我國(guó)植保無(wú)人機(jī)的應(yīng)用與發(fā)展

袁玲花

（上海海豐現(xiàn)代農(nóng)業(yè)有限公司，鹽城 224153）

植保工作是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)。近年來(lái)，由于農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力的不斷減少，且隨著高效農(nóng)業(yè)的推進(jìn)和智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展，植保工作的機(jī)械化、智能化水平得到了進(jìn)一步提高，尤其是具備效率高、安全性好、適用性廣、日常維護(hù)簡(jiǎn)便等優(yōu)勢(shì)的植保無(wú)人機(jī)，受到了越來(lái)越多種植戶的喜愛(ài)[1-3]。但是，植保無(wú)人機(jī)在其應(yīng)用和發(fā)展過(guò)程中普遍存在載藥量較少、續(xù)航能力相對(duì)傳統(tǒng)機(jī)械差等問(wèn)題。在此背景下，現(xiàn)筆者擬從農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的角度，對(duì)我國(guó)植保無(wú)人機(jī)的發(fā)展歷史、分布與應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行介紹，并在此基礎(chǔ)上，對(duì)如何提高植保無(wú)人機(jī)的施藥技術(shù)水平進(jìn)行分析和探索，以期推動(dòng)我國(guó)航空植保產(chǎn)業(yè)又快又好的發(fā)展。

1 我國(guó)植保無(wú)人機(jī)的發(fā)展歷史

據(jù)統(tǒng)計(jì)，農(nóng)用航空植保作業(yè)飛機(jī)可分為固定翼飛機(jī)和旋翼飛機(jī)，根據(jù)操縱方式可分為有人駕駛飛機(jī)和無(wú)人駕駛飛機(jī)（簡(jiǎn)稱無(wú)人機(jī)）。其中，無(wú)人機(jī)根據(jù)其動(dòng)力系統(tǒng)又分為燃油動(dòng)力植保無(wú)人機(jī)和電池動(dòng)力植保無(wú)人機(jī)[4]。多年來(lái)，世界各國(guó)都根據(jù)自身國(guó)情，選用了適用于本國(guó)的植保無(wú)人機(jī)。

1951年，我國(guó)在東北地區(qū)的大面積農(nóng)場(chǎng)進(jìn)行了第1次飛行器植保作業(yè)，這是因?yàn)闁|北地區(qū)河流較少、土地平整，適合采用航空植保飛機(jī)進(jìn)行大面積作業(yè)，這也是20世紀(jì)全國(guó)航空植保產(chǎn)業(yè)發(fā)展緩慢，而東北地區(qū)航空植保產(chǎn)業(yè)發(fā)展相對(duì)較快的原因[5]。2006年，在第1次中日南京航空植保研討會(huì)后，我國(guó)提出了無(wú)人機(jī)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的目標(biāo)，并于2010年正式拉開(kāi)了我國(guó)植保無(wú)人機(jī)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的序幕[6]。2014年，中央一號(hào)文件提出，要促進(jìn)生態(tài)友好型農(nóng)業(yè)發(fā)展，加強(qiáng)農(nóng)用航空建設(shè)。2015年，國(guó)家農(nóng)業(yè)農(nóng)村部制定了《到2020年農(nóng)藥使用量零增長(zhǎng)行動(dòng)方案》，提出要大力推進(jìn)農(nóng)藥減量控害，探索產(chǎn)出高效、產(chǎn)品安全、資源節(jié)約、環(huán)境友好的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展之路[7]。其后，研發(fā)了更適用于南方地區(qū)小地塊、高稈作物、雨后、復(fù)雜地形作業(yè)的小型植保無(wú)人（直升）機(jī)，開(kāi)始了植保無(wú)人機(jī)的大量應(yīng)用和高速發(fā)展。

2 我國(guó)植保無(wú)人機(jī)的分布與應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，植保無(wú)人機(jī)在我國(guó)各地的分布與應(yīng)用現(xiàn)狀主要表現(xiàn)為：在黑龍江、新疆等地區(qū)，因地塊平整，植保無(wú)人機(jī)的應(yīng)用規(guī)模較大；在山東、河南、安徽、江西、湖南、湖北等地區(qū)，因土地集中度低、單位地塊規(guī)模小等，飛防作業(yè)的應(yīng)用比例相對(duì)較低；在云南、貴州、四川、重慶、廣西等地區(qū)，受限于地形、單塊耕地面積等，飛防作業(yè)的應(yīng)用不多[8]。

目前，在我國(guó)植保無(wú)人機(jī)除了在植保領(lǐng)域有所應(yīng)用外，在棉花、水稻、麥、油菜、茶葉、煙草、果樹(shù)等作物生產(chǎn)中的應(yīng)用范圍也越來(lái)越廣。例如，用植保無(wú)人機(jī)進(jìn)行水稻撒肥與撒種、棉花脫落劑施用、油菜籽播撒、草原草種子播撒、魚(yú)蝦塘飼料投撒、果樹(shù)肥藥噴灑等[9]。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2018年，我國(guó)植保無(wú)人機(jī)保有量達(dá)3.15萬(wàn)架，年作業(yè)面積突破2×107hm2[6]。2019年，我國(guó)植保無(wú)人機(jī)保有量達(dá)5萬(wàn)架，年作業(yè)面積達(dá)3×107hm2。2020年，我國(guó)植保無(wú)人機(jī)的年銷售量達(dá)6萬(wàn)架，植保無(wú)人機(jī)保有量達(dá)11萬(wàn)架左右，年作業(yè)面積突破6.67×107hm2[9-10]。同時(shí)，我國(guó)現(xiàn)有植保無(wú)人機(jī)研發(fā)和組裝的生產(chǎn)企業(yè)達(dá)300多家，龍頭企業(yè)有10余家，產(chǎn)品覆蓋單旋翼、多旋翼和油動(dòng)、電動(dòng)等多個(gè)品種[8]。目前，我國(guó)市場(chǎng)知名度較高的植保無(wú)人機(jī)品牌有“大疆”“極飛”等。隨著植保無(wú)人機(jī)的進(jìn)一步推廣應(yīng)用，植保無(wú)人機(jī)已逐漸成為我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不可或缺的一部分。

3 關(guān)于提高植保無(wú)人機(jī)施藥技術(shù)水平的分析與探索

植保無(wú)人機(jī)飛防作業(yè)離不開(kāi)植保無(wú)人機(jī)和“飛手”，且飛防效果除受植保無(wú)人機(jī)和“飛手”的影響外，還受飛防參數(shù)（飛防參數(shù)對(duì)植保無(wú)人機(jī)飛防效果的影響程度表現(xiàn)為速度>高度>霧滴粒徑>旋翼風(fēng)>噴施角度[11]）、藥劑理化特性、靶標(biāo)對(duì)象以及環(huán)境因素等的影響。因此，如何提高植保無(wú)人機(jī)施藥技術(shù)水平，可主要從“飛手”、飛防藥劑、植保無(wú)人機(jī)硬件設(shè)備三個(gè)方面進(jìn)行分析與探索。

3.1 提高“飛手”的綜合素質(zhì)

由于“飛手”具有一定的準(zhǔn)入門檻，且須具有嫻熟的植保無(wú)人機(jī)飛行技能和相對(duì)扎實(shí)的植保知識(shí)，然而，目前在我國(guó)年齡較大的“飛手”的植保無(wú)人機(jī)飛行技能相對(duì)較差，年齡較小的“飛手”的植保知識(shí)又相對(duì)有所欠缺，故我國(guó)植保無(wú)人機(jī)“飛手”主要以80后、90后為主，且“飛手”的數(shù)量缺口達(dá)20萬(wàn)人左右[12]。針對(duì)“飛手”短缺的問(wèn)題，建議相關(guān)部門或企業(yè)與職業(yè)院校建立聯(lián)系，專業(yè)、系統(tǒng)地培養(yǎng)植保無(wú)人機(jī)“飛手”，使其掌握飛防的各項(xiàng)技能和專業(yè)知識(shí)（例如，讓“飛手”在熟練操作植保無(wú)人機(jī)的基礎(chǔ)上，對(duì)相關(guān)農(nóng)作物的植保知識(shí)進(jìn)行學(xué)習(xí)），這樣既解決了“飛手”數(shù)量缺乏的問(wèn)題，也解決了“飛手”綜合素質(zhì)低的問(wèn)題，更能在一定程度上提高飛防作業(yè)的具體效果。

3.2 研發(fā)飛防藥劑

不同于傳統(tǒng)機(jī)械施藥的高水量、低濃度，植保無(wú)人機(jī)飛防施藥為低水量、高濃度，且很多飛防作業(yè)中應(yīng)用的藥劑若采用傳統(tǒng)機(jī)械進(jìn)行施藥，極易造成藥害，這不利于提高農(nóng)藥利用率。因此，飛防施藥同傳統(tǒng)機(jī)械施藥在適用藥劑選擇上存在一定的差距。然而，目前我國(guó)飛防專用藥劑短缺[7]，市場(chǎng)上大部分藥劑是按傳統(tǒng)機(jī)械的施藥標(biāo)準(zhǔn)（用水量大、用藥濃度低）進(jìn)行制藥的；同時(shí)，我國(guó)目前大多飛防作業(yè)的用水量少，而其藥劑用量通常是采用傳統(tǒng)機(jī)械的藥劑用量，且其施用藥劑多為粉劑或是利用多種農(nóng)藥復(fù)配而成，極易產(chǎn)生沉淀，在飛防施藥過(guò)程中造成噴頭堵塞，再加上受特定風(fēng)場(chǎng)的影響，飛防施藥過(guò)程中霧滴易蒸發(fā)或漂移，這些均在一定程度上影響了飛防的施藥效果。因此，亟需系統(tǒng)研發(fā)能有效減輕霧滴蒸發(fā)、漂移，且符合飛防作業(yè)特點(diǎn)（低濃度、水劑、不易沉淀）的藥劑，以提高植保無(wú)人機(jī)施藥技術(shù)水平。

3.3 提高植保無(wú)人機(jī)硬件設(shè)備的研發(fā)水平

3.3.1 電 池

相對(duì)于燃油動(dòng)力植保無(wú)人機(jī)，電動(dòng)植保無(wú)人機(jī)具有成本更低、維護(hù)更方便、使用壽命更長(zhǎng)、“飛手”上手更容易等優(yōu)勢(shì)[13]，但其載藥量、飛行時(shí)間、作業(yè)面積等都與電池的供電能力有關(guān)，而目前市場(chǎng)上的電動(dòng)植保無(wú)人機(jī)的電池多為鋰電池，在其作業(yè)過(guò)程中，如果環(huán)境溫度過(guò)低，會(huì)導(dǎo)致其充電困難且電池容量衰減，從而影響作業(yè)效率，這也是目前市場(chǎng)上電動(dòng)植保無(wú)人機(jī)單架次的作業(yè)時(shí)間不長(zhǎng)且作業(yè)面積相對(duì)較小的原因。例如，極飛XP2020的單架次作業(yè)時(shí)間僅為8 min左右，作業(yè)面積僅約為0.67 hm2。同時(shí)，由于植保無(wú)人機(jī)的承重能力有限，使用更為輕便的電池（蓄電量大、體積小、重量輕）能有效提高植保無(wú)人機(jī)的承載空間和承載重量。因此，亟需對(duì)電動(dòng)植保無(wú)人機(jī)的電池進(jìn)行研發(fā)，從而提高飛防作業(yè)效率。目前，植保無(wú)人機(jī)的定制鋰電池在倍率性能、荷電保持能力及容量恢復(fù)性能、循環(huán)性能、熱失控等安全風(fēng)險(xiǎn)方面，已有一定的突破[14]，但距離支撐電動(dòng)植保無(wú)人機(jī)的規(guī)模化、智能化、高效化作業(yè)仍有一定的差距，還需進(jìn)一步技術(shù)突破。

3.3.2 旋翼形式

由于電動(dòng)多旋翼植保無(wú)人機(jī)具有可智能化控制、可靠性較高、“飛手”培訓(xùn)周期短、對(duì)“飛手”的操作水平要求低等特點(diǎn)，且其售價(jià)較低，農(nóng)戶更易接受，故電動(dòng)多旋翼植保無(wú)人機(jī)在我國(guó)占有較大的市場(chǎng)份額[2]。同時(shí)，雖然多旋翼植保無(wú)人機(jī)的風(fēng)場(chǎng)比單旋翼植保無(wú)人機(jī)更為紊亂，但是多旋翼植保無(wú)人機(jī)具有技術(shù)門檻低、旋翼較小、飛控系統(tǒng)相對(duì)穩(wěn)定、價(jià)格相對(duì)較低等優(yōu)勢(shì)，故近幾年國(guó)內(nèi)市場(chǎng)主推的植保無(wú)人機(jī)仍是多旋翼植保無(wú)人機(jī)[15]。此外，不同旋翼形式的植保無(wú)人機(jī)的農(nóng)藥利用率不同，例如，多旋翼植保無(wú)人機(jī)施藥噴霧3 h后的農(nóng)藥利用率（32.9%）與背負(fù)式電動(dòng)噴霧器（28.5%）相當(dāng)，低于背負(fù)式油動(dòng)噴霧器（43.8%），略高于單旋翼植保無(wú)人機(jī)（26.6%），高于自走式噴桿噴霧機(jī)（15.9%）[16]。因此，未來(lái)仍需主要對(duì)電動(dòng)多旋翼植保無(wú)人機(jī)進(jìn)行相關(guān)研發(fā)。

3.3.3 噴霧方式

植保無(wú)人機(jī)的噴霧噴嘴主要有液力霧化噴嘴、旋轉(zhuǎn)離心式霧化噴嘴、靜電霧化噴嘴3種。目前，我國(guó)市場(chǎng)上使用較多的是液力霧化噴嘴（大疆）、旋轉(zhuǎn)離心式霧化噴嘴（極飛），而靜電霧化噴嘴仍處在試驗(yàn)研究階段（美國(guó)、日本對(duì)靜電霧化噴嘴的應(yīng)用較為領(lǐng)先，2014年有文獻(xiàn)稱其已進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段[4,17]）。

液力霧化施藥方式（利用液力霧化噴嘴）是通過(guò)壓力泵對(duì)藥液施加一定的壓力，使藥液從扇形壓力噴嘴噴出，其優(yōu)勢(shì)是藥液量較大、藥液漂移量相對(duì)較少，缺點(diǎn)是藥液霧化不均勻、霧滴直徑差異相對(duì)較大、施用粉劑農(nóng)藥時(shí)噴頭易堵塞。

旋轉(zhuǎn)離心式霧化施藥方式（利用旋轉(zhuǎn)離心式霧化噴嘴）是通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)離心噴頭高速旋轉(zhuǎn)，將藥液帶出后利用離心力甩出，其優(yōu)點(diǎn)是藥液霧化相對(duì)均勻，缺點(diǎn)是噴頭配件容易出問(wèn)題，只能利用植保無(wú)人機(jī)風(fēng)場(chǎng)下壓噴霧，且藥液易產(chǎn)生漂移。

靜電霧化施藥方式（利用靜電霧化噴嘴）能利用靜電效應(yīng)，使霧滴吸附于植株隱蔽部位，從而提高霧滴吸附效果，增加霧滴在標(biāo)靶正面、背面的沉積率，能在一定程度上抑制霧滴漂移，雖然該方式較液力霧化施藥方式、旋轉(zhuǎn)離心式霧化施藥方式的農(nóng)藥利用率更高，但其成本相對(duì)前兩種施藥方式也更高[17]，再加上系統(tǒng)復(fù)雜，且對(duì)電源要求較高[18]，噴施壓力、噴嘴形態(tài)、電壓等都會(huì)對(duì)霧滴的吸附效果產(chǎn)生一定影響[19]，故目前我國(guó)市場(chǎng)上的靜電霧化植保無(wú)人機(jī)還較少。因此，靜電霧化施藥與離心霧化施藥相結(jié)合應(yīng)是今后植保無(wú)人機(jī)噴霧方式的重點(diǎn)研究方向[20]。

4 結(jié)語(yǔ)與展望

近年來(lái)，植保無(wú)人機(jī)飛防作為一種新的植保技術(shù)，以其特有的優(yōu)勢(shì)（安全、高效、適用性廣、日常維護(hù)簡(jiǎn)便等）在國(guó)內(nèi)得到了迅速推廣應(yīng)用。例如，植保無(wú)人機(jī)飛防作業(yè)對(duì)場(chǎng)地、飛行高度的要求低，不受地勢(shì)地形和作物長(zhǎng)勢(shì)的影響，在作業(yè)過(guò)程中不會(huì)接觸土壤與作物、不會(huì)破壞土壤物理結(jié)構(gòu)[4]，在作業(yè)后不會(huì)對(duì)作物造成物理傷害，且不需要清理溝系；植保無(wú)人機(jī)載重小、用藥濃度高，用較少的藥量即可達(dá)到傳統(tǒng)施藥方式的施藥效果，既符合國(guó)家“雙減”號(hào)召，又能夠節(jié)約生產(chǎn)成本。因此，隨著植保相關(guān)從業(yè)人員數(shù)量的減少、科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，植保無(wú)人機(jī)在我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的應(yīng)用必然越來(lái)越廣。

當(dāng)前實(shí)踐表明，從技術(shù)層面看，植保無(wú)人機(jī)雖然具有效率高、安全性好、適用性廣、日常維護(hù)簡(jiǎn)便等優(yōu)勢(shì)，但是也存在單塊電池續(xù)航時(shí)間短、專用飛防藥劑短缺、藥劑霧滴易漂移等缺陷，亟需提高“飛手”的綜合素質(zhì)、研發(fā)飛防藥劑、提高植保無(wú)人機(jī)硬件設(shè)備的研發(fā)水平等。從法律、規(guī)范層面看，由于我國(guó)航空植保產(chǎn)業(yè)起步晚，且行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的出臺(tái)一般都有一定的滯后性，故亟需早日完善我國(guó)航空植保的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，制定與完善植保無(wú)人機(jī)作業(yè)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，這對(duì)于促進(jìn)植保無(wú)人機(jī)的進(jìn)一步發(fā)展具有引導(dǎo)和推動(dòng)作用。例如，今后可從國(guó)家層次和行業(yè)層次制定操作規(guī)程、噴灑標(biāo)準(zhǔn)、用藥標(biāo)準(zhǔn)等方面的植保無(wú)人機(jī)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。其中，在國(guó)家層次，需完善相關(guān)航空作業(yè)法律，并將其作為行業(yè)內(nèi)航空植保作業(yè)規(guī)范制定的依據(jù)；在行業(yè)層次，在大量試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，明確相關(guān)藥劑的施用量、施用方法、注意事項(xiàng)和相關(guān)作業(yè)程序，形成相關(guān)作業(yè)規(guī)范。

隨著5G時(shí)代的到來(lái)，植保無(wú)人機(jī)智能化作業(yè)也將成為趨勢(shì)，且隨著相關(guān)硬件設(shè)備和軟件的進(jìn)一步研發(fā)，其應(yīng)用范圍也會(huì)得到進(jìn)一步拓展，未來(lái)植保無(wú)人機(jī)在遙感監(jiān)測(cè)、長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)與估產(chǎn)、畜禽監(jiān)管、播種授粉、農(nóng)業(yè)灌溉等領(lǐng)域，也將受到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。例如，“智能化”可實(shí)現(xiàn)植保無(wú)人機(jī)在同一塊地內(nèi)的智能規(guī)劃、多機(jī)協(xié)同作業(yè)，從而使作業(yè)效率大幅度提高；通過(guò)植保無(wú)人機(jī)可實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)病、蟲(chóng)、草害的及時(shí)診斷和防治，使植保防護(hù)更具針對(duì)性；通過(guò)植保無(wú)人機(jī)可實(shí)現(xiàn)對(duì)大田作物的營(yíng)養(yǎng)診斷，且診斷方式更智能、更及時(shí)；通過(guò)植保無(wú)人機(jī)可實(shí)現(xiàn)對(duì)大田水肥的“無(wú)人化”“智能化”管理等。