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静电喷雾装置破解农药减量增效瓶颈

作者:​吴奕 颜旭

弶港农场防效试验现场。 吴奕 摄

盛夏的一天,在江苏射阳县的苏垦农发临海农场里,机手正在准备防治稻飞虱的农药。只见四个年轻人风尘仆仆地赶到田边,不等歇脚,其中三人就挽起裤腿,赤脚走进水田,放置试验设备,另一人则爬上自走式喷杆喷雾机,和机手交流了起来。

这群年轻人来自江苏大学农业工程学院贾卫东团队。团队研制的“喷杆喷雾减药增效关键技术及装备”陆续在全国各地试验推广了三年时间,临海农场正是试验基地之一。据悉,其中两项技术经机械工业联合会科技成果鉴定已达到国际领先水平,担任鉴定专家委员会主任的中国工程院院士陈学庚建议“加快成果转化及推广”。

攻关静电喷雾关键技术

我国是农业大国,同时也是农药使用大国。但我国植保机械作业指标和性能较为落后,特别是在大田和果园施药作业中,存在农药利用率低、作业效率低的问题。

“水稻、小麦种植过程中的农药减量增效一直是困扰业内的重要难题。”贾卫东研究员介绍,江苏大学在国内较早从事植保机械研究,从上世纪70年代开始,学校就研究植保机械静电喷雾技术,在草原治蝗和卫生防疫方面,静电喷雾治虫居国际领先水平。其原理是在静电场的作用下,雾滴做定向运动,且喷洒均匀,作物叶子正背面和枝干上都能均匀地吸附雾滴。但由于该项技术不稳定、电子元器件价格高昂,所以一直藏在“闺中”,没有向社会推广开来。

随着技术的不断完善,推广应用静电喷雾技术成为江苏大学新一代植保人的使命和担当。从2015年开始,针对大田水田喷杆喷雾机,贾卫东课题组开展了自走式喷杆喷雾机的减药增效关键技术和装备研究。经过五年多的攻关,课题组完成了双平板低量静电喷头部件研制,开发了高压发生器,完成了低量静电喷雾系统集成开发,成为这项研究的关键突破点。

据贾卫东介绍,在低电压条件下荷上静电,而且达到更好的效果,是一个关键技术难题。传统的低电压静电荷电方式有感应式、接触式、电晕式三种类型,其中感应式最安全,所需电压也最低。针对大田实际情况,课题组最终采用了双平板感应环形成感应电场,满足扇形喷头的需求,并优化了喷嘴内流道结构。

衡量荷电效果的关键指标是荷质比。试验数据显示,喷头工作电压10千伏,喷头流量每分钟0.6升。和常规喷头流量相比减小了50%以上,荷质比提高了15%,绝缘可靠,满足了田间长期作业的需求。

大田用喷杆喷雾机展开后喷幅达到了25米,一共装有56个喷头,如何给每个喷头荷上电并且同步一致,是课题组面临的另一个“拦路虎”。考虑到高压发生器多用于工业,且价格也在2万元左右,于是课题组自行研发出了农用高压发生器,四倍压整流后输出直流电压,重量大约在800克,安装方便,一个发生器可以带动19个喷头工作,而且一个发生器仅700元左右,大大降低了成本。

专注所长 将特色做强

尽管在国内植保机械静电喷雾技术领域处于领先地位,但是一项研究成果从实验室走向田间地头,注定不会是坦途。

贾卫东坦言,在静电喷雾技术推广应用的过程中,课题组走过了多次弯路。2012年,团队想要学习美国经验,在国内推广气流辅助静电喷雾技术,结果发现喷枪体积过大,喷头雾形不匹配,不适用于国内农用植保机械。2015年,团队又谋划着做大做强,攻克大田用喷杆喷雾机整机。

“底盘不是我们的专长,且研发经费动辄就要几百万,在底盘研发上我们明显感到吃力。”在一次交流中,陈学庚院士提出要快速推广技术的思路,这给课题组指明了方向。贾卫东意识到,做技术推广不能贪大求全,而是要专注自己的领域,推出团队最擅长的技术。

从那时起,团队开始专攻主流机型即自走式喷杆喷雾机的系统改造,完成了适用于自走式喷杆喷雾机的低量静电喷雾系统集成开发。该系统由变量喷雾控制阀、静电发生器、传感器组件和低量静电喷头组成,实现了56个静电喷头喷雾,相对于以往的单喷头和少量喷头的喷雾器相比,在多喷头喷杆静电喷雾技术方面实现了突破。

如今,完成一台自走式喷杆喷雾机的系统改造,只需要外装课题组自主研发的喷头和高压发生器,器件加工、系统改造整个过程仅需15天时间,改造费用在4万元左右,大大降低了技术推广的成本。

2018年至今,在江苏农垦集团的弶港农场和临海农场,该系统已经开展了多轮次试验示范和防效试验工作,试验示范面积达到了1万亩,这也是国际上首次开展的水稻田静电喷杆喷雾装备的试验示范和防效试验。

到田里发现问题 解决问题

每次农场开展病虫害防治,课题组的师生总是第一时间来到现场采集数据和调试设备。博士生周慧涛回忆说,实验室中,团队所做的是喷杆为12米的小型喷杆样机。2018年3月,弶港农场联系团队对一台机器进行改装,“一到现场我们就傻眼了,正式机器的喷杆有24米,带着56个喷头。”

为了赶上水稻病虫害防治季,团队仅有一个月的改造时间,“从12米加宽到24米不是简单的系统移植,而是要改进喷头结构,解决封装等一系列参数问题。”那一个月,团队除了吃饭外全部待在实验室里,光是三维结构图就出了8个版本,每天完成喷灌试验走出实验室时,全身衣服也早已湿透了。

改装顺利完成,到了农场试验,效果却仍然不理想。“数据在实验室里很完美,但是农田的作业环境复杂,不是问题的问题,到了农田里都成了问题。”周慧涛说,第一次推广试验,防治效果只有85%,没有达到综合防治效果90%以上的农业生产要求,以失败告终。

团队返校后,对每个影响因素重新试验,后来发现系统改造没有问题,只是机手操作时为了赶时间,习惯性地快速操作,使喷杆的高度过高导致了防治效果不佳。

“在农田里,为了赶农时、赶效率,正常的作业参数恰恰是操作机手忽略的。”贾卫东说,通过试验,他们确定了操作流程和作业规范,严格规定了喷雾作业高度、喷雾压力、行走速度,确保雾滴有足够的穿透性,能够更多地到达作物根部。

规范操作后,团队又在农场开展了小麦全过程跟踪试验,防治效果达到了95%。试验结果显示,该系统实现了节水50%和省药30%以上的目标。

经过三年的推广试验,临海农场农业中心给出的试验鉴定显示,在播时干旱、播后多雨及暖冬条件下用静电喷雾机械施药,用水量达到每亩10升时,能够达到普通机械每亩30升的防除效果;在小麦中后期田间麦苗长势好、较隐蔽的情况下,静电喷雾机防治病虫害的水量与普通机械相比每亩减少20升,也能达到较好的防治效果。

“我们临海共有73万亩耕地,农业机械340多台(套),其中喷雾机38台,2台喷雾机进行了静电喷雾系统改造。”临海分公司总经理助理朱忠阳算了笔账,静电喷雾机能省药20%左右,以1亩田130元的农药投入计算,每亩可以节省农药25元,而且机器作业效率高,一天作业面积可达到2000亩。

正是该套系统在保证防治效果的同时,还能省药、节水、高效,江苏农垦集团的多个分公司正在和贾卫东团队联系,加快推进多台喷雾机的系统改造合作,今年试验示范面积将达1.2万亩以上。

吴奕 记者 颜旭

(编辑:刘鹤)