中國農用植保無人機施藥技術研究進展

胡維月 席玉強 尹新明

（河南農業大學植物保護學院，河南鄭州 450000）

航空機械用于病蟲草害防治由來已久。1911年，德國首次利用飛機噴灑農藥防治森林害蟲；1949年，美國研制出農用固定翼飛機；1987年日本研制出農用無人直升機，到1990年日本推出世界第一架用于噴灑農藥的小型植保無人機，開創了植保無人機用于田間病蟲草害防控的時代[1]。

2001年，北京一家公司引進日本公司生產的RMAX型植保無人機，之后植保無人機開始逐步引起國內科研部門的關注；2004年，農業部南京農業機械化研究所等機構開始進行關于農用植保無人機的研究與推廣工作[2]；2008年，農業部南京農業機械化研究所研制出了中國第一架農用植保無人機；2009—2012年多所研究單位開始探索植保無人機對水稻、小麥等作物病蟲害的防治效果；2013年國內學術期刊上開始相繼發表植保無人機的相關研究結果[3]，此后國內越來越多的研究人員開始投入到植保無人機的開發和應用研究中。自2015年大疆發布MG-1型農業無人機后，中國的飛防產業開始快速發展，植保無人機逐步成為中國智慧農田管理中不可或缺的重要機械之一，中國對植保無人機的市場需求不斷增加。但是，國內相關的產業服務體系尚不完善，至2018年中國才推出首個植保無人機技術規范標準。2019年4月，人力資源社會保障部正式將無人機駕駛員認定為正式職業。據不完全統計，截至2020年6月，我國現行的農業航空標準有國家標準1項、農業行業標準2項、民航行業標準15項，主要以操作規范、噴灑裝備要求、安全評價、作業質量及試驗評價方法等要求為主。

目前，在世界航空機械的研究與發展中，美國、德國、歐洲等國家以大型直升機進行農事作業為主，而中國、日本、韓國等國家則將研究目標放于小型植保無人機的開發中，這也與各國的農業結構及農業地形有關。美國、德國等國家以家庭農場為主要的經營方式，種植種類集中，利于大型航空機械的使用；中國、日本等國家受農業經營方式、種植結構及地理環境等因素的影響，普通的農業機械難以適應多變的農事活動[4-6]。植保無人機相較于傳統農用機械具有作業效率高、節水節藥、對人體危害性小、適應性廣等特點，可在平原、丘陵、林地、濕地等多種地形中開展作業，同時不像地面機械在作業過程中會對作物產生損害。相信未來幾年內，植保無人機的發展依舊迅速，針對植保無人機的研發與應用也將日益增加。

1 中國植保無人機市場概況

中國總耕地面積約1.28億hm2，每年病蟲草鼠害發生面積逾4.67億公頃次，防治面積達5.67億公頃次，年均所需農藥30萬t左右。20世紀末，中國就已經成為世界上農藥生產和使用大國，但農藥有效利用率只有大約30%[7-9]，中國植保機械的發展與農藥使用水平極不相稱。因此，迫切需要新型植保機械解決中國農藥利用率較低的問題。自2010年以來，植保無人機在中國迅速發展，以植保無人機為應用載體的低空低量航空施藥技術逐步成為研究熱點，高濃度低劑量的特點在一定程度上可提高農藥利用率。

國內研發出的植保無人機機型較多，其中以油動多旋翼的機型開發產品最少，主流植保無人機多采用多旋翼電動無人機[7，10]。多旋翼植保無人機機型以電池為動力，技術門檻低、結構和技術相對簡單[11]。以目前市場上部分主流植保無人機技術參數（表1）來看，大疆植保無人機整機重量9.8～26.3 kg，作業效率能高達16.00 hm2/h，作業箱容積10～30 L，可裝備噴頭數量最多達16個，霧化粒徑在110～265 μm范圍內。電動多旋翼植保無人機工作效率高，能適應多種作業環境，同時其相較于其他機型更易于操作與維修，相信未來幾年內，中國植保無人機仍將以電動多旋翼植保無人機為主。

表1 大疆農用植保無人機型號技術參數對比

據不完全統計，當下中國有300多家植保無人機生產廠家、2 000家以上的企業從事農用無人機生產與服務[12-13]。全國農業技術推廣服務中心初步統計數據顯示，截至2020年11月中旬，全國專業化防治組織中植保無人機保有量約8萬架，作業面積大約5 300萬hm2。預計幾年內，植保無人機市場從事飛防員培訓派遣服務、無人機維修保養物流服務、噴灑植保服務、無人機租賃銷售、專用農藥研發銷售等的人員需求量將超過40萬人[2]。

2 無人機專用藥劑及助劑發展現狀

植保無人機作業原理主要是利用自身旋翼產生的風場使霧化后的霧滴向靶標生物運動，但霧滴向靶標運動過程中，易受溫度、濕度和自然風等環境因素的影響，產生蒸發和飄移等造成環境問題，這就需要開發具有強沉降性、耐揮發性、抗飄移性等特點的低毒高效農藥制劑降低霧滴飄移風險[14]。

植保無人機噴灑農藥用水量僅為傳統施藥方式的1/30，藥劑濃度相對較高，若施用不當很容易造成農藥殘留、環境污染等問題。2020年，通過比較背負式噴霧器和植保無人機在水稻田內噴施吡蚜酮后的殘留量發現，植保無人機施藥后農藥殘留量更高[15]；2021年，研究人員在茶園測試無人機施藥的霧滴沉積分布對害蟲防治效果及殘留量的研究中發現，無人機施藥相比傳統機械施藥農藥利用率更高，但均勻性較差且農藥殘留水平高[16]。因此，植保無人機使用普通農藥進行噴灑時，安全間隔期應相應延長，而高殘留、分解性較差的農藥則不適宜植保無人機的施用。此外，一些農藥制劑類型還會造成霧化噴頭堵塞等問題。

國外針對植保無人機低容量高濃度噴霧特點，已經研制出適合無人機噴施的飛防專用劑型——超低容量液劑，這種劑型相比其他劑型霧滴更小、滲透性更強、藥液覆蓋率更高。在日本，飛防專用藥劑登記已有266種，韓國也已登記110種[17-18]。長久以來，中國植保無人機研究重心偏向于無人機技術參數的改良，只注重無人機本身的性能質量，而忽視了藥劑對防治效果的影響。目前，國內飛防專用藥劑和助劑的研制和試驗尚處于起步階段。截至2018年，中國登記的超低容量液劑僅有12種，中國植保無人機所使用的農藥則多為常規地面機械使用的藥劑，其并不能完全適應無人機的作業要求[3]。因此，為了促進中國植保無人機精準施藥技術的發展，必須加快推進植保無人機專用藥劑的開發和應用研究，相關部門也應建立完善的植保無人機施藥標準與安全監管體系[7，16]。

3 農業精準施藥技術研究進展

3.1 航空靜電噴霧技術

靜電噴霧技術是通過接觸式、電暈式及感應式等充電方式使霧滴帶電，在高壓靜電的作用下，帶電藥液能夠主動吸附于作物靶標的正反面，達到吸附效果[19-20]。中國航空靜電噴霧技術研究始于2005年，而無人機靜電噴霧技術研究始于2015年[21-22]。目前，國內對有人駕駛飛機已有標準規定航空靜電噴霧器的設備組成、主要技術指標及注意事項等[23]，但缺少對植保無人機靜電噴霧系統整機的詳細說明和操作規范，且各研究人員選用的機型、旋翼數量、技術參數各不相同，這就降低了研究結果的可借鑒性。中國現階段應重視基礎性研究和延續性試驗，解決載重、靜電系統與播撒和飛控系統的整機協調性差、基礎性研究欠缺等問題，把單一強調對霧滴帶電的實現轉向對技術系統的整體研究[24]。

靜電噴霧技術具有能夠增加藥劑霧滴沉積、減少飄移和降低施藥量等方面的優勢，可以有效解決植保無人機施藥技術方面的問題，實現無人機的精準施藥。

3.2 農藥變量噴霧技術

變量噴霧技術是通過分析農田作物的實際情況，有針對性地調整噴施量和噴施方式，以最小農藥噴施量達到最佳防治效果。變量噴霧技術工作過程主要涉及農田信息獲取、數據處理與控制及對執行動作的感知等，現階段研究的變量噴霧技術主要有2種類型，即基于處方圖的變量噴霧技術和基于實時感知的變量噴霧技術。前者是根據分析后的農田信息調整作業模式；后者則是作業過程中實時獲取農田信息，并快速進行判斷從而實現變量噴霧[25-26]。有研究表明，目前搭載變量噴霧技術的機械相比于傳統噴藥方式節藥50%以上，對靶識別成功率達60%以上[27]。

航空植保變量噴霧是全球研究的一個重要方向，在美國、日本等發達國家已有一定的研究與發展，中國對植保無人機變量噴霧也相繼進行了探索性研究[28]。早在2014年，國內就有學者設計了利用PWM技術控制的無人機機載農藥變量噴灑系統，但沒有結合無人機作業參數進行變量噴霧[29]；2017年，雖開始設計關于飛行速度和施藥流量自動匹配的植保無人機動態變量施藥系統，但沒有研究控制算法對控制效果的影響[30]；到2019年，開始有學者關注飛行速度的變化對施藥均勻性的影響，設計了基于神經網絡PID的自適應無人機變量噴霧系統[31]；最新的研究中，高銳濤等[32]設計了基于變量施藥處方圖的實時解譯系統，為植保無人機變量噴霧技術的發展提供了理論參考。

目前，國內對變量噴霧技術在精準施藥上的應用研究尚處于探索階段，將變量噴霧技術應用到植保無人機上的相關研究報道更少，加強對植保無人機變量噴霧系統的研究和應用將會有效改善現階段的植保作業問題。

3.3 霧滴飄移控制技術

霧滴飄移是農藥在使用過程中通過空氣向非靶標運動的現象，包括飛行飄移和蒸發飄移。飄移會造成環境污染，甚至會危及人類身體健康、蜜蜂養殖等。因此，需要進一步研究影響霧滴飄移與沉積行為的因素[33]。

2018年，研究人員采用油動單旋翼植保無人機探索了不同施藥量棉花苗期噴霧霧滴沉積分布的規律[34]，之后研究人員深入研究了噴霧參數及助劑類型對農藥霧滴沉積分布的影響[35-36]；除了關于噴霧參數及助劑類型的研究外，還有學者開始利用風洞環境模擬無人機飛行噴霧試驗，進行霧化噴頭、噴霧助劑等對噴霧飄移影響的研究[37-38]；最新的研究中，研究人員開始更多地關注植保無人機在飛行過程中不同側向風、環境風速、飛行參數等對霧滴沉積和飄移的影響程度[39-41]。

中國對植保無人機噴霧飄移的研究還處于初步階段，深入研究不同因素對農藥飄移的影響、下風向的霧滴飄移規律以及農藥飄移對非靶標生物的影響對提升農藥利用率和環境保護具有重要意義[42]。

4 結語

中國植保無人機的發展相較于世界其他國家起步較晚，最初的研究多是基于地面機械設備的相關硬件和施藥技術進行再開發。因此，有些設備和技術并不能與植保無人機完美兼容，尤其在施藥技術方面，植保無人機雖然能有效提高農藥利用率，但農藥霧滴飄移、均勻性差、農藥殘留等問題以及缺乏專用農藥制劑都制約著植保無人機的進一步推廣和應用。目前，國內在精準施藥關鍵技術方面已經有關于農業航空靜電噴霧技術、農藥變量噴霧技術、霧滴飄移控制技術的研究，但由于研究不夠深入且研究時使用的植保無人機型號各不相同，對照參考性不強，缺乏針對性，技術發展與國外發達國家仍有一定差距。無人機精準施藥關鍵技術涉及多領域多學科的研究，尚需廣大研究人員進一步開發和推廣應用。