植保无人机在茶园的应用与发展前景

肖强，王志博，郭华伟

中国农业科学院茶叶研究所，310008

近年来，农用植保无人机在农作物植保上的应用越来越普遍。据统计，2017年全国植保无人机数量达1.4万架，年作业面积8 200多万亩次（1亩=666.7 m2），作业对象包括水稻、玉米、小麦、棉花、柑橘和茶叶等，并且取得了理想的防治效果，积累了防治经验，成为作物植保器具开发应用的新方向[1]。就在这一年，出现了河南安阳百万亩小麦的统防统治作业、新疆百万亩辣椒脱叶剂作业、安徽泗县30万亩玉米与大豆统防统治和杭州万亩次西湖龙井茶园的绿色防控等4个植保无人机田间飞防的热点事件，使2017年成为植保无人机防治极具标志性的一年，被定义为植保飞防的元年。其中杭州万亩次西湖龙井茶园的飞防，因无人机在丘陵地形操控难度大、对飞行器和操控手带来巨大挑战而倍受关注[2]。

一、植保无人机发展概况

植保无人机是随着农业航空领域的不断发展而发展的，由于其灵活性强、靶标明确、环境污染少、省力又省药等优点逐渐成为该领域的主力军。1987年，世界第一台喷药无人机R-50诞生于日本Yamaha公司，成为无人机植保的开端。2010年我国第一架商业农用植保无人机问世，随后几年无人机通过不断演示、试用，逐步进入生产领域[3]。2017年我国农用植保无人机的保有量已超万台，成为全球农用植保无人机保有量第一的国家[4]。2018年，我国首个植保无人机标准《植保无人飞机质量评价技术规范》开始实施[5]。根据预测分析，2018—2026年无人机整机市场空间约300亿元，植保服务每年市场空间约500亿元，发展前景广阔。

目前，植保无人机按照动力系统和旋翼结构等分成不同类型。从动力系统看，可以分为燃油动力与电池动力2种。燃油动力无人机具有载荷大、抗风、续航能力强等优点，但成本相对较高，整体维护以及操作较难；电池动力无人机具有成本低、飞行稳定、操作简单、轻便灵活等优点，市场占有率较高，达到80%以上。按旋翼结构，无人机可分为固定翼、单旋翼和多旋翼3种类型。固定翼无人机主要应用于农田信息采集和农田遥感，具有载量大、飞行速度快、作业效率高等特点；单旋翼无人机具有抗风能力强、飞行稳定、雾化效果好、下旋气流大、穿透力强等特点；多旋翼无人机造价相对较低、简单易学、对飞手要求低[4,6]。

纵观全球植保无人机发展，日本是无人机飞防发展较好的国家，现拥有登记在册的植保无人机3 000多架，作业面积超过100万hm2，相应地建立了比较完整的无人机培训、保险服务、社会化服务等配套措施[3-4]。美国是农业航空应用技术最成熟的国家之一，具有农业航空相关企业2 000多家，具备完善的协会管理制度。但其农作物生产以大农场为主，因此，往往使用工效比更高的有人机进行植保作业[7]。在用飞机数量4 000架左右，年作业面积占总面积40%以上，其中水稻植保作业完全采用航空作业方式[1,3]。其商业化无人机主要用于精准遥感监测与图像识别[4]。相比之下，我国植保无人机发展起步较晚，但发展迅速，拥有数量已经达到世界第一，不过作业面积尚不到耕地面积的3%，与农业航空较发达国家相比，仍有较大的差距，同时也说明我国未来在农业航空方面还有着广阔的发展前景[1]。

二、植保无人机在茶园病虫害防治中的应用

随着茶园用劳动力的紧张和茶树病虫害施药技术发展，茶园作业“机器换人”日益增加，应用植保无人机开展施药已成为茶园植保的发展趋势。茶园植保无人机的应用是伴随着我国植保无人机的发展而发展的，2013年前后多款无人机在多地茶园开展演示、试用，2017年，杭州西湖龙井茶区大面积、全年的植保无人机作业开启了茶园植保施药技术的新纪元，2018年西湖龙井茶区更是实现了全年全域全覆盖采用植保无人机作业防治茶园病虫害，全年作业面积达到了8万亩次（内部统计资料）。近2年来，茶园植保无人机不仅在浙江的杭州、安吉、余姚等地，也在贵州、福建和广西等省不断试用和推广，为茶园“机器换人”提供了可实现的途径。植保无人机能较好应用于茶园病虫防治的田间作业，既有无人机方面的比较优势也有茶园的适用性。

从无人机方面看，与传统人工喷施相比，具有效率高、节水节药、喷洒均匀等特点[8]。一般认为采用无人飞机喷洒可以节约10%～20%的农药使用量，节约90%的用水量，其作业效率是地面机械的5倍，达到人工常规喷洒的30倍以上，可大幅度降低劳动力成本[9-10]。无人机的导航技术也在日益创新，现在可实现根据茶园生产区域跨距预先定位，规划航线可自主接力喷雾，从而减少漏喷、重喷现象，提高施药质量；无人机作业时还可使其与茶树的距离缩短到2～3 m，旋翼产生的下旋气流使药液在茶树中的垂直结构上穿透力更强，更有效地到达茶树的靶标部位，以实现更高的药效[11]。在施药安全上，飞手可以通过远程操控无人机，远离施药现场，有效减少了施药人员受到农药污染的机会。

从茶园及其病虫害的发生特点看，茶树是多年生常绿作物，常规的田间管理可以使茶园形成相对整齐的蓬面，而为害茶树的主要害虫茶小绿叶蝉、茶尺蠖和螨类均大多分布在蓬面[12]，无人机在茶蓬面上空喷雾，既能有效控制茶树主要害虫的为害，又减少了药液的浪费，同时还保护了在茶园蓬内的天敌资源。

三、植保无人机在茶园中使用存在的主要问题

植保无人机茶园作业具有许多优点，但目前仍处在起步阶段，无论对无人机性能要求还是在茶园的使用技术等，还存在需要解决的问题。

一是无人机作业续航时间短，现有的电动无人机单次飞行电池可持续时间仅为15～30 min，需要经常更换电池或充电，影响作业效率；而油动无人机单次飞行虽可超过1 h，但由于机身灵活性较差，难以适应茶园这样复杂的山地条件。二是缺乏飞防专用药剂，无人机喷药浓度与人工喷药不同，其用水量极少，药液浓度大，如若选择不当会出现农药结晶结块、堵喷头、飘移和药害等问题。目前，商业化的茶园飞防用药基本空白[2,11]。

另外，茶园的立地条件和空中施药技术也是无人机在茶园飞防作业需要考虑的另一方面问题。茶园不同于单一型的大田作物，其种植地形呈现多样性，除较为平整的台地茶园，更多的是分布在山地的不规则茶园，且往往还间种不同的树木，对无人机来说飞行环境复杂、操控难度大、作业困难。同时，无人机的空中施药作业与传统的地面人工喷雾是有区别的，在常规作业季节，空中下压式超低用液量、高浓度施药对茶树病虫的防治效果和茶叶农药残留的动态变化尚未掌握，高温条件下高浓度药液对茶树叶片的损伤情况以及高温对雾滴蒸发、飘移的影响等尚未开展系统的分析，如何更高效地在茶园使用无人机飞防技术有待持续开展深入研究。

四、植保无人机在茶园中的应用前景

尽管植保无人机在茶园使用还存在一些问题，但在茶园推广应用植保无人机进行病虫害防治无疑是一个发展方向，需要从应用技术和组织措施两个方面来强化植保无人机在茶园的应用基础。

在茶园应用技术方面，随着无人机飞行稳定性和智能化等技术的迅速提升，田间防治技术将会日趋成熟。更强功能电池的研发，将会有效解决无人机续航时间短的问题。大疆公司2019年推出的一款新型更简便、灵巧和多功能的操控系统，可实现一人操控多台无人机，不仅大大提高了无人机的作业效率，而且也在一定程度上解决了当前专业飞手紧缺问题。智能化技术不断应用于无人机的飞控系统，使得在复杂地形茶园作业的无人机变得更轻松。目前，已陆续展开植保无人机低空低容量施药对茶园主要害虫的防效以及农药残留动态的研究，多家农药公司对开发飞防专用药剂表现出浓厚的兴趣并已着手研发，将为规范茶园无人机作业提供技术和产品基础。

在组织措施上，要强化和推进飞防社会化服务组织。植保无人机施药作业有别于传统的人工喷药方式，提供专业化、定制化的农技服务是基础。而专业化、定制化的农技服务，需要培育和打造一批优质的飞防社会化服务组织，从而能有效实施植保无人机在茶园应用这样的专业化和定制化技术。这些年来，农飞客、极飞和浙农飞防等社会化服务组织相继进军茶园植保飞防领域，为植保无人机在茶园的应用积累了经验。下一步无论是社会化服务组织的发展还是茶园飞防作业的大面积应用，都需要有序整合各方资源，搭建信息共享平台，充分发挥政府政策的驱动作用，组建新型的区域基层技术支撑体系，建立和不断完善行业标准，加强市场和行业监管，才能促进植保无人机在茶园应用的持续健康发展。