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農業論文

中國植保機械與施藥技術研究進展

時間:2019年09月29日 所屬分類:農業論文 點擊次數:

摘要:當今,中國農村存在家庭農

  摘要:當今,中國農村存在家庭農場、小規模農業合作組織和國家農場3種經營模式,其植保機械與施藥技術同其經營模式密切相關,盡管中國是農藥生產與使用大國,全球排名第一,但落后的植保機械和農藥使用技術與中國高速發展的現代化的農藥生產水平不相適應,帶來了農藥有效利用率低、農產品中農藥殘留超標和環境污染等問題,在中國現代化的生產進程中,農藥在中國農業與園林上的使用面臨許多機遇與挑戰。

  植保機械不同于其他農業機械,涉及農產品、環境與農藥使用人員的安全,是一種精確農業作業機具。自2000年以來,中國政府借鑒歐美等發達國家的先進經驗,成立專門的檢測、管理部門和機構,負責農藥的市場準入與使用規范標準的制訂;近年來,國家科技部、農業農村部等加大了對植保機械與施藥技術領域的投資力度,開發、研制了許多適合中國農業與園林上農藥使用的新型機具與技術,并在生產中推廣應用;中國政府已把植保機械與施藥技術列入中國農民職業教育培訓長期計劃。

  關鍵詞:植保機械;施藥技術;精準噴霧;霧滴;農藥利用率

農業機械學報

  現代農業需要現代植保技術,現代植保技術需要高效藥械[1]。中國處于季風氣候控制區,夏季高溫多雨,病蟲害發生嚴重,每年防治病蟲需使用農藥原藥30多萬噸(折純計)[2-3],這些農藥的應用為保證中國糧食豐收做出了重要貢獻[4]。

  自2007年以來,中國農藥產量與使用量已居全球第一,每年防治面積達4~5億hm2[5],這些農藥主要靠各種植保機械進行噴施。因此,農業藥械和施藥技術與方法關系到農業生產重大病蟲害防控能力和效率,關系到農藥利用率和生產成本,關系到農產品殘留和環境保護[6-8]。必須下大力量切實抓好植保機械和施藥技術工作,為現代農業的發展,為重大病蟲害的防控提供良好的理論與技術支撐和服務[9]。

  1中國植保機械與施藥技術現狀

  中國是農業大國,幅員遼闊,地形、氣候各異,種植的農作物種類繁多,病蟲草鼠害種類不同,危害程度也不盡相同,但都很嚴重。目前,中國每年化學農藥的使用量為100多萬噸。2016年,中國市場上有約600家農藥生產廠家生產超過600種以上有效成分和2.2萬種制劑產品,銷售商超過20萬家[10]。

  反映了中國不同年份與不同作物上農藥制劑使用基本情況,每年都有因使用不當,造成農藥使用人員中毒、農產品中農藥殘留超標、嚴重的環境污染等事件發生[11],因此中國植保機械和施藥技術的發展直接影響中國農作物病蟲害的防治效果及生態環境。

  中國植保機械和施藥技術的開發可追朔到20世紀30年代[12]。新中國成立后,中國植保機械行業得到了快速發展,為防治農作物病蟲害,實現糧棉、油料、水果等作物的高產穩產做出了積極貢獻[13]。

  2000年以來,隨著中國農業機械化的快速發展,中國植保機械化也有了很大的進步,機動植保機械保有量大幅增長,除大型自走式噴桿噴霧機外,出現了植保無人機、地面無人駕駛噴霧機器人等新機型,植保機械的性能不斷改善,植保機械化作業面積不斷擴大,高效植保機械化技術得到推廣應用,為促進農業抗災奪豐收做出了重要貢獻[13-17]。

  但是從總體上來說,中國植保機械性能和施藥技術水平還比較落后,無法滿足當今農業生產和環境保護要求。2014—2016年,中國農業大學施藥技術研究中心與德國聯邦農作物中心JKI施藥技術研究所聯合執行“中德農業科技合作項目-高效安全施藥技術體系研究(19/14-16CHN6)”項目,就中國植保機械與施藥技術現狀,進行了全國范圍的調查。

  1.1植保機械落后

  首先是機型老化,據農業農村部統計,2017年中國國產植保機械以手動噴霧器為主,包括20多個品種、80多個型號,其中70%~80%處于發達國家20世紀60~70年代的水平,首先是年產量高達800萬~1000萬臺(社會保有量1億臺)的各種手動噴霧器,常用機具仍是單管、壓縮、背負式噴霧器等老三樣,市場占有率達80%[17]。其次是機具單一,目前普遍采用單一機型“防治各種作物的病蟲害、打遍百藥”,且90%以上的噴霧器仍使用圓錐霧噴頭,這是造成農藥用量大、農產品中農藥殘留超標、操作者中毒等的重要原因之一。

  發達國家50~60年代開始進入植保機械專業化階段,并開發出各種專用的、能均勻噴霧的扇型霧噴頭[18-20]。三是噴霧作業效率低,目前的植保機械品種作業效率低,功效不高,采用手動背負噴霧器每人每日噴霧作業面積僅為1.3~2hm2,不能適應農村生產實際的需要,如蝗蟲遷飛前的防治適期僅為幾天時間,正值農忙時節,需要高效大面積防治,才能控制蝗蟲起飛危害[21]。

  1.2施藥技術落后

  首先是理念落后,目前一些地區農民仍習慣沿用50~60年代的大容量淋雨式噴霧法的噴灑方法,大霧滴因集聚不能在作物葉片上持留而流失至土壤中,造成農藥的大量浪費。其次是農藥利用率低,目前農藥有效利用率只有20%~40%,浪費嚴重[22]。施藥過程中,由于施藥技術知識的缺乏及大量不合格噴霧器進入市場,導致操作人員中毒事故屢有發生[23]。

  2中國植保機械與施藥技術研究進展

  針對上述問題,為適應農業生產發展的需要,提高重大病蟲防控能力,中國農業高校和有關科研單位以及企業在科技部、農業農村部、教育部、財政部和發改委等部委的支持下,承擔了一大批植保機械與施藥技術科研項目,研發了一系列機具與技術。通過全國農業技術推廣服務中心聯合各省植保站做了大量示范、應用及推廣工作,10多年來,中國植保機械與施藥技術取得了長足進步[24-26]。

  2.1理論研究創新與新藥械研發成果豐碩

  首先,通過國家立項開展研究,形成了系統的噴霧理論。農業農村部與科技部在“十五”至“十三五”期間一直將高效植保機械與新型施藥技術的研發作為國家科技攻關計劃、科技支撐計劃與“863”高新技術計劃的重點內容加以支持[27]。

  特別是農業農村部“高效施藥技術與機具開發研究”與“高效施藥技術研發與示范”、科技部“863”高新技術計劃“農作物靶標光譜探測技術”與“新型施藥技術與農用藥械”、國家自然科學基金委“農藥霧滴在典型作物冠層中的沉積行為及高效利用”等研究項目的實施,對精準施藥技術、循環噴霧技術、仿形噴霧技術、防飄噴霧技術、低空低量航空噴霧、智能植保機器人等技術開展了大量研究,形成了一系列理論研究成果,創立了適合中國作物生產實際的噴霧理論,出版了《高效施藥技術與機具》、《植保無人機與施藥技術》等著作,為農藥應用奠定了理論基礎[28]。

  其次,瞄準生產需求,研發了多種新型藥械。根據病蟲害防治實際需求和急需的產品,通過聯合攻關研制了一大批新型機具,采用防飄噴霧技術、恒壓噴霧新技術,與液壓噴霧技術、風力輔助噴霧技術有機集成等,研制了循環噴霧機、風幕式防飄噴霧機、自動對靶噴霧機和植保無人機等,仿形噴霧機等產品達到國際領先水平[29-30],比如:果園自動對靶噴霧機、循環噴霧機、高地隙噴霧機、單旋翼與多旋翼低空低量航空噴霧機、滑板攪索式水田寬幅噴桿噴霧機等。

  這些產品很快形成產業化生產,并大力推廣應用,在農業重大病蟲防治中發揮了重要作用,為中國病蟲防治提供了多種先進、實用、高效的施藥機具與技術,為大幅提升中國施藥機械水平做出了貢獻。三是研發的技術與新型藥械在生產中發揮了重要作用,取得了一批優秀成果。“十五”以來有關植保機械與施藥技術國家科技項目獲得了一批成果,其中教育部科技進步一等獎1項,農業農村部科技進步一等獎1項。

  2006年“高效施藥技術機具研究開發”獲教育部科技進步一等獎。“果園自動對靶噴霧機”和“自走式水田風送低量噴桿噴霧機”達到國際先進水平;中國農業大學“中德國際科技合作項目”合作研發的小型機動/電動背負式均勻穩壓噴桿噴霧機首次實現了背負式小型噴霧機全面積機械化均勻施藥;研發的自走式高地隙噴霧機解決了高稈作物(如玉米田粘蟲等)害蟲防治難的問題,受到廣泛歡迎;滑板攪索式水田寬幅噴桿噴霧機,解決了多年來水稻田缺乏高效藥械的難題,這是一個自主創新的成果,在精準施藥與防飄噴霧方面是一個新的突破。

  同時,這些項目根據規模經營、家庭農場發展的實際需求,研發了單旋翼電動植保無人機等新型低空低量航空噴霧機,不僅適用于水稻等作物植保的全程機械化噴霧作業,也適用于高稈作物(如玉米、甘蔗等作物以及丘陵地區果樹),從而使水稻田超低空低量施藥技術與裝備取得重大突破,解決了制約水稻病蟲害防治機械化的關鍵問題,達到了國際先進水平,對推廣低空低量航空施藥,建設現代植保具有重要意義。據此,2014年“高效減量精準施藥技術與機具研發應用”項目獲農業農村部中華農業科技獎科學研究成果一等獎。

  2.2新藥械的生產與引進和產業化開發推廣成績顯著

  首先是推廣成效顯著。近10多年來隨著新藥械的研發與推廣,噴霧器質量有了明顯提高,初步解決了“跑冒滴漏”問題,如全國農業技術推廣服務中心牽頭成立山東衛士公司生產的衛士牌手動噴霧器,引領了手動噴霧器質量的迅速提升,并通過其聯合推廣,全國植保應用部門每年篩選一批新的噴霧器,示范推廣新藥械30多萬臺(套),2018年地面自走式噴桿噴霧機全國市場裝機容量達到48萬臺,植保無人機接近2萬架,滿足了生產的需要[19]。其次是引進成效顯著。

  近幾年,隨著各地專業合作社的發展,筆者在研發上率先提出了發展“中小型噴桿噴霧機”的建議,并引導企業適應農村需要大力研發這種機型并投放市場。同時,呼吁、支持、鼓勵企業引進國外產品,積極宣傳引導國外企業來中國發展,近兩年引進產品及與國外公司合作開發出現了可喜進展,北京豐茂公司引進的西班牙“加農炮”、意大利大型自走式噴桿噴霧機等產品,產生了“鯰魚”效應,激發了國內企業加大創新的積極性,如豐茂公司經過消化吸收,研制了輕便型自走式高地隙噴桿噴霧機,投入市場受到熱捧。

  此外,適合于南方水稻產區用的小型無人航空施藥技術與設備引領了施藥機械開發的熱潮,許多新產品迅速進入產業化生產階段,在病蟲害防治中各領“風騷”。2018年4月在陜西省西安市全國小麥現場會上以及8月江西省南昌全國水稻病蟲防控現場會上,一些新藥械受到一致好評與熱捧,并受到政府相關部門的肯定。這些新型藥械為提升現代植保的裝備水平提供了保障,生產上積極推廣應用這些新藥械將標志著植保走進了新時代。

  2.3藥械使用及施藥技術培訓工作效果良好

  藥械使用及施藥技術培訓工作是一項基礎性工作,全國農業技術推廣服務中心、中國農業大學藥械與施藥技術研究中心(CCAT)及中國農業科學院植物保護研究所長期進行合作,成效顯著。一方面,全國農業技術推廣服務中心協調有關企業每年開展新型植保噴霧器應用培訓工作,規模比較大,每年培訓300期左右。

  另一方面,組織國內裝備生產廠商技術研發人員與農技推廣人員赴歐美國家考察培訓,如到美國、德國等國家考察植保機械,學習借鑒國外的先進經驗與技術;與世界著名的植保機械研發公司(如哈迪公司)合作聯合開展培訓工作,取得良好效果。自2004年以來,在國家外國專家局項目與農業農村部國際農業合作項目的支持下,CCAT和德國聯邦作物研究中心(BBA/JKI)進行長期合作,每年互派人員研究學習培訓3個月,大大提高了中國藥械研發、推廣及檢測方面的能力與水平。

  3國外植保機械與施藥技術研究進展

  20世紀60年代以來,國際上重點開展了農藥霧化、沉積與飄失的基礎理論研究并且成效顯著。

  3.1霧化理論研究

  農藥霧滴霧化是科學合理使用農藥的第一步,小霧滴是實現高效低量噴霧的關鍵,在單位面積施藥量相同的情況下,小霧滴覆蓋密度大,防治效果好,但小霧滴極易受到氣候條件的影響,研究施藥時小霧滴運動規律與作物冠層內外氣象因子的相關性,如風速、溫濕度等對霧滴運動影響的規律,進而可指導新型噴霧機的設計與研制,如20世紀90年代美國研制的罩蓋式噴霧機[31]。

  3.2防飄噴霧技術與裝備研究

  霧滴在作物上的沉積與飄失呈負相關,通過對噴霧過程中藥液霧滴飄失進行控制研究,可提高農藥的利用率和施藥的安全性。目前,國際上采用了多項防飄技術。如20世紀90年代,德國Lechler公司研制生產的ID防飄噴頭,利用射流原理,在300~−800kPa壓力下工作,利用射流原理,氣體從兩側小孔進入,在混合室內和藥液進行混合,形成液包氣的“小氣泡”的大霧滴從噴孔中噴出。

  由于大霧滴不易飄失,且提高了霧滴的穿透性,擊中靶標后,“小氣泡”與靶標發生碰撞或被靶標上的纖毛刺破后并進行第二次霧化,碎裂成更多更細的霧滴,又一次提高了霧滴的覆蓋率,可降低飄失75%以上,該技術廣泛應用于生產之中[24];20世紀80年代末,歐洲興起的風囊式防飄噴霧機,即在噴霧機上加設風機與風囊,作業時從風囊出口形成的風幕阻止了霧滴的飄失,脅迫霧滴向作物冠層沉積,不僅增大了霧滴的沉積和穿透力,而且在有風的天氣(4~6級自然風條件下)也能正常工作,可節省施藥量40%~70%[26],其典型代表是丹麥哈滴(Hardi)公司生產的24~44m噴幅大型自走式Alpha防飄噴桿噴霧機。

  3.3光機電一體化技術與精準變量控制噴霧技術研究及應用

  歐美國家采用紅外線“電子眼”探測靶標,通過中央脈寬控制PWM技術(PulseWidthModulation)控制電磁閥進行“有靶標時進行噴霧,沒有靶標時自動停止噴霧”的對靶施藥、精準施藥作業,可節省農藥50%~80%[21];精確噴霧和智能噴霧技術及其系統已被大量應用于生產中,如傳感元件、信號采集及數據處理、建立作物和病蟲草害數據庫等,每個噴霧機都裝備有自動噴霧控制系統,確保植保機械能實現精準均勻高效的噴霧作業。

  4中國植保機械與施藥技術發展的策略

  2000年以來,根據中國農村仍將是小型家庭農場、土地流轉和托管合作農場與大型國家農場同時并存的實際情況,在積極創造條件發展現代化植保機械的同時,重點研究解決適合不同種植模式下的省力化高效施藥機具、提高施藥技術及農藥有效利用率的問題,為此,中國政府建立了相關的植保機械與施藥技術體系。自2015年開始,全國實施“2015—2025的農藥肥料雙減計劃”和“農藥零增長計劃”;農業農村部設置中國最高的農藥、植保機械與施藥技術的管理機構,各省市、縣與鄉鎮均設植保站來執行國家政策和管理其管轄范圍內的農藥、植保機械與施藥技術,可以概括如下幾個方面:

  4.1把植保機械作為特種農業機械加強管理

  植保機械是中國在WTO協議中被列入強制性產品目錄的惟一的農業機械產品[16],中國已把植保機械作為特種農業機械進行管理,實行市場準入制度,進行3C認證,即1C為產品質量證、1C生產推廣證和1C市場銷售準入證;將植保機械列入每年一次必須接受監理檢測的機具,進行市場隨機抽樣檢查。

  4.2加速新型高效施藥機具研發,植保機械走專業化的道路

  根據中國大型機動噴霧機具雖有一定數量增長,但仍以小型手動噴霧機具為主的國情,國家加大了投資力度,進行科研立項,開展施藥技術研究,研究開發輕便、高效的新型機動噴霧機具,滿足種植面積小的經營模式的生產需要。

  4.3借鑒國際經驗,建立國家施藥技術研究中心,提高施藥技術水平

  施藥技術是中國至今沒有引起重視而實際上對農業病蟲害防治影響很大的因素,農藥、藥械和施藥技術是科學合理使用農藥的3個同等重要的環節。由于施藥技術落后,致使大量農藥不能噴灑到位或噴灑不均勻,藥劑不能充分發揮作用,在造成農藥大量浪費的同時,也是誘發害蟲抗藥性產生的重要原因之一[33]。

  因此,應通過開發應用先進植保機械,制訂相關施藥技術規范和法規,加強施藥技術與方法研究,提高農藥施藥技術水平。2008年,中國依托植保機械與施藥技術研究機構,組合相關農學、農藥、植保等多學科優勢,在北京組建了“國家施藥技術研究中心”,開展施藥技術的基礎研究及開發新型施藥機械。為此,政府增加了專門研究經費;此外,該中心還協助政府相關職能部門制訂相關管理政策、施藥技術規范、標準和法規,為其提供研究開發和推廣新型植保機械的科學依據。

  4.4加強作業人員技能培訓

  由農業、農業機械與教育主管部門共同負責,采取技術培訓、函授教育、文字和聲象宣傳普及等多種辦法,對農民展開有計劃的植保機械與施藥技術的職業培訓教育,以盡快提高農民的施藥技術水平。這是杜絕因不正確地使用農藥而造成的農藥浪費、環境污染和人畜中毒事故的根本途徑,中國政府已把此項工作列入中國農民職業教育培訓長期計劃。

  5結語

  中國目前植保機械以小型手動為主,其市場占有量高達80%,而高效的噴桿噴霧機市場占有量僅為10%~15%,一些低效的植保機械不能滿足爆發性病蟲草害防治的要求。落后的低效機具和農民所受教育水平不高,造成施藥技術水平低,農藥在作物靶標上的有效沉積利用率低,不到40%,從而導致農產品農藥殘留超標、環境污染。

  隨著中國經濟的迅速發展,人們越來越關注農藥安全使用問題,政府對此也高度重視,并針對其現狀,雖采取了許多有效措施,也取得了良好的效果,但與歐美等發達國家相比,還存在很大差距,農藥在中國農業上的使用存在著很大機遇的同時,也存在很強的挑戰。

  參考文獻(References):

  [1]屠予欽.化學防治技術研究進展[M].烏魯木齊:新疆科技衛生出版社,1992.TUYQ.Researchprogressinchemicalcontroltechnology[M].Uygur:XinjiangScienceandTechnologyHealthPress,1992.

  [2]張從.農業環境保護概論[M].北京:中國農業大學出版社,1999.ZHANGC.Agriculturalenvironmentalprotection[M].Beijing:ChinaAgriculturalUniversityPress,1999.

  農業方向刊物推薦:農業機械學報(月刊)創刊于1957年,是由中國科協主管、中國農業機械學會和中國農業機械化科學研究院主辦的唯一綜合性學術期刊, 農業工程類中文核心期刊,美國工程信息公司(EI)和美國化學文摘社(CA)收錄期刊。

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