航空超低量噴霧技術在水稻生產上應用現狀、存在問題及發展趨勢

孫星星 王凱 李紅陽 高波 顧慧玲 張俊喜 馬晶晶 王凡 蔣穎潔 周加春 蔡彥虹

摘要：水稻是我國最重要的糧食作物之一，病蟲草害問題是制約水稻產量的重要因素，目前生產上控制稻田有害生物主要依賴于化學藥劑噴灑，但常規人工噴霧和地面機械噴霧作業效率低，田間損苗嚴重，因此，小型植保無人機航空超低量噴灑農藥服務越來越受歡迎。筆者對當前植保無人機在水稻生產上應用的文獻進行歸納分析，闡明植保無人機超低容量低空噴霧技術發展現狀、存在問題，提出該項技術未來發展方向。

關鍵詞：航空植保;水稻;病蟲害;無人機;航空超低量;噴霧技術;智慧農業

中圖分類號：S252+.3 文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2020）13-0029-05

收稿日期：2019-05-28

基金項目：農業農村部沿海鹽堿地農業科學觀測實驗站開放課題（編號：YHS201806）。

作者簡介：孫星星（1989—），男，江蘇鹽城人，碩士，助理研究員，主要從事農業生態防控及天敵利用相關研究。E-mail：13921865625@163.com。

通信作者：蔡彥虹，農藝師，主要從事農業科技管理。E-mail：cyh0610@sina.com。水稻是我國三大糧食作物中種植面積最大的作物，目前我國水稻種植面積約3 000萬hm2/年，約占糧食作物播種面積的29%[1]。水稻病蟲草害是影響水稻產量的重要制約因素，楊基華等研究發現，與進行水稻病蟲草害正常防治相比，未防治區產量損失高達45%，其中草害對水稻產量造成的損失遠超過病害與蟲害[2]。在當前尚缺乏有效預警手段和其他防治方法的情況下，化學防治仍然是控制水稻病蟲草害最有效的措施[3]。水稻生長中后期發生的稻縱卷葉螟、白背飛虱、褐飛虱等屬于遷飛性害蟲[4]，田間易出現突發性暴發情況，大規模種植農場往往難以及時應對，對水稻產量造成嚴重損失。

長期以來，水稻病蟲草害防治主要依賴人工背負噴霧機械進行藥劑噴灑，水稻田人工作業勞動強度大、效率低，面對突發性病蟲害應對措施緩慢，往往錯過最佳防治時期。規模較大的水稻種植區域通常采用大型地面植保機械，但在作業過程中會發生淤陷損苗等問題，地面植保機具防治效率偏低，對于遷飛性害蟲暴發和大區域流行性病害發生，不能實現大面積的統防統治。隨著生產專業化和集約化程度的提高，小型植保無人機航空超低量噴灑農藥是新時期水稻種植的迫切要求。

航空施藥相比傳統施藥方式有著顯著的技術優勢，通常是人工施藥效率的30～60倍，面對大面積暴發的有害生物能夠及時地滅殺，同時航空飛行能夠適應地面裝備不能進入的各種地形區域，不受外界因素的影響。與常規施藥方式相比，超低量噴霧在單位面積上施藥量少，用藥節約，對環境更加友好。無人機在植保方面的效果好一方面主要在于其旋翼產生的向下風場，另一方面在于其高度的霧化程度，可以在噴灑過程中到達植株的背面以及底部。航空超低量噴霧采用飛機飛行時強大的飛行氣流帶動使超低容量噴頭高速旋轉，藥液箱中的藥液在離心力和轉籠紗網的切割作用下與空氣撞擊、霧化，借助風力和重力沉降到目標作物上[5]。低空、低量無人駕駛航空噴霧技術自動化程度高、噴灑效果良好、飛機操作者安全、可提供個性化服務、運行成本低，是針對我國水稻施藥技術機械化水平嚴重落后、工效低、用藥大、施藥困難和勞動力缺乏等難題而研發的一項新技術。

通常新技術在被完全接受之前會經過一系列過程，包括發明者略為夸張的描述、市場對其高度的期望和大力宣傳，令消費者對其產生興奮再到冷靜，直到技術完全成熟[6]。隨著我國農業科技的大力投入、政策傾斜及低空管制的開放，航空噴灑農業技術得到迅速發展，但是植保無人機在水稻上進行航空超低量噴霧技術應用在我國發展時間較短，距離完全應用還存在一定的時間。筆者對目前植保無人機在水稻上應用的文章進行歸納分析，闡明植保無人機超低容量低空噴霧目前發展現狀、存在問題及在未來的主要技術發展方向。

1我國航空植保無人機發展現狀

1987年，日本已經率先推出世界上第1架噴灑農藥的植保無人機R50，其有效載荷為20 kg，而我國直到2008年才開始研究植保無人機，2013年以后有大量的無人機企業進入市場。無錫漢和航空技術有限公司是國內第1家植保無人機企業，2008年從事研發植保無人機，2009年研制出國內首架油動植保無人機，開啟了植保無人機的商業化時代，2010年第1架農業植保無人機走向市場，可以算是中國植保無人機領域的開拓者。廣州極飛科技有限公司是我國植保無人機應用的實踐者或是應用的大力推廣者，在無人機飛防應用領域作出了巨大的貢獻。深圳市大疆創新科技有限公司雖然進入植保無人機的領域較晚，但其在全球消費無人機領域中處于領先地位，占據全球50%以上份額[7]。2017年6月27日，陶氏益農農業科技（中國）有限公司與深圳市大疆創新科技有限公司在上海簽訂戰略合作協議，在產品創新與技術研究方面開展合作，通過打造適合于雙方的商務合作模式，將陶氏益農農業科技（中國）有限公司的優質產品及解決方案通過深圳市大疆創新科技有限公司無人機技術輸送到更多農民手中，推進病蟲草害防治的精準化、規?；彤a業化，提高農業生產效率[8]。其他植保無人機企業如珠海羽人農業航空有限公司飛行器、湖南大方植保有限公司、北方天途航空技術發展（北京）有限公司、漳州金米農業科技有限公司、四川駝峰通用航空有限公司、江西新和萊特科技協同創新有限公司、廣西精納恒宇無人機科技有限公司等均推出了用于水稻使用的植保無人機型號。

我國農業植保無人機應用目前尚處于起步階段，據統計，2014年我國植保無人機保有量為695架，總作業面積28.4萬hm2;2015年我國植保無人機保有量為2 324架，總作業面積76.85萬hm2，增長幅度分別為234%、170.6%。雖然增幅明顯，但整體而言，我國的植保無人機體系尚未成熟。我國植保無人機發展階段粗略可以分為以下幾個階段：概念機階段（2010—2012年）、演示機階段（2013—2015年）、嘗試應用階段（2016—2017年）、批量應用階段（2018—2020年）、廣泛應用階段（預計在2021年以后）。植保無人機是依靠技術為核心的行業，2017年是國內植保無人機飛防迅速發展的元年，據不完全統計，目前植保機行業有超過200家的無人機廠商，植保無人機的保有量也從2013年的100架突破至11 000架，至2018年僅深圳市大疆創新科技有限公司植保無人機的保有量就超過16 000架，植保無人機在近2年得到飛速發展。當前，農用植保無人機與航拍無人機有所區別，航拍無人機市場已經成熟，而植保無人機市場仍然格局未定，各個市場參與者都在不懈努力。在這種形勢下，掌握核心技術尤其是植保無人機在田間的使用技術和作業方案才能在農用無人機的行業中站穩腳跟。

世界上農業航空較為發達的國家是美國和日本[9]，目前航空植保的面積占比最高的是日本，為60%，世界平均比例為17%左右，而我國只占1.6%。日本無人機行業得到發展主要與當時農業生產勞動人口減少、人員結構老齡化以及機械化和自動化技術的發展有關[10]，我國目前農業現狀與日本有一定的相似之處，尤其我國南方地區地形、地貌以及種植結構與日本極為相似，在未來的一段時間我國植保無人機行業及其配套技術將會迎來高速增長期。

2航空超低量噴霧技術在水稻生產上應用現狀

日本于1958年將有人駕駛直升飛機投入到稻田進行稻瘟病及相關害蟲防治[9]，但有人直升飛機飛行高度達到8～13 m，速度達到60～80 km/h，農藥漂移嚴重，對環境造成極大污染，人員安全也得不到保障。從20世紀90年代起，日本在水稻病蟲害防治上開始應用無人直升機[3]，隨著時間的推移和技術的成熟，無人駕駛的飛機低空超低量噴霧正在逐漸淘汰有人駕駛直升機噴霧，據統計，目前日本應用植保無人機進行病蟲害防治的水稻種植面積占到45%。目前，美國在農業航空技術方面的研究熱點主要是圖像實時處理系統、變量噴灑系統及多傳感器數據融合技術。圖像實時處理的最終目標是通過建立圖像處理軟件系統，快速分析在空中采集的圖像數據并立即進行變量噴灑[11]。

我國于2008年開展無人機的航空噴霧技術研究，農業農村部南京農業機械化研究所承擔了國家863計劃“水田超低空低量施藥技術研究與裝備研究”，2011年8月，湖南省植保無人機首次航空噴霧演示在會同縣水稻上進行[12]，我國的無人機最早是在南方區域的水稻上使用，目前植保無人機在水稻上噴霧技術仍然不夠完善。

2.1我國航空超低容量噴霧技術研究文獻地域分布

目前，我國關于無人機在水稻上植保飛防應用技術報道不多，最早于2014年在廣東地區應用珠海羽人農業航空有限公司飛行器YR-A10噴施吡蚜酮防治水稻稻飛虱[13]，至2018年底植保無人機飛防應用技術文獻報道僅13篇（圖1），主要集中于我國南方地區，占84.6%，北方地區主要于陜西省和新疆維吾爾自治區，在我國大部分地區未見植保無人機在水稻生產上應用技術報道。

2.2我國航空超低容量噴霧技術研究文獻在不同種類病蟲害上分布

航空超低量噴霧技術在水稻上飛防技術報道主要集中在紋枯病[14]、稻飛虱[15]、稻縱卷葉螟[16]、稻曲病、二化螟、稻水象甲、穗頸瘟，其中以紋枯病、稻飛虱較多（圖2），目前在水稻除草劑應用上仍未見報道。

據統計，應用于無人機的藥劑種類變化不多，在螟蟲上主要應用雙酰胺類藥劑，飛虱上應用吡蚜酮、吡蟲啉等使用歷史較長、產生抗性較為嚴重的藥劑，對于一些新型藥劑的使用仍然較少，如果大面積使用單一藥劑防治水稻病蟲害極易造成抗藥性的迅速上升。

目前，航空超低量噴霧技術的測試工作主要是無人機生產企業，但是無人機企業做的更多的是改善無人機的功能，如穩定性、霧滴霧化的效果，現在也有一些無人機企業和一些農資企業進行結合，對這些農資企業進行測試，一般是農資企業主導，主要針對飛防藥劑，針對本地作物的飛防應用方案，大多都在探索和研究之中。

3航空低容量噴霧在上水稻生產應用中存在的問題3.1航空噴霧霧滴易飄移蒸發

植保無人機噴霧高度遠高于地面噴霧設施高度，藥液霧化程度高，噴灑出去的藥液在空氣中飄移和蒸發問題十分突出，同一架飛機在5 m飛行高度時的防治效果遠低于3 m時的防治效果。水稻種植密度較大，尤其在封行以后，飛機噴灑農藥不能到達水稻下部，對于水稻中下部病蟲草害防治效果不能得到保證。

最初航空施用農藥過程中大多采用粉劑或粒劑，至20世紀50年代左右已經開始使用超低容量制劑（Ultralow Volume Concentrate，ULV），但霧滴飄移和蒸發問題一直未能得到有效的解決。國外采用在農藥中添加聚丙烯酸鈉、硬脂酸胺、廢蜜糖等作為水分蒸發抑制劑，我國則通常采用在有機磷中添加尿素（20%～25%）或磷酸二氫鉀（15%～20%）來抑制霧滴蒸發[17];中國農業科學院植物保護研究所篩選出波美10°的紙漿廢液、波美36°廢糖蜜和甘油等水分蒸發抑制以減少霧滴蒸發[18]，目前，在植保無人機上對于抗飄移并沒有太好的專用助劑。

3.2航空噴霧專用藥劑較少

最初用于飛防作業的農藥劑型稱為超低容量液劑，屬于一種油劑，通過植保無人機的噴頭后能形成60～100 μm的霧滴，黏度低、穩定性相對較好，目前國內外針對飛防專用藥劑進行了大量研究，但總體來說國內用于植保無人機的飛防藥劑較少，劑型主要集中于乳油、水乳劑、微乳劑、懸浮劑等。國內從事飛防專用藥劑較為成功的企業并不多，最早是廣西田園生化股份有限公司于2008年開始從事飛防藥劑研究，至2015年有成功的產品和專利;同時，深圳諾普信農化股份有限公司旗下的深圳雨燕智能科技服務有限公司也開始飛防藥劑混配技術與專用劑型研究;2011年，河北威遠生物化工股份有限公司也成立飛防項目組從事超低容量飛防專用藥劑研究;2012年，安陽全豐航空植?？萍加邢薰驹跉⑾x劑、殺菌劑、生長調節劑等方面陸續推出飛防專用藥劑;2014年，江西正邦科技股份有限公司研制出水稻病蟲害專用飛防藥劑。另外，南京善思生物科技有限公司在水稻、小麥、茶樹以及美國白蛾方面也推出了航空植保專用納米藥劑，并開始了大量水稻病蟲害田間試驗?？傮w來說，飛防專用藥劑的成功產業化仍然有很長的路要走，也需要政府和企業投入更多的研究力量。

3.3航空植保作業規范缺失

植保無人機飛防服務屬于一種新興行業，行業標準和監管比較滯后，從目前飛防服務來說，國家層面缺少服務標準，進入飛防行業的門檻較低，服務組織也良莠不齊。2018年，國家出臺了關于植保無人機的首個國家標準《植保無人飛機質量技術評價規范》NY/T 3213—2018，規定了植保無人機的作業環境、噴幅要求、飛行精度、飛行軌跡等，對于植保無人機質量規范和檢驗方法有了指導意義。2015年，重慶市出臺了《農用航空器電動多旋翼植保無人機》DB50/T 638—2015的地方標準;2016年，廣西省也出臺了《電動旋翼植保無人機技術條件》DB45/T 1330—2016;2017年，吉林省出臺了《植保無人機施藥防治黏蟲技術規程》DB22/T 2809—2017;2016、2017年，江西省分別出臺了《農業植保無人機》DB36/T 930—2016和《農業植保無人機安全作業操作規范》DB36/T 995—2017等2個標準;2018年，河南省出臺了《農用旋翼植保無人機安全及作業規程》DB41/T 1520—2018和《農用旋翼植保無人機技術條件》DB41/T 1521—2018。但總體來說，植保無人機的地方標準仍然很少，尤其是在植保無人機對于特定病蟲害的防治技術方面，2018年5月11日，陶氏杜邦公司農業事業部與深圳市大疆創新科技有限公司共同推出法砣殺菌劑與深圳市大疆創新科技有限公司MG系列無人機上的推薦飛防標準。植保無人機飛防服務行業仍然須要進一步規范，以推動和保障中國植保無人機行業的健康發展。

4航空低容量噴霧技術發展方向

4.1航空噴霧專用助劑研究

植保無人機施藥具有用水量低、霧滴粒徑細的特點，在噴灑后霧滴容易蒸發、飄失以及在靶標上流失，因此常常在藥劑中加入助劑來提高藥液在靶標植物葉片上的潤濕、附著、展布和滲透。國外對航空噴霧助劑的研究大多基于大型航空施藥飛機，并且主要集中在噴霧助劑對噴霧霧滴飄移、運動以及地面沉積等方面;國內助劑種類多但功能并不清楚，目前在水稻上常用助劑主要為一些油類助劑和高分子聚合物類，有機硅類很少用。筆者認為，航空植保專用助劑在水稻上的研究應當主要集中于抗飄移、抗蒸發、促沉降、增效減量幾個方面，通過添加助劑來增加霧滴粒徑，減少霧滴飄失、減少蒸發和促進霧滴更好地在植物表面進行展布。另外，飛防專用助劑也須要針對稻田夏季高溫的情況來進行研究，通常非離子型表面活性劑和礦物油在高溫干旱的情況下效果不太理想，植物油類助劑效果相對較好，在水稻上更加推薦用植物油類助劑來提高對稻田有害生物的防控效果。

4.2農用航空精準施藥技術

美國是目前農業航空裝備技術最先進、應用最廣泛的國家，精準農業技術手段如GPS自動導航、施藥自動控制系統、各種作業模型已步入實用階段，作業精準、高效，對環境的污染低[11]。隨著精準農業的發展，航空遙感技術、空間統計學、變量施藥控制等技術也用于美國農田產量以及植物的水分情況、營養狀況、病蟲害的監測。美國植保無人機的精準施藥技術發展對我國借鑒意義較大，要實現高效的農作物病蟲草害防治必須要實現精準施藥。無人機精準施藥的前提是形成精確的圖像實時處理系統，以彌合遙感和航空變量噴灑的差距。植保無人機不能僅作為噴灑農藥的工具，而應成為一種具備農藥航空遙感技術、精準導航控制技術、變量精準施藥技術的綜合載體。植保無人機將會具有臨時計算決策功能，植保無人機根據機載地理信息系統（geographic information system，GIS）、機載遙感測量系統（remote sensing system，RSS） 、精準導航系統（precision navigation system，PNS）、變量噴施系統（variable-rate spraying system，VSS）[10]獲取作物的病蟲草害信息，生成作物精準施藥處方圖，有選擇性地噴灑農藥，達到減少農藥用量、保護環境的目的。

4.3專業飛行人才的培養

飛行人才的培養在日本得到高度的重視，目前在日本拿到飛行執照的操控人員的人數將近15 000人。國內航空超低量噴霧仍然處于一種比較原始的狀態，無人機操控員（簡稱“飛手”）基本不懂植保專業知識，提供技術服務的大多為農藥經銷商，出于銷售農藥的目的他們所提供的技術支持與農藥具體效果、對環境的污染、成本的控制之間存在天然的矛盾。專業飛行人才的培養刻不容緩，要使飛手對水稻等農作物基本病蟲草害知識加深理解，做到因地制宜地搭配飛防植保方案，在適當情況下調整化學藥劑在田間的使用。國家須要以農機職業技能培訓鑒定機構，加大農村無人機植保培訓的投入，促進無人機植保類駕駛員培訓鑒定能力提升，推動“智慧農業”的實用人才隊伍建設，為農機化事業全程全面發展提供人才支撐和智力保障。

筆者認為，植保無人機行業的優越和先進性在于植保無人機至少改變了農業行業老齡化嚴重的狀況，很大一批年輕人愿意進入這個行業，甚至包括一些本身不是從事農業方面的，他們也嘗試進入農業這個行業。在未來航空噴霧技術應用上可以借鑒美國的成功經驗——組建農業航空組織體系，包括國家、省級、地市級各級服務體系，以企業和職業飛行人才為主，提高進入行業門檻。

航空植保防治技術是飛防服務利潤來源的基礎，尤其對于專業化防治組織來說，人才則是技術的保證。盡管目前有人認為，植保無人機行業的迅速發展存在一定過度宣傳和炒作，但就目前土地流轉的趨勢來看，植保無人機飛防領域是不可逆轉的，而水稻為我國種植面積最大的農作物，在其生產上的飛防技術推廣尤為重要。

參考文獻：

[1]李立軍. 中國耕作制度近50年演變規律及未來20年發展趨勢研究[D]. 北京：中國農業大學，2004：4.

[2]楊基華，馮中玉. 水稻病蟲草害正常防治與未防治對比研究[J]. 農業災害研究，2017（4）：19-20.

[3]婁尚易，薛新宇，顧偉，等. 農用植保無人機的研究現狀及趨勢[J]. 農機化研究，2017，39（12）：1-6.

[4]陸自強，束文學，祝樹德，等. 稻縱卷葉螟、白背飛虱同步遷飛與相關消長規律的研究[J]. 中國植保導刊，1990（2）：23-32.

[5]曾強. 航空植保的超低容量噴霧是目前最先進的農藥使用技術[J]. 時代農機，2015，42（7）：161-162.

[6]Freeman P K，Freeland R S. Agricultural UAVs in the U.S.：potential，policy，and hype[J]. Remote Sensing Applications Society & Environment，2015（2）：35-43.

[7]劉千里. 大疆創新MG-1問世，能給植保無人機行業帶來什么？[J]. 營銷界（農資與市場），2016（7）：70-73.

[8]顧旭東. 陶氏益農聯手大疆創新開創中國智慧農業新時代[J]. 農藥市場信息，2017（17）：23.

[9]Enderle B. Commercial applications of UAVs in Japanese agriculture[C]. 1st UAV Conference，2002.

[10]尹選春，蘭玉彬，文晟，等. 日本農業航空技術發展及對我國的啟示[J]. 華南農業大學學報，2018. 39（2）：1-8.

[11]薛新宇，蘭玉彬. 美國農業航空技術現狀和發展趨勢分析[J]. 農業機械學報，2013，44（5）：194-201.

[12]劉卓君，吳聲海，張龍杰，等. 植保無人機在會同縣防治水稻病蟲害的應用前景[J]. 農業與技術，2016，36（12）：18.

[13]劉慧強，董雪娟，費朝品，等. 小型植保無人機施藥防治稻飛虱的田間效果[J]. 中國植保導刊，2014（增刊1）：45-46.

[14]荀棟，張兢，何可佳，等. TH80-1植保無人機施藥對水稻主要病蟲害的防治效果研究[J]. 湖南農業科學，2015（8）：39-42.

[15]吳天長. 應用植保無人機防治稻飛虱減量用藥試驗[J]. 福建農業科技，2017（2）：1-2.

[16]丁紹偉，郭可婧，曾培青，等. 小型植保無人機防治稻縱卷葉螟田間試驗[J]. 現代農業科技，2017（7）：115，119.

[17]徐映明，胡祥恩，黃九根. 飛機低量噴霧防治稻蟲的研究簡報[J]. 湖北農業科學，1983（8）：21-23.

[18]李范. 水質微量噴霧技術簡介[J]. 植物保護，1989，15（6）：36-38.馬佳琦，劉鵬. 組蛋白H1的研究進展[J]. 江蘇農業科學，2020，48（13）：34-40.doi：10.15889/j.issn.1002-1302.2020.13.007