四川丘陵大豆植保机械化发展现状与展望

刘 铮，马开东，吕小荣

（1.四川农业大学 机电学院，四川 雅安 625014；2.三台县金石镇农业综合服务中心，四川 三台 621100）

大豆又叫黄豆，发源于我国，含有丰富的蛋白质、脂肪，还有卵磷脂及多种维生素，有着益气润肤、宽中下气、润脾消痢、清热解毒的作用[1]。我国是大豆的主产国之一，我国大豆种植比较分散，除青海省外，其余各个省份均有种植，从国内生产布局来看，逐步形成东北春作大豆种植区、黄淮海流域夏大豆种植区、长江流域春夏大豆种植区和南方多作大豆种植区的生产格局[2]。

四川省农作物产区丰富，是我国的农业大省。地形多为海拔较低的丘陵和山地，且大部分耕地为旱地，是我国多熟早作物农业的典型代表。四川豆类种植很广泛，种植规模仅次于玉米、小麦，其中以大豆种植为主。2018年，四川全省大豆总产量为88.80×104t[3]，省内大豆种植范围比较集中，主要分布在川东丘陵地区，占全省总种植面积的70%以上[4]。由于受丘陵地形有效种植耕地面积小、地块小、土地肥力不足、作物种类较多并且规模较小等问题的影响，一些高效的大型植保机械无法使用。丘陵山区农业基础设施建设仍然相对滞后，道路宽度不够且崎岖不平，道路建设不全，机械通行难度大的问题依然存在，造成作业局限性较大，作业成本高，投入产出比不高，这是影响丘陵山区植保机械化发展的另一个重要因素[5]。四川丘陵山区的豆类植保工作主要还是由传统人工分散完成。对于同一片地，如果种植了多种作物，对植保机械的要求更是多种多样。因此，提高丘陵山区豆类植保的机械化作业水平，改善作业条件，降低生产成本和增加生产效益，对于丘陵地区豆类产量和品质的提升有现实意义。

本文对四川省丘陵山区大豆植保机械化发展现状和展望做出了综述，通过分析一些地区的植保机械应用和相关研究现状，总结了四川省丘陵大豆植保机械化存在的问题，并对其发展的趋势提出了合理的建议。

1 四川丘陵大豆植保机械化发展现状

在我国南方丘陵山区各省中，四川省的植保机械化水平排在第3位[6]，仅次于浙江和湖北2省，为22.14%，但跟第1名浙江省的65.65%相比较，差距还非常巨大。中国国产植保机械以手动喷雾器为主，其中囊括了20多个品种、80多个型号，其中75%左右的产品仅处于发达国家20世纪六七十年代的水平。四川丘陵山区大豆植保也是以手动喷雾器喷洒农药为主[7]，最常用的机具包括单管、压索、背负式喷雾器等，市场占有率达到80%[8]，且90%以上的喷雾器仍使用的是圆锥雾喷头。这种动用人力较多的老式喷雾式作业方法，由于其工作过程中存在的“跑、冒、滴、漏”现象，大多数情况下的农药有效利用率只有1/3左右，浪费极其严重，农药的毒性也会给人们带来不小的安全隐患[9]；其次是喷雾效率低下，很难满足实际农村生产所需。

四川省有关植保机械的相关企业总体呈现为产量较低、规模较小、核心技术不够先进。截至到2016年4月，成都和泸州的4个厂家通过了3C认证，但只有位于成都的2个厂家在正常生产，主要的产品还是以背负式的手动/电动喷雾器为主[10]。

尽管四川在植保机械技术和设备方面目前还比较落后，但在开发和推广新型大豆植保机械方面得到了国家的重点支持和关注，革新后的新型大豆植保机械在适用范围和适用群体上也在逐年扩大。

1.1 四川丘陵山区大豆植保机械应用现状

绵阳市对大豆的病虫害防治主要是以人工喷雾或者电动喷雾为主，但是由于效率较低、人工费用较高等原因，严重影响了农民防治病虫害的积极性。无人植保机具有操作简单、速度快且效率高、喷洒均匀且雾化效果好、环保性好等优点，为了探索无人机在丘陵山区病虫害防治方面的效果，2016年，四川省绵阳市农业科学研究院在三台县开展了无人机试飞防治试验，无人机防治对比人工防治组，作物的发病率和病情指数分别降低了23.86%和18.62%[11]。

四川省自贡市沿滩区处于川南丘陵区，属亚热带湿润气候，适宜种植大豆[12]。该区对大豆的病虫害防治通常采用的是背负手动式喷雾器和背负机动式弥雾机这2种半自动化的喷药机械，部分机型还存在植保过程中农药使用量过大、利用率低等问题。为适应大豆中后期药物喷施需要，近年来开始使用高地隙喷药机。为适应不同作物不同行距带来的工作环境变化，通常高地隙喷药机底盘的轮距都是可调节的。常用机型有东方红-WPZ2500型、亚泰3WZG-650型、约翰迪尔4730型等高地隙喷药机[13]。

从2013年开始，四川省绵阳、广安等多地对植保无人机在丘陵地区的作业情况进行了试验和示范，主要还是针对的病虫害防治，其次用于作物的施肥等。从目前的发展形势看，无人机植保防治作业针对的作物种类还在不断扩大，从矮秆作物的大豆、水稻、小麦扩展到高秆的玉米、高粱等，且作业量也增大到13.33×104hm2，无人机利用率不断提高[14]。截至到2018年底，省内保有的农用植保无人机架次达300多架，并且以每年几十架的增速增长。

1.2 四川丘陵山区植保机械研究现状

2014年华南农业大学的洪添胜等[15]对作业环境为丘陵山区的一类植保机械进行了研究并取得成果，研制出一种能够适用于多人同时喷施作业的恒压喷雾机。该机具有以下优点：能保持工作时的喷雾始终恒压，保证喷施均匀稳定；设置有过载保护装置，压力传感器检测到压力超过限定值时，机器立即停止工作，达到防止爆管的效果；整机在启动过程中不存在机械冲击转矩，能增加机器的工作寿命；喷雾工作完成时能进行“软停车”，避免水锤效应对整机管路影响。

2011年，雷小龙等[16]经研究制造了一种解放人力，并且能实现远程控制自动喷雾工作的自走式电控植保喷雾机械。通过自动控制技术和植保机械相结合，采用直流电机脉宽调制（PWM）技术与液压技术，达到精确调节电机转速和喷药器喷杆高度与转向控制的作用。通过对控制系统进行编程，使机器能按照指令行走并且准确转向。带有空气室的活塞泵可以在喷雾时比普通的活塞泵受到更小的压力脉冲影响，保证其工作稳定。总体提高了药液的利用率，减少了药液的用量，对于土壤环境的保护有一定积极作用。

王海艳等[17]针对丘陵山区背负式喷雾器效率低等问题，对传统背负式喷雾器进行了改进，增加了速度控制系统，实现了自走功能，以电力为能源提供动力，通过转动把手调节电机的转速，采用可调节长度的喷杆以适应不同环境喷洒高度的变化，该机高效环保，可一机多用，山地、大棚使用效果均良好。

中国农业大学联手德国技术部门研发的小型机动/电动背负式均匀稳压喷杆喷雾机突破了以往背负式喷雾机作业范围不均匀、喷雾效率低下的瓶颈，能高效完成全面机械化均匀施药；针对低秆高秆作物的植保需求，同时满足植保机械的机械多用性要求，研发出单旋翼动力的电动植保无人机等新型低空低量无人机机型[18]。

周彦春等[19]设计了一种高效的适用于丘陵山区的履带自走式植保机械，经植保作业实验，该机械有以下优点：一是设计的履带式底盘能保证在丘陵地带稳定通过，且行走速度（≤1 m/s）符合植保要求，每侧3个喷药口保持较大的喷药量；二是两侧同时工作的喷幅最大能达到12 m，喷头的喷洒角度能在0°～180°内变化，符合多数地块植保要求；三是履带式底盘可原地360°转向，解决了地块小、转向困难的难题，能稳定通过40 cm的沟渠。履带自走式植保机械的结构见图1。

图1 履带自走式植保机械结构Fig.1 The structure of crawler self-propelled plant protection machinery

受国外先进植保机械化发展现状的启发，近年来国内有关的植保研究团队也启动了对丘陵山区植保机械及技术的研究，在高效喷雾技术方面取得了不俗成果，但在较为前沿的无人机植保技术和精准喷药技术的研发等方面仍进展缓慢，较为落后，亟待取得新的突破。部分最新研发的植保机械还在试验示范和推广阶段，暂时不能实现在大范围植保作业中的使用。

2 四川丘陵大豆植保机械化的展望

2.1 四川丘陵大豆植保机械发展存在的问题

2.1.1 设计落后产品单一

当前市面上的大多数手动喷雾机结构设计落后，喷头关键部件单一，雾化性能不稳定，易造成药液浪费，增加植保成本；产品种类规格少，对于不同作物在不同生长时期的病虫害防治作业并不能达到完全适用；核心部件的工艺、普及程度及产品可靠性不足，还不足以达到我国国情的需求。

2.1.2 农药有效利用率较低

目前，我国农田单位面积的用药量是美国、德国的1/2，但农残为他们的数倍，严重的高达数十倍，农药利用效率较低，仅为30%左右，流失率高达50%以上，可见我国针对提高农药利用率的植保机械施药技术研究尚处于较为落后的阶段。

2.1.3 先进施药技术和完备的技术规范的缺失

3S技术（GPS技术、GIS技术、RS技术）等先进计算机技术已经被发达国家广泛运用到丘陵植保机械的研制中，使其达到高效、安全、智能、精确的喷洒要求，并且也出台了相应的有关安全无害地处理废弃农药和农药容器的行业要求。而放眼国内，我国丘陵植保机械所搭载的关键技术还较为落后，多数研发的植保作业机械仍与国外存在一定的差距，且由于缺乏植保规范的普及，农民只能依据说明书中规定的用量或者经验来施药，在植保作业方面可能操作得不标准、不安全，达不到现代施药技术中安全高效施药的要求。

2.2 四川丘陵大豆植保机械化的发展趋势

2.2.1 低容量与超低容量技术

小雾滴覆盖密度更大，漏施情况少，防治效果好，研究施药时药液雾滴运动的仿真模型，与田间小生态环境如环境温度等对作物受药情况影响，找到其中的物理学规律，为新型机器研发提供理论研究模型，对研发生产植保无人机和风送式低量喷杆喷雾机的进程有积极推进作用。

2.2.2 机电一体化技术

采用机械、电控技术结合的植保机械可通过显示器实时监控机组速度、喷药速度、喷头压力、药液余量等。并且能通过人工操作改变相应参数，达到控制喷液量、行进速度等目的，操作简单，并通过安装GPS系统来展开精量施药、精准施药，提高了工作效率。

2.2.3 大型喷杆及防飘喷雾机的生产

在普通喷杆喷雾机上采用防飘喷头，可以降低70%左右的喷药损失。

2.2.4 全液压驱动系统

采用液压的结构可简化喷雾机，液压装置因为其缓冲吸震的特性，相对于机械的结构提高了整机的稳定性。比如液压悬浮减震设备，可以让植保机械在丘陵上坡和平地行走的时候做出相应调整，进而确保喷杆速度与高度改变时系统能够稳定运转。

2.2.5 健全的过滤产品与系统

不同种类的药液流动性不尽相同，为了防止系统堵塞造成漏喷或雾化不良，喷雾器应设置能够自洁、防堵的压力过滤器，以满足多种药剂与多种作物的喷雾要求，从而提高喷洒质量。

2.3 四川丘陵大豆植保机械化的发展建议

一直以来，我国从事农药产业和有关机械生产的部门之间缺少针对农药和药械产品生产和病虫害防治三者有机结合的合作，未来的农机研究不可避免地要将“农机与农艺相结合”放在优先地位，各部门之间与学科之间的协同研究变得格外重要。为此，针对大豆植保机械与施药技术、农药、病虫害防治方面产生的问题提出如下发展建议。

2.3.1 注重农机与农艺结合

丘陵山区地形特点就是斜坡、碎石居多，地势也不平坦，很大程度上阻碍了大型植保机械的进入，根据大豆不同生长时期的株高研究相应的自走式高地隙大豆植保机械意义重大，可大大提高丘陵地区植保效率。

2.3.2 借鉴国际经验

由于施药技术落后，不仅有农药喷施不均匀的问题，而且大量农药浪费还会污染环境、危害人类健康。为此，应吸收国外研究经验，进行施药技术的基础研究，从根源上解决施药效率低和浪费的问题。

2.3.3 制定完善健全的技术规范

由农机生产、农业相关部门等制定一套完整、健全的山地环境农药施用、农机使用技术规范，并派专职讲师对相关务农人员讲授有关农药施用方法和机具使用细则，以提升广大务农人员的植保水平和环保意识。

3 结语

针对目前四川丘陵山地地区大豆植保机械的使用情况可以发现，多数地区植保机械和施药方式还处于落后水平，从生产结果来看，在一定程度上阻碍了地区大豆生产效益的提高。为改变现状，亟待研发适用于丘陵山地的高地隙高效植保机械。

国外的无人机植保技术已经比较成熟。作为一种新型的植保机械，无人机是丘陵山区植保机械发展的方向之一。对于一般喷雾机施药困难的高秆作物，无人机施药则是得心应手，不仅节约成本而且高效。近年来，国内技术人员也加大了对丘陵山区无人机植保的研究与推广。

缺乏先进的施药技术和完整、系统的技术规范，且缺乏对于农民群众在植保机械使用和施药技术方面的培训教育，多数农民只能操作简易的背负式喷药机。通过专职人员的相关培训，提高农民群众的机械使用技术和施药水平，对提高丘陵地区的作物产值有极大的作用。