植保無人機在茶園的應(yīng)用與發(fā)展前景

肖強，王志博，郭華偉

中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院茶葉研究所，310008

近年來，農(nóng)用植保無人機在農(nóng)作物植保上的應(yīng)用越來越普遍。據(jù)統(tǒng)計，2017年全國植保無人機數(shù)量達1.4萬架，年作業(yè)面積8 200多萬畝次（1畝=666.7 m2），作業(yè)對象包括水稻、玉米、小麥、棉花、柑橘和茶葉等，并且取得了理想的防治效果，積累了防治經(jīng)驗，成為作物植保器具開發(fā)應(yīng)用的新方向[1]。就在這一年，出現(xiàn)了河南安陽百萬畝小麥的統(tǒng)防統(tǒng)治作業(yè)、新疆百萬畝辣椒脫葉劑作業(yè)、安徽泗縣30萬畝玉米與大豆統(tǒng)防統(tǒng)治和杭州萬畝次西湖龍井茶園的綠色防控等4個植保無人機田間飛防的熱點事件，使2017年成為植保無人機防治極具標志性的一年，被定義為植保飛防的元年。其中杭州萬畝次西湖龍井茶園的飛防，因無人機在丘陵地形操控難度大、對飛行器和操控手帶來巨大挑戰(zhàn)而倍受關(guān)注[2]。

一、植保無人機發(fā)展概況

植保無人機是隨著農(nóng)業(yè)航空領(lǐng)域的不斷發(fā)展而發(fā)展的，由于其靈活性強、靶標明確、環(huán)境污染少、省力又省藥等優(yōu)點逐漸成為該領(lǐng)域的主力軍。1987年，世界第一臺噴藥無人機R-50誕生于日本Yamaha公司，成為無人機植保的開端。2010年我國第一架商業(yè)農(nóng)用植保無人機問世，隨后幾年無人機通過不斷演示、試用，逐步進入生產(chǎn)領(lǐng)域[3]。2017年我國農(nóng)用植保無人機的保有量已超萬臺，成為全球農(nóng)用植保無人機保有量第一的國家[4]。2018年，我國首個植保無人機標準《植保無人飛機質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范》開始實施[5]。根據(jù)預(yù)測分析，2018—2026年無人機整機市場空間約300億元，植保服務(wù)每年市場空間約500億元，發(fā)展前景廣闊。

目前，植保無人機按照動力系統(tǒng)和旋翼結(jié)構(gòu)等分成不同類型。從動力系統(tǒng)看，可以分為燃油動力與電池動力2種。燃油動力無人機具有載荷大、抗風(fēng)、續(xù)航能力強等優(yōu)點，但成本相對較高，整體維護以及操作較難；電池動力無人機具有成本低、飛行穩(wěn)定、操作簡單、輕便靈活等優(yōu)點，市場占有率較高，達到80%以上。按旋翼結(jié)構(gòu)，無人機可分為固定翼、單旋翼和多旋翼3種類型。固定翼無人機主要應(yīng)用于農(nóng)田信息采集和農(nóng)田遙感，具有載量大、飛行速度快、作業(yè)效率高等特點；單旋翼無人機具有抗風(fēng)能力強、飛行穩(wěn)定、霧化效果好、下旋氣流大、穿透力強等特點；多旋翼無人機造價相對較低、簡單易學(xué)、對飛手要求低[4,6]。

縱觀全球植保無人機發(fā)展，日本是無人機飛防發(fā)展較好的國家，現(xiàn)擁有登記在冊的植保無人機3 000多架，作業(yè)面積超過100萬hm2，相應(yīng)地建立了比較完整的無人機培訓(xùn)、保險服務(wù)、社會化服務(wù)等配套措施[3-4]。美國是農(nóng)業(yè)航空應(yīng)用技術(shù)最成熟的國家之一，具有農(nóng)業(yè)航空相關(guān)企業(yè)2 000多家，具備完善的協(xié)會管理制度。但其農(nóng)作物生產(chǎn)以大農(nóng)場為主，因此，往往使用工效比更高的有人機進行植保作業(yè)[7]。在用飛機數(shù)量4 000架左右，年作業(yè)面積占總面積40%以上，其中水稻植保作業(yè)完全采用航空作業(yè)方式[1,3]。其商業(yè)化無人機主要用于精準遙感監(jiān)測與圖像識別[4]。相比之下，我國植保無人機發(fā)展起步較晚，但發(fā)展迅速，擁有數(shù)量已經(jīng)達到世界第一，不過作業(yè)面積尚不到耕地面積的3%，與農(nóng)業(yè)航空較發(fā)達國家相比，仍有較大的差距，同時也說明我國未來在農(nóng)業(yè)航空方面還有著廣闊的發(fā)展前景[1]。

二、植保無人機在茶園病蟲害防治中的應(yīng)用

隨著茶園用勞動力的緊張和茶樹病蟲害施藥技術(shù)發(fā)展，茶園作業(yè)“機器換人”日益增加，應(yīng)用植保無人機開展施藥已成為茶園植保的發(fā)展趨勢。茶園植保無人機的應(yīng)用是伴隨著我國植保無人機的發(fā)展而發(fā)展的，2013年前后多款無人機在多地茶園開展演示、試用，2017年，杭州西湖龍井茶區(qū)大面積、全年的植保無人機作業(yè)開啟了茶園植保施藥技術(shù)的新紀元，2018年西湖龍井茶區(qū)更是實現(xiàn)了全年全域全覆蓋采用植保無人機作業(yè)防治茶園病蟲害，全年作業(yè)面積達到了8萬畝次（內(nèi)部統(tǒng)計資料）。近2年來，茶園植保無人機不僅在浙江的杭州、安吉、余姚等地，也在貴州、福建和廣西等省不斷試用和推廣，為茶園“機器換人”提供了可實現(xiàn)的途徑。植保無人機能較好應(yīng)用于茶園病蟲防治的田間作業(yè)，既有無人機方面的比較優(yōu)勢也有茶園的適用性。

從無人機方面看，與傳統(tǒng)人工噴施相比，具有效率高、節(jié)水節(jié)藥、噴灑均勻等特點[8]。一般認為采用無人飛機噴灑可以節(jié)約10%～20%的農(nóng)藥使用量，節(jié)約90%的用水量，其作業(yè)效率是地面機械的5倍，達到人工常規(guī)噴灑的30倍以上，可大幅度降低勞動力成本[9-10]。無人機的導(dǎo)航技術(shù)也在日益創(chuàng)新，現(xiàn)在可實現(xiàn)根據(jù)茶園生產(chǎn)區(qū)域跨距預(yù)先定位，規(guī)劃航線可自主接力噴霧，從而減少漏噴、重噴現(xiàn)象，提高施藥質(zhì)量；無人機作業(yè)時還可使其與茶樹的距離縮短到2～3 m，旋翼產(chǎn)生的下旋氣流使藥液在茶樹中的垂直結(jié)構(gòu)上穿透力更強，更有效地到達茶樹的靶標部位，以實現(xiàn)更高的藥效[11]。在施藥安全上，飛手可以通過遠程操控?zé)o人機，遠離施藥現(xiàn)場，有效減少了施藥人員受到農(nóng)藥污染的機會。

從茶園及其病蟲害的發(fā)生特點看，茶樹是多年生常綠作物，常規(guī)的田間管理可以使茶園形成相對整齊的蓬面，而為害茶樹的主要害蟲茶小綠葉蟬、茶尺蠖和螨類均大多分布在蓬面[12]，無人機在茶蓬面上空噴霧，既能有效控制茶樹主要害蟲的為害，又減少了藥液的浪費，同時還保護了在茶園蓬內(nèi)的天敵資源。

三、植保無人機在茶園中使用存在的主要問題

植保無人機茶園作業(yè)具有許多優(yōu)點，但目前仍處在起步階段，無論對無人機性能要求還是在茶園的使用技術(shù)等，還存在需要解決的問題。

一是無人機作業(yè)續(xù)航時間短，現(xiàn)有的電動無人機單次飛行電池可持續(xù)時間僅為15～30 min，需要經(jīng)常更換電池或充電，影響作業(yè)效率；而油動無人機單次飛行雖可超過1 h，但由于機身靈活性較差，難以適應(yīng)茶園這樣復(fù)雜的山地條件。二是缺乏飛防專用藥劑，無人機噴藥濃度與人工噴藥不同，其用水量極少，藥液濃度大，如若選擇不當會出現(xiàn)農(nóng)藥結(jié)晶結(jié)塊、堵噴頭、飄移和藥害等問題。目前，商業(yè)化的茶園飛防用藥基本空白[2,11]。

另外，茶園的立地條件和空中施藥技術(shù)也是無人機在茶園飛防作業(yè)需要考慮的另一方面問題。茶園不同于單一型的大田作物，其種植地形呈現(xiàn)多樣性，除較為平整的臺地茶園，更多的是分布在山地的不規(guī)則茶園，且往往還間種不同的樹木，對無人機來說飛行環(huán)境復(fù)雜、操控難度大、作業(yè)困難。同時，無人機的空中施藥作業(yè)與傳統(tǒng)的地面人工噴霧是有區(qū)別的，在常規(guī)作業(yè)季節(jié)，空中下壓式超低用液量、高濃度施藥對茶樹病蟲的防治效果和茶葉農(nóng)藥殘留的動態(tài)變化尚未掌握，高溫條件下高濃度藥液對茶樹葉片的損傷情況以及高溫對霧滴蒸發(fā)、飄移的影響等尚未開展系統(tǒng)的分析，如何更高效地在茶園使用無人機飛防技術(shù)有待持續(xù)開展深入研究。

四、植保無人機在茶園中的應(yīng)用前景

盡管植保無人機在茶園使用還存在一些問題，但在茶園推廣應(yīng)用植保無人機進行病蟲害防治無疑是一個發(fā)展方向，需要從應(yīng)用技術(shù)和組織措施兩個方面來強化植保無人機在茶園的應(yīng)用基礎(chǔ)。

在茶園應(yīng)用技術(shù)方面，隨著無人機飛行穩(wěn)定性和智能化等技術(shù)的迅速提升，田間防治技術(shù)將會日趨成熟。更強功能電池的研發(fā)，將會有效解決無人機續(xù)航時間短的問題。大疆公司2019年推出的一款新型更簡便、靈巧和多功能的操控系統(tǒng)，可實現(xiàn)一人操控多臺無人機，不僅大大提高了無人機的作業(yè)效率，而且也在一定程度上解決了當前專業(yè)飛手緊缺問題。智能化技術(shù)不斷應(yīng)用于無人機的飛控系統(tǒng)，使得在復(fù)雜地形茶園作業(yè)的無人機變得更輕松。目前，已陸續(xù)展開植保無人機低空低容量施藥對茶園主要害蟲的防效以及農(nóng)藥殘留動態(tài)的研究，多家農(nóng)藥公司對開發(fā)飛防專用藥劑表現(xiàn)出濃厚的興趣并已著手研發(fā)，將為規(guī)范茶園無人機作業(yè)提供技術(shù)和產(chǎn)品基礎(chǔ)。

在組織措施上，要強化和推進飛防社會化服務(wù)組織。植保無人機施藥作業(yè)有別于傳統(tǒng)的人工噴藥方式，提供專業(yè)化、定制化的農(nóng)技服務(wù)是基礎(chǔ)。而專業(yè)化、定制化的農(nóng)技服務(wù)，需要培育和打造一批優(yōu)質(zhì)的飛防社會化服務(wù)組織，從而能有效實施植保無人機在茶園應(yīng)用這樣的專業(yè)化和定制化技術(shù)。這些年來，農(nóng)飛客、極飛和浙農(nóng)飛防等社會化服務(wù)組織相繼進軍茶園植保飛防領(lǐng)域，為植保無人機在茶園的應(yīng)用積累了經(jīng)驗。下一步無論是社會化服務(wù)組織的發(fā)展還是茶園飛防作業(yè)的大面積應(yīng)用，都需要有序整合各方資源，搭建信息共享平臺，充分發(fā)揮政府政策的驅(qū)動作用，組建新型的區(qū)域基層技術(shù)支撐體系，建立和不斷完善行業(yè)標準，加強市場和行業(yè)監(jiān)管，才能促進植保無人機在茶園應(yīng)用的持續(xù)健康發(fā)展。