中國農(nóng)用植保無人機施藥技術(shù)研究進展

胡維月 席玉強 尹新明

（河南農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護學(xué)院，河南鄭州 450000）

航空機械用于病蟲草害防治由來已久。1911年，德國首次利用飛機噴灑農(nóng)藥防治森林害蟲；1949年，美國研制出農(nóng)用固定翼飛機；1987年日本研制出農(nóng)用無人直升機，到1990年日本推出世界第一架用于噴灑農(nóng)藥的小型植保無人機，開創(chuàng)了植保無人機用于田間病蟲草害防控的時代[1]。

2001年，北京一家公司引進日本公司生產(chǎn)的RMAX型植保無人機，之后植保無人機開始逐步引起國內(nèi)科研部門的關(guān)注；2004年，農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所等機構(gòu)開始進行關(guān)于農(nóng)用植保無人機的研究與推廣工作[2]；2008年，農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所研制出了中國第一架農(nóng)用植保無人機；2009—2012年多所研究單位開始探索植保無人機對水稻、小麥等作物病蟲害的防治效果；2013年國內(nèi)學(xué)術(shù)期刊上開始相繼發(fā)表植保無人機的相關(guān)研究結(jié)果[3]，此后國內(nèi)越來越多的研究人員開始投入到植保無人機的開發(fā)和應(yīng)用研究中。自2015年大疆發(fā)布MG-1型農(nóng)業(yè)無人機后，中國的飛防產(chǎn)業(yè)開始快速發(fā)展，植保無人機逐步成為中國智慧農(nóng)田管理中不可或缺的重要機械之一，中國對植保無人機的市場需求不斷增加。但是，國內(nèi)相關(guān)的產(chǎn)業(yè)服務(wù)體系尚不完善，至2018年中國才推出首個植保無人機技術(shù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。2019年4月，人力資源社會保障部正式將無人機駕駛員認(rèn)定為正式職業(yè)。據(jù)不完全統(tǒng)計，截至2020年6月，我國現(xiàn)行的農(nóng)業(yè)航空標(biāo)準(zhǔn)有國家標(biāo)準(zhǔn)1項、農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)2項、民航行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)15項，主要以操作規(guī)范、噴灑裝備要求、安全評價、作業(yè)質(zhì)量及試驗評價方法等要求為主。

目前，在世界航空機械的研究與發(fā)展中，美國、德國、歐洲等國家以大型直升機進行農(nóng)事作業(yè)為主，而中國、日本、韓國等國家則將研究目標(biāo)放于小型植保無人機的開發(fā)中，這也與各國的農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)及農(nóng)業(yè)地形有關(guān)。美國、德國等國家以家庭農(nóng)場為主要的經(jīng)營方式，種植種類集中，利于大型航空機械的使用；中國、日本等國家受農(nóng)業(yè)經(jīng)營方式、種植結(jié)構(gòu)及地理環(huán)境等因素的影響，普通的農(nóng)業(yè)機械難以適應(yīng)多變的農(nóng)事活動[4-6]。植保無人機相較于傳統(tǒng)農(nóng)用機械具有作業(yè)效率高、節(jié)水節(jié)藥、對人體危害性小、適應(yīng)性廣等特點，可在平原、丘陵、林地、濕地等多種地形中開展作業(yè)，同時不像地面機械在作業(yè)過程中會對作物產(chǎn)生損害。相信未來幾年內(nèi)，植保無人機的發(fā)展依舊迅速，針對植保無人機的研發(fā)與應(yīng)用也將日益增加。

1 中國植保無人機市場概況

中國總耕地面積約1.28億hm2，每年病蟲草鼠害發(fā)生面積逾4.67億公頃次，防治面積達5.67億公頃次，年均所需農(nóng)藥30萬t左右。20世紀(jì)末，中國就已經(jīng)成為世界上農(nóng)藥生產(chǎn)和使用大國，但農(nóng)藥有效利用率只有大約30%[7-9]，中國植保機械的發(fā)展與農(nóng)藥使用水平極不相稱。因此，迫切需要新型植保機械解決中國農(nóng)藥利用率較低的問題。自2010年以來，植保無人機在中國迅速發(fā)展，以植保無人機為應(yīng)用載體的低空低量航空施藥技術(shù)逐步成為研究熱點，高濃度低劑量的特點在一定程度上可提高農(nóng)藥利用率。

國內(nèi)研發(fā)出的植保無人機機型較多，其中以油動多旋翼的機型開發(fā)產(chǎn)品最少，主流植保無人機多采用多旋翼電動無人機[7，10]。多旋翼植保無人機機型以電池為動力，技術(shù)門檻低、結(jié)構(gòu)和技術(shù)相對簡單[11]。以目前市場上部分主流植保無人機技術(shù)參數(shù)（表1）來看，大疆植保無人機整機重量9.8～26.3 kg，作業(yè)效率能高達16.00 hm2/h，作業(yè)箱容積10～30 L，可裝備噴頭數(shù)量最多達16個，霧化粒徑在110～265 μm范圍內(nèi)。電動多旋翼植保無人機工作效率高，能適應(yīng)多種作業(yè)環(huán)境，同時其相較于其他機型更易于操作與維修，相信未來幾年內(nèi)，中國植保無人機仍將以電動多旋翼植保無人機為主。

表1 大疆農(nóng)用植保無人機型號技術(shù)參數(shù)對比

據(jù)不完全統(tǒng)計，當(dāng)下中國有300多家植保無人機生產(chǎn)廠家、2 000家以上的企業(yè)從事農(nóng)用無人機生產(chǎn)與服務(wù)[12-13]。全國農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣服務(wù)中心初步統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，截至2020年11月中旬，全國專業(yè)化防治組織中植保無人機保有量約8萬架，作業(yè)面積大約5 300萬hm2。預(yù)計幾年內(nèi)，植保無人機市場從事飛防員培訓(xùn)派遣服務(wù)、無人機維修保養(yǎng)物流服務(wù)、噴灑植保服務(wù)、無人機租賃銷售、專用農(nóng)藥研發(fā)銷售等的人員需求量將超過40萬人[2]。

2 無人機專用藥劑及助劑發(fā)展現(xiàn)狀

植保無人機作業(yè)原理主要是利用自身旋翼產(chǎn)生的風(fēng)場使霧化后的霧滴向靶標(biāo)生物運動，但霧滴向靶標(biāo)運動過程中，易受溫度、濕度和自然風(fēng)等環(huán)境因素的影響，產(chǎn)生蒸發(fā)和飄移等造成環(huán)境問題，這就需要開發(fā)具有強沉降性、耐揮發(fā)性、抗飄移性等特點的低毒高效農(nóng)藥制劑降低霧滴飄移風(fēng)險[14]。

植保無人機噴灑農(nóng)藥用水量僅為傳統(tǒng)施藥方式的1/30，藥劑濃度相對較高，若施用不當(dāng)很容易造成農(nóng)藥殘留、環(huán)境污染等問題。2020年，通過比較背負(fù)式噴霧器和植保無人機在水稻田內(nèi)噴施吡蚜酮后的殘留量發(fā)現(xiàn)，植保無人機施藥后農(nóng)藥殘留量更高[15]；2021年，研究人員在茶園測試無人機施藥的霧滴沉積分布對害蟲防治效果及殘留量的研究中發(fā)現(xiàn)，無人機施藥相比傳統(tǒng)機械施藥農(nóng)藥利用率更高，但均勻性較差且農(nóng)藥殘留水平高[16]。因此，植保無人機使用普通農(nóng)藥進行噴灑時，安全間隔期應(yīng)相應(yīng)延長，而高殘留、分解性較差的農(nóng)藥則不適宜植保無人機的施用。此外，一些農(nóng)藥制劑類型還會造成霧化噴頭堵塞等問題。

國外針對植保無人機低容量高濃度噴霧特點，已經(jīng)研制出適合無人機噴施的飛防專用劑型——超低容量液劑，這種劑型相比其他劑型霧滴更小、滲透性更強、藥液覆蓋率更高。在日本，飛防專用藥劑登記已有266種，韓國也已登記110種[17-18]。長久以來，中國植保無人機研究重心偏向于無人機技術(shù)參數(shù)的改良，只注重?zé)o人機本身的性能質(zhì)量，而忽視了藥劑對防治效果的影響。目前，國內(nèi)飛防專用藥劑和助劑的研制和試驗尚處于起步階段。截至2018年，中國登記的超低容量液劑僅有12種，中國植保無人機所使用的農(nóng)藥則多為常規(guī)地面機械使用的藥劑，其并不能完全適應(yīng)無人機的作業(yè)要求[3]。因此，為了促進中國植保無人機精準(zhǔn)施藥技術(shù)的發(fā)展，必須加快推進植保無人機專用藥劑的開發(fā)和應(yīng)用研究，相關(guān)部門也應(yīng)建立完善的植保無人機施藥標(biāo)準(zhǔn)與安全監(jiān)管體系[7，16]。

3 農(nóng)業(yè)精準(zhǔn)施藥技術(shù)研究進展

3.1 航空靜電噴霧技術(shù)

靜電噴霧技術(shù)是通過接觸式、電暈式及感應(yīng)式等充電方式使霧滴帶電，在高壓靜電的作用下，帶電藥液能夠主動吸附于作物靶標(biāo)的正反面，達到吸附效果[19-20]。中國航空靜電噴霧技術(shù)研究始于2005年，而無人機靜電噴霧技術(shù)研究始于2015年[21-22]。目前，國內(nèi)對有人駕駛飛機已有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定航空靜電噴霧器的設(shè)備組成、主要技術(shù)指標(biāo)及注意事項等[23]，但缺少對植保無人機靜電噴霧系統(tǒng)整機的詳細(xì)說明和操作規(guī)范，且各研究人員選用的機型、旋翼數(shù)量、技術(shù)參數(shù)各不相同，這就降低了研究結(jié)果的可借鑒性。中國現(xiàn)階段應(yīng)重視基礎(chǔ)性研究和延續(xù)性試驗，解決載重、靜電系統(tǒng)與播撒和飛控系統(tǒng)的整機協(xié)調(diào)性差、基礎(chǔ)性研究欠缺等問題，把單一強調(diào)對霧滴帶電的實現(xiàn)轉(zhuǎn)向?qū)夹g(shù)系統(tǒng)的整體研究[24]。

靜電噴霧技術(shù)具有能夠增加藥劑霧滴沉積、減少飄移和降低施藥量等方面的優(yōu)勢，可以有效解決植保無人機施藥技術(shù)方面的問題，實現(xiàn)無人機的精準(zhǔn)施藥。

3.2 農(nóng)藥變量噴霧技術(shù)

變量噴霧技術(shù)是通過分析農(nóng)田作物的實際情況，有針對性地調(diào)整噴施量和噴施方式，以最小農(nóng)藥噴施量達到最佳防治效果。變量噴霧技術(shù)工作過程主要涉及農(nóng)田信息獲取、數(shù)據(jù)處理與控制及對執(zhí)行動作的感知等，現(xiàn)階段研究的變量噴霧技術(shù)主要有2種類型，即基于處方圖的變量噴霧技術(shù)和基于實時感知的變量噴霧技術(shù)。前者是根據(jù)分析后的農(nóng)田信息調(diào)整作業(yè)模式；后者則是作業(yè)過程中實時獲取農(nóng)田信息，并快速進行判斷從而實現(xiàn)變量噴霧[25-26]。有研究表明，目前搭載變量噴霧技術(shù)的機械相比于傳統(tǒng)噴藥方式節(jié)藥50%以上，對靶識別成功率達60%以上[27]。

航空植保變量噴霧是全球研究的一個重要方向，在美國、日本等發(fā)達國家已有一定的研究與發(fā)展，中國對植保無人機變量噴霧也相繼進行了探索性研究[28]。早在2014年，國內(nèi)就有學(xué)者設(shè)計了利用PWM技術(shù)控制的無人機機載農(nóng)藥變量噴灑系統(tǒng)，但沒有結(jié)合無人機作業(yè)參數(shù)進行變量噴霧[29]；2017年，雖開始設(shè)計關(guān)于飛行速度和施藥流量自動匹配的植保無人機動態(tài)變量施藥系統(tǒng)，但沒有研究控制算法對控制效果的影響[30]；到2019年，開始有學(xué)者關(guān)注飛行速度的變化對施藥均勻性的影響，設(shè)計了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID的自適應(yīng)無人機變量噴霧系統(tǒng)[31]；最新的研究中，高銳濤等[32]設(shè)計了基于變量施藥處方圖的實時解譯系統(tǒng)，為植保無人機變量噴霧技術(shù)的發(fā)展提供了理論參考。

目前，國內(nèi)對變量噴霧技術(shù)在精準(zhǔn)施藥上的應(yīng)用研究尚處于探索階段，將變量噴霧技術(shù)應(yīng)用到植保無人機上的相關(guān)研究報道更少，加強對植保無人機變量噴霧系統(tǒng)的研究和應(yīng)用將會有效改善現(xiàn)階段的植保作業(yè)問題。

3.3 霧滴飄移控制技術(shù)

霧滴飄移是農(nóng)藥在使用過程中通過空氣向非靶標(biāo)運動的現(xiàn)象，包括飛行飄移和蒸發(fā)飄移。飄移會造成環(huán)境污染，甚至?xí)＜叭祟惿眢w健康、蜜蜂養(yǎng)殖等。因此，需要進一步研究影響霧滴飄移與沉積行為的因素[33]。

2018年，研究人員采用油動單旋翼植保無人機探索了不同施藥量棉花苗期噴霧霧滴沉積分布的規(guī)律[34]，之后研究人員深入研究了噴霧參數(shù)及助劑類型對農(nóng)藥霧滴沉積分布的影響[35-36]；除了關(guān)于噴霧參數(shù)及助劑類型的研究外，還有學(xué)者開始利用風(fēng)洞環(huán)境模擬無人機飛行噴霧試驗，進行霧化噴頭、噴霧助劑等對噴霧飄移影響的研究[37-38]；最新的研究中，研究人員開始更多地關(guān)注植保無人機在飛行過程中不同側(cè)向風(fēng)、環(huán)境風(fēng)速、飛行參數(shù)等對霧滴沉積和飄移的影響程度[39-41]。

中國對植保無人機噴霧飄移的研究還處于初步階段，深入研究不同因素對農(nóng)藥飄移的影響、下風(fēng)向的霧滴飄移規(guī)律以及農(nóng)藥飄移對非靶標(biāo)生物的影響對提升農(nóng)藥利用率和環(huán)境保護具有重要意義[42]。

4 結(jié)語

中國植保無人機的發(fā)展相較于世界其他國家起步較晚，最初的研究多是基于地面機械設(shè)備的相關(guān)硬件和施藥技術(shù)進行再開發(fā)。因此，有些設(shè)備和技術(shù)并不能與植保無人機完美兼容，尤其在施藥技術(shù)方面，植保無人機雖然能有效提高農(nóng)藥利用率，但農(nóng)藥霧滴飄移、均勻性差、農(nóng)藥殘留等問題以及缺乏專用農(nóng)藥制劑都制約著植保無人機的進一步推廣和應(yīng)用。目前，國內(nèi)在精準(zhǔn)施藥關(guān)鍵技術(shù)方面已經(jīng)有關(guān)于農(nóng)業(yè)航空靜電噴霧技術(shù)、農(nóng)藥變量噴霧技術(shù)、霧滴飄移控制技術(shù)的研究，但由于研究不夠深入且研究時使用的植保無人機型號各不相同，對照參考性不強，缺乏針對性，技術(shù)發(fā)展與國外發(fā)達國家仍有一定差距。無人機精準(zhǔn)施藥關(guān)鍵技術(shù)涉及多領(lǐng)域多學(xué)科的研究，尚需廣大研究人員進一步開發(fā)和推廣應(yīng)用。