我国农用无人机在水稻生产中的应用现状与展望

肖汉祥，李燕芳，袁龙宇，张振飞

（广东省农业科学院植物保护研究所/广东省植保新技术重点实验室，广东 广州 510640）

对中国而言，粮食安全是保障经济安全、国家安全的基础。水稻是我国种植面积第二大的粮食作物，占粮食种植面积的35.6%。近年来随着工业化和城镇化的快速发展，农村劳动力向城市转移，农村劳动力短缺与农业劳动力需求的矛盾日益严峻；同时，农村的土地通过流转的方式向集约化、规模化、专业化、组织化相结合的新型农业经劳营方式发展，在新型经营主休下，原来有传统作业模式已难以满足现有大面积、规模化作业需求［1-3］。近年来，我国新型农业经营主体日益壮大。除从事传统农业经营的小规模农户之外，开展多种适度规模经营的专业大户、家庭农场、农民专业合作社和农业企业等新型农业经营主体不断涌现。农机跨区作业、代耕代种、土地托管、订单作业、“互联网+农机作业”等新型服务模式不断涌现，有力保障了我国商品粮安全和商品农产品有效供给。为适应这一新形势，农用无人机得到了快速发展，为促进粮食生产安全、粮食质量安全、农业生态安全，提供了有力的支撑［4］。

农用无人机是用于农林作业的无人驾驶飞机，由飞行平台（固定翼、单旋翼、多旋翼）、飞行控制系统、喷洒装备及其他附件组成，通过地面遥控或导航来飞行。农用无人机在水稻生产中最主要的应用是植保作业，此外还可以用于播种、施肥以及杂交制种中的授粉作业［5］。

近年来，随着技术的进步和人工智能的发展，农用无人机技术的发展越来越完善，同时在多个领域的运用得到了突飞猛进的发展。我国是传统的农业大国，随着无人机技术的快速发展，无人机在农业生产领域的运用范围越来越广。特别是在农作物病虫害防治方面，植保无人机的运用范围越来越大，既可以及时发现农作物病虫害的真实情况，还可以及时进行处理，其效率和实际效果都是原有的防治方式不可比拟的。这种迅速发展的主要原因是因为农用无人机具有以下优势［6-10］：（1）作业适应性广。无人机具有灵活、起降方便、作业高度可高可低等优点，在不同的水稻种植环境下都可以进行作业。（2）作业效率高。单架无人机每天可完成超过20 hm2的作业量，工作效率是人工的30～60倍。（3）作业质量好。雾滴更均匀地随着在作物表面，全自主飞行，有效减少重喷或漏喷。（4）成本低。农用无人机整体尺寸小，易保养，使用成本低。（5）操控人员安全系数高及作物损伤小。（6）使用简便、维护简单、自动化程度高，劳动强度低。

1 农用无人机发展现状

1.1 国外农用无人机发展现状

从世界范围来看，美国和日本的农用无人机技术处于世界领先水平，此外还有俄罗斯、澳大利亚以及巴西等国家，以上国家无论是在智能化设备及药剂研究上，还是在机械设备上，都居世界先进水平［9］。

美国是农业航空技术及应用最发达的国家之一，不仅具有先进的航空植保机械及完善的农业航空体系，而且具有国际上最为先进的施药技术。美国主要以大型农场专业化生产方式为主，建立了以大型地面植保机械和有人驾驶航空器为主体的防治体系［8］。近年来，美国航空植保经历了从有人驾驶直升机向无人机的发展，目前美国农用无人机主要应用在种子撒播、施药和施肥等生产中。在无人机技术方面，目前美国的研究热点主要集中在图像实时处理系统、变量喷洒系统和多传感器数据融合技术3个方面。此外，在农用无人机雾滴飘移方面，美国在较早前就进行研究，Teska等运用静态高斯模型法、高斯云团模型和物理角度方法，研发了著名的AGDISP（Agricultural sispersion）和AGDRIFT（Agricultural drift）模型，用户可以输入药剂、飞机类型、天气因素等，通过调用内部数据，预测可能产生的漂移范围［11］。

日本是最早将农用无人机用于农业生产的国家之一，1985年，日本雅马哈公司率先推出世界第一架主要用于农药喷撒的农用无人机Ymnaha-R50［4］。从20世纪90年代开始，日本使用无人直升机在水稻、蔬菜、果树上进行病虫害防治。因为日本人多地少且农户的平均种植规模较少，所以农用无人机在日本农业方面的应用发展迅猛［9］。从2004年开始，日本水稻生产使用中微小型农用无人直升机的数量已超过有人驾驶直升机，在水稻病虫害防治中，应用农用无人机进防治的水稻种植面积占45%［9］。在日本，农用无人机主要以雅马哈公司生产的为主，市场占有率达90%。除雅马哈公司外，还有yama Motor公司和铃木公司生产用于水稻等作业病虫害防治的植保无人机。从2015年开始，一些日本公司开始生产4旋翼、6旋翼和8放旋翼等多旋翼农用无人机［4］。2018年，日本JA广岛中央农业采用农用无人机进行种子撒播试验，播完12 kg水稻种子只需10 min，而地机机械则需要60 min，人工播种则时间更长（http://mini.eastday.com/mobile/180605220144110.html）。

俄罗斯地广人稀，拥有数目庞大的农用飞机作业队伍，数量高达1.1万架，作业机型以有人驾驶固定翼飞机为主，年处理耕地面积约占总耕地面积35%以上。澳大利亚、加拿大、巴西目前主要机型也以有人驾驶的固定翼飞机和旋翼直升机为主。

1.2 我国农用无人机发展现状

与欧美、日本等发达国家相比，我国农用无人机事业起步较晚，但近10年来，在国家一系列政策的支持下，我国农用无人机技术发展迅速。

2012年，我国农用无人机生产企业不足10家，农用无人机仅几百架［7］。随着2014年中央一号文件《关于全面深化农村改革加快推进农业现代化若干意见》中在“强化农业支持保护制度”中提出“建设以农业物联网和精准装备为重点的农业全程信息化和机械化技术体系，加强农业航空建设”后，加上资本市场的关注和追捧，当年农用无人机企业数量新增近百家，市场保有量700架左右［1］。2017年，国家农业部、财政部、中国民航局共同颁布《关于开展农机购置补贴引导植保无人机规范应用试验点工作的通知》，决定在浙江、江西、湖南、广东、安徽和重庆等6个省市开展植保无人机购置补贴试点工作，政策的支持对国内农用无人机的普及和发展起到了巨大的推动作用［5］，2017年农业部农技推广中心发布全国在用的植保无人机数量达1.4万架次，年作业面积达547万公顷次［1］。2019年累计销售农用无人机约3万台，2020年特殊大环境下，全国农用无人机行业的发展速度实现了翻倍，累计销售量已经达到6万台，与此相应的，农用无人机保有量已达11万台［5,12］。

目前，我国农用无人机产品型号、品牌众多。按机型结构划分，可分为单旋翼无人机、多旋翼无人机和固定翼无人机；按动力系统划分，可分为油动无人机和电动无人机。据统计，我国农用无人机机型约233种，其中多旋翼机型168种占78.1%，单旋翼机型64种占27.5%，固定翼1种约占0.4%；油动无人机46种占19.7%，电动无人机187种占80.3%［10,12］。上述数据表明，当前我国农用无人机以电动多旋翼机型为主。

由表1可知，由于电动多旋翼无人机在操作、维护和培训等方面具有显著的优势，预计未来几年内，我国农用无人机仍将以电动多旋翼为主。

表1 不同类型农用无人机优劣势比较Table 1 Comparison of advantages and disadvantages among different types of agricultural UAV

2 农用无人机在水稻生产中的应用现状

2.1 在水稻植保上的应用现状

我国2017年水稻种植面积306万hm2，但由于人口众多以及土地分散，户均种植面积仅为1.15 hm2左右［4］。近年来我国水稻耕地、插秧、收割都基本实现了机械化，但水稻病虫草等有害生物的防治仍以人工防治为主［13］。近年来，随着我国专业化统防统治工作的不断推进，传统小型背负式喷雾器械已不能满足快速发展的专业化防治需求，高效、适用范围广的植保无人机在水稻植保上的应用得到了迅猛的发展。

防治效果是检验新型植保器械有效性的唯一标准，作业参数如飞行高度、速度以及每667 m2用药液量等是影响农用无人机防治效果的主要因素。一般推荐飞行高度离水稻冠层1.0～2.5 m，飞行速度≤4 m/s，用药液量1.0～1.5 L/667m2。

近年来，针对植保无人机作业参数对雾滴和防治效果的影响，前人进行了一些探索。2012年张京等开展了小型无人驾驶直升机喷雾参数对药液雾滴沉积效果影响的研究，试验结果表明雾滴分布从水稻冠层上部到下部逐层减少，并且随飞行速度的增加而减少［14］。邱白晶等采用二因素三水平试验方法，开展了无人直升机飞行高度、飞行速度两因素间的交互作用关系及对喷雾沉积浓度、沉积均匀性的影响研究，研究结果表明飞行高度、飞行速度及两因素间的交互作用对沉积浓度和沉积均匀性的影响极显著［15］。陈盛德等研究了HY-B-10L型无人直升机喷雾参数对杂交水稻冠层雾滴沉积分布的影响，结果表明随着高度的增加，植株冠层上方的垂直风场减弱，雾滴沉积量逐渐减少；作业速度越低，沉积在飞机下方的雾滴量就越多［16］。薛新宇等应用N-3型无人机研究了不同飞行高度对稻飞虱和稻纵卷叶螟防效的影响，结果表明，飞行高度对稻飞虱和稻纵卷叶螟防治效果的影响为3 m＞5 m＞7 m，在同一飞行高度，施药量与防治效果成正比，此外无人机施药的防治效果高于担架式喷雾机的施药防治效果［17］。

针对喷施不同药液量对雾滴和防治效果的影响，国内报道不多。作者于2017年6月联合华南农业大学在广州增城使用TXA-翔农六旋翼电动无人直升机，研究喷施不同药液量对雾滴的影响，结果表明喷施药液量1.8 L/hm2的雾滴密度、雾滴覆盖度和沉积量是施药液量1.2 L/hm2的1.51倍、1.57倍和1.68倍（未发表）。作者于2019年9月联合华南农业大学在广东高要使用极飞P20电动无人机，研究喷施不同药液量对稻纵卷叶螟防治效果的影响，结果表明在水稻分蘖期和破口期喷施药液量1.5 L/hm2的防治效果比喷施药液量1.0 L/hm2的防治效果分别提高5.98%和3.81%（未发表）。兰波等开展植保无人机施药防治水稻纹枯病的田间试验，结果表明植保无人机施药对水稻纹枯病的防治效果与用药液量呈正相关，2016年在江西泰和试验结果表明无人机用药液15.0 L/hm2的防效显著高于人工电动喷雾的防效；2017年在江西南昌试验结果表明无人机用药液7.5～15.0 L/hm2的防效显著低于人工电动喷雾药液的防效［18］。

近年来，我国在应用农用无人机防治水稻病虫草害有不少相关报道。颜贞龙等报道在使用相同药剂条件下，在水稻分蘖盛期和孕穗末期，植保无人机施药对纹枯病防治效果均明显优于常规电动喷雾机施药的防治效果；植保无人机施药对水稻二化螟的防治效果明显优于常规电动喷雾机施药的防治效果［19］。荀栋等报道，在水稻分蘖后期，喷施相同药剂，植保无人机施药对水稻稻飞虱和稻纵卷叶螟的防治效果均优于传统人工喷雾器喷洒的防治效果［20］。肖晓华等报道植保无人机施药，对水稻稻飞虱、稻纵卷叶螟和纹枯病的防治效果优于静电机动喷雾机、机动喷雾机和背负式电动喷雾器施药的防治效果［21］。宁国云等报道植保无人机施药对水稻植株上部病虫害稻纵卷叶螟和稻曲病的防治效果高于背负式电动喷雾机，与担架式机动喷雾机施药的防治效果相近，但对水稻植株基部病虫害稻飞虱、纹枯病的防治效果低于担架式机动喷雾机，与背负式电动喷雾机施药的防效相近［22］。彭志清等报道，在农药使用量减少20%时，无人机施药对稻飞虱、稻纵卷叶螟、纹枯病和稻曲病的防治效果均呈下降趋势［23］。肖汉祥等报道，在水稻分蘖末期和破口期，植保无人机喷施纳米农药对稻飞虱和稻纵卷叶螟的防治效果明显优于植保无人机喷施常规药剂和常规电动喷雾喷施常规药剂的效果［24］。柏超研究了无人机施药在水直播稻田杂草防除中的应用效果，结果表明，应用植保无人机在单晚水直播稻田喷施除草剂防除杂草，其防除效果与担架式机动喷雾机相近，作业效率高，喷洒均匀度相对较高［25］。张顾旭等研究了植保无人机施药与常规药械施药对直播水稻田禾本科杂草防除效果，结果表明使用植保无人机施药更均匀，可减少重喷、漏喷现象，且使用植保无人机每667 m2施用40%氰氟草酯油悬浮剂120 mL与使用常规担架式喷雾机每667 m2施用40%氰氟草酯油悬浮剂150、200 mL对禾本科杂草的防效相当，并可节省用水量96.7%［26］。

2.2 在水稻播种上的应用现状

近年来水稻机械直播逐渐成为我国水稻种植提质增效的重要途径，我国一些山地、丘陵水稻田高低不平且种植面积小，传统的地面大中型撒播机械不太适用，即便在平原地区的水稻田，大中型地面撒播机械也容易发生陷车事故，上述问题阻碍了我国水稻机械直播的快速发展［27］。农用无人机播种具有作业效率高、作业不受地形限制以及生产成本低等地面撒播机械无可比拟的优势，可提高水稻栽培机械化、轻简化和智能化水平，节约水稻生产成本，提高水稻生产效率和种植效益［28-29］。据不完全统计2021年广东省早稻水稻精量穴直播和无人机直播面积近1.67万hm2。

目前，我国农用无人机飞播种植方式主要有无序撒播和有序条播两种形式。其中无序撒播采用圆盘转动将稻种甩出，种子在田间呈现无序、均匀分布；有序条播采用多个播种器将稻种排入定位管道吹出，种子在田间呈现有序成行、均匀分布。

在农用无人机播种方面，我国科研工作者进行了不少研究。2014年李继宇等进行了无人机撒播试验，结果显示0.09 hm2水稻田只需305 s就可以完成稻种撒播，平均有效穗数为321条/m2，平均穴数为38穴/m2，平均产量为7 705.5 kg/hm2［30］。岳进等研究了无人机离心播种在水稻中的应用，结果表明无人机播种的产量为413.5 kg/667m2，略低于对照的440.0 kg/667m2，但收入增加225.8元/667m2［29］。胡文威等研究了不同类型水稻机直播对比试验，结果表明无人机直接效率为2 min/667m2，远高于机械直播15 min/667m2的效率和喷粉机直播12 min/667m2的效率［31］。程鹏等研究了直播方式对水稻生长特性及产量影响，结果表明无人机直播较穴直播、人工撒播在苗高、叶龄、带蘖数、白根数、干物质重量等秧苗素质指标方面有显著优势；无人机直播的产量为454.9 kg/667m2，高于人工撒播的产量417.9 kg/667m2，但比穴直播的产量509.3 kg/667m2低［32］。

2.3 在水稻制种上的应用现状

水稻是自花授粉作物，而杂交水稻制种必须依赖异花授粉，因此杂交水稻制种需要人工辅助授粉［33］。国外发达国家在杂交水稻制种中基本实现了机械化，而我国主要依靠人工采用绳索拉粉、双短杆赶粉、单长竿赶粉等人工辅助授粉。近年来，随着农村劳动力逐年减少，以及农村从业劳动人员年龄偏大，导致劳动密集型的杂交水稻制种工作迫切需要转变劳作模式，亟需实现杂交水稻制种全程机械化。我国农用无人机的迅速发展，为杂交水稻制种辅助授粉机械化提供了可能。

农用无人机辅助授粉，一般在父母本抽穗开花期每天10：30～12：30进行，每天授粉3次，每次间隔30 min左右，飞行高度2～2.5 m，飞行速度约3～5 m/s。

吴辉于2014年利用单旋翼电动力无人机对水稻进行授粉试验，结果表明父本种植厢宽在1.2～2 m、母本种植厢宽在7～12 m时较适合单旋翼电动力无人机授粉，母本平均异交结实率44.3%，平均产量3.1 t/hm2［34］。刘爱民等2012—2015年进行了单旋翼农用无人机辅助杂交水稻制种授粉效果试验，结果表明父母本行比6∶40～60，单旋翼农用无人机辅助授粉的结实率和产量可达到甚至高于人工辅助授粉［35］。唐荣等2016年进行了3种类型的农用无人机辅助杂交水稻制种授粉效果试验，结果表明利用单旋翼油动力农用无人机授粉的母本异交结实率平均为41.48%，平均产量为213.13 kg/667m2；利用单旋翼电动力农用无人机授粉的母本异交结实率平均为39.80%，平均产量为199.97 kg/667m2；利用多旋翼电动力农用无人机授粉的母本平均异交结实率也为33.33%，平均产量为155.55 kg/667m2；人工授粉平均产量为160.52 kg/667m2［33］。林金平等2020年报道，利用大疆MG-1P植保无人机辅助授粉的结实率为33.0%，人工拉花授粉的结实率为32.4%［36］。

3 农用无人机在水稻生产应用上的存在问题

3.1 相关政策法规和标准滞后

政策法规方面，农用无人机涉及农业（农机）、民航、工信等几个部门，目前还未明确由哪个部门来负责统筹管理，国家也未出台农用无人机方面的政策法规，只能沿用民航政策法规，针对性不强［37］。另外，在应用方面的标准，特别是在生产制造、质量检测、推广鉴定、作业规程以及作业质量等标准也缺乏或不健全。

3.2 电池续航时间短，载荷量相对较小

农用无人机行业发展迅猛，但当前无人机电池的续航时间一般是10～20 min。电池续航能力差，若作业面积大，则须同时携带多块电池或携带充电器，一方面电池的价格较贵，另一方面田间充电不方便，导致了农用无人机无法持续作业，作业量受到了一定的限制。

目前我国农用无人机载荷量一般在5～20 L之间，其中以10～15 L为主，载荷量小增加了往返起降以及添加药液的时间，降低作业效率。2020年广州极飞科技公司新推出的极飞P80农用无人机载荷量增加到35 L，但售价相对较高。

3.3 专用药剂研究滞后

农药剂型是影响农药实际使用效果的一个极其重要的因素，优良的剂型能改善药滴雾化过程、减少雾滴飘移、提升农药在作物表面的持留量等，从而提高农药利用率［3］。植保无人机采用低容量或越低容量喷雾，超低常量液剂必须具备抗蒸发、防漂移和安全性高的特点［10］，但目前植保无人机喷施农药防治水稻病虫害仍以常规农药为主，专用药剂和助剂的研发严重滞后，另外相关的农业主管部门也未开放植保无人机专用药剂注册登记，导致目前植保无人机配套专用制剂严重缺乏。

3.4 飞播种植水稻种子存活率难以保障

飞播种植对水稻田块要求较高，如水稻田块高低不平，撒播在低洼地带的种子受到水淹而不发芽，而撒播在高处的种子则因为吸收不到水以及太阳的暴晒也无法发芽。此外，无人机飞播的种子直接暴露在田地的表面，容易被鸟类寻食。以上因素导致飞播种植的水稻种子成活率难以保障。

3.5 全年有效工作时间短

由于农用无人机工作效率高，且水稻播种及病虫害防治具有一定的时效性，导致农用无人机植保作业、飞播水稻、撒施肥料等方面有效工作日少，全年大部分时间处于闲置状态，在一定程度上造成了农用无人机资源的浪费。

4 对加强我国农用无人机发展应用的建议

4.1 完善相关政策法规及体系标准

由于我国农用无人机市场门槛较低，监管法律法规欠缺且相关行业标准不够健全。为促进农用无人机产业健康发展，需明确政府主管部门，由其负责完善政策法规，并及时制定出台相应的产业规范、市场准入制度等，通过政府部门的监督和管理，保证农用无人机产品质量。另外，国家主管部门应该牵头组织高校、科研单位和生产企业制定生产制造、质量检测、操作规程、作业规范等国家技术标准，完善农用无人机体系标准的建设。各地方主管部门要根据国家技术标准，结合本地实际情况制定适合本地的地方技术标准。

4.2 加强电池的研发

高有效载荷量、高效率、长航时农用无人机是未来发展趋势。目前农用无人机使用的电池多为传统锂电池，随着当前科技的高速发展，科研机构及无人机生产企业应加大电池蓄电能力的研究，使电池容量更大更合理。目前半固体锂电池研发已有所突破，并将在未来成为现实，半固体锂电池的容量是传统锂电池的2倍，搭载这种电池的农用无人机续航时间会更持久，这将为农用无人机大规模作业提供更可靠、稳定的动力保障［38］。

4.3 引导常规药剂的飞防登记，加强专用药剂和助剂的研究

针对当前植保无人机喷施农药防治水稻病虫害仍以常规农药为主的现状，应参考日本和韩国等国家的登记管理办法，农药登记管理部门委托具有资质的科研单位开展相关田间试验，建立健全飞防药剂登记管理制度，引导飞防药剂的规范化使用。

在现在的常规药剂的基础上，加强抗蒸发、防漂移和安全性高的飞防专用药剂和助剂的研发。目前许多高校、科研单位和农药企业开始投入到农用无人机飞防制剂和助剂的研发中，特别是适用于农用无人机的纳米农药新剂型研究已经成为农药领域的研究热点之一。目前纳米农药在多地用无人机喷洒进行了病虫害防治试验，结果表明纳米农药防治效果比常规农药的防治效果好［39-40］。

4.4 加强水稻种子丸粒化包衣技术研究

无人机撒播的种子暴露在田地表面上，容易遭到鸟类寻食，因此鸟害严重。此外，无人机撒播后的田块和传统的移栽田块不同，直播田不能有水，故直播田草害相对严重。针对上述问题，广东省农业科学院植物保护研究所冯夏研究员近年来进行水稻种子丸粒化包衣技术研究，包衣里驱鸟剂和除草剂。近2年含有驱鸟剂和除草剂的包衣种子在广东部分水稻种植区进行试验，取得不错的效果。

随着农村劳动力逐年减少和农村从业劳动人员年龄偏大，以及国家政策方面的大力支持，我国农用无人机得到快速发展，农用无人机的应用得到广泛推广。农用无人机植保作业、飞播水稻、撒施肥料等必将成为重要的发展方向和保障国家粮食安全的重大措施，农用无人机产业将成为我国农业的战略性新兴产业。