航空喷雾在农作物病虫害防治中的应用

航空喷雾在农作物病虫害防治中的应用

飞机喷雾是中国第一个飞机操作项目。1951年5月22日，中央军委航空局在广州宣布c-46号飞机在广州进行了蚊苍蝇化和飞机操作，这表明新中国的航空航空事业已经诞生。航空喷雾是中国农业航空的主要运营方式。在运营范围上，2012年末，航空航天工程约为4000小时，是总航空项目的第三个目的地。与当地的飞机雾剂相比，航空喷雾具有快速、高效、灵活、突然性强等特点，在航空安保、航空施肥、防疫等领域发挥着不可替代的作用。近年来,我国每年使用飞机喷雾防治农作物病虫害面积达70多万hm2,防治草原虫害面积54~70万hm2,小麦叶面施肥140多万hm2,为我国农林业发展和农业现代化建设做出了重要贡献。当前,随着我国低空空域管理改革的不断推进和农业生产集约化和规模化的发展,以及植保技术精细化发展趋势与要求,航空喷雾技术的研究和应用将面临新需求、新机遇,在此对航空喷雾技术的发展进行概述、总结与探讨,对当下促进航空喷雾技术的进步,推动我国航空植保事业又好又快地发展,具有一定的现实意义。1历史与现状1.1航空喷雾作业的现状和基农业航空喷雾技术是指如何利用航空器及其机载设备将喷施物应用于靶标区的作业技术,航空器的航高航速、气象条件、作业设备雾化性能以及药液的理化性质均对喷施效果有着不同程度的影响。该技术在国外开展得比较早,应用得比较成熟。1911年德国人最早提出用飞机喷撒化学药剂,以控制森林害虫的计划。1918年美国用双翼飞机喷药防治牧草害虫取得成功。1922年用JN-6军用飞机的改良型喷洒棉花,同年前苏联用飞机喷洒农药扑灭了蝗虫。1929年,美国在加州用伊格尔罗光双翼飞机播种水稻。1930年荷兰教授维拉尔用飞机向云层撒干冰进行人工降雨。第二次世界大战后,各种杀虫剂、杀菌剂和除草剂大量问世,要求用高效能的喷洒机具来满足植物保护工作的需要,与此同时,大量军用飞机和驾驶员转向农业,促使农业航空迅速发展。1949年美国开始研制专门用于农业的农用飞机,20世纪50年代开始设计制造多用途农业飞机,20世纪50年代末,直升机也加入农业航空行列。随着农用飞机的不断发展,航空喷雾技术也发生了很大的进步,从喷洒量大于30L/hm2的常量喷洒,发展到5~30L/hm2的低量喷洒,再到小于5L/hm2的超低量喷洒,如美国1944年已有半数采用低量喷雾,喷液量为9~28L/hm2。20世纪60年代静电喷雾技术开始应用于农业航空。美国是应用航空喷雾最发达的国家,目前有农用航空公司2000多家(包括500多家飞机及航空材料生产企业),拥有农用飞机20多个品种9000多架(13%为农用直升机),占世界总拥有量的28%,65%的农业化学处理是由飞机承担,平均2万hm2耕地便有一架农用飞机。由于美国国土面积广阔,耕地较多,农业生产主要以超大规模经营的家庭农场为单位,规模化种植从客观上要求高效率的飞机投入农业生产,以提高农业劳动生产率和农产品商品率。因此美国的农用飞机以作业效率较高的有人驾驶固定冀飞机为主,农用航空作业项目除了飞机播种、施肥、施农药外,还包括人工降雨、森林灭火、空气清洁、杀灭病菌等。美国也是目前世界上应用航空喷雾技术最为成熟的国家,具有较为完善的技术标准体系和先进严密的管理与技术支持研究机构。美国联邦航空局(FAA)颁布的《联邦航空规章》(FAR)中有关航空喷洒的内容涵盖航空器的飞行、运行、作业多方面,所制定的主要技术标准有《农业航空喷洒设备校准和分布模式测试》(ASAES386.2)、《测量地面、果园和空中喷雾漂移沉积过程的程序》(ASAES561.1-2004)等20多部;除了FAA对作业设备型号认可、性能合格审定、持续适航监管、安全符合性检查等,美国环保局(EPA)对农药使用的符合性、航空喷施作业流程及作业对空气、水体、土壤和动植物的影响进行管理和评价;美国农业部(USDA)对规范作业技术和作业质量进行管理;美国国土安全局(DHS)对作业设备的安全系统、喷施物的安全性等进行评估;美国农业航空协会(NAAA)、各州农业航空协会、航空喷施协会、有关大学与科研机构对航空喷洒作业技术进行研究。在美国航空喷雾使用的主要机载设备包括GPS、GIS、流量控制器、实时气象系统和喷施校准设备。航空喷雾作业面积前5名的作物依次是:玉米、小麦/大麦、棉花、大豆和水稻,对森林病虫害的防控几乎100%采用航空喷雾作业。当前,发达国家对航空喷雾技术的研究热点主要集中在以下两个方面:一是可控雾滴技术的应用与雾滴飘移控制的研究。通过按作业要求选择适宜的喷头和喷雾参数,控制雾滴粒径、飘移率等以取得最佳喷雾效果;通过建立飞机喷雾的雾滴分布仿真数学模型,运用模型分析雾滴沉降规律,研究航高、航速、风速、雾滴粒径、不同机型对雾滴飘移的影响。二是全球性定位系统(GPS)及精准施药技术的使用。航空喷雾作业时,通过SSM中不同区域(较小的面积单元)所需的农药制剂、肥料用量,进行变量喷施;随着可视化技术的发展,远程控制平台也开始得到应用,即当飞机到达作业区域时,GPS能实时将作业区域的信息图像传送到控制平台(电脑),但是当飞机速度≥65m/s,GPS技术尚不能很好地完成即时数据回传,但在较小速度下的使用已能达到作业位置精确定位与自动导航,最终实现精确施药及喷幅精确的对接。1.2国内发展1.2.1航空喷雾的制备我国航空喷雾技术是在航空喷粉的基础上发展起来的。从20世纪50年代初期至60年代中期,我国农业航空主要喷撒粉剂用于灭蝗,但随着蝗害得到有效控制和航空喷粉对环境的重度污染,航空喷雾开始出现,并逐步取代航空喷粉。航空喷雾取代航空喷粉,这主要是取决于航空喷雾的优势,航空喷雾可根据作业对象的不同,调控雾滴大小,且喷雾雾滴较粉剂在作物表面有更好的沉积和附着,造成的农药飘移和对环境的污染也较少,因此作业质量和效果较好。1.2.2飞机喷施的历史及其现状20世纪70年代中期之前,飞机喷雾均采用常量作业,一般每公顷喷施量为30~40kg,架次作业面积25~30hm2,虽然作业效率比地面人工作业高很多,但在作业集中繁忙季节,因飞机作业面积大、时间紧,往返场空中耽误时间多,不能满足农业生产上适时施药的需要。随着1975年航空超低容量喷雾试验的成功和推广应用,我国农业航空喷施技术的发展步入了一个新的历史时期,推动了飞机作业项目的多元化。特别是飞机超低容量技术在水源缺乏和作业区较远的地区的应用,显示了其不可替代的优势,在防治森林病虫害、草原蝗虫、蚊蝇及疫情消毒方面也发挥了突出的作用,这在1976年我国唐山发生大地震时,出动农用飞机超低容量喷洒马拉硫磷杀灭蚊蝇、控制疫病流行的过程中得到了最好的印证。超低容量喷雾在使用的过程中,和其他任何应用技术一样,也有其局限性,一般需要专用的农药制剂,且适宜的溶剂难以选择,产生的雾滴漂移和对环境的污染较严重,低容量喷雾就没有这方面的限制,它不需要专用的农药制剂,可以根据需要进行不同农药或药肥混喷,因此,在实际生产中得到了较快和更广的发展。1.2.3综合作业与喷施农药进入20世纪80年代以后,随着科学技术和国民经济的发展,人们开始注重经济效益和综合技术的应用,航空喷雾综合作业技术应运而生。综合作业是指在喷施适期相吻合时,在不影响农药使用效果的情况下,将两种或两种以上的农药与作物肥料进行混合喷施,达到一次作业、多重效果的目的。在黑龙江垦区和新疆生产建设兵团、河南及辽宁等省区分别在小麦和水稻上得到了大面积的推广应用,产生了巨大的经济效益。农业航空复合作业技术的迅速发展和应用,表明我国农业航空喷施技术已逐步走向成熟。1.2.4国内高压旋转轴喷雾试验研究目前国内航空喷雾使用的机型主要为固定翼飞机,在20世纪80年代以前,我国使用的农用飞机都是单一的Y-5型飞机,80年代中期,国产Y-11型飞机问世,后又经过研制改进为Y-11改进型并在生产中应用;在此期间从澳大利亚和波兰引进的空中农夫和M-18两种机型,我国自行研制的N-5A、Y-5B机型也相继投入使用;2000年以后,又从国外引进了空中拖拉机和GA-200、M-18农用机型。直升机(如Bell206)、无人直升机(UAV)在我国的应用和研究尚处于起步阶段。我国农业航空喷雾设备的发展同样经历了漫长的历程,在70年代中期以前,使用的喷雾设备结构简单、机动性小、精度低,雾滴大小不能调控,雾化性能差。在1975年以后,开始使用旋转雾化器(如AU5000)进行超低量喷雾,随后又不断研制和从国外引进了多种类型的喷雾设备,如GP-81、GA2000等,这些类型的喷雾设备,雾滴大小可以调控,雾化性能较好,能够满足不同作业方式的流量需求。到了20世纪90年代,卫星导航技术(GPS)开始应用,促进了航空喷洒技术向着精准施药方向发展。出现了专门为超轻型飞机配套设计的3WQF型农药喷洒设备,此设备可广泛用于小麦、棉花、森林等的农药以及叶面肥的喷洒;1999年由中国林业科学研究院研制的HU2-HW1型超低容量喷洒设备及NT100GPS导航系统与海燕650B飞机配套技术,在广西武鸣林区用于防治病虫害,并进行了相关试验研究。到了21世纪初,航空静电喷雾技术开始进行研究和试验,并取得了重要进展。1.2.5飞机作业的影响因素在农业航空喷洒基础理论研究方面,对飞机喷雾雾滴沉降特性和检测技术的研究,始于20世纪70年代中期,在此之前,对飞机作业效果的成因研究甚少。随着国家经济发展和技术进步,人们越来越重视飞机作业的经济效益和环境问题,迄今为止,对农业航空喷雾产生的飘移、不同的施用对象表面雾滴分布、不同的防治对象对雾滴覆盖密度和大小要求的特异性等的研究,都有了显著的进展。自20世纪70年代以来,中国民用航空局第二研究所研究人员针对飞机喷雾飘移问题,开展了农业航空化学雾滴沉降效应研究,建立了雾滴飘移随下风距离关系的数学模型,揭示了雾滴内飘失规律,提出了不同喷施方式、不同作业对象的适宜雾滴大小、密度和覆盖均匀度,积累了我国主要粮食作物及部分经济类作物飞机作业雾滴特性方面的系统资料,并研究得出了基本的结论。1.2.6保障醇喷装备在航空喷雾生产条件下的性能在航空喷洒设备雾化性能测试、作业质量检测方面,通过对我国自主研发的GP-81、Y5B-1、CYD-1型喷洒设备和引进设备的雾化性能测试,以及航空喷雾作业现场质量检测,掌握了较为成熟的检测手段与技术,在设备定型检测、航空喷雾效果评估中得到了广泛运用;在喷雾作业设备技术研发以及作业设备检定验证方面,国家及民航局已先后出台多项政策予以鼓励和推动,为提高航空喷雾装备的技术水平、强化航空喷雾作业的安全监管提供了有力保障。近10年来,在航空喷雾技术标准制定方面取得重要成果,先后制订了《农业航空作业质量技术指标喷洒作业》(MH/T1002.1-1995)、《飞机施用农药规范》(MH/T1026-2009)、《农用飞机喷洒设备性能检测规范》(MH/T1031-2010)、《通用航空机场设备设施》(GB/T17836-1999)、《飞机喷施设备性能技术指标第1部分:喷雾设备》(MH/T1008.1-1997)、《农业航空技术术语》(MH/T0017-1998)、《森林航空消防技术规范》(MH/T1033-2011)、《航空喷施设备的喷施率和分布模式测定》(MH/T1040-2011)、《通用航空术语》(MH/T1039-2011)、《飞机喷洒设备设计规范》(MH/T1049-2012)、《飞机喷雾飘移现场测量方法》(MH/T1050-2012)、《喷雾飘移的风洞实验室测量方法》(MH/T1051-2012)等10多项行业标准,对规范航空喷雾作业技术、操作流程、检测方法起到了积极作用。2发展趋势与探讨2.1航空喷雾设备的发展方向目前,我国航空植保机型主要有轻型固定翼飞机、直升机和轻型无人直升机。轻型固定翼飞机载量大、飞行速度快、作业效率高,作业时采用超低空飞行,距作物冠层5~7m,对作业区域地形条件要求较高,易受田间周边障碍物如电线、电杆、树木等影响,引起飞行安全问题;使用直升机作业,螺旋桨造成的空气涡流能使农药喷洒到植物茎叶的背面,提高喷洒效果,与固定翼飞机相比耗油量稍大,但可在田间起降减少了机场、跑道等的建设费用,适应于地形较复杂的地区;轻型无人直升机与前2种机型相比,具有自动化程度高、操控安全、减少污染、运行成本低的特点。根据不同类别航空器作业优势和特点,从我国航空植保机型应用现状和发展趋势来看,轻型固定翼飞机仍将是主力机型,但直升机和轻型无人直升机在生产中已开始受到重视和应用。今后我国航空喷雾机型的发展,在注重扩大固定翼机群的同时,应协调发展直升机和轻型无人直升机,充分利用旋翼产生的下压气流,避免雾滴的飘移并利于雾滴穿透,提高雾滴的附着率。需要指出的是在国外对无人机的研究日益受到重视,美国已开展了无人机(UAV)航空喷洒方面的研究;日本从20世纪90年代起将遥控直升机用于大田作物、果树和蔬菜的病虫害防治,从而实现合理施肥和农作物品质管理。无人机特别适宜于种植规模较小、地形较复杂的条件,国内目前通用轻型无人机主要有蜜蜂16共轴式无人驾驶直升机、Z-3无人直升机、WD100型无人直升机和天鹰-3等。近年来,中国农业大学、中国农业科学院植物保护研究所、农业部南京农业机械化研究所开展了小型无人机施药技术的应用研究,对促进无人机在我国植物保护中的应用起到了积极作用。由于航空喷雾雾滴释放位点较高,对喷洒装置和控制装置有更高的要求,如果喷出的雾滴谱宽、对靶性差,部分细小的雾滴可飘移至数公里以外,极易造成污染。研发性能优良的喷雾装置和技术先进的控制系统,满足精准农业的发展需要,是航空喷雾设备系统发展的必然趋势。在美国,其航空施药部件系列完善,能适合不同作业要求,农用飞机上都配备精密仪器和设备,如GPS是很普遍的装备,以降低和控制对环境的污染。在美国还十分注重航空喷头的研究,其航空喷头根据雾化方式主要分为液力雾化喷嘴和旋转离心雾化器两种,美国农业部航空应用技术研究中心研究出一种航空喷头喷洒模型,可以清晰了解喷头产生的雾滴情况,以便选择并设计合适的作业参数。在我国,航空喷雾设备品种少、性能较差,控制系统一般只是简单的压力计、流量计,少数的装有GPS自助导航仪,与发达国家相比,差距甚大。2.2超低容量喷雾防治在航空喷洒时,应尽量选用适于低容量喷洒的农药剂型和制剂,以提高农药的利用率。航空超低容量喷雾,其喷洒雾滴直径80μm左右,容易造成远距离飘移,在逆温条件下可飘移10km,易造成环境污染和药害,国外发达国家以立法禁止使用超低容量喷雾;我国从20世纪70年代开始研究推广,由于适合超低容量的农药剂型少等原因,目前仅在森林、草原灭虫有过一定面积的使用。近年来,中国农业科学院植物保护研究所利用Af-811小型无人机,开展了喷洒不同剂型毒死蜱用于玉米螟的防治试验研究,研究结果显示,毒死蜱超低容量液剂的防治效果明显优于毒死蜱乳油;农业部南京农机化所利用N-3型无人直升机,在水稻孕穗期、3~5m的作业高度下,进行了针对不同的防治对象选择不同剂型农药喷洒试验研究。所有研究结果表明,农药剂型对航空喷施效果有直接影响,一般宜选择适于低容量的乳油或水剂喷洒。但目前国内在这方面的相关研究还很少,有待于进一步拓展和深入。2.3应用技术当前,航空喷雾技术主要解决以下三个方面的问题:非靶标区的飘移、提高防治效率和农药利用率、提高作业的可靠性。2.3.1在其他方面的应用飞机喷雾有自身的特殊性,由于飞行速度快,药液释放位点距作物冠层较高,受风力影响大等因素,其飘移损失较大,造成用药浪费和对环境的污染,如体积中径为48~80μm的细小雾滴在地面仅可回收4%~10%。常规的航空喷洒作业多数采用传统的液压喷头,其在飞行喷雾作业时,雾滴向地面的降落形式主要为自由落体运动,由于受飞机飞行时的气流影响和雾滴触及植物表面后的自由滑落,使得雾滴在靶标植物表面的沉积很难达到理想的效果,实际上所有现有的机械喷雾无论是飞机喷雾或是地面机械喷雾过程中,仅有很少部分药物能到达病虫危害的植物部位,特别是植物的隐蔽部位如植物冠体内部叶片和叶片的背面是很难接触到药物的,这些部位恰恰是病原菌和害虫最集中的地方。将静电喷雾技术与航空喷雾技术结合,能较好地解决前述问题,是因为航空静电喷雾具有独特的优点:一方面飞机喷洒作业时产生的雾滴借助于静电场的作用,增强了喷雾粒子对预定目标的吸附;另一方面,飞喷作业时的雾滴是由上向下运动,在重力和静电场力的双重作用下加速了雾滴向下运动,减少了雾滴飘移损失。此外,飞机飞行时产生较大的气流,提高了雾滴在植株中的穿透性,提高了药液的利用率。因此,根据我国国情,研发航空静电喷雾装置特别是适用于我国运五、运十一、蜜蜂、蜻蜓等飞机挂载的各种静电喷雾装置,是我国航空喷洒设备发展的重要方面。除了航空喷洒设备外,航空喷施技术对控制雾滴飘移也具有重要作用。美国十分重视农药喷洒作业中雾滴飘移引起的环境污染问题,20世纪70年代末到80年代初,美国林业局开始用计算机模型来分析和预测航空施药中雾滴飘移、沉积情况,最早的模型是FSCBG模型(forestservicecramerbarrygrim),在Teske等研究人员努力下,FSCBG模型发展成为AGDISP(agriculturaldispersion)模型,用户通过该模型可以输入喷嘴、药液、飞机类型、天气因素等,通过对内部数据库调用,以此来预测雾滴沉积和飘移,估测雾滴粒径参数,来调整喷洒设备性能,增强控制喷雾飘移的效果。2.3.2航空喷雾助剂药液的雾化、沉降及其分布的质量,是由气象条件、喷洒设备和喷液性质这3个主要因素的综合影响所决定的。据相关测试表明:在以水作稀释剂进行航空喷雾作业时,约占总喷施量60%的药液在沉降过程中被挥发掉或飘移到作业区域以外的地方,只有25%左右的药液沉积到作物植株上。通过在航空喷液中加入某种助剂的方法,可改变喷液的黏度、表面张力、挥发度等性质,有利于药液雾化的均匀性和雾滴沉降,减少飘移,改善药液在作物植株表面的展着性、提高附着率和渗透性。我国航空喷雾常用的助剂有液体肥料、矿物油、人工合成的非离子表面活性剂、植物油等。黑龙江省农垦总局植保站经多年研究,得出高温干旱条件下飞机作业加植物油型喷雾助剂的新技术,具体做法是:将飞机作业气候条件分两类,一类是适宜作业气候条件,温度13~27℃,空气相对湿度大于65%,风速4m/s以下,药液中加入喷液量0.5%植物油型喷雾助剂,可减少30%~50%用药量;另一类是不适宜作业气候条件,温度大于27℃,空气相对小于65%,风速4m/s以下,药液中加入喷液量1%植物油型喷雾助剂,可减少20%~30%用药量,此技术在新疆应用仍然可获得稳定的药效。由于航空喷雾助剂有利于降低挥发,增加药液的沉降量、减少雾滴飘移;有利于降低药液的表面张力,提高雾化性能增强雾滴分布均匀性;有利于改善沉降雾滴在植株表面的黏着性,提高抗雨水冲刷力、延长滞留时间。因此,航空喷雾助剂具有一定的增效作用,从而能减少用药量和喷液量,提高喷洒效率和农药利用率,所以今后应加强新型航空喷雾助剂的研发,促进喷雾助剂在航空喷施技术中的应用。2.3.3航空喷雾作业的测试我国目前航空喷雾作业设备,由于长期使用、维护保养不到位等,造成设备稳定性和保持性的下降,导致作业均匀性降低、作业喷施物的飘移严重等,因此,根据有关技术标准对设备的流量、作业幅度、雾化性能、耐腐抗渗性等进行验证测试,是提高航空喷雾作业效率和可靠性的重要措施。特别是随着我国航空喷雾作业保持10%以上的年增长率,在作业机型不断增多,机载作业设备的使用越来越复杂化、多样化和高科技化的情况,对设备检测验证工作的需求会更加迫切。对航空喷雾作业进行相关测试验证,在国际上是较为通常的做法。在美国,FAA审定中心和认证审定办公室、美国农业航空协会(NAAA)、各州农业航空协会、航空喷施协会、有关大学和科研机构,对航空喷洒作业设备、作业质量、作业物料分别按有关法规和标准进行检测;德国政府从1993年开始,对喷洒设备喷施农药的效果和对生物作用与影响实行强制性试验,联邦生物局负责对符合要求的喷洒设备进行注册认可;比利时主要由国家机械、劳动、环境部和国家农业工程学院农药管理实验室负责管理,其中对大田植保机械(包括飞机喷洒设备)实行强制性检测管理;在丹麦,由农业部和国家农业科学院施药系实施管理,从1993年开始,政府对在用航空植保机械实行强制性检测,机具使用性能低于标准要求,必须