我國(guó)農(nóng)用無人機(jī)在水稻生產(chǎn)中的應(yīng)用現(xiàn)狀與展望

肖漢祥，李燕芳，袁龍宇，張振飛

（廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所/廣東省植保新技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510640）

對(duì)中國(guó)而言，糧食安全是保障經(jīng)濟(jì)安全、國(guó)家安全的基礎(chǔ)。水稻是我國(guó)種植面積第二大的糧食作物，占糧食種植面積的35.6%。近年來隨著工業(yè)化和城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，農(nóng)村勞動(dòng)力向城市轉(zhuǎn)移，農(nóng)村勞動(dòng)力短缺與農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力需求的矛盾日益嚴(yán)峻；同時(shí)，農(nóng)村的土地通過流轉(zhuǎn)的方式向集約化、規(guī)?；?、專業(yè)化、組織化相結(jié)合的新型農(nóng)業(yè)經(jīng)勞營(yíng)方式發(fā)展，在新型經(jīng)營(yíng)主休下，原來有傳統(tǒng)作業(yè)模式已難以滿足現(xiàn)有大面積、規(guī)模化作業(yè)需求［1-3］。近年來，我國(guó)新型農(nóng)業(yè)經(jīng)營(yíng)主體日益壯大。除從事傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)經(jīng)營(yíng)的小規(guī)模農(nóng)戶之外，開展多種適度規(guī)模經(jīng)營(yíng)的專業(yè)大戶、家庭農(nóng)場(chǎng)、農(nóng)民專業(yè)合作社和農(nóng)業(yè)企業(yè)等新型農(nóng)業(yè)經(jīng)營(yíng)主體不斷涌現(xiàn)。農(nóng)機(jī)跨區(qū)作業(yè)、代耕代種、土地托管、訂單作業(yè)、“互聯(lián)網(wǎng)+農(nóng)機(jī)作業(yè)”等新型服務(wù)模式不斷涌現(xiàn)，有力保障了我國(guó)商品糧安全和商品農(nóng)產(chǎn)品有效供給。為適應(yīng)這一新形勢(shì)，農(nóng)用無人機(jī)得到了快速發(fā)展，為促進(jìn)糧食生產(chǎn)安全、糧食質(zhì)量安全、農(nóng)業(yè)生態(tài)安全，提供了有力的支撐［4］。

農(nóng)用無人機(jī)是用于農(nóng)林作業(yè)的無人駕駛飛機(jī)，由飛行平臺(tái)（固定翼、單旋翼、多旋翼）、飛行控制系統(tǒng)、噴灑裝備及其他附件組成，通過地面遙控或?qū)Ш絹盹w行。農(nóng)用無人機(jī)在水稻生產(chǎn)中最主要的應(yīng)用是植保作業(yè)，此外還可以用于播種、施肥以及雜交制種中的授粉作業(yè)［5］。

近年來，隨著技術(shù)的進(jìn)步和人工智能的發(fā)展，農(nóng)用無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展越來越完善，同時(shí)在多個(gè)領(lǐng)域的運(yùn)用得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。我國(guó)是傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)大國(guó)，隨著無人機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，無人機(jī)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的運(yùn)用范圍越來越廣。特別是在農(nóng)作物病蟲害防治方面，植保無人機(jī)的運(yùn)用范圍越來越大，既可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)農(nóng)作物病蟲害的真實(shí)情況，還可以及時(shí)進(jìn)行處理，其效率和實(shí)際效果都是原有的防治方式不可比擬的。這種迅速發(fā)展的主要原因是因?yàn)檗r(nóng)用無人機(jī)具有以下優(yōu)勢(shì)［6-10］：（1）作業(yè)適應(yīng)性廣。無人機(jī)具有靈活、起降方便、作業(yè)高度可高可低等優(yōu)點(diǎn)，在不同的水稻種植環(huán)境下都可以進(jìn)行作業(yè)。（2）作業(yè)效率高。單架無人機(jī)每天可完成超過20 hm2的作業(yè)量，工作效率是人工的30～60倍。（3）作業(yè)質(zhì)量好。霧滴更均勻地隨著在作物表面，全自主飛行，有效減少重噴或漏噴。（4）成本低。農(nóng)用無人機(jī)整體尺寸小，易保養(yǎng)，使用成本低。（5）操控人員安全系數(shù)高及作物損傷小。（6）使用簡(jiǎn)便、維護(hù)簡(jiǎn)單、自動(dòng)化程度高，勞動(dòng)強(qiáng)度低。

1 農(nóng)用無人機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外農(nóng)用無人機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

從世界范圍來看，美國(guó)和日本的農(nóng)用無人機(jī)技術(shù)處于世界領(lǐng)先水平，此外還有俄羅斯、澳大利亞以及巴西等國(guó)家，以上國(guó)家無論是在智能化設(shè)備及藥劑研究上，還是在機(jī)械設(shè)備上，都居世界先進(jìn)水平［9］。

美國(guó)是農(nóng)業(yè)航空技術(shù)及應(yīng)用最發(fā)達(dá)的國(guó)家之一，不僅具有先進(jìn)的航空植保機(jī)械及完善的農(nóng)業(yè)航空體系，而且具有國(guó)際上最為先進(jìn)的施藥技術(shù)。美國(guó)主要以大型農(nóng)場(chǎng)專業(yè)化生產(chǎn)方式為主，建立了以大型地面植保機(jī)械和有人駕駛航空器為主體的防治體系［8］。近年來，美國(guó)航空植保經(jīng)歷了從有人駕駛直升機(jī)向無人機(jī)的發(fā)展，目前美國(guó)農(nóng)用無人機(jī)主要應(yīng)用在種子撒播、施藥和施肥等生產(chǎn)中。在無人機(jī)技術(shù)方面，目前美國(guó)的研究熱點(diǎn)主要集中在圖像實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)、變量噴灑系統(tǒng)和多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)3個(gè)方面。此外，在農(nóng)用無人機(jī)霧滴飄移方面，美國(guó)在較早前就進(jìn)行研究，Teska等運(yùn)用靜態(tài)高斯模型法、高斯云團(tuán)模型和物理角度方法，研發(fā)了著名的AGDISP（Agricultural sispersion）和AGDRIFT（Agricultural drift）模型，用戶可以輸入藥劑、飛機(jī)類型、天氣因素等，通過調(diào)用內(nèi)部數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)可能產(chǎn)生的漂移范圍［11］。

日本是最早將農(nóng)用無人機(jī)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的國(guó)家之一，1985年，日本雅馬哈公司率先推出世界第一架主要用于農(nóng)藥噴撒的農(nóng)用無人機(jī)Ymnaha-R50［4］。從20世紀(jì)90年代開始，日本使用無人直升機(jī)在水稻、蔬菜、果樹上進(jìn)行病蟲害防治。因?yàn)槿毡救硕嗟厣偾肄r(nóng)戶的平均種植規(guī)模較少，所以農(nóng)用無人機(jī)在日本農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用發(fā)展迅猛［9］。從2004年開始，日本水稻生產(chǎn)使用中微小型農(nóng)用無人直升機(jī)的數(shù)量已超過有人駕駛直升機(jī)，在水稻病蟲害防治中，應(yīng)用農(nóng)用無人機(jī)進(jìn)防治的水稻種植面積占45%［9］。在日本，農(nóng)用無人機(jī)主要以雅馬哈公司生產(chǎn)的為主，市場(chǎng)占有率達(dá)90%。除雅馬哈公司外，還有yama Motor公司和鈴木公司生產(chǎn)用于水稻等作業(yè)病蟲害防治的植保無人機(jī)。從2015年開始，一些日本公司開始生產(chǎn)4旋翼、6旋翼和8放旋翼等多旋翼農(nóng)用無人機(jī)［4］。2018年，日本JA廣島中央農(nóng)業(yè)采用農(nóng)用無人機(jī)進(jìn)行種子撒播試驗(yàn)，播完12 kg水稻種子只需10 min，而地機(jī)機(jī)械則需要60 min，人工播種則時(shí)間更長(zhǎng)（http://mini.eastday.com/mobile/180605220144110.html）。

俄羅斯地廣人稀，擁有數(shù)目龐大的農(nóng)用飛機(jī)作業(yè)隊(duì)伍，數(shù)量高達(dá)1.1萬架，作業(yè)機(jī)型以有人駕駛固定翼飛機(jī)為主，年處理耕地面積約占總耕地面積35%以上。澳大利亞、加拿大、巴西目前主要機(jī)型也以有人駕駛的固定翼飛機(jī)和旋翼直升機(jī)為主。

1.2 我國(guó)農(nóng)用無人機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

與歐美、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)農(nóng)用無人機(jī)事業(yè)起步較晚，但近10年來，在國(guó)家一系列政策的支持下，我國(guó)農(nóng)用無人機(jī)技術(shù)發(fā)展迅速。

2012年，我國(guó)農(nóng)用無人機(jī)生產(chǎn)企業(yè)不足10家，農(nóng)用無人機(jī)僅幾百架［7］。隨著2014年中央一號(hào)文件《關(guān)于全面深化農(nóng)村改革加快推進(jìn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化若干意見》中在“強(qiáng)化農(nóng)業(yè)支持保護(hù)制度”中提出“建設(shè)以農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和精準(zhǔn)裝備為重點(diǎn)的農(nóng)業(yè)全程信息化和機(jī)械化技術(shù)體系，加強(qiáng)農(nóng)業(yè)航空建設(shè)”后，加上資本市場(chǎng)的關(guān)注和追捧，當(dāng)年農(nóng)用無人機(jī)企業(yè)數(shù)量新增近百家，市場(chǎng)保有量700架左右［1］。2017年，國(guó)家農(nóng)業(yè)部、財(cái)政部、中國(guó)民航局共同頒布《關(guān)于開展農(nóng)機(jī)購置補(bǔ)貼引導(dǎo)植保無人機(jī)規(guī)范應(yīng)用試驗(yàn)點(diǎn)工作的通知》，決定在浙江、江西、湖南、廣東、安徽和重慶等6個(gè)省市開展植保無人機(jī)購置補(bǔ)貼試點(diǎn)工作，政策的支持對(duì)國(guó)內(nèi)農(nóng)用無人機(jī)的普及和發(fā)展起到了巨大的推動(dòng)作用［5］，2017年農(nóng)業(yè)部農(nóng)技推廣中心發(fā)布全國(guó)在用的植保無人機(jī)數(shù)量達(dá)1.4萬架次，年作業(yè)面積達(dá)547萬公頃次［1］。2019年累計(jì)銷售農(nóng)用無人機(jī)約3萬臺(tái)，2020年特殊大環(huán)境下，全國(guó)農(nóng)用無人機(jī)行業(yè)的發(fā)展速度實(shí)現(xiàn)了翻倍，累計(jì)銷售量已經(jīng)達(dá)到6萬臺(tái)，與此相應(yīng)的，農(nóng)用無人機(jī)保有量已達(dá)11萬臺(tái)［5,12］。

目前，我國(guó)農(nóng)用無人機(jī)產(chǎn)品型號(hào)、品牌眾多。按機(jī)型結(jié)構(gòu)劃分，可分為單旋翼無人機(jī)、多旋翼無人機(jī)和固定翼無人機(jī)；按動(dòng)力系統(tǒng)劃分，可分為油動(dòng)無人機(jī)和電動(dòng)無人機(jī)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)農(nóng)用無人機(jī)機(jī)型約233種，其中多旋翼機(jī)型168種占78.1%，單旋翼機(jī)型64種占27.5%，固定翼1種約占0.4%；油動(dòng)無人機(jī)46種占19.7%，電動(dòng)無人機(jī)187種占80.3%［10,12］。上述數(shù)據(jù)表明，當(dāng)前我國(guó)農(nóng)用無人機(jī)以電動(dòng)多旋翼機(jī)型為主。

由表1可知，由于電動(dòng)多旋翼無人機(jī)在操作、維護(hù)和培訓(xùn)等方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)，預(yù)計(jì)未來幾年內(nèi)，我國(guó)農(nóng)用無人機(jī)仍將以電動(dòng)多旋翼為主。

表1 不同類型農(nóng)用無人機(jī)優(yōu)劣勢(shì)比較Table 1 Comparison of advantages and disadvantages among different types of agricultural UAV

2 農(nóng)用無人機(jī)在水稻生產(chǎn)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 在水稻植保上的應(yīng)用現(xiàn)狀

我國(guó)2017年水稻種植面積306萬hm2，但由于人口眾多以及土地分散，戶均種植面積僅為1.15 hm2左右［4］。近年來我國(guó)水稻耕地、插秧、收割都基本實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化，但水稻病蟲草等有害生物的防治仍以人工防治為主［13］。近年來，隨著我國(guó)專業(yè)化統(tǒng)防統(tǒng)治工作的不斷推進(jìn)，傳統(tǒng)小型背負(fù)式噴霧器械已不能滿足快速發(fā)展的專業(yè)化防治需求，高效、適用范圍廣的植保無人機(jī)在水稻植保上的應(yīng)用得到了迅猛的發(fā)展。

防治效果是檢驗(yàn)新型植保器械有效性的唯一標(biāo)準(zhǔn)，作業(yè)參數(shù)如飛行高度、速度以及每667 m2用藥液量等是影響農(nóng)用無人機(jī)防治效果的主要因素。一般推薦飛行高度離水稻冠層1.0～2.5 m，飛行速度≤4 m/s，用藥液量1.0～1.5 L/667m2。

近年來，針對(duì)植保無人機(jī)作業(yè)參數(shù)對(duì)霧滴和防治效果的影響，前人進(jìn)行了一些探索。2012年張京等開展了小型無人駕駛直升機(jī)噴霧參數(shù)對(duì)藥液霧滴沉積效果影響的研究，試驗(yàn)結(jié)果表明霧滴分布從水稻冠層上部到下部逐層減少，并且隨飛行速度的增加而減少［14］。邱白晶等采用二因素三水平試驗(yàn)方法，開展了無人直升機(jī)飛行高度、飛行速度兩因素間的交互作用關(guān)系及對(duì)噴霧沉積濃度、沉積均勻性的影響研究，研究結(jié)果表明飛行高度、飛行速度及兩因素間的交互作用對(duì)沉積濃度和沉積均勻性的影響極顯著［15］。陳盛德等研究了HY-B-10L型無人直升機(jī)噴霧參數(shù)對(duì)雜交水稻冠層霧滴沉積分布的影響，結(jié)果表明隨著高度的增加，植株冠層上方的垂直風(fēng)場(chǎng)減弱，霧滴沉積量逐漸減少；作業(yè)速度越低，沉積在飛機(jī)下方的霧滴量就越多［16］。薛新宇等應(yīng)用N-3型無人機(jī)研究了不同飛行高度對(duì)稻飛虱和稻縱卷葉螟防效的影響，結(jié)果表明，飛行高度對(duì)稻飛虱和稻縱卷葉螟防治效果的影響為3 m＞5 m＞7 m，在同一飛行高度，施藥量與防治效果成正比，此外無人機(jī)施藥的防治效果高于擔(dān)架式噴霧機(jī)的施藥防治效果［17］。

針對(duì)噴施不同藥液量對(duì)霧滴和防治效果的影響，國(guó)內(nèi)報(bào)道不多。作者于2017年6月聯(lián)合華南農(nóng)業(yè)大學(xué)在廣州增城使用TXA-翔農(nóng)六旋翼電動(dòng)無人直升機(jī)，研究噴施不同藥液量對(duì)霧滴的影響，結(jié)果表明噴施藥液量1.8 L/hm2的霧滴密度、霧滴覆蓋度和沉積量是施藥液量1.2 L/hm2的1.51倍、1.57倍和1.68倍（未發(fā)表）。作者于2019年9月聯(lián)合華南農(nóng)業(yè)大學(xué)在廣東高要使用極飛P20電動(dòng)無人機(jī)，研究噴施不同藥液量對(duì)稻縱卷葉螟防治效果的影響，結(jié)果表明在水稻分蘗期和破口期噴施藥液量1.5 L/hm2的防治效果比噴施藥液量1.0 L/hm2的防治效果分別提高5.98%和3.81%（未發(fā)表）。蘭波等開展植保無人機(jī)施藥防治水稻紋枯病的田間試驗(yàn)，結(jié)果表明植保無人機(jī)施藥對(duì)水稻紋枯病的防治效果與用藥液量呈正相關(guān)，2016年在江西泰和試驗(yàn)結(jié)果表明無人機(jī)用藥液15.0 L/hm2的防效顯著高于人工電動(dòng)噴霧的防效；2017年在江西南昌試驗(yàn)結(jié)果表明無人機(jī)用藥液7.5～15.0 L/hm2的防效顯著低于人工電動(dòng)噴霧藥液的防效［18］。

近年來，我國(guó)在應(yīng)用農(nóng)用無人機(jī)防治水稻病蟲草害有不少相關(guān)報(bào)道。顏貞龍等報(bào)道在使用相同藥劑條件下，在水稻分蘗盛期和孕穗末期，植保無人機(jī)施藥對(duì)紋枯病防治效果均明顯優(yōu)于常規(guī)電動(dòng)噴霧機(jī)施藥的防治效果；植保無人機(jī)施藥對(duì)水稻二化螟的防治效果明顯優(yōu)于常規(guī)電動(dòng)噴霧機(jī)施藥的防治效果［19］。荀棟等報(bào)道，在水稻分蘗后期，噴施相同藥劑，植保無人機(jī)施藥對(duì)水稻稻飛虱和稻縱卷葉螟的防治效果均優(yōu)于傳統(tǒng)人工噴霧器噴灑的防治效果［20］。肖曉華等報(bào)道植保無人機(jī)施藥，對(duì)水稻稻飛虱、稻縱卷葉螟和紋枯病的防治效果優(yōu)于靜電機(jī)動(dòng)噴霧機(jī)、機(jī)動(dòng)噴霧機(jī)和背負(fù)式電動(dòng)噴霧器施藥的防治效果［21］。寧國(guó)云等報(bào)道植保無人機(jī)施藥對(duì)水稻植株上部病蟲害稻縱卷葉螟和稻曲病的防治效果高于背負(fù)式電動(dòng)噴霧機(jī)，與擔(dān)架式機(jī)動(dòng)噴霧機(jī)施藥的防治效果相近，但對(duì)水稻植株基部病蟲害稻飛虱、紋枯病的防治效果低于擔(dān)架式機(jī)動(dòng)噴霧機(jī)，與背負(fù)式電動(dòng)噴霧機(jī)施藥的防效相近［22］。彭志清等報(bào)道，在農(nóng)藥使用量減少20%時(shí)，無人機(jī)施藥對(duì)稻飛虱、稻縱卷葉螟、紋枯病和稻曲病的防治效果均呈下降趨勢(shì)［23］。肖漢祥等報(bào)道，在水稻分蘗末期和破口期，植保無人機(jī)噴施納米農(nóng)藥對(duì)稻飛虱和稻縱卷葉螟的防治效果明顯優(yōu)于植保無人機(jī)噴施常規(guī)藥劑和常規(guī)電動(dòng)噴霧噴施常規(guī)藥劑的效果［24］。柏超研究了無人機(jī)施藥在水直播稻田雜草防除中的應(yīng)用效果，結(jié)果表明，應(yīng)用植保無人機(jī)在單晚水直播稻田噴施除草劑防除雜草，其防除效果與擔(dān)架式機(jī)動(dòng)噴霧機(jī)相近，作業(yè)效率高，噴灑均勻度相對(duì)較高［25］。張顧旭等研究了植保無人機(jī)施藥與常規(guī)藥械施藥對(duì)直播水稻田禾本科雜草防除效果，結(jié)果表明使用植保無人機(jī)施藥更均勻，可減少重噴、漏噴現(xiàn)象，且使用植保無人機(jī)每667 m2施用40%氰氟草酯油懸浮劑120 mL與使用常規(guī)擔(dān)架式噴霧機(jī)每667 m2施用40%氰氟草酯油懸浮劑150、200 mL對(duì)禾本科雜草的防效相當(dāng)，并可節(jié)省用水量96.7%［26］。

2.2 在水稻播種上的應(yīng)用現(xiàn)狀

近年來水稻機(jī)械直播逐漸成為我國(guó)水稻種植提質(zhì)增效的重要途徑，我國(guó)一些山地、丘陵水稻田高低不平且種植面積小，傳統(tǒng)的地面大中型撒播機(jī)械不太適用，即便在平原地區(qū)的水稻田，大中型地面撒播機(jī)械也容易發(fā)生陷車事故，上述問題阻礙了我國(guó)水稻機(jī)械直播的快速發(fā)展［27］。農(nóng)用無人機(jī)播種具有作業(yè)效率高、作業(yè)不受地形限制以及生產(chǎn)成本低等地面撒播機(jī)械無可比擬的優(yōu)勢(shì)，可提高水稻栽培機(jī)械化、輕簡(jiǎn)化和智能化水平，節(jié)約水稻生產(chǎn)成本，提高水稻生產(chǎn)效率和種植效益［28-29］。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)2021年廣東省早稻水稻精量穴直播和無人機(jī)直播面積近1.67萬hm2。

目前，我國(guó)農(nóng)用無人機(jī)飛播種植方式主要有無序撒播和有序條播兩種形式。其中無序撒播采用圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)將稻種甩出，種子在田間呈現(xiàn)無序、均勻分布；有序條播采用多個(gè)播種器將稻種排入定位管道吹出，種子在田間呈現(xiàn)有序成行、均勻分布。

在農(nóng)用無人機(jī)播種方面，我國(guó)科研工作者進(jìn)行了不少研究。2014年李繼宇等進(jìn)行了無人機(jī)撒播試驗(yàn)，結(jié)果顯示0.09 hm2水稻田只需305 s就可以完成稻種撒播，平均有效穗數(shù)為321條/m2，平均穴數(shù)為38穴/m2，平均產(chǎn)量為7 705.5 kg/hm2［30］。岳進(jìn)等研究了無人機(jī)離心播種在水稻中的應(yīng)用，結(jié)果表明無人機(jī)播種的產(chǎn)量為413.5 kg/667m2，略低于對(duì)照的440.0 kg/667m2，但收入增加225.8元/667m2［29］。胡文威等研究了不同類型水稻機(jī)直播對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果表明無人機(jī)直接效率為2 min/667m2，遠(yuǎn)高于機(jī)械直播15 min/667m2的效率和噴粉機(jī)直播12 min/667m2的效率［31］。程鵬等研究了直播方式對(duì)水稻生長(zhǎng)特性及產(chǎn)量影響，結(jié)果表明無人機(jī)直播較穴直播、人工撒播在苗高、葉齡、帶蘗數(shù)、白根數(shù)、干物質(zhì)重量等秧苗素質(zhì)指標(biāo)方面有顯著優(yōu)勢(shì)；無人機(jī)直播的產(chǎn)量為454.9 kg/667m2，高于人工撒播的產(chǎn)量417.9 kg/667m2，但比穴直播的產(chǎn)量509.3 kg/667m2低［32］。

2.3 在水稻制種上的應(yīng)用現(xiàn)狀

水稻是自花授粉作物，而雜交水稻制種必須依賴異花授粉，因此雜交水稻制種需要人工輔助授粉［33］。國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家在雜交水稻制種中基本實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化，而我國(guó)主要依靠人工采用繩索拉粉、雙短桿趕粉、單長(zhǎng)竿趕粉等人工輔助授粉。近年來，隨著農(nóng)村勞動(dòng)力逐年減少，以及農(nóng)村從業(yè)勞動(dòng)人員年齡偏大，導(dǎo)致勞動(dòng)密集型的雜交水稻制種工作迫切需要轉(zhuǎn)變勞作模式，亟需實(shí)現(xiàn)雜交水稻制種全程機(jī)械化。我國(guó)農(nóng)用無人機(jī)的迅速發(fā)展，為雜交水稻制種輔助授粉機(jī)械化提供了可能。

農(nóng)用無人機(jī)輔助授粉，一般在父母本抽穗開花期每天10：30～12：30進(jìn)行，每天授粉3次，每次間隔30 min左右，飛行高度2～2.5 m，飛行速度約3～5 m/s。

吳輝于2014年利用單旋翼電動(dòng)力無人機(jī)對(duì)水稻進(jìn)行授粉試驗(yàn)，結(jié)果表明父本種植廂寬在1.2～2 m、母本種植廂寬在7～12 m時(shí)較適合單旋翼電動(dòng)力無人機(jī)授粉，母本平均異交結(jié)實(shí)率44.3%，平均產(chǎn)量3.1 t/hm2［34］。劉愛民等2012—2015年進(jìn)行了單旋翼農(nóng)用無人機(jī)輔助雜交水稻制種授粉效果試驗(yàn)，結(jié)果表明父母本行比6∶40～60，單旋翼農(nóng)用無人機(jī)輔助授粉的結(jié)實(shí)率和產(chǎn)量可達(dá)到甚至高于人工輔助授粉［35］。唐榮等2016年進(jìn)行了3種類型的農(nóng)用無人機(jī)輔助雜交水稻制種授粉效果試驗(yàn)，結(jié)果表明利用單旋翼油動(dòng)力農(nóng)用無人機(jī)授粉的母本異交結(jié)實(shí)率平均為41.48%，平均產(chǎn)量為213.13 kg/667m2；利用單旋翼電動(dòng)力農(nóng)用無人機(jī)授粉的母本異交結(jié)實(shí)率平均為39.80%，平均產(chǎn)量為199.97 kg/667m2；利用多旋翼電動(dòng)力農(nóng)用無人機(jī)授粉的母本平均異交結(jié)實(shí)率也為33.33%，平均產(chǎn)量為155.55 kg/667m2；人工授粉平均產(chǎn)量為160.52 kg/667m2［33］。林金平等2020年報(bào)道，利用大疆MG-1P植保無人機(jī)輔助授粉的結(jié)實(shí)率為33.0%，人工拉花授粉的結(jié)實(shí)率為32.4%［36］。

3 農(nóng)用無人機(jī)在水稻生產(chǎn)應(yīng)用上的存在問題

3.1 相關(guān)政策法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)滯后

政策法規(guī)方面，農(nóng)用無人機(jī)涉及農(nóng)業(yè)（農(nóng)機(jī)）、民航、工信等幾個(gè)部門，目前還未明確由哪個(gè)部門來負(fù)責(zé)統(tǒng)籌管理，國(guó)家也未出臺(tái)農(nóng)用無人機(jī)方面的政策法規(guī)，只能沿用民航政策法規(guī)，針對(duì)性不強(qiáng)［37］。另外，在應(yīng)用方面的標(biāo)準(zhǔn)，特別是在生產(chǎn)制造、質(zhì)量檢測(cè)、推廣鑒定、作業(yè)規(guī)程以及作業(yè)質(zhì)量等標(biāo)準(zhǔn)也缺乏或不健全。

3.2 電池續(xù)航時(shí)間短，載荷量相對(duì)較小

農(nóng)用無人機(jī)行業(yè)發(fā)展迅猛，但當(dāng)前無人機(jī)電池的續(xù)航時(shí)間一般是10～20 min。電池續(xù)航能力差，若作業(yè)面積大，則須同時(shí)攜帶多塊電池或攜帶充電器，一方面電池的價(jià)格較貴，另一方面田間充電不方便，導(dǎo)致了農(nóng)用無人機(jī)無法持續(xù)作業(yè)，作業(yè)量受到了一定的限制。

目前我國(guó)農(nóng)用無人機(jī)載荷量一般在5～20 L之間，其中以10～15 L為主，載荷量小增加了往返起降以及添加藥液的時(shí)間，降低作業(yè)效率。2020年廣州極飛科技公司新推出的極飛P80農(nóng)用無人機(jī)載荷量增加到35 L，但售價(jià)相對(duì)較高。

3.3 專用藥劑研究滯后

農(nóng)藥劑型是影響農(nóng)藥實(shí)際使用效果的一個(gè)極其重要的因素，優(yōu)良的劑型能改善藥滴霧化過程、減少霧滴飄移、提升農(nóng)藥在作物表面的持留量等，從而提高農(nóng)藥利用率［3］。植保無人機(jī)采用低容量或越低容量噴霧，超低常量液劑必須具備抗蒸發(fā)、防漂移和安全性高的特點(diǎn)［10］，但目前植保無人機(jī)噴施農(nóng)藥防治水稻病蟲害仍以常規(guī)農(nóng)藥為主，專用藥劑和助劑的研發(fā)嚴(yán)重滯后，另外相關(guān)的農(nóng)業(yè)主管部門也未開放植保無人機(jī)專用藥劑注冊(cè)登記，導(dǎo)致目前植保無人機(jī)配套專用制劑嚴(yán)重缺乏。

3.4 飛播種植水稻種子存活率難以保障

飛播種植對(duì)水稻田塊要求較高，如水稻田塊高低不平，撒播在低洼地帶的種子受到水淹而不發(fā)芽，而撒播在高處的種子則因?yàn)槲詹坏剿约疤柕谋褚矡o法發(fā)芽。此外，無人機(jī)飛播的種子直接暴露在田地的表面，容易被鳥類尋食。以上因素導(dǎo)致飛播種植的水稻種子成活率難以保障。

3.5 全年有效工作時(shí)間短

由于農(nóng)用無人機(jī)工作效率高，且水稻播種及病蟲害防治具有一定的時(shí)效性，導(dǎo)致農(nóng)用無人機(jī)植保作業(yè)、飛播水稻、撒施肥料等方面有效工作日少，全年大部分時(shí)間處于閑置狀態(tài)，在一定程度上造成了農(nóng)用無人機(jī)資源的浪費(fèi)。

4 對(duì)加強(qiáng)我國(guó)農(nóng)用無人機(jī)發(fā)展應(yīng)用的建議

4.1 完善相關(guān)政策法規(guī)及體系標(biāo)準(zhǔn)

由于我國(guó)農(nóng)用無人機(jī)市場(chǎng)門檻較低，監(jiān)管法律法規(guī)欠缺且相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)不夠健全。為促進(jìn)農(nóng)用無人機(jī)產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展，需明確政府主管部門，由其負(fù)責(zé)完善政策法規(guī)，并及時(shí)制定出臺(tái)相應(yīng)的產(chǎn)業(yè)規(guī)范、市場(chǎng)準(zhǔn)入制度等，通過政府部門的監(jiān)督和管理，保證農(nóng)用無人機(jī)產(chǎn)品質(zhì)量。另外，國(guó)家主管部門應(yīng)該牽頭組織高校、科研單位和生產(chǎn)企業(yè)制定生產(chǎn)制造、質(zhì)量檢測(cè)、操作規(guī)程、作業(yè)規(guī)范等國(guó)家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，完善農(nóng)用無人機(jī)體系標(biāo)準(zhǔn)的建設(shè)。各地方主管部門要根據(jù)國(guó)家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合本地實(shí)際情況制定適合本地的地方技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

4.2 加強(qiáng)電池的研發(fā)

高有效載荷量、高效率、長(zhǎng)航時(shí)農(nóng)用無人機(jī)是未來發(fā)展趨勢(shì)。目前農(nóng)用無人機(jī)使用的電池多為傳統(tǒng)鋰電池，隨著當(dāng)前科技的高速發(fā)展，科研機(jī)構(gòu)及無人機(jī)生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)加大電池蓄電能力的研究，使電池容量更大更合理。目前半固體鋰電池研發(fā)已有所突破，并將在未來成為現(xiàn)實(shí)，半固體鋰電池的容量是傳統(tǒng)鋰電池的2倍，搭載這種電池的農(nóng)用無人機(jī)續(xù)航時(shí)間會(huì)更持久，這將為農(nóng)用無人機(jī)大規(guī)模作業(yè)提供更可靠、穩(wěn)定的動(dòng)力保障［38］。

4.3 引導(dǎo)常規(guī)藥劑的飛防登記，加強(qiáng)專用藥劑和助劑的研究

針對(duì)當(dāng)前植保無人機(jī)噴施農(nóng)藥防治水稻病蟲害仍以常規(guī)農(nóng)藥為主的現(xiàn)狀，應(yīng)參考日本和韓國(guó)等國(guó)家的登記管理辦法，農(nóng)藥登記管理部門委托具有資質(zhì)的科研單位開展相關(guān)田間試驗(yàn)，建立健全飛防藥劑登記管理制度，引導(dǎo)飛防藥劑的規(guī)范化使用。

在現(xiàn)在的常規(guī)藥劑的基礎(chǔ)上，加強(qiáng)抗蒸發(fā)、防漂移和安全性高的飛防專用藥劑和助劑的研發(fā)。目前許多高校、科研單位和農(nóng)藥企業(yè)開始投入到農(nóng)用無人機(jī)飛防制劑和助劑的研發(fā)中，特別是適用于農(nóng)用無人機(jī)的納米農(nóng)藥新劑型研究已經(jīng)成為農(nóng)藥領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。目前納米農(nóng)藥在多地用無人機(jī)噴灑進(jìn)行了病蟲害防治試驗(yàn)，結(jié)果表明納米農(nóng)藥防治效果比常規(guī)農(nóng)藥的防治效果好［39-40］。

4.4 加強(qiáng)水稻種子丸?；录夹g(shù)研究

無人機(jī)撒播的種子暴露在田地表面上，容易遭到鳥類尋食，因此鳥害嚴(yán)重。此外，無人機(jī)撒播后的田塊和傳統(tǒng)的移栽田塊不同，直播田不能有水，故直播田草害相對(duì)嚴(yán)重。針對(duì)上述問題，廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所馮夏研究員近年來進(jìn)行水稻種子丸?；录夹g(shù)研究，包衣里驅(qū)鳥劑和除草劑。近2年含有驅(qū)鳥劑和除草劑的包衣種子在廣東部分水稻種植區(qū)進(jìn)行試驗(yàn)，取得不錯(cuò)的效果。

隨著農(nóng)村勞動(dòng)力逐年減少和農(nóng)村從業(yè)勞動(dòng)人員年齡偏大，以及國(guó)家政策方面的大力支持，我國(guó)農(nóng)用無人機(jī)得到快速發(fā)展，農(nóng)用無人機(jī)的應(yīng)用得到廣泛推廣。農(nóng)用無人機(jī)植保作業(yè)、飛播水稻、撒施肥料等必將成為重要的發(fā)展方向和保障國(guó)家糧食安全的重大措施，農(nóng)用無人機(jī)產(chǎn)業(yè)將成為我國(guó)農(nóng)業(yè)的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。