植保無人機在茶園的應用與發展前景

肖強，王志博，郭華偉

中國農業科學院茶葉研究所，310008

近年來，農用植保無人機在農作物植保上的應用越來越普遍。據統計，2017年全國植保無人機數量達1.4萬架，年作業面積8 200多萬畝次（1畝=666.7 m2），作業對象包括水稻、玉米、小麥、棉花、柑橘和茶葉等，并且取得了理想的防治效果，積累了防治經驗，成為作物植保器具開發應用的新方向[1]。就在這一年，出現了河南安陽百萬畝小麥的統防統治作業、新疆百萬畝辣椒脫葉劑作業、安徽泗縣30萬畝玉米與大豆統防統治和杭州萬畝次西湖龍井茶園的綠色防控等4個植保無人機田間飛防的熱點事件，使2017年成為植保無人機防治極具標志性的一年，被定義為植保飛防的元年。其中杭州萬畝次西湖龍井茶園的飛防，因無人機在丘陵地形操控難度大、對飛行器和操控手帶來巨大挑戰而倍受關注[2]。

一、植保無人機發展概況

植保無人機是隨著農業航空領域的不斷發展而發展的，由于其靈活性強、靶標明確、環境污染少、省力又省藥等優點逐漸成為該領域的主力軍。1987年，世界第一臺噴藥無人機R-50誕生于日本Yamaha公司，成為無人機植保的開端。2010年我國第一架商業農用植保無人機問世，隨后幾年無人機通過不斷演示、試用，逐步進入生產領域[3]。2017年我國農用植保無人機的保有量已超萬臺，成為全球農用植保無人機保有量第一的國家[4]。2018年，我國首個植保無人機標準《植保無人飛機質量評價技術規范》開始實施[5]。根據預測分析，2018—2026年無人機整機市場空間約300億元，植保服務每年市場空間約500億元，發展前景廣闊。

目前，植保無人機按照動力系統和旋翼結構等分成不同類型。從動力系統看，可以分為燃油動力與電池動力2種。燃油動力無人機具有載荷大、抗風、續航能力強等優點，但成本相對較高，整體維護以及操作較難；電池動力無人機具有成本低、飛行穩定、操作簡單、輕便靈活等優點，市場占有率較高，達到80%以上。按旋翼結構，無人機可分為固定翼、單旋翼和多旋翼3種類型。固定翼無人機主要應用于農田信息采集和農田遙感，具有載量大、飛行速度快、作業效率高等特點；單旋翼無人機具有抗風能力強、飛行穩定、霧化效果好、下旋氣流大、穿透力強等特點；多旋翼無人機造價相對較低、簡單易學、對飛手要求低[4,6]。

縱觀全球植保無人機發展，日本是無人機飛防發展較好的國家，現擁有登記在冊的植保無人機3 000多架，作業面積超過100萬hm2，相應地建立了比較完整的無人機培訓、保險服務、社會化服務等配套措施[3-4]。美國是農業航空應用技術最成熟的國家之一，具有農業航空相關企業2 000多家，具備完善的協會管理制度。但其農作物生產以大農場為主，因此，往往使用工效比更高的有人機進行植保作業[7]。在用飛機數量4 000架左右，年作業面積占總面積40%以上，其中水稻植保作業完全采用航空作業方式[1,3]。其商業化無人機主要用于精準遙感監測與圖像識別[4]。相比之下，我國植保無人機發展起步較晚，但發展迅速，擁有數量已經達到世界第一，不過作業面積尚不到耕地面積的3%，與農業航空較發達國家相比，仍有較大的差距，同時也說明我國未來在農業航空方面還有著廣闊的發展前景[1]。

二、植保無人機在茶園病蟲害防治中的應用

隨著茶園用勞動力的緊張和茶樹病蟲害施藥技術發展，茶園作業“機器換人”日益增加，應用植保無人機開展施藥已成為茶園植保的發展趨勢。茶園植保無人機的應用是伴隨著我國植保無人機的發展而發展的，2013年前后多款無人機在多地茶園開展演示、試用，2017年，杭州西湖龍井茶區大面積、全年的植保無人機作業開啟了茶園植保施藥技術的新紀元，2018年西湖龍井茶區更是實現了全年全域全覆蓋采用植保無人機作業防治茶園病蟲害，全年作業面積達到了8萬畝次（內部統計資料）。近2年來，茶園植保無人機不僅在浙江的杭州、安吉、余姚等地，也在貴州、福建和廣西等省不斷試用和推廣，為茶園“機器換人”提供了可實現的途徑。植保無人機能較好應用于茶園病蟲防治的田間作業，既有無人機方面的比較優勢也有茶園的適用性。

從無人機方面看，與傳統人工噴施相比，具有效率高、節水節藥、噴灑均勻等特點[8]。一般認為采用無人飛機噴灑可以節約10%～20%的農藥使用量，節約90%的用水量，其作業效率是地面機械的5倍，達到人工常規噴灑的30倍以上，可大幅度降低勞動力成本[9-10]。無人機的導航技術也在日益創新，現在可實現根據茶園生產區域跨距預先定位，規劃航線可自主接力噴霧，從而減少漏噴、重噴現象，提高施藥質量；無人機作業時還可使其與茶樹的距離縮短到2～3 m，旋翼產生的下旋氣流使藥液在茶樹中的垂直結構上穿透力更強，更有效地到達茶樹的靶標部位，以實現更高的藥效[11]。在施藥安全上，飛手可以通過遠程操控無人機，遠離施藥現場，有效減少了施藥人員受到農藥污染的機會。

從茶園及其病蟲害的發生特點看，茶樹是多年生常綠作物，常規的田間管理可以使茶園形成相對整齊的蓬面，而為害茶樹的主要害蟲茶小綠葉蟬、茶尺蠖和螨類均大多分布在蓬面[12]，無人機在茶蓬面上空噴霧，既能有效控制茶樹主要害蟲的為害，又減少了藥液的浪費，同時還保護了在茶園蓬內的天敵資源。

三、植保無人機在茶園中使用存在的主要問題

植保無人機茶園作業具有許多優點，但目前仍處在起步階段，無論對無人機性能要求還是在茶園的使用技術等，還存在需要解決的問題。

一是無人機作業續航時間短，現有的電動無人機單次飛行電池可持續時間僅為15～30 min，需要經常更換電池或充電，影響作業效率；而油動無人機單次飛行雖可超過1 h，但由于機身靈活性較差，難以適應茶園這樣復雜的山地條件。二是缺乏飛防專用藥劑，無人機噴藥濃度與人工噴藥不同，其用水量極少，藥液濃度大，如若選擇不當會出現農藥結晶結塊、堵噴頭、飄移和藥害等問題。目前，商業化的茶園飛防用藥基本空白[2,11]。

另外，茶園的立地條件和空中施藥技術也是無人機在茶園飛防作業需要考慮的另一方面問題。茶園不同于單一型的大田作物，其種植地形呈現多樣性，除較為平整的臺地茶園，更多的是分布在山地的不規則茶園，且往往還間種不同的樹木，對無人機來說飛行環境復雜、操控難度大、作業困難。同時，無人機的空中施藥作業與傳統的地面人工噴霧是有區別的，在常規作業季節，空中下壓式超低用液量、高濃度施藥對茶樹病蟲的防治效果和茶葉農藥殘留的動態變化尚未掌握，高溫條件下高濃度藥液對茶樹葉片的損傷情況以及高溫對霧滴蒸發、飄移的影響等尚未開展系統的分析，如何更高效地在茶園使用無人機飛防技術有待持續開展深入研究。

四、植保無人機在茶園中的應用前景

盡管植保無人機在茶園使用還存在一些問題，但在茶園推廣應用植保無人機進行病蟲害防治無疑是一個發展方向，需要從應用技術和組織措施兩個方面來強化植保無人機在茶園的應用基礎。

在茶園應用技術方面，隨著無人機飛行穩定性和智能化等技術的迅速提升，田間防治技術將會日趨成熟。更強功能電池的研發，將會有效解決無人機續航時間短的問題。大疆公司2019年推出的一款新型更簡便、靈巧和多功能的操控系統，可實現一人操控多臺無人機，不僅大大提高了無人機的作業效率，而且也在一定程度上解決了當前專業飛手緊缺問題。智能化技術不斷應用于無人機的飛控系統，使得在復雜地形茶園作業的無人機變得更輕松。目前，已陸續展開植保無人機低空低容量施藥對茶園主要害蟲的防效以及農藥殘留動態的研究，多家農藥公司對開發飛防專用藥劑表現出濃厚的興趣并已著手研發，將為規范茶園無人機作業提供技術和產品基礎。

在組織措施上，要強化和推進飛防社會化服務組織。植保無人機施藥作業有別于傳統的人工噴藥方式，提供專業化、定制化的農技服務是基礎。而專業化、定制化的農技服務，需要培育和打造一批優質的飛防社會化服務組織，從而能有效實施植保無人機在茶園應用這樣的專業化和定制化技術。這些年來，農飛客、極飛和浙農飛防等社會化服務組織相繼進軍茶園植保飛防領域，為植保無人機在茶園的應用積累了經驗。下一步無論是社會化服務組織的發展還是茶園飛防作業的大面積應用，都需要有序整合各方資源，搭建信息共享平臺，充分發揮政府政策的驅動作用，組建新型的區域基層技術支撐體系，建立和不斷完善行業標準，加強市場和行業監管，才能促進植保無人機在茶園應用的持續健康發展。