我國農用無人機在水稻生產中的應用現狀與展望

肖漢祥，李燕芳，袁龍宇，張振飛

（廣東省農業科學院植物保護研究所/廣東省植保新技術重點實驗室，廣東 廣州 510640）

對中國而言，糧食安全是保障經濟安全、國家安全的基礎。水稻是我國種植面積第二大的糧食作物，占糧食種植面積的35.6%。近年來隨著工業化和城鎮化的快速發展，農村勞動力向城市轉移，農村勞動力短缺與農業勞動力需求的矛盾日益嚴峻；同時，農村的土地通過流轉的方式向集約化、規模化、專業化、組織化相結合的新型農業經勞營方式發展，在新型經營主休下，原來有傳統作業模式已難以滿足現有大面積、規模化作業需求［1-3］。近年來，我國新型農業經營主體日益壯大。除從事傳統農業經營的小規模農戶之外，開展多種適度規模經營的專業大戶、家庭農場、農民專業合作社和農業企業等新型農業經營主體不斷涌現。農機跨區作業、代耕代種、土地托管、訂單作業、“互聯網+農機作業”等新型服務模式不斷涌現，有力保障了我國商品糧安全和商品農產品有效供給。為適應這一新形勢，農用無人機得到了快速發展，為促進糧食生產安全、糧食質量安全、農業生態安全，提供了有力的支撐［4］。

農用無人機是用于農林作業的無人駕駛飛機，由飛行平臺（固定翼、單旋翼、多旋翼）、飛行控制系統、噴灑裝備及其他附件組成，通過地面遙控或導航來飛行。農用無人機在水稻生產中最主要的應用是植保作業，此外還可以用于播種、施肥以及雜交制種中的授粉作業［5］。

近年來，隨著技術的進步和人工智能的發展，農用無人機技術的發展越來越完善，同時在多個領域的運用得到了突飛猛進的發展。我國是傳統的農業大國，隨著無人機技術的快速發展，無人機在農業生產領域的運用范圍越來越廣。特別是在農作物病蟲害防治方面，植保無人機的運用范圍越來越大，既可以及時發現農作物病蟲害的真實情況，還可以及時進行處理，其效率和實際效果都是原有的防治方式不可比擬的。這種迅速發展的主要原因是因為農用無人機具有以下優勢［6-10］：（1）作業適應性廣。無人機具有靈活、起降方便、作業高度可高可低等優點，在不同的水稻種植環境下都可以進行作業。（2）作業效率高。單架無人機每天可完成超過20 hm2的作業量，工作效率是人工的30～60倍。（3）作業質量好。霧滴更均勻地隨著在作物表面，全自主飛行，有效減少重噴或漏噴。（4）成本低。農用無人機整體尺寸小，易保養，使用成本低。（5）操控人員安全系數高及作物損傷小。（6）使用簡便、維護簡單、自動化程度高，勞動強度低。

1 農用無人機發展現狀

1.1 國外農用無人機發展現狀

從世界范圍來看，美國和日本的農用無人機技術處于世界領先水平，此外還有俄羅斯、澳大利亞以及巴西等國家，以上國家無論是在智能化設備及藥劑研究上，還是在機械設備上，都居世界先進水平［9］。

美國是農業航空技術及應用最發達的國家之一，不僅具有先進的航空植保機械及完善的農業航空體系，而且具有國際上最為先進的施藥技術。美國主要以大型農場專業化生產方式為主，建立了以大型地面植保機械和有人駕駛航空器為主體的防治體系［8］。近年來，美國航空植保經歷了從有人駕駛直升機向無人機的發展，目前美國農用無人機主要應用在種子撒播、施藥和施肥等生產中。在無人機技術方面，目前美國的研究熱點主要集中在圖像實時處理系統、變量噴灑系統和多傳感器數據融合技術3個方面。此外，在農用無人機霧滴飄移方面，美國在較早前就進行研究，Teska等運用靜態高斯模型法、高斯云團模型和物理角度方法，研發了著名的AGDISP（Agricultural sispersion）和AGDRIFT（Agricultural drift）模型，用戶可以輸入藥劑、飛機類型、天氣因素等，通過調用內部數據，預測可能產生的漂移范圍［11］。

日本是最早將農用無人機用于農業生產的國家之一，1985年，日本雅馬哈公司率先推出世界第一架主要用于農藥噴撒的農用無人機Ymnaha-R50［4］。從20世紀90年代開始，日本使用無人直升機在水稻、蔬菜、果樹上進行病蟲害防治。因為日本人多地少且農戶的平均種植規模較少，所以農用無人機在日本農業方面的應用發展迅猛［9］。從2004年開始，日本水稻生產使用中微小型農用無人直升機的數量已超過有人駕駛直升機，在水稻病蟲害防治中，應用農用無人機進防治的水稻種植面積占45%［9］。在日本，農用無人機主要以雅馬哈公司生產的為主，市場占有率達90%。除雅馬哈公司外，還有yama Motor公司和鈴木公司生產用于水稻等作業病蟲害防治的植保無人機。從2015年開始，一些日本公司開始生產4旋翼、6旋翼和8放旋翼等多旋翼農用無人機［4］。2018年，日本JA廣島中央農業采用農用無人機進行種子撒播試驗，播完12 kg水稻種子只需10 min，而地機機械則需要60 min，人工播種則時間更長（http://mini.eastday.com/mobile/180605220144110.html）。

俄羅斯地廣人稀，擁有數目龐大的農用飛機作業隊伍，數量高達1.1萬架，作業機型以有人駕駛固定翼飛機為主，年處理耕地面積約占總耕地面積35%以上。澳大利亞、加拿大、巴西目前主要機型也以有人駕駛的固定翼飛機和旋翼直升機為主。

1.2 我國農用無人機發展現狀

與歐美、日本等發達國家相比，我國農用無人機事業起步較晚，但近10年來，在國家一系列政策的支持下，我國農用無人機技術發展迅速。

2012年，我國農用無人機生產企業不足10家，農用無人機僅幾百架［7］。隨著2014年中央一號文件《關于全面深化農村改革加快推進農業現代化若干意見》中在“強化農業支持保護制度”中提出“建設以農業物聯網和精準裝備為重點的農業全程信息化和機械化技術體系，加強農業航空建設”后，加上資本市場的關注和追捧，當年農用無人機企業數量新增近百家，市場保有量700架左右［1］。2017年，國家農業部、財政部、中國民航局共同頒布《關于開展農機購置補貼引導植保無人機規范應用試驗點工作的通知》，決定在浙江、江西、湖南、廣東、安徽和重慶等6個省市開展植保無人機購置補貼試點工作，政策的支持對國內農用無人機的普及和發展起到了巨大的推動作用［5］，2017年農業部農技推廣中心發布全國在用的植保無人機數量達1.4萬架次，年作業面積達547萬公頃次［1］。2019年累計銷售農用無人機約3萬臺，2020年特殊大環境下，全國農用無人機行業的發展速度實現了翻倍，累計銷售量已經達到6萬臺，與此相應的，農用無人機保有量已達11萬臺［5,12］。

目前，我國農用無人機產品型號、品牌眾多。按機型結構劃分，可分為單旋翼無人機、多旋翼無人機和固定翼無人機；按動力系統劃分，可分為油動無人機和電動無人機。據統計，我國農用無人機機型約233種，其中多旋翼機型168種占78.1%，單旋翼機型64種占27.5%，固定翼1種約占0.4%；油動無人機46種占19.7%，電動無人機187種占80.3%［10,12］。上述數據表明，當前我國農用無人機以電動多旋翼機型為主。

由表1可知，由于電動多旋翼無人機在操作、維護和培訓等方面具有顯著的優勢，預計未來幾年內，我國農用無人機仍將以電動多旋翼為主。

表1 不同類型農用無人機優劣勢比較Table 1 Comparison of advantages and disadvantages among different types of agricultural UAV

2 農用無人機在水稻生產中的應用現狀

2.1 在水稻植保上的應用現狀

我國2017年水稻種植面積306萬hm2，但由于人口眾多以及土地分散，戶均種植面積僅為1.15 hm2左右［4］。近年來我國水稻耕地、插秧、收割都基本實現了機械化，但水稻病蟲草等有害生物的防治仍以人工防治為主［13］。近年來，隨著我國專業化統防統治工作的不斷推進，傳統小型背負式噴霧器械已不能滿足快速發展的專業化防治需求，高效、適用范圍廣的植保無人機在水稻植保上的應用得到了迅猛的發展。

防治效果是檢驗新型植保器械有效性的唯一標準，作業參數如飛行高度、速度以及每667 m2用藥液量等是影響農用無人機防治效果的主要因素。一般推薦飛行高度離水稻冠層1.0～2.5 m，飛行速度≤4 m/s，用藥液量1.0～1.5 L/667m2。

近年來，針對植保無人機作業參數對霧滴和防治效果的影響，前人進行了一些探索。2012年張京等開展了小型無人駕駛直升機噴霧參數對藥液霧滴沉積效果影響的研究，試驗結果表明霧滴分布從水稻冠層上部到下部逐層減少，并且隨飛行速度的增加而減少［14］。邱白晶等采用二因素三水平試驗方法，開展了無人直升機飛行高度、飛行速度兩因素間的交互作用關系及對噴霧沉積濃度、沉積均勻性的影響研究，研究結果表明飛行高度、飛行速度及兩因素間的交互作用對沉積濃度和沉積均勻性的影響極顯著［15］。陳盛德等研究了HY-B-10L型無人直升機噴霧參數對雜交水稻冠層霧滴沉積分布的影響，結果表明隨著高度的增加，植株冠層上方的垂直風場減弱，霧滴沉積量逐漸減少；作業速度越低，沉積在飛機下方的霧滴量就越多［16］。薛新宇等應用N-3型無人機研究了不同飛行高度對稻飛虱和稻縱卷葉螟防效的影響，結果表明，飛行高度對稻飛虱和稻縱卷葉螟防治效果的影響為3 m＞5 m＞7 m，在同一飛行高度，施藥量與防治效果成正比，此外無人機施藥的防治效果高于擔架式噴霧機的施藥防治效果［17］。

針對噴施不同藥液量對霧滴和防治效果的影響，國內報道不多。作者于2017年6月聯合華南農業大學在廣州增城使用TXA-翔農六旋翼電動無人直升機，研究噴施不同藥液量對霧滴的影響，結果表明噴施藥液量1.8 L/hm2的霧滴密度、霧滴覆蓋度和沉積量是施藥液量1.2 L/hm2的1.51倍、1.57倍和1.68倍（未發表）。作者于2019年9月聯合華南農業大學在廣東高要使用極飛P20電動無人機，研究噴施不同藥液量對稻縱卷葉螟防治效果的影響，結果表明在水稻分蘗期和破口期噴施藥液量1.5 L/hm2的防治效果比噴施藥液量1.0 L/hm2的防治效果分別提高5.98%和3.81%（未發表）。蘭波等開展植保無人機施藥防治水稻紋枯病的田間試驗，結果表明植保無人機施藥對水稻紋枯病的防治效果與用藥液量呈正相關，2016年在江西泰和試驗結果表明無人機用藥液15.0 L/hm2的防效顯著高于人工電動噴霧的防效；2017年在江西南昌試驗結果表明無人機用藥液7.5～15.0 L/hm2的防效顯著低于人工電動噴霧藥液的防效［18］。

近年來，我國在應用農用無人機防治水稻病蟲草害有不少相關報道。顏貞龍等報道在使用相同藥劑條件下，在水稻分蘗盛期和孕穗末期，植保無人機施藥對紋枯病防治效果均明顯優于常規電動噴霧機施藥的防治效果；植保無人機施藥對水稻二化螟的防治效果明顯優于常規電動噴霧機施藥的防治效果［19］。荀棟等報道，在水稻分蘗后期，噴施相同藥劑，植保無人機施藥對水稻稻飛虱和稻縱卷葉螟的防治效果均優于傳統人工噴霧器噴灑的防治效果［20］。肖曉華等報道植保無人機施藥，對水稻稻飛虱、稻縱卷葉螟和紋枯病的防治效果優于靜電機動噴霧機、機動噴霧機和背負式電動噴霧器施藥的防治效果［21］。寧國云等報道植保無人機施藥對水稻植株上部病蟲害稻縱卷葉螟和稻曲病的防治效果高于背負式電動噴霧機，與擔架式機動噴霧機施藥的防治效果相近，但對水稻植株基部病蟲害稻飛虱、紋枯病的防治效果低于擔架式機動噴霧機，與背負式電動噴霧機施藥的防效相近［22］。彭志清等報道，在農藥使用量減少20%時，無人機施藥對稻飛虱、稻縱卷葉螟、紋枯病和稻曲病的防治效果均呈下降趨勢［23］。肖漢祥等報道，在水稻分蘗末期和破口期，植保無人機噴施納米農藥對稻飛虱和稻縱卷葉螟的防治效果明顯優于植保無人機噴施常規藥劑和常規電動噴霧噴施常規藥劑的效果［24］。柏超研究了無人機施藥在水直播稻田雜草防除中的應用效果，結果表明，應用植保無人機在單晚水直播稻田噴施除草劑防除雜草，其防除效果與擔架式機動噴霧機相近，作業效率高，噴灑均勻度相對較高［25］。張顧旭等研究了植保無人機施藥與常規藥械施藥對直播水稻田禾本科雜草防除效果，結果表明使用植保無人機施藥更均勻，可減少重噴、漏噴現象，且使用植保無人機每667 m2施用40%氰氟草酯油懸浮劑120 mL與使用常規擔架式噴霧機每667 m2施用40%氰氟草酯油懸浮劑150、200 mL對禾本科雜草的防效相當，并可節省用水量96.7%［26］。

2.2 在水稻播種上的應用現狀

近年來水稻機械直播逐漸成為我國水稻種植提質增效的重要途徑，我國一些山地、丘陵水稻田高低不平且種植面積小，傳統的地面大中型撒播機械不太適用，即便在平原地區的水稻田，大中型地面撒播機械也容易發生陷車事故，上述問題阻礙了我國水稻機械直播的快速發展［27］。農用無人機播種具有作業效率高、作業不受地形限制以及生產成本低等地面撒播機械無可比擬的優勢，可提高水稻栽培機械化、輕簡化和智能化水平，節約水稻生產成本，提高水稻生產效率和種植效益［28-29］。據不完全統計2021年廣東省早稻水稻精量穴直播和無人機直播面積近1.67萬hm2。

目前，我國農用無人機飛播種植方式主要有無序撒播和有序條播兩種形式。其中無序撒播采用圓盤轉動將稻種甩出，種子在田間呈現無序、均勻分布；有序條播采用多個播種器將稻種排入定位管道吹出，種子在田間呈現有序成行、均勻分布。

在農用無人機播種方面，我國科研工作者進行了不少研究。2014年李繼宇等進行了無人機撒播試驗，結果顯示0.09 hm2水稻田只需305 s就可以完成稻種撒播，平均有效穗數為321條/m2，平均穴數為38穴/m2，平均產量為7 705.5 kg/hm2［30］。岳進等研究了無人機離心播種在水稻中的應用，結果表明無人機播種的產量為413.5 kg/667m2，略低于對照的440.0 kg/667m2，但收入增加225.8元/667m2［29］。胡文威等研究了不同類型水稻機直播對比試驗，結果表明無人機直接效率為2 min/667m2，遠高于機械直播15 min/667m2的效率和噴粉機直播12 min/667m2的效率［31］。程鵬等研究了直播方式對水稻生長特性及產量影響，結果表明無人機直播較穴直播、人工撒播在苗高、葉齡、帶蘗數、白根數、干物質重量等秧苗素質指標方面有顯著優勢；無人機直播的產量為454.9 kg/667m2，高于人工撒播的產量417.9 kg/667m2，但比穴直播的產量509.3 kg/667m2低［32］。

2.3 在水稻制種上的應用現狀

水稻是自花授粉作物，而雜交水稻制種必須依賴異花授粉，因此雜交水稻制種需要人工輔助授粉［33］。國外發達國家在雜交水稻制種中基本實現了機械化，而我國主要依靠人工采用繩索拉粉、雙短桿趕粉、單長竿趕粉等人工輔助授粉。近年來，隨著農村勞動力逐年減少，以及農村從業勞動人員年齡偏大，導致勞動密集型的雜交水稻制種工作迫切需要轉變勞作模式，亟需實現雜交水稻制種全程機械化。我國農用無人機的迅速發展，為雜交水稻制種輔助授粉機械化提供了可能。

農用無人機輔助授粉，一般在父母本抽穗開花期每天10：30～12：30進行，每天授粉3次，每次間隔30 min左右，飛行高度2～2.5 m，飛行速度約3～5 m/s。

吳輝于2014年利用單旋翼電動力無人機對水稻進行授粉試驗，結果表明父本種植廂寬在1.2～2 m、母本種植廂寬在7～12 m時較適合單旋翼電動力無人機授粉，母本平均異交結實率44.3%，平均產量3.1 t/hm2［34］。劉愛民等2012—2015年進行了單旋翼農用無人機輔助雜交水稻制種授粉效果試驗，結果表明父母本行比6∶40～60，單旋翼農用無人機輔助授粉的結實率和產量可達到甚至高于人工輔助授粉［35］。唐榮等2016年進行了3種類型的農用無人機輔助雜交水稻制種授粉效果試驗，結果表明利用單旋翼油動力農用無人機授粉的母本異交結實率平均為41.48%，平均產量為213.13 kg/667m2；利用單旋翼電動力農用無人機授粉的母本異交結實率平均為39.80%，平均產量為199.97 kg/667m2；利用多旋翼電動力農用無人機授粉的母本平均異交結實率也為33.33%，平均產量為155.55 kg/667m2；人工授粉平均產量為160.52 kg/667m2［33］。林金平等2020年報道，利用大疆MG-1P植保無人機輔助授粉的結實率為33.0%，人工拉花授粉的結實率為32.4%［36］。

3 農用無人機在水稻生產應用上的存在問題

3.1 相關政策法規和標準滯后

政策法規方面，農用無人機涉及農業（農機）、民航、工信等幾個部門，目前還未明確由哪個部門來負責統籌管理，國家也未出臺農用無人機方面的政策法規，只能沿用民航政策法規，針對性不強［37］。另外，在應用方面的標準，特別是在生產制造、質量檢測、推廣鑒定、作業規程以及作業質量等標準也缺乏或不健全。

3.2 電池續航時間短，載荷量相對較小

農用無人機行業發展迅猛，但當前無人機電池的續航時間一般是10～20 min。電池續航能力差，若作業面積大，則須同時攜帶多塊電池或攜帶充電器，一方面電池的價格較貴，另一方面田間充電不方便，導致了農用無人機無法持續作業，作業量受到了一定的限制。

目前我國農用無人機載荷量一般在5～20 L之間，其中以10～15 L為主，載荷量小增加了往返起降以及添加藥液的時間，降低作業效率。2020年廣州極飛科技公司新推出的極飛P80農用無人機載荷量增加到35 L，但售價相對較高。

3.3 專用藥劑研究滯后

農藥劑型是影響農藥實際使用效果的一個極其重要的因素，優良的劑型能改善藥滴霧化過程、減少霧滴飄移、提升農藥在作物表面的持留量等，從而提高農藥利用率［3］。植保無人機采用低容量或越低容量噴霧，超低常量液劑必須具備抗蒸發、防漂移和安全性高的特點［10］，但目前植保無人機噴施農藥防治水稻病蟲害仍以常規農藥為主，專用藥劑和助劑的研發嚴重滯后，另外相關的農業主管部門也未開放植保無人機專用藥劑注冊登記，導致目前植保無人機配套專用制劑嚴重缺乏。

3.4 飛播種植水稻種子存活率難以保障

飛播種植對水稻田塊要求較高，如水稻田塊高低不平，撒播在低洼地帶的種子受到水淹而不發芽，而撒播在高處的種子則因為吸收不到水以及太陽的暴曬也無法發芽。此外，無人機飛播的種子直接暴露在田地的表面，容易被鳥類尋食。以上因素導致飛播種植的水稻種子成活率難以保障。

3.5 全年有效工作時間短

由于農用無人機工作效率高，且水稻播種及病蟲害防治具有一定的時效性，導致農用無人機植保作業、飛播水稻、撒施肥料等方面有效工作日少，全年大部分時間處于閑置狀態，在一定程度上造成了農用無人機資源的浪費。

4 對加強我國農用無人機發展應用的建議

4.1 完善相關政策法規及體系標準

由于我國農用無人機市場門檻較低，監管法律法規欠缺且相關行業標準不夠健全。為促進農用無人機產業健康發展，需明確政府主管部門，由其負責完善政策法規，并及時制定出臺相應的產業規范、市場準入制度等，通過政府部門的監督和管理，保證農用無人機產品質量。另外，國家主管部門應該牽頭組織高校、科研單位和生產企業制定生產制造、質量檢測、操作規程、作業規范等國家技術標準，完善農用無人機體系標準的建設。各地方主管部門要根據國家技術標準，結合本地實際情況制定適合本地的地方技術標準。

4.2 加強電池的研發

高有效載荷量、高效率、長航時農用無人機是未來發展趨勢。目前農用無人機使用的電池多為傳統鋰電池，隨著當前科技的高速發展，科研機構及無人機生產企業應加大電池蓄電能力的研究，使電池容量更大更合理。目前半固體鋰電池研發已有所突破，并將在未來成為現實，半固體鋰電池的容量是傳統鋰電池的2倍，搭載這種電池的農用無人機續航時間會更持久，這將為農用無人機大規模作業提供更可靠、穩定的動力保障［38］。

4.3 引導常規藥劑的飛防登記，加強專用藥劑和助劑的研究

針對當前植保無人機噴施農藥防治水稻病蟲害仍以常規農藥為主的現狀，應參考日本和韓國等國家的登記管理辦法，農藥登記管理部門委托具有資質的科研單位開展相關田間試驗，建立健全飛防藥劑登記管理制度，引導飛防藥劑的規范化使用。

在現在的常規藥劑的基礎上，加強抗蒸發、防漂移和安全性高的飛防專用藥劑和助劑的研發。目前許多高校、科研單位和農藥企業開始投入到農用無人機飛防制劑和助劑的研發中，特別是適用于農用無人機的納米農藥新劑型研究已經成為農藥領域的研究熱點之一。目前納米農藥在多地用無人機噴灑進行了病蟲害防治試驗，結果表明納米農藥防治效果比常規農藥的防治效果好［39-40］。

4.4 加強水稻種子丸粒化包衣技術研究

無人機撒播的種子暴露在田地表面上，容易遭到鳥類尋食，因此鳥害嚴重。此外，無人機撒播后的田塊和傳統的移栽田塊不同，直播田不能有水，故直播田草害相對嚴重。針對上述問題，廣東省農業科學院植物保護研究所馮夏研究員近年來進行水稻種子丸粒化包衣技術研究，包衣里驅鳥劑和除草劑。近2年含有驅鳥劑和除草劑的包衣種子在廣東部分水稻種植區進行試驗，取得不錯的效果。

隨著農村勞動力逐年減少和農村從業勞動人員年齡偏大，以及國家政策方面的大力支持，我國農用無人機得到快速發展，農用無人機的應用得到廣泛推廣。農用無人機植保作業、飛播水稻、撒施肥料等必將成為重要的發展方向和保障國家糧食安全的重大措施，農用無人機產業將成為我國農業的戰略性新興產業。