基于靶向喷雾技术的休耕期杂草防控：YOLOv8x智能系统实现草甘膦减施与精准治理

本研究针对休耕期杂草防控中除草剂过度使用问题，开发了基于YOLOv8x深度学习模型的智能靶向喷雾系统。通过三次田间试验证明，靶向喷雾技术在保持除草效果的同时，使草甘膦用量减少13%-60%，配合氟噻唑膦酰胆碱(flumioxazin)预处理可进一步降低杂草密度。该技术为减少农药环境污染和降低生产成本提供了创新解决方案。

　　

在佛罗里达州特殊的亚热带气候条件下，蔬菜作物全年生长，但这也导致杂草持续萌发和繁殖，成为作物管理的持续挑战。为了控制作物生长周期之间的杂草压力并减少土壤种子库，种植者通常采用夏季覆盖作物或化学休耕计划。传统的化学休耕策略通常涉及非选择性除草剂的广播式喷洒，而不考虑杂草分布情况，这导致除草剂过度使用、不必要的投入成本以及环境中的农药残留。

针对这一问题，靶向除草剂应用技术应运而生，成为提高可持续性和精度的有前景策略。该技术通常依赖于深度学习(DL)算法，特别是卷积神经网络(CNN)，这些算法能够有效处理图像并自动提取相关特征，实现准确的物体识别。在动态田间条件下，经过适当训练的CNN模型可以管理生物和环境变异性，同时保持高分类和检测精度。

研究人员在佛罗里达州巴尔姆的墨西哥湾海岸研究与教育中心进行了三项田间试验，旨在评估智能喷雾技术在塑料蔬菜系统田地休耕期杂草控制中的商业化应用潜力。研究比较了靶向与广播草甘膦应用技术，以及是否使用芽前氟噻唑膦酰胆碱的处理效果。

研究团队开发了一套先进的智能喷雾系统，其核心技术包括：基于YOLOv8x架构的深度学习模型，使用包含9,242张图像和184,235个实例的数据集进行训练；采用Intel Core i9-9900 CPU和NVIDIA RTX A2000 GPU的高性能计算平台；集成双See3CAM FHD彩色全局快门相机和Ublox RTK GPS模块的实时检测系统；基于Python 3和PyQt5开发的图形用户界面(GUI)。系统通过TensorRT优化引擎提升推理速度，使用脉冲宽度调制(PWM)电磁阀实现精准喷雾控制。

模型训练精度：YOLOv8x模型在交并比(IoU)阈值为50%时达到0.97的mAP值，表明模型实现了高水平的物体检测精度。在更严格的95% IoU阈值下，模型达到了约0.70的mAP值，显示实现预测边界框与实际边界框完美对齐更具挑战性。

田间杂草检测与应用：在田间评估中，YOLO8x在试验A和B中的精确度达到1.0，在试验C中为0.9。召回率在试验A和B中为0.8，在试验C中为0.9，表明模型在所有试验中平均检测到90%的杂草。误检主要由于部分裸露土壤被错误识别为小杂草。

杂草防控效果：所有除草剂处理均显著降低了总杂草密度，广播和靶向应用技术之间未观察到差异。添加芽前氟噻唑膦酰胆碱倾向于导致更低的杂草密度，尽管差异无统计学显著性。在试验A中，所有除草剂处理显著降低了阔叶杂草、禾本科杂草、坚果莎草和总杂草密度。在试验B中，草甘膦和氟噻唑膦酰胆碱的组合显著降低了阔叶杂草密度和总杂草密度。在试验C中，草甘膦和氟噻唑膦酰胆碱有效降低了杂草密度，靶向和广播应用方法之间无显著差异。

除草剂用量与成本：采用靶向杂草技术显著减少了活性成分使用。当单独使用靶向技术施用草甘膦时，与广播应用相比，活性成分使用量在试验A、B和C中分别减少了27%、60%和13%。当草甘膦在氟噻唑膦酰胆碱应用后施用时，草甘膦使用量分别减少了33%、47%和33%。在三个地点中的两个，使用靶向技术后，氟噻唑膦酰胆碱应用后的草甘膦节省量高于单独使用草甘膦。

然而，当草甘膦跟随氟噻唑膦酰胆碱施用时，与广播应用相比，靶向应用技术带来的总成本节省仅为8%至12%。与不使用氟噻唑膦酰胆碱的两次靶向草甘膦应用相比，跟随氟噻唑膦酰胆碱的两次靶向草甘膦应用使总除草剂成本增加了75%至82%。

研究结论表明，佛罗里达大学开发的智能喷雾技术有效减少了除草剂投入，且不影响杂草控制，这主要归功于YOLOv8x模型的高杂草检测精度。在所有试验中，草甘膦和氟噻唑膦酰胆碱的组合往往比非处理对照产生更低的杂草密度，并且与单独使用草甘膦相比，氟噻唑膦酰胆碱后接草甘膦的杂草密度也往往更低。

靶向应用技术减少了芽后除草剂的使用量，无论是否包含芽前氟噻唑膦酰胆碱。然而，当在草甘膦之前施用氟噻唑膦酰胆碱时，总除草剂成本更高，且靶向应用带来的节省不能抵消这种成本增加。总体经济结果取决于芽前和芽后除草剂的相对成本以及通过靶向应用实现的节省程度。

因此，除草剂选择应根据具体地点的因素进行调整，包括杂草密度和综合杂草管理计划的更广泛目标。虽然研究结果强调了靶向喷雾技术在减少除草剂使用和相关成本方面的潜力，但也强调除非芽后节省超过初始投资，否则整合芽前除草剂可能会增加总体投入成本。

该研究的重要意义在于为可持续农业提供了技术支撑，通过智能靶向喷雾系统实现了除草剂的精准施用，既保证了杂草防控效果，又显著降低了农药使用量，对减少农业面源污染、保护生态环境具有重要价值。同时，研究结果为农场管理决策提供了科学依据，有助于优化杂草管理策略，提高农业生产的经济效益和环境效益。