激光导引变量喷雾系统在苗圃树木上的精准沉积与覆盖研究：提升农药利用效率与环境可持续性

《Smart Agricultural Technology》：Spray deposition and coverage on nursery trees from precision applications of a laser-guided variable-rate spray system

本文针对传统果园喷雾器农药浪费严重、环境污染风险高的问题，推荐了一项关于激光导引变量喷雾（VRM）系统的田间验证研究。研究人员通过改装传统风机喷雾器，比较了变量喷雾（VRM）与恒量喷雾（CRM）在苗圃白蜡树上的沉积效果。结果表明，VRM在减少40.8–52.4%喷雾用量的同时，实现了与CRM相当的冠层沉积（0.92±0.57 vs. 1.13±0.57 μL cm-2）和覆盖（42±3% vs. 52±6%），并显著降低地面沉积（0.17±0.10 μL cm-2，4±3%覆盖）。该技术为 growers 提供了一种可减少农药浪费、保护环境的实用智能喷雾方案，对推进精准农业可持续发展具有重要意义。

　　

在果树作物生产中，农药的过度使用不仅给种植者带来沉重的经济负担，更对环境和公共健康构成严重威胁。传统喷雾器采用恒量喷洒模式，无视田间植物冠层结构和密度的变化，导致大量农药浪费在非目标区域。即使使用相对环保的有机磷类农药，也可能引起激素分泌异常和代谢紊乱等健康问题。这些发现凸显了开发可持续农药施用技术的迫切性，以提高施药效率、减少环境污染并保障人类健康和生态系统平衡。

为应对这些挑战，研究人员致力于研发能够最大限度减少化学品使用而不影响防治效果的农药施用技术。最佳管理实践通过优化传统果园喷雾器的参数，是提高喷雾效率的有效途径。然而，这些传统喷雾器无法根据冠层变化实时调整喷量，难以在减少农药用量、确保有效防治和促进环境可持续性之间取得平衡。传感器技术的发展为变量喷雾系统带来了突破，其中激光导引变量喷雾控制系统通过实时检测冠层特性，实现了喷量的精准调节，展现出显著减少农药用量的潜力。

本研究旨在评估改装激光导引喷雾控制系统的传统风机喷雾器在苗圃高树木上的性能，通过比较变量喷雾模式（VRM）和恒量喷雾模式（CRM）在不同风况下的喷雾沉积和覆盖情况。研究结果证实，这项创新技术能够在不影响防治效果的前提下，显著降低农药使用量和环境风险，为推进精准农业的可持续发展提供了重要技术支撑。相关研究成果发表在《Smart Agricultural Technology》期刊上。

研究人员采用径向助风果园喷雾器（A32TMG, Myers & Bro Co.）改装激光导引导变量喷雾控制系统进行试验。系统核心组件包括高速激光扫描传感器（UTM-30LX）、多普勒速度传感器（Radar III）、脉冲宽度调制（PWM）电磁阀、在线流量计和嵌入式计算机。试验选择观赏性白蜡树地块，在5月25日、6月26日和7月13日进行三次重复试验，分别测试VRM和CRM模式的喷雾效果。通过不锈钢筛网和塑料板收集喷雾沉积物，使用水敏纸评估喷雾覆盖情况，并利用荧光示踪剂和荧光计精确量化沉积量。同时使用便携式气象站监测环境条件，采用多元线性回归和Pearson相关分析研究风况对喷雾沉积的影响。

在喷雾沉积与覆盖方面，VRM在树冠内的平均总沉积量为0.92±0.57 μL cm^-2，与CRM的1.13±0.57 μL cm^-2无显著差异，但VRM在七个冠层位置表现出更低的沉积变异系数。值得注意的是，VRM的地面沉积（平均0.17±0.10 μL cm^-2）显著低于CRM（平均0.38±0.18 μL cm^-2），减少幅度达51.7%-58.7%。在喷雾覆盖方面，VRM和CRM在树冠上的总体平均喷雾覆盖率分别为42.9±2.7%和51.5±6.4%，差异不显著，但VRM表现出更一致的喷雾覆盖和沉积分布。

关于风况对喷雾沉积的影响，研究发现平均风速在0.55-1.04 m s^-1范围内、风向在130-229°之间时，风速和风向对VRM和CRM处理的平均喷雾沉积均无显著影响。多元线性回归分析显示，VRM处理的确定系数R2为0.101，CRM为0.153，表明风参数对喷雾沉积变异的解释力很弱。相关性分析进一步证实，大多数冠层位置的风向相关系数低于0.5，虽然VRM处理在特定冠层位置显示出与风速的中等正相关，但这些影响是局部的，并未形成一致模式。

在喷雾量减少方面，VRM处理在98米树行的平均喷雾量为11.30 L，相当于231 L ha^-1，而CRM处理为21.81 L（470 L ha^-1）。VRM比CRM平均减少48.2%的喷雾量，同时保持相当的冠层沉积和覆盖水平。这种喷雾量的减少可直接转化为农药用量的降低，显示出在不影响防治效果的前提下显著减少化学品使用的潜力。研究还发现，VRM通过实时检测冠层体积自动调整喷量，并在树木间隙、树冠上方和树下地面等空白区域停止喷洒，从而有效减少脱靶损失。

本研究通过田间验证表明，激光导引变量喷雾系统能够在不影响防治效果的前提下，将农药使用量减少近50%，同时显著降低地面沉积和环境污染风险。VRM技术通过实时感知冠层特性并精准调节喷量，实现了农药的高效利用，为种植者提供了一种经济可行的精准施药解决方案。该研究的创新性在于将成熟的激光传感技术与PWM控制技术相结合，开发出可商业化推广的喷雾器改装套件，为传统喷雾器的升级改造提供了实用范例。未来研究应进一步评估系统在不同作物类型和环境条件下的适应性，以推动精准喷雾技术在更广泛领域的应用。