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中国植保机械与施药技术研究进展

花匠小妙招
2024-09-17 02:02

现代农业需要现代植保技术，现代植保技术需要高效药械[1]。中国处于季风气候控制区，夏季高温多雨，病虫害发生严重，每年防治病虫需使用农药原药30多万吨 (折纯计)[2-3]，这些农药的应用为保证中国粮食丰收做出了重要贡献[4]。自2007年以来，中国农药产量与使用量已居全球第一，每年防治面积达4亿~5亿公顷[5]，这些农药主要靠各种植保机械进行喷施。因此，农业药械和施药技术与方法关系到农业生产重大病虫害防控能力和效率，关系到农药利用率和生产成本，关系到农产品残留和环境保护[6-8]。必须下大力量切实抓好植保机械和施药技术工作，为现代农业的发展，为重大病虫害的防控提供良好的理论与技术支撑和服务[9]。

1 中国植保机械与施药技术现状

中国是农业大国，幅员辽阔，地形、气候各异，种植的农作物种类繁多，病虫草鼠害种类不同，危害程度也不尽相同，但都很严重。目前，中国每年化学农药的使用量为100多万吨。2016年，中国市场上有约600家农药生产厂家生产超过600种以上有效成分和2.2万种制剂产品，销售商超过20万家[10]。图1和图2反映了中国不同年份与不同作物上农药制剂使用基本情况，每年都有因使用不当，造成农药使用人员中毒、农产品中农药残留超标、严重的环境污染等事件发生[11]，因此中国植保机械和施药技术的发展直接影响中国农作物病虫害的防治效果及生态环境。

图 1 1997—2007年中国不同农药制剂使用情况 (2011年农业农村部统计数据)

Figure 1. Situation of pesticides usage in China during 1997—2007(Statistical data from Ministry of Agriculture and Rural Affairs in 2011)

图 2 中国不同作物上农药制剂使用情况 (2016年农业农村部统计数据)

Figure 2. Situation of pesticides usage for different crops in China (Statistical data from Ministry of Agriculture and Rural Affairs in 2016)

中国植保机械和施药技术的开发可追溯到20世纪30年代[12]。新中国成立后，中国植保机械行业得到了快速发展，为防治农作物病虫害，实现粮棉、油料、水果等作物的高产稳产做出了积极贡献[13]。2000年以来，随着中国农业机械化的快速发展，中国植保机械化也有了很大的进步，机动植保机械保有量大幅增长，除大型自走式喷杆喷雾机外，出现了植保无人机、地面无人驾驶喷雾机器人等新机型，植保机械的性能不断改善，植保机械化作业面积不断扩大，高效植保机械化技术得到推广应用，为促进农业抗灾夺丰收做出了重要贡献[13-17]。但是从总体上来说，中国植保机械性能和施药技术水平还比较落后，无法满足当今农业生产和环境保护要求。

2014—2016年，中国农业大学施药技术研究中心与德国联邦农作物中心JKI施药技术研究所联合执行“中德农业科技合作项目-高效安全施药技术体系研究 (19/14-16 CHN6)”项目，就中国植保机械与施药技术现状，进行了全国范围的调查。

1.1 植保机械落后

首先是机型老化，据农业农村部统计，2017年中国国产植保机械以手动喷雾器为主，包括20多个品种、80多个型号，其中70%~80%处于发达国家20世纪60~70年代的水平，首先是年产量高达800万~1000万台 (社会保有量1亿台) 的各种手动喷雾器，常用机具仍是单管、压缩、背负式喷雾器等老三样，市场占有率达80%[17]，如图3所示。其次是机具单一，目前普遍采用单一机型“防治各种作物的病虫害、打遍百药”，且90%以上的喷雾器仍使用圆锥雾喷头，这是造成农药用量大、农产品中农药残留超标、操作者中毒等的重要原因之一。发达国家50~60年代开始进入植保机械专业化阶段，并开发出各种专用的、能均匀喷雾的扇型雾喷头[18-20]。三是喷雾作业效率低，目前的植保机械品种作业效率低，功效不高，采用手动背负喷雾器每人每日喷雾作业面积仅为1.3~2 hm2，不能适应农村生产实际的需要，如蝗虫迁飞前的防治适期仅为几天时间，正值农忙时节，需要高效大面积防治，才能控制蝗虫起飞危害[21]。

图 3 中国不同植保机械市场保有情况(2017年)[17]

Figure 3. Market share of plant protection machinery in China (2017)[17]

1.2 施药技术落后

首先是理念落后，目前一些地区农民仍习惯沿用50~60年代的大容量淋雨式喷雾法的喷洒方法，大雾滴因集聚不能在作物叶片上持留而流失至土壤中，造成农药的大量浪费。其次是农药利用率低，目前农药有效利用率只有20%~40%，浪费严重[22]。施药过程中，由于施药技术知识的缺乏及大量不合格喷雾器进入市场，导致操作人员中毒事故屡有发生[23]。

2 中国植保机械与施药技术研究进展

针对上述问题，为适应农业生产发展的需要，提高重大病虫防控能力，中国农业高校和有关科研单位以及企业在科技部、农业农村部、教育部、财政部和发改委等部委的支持下，承担了一大批植保机械与施药技术科研项目，研发了一系列机具与技术。通过全国农业技术推广服务中心联合各省植保站做了大量示范、应用及推广工作，10多年来，中国植保机械与施药技术取得了长足进步[24-26]。

2.1 理论研究创新与新药械研发成果丰硕

首先，通过国家立项开展研究，形成了系统的喷雾理论。农业农村部与科技部在“十五”至“十三五”期间一直将高效植保机械与新型施药技术的研发作为国家科技攻关计划、科技支撑计划与“863”高新技术计划的重点内容加以支持[27]。特别是农业农村部“高效施药技术与机具开发研究”与“高效施药技术研发与示范”、科技部“863”高新技术计划“农作物靶标光谱探测技术”与“新型施药技术与农用药械”、国家自然科学基金委“农药雾滴在典型作物冠层中的沉积行为及高效利用”等研究项目的实施，对精准施药技术、循环喷雾技术、仿形喷雾技术、防飘喷雾技术、低空低量航空喷雾、智能植保机器人等技术开展了大量研究，形成了一系列理论研究成果，创立了适合中国作物生产实际的喷雾理论，出版了《高效施药技术与机具》、《植保无人机与施药技术》等著作，为农药应用奠定了理论基础[28]。

其次，瞄准生产需求，研发了多种新型药械。根据病虫害防治实际需求和急需的产品，通过联合攻关研制了一大批新型机具，采用防飘喷雾技术、恒压喷雾新技术，与液压喷雾技术、风力辅助喷雾技术有机集成等，研制了循环喷雾机、风幕式防飘喷雾机、自动对靶喷雾机和植保无人机等，仿形喷雾机等产品达到国际领先水平[29-30]，比如：果园自动对靶喷雾机、循环喷雾机、高地隙喷雾机、单旋翼与多旋翼低空低量航空喷雾机、滑板搅索式水田宽幅喷杆喷雾机等。这些产品很快形成产业化生产，并大力推广应用，在农业重大病虫防治中发挥了重要作用，为中国病虫防治提供了多种先进、实用、高效的施药机具与技术，为大幅提升中国施药机械化水平做出了贡献。

三是研发的技术与新型药械在生产中发挥了重要作用，取得了一批优秀成果。“十五”以来有关植保机械与施药技术国家科技项目获得了一批成果，其中教育部科技进步一等奖1项，农业农村部科技进步一等奖1项。2006年“高效施药技术机具研究开发”获教育部科技进步一等奖。中国农业大学研发的“果园自动对靶喷雾机”和“自走式水田风送低量喷杆喷雾机”(图4a) 达到国际先进水平；中国农业大学“中德国际科技合作项目”合作研发的小型机动/电动背负式均匀稳压喷杆喷雾机 (图4b) 首次实现了背负式小型喷雾机全面积机械化均匀施药；研发的自走式高地隙喷雾机解决了高秆作物 (如玉米田黏虫等) 害虫防治难的问题，受到广泛欢迎；滑板搅索式水田宽幅喷杆喷雾机，解决了多年来水稻田缺乏高效药械的难题，这是一个自主创新的成果，在精准施药与防飘喷雾方面是一个新的突破。同时，这些项目研发小组根据规模经营、家庭农场发展的实际需求，研发了单旋翼电动植保无人机 (图4c) 等新型低空低量航空喷雾机，不仅适用于水稻等作物植保的全程机械化喷雾作业，也适用于高秆作物 (如玉米、甘蔗等作物以及丘陵地区果树)，从而使水稻田超低空低量施药技术与装备取得重大突破，解决了制约水稻病虫害防治机械化的关键问题，达到了国际先进水平，对推广低空低量航空施药，建设现代植保具有重要意义。据此，2014年“高效减量精准施药技术与机具研发应用”项目获农业农村部中华农业科技奖科学研究成果一等奖。

图 4 中国农业大学研发的新型高效植保装备

Figure 4. New R&D of high-efficiency sprayers prouduced by China Agricultural University

2.2 新药械的生产与引进和产业化开发推广成绩显著

首先是推广成效显著。近10多年来随着新药械的研发与推广，喷雾器质量有了明显提高，初步解决了“跑冒滴漏”问题，如全国农业技术推广服务中心牵头成立山东卫士公司生产的卫士牌手动喷雾器，引领了手动喷雾器质量的迅速提升，并通过其联合推广，全国植保应用部门每年筛选一批新的喷雾器，示范推广新药械30多万台 (套)，2018年地面自走式喷杆喷雾机全国市场装机容量达到48万台，植保无人机接近2万架，满足了生产的需要[19]。其次是引进成效显著。近几年，随着各地专业合作社的发展，笔者在研发上率先提出了发展“中小型喷杆喷雾机”的建议，并引导企业适应农村需要大力研发这种机型并投放市场。同时，呼吁、支持、鼓励企业引进国外产品，积极宣传引导国外企业来中国发展，近两年引进产品及与国外公司合作开发出现了可喜进展，北京丰茂公司引进的西班牙“加农炮”、意大利大型自走式喷杆喷雾机等产品，产生了“鲶鱼”效应，激发了国内企业加大创新的积极性，如北京丰茂公司经过消化吸收，研制了轻便型自走式高地隙喷杆喷雾机 (图5)，投入市场受到热捧。

图 5 北京丰茂公司生产的自走式高地隙喷杆喷雾机 (16 m喷杆)

Figure 5. Self-propelled high clearance boom sprayer produced by Beijing Fengmao Company(16 m boom)

日本著名的井关公司和丸山公司等生产稻田喷雾机企业分别在江苏常州和上海开发生产基地，生产销售适用中国稻田的机型，受到广泛关注。丹麦哈滴公司于2015年进驻上海，在中国生产推广其高性能的自走式防飘喷杆喷雾机。再者是研发与产业化成绩显著，在农业农村部和科技部等部委科技项目的支持下，研发出现了欣欣向荣的局面，农业院校及研究单位，特别是合资企业研发新产品积极性很高，如近两年合作研发的适合于高秆作物中后期田间喷雾用的2 m高地隙、喷幅12~24 m宽的自走式高地隙宽幅喷杆喷雾机 (图6)。

图 6 中国农业机械化研究院研发的自走式高地隙喷杆喷雾机 (12 m喷杆，2 m高地隙)

Figure 6. Self-propelled high clearance boom sprayer produced by Chinese Academy of Agricultural Mechanization Sciences(12 m boom, 2 m adjusted clearance)

此外，适合于南方水稻产区用的小型无人航空施药技术与设备 (图7、图8) 引领了施药机械开发的热潮，许多新产品迅速进入产业化生产阶段，在病虫害防治中各领“风骚”。2018年4月在陕西省西安市全国小麦现场会上以及8月在江西省南昌全国水稻病虫防控现场会上，一些新药械受到一致好评与热捧，并受到政府相关部门的肯定。这些新型药械为提升现代植保的装备水平提供了保障，生产上积极推广应用这些新药械将标志着植保走进了新时代。

图 7 中国植保无人机市场主要机型 (2019年)

Figure 7. Main models of plant protection UAVs in China (2019)

图 8 多旋翼植保无人机 (6~24旋翼，药箱容积5~20 L)

Figure 8. Motor multi-rotor for chemical application(6-24 rotors, 5-20 L tank volume)

2.3 药械使用及施药技术培训工作效果良好

药械使用及施药技术培训工作是一项基础性工作，全国农业技术推广服务中心、中国农业大学药械与施药技术研究中心 (CCAT) 及中国农业科学院植物保护研究所长期进行合作，成效显著。一方面，全国农业技术推广服务中心协调有关企业每年开展新型植保喷雾器应用培训工作，规模比较大，每年培训300期左右；另一方面，组织国内装备生产厂商技术研发人员与农技推广人员赴欧美国家考察培训，如到美国、德国等国家考察植保机械，学习借鉴国外的先进经验与技术；与世界著名的植保机械研发公司 (如哈迪公司) 合作联合开展培训工作，取得良好效果。自2004年以来，在国家外国专家局项目与农业农村部国际农业合作项目的支持下，CCAT和德国联邦作物研究中心 (BBA/JKI) 进行长期合作，每年互派人员研究学习培训3个月，大大提高了中国药械研发、推广及检测方面的能力与水平。

2.4 政策建议及呼吁工作得到采纳应用

2004年，中国开始实施农业机械补贴政策，但该政策执行初期未将植保机械购置纳入补贴目录，经过多方呼吁与努力，特别是各省市植保站联名通过农业农村部种植业管理司以文件的形式致函相关管理司局，终于在2007年被采纳并安排专门资金用于药械方面的补贴。其次，针对目前中国植保领域成绩显著，在很多方面已跻身国际先进水平，主要差距在于植保机械和施药技术落后的现状，在广大植保研发推广应用人员的呼吁下，于2005年成立了中国植保学会“施药机械及施药技术专业委员会”，截止2019年6月，该专业委员会已组织召开200多人参加的大型国际会议9次、国内研讨会每年1~2次，出版了大量的专著与论文集[11, 28]，影响很大，效果很好。三是广大植保工作者建议在“植保工程”项目中，把“施药技术中心”纳入植保工程并被采纳，希望尽快组织实施。除此之外，中国植保机械与施药技术研发团队还积极呼吁政府高层重视药械问题，加强植保机械方面的工作，先后得到时任国务院领导同志的3次批示，从而推动了政府主管部门重视植保机械工作。

3 国外植保机械与施药技术研究进展

20世纪60年代以来，国际上重点开展了农药雾化、沉积与飘失的基础理论研究并且成效显著。

3.1 雾化理论研究

农药雾滴雾化是科学合理使用农药的第一步，小雾滴是实现高效低量喷雾的关键，在单位面积施药量相同的情况下，小雾滴覆盖密度大，防治效果好，但小雾滴极易受到气候条件的影响，研究施药时小雾滴运动规律与作物冠层内外气象因子的相关性，如风速、温湿度等对雾滴运动影响的规律，进而可指导新型喷雾机的设计与研制，如20世纪90年代美国研制的罩盖式喷雾机[31]。

3.2 防飘喷雾技术与装备研究

雾滴在作物上的沉积与飘失呈负相关，通过对喷雾过程中药液雾滴飘失进行控制研究，可提高农药的利用率和施药的安全性。目前，国际上采用了多项防飘技术。如20世纪90年代，德国Lechler公司研制生产的ID防飘喷头，利用射流原理，在300~−800 kPa压力下工作，利用射流原理，气体从两侧小孔进入，在混合室内和药液进行混合，形成液包气的“小气泡”的大雾滴从喷孔中喷出，由于大雾滴不易飘失，且提高了雾滴的穿透性，击中靶标后，“小气泡”与靶标发生碰撞或被靶标上的纤毛刺破后并进行第二次雾化，碎裂成更多更细的雾滴，又一次提高了雾滴的覆盖率，可降低飘失75%以上，该技术已广泛应用于生产之中[24]；20世纪 80年代末，欧洲兴起的风囊式防飘喷雾机，即在喷雾机上加设风机与风囊，作业时从风囊出口形成的风幕阻止了雾滴的飘失，胁迫雾滴向作物冠层沉积，不仅增大了雾滴的沉积和穿透力，而且在有风的天气 (4~6级自然风条件下) 也能正常工作，可节省施药量40%~70%[26]，其典型代表是丹麦哈滴 (Hardi) 公司生产的24~44 m喷幅大型自走式Alpha防飘喷杆喷雾机 (图9)。

图 9 丹麦哈滴公司生产的自走式“双风”防飘喷杆喷雾机 (喷杆24~44 m，药箱容积5 000 L)

Figure 9. Hardi self-propelled double flow anti-drift boom sprayer(24-44 m boom, 5 000 L tank volume)

3.3 光机电一体化技术与精准变量控制喷雾技术研究及应用

欧美国家采用红外线“电子眼”探测靶标，通过中央脉宽控制PWM技术 (Pulse Width Modulation) 控制电磁阀进行“有靶标时进行喷雾，没有靶标时自动停止喷雾”的对靶施药、精准施药作业，可节省农药50%~80%[21]；精确喷雾和智能喷雾技术及其系统已被大量应用于生产中，如传感元件、信号采集及数据处理、建立作物和病虫草害数据库等，每个喷雾机都装备有如图10所示的自动喷雾控制系统，确保植保机械能实现精准均匀高效的喷雾作业。20世纪50年代以来，欧美国家农药施用技术不断得到改进与完善，如低容量 (LV: Low Volume)、超低容量 (ULV: Ultra Low Volume)、自动对靶喷雾 (PSA: Precision Spray Application)、控滴喷雾 (CDA: Control Droplet Application)、循环喷雾 (RS: Recycling Spray)、防飘喷雾 (AS: Anti-drift Spray) 等一系列新技术、新机具得到应用，施药量大大降低，工效大幅提高，农药的利用率高达60%以上[31]。目前，光机电一体化技术与精准变量控制喷雾技术研究已成为植保机械不可缺少的部分。

图 10 精准变量喷雾自动控制系统

Figure 10. Electronic control system for precision variable chemical application

综上，欧美国家植保机械高度现代化，其先进性主要表现在大型自走式 (喷幅18~52 m、地隙高达2 m、药箱载药容积5 000~10 000 L，目前世界上最大的农业机械是植保机械)、智能化和精准化。因植保机械与施药技术涉及环境安全、农产品安全、施药人员安全，欧美等发达国家将其作为一种特种农业机械来研发及生产推广，总的发展趋势为：环境友好型、高效大型化、机电一体化、专业化和精准化，如图11所示为法国贝索特公司生产的宽幅牵引式喷杆喷雾机，图12为美国海氏公司生产的高地隙自走式防飘喷杆喷雾机。

图 11 宽幅牵引式喷杆喷雾机(18 m喷幅，药箱容积5 000 L)

Figure 11. Wide-swath trail boom sprayer (18 m boom, 5 000 L tank volume)

图 12 高地隙自走式防飘喷杆喷雾机 (24 m喷幅，地隙2 m)

Figure 12. Self-propelled high-clearance boom sprayer (24 m boom, 2 m clearance)

4 中国植保机械与施药技术发展的策略

2000年以来，根据中国农村仍将是小型家庭农场、土地流转和托管合作农场与大型国家农场同时并存的实际情况，在积极创造条件发展现代化植保机械的同时，重点研究解决适合不同种植模式下的省力化高效施药机具、提高施药技术及农药有效利用率的问题，为此，中国政府建立了相关的植保机械与施药技术体系。自2015年开始，全国实施“2015—2025的农药肥料双减计划”和“农药零增长计划”；农业农村部设置中国最高的农药、植保机械与施药技术的管理机构，各省市、县与乡镇均设植保站来执行国家政策和管理其管辖范围内的农药、植保机械与施药技术，可以概括如下几个方面：

4.1 把植保机械作为特种农业机械加强管理

植保机械是中国在WTO协议中被列入强制性产品目录的惟一的农业机械产品[16]，中国已把植保机械作为特种农业机械进行管理，实行市场准入制度，进行3C认证 (图13)，即1C产品质量证、1C生产推广证和1C市场销售准入证；将植保机械列入每年一次必须接受监理检测的机具，进行市场随机抽样检查。

图 13 中国3C认证标志

Figure 13. 3C certification in China

4.2 加速新型高效施药机具研发，植保机械走专业化的道路

根据中国大型机动喷雾机具虽有一定数量增长，但仍以小型手动喷雾机具为主的国情，国家加大了投资力度，进行科研立项，开展施药技术研究，研究开发轻便、高效的新型机动喷雾机具 (图14)，满足种植面积小的经营模式的生产需要。

图 14 适合于家庭农场生产可进行低容量喷雾的小型机动背负喷杆喷雾机

Figure 14. Small boom sprayer used in small householder for low volume chemical application in China

4.2.1 推广低容量与超低容量技术

小雾滴是实现高效低量喷雾的关键，在单位面积施药量相同的情况下，小雾滴覆盖密度大，防治效果好，但小雾滴极易受到气候条件的影响，研究施药时小雾滴运动规律与作物冠层内外气象因子的相关性，如风速、温湿度对雾滴运动影响规律，进而指导新型喷雾机的设计与研制，研发、生产风送低量喷杆喷雾机、植保无人机等。

4.2.2 增加大型喷杆及防飘喷雾机的生产

为了提高作业效率，中国的大型喷杆喷雾机 (喷幅12 m以上) 的生产逐年增加，如图15所示。为了防止雾滴的飘失，减少污染，中国自主开发研制了防飘喷雾机 (图16)。

图 15 国产喷杆喷雾机 (6~18 m)

Figure 15. Boom sprayers made in China (6-18 m boom)

图 16 国产防飘喷杆喷雾机 (12 m喷杆)

Figure 16. Anti-drift boom sprayer made in China(12 m boom)

同时，在普通喷杆喷雾机上采用德国Lechler公司、美国Spraying System公司生产的ID等防飘喷头，可降低飘失75%以上[21]，如图17所示。

图 17 国产喷杆喷雾机上应用德国Lechler公司生产的ST120-04喷头与防飘ID120-04喷头进行玉米喷雾作业

Figure 17. Chinese boom sprayer working with Lechler ST120-24 and Anti-drift ID120-04 nozzle

4.2.3 加强精准变量喷雾技术与装备

精准变量喷雾技术与装配已成为主流技术，如除植保无人机外，中国农业大学CCAT研制的果园自动对靶喷雾机 (图18)，采用红外线“电子眼”探测靶标，通过中央控制装置控制电磁阀进行“有靶标时进行喷雾，没有靶标不喷雾”的作业，可节省农药50%~80%[24, 32]。

图 18 中国农业大学研制的果园自动对靶精准喷雾机(2003年)

Figure 18. Precision automatic orchard target sprayer produced by China Agricultural University in 2003

4.3 借鉴国际经验，建立国家施药技术研究中心，提高施药技术水平

施药技术是中国至今没有引起重视而实际上对农业病虫害防治影响很大的因素，农药、药械和施药技术是科学合理使用农药的3个同等重要的环节。由于施药技术落后，致使大量农药不能喷洒到位或喷洒不均匀，药剂不能充分发挥作用，在造成农药大量浪费的同时，也是诱发害虫抗药性产生的重要原因之一[33]。因此，应通过开发应用先进植保机械，制订相关施药技术规范和法规，加强施药技术与方法研究，提高农药施药技术水平。2008年，中国依托植保机械与施药技术研究机构，组合相关农学、农药、植保等多学科优势，在北京组建了“国家施药技术研究中心”，开展施药技术的基础研究及开发新型施药机械。为此，政府增加了专门研究经费；此外，该中心还协助政府相关职能部门制订相关管理政策、施药技术规范、标准和法规，为其提供研究开发和推广新型植保机械的科学依据。

4.4 加强作业人员技能培训

由农业、农业机械与教育主管部门共同负责，采取技术培训、函授教育、文字和声象宣传普及等多种办法，对农民展开有计划的植保机械与施药技术的职业培训教育，以尽快提高农民的施药技术水平。这是杜绝因不正确地使用农药而造成的农药浪费、环境污染和人畜中毒事故的根本途径，中国政府已把此项工作列入中国农民职业教育培训长期计划。

5 结语

中国目前植保机械以小型手动为主，其市场占有量高达80%，而高效的喷杆喷雾机市场占有量仅为10%~15%，一些低效的植保机械不能满足爆发性病虫草害防治的要求。落后的低效机具和农民所受教育水平不高，造成施药技术水平低，农药在作物靶标上的有效沉积利用率低，不到40%，从而导致农产品农药残留超标、环境污染。

随着中国经济的迅速发展，人们越来越关注农药安全使用问题，政府对此也高度重视，并针对其现状，虽采取了许多有效措施，也取得了良好的效果，但与欧美等发达国家相比，还存在很大差距，农药在中国农业上的使用存在着很大机遇的同时，也存在很强的挑战。