雜交水稻制種工作中無人機(jī)技術(shù)的應(yīng)用策略

徐國娥，黃建良

（南城縣建昌鎮(zhèn)便民服務(wù)中心，江西 南城 344700）

傳統(tǒng)雜交水稻制種屬于勞動(dòng)密集型的行業(yè)，由于工藝復(fù)雜，且機(jī)械化程度較低，雜交水稻制種生產(chǎn)成本居高不下。集成化、一體化、機(jī)械化是我國雜交水稻制種優(yōu)化的必然趨勢，將現(xiàn)代化機(jī)械技術(shù)運(yùn)用到水稻種子生產(chǎn)中是我國現(xiàn)代種業(yè)發(fā)展的必然需求，而無人機(jī)的應(yīng)用也是大勢所趨。

1 無人機(jī)遙感技術(shù)在水稻田間監(jiān)測上的研究

基于無人機(jī)廣泛運(yùn)用的背景，其遙感技術(shù)也日益精進(jìn)，加以高光譜成像儀的輔助應(yīng)用，現(xiàn)階段已可以用無人機(jī)采集雜交水稻生長的圖像數(shù)據(jù)，通過光譜檢測、大數(shù)據(jù)分析構(gòu)建數(shù)據(jù)庫，而后構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，現(xiàn)階段已經(jīng)完成了對水稻栽培面積的估算、水稻長勢檢測、病蟲草害檢測、倒伏狀況檢測、產(chǎn)量預(yù)估等[1]。無人機(jī)遙感技術(shù)既有地面遙感的高靈敏度、方便性，同時(shí)也具備了衛(wèi)星遙感速率大、覆蓋面大等優(yōu)點(diǎn)，但由于各類無人駕駛飛行器具有的優(yōu)缺點(diǎn)不盡相同，在實(shí)際選擇使用過程中要遵循因地制宜原則，具體優(yōu)劣勢如表1 所示。由于生物發(fā)育階段的變化以及生長環(huán)境的差異，雜交水稻的結(jié)構(gòu)與組成表現(xiàn)出來的光譜性質(zhì)會(huì)改變，通過人工檢測與遙感數(shù)據(jù)相結(jié)合，可以進(jìn)一步提高檢測的精度[2-3]。

表2 無人機(jī)對不同母本噴施“920”的效果

2 水稻無人機(jī)直播技術(shù)

現(xiàn)階段雜交水稻飛播技術(shù)主要使用多旋翼的無人駕駛飛行器。多旋翼的無人駕駛飛行器主要依托于電力進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，經(jīng)濟(jì)成本低，操作簡便，安全性高，且易于后期的運(yùn)維。無人機(jī)撒播裝置可分為離心式和氣力式。其中大疆創(chuàng)新于2017 年推出的MG 無人機(jī)播撒系統(tǒng)采用的就是離心式播撒裝置，彭東星等[4-5]研制和改進(jìn)的離心式播撒設(shè)備，利用發(fā)電機(jī)調(diào)節(jié)物料流動(dòng)速度，使出料口的流速可按需分配。但離心式撒播的水稻種子落地區(qū)呈圓弧形或環(huán)狀，鑲嵌得不牢固，撒播地不平整，容易出現(xiàn)重播和漏播等問題。宋燦燦等[6]使用六旋翼無人機(jī)搭載氣力式撒播系統(tǒng)，通過氣流吹送雜交水稻種子，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了氣排量根據(jù)無人機(jī)前進(jìn)速度的不同而調(diào)整，大大增強(qiáng)了無人駕駛航空撒播時(shí)操作的平穩(wěn)度[7]。我國的無人機(jī)直播技術(shù)尚在起步階段，各種研究體系尚未健全，研究對象以雜交稻F1 代和普通水稻種子為主，鮮有學(xué)者在水稻不育系種子的無人機(jī)直播技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行深入的研究與探索[7]。

3 水稻無人機(jī)植保技術(shù)

自中國自主研發(fā)的“Z-3N”智能型農(nóng)用植保機(jī)問世后，陸續(xù)出現(xiàn)了極飛、天途等無人機(jī)品牌，已經(jīng)標(biāo)識(shí)植保無人機(jī)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的多維度應(yīng)用，并形成了現(xiàn)代技術(shù)管理體系。技術(shù)管理體系的形成不僅提高了植保無人機(jī)的作業(yè)效率和質(zhì)量，還推動(dòng)了農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)銷一體化發(fā)展。噴頭設(shè)置方面，根據(jù)不同作物和病蟲害情況，可以選擇不同類型和規(guī)格的噴頭，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)噴灑和藥劑覆蓋。配套藥物的開發(fā)和應(yīng)用也得到了重視。農(nóng)業(yè)專家針對各類作物和害蟲病蟲害開展了專門的藥物篩選和配方優(yōu)化研究，確保農(nóng)藥的適用性和安全性。在植保無人機(jī)的飛防助劑方面，一些抗氧化劑、濕潤劑和增黏劑等，可以有效提高農(nóng)藥在植物表面的附著性和滲透性，推動(dòng)了產(chǎn)銷一體化的農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)價(jià)值鏈形成。開展施藥工作的無人機(jī)主要采用無人機(jī)螺旋折疊機(jī)翼，，其螺旋機(jī)翼轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)形成向下的氣流，推動(dòng)藥物與雜交水稻葉子對接，同時(shí)氣流也使雜交水稻的葉子搖擺，從而提高葉子與藥物的接觸幾率，提高了施藥效率[8]。

3.1 病蟲害防治作業(yè)

3.1.1 返青期

返青期以錯(cuò)期播栽、分期插秧為主，待全部移植完成后的7 ～10 天左右，完成初始階段的第一次噴藥。該時(shí)期病蟲害的防治重點(diǎn)對象為二化螟、稻飛虱等。返青期的雜交水稻苗矮小、密度小、田間分布較稀疏時(shí)，可選擇小型噴頭，在具體實(shí)施中霧化效果好，但穿透力較弱，因此可根據(jù)情況減少用水量，無人機(jī)飛行高度應(yīng)距離雜交水稻2米左右，噴幅應(yīng)維持在4 ～4.5 米，并在噴施過程中保證噴得均勻，無人機(jī)駕駛的速度應(yīng)維持在每秒8 ～10 米。

3.1.2 分蘗期

該時(shí)期的重點(diǎn)防治對象和藥物類型，與返青時(shí)期基本相同。應(yīng)根據(jù)農(nóng)藝特點(diǎn)，重視肥水管理，以保證水稻長勢良好。此階段水稻植株高度急劇增長，用水量也可以適當(dāng)加大，飛防作業(yè)飛機(jī)高度盡可能超過雜交水稻1.5 米左右，并選擇中小型噴嘴，此類噴頭穿透力較好，可確保殺蟲劑對作物的有效滲透，最大飛行速度為每秒6 ～8 米，噴幅應(yīng)維持在3.5 ～4 米左右，注意保持適中的高度，飛行速度以保證殺蟲劑的有效穿透力為宜。

3.1.3 孕穗期

該時(shí)期的防治重點(diǎn)為稻飛虱、稻曲病、紋枯病等，要重點(diǎn)關(guān)注稻飛虱和紋枯病的防治。因?yàn)樵兴肫诘碾s交水稻生長茂密，風(fēng)場穿透能力不如其他時(shí)期，并要注意在該時(shí)期的無人機(jī)的用水量要保持在1200 毫升以上，駕駛速度要保持在每秒5 米，無人機(jī)飛行高度應(yīng)距離雜交水稻2 ～2.5米，選擇中型噴頭，中型噴頭可以滿足較大范圍的農(nóng)田作業(yè)需求，并且能夠?qū)崿F(xiàn)噴幅控制和施藥量的精確調(diào)節(jié)。無人機(jī)飛行的駕駛速度也應(yīng)維持在每秒5 米，這樣可以保證噴灑均勻和作業(yè)效率的最佳平衡。最后，噴幅應(yīng)維持在3.5米左右，可以保證農(nóng)藥的有效覆蓋范圍，提高植保效果。遵循這些操作要求和參數(shù)設(shè)定，可以確保植保無人機(jī)作業(yè)的效果和質(zhì)量，有助于減少浪費(fèi)和環(huán)境負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)植保無人機(jī)的高效、精準(zhǔn)和可持續(xù)發(fā)展。

3.1.4 揚(yáng)花期

該時(shí)期的防治重點(diǎn)為三化螟、稻曲病、稻瘟病。無人機(jī)飛行的速度應(yīng)維持在4 ～5 米每秒，無人機(jī)飛行高度應(yīng)距離雜交水稻2.5 米以上，選擇大中型噴頭，并保證無人機(jī)的平穩(wěn)駕駛與操作，不能在開展噴施工作的稻田上方進(jìn)行停留，避免無人機(jī)螺旋槳的風(fēng)力將雜交水稻的葉稈吹折，盡量減少因操作不當(dāng)造成的損失。

3.2 葉面噴肥作業(yè)

3.2.1 時(shí)段

在實(shí)際制種過程中主要依靠赤霉素開展葉面噴肥作業(yè)。一般要保持在25℃以上的溫度環(huán)境下進(jìn)行，并分為兩次作業(yè)。第一次可在10%的雜交水稻抽穗時(shí)開展作業(yè)，隔日再開展第二次作業(yè)。其中粉劑需要用乙醇溶液溶解再進(jìn)行稀釋處理。

3.2.2 要求

具體要求與雜交水稻揚(yáng)花期的作業(yè)一樣。

3.3 注意事項(xiàng)

3.3.1 持證上崗

相關(guān)操作者應(yīng)通過系統(tǒng)的培訓(xùn)并獲得操作許可證，方能開展作業(yè)。

3.3.2 做好準(zhǔn)備工作

為了有效保證工作開展的安全性，在作業(yè)前應(yīng)做好準(zhǔn)備工作。首先，對作業(yè)田塊進(jìn)行實(shí)地考察，明晰田塊周圍的地質(zhì)環(huán)境，科學(xué)規(guī)劃路徑；其次，預(yù)先充分準(zhǔn)備防護(hù)用品、藥劑；再次，對作業(yè)地區(qū)的天氣進(jìn)行評測；最后，確定無人機(jī)作業(yè)技術(shù)參數(shù)，定期對無人機(jī)進(jìn)行檢查與維修。

3.3.3 嚴(yán)格遵守操作規(guī)范

相關(guān)操作者應(yīng)當(dāng)遵守作業(yè)守則，應(yīng)當(dāng)遵守?zé)o人機(jī)制造公司的工作提示和技術(shù)操作規(guī)程，進(jìn)行正常作業(yè)。在操作無人機(jī)時(shí)應(yīng)時(shí)刻監(jiān)控其是否在相關(guān)操作者的可視區(qū)域內(nèi)，高空作業(yè)中不得單獨(dú)一人操作，最好以兩人為一組進(jìn)行操作，以防在出現(xiàn)意外事故后延誤救援進(jìn)度。相關(guān)操作者在高空作業(yè)中要站立在上風(fēng)位置，不得逆風(fēng)操作[9]。

4 無人機(jī)噴施“920”技術(shù)

4.1 不同母本

在實(shí)際噴施工作開展中，不育系對“920”的敏感程度不一，導(dǎo)致其制種生長狀況不一。

4.2 不同播種方式

在實(shí)際噴施作業(yè)中，不同的播種方式會(huì)導(dǎo)致不育系水稻的生長情況不同，抽穗特性也因此產(chǎn)生差別，對“920”噴施效果的影響也大相徑庭。機(jī)插作業(yè)下，雜交水稻的生育期長，且分蘗速度快，成穗率較低，抽穗不整齊；無人機(jī)直播的母本在新生后期生育期較短，，莖稈細(xì)長，成穗率較低，花期長短整齊而集中[10]。在噴施作業(yè)中，對“920”敏感的不育系機(jī)直播效果好，對“920”鈍感的不育系機(jī)插效果好。飛播飛噴作業(yè)開展的效果并不顯著，主要因?yàn)闊o人機(jī)飛播技術(shù)尚待進(jìn)一步優(yōu)化，難以避免雜交水稻播種不勻的情況出現(xiàn)，致使諸多單株生長發(fā)育情況不一，在水稻基數(shù)大的區(qū)域內(nèi)主穗較多，而在水稻基數(shù)小的區(qū)域分蘗穗多[11]。

4.3 用藥量

在實(shí)際使用中，低濃度噴施作業(yè)的溶液容量體積大，霧滴大，而且與遺撒到土壤上的比很大，效果也較差，并且，植物莖葉對“920”的營養(yǎng)，在較高濃度的情況下吸收效果也較好。敬樹忠等[12]利用了百分之三的GAs 乳油進(jìn)行化學(xué)標(biāo)記，并對無人機(jī)和人工作業(yè)中噴灑使用的化學(xué)藥劑容量加以研究，研究表明無人機(jī)作業(yè)時(shí)，噴灑“920”濃度240 g/hm2的效益可達(dá)到人工作業(yè)噴灑濃度300 g/hm2的效益。

4.4 種子質(zhì)量和結(jié)實(shí)率

在開展“920”噴施作業(yè)中，無人機(jī)的作業(yè)效率較高，優(yōu)于人工作業(yè)，且后期制種結(jié)實(shí)率高，穗發(fā)芽率低，但二者的應(yīng)用差異并不顯著，說明借助無人機(jī)開展噴施作業(yè)能有效提高結(jié)實(shí)率，但不會(huì)影響雜交水稻田間種子的質(zhì)量。除此之外，基于無人機(jī)開展的噴施作業(yè)并不影響種子的抗老化性能，能有效保障雜交水稻種子的耐貯性能。

5 無人機(jī)輔助授粉技術(shù)

李繼宇等[13]將無人機(jī)的風(fēng)力進(jìn)行了劃分，將其分為X向、Y 向和Z 向三個(gè)方向。其中，X 向是指水平且平行于無人機(jī)駕駛方向的風(fēng)力；Y 向是指水平且垂直于無人機(jī)駕駛方向的風(fēng)力；Z 向是指垂直于無人機(jī)駕駛地面的風(fēng)力。這樣的劃分有助于理解無人機(jī)在授粉過程中的風(fēng)力變化及其對花粉的影響。根據(jù)研究者的觀察，無人機(jī)風(fēng)場將花粉受力方向分成了兩類。一類是直接將風(fēng)能吹到花粉粒子上，通過Y 向的風(fēng)力將雜交水稻花穗的花粉吹起。另一類是作用于雜交水稻的莖稈和葉子等部位，通過振落和反彈作用將花粉散落，然后利用Y 向的風(fēng)力將雜交水稻花穗的花粉吹起。因此，可以看出X 向、Y 向和Z 向的風(fēng)力都對雜交水稻的花粉產(chǎn)生作用，但其中Y 向的作用最為顯著。劉愛民等[14]在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在自然風(fēng)力小于4 級(jí)的條件下，無人機(jī)輔助授粉的適用性極高。每天進(jìn)行2 ～3 次的無人機(jī)輔助授粉，可以覆蓋約4 ～5 公頃的作業(yè)面積。在地形復(fù)雜的山區(qū)環(huán)境下，利用無人機(jī)輔助授粉的結(jié)實(shí)率和產(chǎn)量可以達(dá)到甚至超過人工輔助授粉的結(jié)實(shí)率和產(chǎn)量，進(jìn)而滿足新時(shí)代雜交水稻制種全程機(jī)械化的指標(biāo)。這一結(jié)果表明，無人機(jī)輔助授粉技術(shù)在自然風(fēng)力較小的條件下具有顯著的適用性，并且能夠覆蓋大面積的授粉作業(yè)。這為新時(shí)代雜交水稻制種全程機(jī)械化提供了可行性和可靠性的技術(shù)支持，有望進(jìn)一步推動(dòng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的高效、智能化發(fā)展。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的積累，無人機(jī)輔助授粉將在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用。

6 結(jié)語

綜上所述，無人機(jī)作為新型現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的機(jī)具，已成為推動(dòng)水稻制種產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的量化指標(biāo)。各類農(nóng)機(jī)推廣組織應(yīng)順應(yīng)社會(huì)發(fā)展趨勢，培育壯大完善一支專業(yè)化的農(nóng)業(yè)“飛控”隊(duì)伍，重點(diǎn)抓好專業(yè)人才培訓(xùn)體系建設(shè)、一體化營銷體系構(gòu)建，為促進(jìn)鄉(xiāng)村振興和農(nóng)業(yè)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)高速增長，奠定科技裝備和能力的基礎(chǔ)。