植保無人機在作物生產中的應用研究

邢植 王冀川 林熬 萬亞楠 李文君

摘要：植保無人機作業(yè)具有安全高效、節(jié)水節(jié)藥、適應范圍廣、噴施效果好等特點，已廣泛應用到農業(yè)生產中。從植保無人機的應用現(xiàn)狀、種類與工作原理、作業(yè)范圍、應用效果、存在問題及發(fā)展方向等方面進行闡述，對植保無人機在作物上應用的研究進展進行歸納，提出我國植保無人機發(fā)展趨勢、優(yōu)缺點及應用前景。

關鍵詞：植保無人機;作物;生產;研究

中圖分類號：S252;S494? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：1674-1161（2022）03-0039-04

近年來，隨著我國現(xiàn)代農業(yè)的快速發(fā)展，高效、智能、省力化生產已成為人們關注的重點，植保無人機作為一種先進的田間管理機械，逐漸凸顯優(yōu)勢。2018年國務院出臺《國務院關于加快推進農業(yè)機械化和農機裝備產業(yè)轉型升級的指導意見》中明確指出，對農用航空設備進行大力發(fā)展并促進植保無人機的推廣和應用，同時也要對相關法規(guī)和標準做出規(guī)范。

當前，人們對農田病蟲草害的防治仍然以噴灑化學農藥為主，施藥效果受植保設備影響較大。在我國，廣大地區(qū)主要使用傳統(tǒng)農藥施噴設備施藥，農藥利用效率低下，且亂用和濫用農藥現(xiàn)象較為突出。據統(tǒng)計，我國單位面積農藥使用量為世界平均水平的2.5倍，農藥污染耕地高達0.1億 hm2?？梢?，只有提高施噴設備的安全性、可靠性和方便性，實現(xiàn)農藥的低噴量、精噴灑、少污染、高功效、高防效，才能達到病蟲害防治作業(yè)的高效率、高質量、少污染和低成本的目的。植保無人機作為精準施噴的農用設備，不僅提升了植保工作效率，減少因地形造成的作業(yè)限制，提高病蟲害防治效果，還較好地解決了我國目前植保機械落后、施藥困難的現(xiàn)狀。

1 植保無人機的應用現(xiàn)狀

1.1 國外植保無人機的應用現(xiàn)狀

農業(yè)航空植保技術最早出現(xiàn)在國外，1911年德國人開始應用飛機進行森林害蟲的防控工作，美國人在1949年研制出專門的農用飛機并改進了航空噴霧技術，噴灑量由30 L/hm2以上減少到5～30 L/hm2，進而發(fā)展到小于5 L/hm2的超低量噴灑。日本的農用航空器經過20多年的發(fā)展，逐漸成為世界上農用無人機噴藥的第一大國，廣泛應用于水稻、森林等病蟲害防治。目前，美國是農業(yè)航空應用技術最成熟的國家之一，據統(tǒng)計，美國農用航空器對農業(yè)的直接貢獻率為15%以上，并且已形成較完善的農業(yè)航空產業(yè)體系，技術裝備也較為成熟，在行業(yè)技術標準和管理方面也較為完善。當前，在農用航空器技術上較為先進的國家主要有美國、俄羅斯、澳大利亞、加拿大、巴西、日本、韓國等，這些國家對植保無人機有嚴格的田間作業(yè)要求，在噴頭規(guī)格、噴施壓力等方面也有嚴格的規(guī)定，其施噴技術主要在以下方面領先：1） 低污染、低量噴霧技術;2） 自動對靶施藥技術;3） 防飄移技術;4） 精密施藥技術;5） 自動混藥技術。

1.2 國內植保無人機應用現(xiàn)狀

我國目前常用的植保機械主要以手動噴霧器、背負式噴霧器和電動噴霧器為主，由于價格低廉和結構簡單，適合廣大農民的購買力，使其占據了我國市場的主要份額。但隨著近年來無人機技術的快速發(fā)展，我國植保無人機的應用和推廣也得到進一步提升，但與國外相比還存在一些問題，首先我國在農用航空器使用的法規(guī)標準和推廣服務體系建設等方面工作滯后，例如相關部門尚不能明確統(tǒng)籌管理、行業(yè)管控效率低下、沒有明確的農用航空器的法規(guī)政策等（只能沿用民用航空器的相關法規(guī)政策）;第二，核心及關鍵技術研究滯后，例如電池續(xù)航較短、飛控穩(wěn)定性及可靠性有待提升，關鍵的噴灑裝置在處理霧滴譜寬和霧化噴施效果不佳，遙感監(jiān)測技術相對滯后等;第三，專業(yè)化分工協(xié)作程度不高;第四，產業(yè)結構待優(yōu)化及配套規(guī)劃欠周全;第五，相關推廣服務未能有效開展。

2 植保無人機種類及工作原理

2.1 植保無人機種類

植保無人機品牌型號多，技術特點各異，但從總體結構來看，其分為多旋翼、單旋翼和共軸直升機。按動力混合機型方式劃分有：電動多旋翼植保無人機、油動多旋翼植保無人機、油電混動多旋翼植保無人機、油動變距植保無人機。共軸植保直升機一般只有油動機型，目前還沒有在實際植保作業(yè)中應用;單旋翼植保無人機又包括電動單旋翼、油動單旋翼等機型;多旋翼植保無人機又分為四旋翼、六旋翼、八旋翼等機型。單旋翼植保無人機有雙槳、三槳兩種型號且機型主要以燃油為主，也有少量電動機型，多旋翼植保無人機均為電動機型。根據市場和專業(yè)角度來看，多旋翼植保無人機多選用航空鋁材或更輕的碳纖維材料為機身主體，具有攜運便捷、操作容易、動力充足等特點，是未來發(fā)展的主流機型。

2.2 植保無人機的工作原理

植保無人機主要由五部分構成，包括機身機構、噴灑結構、控制結構、電源及機身輔助結構等。飛行機構包括無刷電機、槳葉兩大主要元件，噴灑機構包括噴桿、噴頭、輸藥管路、噴藥泵、藥箱等，控制機構包括GPS接收機、陀螺儀、速度及加速度傳感器、紅外測距、遙控接收裝置等。通過各個功能部件的配合，完成規(guī)定地域內精準、高效的施噴工作。

單旋翼植保無人機的行進和轉向主要通過調整主槳的角度和尾部的尾槳來實現(xiàn)，兩者風場干擾率極低，特點是風場統(tǒng)一，風場下壓力強。多旋翼植保無人機主要通過調整槳葉的轉速去實施各種動作，由于相鄰槳葉間旋轉方向的不同，從而導致風場的相互干擾并形成不穩(wěn)定風場。

植保無人機的定位技術主要有兩種形式，分為傳統(tǒng)定位技術和GPS差分技術。傳統(tǒng)定位技術只能進行無人機與衛(wèi)星的相互通信來實現(xiàn)定位，精準度只能達到米級精度，不能在技術上充分支持無人機的飛行及精準施噴。GPS差分技術則是在傳統(tǒng)的技術上進行改進，利用地面基站的位置信息通過衛(wèi)星修正從而實現(xiàn)更精準的定位，達到厘米級精度。運用GPS差分技術可以更好地實現(xiàn)無人機按軌飛行、定點施噴、精準施噴、自動避障和自動返航等要求。

3 植保無人機的作業(yè)范圍

植保無人機具有作業(yè)地域范圍廣、施噴液量低、工作效率高等優(yōu)點，是其快速發(fā)展的主要原因。由于植保無人機在空中作業(yè)時自身速度、飛行高度與氣流相互作用，更容易產生有效噴幅的不穩(wěn)定、液滴漂移等情況，因此如何穩(wěn)定植保無人機的有效噴幅范圍和保證霧滴沉積的有效分布一直是近年來的研究重點。于麗娟等10人研究表明，植保無人機有效噴幅和霧滴均勻沉降度主要受飛機旋翼下風場與外界風場的共同作用?，F(xiàn)階段植保無人機有油動與電動、單旋翼與多旋翼之分，不同的動力和不同的旋翼數(shù)所產生的風場效果、有效噴幅范圍及霧滴的均勻沉積度都不盡相同。

高度對無人機的有效噴幅及沉積均勻性的影響較大，以單旋翼無人機為例，其下方無側風時，隨飛行高度增加有效噴幅在出現(xiàn)峰值后逐漸下降，中間分布狀態(tài)呈較平緩的趨勢，霧滴分布情況會出現(xiàn)兩個峰值呈M形分布狀態(tài)。在高度不變但有來自不同方向的側風時，隨側風角度由正向風逐步變?yōu)?0°風時，無人機的有效噴幅趨勢整體呈現(xiàn)出逐步變小的狀態(tài);在高度不變、出現(xiàn)同一方向的側風時，側風方向為正向風30 °側風及60 °側風時，有效噴幅寬度范圍更穩(wěn)定。當出現(xiàn)側風但角度一定時，有效噴幅隨無人機高度的升高呈先增加再減少的趨勢;當無人機在一定高度時，有效噴幅隨側風角度的增大而減小。

4 植保無人機的應用效果

隨著現(xiàn)代農業(yè)科技的快速發(fā)展，農業(yè)產業(yè)化發(fā)展規(guī)模逐漸擴大，實現(xiàn)高產、安全、高效的農業(yè)生產則顯得更加重要。2015年農業(yè)部提出，到2020年農藥使用量實現(xiàn)零增長，而提高農藥利用率是農藥減量增效的重要措施之一。目前，隨著土地流轉速度的不斷加快，作物生產也逐步呈規(guī)?；⒓夯l(fā)展，植保無人機作為一種高效的施噴設備，在及時抓住病蟲害防治的窗口期實現(xiàn)高效防控、應對農村勞動力減退及勞動力成本過高等方面都顯現(xiàn)出良好的應用前景。植保無人機噴施具有精準高效、節(jié)水節(jié)藥、安全環(huán)保、復雜地形作業(yè)、不損傷作物等特點，在小麥、棉花、水稻、玉米等主要農作物病蟲草害防治及果樹飛噴授粉等方面的應用越來越廣泛。

4.1 植保無人機在小麥上的應用

赤霉病是小麥生產中最主要的病害之一，其病原物即禾谷鐮刀菌侵染麥穗時產生粉紅色膠質霉層，嚴重影響小麥產量及品質，禾谷鐮刀菌產生的真菌毒素嚴重危害人畜健康。針對赤霉病的防治，嚴格把握有效防控期并及時噴防是關鍵，采用植保無人機是防治赤霉病較為有效的措施，并適合大面積連續(xù)作業(yè)。師立娟等研究發(fā)現(xiàn)，植保無人機防治小麥赤霉病時，其病穗率以及病指防效為76.8%以及83.3%，有效降低了小麥赤霉病的發(fā)病概率并極大提高了作業(yè)效率和農藥利用率，但是不同類型的植保無人機對農藥的利用率不盡相同，單旋翼植保無人機噴霧的農藥利用率為33.1%，多旋翼植保無人機噴霧時為36.4%。運用植保無人機施藥進行機械化全程防控，對麥田早期重要雜草的防效為91.2%，對灌漿期麥蚜防效為99.58%，白粉病防效為71.79%，在施藥安全的同時防治效果明顯高于電動噴霧器作業(yè)。另外，植保無人機采用超低量噴霧，其用量較常規(guī)噴霧降低20%，每公頃藥液量僅15 kg，較電動噴霧器節(jié)水90%以上，對于缺水地區(qū)來說具有一定的生態(tài)效益。在霧滴沉積方面，植保無人機在噴霧時植株中上部霧滴沉積分布較多，對小麥穗部病蟲害防治非常有利。

4.2 植保無人機在棉花上應用

棉花是應用植保機械作業(yè)次數(shù)較多的作物，除了病蟲草害的防控，還包括化調、封頂、脫葉等作業(yè)，這些工作采用常規(guī)植保機械作業(yè)勢必造成工作效率低下、成本提升，棉花中后期植被茂密也會造成田間作業(yè)困難，影響植保質量。近年來，植保無人機逐漸應用到棉田中，其工作效率得到充分發(fā)揮，植棉全程機械化進一步得到完善，大大提升了棉花種植的現(xiàn)代化管理水平。

4.2.1 植保無人機飛噴對棉花生長的調控效應 機采棉進行化學催熟脫葉是高質量采收的重要環(huán)節(jié)，其脫葉、吐絮率大小直接影響機械采收進度和質量，由于常用脫葉劑-噻苯隆無內吸傳導作用，且對溫度敏感，因此及時施藥，保證葉片著藥量及霧滴穿透力是判定噴施效果的主要指標。張強等研究表明，植保無人機脫葉劑噴施作業(yè)效果與帶頂噴+吊噴+高壓螺旋風包的大型自走式噴桿噴霧機作業(yè)效果相當，優(yōu)于只帶頂噴的大型自走式噴桿噴霧機;胡紅巖等對無人機噴施下不同冠層霧滴沉積率的調查結果表明，植保無人機噴施棉花脫葉劑霧滴沉積率遠小于大型自走式施藥機械，但植保無人機的霧化效果更好，霧滴粒徑較小（42 ～464 μm）且均勻，附著性好，而地面大型施藥機械的霧滴粒徑較大（240～3 026 μm），在葉片表面較難附著，易造成藥液流失。在新疆，棉花種植的密度較大，植保無人機施噴不利于藥液在作物群體內部沉降，需要二次施藥，但相較于大型自走式藥械產生的損傷、損失及人工的成本，植保無人機成本仍相對較低。

棉田噴施縮節(jié)胺是控制株型、抑制營養(yǎng)生長、促進蕾鈴生長、增強抗性的一種有效措施，是新疆棉田“矮密早”種植策略下防止棉株旺長、平衡群個體生長矛盾的關鍵技術?？s節(jié)胺化調一般進行3～8次，人工或地面機械噴施效率低、成本高，且易造成棉株機械損傷和蕾鈴碰落現(xiàn)象，采用無人機作業(yè)能顯著提高工作效率，作業(yè)質量也能得到較好保證。趙靜等人研究證明，植保無人機噴施縮節(jié)胺5天、10天、14天后能夠有效抑制棉花的株高，抑制率分別為7.26%、15.81%和21.17%，且使用高濃度縮節(jié)胺未發(fā)現(xiàn)棉花生長異常、葉片黃化、葉片穿孔、落花落鈴等藥害現(xiàn)象，在成鈴率和產量上相較常規(guī)噴霧均有顯著提高。但也有人研究發(fā)現(xiàn)，打頂前后用無人機噴施縮節(jié)胺化調對棉花生殖生長的促進能力較機車稍弱，吐絮期推遲，籽棉下降2.9%，部分品質指標有所降低，但其差異均未達顯著水平。使用無人機化調可以提高工作效率，植棉效益較機車化調減少9.8%。

4.2.2 植保無人機飛噴對棉花病蟲害的防治效果 紅蜘蛛、蚜蟲、棉鈴蟲和棉盲蝽及枯萎病、黃萎病等是棉田常發(fā)病蟲害，采取田間藥劑噴霧是較有效的防治方法。開展植保無人機飛防作業(yè)，只要保證霧滴沉積的均勻性和控制有效噴幅范圍內的霧滴飄移，即可達到較好的噴霧效果。趙冰梅等試驗表明，采用多旋翼無人機低空噴灑50%的氟啶蟲胺腈水分散粒劑對棉蚜具有較好的防治效果，無人機在飛行過程中，螺旋槳產生的下壓氣流有助于噴施的藥液穿透棉花中部、下部且翻轉棉花葉片，使棉花不同冠層的大部分葉片都能著藥。王果等、焦雨軒等對比噴桿噴霧機、噴槍、植保無人機噴霧防治蚜蟲的效果發(fā)現(xiàn)，植保無人飛機在水敏紙上的霧滴沉積分布整體好于其它兩種植保機械，各植保機械施藥后第10天對棉蚜的防效沒有顯著性差異，而植保無人飛機比其它兩種植保機械節(jié)省60倍的水量和藥液 。

4.3 植保無人機在水稻上的應用

水稻病蟲害種類較多，防治不利將嚴重影響產量與品質，由于稻田多數(shù)時間處于淹灌狀態(tài)，不利于地面人工和機械噴藥作業(yè)，因此采用植保無人機施藥成為當前著力推廣的先進植保技術。關于植保無人機稻田飛噴的防治效果人們做了較多研究，唐中興等發(fā)現(xiàn)，植保無人機在防治水稻二化螟、稻飛虱等蟲害時比人工噴霧處理具有更好的防治效果。蒲頗等試驗發(fā)現(xiàn)，植保無人機飛防處理對水稻二化螟和水稻紋枯病的防治效果分別為85.8%～93.1%、89.7%～94.7%，與傳統(tǒng)地面施藥防效差別不大，但其用藥量減少、作業(yè)效率提高，是較可靠的防治方式。植保無人機不僅對水稻病蟲害防治有較為明顯的效果，在田間雜草防除效果也較為突出。張顧旭等研究表明，用40%氰氟草酯OD防治稻田禾本科雜草，植保無人機施藥1.8 L/hm2的防效與使用擔架式噴霧機用藥2.25～3.0 L/hm2的防效相當，且植保無人機較常規(guī)施藥機械減少用水量96.7%，可見，植保無人機施藥具有明顯的減藥、節(jié)水、高效的特點。

4.4 植保無人機在玉米上的應用

玉米螟、黏蟲、蚜蟲、大小葉斑病、銹病等是玉米常見的病蟲害。研究發(fā)現(xiàn)，植保無人機用于玉米苗期和灌漿期的病蟲害防治均能達到理想的效果，苗期害蟲防效可達85%，灌漿期害蟲防效達65%，均與常規(guī)機械施藥效果相當，并可提高玉米產量9.04%。玉米中后期個體高大，地面機械作業(yè)不便，若遇雨后田間泥濘，大型植保機械也無法作業(yè)，而植保無人機可彌補這一情況，發(fā)揮其優(yōu)勢，及時進行作業(yè)。玉米螟是玉米主要害蟲，在喇叭口期危害較重，此時玉米群體長勢強、覆蓋度大，不適合地面行走施藥，運用植保無人機噴霧可成為較好選擇，藥后蟲口減退率為77.8%～89.5%，防治效果達85.8%～93.3%，并且無人機飛行高度在距離冠層頂部1.0 m時，蟲口減退率、噴霧穿透性、防治效果均顯著高于人工噴霧。植保無人機在操作便捷的同時可以精準施藥，在飛行過程中產生的向下氣流，可以將藥物均勻噴灑在葉片的正反面，促進藥物穿透性的增強，達到理想的防治效果。植保無人機對玉米田間化學除草也有較好的效果，劉光芳等研究發(fā)現(xiàn)無人機羽翼旋轉形成的氣流能夠使藥物增加穿透力，提高附著力并且加大附著面積，利于藥劑吸收，其防治效果較傳統(tǒng)方法提高了15%～25%。馬唐、牛筋草和馬齒莧為玉米田間常見雜草，植保無人機在施藥3天后，雜草出現(xiàn)顯著的藥害現(xiàn)象，28天后田間雜草防治效果達到最大。

4.5 植保無人機在果樹授粉上的應用

香梨是南疆重要的果樹，其開花一般集中在4月上旬至中旬，此期若授粉不及時或授粉不佳，將嚴重影響香梨的產量和品質，傳統(tǒng)生產中常以合理配置授粉樹、花期通過自然授粉來實現(xiàn)有效坐果，但香梨花期常遭遇沙塵暴、蜜蜂授粉加重病蟲害的傳播、自然授粉效果不理想，在花期人工抖動授粉會面臨勞動力短缺、作業(yè)效率低等問題，采用無人機授粉不僅能夠節(jié)約勞動力，提高授粉效率，還能有效減少病蟲害的發(fā)生，是香梨產業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展中必不可少的技術之一。羊堅等研究表明，植保無人機從樹冠上方噴灑的花粉液可以均勻沉降到整棵樹的花序上，既解決人力授粉不均勻的問題，還顯著提高花序的坐果率，花序坐果率達到80%左右，遠高于人工蘸粉、人工抖粉的40%左右。另外，無人機授粉工作幾乎不受地形和樹體高度的限制，能夠實現(xiàn)對指定地塊不同部位（樹葉、樹枝、樹干等）的精準作業(yè)，適合大面積推廣應用。

5 植保無人機在應用中存在的問題及今后發(fā)展方向

隨著農村人口不斷老齡化，農業(yè)勞動力逐漸短缺，規(guī)?；?、智能化、機械化勢必成為未來農業(yè)發(fā)展的趨勢，植保無人機作為高效自動化、低人工勞動力、安全性能高、節(jié)省資源、集約且智能化等優(yōu)點集于一身的現(xiàn)代化農業(yè)設施，在實際生產中逐步得到應用。另外，植保無人機在農情監(jiān)測、信息采集等方面具有較突出的優(yōu)勢，在農業(yè)信息診斷、智能決策與智慧管理等方面具有重要的應用價值，但植保無人機畢竟發(fā)展時間短，在實際應用中仍存在較多問題。第一，植保無人機品牌種類繁多，價格相對昂貴，并且缺少相應的行業(yè)標準進行監(jiān)督;第二，植保無人機在使用過程中，對使用人的操作水平有較高的要求，以便完成對農田精準施噴、信息監(jiān)測等工作;第三，植保無人機的長時間連續(xù)作業(yè)受到電池續(xù)航能力的制約;第四，現(xiàn)階段我國仍有很多地區(qū)GPS基站建設密度不夠，進而導致GPS差分技術的實施出現(xiàn)較大的誤差，從而直接影響農田作業(yè)質量;第五，目前我國植保無人機在噴頭霧化技術上仍與歐美國家有較大差距，需進一步改進。

當前，我國正處在經濟轉型和產業(yè)轉型的關鍵階段，現(xiàn)代農業(yè)必將取代傳統(tǒng)農業(yè)而逐漸進入到現(xiàn)代化、精準化和智能化的發(fā)展時代，對無人機的性能要求會越來越高，因此在充分利用和發(fā)展無人機應用技術的同時，應該重點解決以下問題：第一，進一步優(yōu)化噴施裝置設計;第二，解決植保無人機在航路規(guī)劃、續(xù)航能力、無人機簡化操作方式等問題;第三，完善與農用航空器相關的法律法規(guī)、農業(yè)補貼政策等;第四，進一步研發(fā)適于植保無人機噴施的農藥、助劑及信息采集設備，擴大無人機應用范圍。植保無人機在農業(yè)作業(yè)中具有巨大的經濟效益和潛在應用價值，我們應借助國外成功的經驗，并且經過我國科研人員不斷創(chuàng)新和改良，才能促進植保無人機廣泛應用，實現(xiàn)高效、精準、環(huán)保、智能化的現(xiàn)代農業(yè)。

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Research Progress of Plant Protection UAV in Crop Production

XING Zhi， WANG Jichuan*， LIN Ao， WAN Ya'nan， LI Wenjun

（College of agriculture， Tarim University， Alar Xinjiang， 843300，China）

Abstract： Plant protection UAV operation has the characteristics of safety and efficiency， water and medicine saving， wide adaptability and good spraying effect. It has been widely used in agricultural production. This paper expounds the application status， types and working principle， operation scope， application effect， existing problems and development direction of plant protection UAV， summarizes the research progress of plant protection UAV in crop application， and puts forward the development trend， advantages and disadvantages and application prospect of plant protection UAV in China， so as to provide help for further research and development of plant protection UAV related products and expanding its application scope.

Key words： plant protection UAV; crop; production; research progress