無人機(jī)在江漢平原冬油菜生產(chǎn)中的應(yīng)用現(xiàn)狀及展望

陳 曦，王世榮，王 平，甘國渝，鄒家龍，周國勝，李燕麗，盧碧林，李繼福*

（1.濕地生態(tài)與農(nóng)業(yè)利用教育部工程研究中心/長江大學(xué)農(nóng)學(xué)院，湖北荊州 434025；2.湖北領(lǐng)航現(xiàn)代農(nóng)業(yè)服務(wù)有限公司，湖北荊州 434025；3.荊州市荊州區(qū)農(nóng)業(yè)技術(shù)服務(wù)中心，湖北荊州 434025；4.荊州市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，湖北荊州 434020）

冬油菜（Brassica campestrisL.）是世界上重要的油料作物之一，也是我國種植面積最大的冬季經(jīng)濟(jì)作物，主要分布在長江流域的稻作區(qū)[1]。冬油菜基本不與主糧爭地，且有用地、養(yǎng)地的雙重功效。因此，積極擴(kuò)大南方冬油菜種植規(guī)模，充分利用冬閑田，不僅可增加油菜籽產(chǎn)量、保障食用油安全，還能提高冬季地表綠被覆蓋度、保持水土資源和補(bǔ)充土壤有機(jī)質(zhì)及養(yǎng)分[2-3]。近年來，農(nóng)業(yè)航空應(yīng)用技術(shù)，尤其是小型民用無人機(jī)作為實現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化、推動鄉(xiāng)村振興的重要措施，受到各級政府、企業(yè)和農(nóng)民的普遍重視[4-5]。小型民用無人機(jī)技術(shù)結(jié)合北斗導(dǎo)航系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)及大數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)，配合搭載的紅外傳感器和播種、施肥、噴藥等一系列配套設(shè)備，可實現(xiàn)精準(zhǔn)、高效的低空作業(yè)[6-7]。無人機(jī)的應(yīng)用對南方冬閑田恢復(fù)和擴(kuò)大冬油菜種植面積有著巨大的推動作用，在未來田間管理和節(jié)本增效方面有著巨大的發(fā)展?jié)摿8-9]。江漢平原作為湖北省冬油菜主產(chǎn)區(qū)（以荊州和荊門為主），常年種植規(guī)模達(dá)67 萬hm2，占全省冬油菜播種面積的60%以上。該地區(qū)地勢相對平坦、田塊集中，農(nóng)業(yè)合作社、種植大戶發(fā)展迅速，有力推動了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)代化和機(jī)械化[10]。筆者通過對農(nóng)資服務(wù)公司、無人機(jī)銷售服務(wù)公司、種植大戶和農(nóng)民合作社等主體單位進(jìn)行實地調(diào)研，總結(jié)分析了當(dāng)前江漢平原小型無人機(jī)在冬油菜生產(chǎn)上的應(yīng)用現(xiàn)狀及存在的問題，為無人機(jī)技術(shù)在冬油菜生產(chǎn)上的進(jìn)一步發(fā)展應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1 江漢平原地區(qū)農(nóng)用無人機(jī)類型

農(nóng)用無人機(jī)是指用于農(nóng)林植物播種、施肥、打藥作業(yè)和動物養(yǎng)殖投料的無人駕駛飛機(jī)，由飛行平臺（固定翼、單旋翼和多旋翼等）、導(dǎo)航飛控系統(tǒng)和不同載荷的作業(yè)模塊構(gòu)成，可通過手機(jī)、平板或者智能遙控器實現(xiàn)各種田間作業(yè)，以替代部分人工勞作，具有省時、省事、精準(zhǔn)、節(jié)本、增效和對環(huán)境友好的優(yōu)點。目前，江漢平原農(nóng)用無人機(jī)集中在小型消費級無人機(jī)領(lǐng)域，以廣州極飛科技、深圳大疆科技和珠海羽人公司生產(chǎn)的無人機(jī)為主，其中極飛科技無人機(jī)在江漢平原地區(qū)冬油菜的飛播、施肥和植保方面已積累了多年經(jīng)驗，市場占有率較高。本文對無人機(jī)在冬油菜生產(chǎn)上的應(yīng)用現(xiàn)狀分析也是基于極飛無人機(jī)的多年應(yīng)用數(shù)據(jù)和經(jīng)驗。普通農(nóng)用無人機(jī)價格在3 萬～5 萬元，市場使用主體是職業(yè)飛手、合作社、大戶、農(nóng)資經(jīng)銷商和農(nóng)化服務(wù)公司。

2 農(nóng)用無人機(jī)在冬油菜生產(chǎn)上的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 油菜籽飛播

江漢平原冬油菜種植以中稻-冬油菜輪作模式為主，根據(jù)冬油菜種植方式和功能效用，分為3 種飛播方式：1）谷林套種飛播[11-12]，即在水稻機(jī)械收獲前3～7 d，利用無人機(jī)飛播使油菜籽均勻灑落在水稻稻樁間隙地表，充分利用水稻收獲期的土壤墑情（水分、溫度、養(yǎng)分等）和茬口時間。江漢平原谷林套種飛播時間以9 月16 日至10 月6 日為宜，采用聯(lián)合收割機(jī)收獲水稻，稻草覆蓋地表和施基肥，再用開溝機(jī)開溝覆土。這種方式下油菜生育期長、產(chǎn)量高，以收獲油菜籽為主要目標(biāo)，但受天氣影響較大，尤其是降雨。水稻收獲期長期干旱不利于墑情保持和油菜出苗，一般選擇雨后或者雨前飛播最有利。2）稻后輪作飛播，即在水稻機(jī)械收獲后飛播油菜籽。通常情況下，水稻收獲后施基肥、旋耕整田，開溝，再飛播，油菜播種時間不遲于10 月16 日，否則將不利于后茬水稻種植。這種方式對天氣要求不高，播種時間選擇范圍較廣，但成本較高，以收獲油菜籽為主要目標(biāo)。3）稻后秋種飛播，這種方式同稻后輪作飛播，但主要目標(biāo)不是收獲油菜籽，而是作綠肥，即在油菜生物量最大時期進(jìn)行翻壓還田，為水稻季提供養(yǎng)分和提高土壤肥力。飛播時期選擇范圍最廣，不遲于10 月30 日均可，因為11 月以后播種易受到低溫和漬水雙重影響，不利于出苗，且作綠肥飛播時對地塊、天氣、開溝等條件沒有特別要求。3 種冬油菜飛播方式的播種量均為7.5～15 kg·hm-2，其中綠肥油菜播種量按高量計，并配以輔料如種肥等提高飛播效果。極飛科技的小型無人機(jī)載重15 kg，飛行時長5～6 min，單次油菜播種面積為0.67～0.80 hm2，飛速6～7 m·s-1；中型無人機(jī)載重40 kg，飛行時長7～8 min，單次油菜播種面積為1.33～1.67 hm2，飛速6～7 m·s-1。飛播播盤寬度為10～13 m，飛行高度為6 m，也可根據(jù)地塊實際情況如障礙物等調(diào)節(jié)飛行高度。

2.2 肥料飛施

當(dāng)前，限于無人機(jī)的作業(yè)效率和載重負(fù)荷，無人機(jī)在冬油菜上的肥料飛施以種肥和追肥為主，基肥施用為輔，但科學(xué)飛施基肥也是今后的一個重要發(fā)展方向。多年經(jīng)驗和調(diào)研結(jié)果表明，冬油菜飛播時與肥料配合使用效果最佳，一般認(rèn)為播種量、肥料之比為(1∶2)～(1∶4)的效果和性價比最優(yōu)。肥料以復(fù)合肥為主，顆粒尺寸不要求均一，大小混雜最好，可有效防止油菜籽在運輸及飛播途中因機(jī)器震動出現(xiàn)分層現(xiàn)象。冬油菜以收獲產(chǎn)量為目標(biāo)，可以在蕾薹期追施氮肥（尿素）1 次，飛施顆粒尿素用量為150 kg·hm-2；油菜作綠肥的則不需要追肥。

2.3 植保飛防

采用無人機(jī)進(jìn)行農(nóng)作物植保飛防的技術(shù)已經(jīng)比較成熟。表1 為江漢平原冬油菜“一促四防”用藥常規(guī)方案，實際操作根據(jù)各地區(qū)的病害程度選擇具體方案。防治關(guān)鍵期是苗期、展葉期和初花期，不僅要進(jìn)行病蟲害防治，還可根據(jù)需求、成本和效益合理添加生長調(diào)節(jié)劑和葉面肥。原則上，農(nóng)藥和水溶肥溶于水中稀釋1 000倍；混配類型不超過3種；盡量減少施用可濕性粉劑以免堵塞噴頭，做到現(xiàn)配現(xiàn)用。

表1 江漢平原冬油菜“一促四防”用藥實施方案

3 農(nóng)用無人機(jī)應(yīng)用存在的問題

農(nóng)用無人機(jī)在冬油菜種植過程中參與了播種、施肥和噴藥等多個環(huán)節(jié)，有力推動了冬油菜精簡化生產(chǎn)。但在無人機(jī)使用過程中也面臨一些問題，主要有以下4 個方面：1）障礙物干擾。隨著農(nóng)田流轉(zhuǎn)和集中，原本地界位置上存在的高大樹木、電線桿、線纜等成為無人機(jī)飛控中的第一障礙因子，這些障礙物不僅影響無人機(jī)飛行安全，還影響飛行路線的優(yōu)化和飛行高度，尤其對集中連片的農(nóng)田影響最大，不易發(fā)現(xiàn)。2）插花田的干擾。插花田是指出于各種原因，農(nóng)戶不愿意發(fā)包出去影響連片種植的田塊，這些田塊的存在不利于無人機(jī)路線設(shè)置，徒增無人機(jī)轉(zhuǎn)彎次數(shù)，從而增加能耗損失，降低飛行時長，影響飛播質(zhì)量。3）天氣因素干擾。江漢平原秋冬作物基本為雨養(yǎng)種植模式，受天氣（大風(fēng)、降雨和低溫等）影響較大。尤其是近三年，氣候變化頻繁，如9 月下旬谷林套播期間長期干旱少雨，不利于冬油菜飛播出苗；10月中旬中稻收獲后的連陰雨天氣極易造成田間漬水和低溫，導(dǎo)致不能及時播種或者出苗狀況不佳。4）飛播配料選擇的干擾。與水稻、大麥、小麥種子相比，油菜籽的顆粒較小，單位面積用種量低，因此要提高播種質(zhì)量，需配合其他填充物料進(jìn)行拌種飛播，可選擇復(fù)合肥、單質(zhì)肥、包衣劑、砂粒、硼肥伴侶等多種材料。綜合江漢平原生產(chǎn)實際和油菜的養(yǎng)分需求，多配合施用復(fù)合肥，但復(fù)合肥種類、養(yǎng)分比例、顆粒機(jī)械組成和種/肥用量及其配比還沒有最優(yōu)方案，仍需要不斷嘗試和改進(jìn)。此外，無人機(jī)飛施肥料雖然效率高，但不能解決肥料入土這一難點，肥料落在地表不僅影響植物對肥料的利用效率，還易造成養(yǎng)分揮發(fā)、流失和潛在的環(huán)境風(fēng)險，這需要在今后找出解決辦法。

4 展望

目前，主流的飛播無人機(jī)是通用型的，可以用來播種水稻、小麥、大麥和油菜籽。油菜飛播專用型無人機(jī)已有研制，但離市場應(yīng)用還有一定差距[13]。市場占有率較高的無人機(jī)載重多為15 kg，作業(yè)時間不超過10 min，續(xù)航仍是限制無人機(jī)作業(yè)的最大障礙，因此改進(jìn)電池材料、提高蓄電能力極為重要。同時，應(yīng)積極采用新型復(fù)合材料，降低機(jī)身重量的同時增強(qiáng)機(jī)殼硬度，以增加載荷量和續(xù)航能力，提高單次作業(yè)效率。此外，針對各冬油菜生產(chǎn)區(qū)域的氣候和種植模式差異，需要形成不同的操作規(guī)程，包括種子選擇、田塊要求、種肥選擇、病蟲害防治等，以利于合作社、種植大戶和農(nóng)資服務(wù)公司采用，推動冬油菜標(biāo)準(zhǔn)化種植。

針對農(nóng)用無人機(jī)在冬油菜種植上面臨的4大問題，找出相應(yīng)的解決方案，這需要政府、行業(yè)協(xié)會、合作社和農(nóng)戶多方參與、共同努力。例如，在成片高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)中，政府或者行業(yè)是否應(yīng)考慮線纜的優(yōu)化布局和適當(dāng)遷移，避免過多障礙物；行政村動員和鼓勵插花田散戶通過土地置換、積極流轉(zhuǎn)等方式減少插花田，使田塊更加完整，便于統(tǒng)一管理。針對氣候多變和物料使用，無人機(jī)市場不僅需要硬件設(shè)備的支持，更應(yīng)注重軟件系統(tǒng)服務(wù)開發(fā)，搭建智慧服務(wù)平臺，集合生產(chǎn)商、服務(wù)商和種植大戶、合作社，將供給方和需求方緊密聯(lián)系，完善冬油菜生產(chǎn)體系各個環(huán)節(jié)的工作，從而有力推動精簡化生產(chǎn)。