破。”薛新宇对植保机械化发展充满了希望。
3WQ-400型果园双风送静电喷雾机
图片摄影：江帆
当前，由于我国农业生产植保机械化作业水平低、植保机械品种相对单一、系列化基础部件严重匮乏，导致植保行业一机多用现象普遍存在，农药流失严重，从而造成农业生态环境恶化、农产品品质下降等一系列问题。
从2012年起，农业部南京农业机械化研究所（以下简称“南机所”）着手立足于植保机械通用基础部件研究和专用施药机械技术的研究。近期，由南机所承担的公益性行业（农业）科研专项“植保机械关键技术优化提升与集成示范”项目成功完成验收。项目通过5年的实施，突破了“航空精准施药技术”、“双风送静电喷雾技术”等8项关键技术，取得了“植保机械关键基础部件”、“果园高效风送喷雾技术与装备”等8项标志性成果，为加快我国植保机械发展提供技术支撑。
水田航空施药技术装备
8项关键性技术
“我们团队在适宜产区对技术装备进行熟化、集成和示范，因地制宜，制定适合不同作物的机械化施药技术规范，形成适合我国农业生产特点的现代植保机械化工程技术体系。在整个创新研发中，我们取得了航空精准施药技术、双风送静电喷雾技术、静电喷雾技术、在线混药技术、气力辅助静电喷雾技术、自走式高秆喷雾技术、低量防飘喷雾技术、果园风送式对靶喷雾技术共8项关键性技术，实现了我国植保机械化技术上的突破。”南机所研究员、项目首席科学家薛新宇欣慰地说道。
据了解，植保无人机进行病虫害防治作业，农药有效利用率超过35%，在达到同样的防效情况下，平均能节省农药10%—20%，减少农药使用对环境的污染，具有良好的生态效益。并且，高效植保无人机的使用，能够实现省工、省时、节本、增效，缓解了劳动力短缺的矛盾，能有效防治作物病虫，保证了粮食安全。
“此次项目突破的关键技术之一就是航空精准施药技术。我们通过开发低空喷洒雾滴沉降、‘农田环境—作物—气液流场’相互作用规律研究，确定无人机施药参数量化指标，制订技术规范，确保科学作业。同时，研究了高稳定飞行控制技术、高精度导航技术、变量施药技术等，并通过系统集成形成无人机精准施药装备，提高作业效率。之后，通过建立田间防治效果测定、农药高浓度施用安全技术规范，开展施药飘移预测模型与安全评估技术研究，保障施药效果和安全性。目前该技术已经达到可实际应用水平，与多家植保无人机生产企业合作，已经形成相应的技术产品在市场销售、应用，取得了良好的社会、经济效益。”薛新宇研究员向记者介绍道。
据了解，该技术已分别在无锡汉和航空技术有限公司、总参第六十研究所、广州极飞科技有限公司、苏州绿农航空植保技术有限公司等企业进行成果转化并在CD-15/20、Z-3N等多种机型上进行应用，在江苏、河南、安徽、新疆、湖北等多个省份累计使用面积超过50万亩次，节水省药效果明显，有效减轻了环境污染的压力。
“植保无人机作业平均每天200至500亩，效率是传统植保机具的20—25倍。以防治水稻病虫害为例，水稻田使用的Z-3N型无人航空植保装备，作业效率为34.5亩/小时,农药投入成本9元/亩，人工成本为100元/亩，每亩消耗燃油费为0.53元，每天工作五小时计算，每亩作业成本为10.85元，作业成本可节省45%。”负责水稻病虫害防治技术示范的相关技术人员说道。
据悉，中国农业科学院植物保护研究所在本次项目中负责“高秆作物轻便高架喷杆喷雾技术集成与示范”，并在自走式高秆喷雾技术上获得重大进展。
“经过两年在北京、河北、辽宁、山东、内蒙古和黑龙江等地的反复生产试验示范，筛选应用自走式喷杆喷雾装备，选择高效低毒农药，根据气象条件确定喷雾时间，在每个施药喷雾作业季节开始时、喷雾机械检修后、轮胎更换或者安装新的喷头后，我们都对该喷雾机进行校准，根据病虫草害发生危害规律选择喷头和喷头作业参数。”中国农科院植物保护研究所的科研人员详细介绍了整个技术研发过程，“最终，团队设计出操作方便安全、病虫害防治效果好的适用于玉米生长中后期病虫害防治的高秆喷杆喷雾样机。机具的喷洒性能、使用安全性、使用经济性、防治效果和适用农药都得到很好验证，充分体现了农机农艺融合，玉米种植栽培模式与喷杆喷雾作业需求的紧密结合，为玉米田以及高秆作物中后期病虫害防治提供了技术与装备支撑。”
据了解，自走式高秆喷雾技术在玉米黏虫、玉米螟和玉米穗蚜以及玉米中后期大斑病防治中得到了广泛应用，适合于我国东北、华北、华东和华中等玉米主产区，解决了农户背负喷雾器钻入玉米田手动喷雾作业的模式。此项技术不仅克服了高温季节农户钻入高大玉米田喷洒农药防治病虫害时发生人员中毒的风险，还成功防控了暴发性害虫如玉米黏虫的发生，社会效益显著。相比于农户采用传统背负手动喷洒农药方式，自走式喷杆喷雾技术工作效率高、省工省水、防治效果好、农药利用率高，经济效益和生态效益显著。
“目前，由于我国果园施药冠层密，存在药液穿透困难、喷雾量过大、风量供需不匹配、喷雾作业自动化程度低等技术难题。此次项目在果园风送式对靶变量喷雾技术方面也进行了艰苦攻关，攻克了风送对靶变量施药技术，可广泛应用于我国普遍分布的密植型果园及新型标准化纺锤型果树的植保喷雾作业，能够满足华北平原中小型果园基地的果树病虫害防治要求，主要防治对象为苹果树、枣树、葡萄、梨树等经济作物。果园风送对靶变量喷雾随着现代标准机械化果园建设的推进将被越来越广泛的应用，按照每1000亩1台市场保有量测算，市场前景广阔。”薛新宇介绍道。
中国农业大学作为此部分的参与单位，项目执行期间在北京等地作业1000亩次，利用此成果能够减少农药对环境的污染，实现自动化作业，降低操作员劳动强度，并降低农产品中的农药残留，提高农产品品质，提高了生态效益，并具有良好的经济和社会效益。
相关技术人员为记者算了一笔账：“运用该技术的作业效率为200亩/天，是人工喷雾作业效率的20倍。按每个人工平均100元/天计算，使用果园风送式对靶喷雾技术操作时需要2人作业，因此200亩作业面积可每天减少人工支出1800元，并减少农药用量20%，每亩又节省约60元。通过实际应用证明，新型施药设备平均减少农药用量20%，增加农民收入3000元。”
3WZS-600型水田自走式喷杆喷雾机
果园风送式对靶喷雾技术是果园植保机械化的重要手段，使用该技术能够大大提高作业效率，减少劳动力强度，降低农药用量，解决目前果园管理人工需求多与农村劳动力短缺日益突出的矛盾，同时提高了果园安全性、作业人员操控舒适性，降低了对生态环境的污染。
8项标志性成果
据薛新宇研究员介绍，项目还取得了植保关键基础部件研究、水稻病虫害防治技术与装备、小麦等旱地矮秆作物喷雾技术与装备、高秆作物轻便高架喷杆喷雾技术与装备、果园风送式喷雾技术及装备、电诱导频振杀虫技术及装备、设施园艺弥雾技术及装备、典型作物施药技术规范共8项标志性成果，完成了我国水稻水田作物、小麦旱地矮秆作物、玉米旱地高秆作物、果树、设施园艺5类典型作物现有植保施药技术与装备的筛选对比试验。
项目实施过程中，针对每类作物不同生长期不同病虫害种类分别对比分析3—5种植保机具，在北京、天津、河北、山东、黑龙江、江苏、河南、湖北、湖南、新疆等主要作物产区，在6—10个典型区域进行万亩先进植保技术作业模式的示范，减少作业成本20%—30%。此外，团队还完成了典型作物机械施药技术规范制订，构建植保机械使用技术标准及防治效果评价体系。
据介绍，在水稻病虫害防治技术与装备方面，此次研发成果包括5种水稻病虫害防治技术与装备，主要包括水田航空施药装备、1种水田自走式喷杆装备、3种水田高压宽幅施药装备。
“我们的创新点在于研制除了水田自主飞行航空施药装备，实现均匀施药。基于北斗GPS与GIS融合的航路规划系统，借助无人机飞控技术，实现‘航路规划—自主飞行—定点施药’；基于声纳传感器、气压高度计等多传感器与垂向加速度互补滤波、高度数据融合控制算法，降低地效影响；研究了恒速速度下流量控制以及基于速度反馈的变量施药技术，开发了变量航空施药系统，实现航空变量施药；开发新型轻量化施药关键部件，减轻施药装备重量，减小风阻，降低功耗，最大程度地减轻装备重量，增加载药量，提高施药效率。”植保机械团队科研人员向记者介绍道。
“在小麦等旱地矮秆作物喷雾技术与装备方面，创新研究了均匀喷洒稳压喷雾技术，创制小型机械化均匀施药喷雾机，可实现植保机械多品种、喷雾形式多样化，满足不同作物病虫害防治需要。另外，我们还优化了高地隙自走式底盘技术，实现高地隙自走式底盘的稳定性支撑、动力传递、行走及转向控制。同时，研究喷杆喷雾机喷杆自平衡技术，通过降低喷杆垂直振动和水平摇摆，实现喷杆与作物高度差变化范围小，提高施药质量，解决喷杆易于损坏的问题。”科研人员继续讲解道。
“在自走式高秆喷雾技术上获得重大突破的基础上，我们主要试验了2种自走式高地隙喷杆喷雾机与2种轻便高架喷杆喷雾机。”中国农科院植物保护研究所的相关技术人员解释道，“主要加强了高地隙自走式底盘行走稳定性技术的研究。通过降低喷雾机中心高度、前轮气液组合减振，以减轻机具振动，提高驾驶员舒适性。同时，优化提高高地隙底盘地隙和轮距动态调控技术，实现喷雾机的地隙和轮距的可调整，以适应作物行距和生长高度的需要。”
“中国农业大学在设施园艺弥雾技术及装备方面也有重要贡献，攻克了传统的高压包直接升压的方式，研发了安全可靠、低成本的农用静电发生系统，并基于该系统研制了气力辅助式静电雾化喷枪。该喷枪可手持作业，雾化效果较好，荷电效果优异，借助风力辅助技术其喷幅超出普通静电喷雾机，作业范围更广。项目中，主要设计了1种气力辅助静电喷雾装备与2种温室风助式弥雾装备。”薛新宇介绍道。
“本次项目研究攻克或优化提升了8项关键技术，取得了8项标志性成果，创制、研发、优化提升了73台（套）设备，建立了22个示范基地，申请专利111项，培训农民超过5000人，机械化生产技术累计示范面积777.6万亩，共获得综合经济效益10.67亿元。下一步，我们将持续进行攻关，争取在植保机械技术上取得更大的创新突破。”薛新宇对植保机械化发展充满了希望。
3WQ-400型果园双风送静电喷雾机