无人飞播水稻优质丰产“无人化”栽培技术体系探讨与展望

朱海滨 马中涛 徐栋 凌宇飞 魏海燕 高辉 邢志鹏 胡群张洪程

（扬州大学/江苏省作物栽培生理重点实验室/江苏省粮食作物现代产业技术协同创新中心/江苏省优质粳稻产业工程研究中心，江苏 扬州225009；第一作者：13952421203＠163.com；*通讯作者：huqun＠yzu.edu.cn；hczhang＠yzu.edu.cn）

近年来，随着中国经济的迅猛发展，越来越多的农村青壮劳动力进城务工，致使农村劳动力不足，但当前的农业生产尚未完成智能化、“无人化”转型，仍有巨大的劳动力需求，这就形成了日益突出的矛盾。在业内开始寻求轻简化栽培技术体系的时刻，我国正蓬勃发展的无人机产业给未来农业发展指出了一条可行的道路，利用农用无人机完成水稻的种子播种[1]、群体质量调查与撒肥[2]、田间病害检测与撒药作业[3]等一系列生产任务。

水稻无人飞播技术本质上是一种以农用无人机进行的水稻水直播技术。尽管直播稻在草害[4]、倒伏[5]、产量[6]等方面的竞争力不如移栽稻，但其省时省力、高效节本的特点是移栽稻无法比拟的，并且其在现代耕作技术、现代栽培管理技术的支持下获得了很大的进步[7]。目前我国直播稻技术主要是采用机直播方式，以有人驾驶的大型地面机械为平台进行大面积作业，实现水稻生产的低成本和高效率。无人飞播技术同样具有以上优点，并且无人机在面对复杂地形时不存在运输行进不便的问题，这使得无人飞播技术优势更加明显[8]。无视地面复杂地形这一优点亦使得无人机获取田间数据更加迅捷和准确，如植株水分利用率[9]、植株氮素含量[10-11]、生物量[12-13]和病虫害[14]监测以及倒伏区域识别[15]等，这为农艺措施决策起到极为重要的辅助作用。此外，无人机还可以通过更换部件进行施肥、撒药等，更深程度地参与大田农艺管理。因此，无人机可以同时作为农业生产实践平台和大田信息收集平台[16]，是实现农业轻简化生产的理想途径。无人机将作为未来农场的重要农机设备，与田间地面监测系统、大田信息收集处理与决策系统一同实现智能化和“无人化”。文章综述了农用无人机的发展、分类与适合无人飞播的水稻“无人化”栽培技术体系，为未来农用无人机发展和水稻生产“无人化”提供参考。

1 农业航空飞播技术的发展

农业航空飞播技术指通过使用各种农业航空作业平台，联合农业航空遥感监测技术对农作物或草木进行播种的技术[17]。现存最早的农业航空播种记录是1918年美国使用有人驾驶飞机进行农业播种作业[18]。首次使用无人机进行农业生产的国家是日本，于20世纪90年代在北海道地区开始尝试应用。随着无人机行业的技术进步，无人飞播技术的播种效率、精准度、均匀度等都有了显著提升，日本于2004年起用于农业生产的无人机数量超越有人驾驶飞行器。因此，无人飞播成为一种新趋势[19]。

我国于20世纪50年代开始使用飞机进行播种造林活动，1959年四川省凉山彝族自治州首次实现成功作业。我国早期使用的农业航空器以经简易改装的运-5飞机为主，只能适用于对精度和均匀度要求不高的草本类植物[1]。经过数十年发展，我国农业航空作业已由单一的有人驾驶航空器作业发展为有人驾驶航空器作业和无人驾驶航空器作业并存，后者仍有巨大发展潜力。我国农用无人机目前主要应用于植保[20]和观测[21]方面，在水稻播种方面仍处于起步阶段，尚未成为一种主要播种方式。

2 水稻播种无人机分类

目前市场上销售的农用无人机机体以旋翼数分为单旋翼无人机和多旋翼无人机，前者主要以燃油为动力，具有载重量大、续航长、抗风性强的优点，但其价格昂贵、操控难度大、技术复杂；后者主要以电池为动力，具有操作容易、结构简单、易维护的优点，但其抗风性差、续行较差、载重量较小。现阶段国内农用无人机的主要消费群体为中小型农户、无人机职业操作者和基层涉农单位，他们更注重无人机的操作难度和日常维护难易程度，故我国目前乃至未来几年的市场都将是以多旋翼无人机为主。我国农业无人机生产厂商主要有大疆、极飞、羽人等公司。深圳市大疆创新科技有限公司是世界消费级无人机领域的巨头，市场份额常年全球第一，T30是该公司最新农用无人机型号，配有40 L撒播作业箱和具有40 kg最大载重能力，作业效率为每小时16 hm2；广州极飞科技有限公司是国内最早开始商用无人机研发、制造与应用服务的企业之一，是主打农用无人机研制的先进公司，P80是该公司主打新品，具有80 kg的标准起飞重量，载荷比高达0.45，可以搭载35 L睿喷智能药箱或60 L睿播智能料箱；羽人无人机（珠海）有限公司以精确直播无人机闻名，其产品可播出水稻株行距，谷上飞10/20 KG水稻精量直播无人机可以调节行距20～30 cm，作业效率达到每小时2 hm2。

目前市场上主流的排种器根据原理可分为离心式和气力式。前者靠离心力将种子均匀排入输种管，具有适用于高速作业、可播撒多种作物种子或颗粒状化肥、不易伤种、结构简单的优点[22]；而后者靠气流的作用力实现精密播种，又可分为气吸式、气压式、气送式，具有播幅宽、均匀性高、调控简便准确的特点[23]。相对于地面播种机械，农用无人机体积小、续行较短、稳定性较差，更适合选用离心式排种机作为飞播部件，但离心播种的落种区域呈圆弧形，均匀性差，重播漏播风险大，故气力式排种机仍然具有部分市场[24]。珠海羽人农业航空公司精量条播机利用高压气体将种子弹射至土中，减小了机翼气流和外界气流对种子播撒轨迹的扰动[25]，这对于提高无人飞播的落种均匀性和种子入土深度是极具启发性的。黄小毛等[26]设计出一种无人机电驱离心条播式排种装置，体积小巧，配合专用导种装置，能够有效抑制旋翼气流对下落种子的扰动，实现高速、精量条播。而宋灿灿等[27]设计出一种利用气流将种子沿不同的方向吹送出去以改善撒播均匀性效果的撒播装置，发现在2 m的作业高度使用130°的锥角时落种均匀性受机身气流影响较小，均匀性较好。

无人飞播均匀性除了受排种器种类影响外，与播种连续性也有较大关系。国内外分别有通过光电传感[28]、高频无线电波[29]、电容[30]和机器视觉[31-32]监测种子漏播与断条现象，甚至以此作为调控实时播种速率的依据[33]。但电容法对小型种子播量监测精度低，因为小型种子通过电容传感器时引起的电容变化较小，监测系统易受寄生电容和环境的影响；机器视觉法则对农机作业环境要求较高，并且其设备成本高昂，亦无法满足无人机的作业需求[29]。

3 无人飞播水稻栽培技术体系要点

3.1 播种方式

水稻无人飞播技术本质上是一种基于农用无人机平台，对水稻种子进行播种的直播技术。水稻直播技术是指水稻种子直接由人工或机械直接播种于大田，不需要先苗床育秧、后移栽至大田的播种技术[34]，其根据土壤水分状况以及播种后的灌溉方法可以分为以下3种：1）旱直播，即将干种子播入干土壤或含水量低于饱和田间持水量的土壤[35]；2）湿润直播，即将干种子或预萌发的种子播入含水量约等于饱和田间持水量、未有明显水层的土壤[36]；3）水直播，即将预萌发的种子播入具有一定水层的土壤[37]。无人飞播技术主要采用水直播（或湿润直播）方式，以提高种子发芽率、出苗整齐度和促进根系下扎，减少后期倒伏风险。

水稻直播技术又可按照播种方式分为撒直播、点直播和条直播，目前无人飞播以撒直播和条直播为主要播种方式。撒直播由于其播种部件体积小，结构简单，被大疆、极飞等公司普遍采用，并广泛用于水稻生产。四川农业大学伍志军团队的撒播无人机能够在丘陵地区智能筛选路线，自动调节飞行高度和撒播速度，效率为每小时0.8 hm2，是人工撒播的18倍，其水稻产量经测算约550.0 kg/667 m2，高于四川省平均水平。长江大学卢碧林团队使用撒播无人机对水稻飞播、飞施、飞防、飞测作业，经实测验收，产量达到641.8 kg/667 m2，比对照田块增产11.5%，每667 m2节本增效200元以上。但是由于无人机飞行的稳定性较差，加上种子下落时易受旋翼产生的扰流和外界大气流动影响，撒直播作业均匀度较差。相比于撒直播，条直播需要的部件体积大、质量高，会在相当程度上减少无人机仅有的载重量，且对无人机空中飞行稳定性造成不良影响，这对于无人机机械性能是一种较大的考验。但珠海羽人农业航空公司注意到条直播对于水稻精确定量播种的重要性，以条播无人机为特色，在农用无人机市场上独树一帜。2020年清远市展示利用羽人精量直播无人机进行水稻种植作业，它在5 min内可以播种0.27 hm2，是人工作业的20倍，相较于移栽稻能够减少50%以上成本。

3.2 机型选择与飞行参数

结合田块大小、无人机续航能力与操作难度综合考虑，一般选择载重量不低于10.0 kg的水稻直播无人机，载重量介于16.0～20.0 kg的无人机为最佳选择[8]，但亦有学者认为有效载重量为10 kg的机型处于效益曲线最佳结合点[17]。

水稻直播无人机一般以离地0.4～3.0 m高度、在空中以3.0～6.0 m/s速度作业。对于撒播无人机，其作业幅宽不应低于4.0 m；而对于条播无人机，其作业行距应为20.0～30.0 cm，行内种子最大离散距离不应超过8.0 cm[8]。目前相关公司在宣传机型时都采用“S”型播种路线设定，但国内已有部分农户采用双“S”型路线播种，即在第一次完成“S”型播种作业后将路线设定旋转90°，再次进行“S”型播种作业，以此来保证播种均匀性。

3.3 品种选择与种子处理

品种筛选是水稻增产和米质改善的重要原因，但目前我国的主要水稻品种都是以移栽稻为育种目的的品种，急需选育适配无人飞播的水稻品种。根据水直播对水稻品种的要求，无人飞播水稻品种应具备发芽率高且出苗快、生育期适宜、优质高产、根系发达、矮秆抗倒伏、抗病虫害和抗逆性强等特点。还有学者认为品种选择需要根据早中晚季稻特定气候要求细分：早稻品种还需要苗期耐寒、单季稻品种要抗高温耐热、晚稻品种要耐热抗寒[38]。

种子处理是降低病虫害对种子侵害和促进种子萌发、幼苗形态建成的主要措施。姜心禄等[39]通过比较不同种子处理方式发现，不论是水直播还是旱直播，将种子浸种48 h后催芽至露白时进行直播，出苗率高、群体足、产量性状合理，可获得较高产量。对于无人飞播水稻而言，催芽种子的适宜长度极为重要，催芽后胚芽过短会影响大田出苗时间，过长则在播种时容易损伤种子[40]，甚至损坏播种设备，但此方向研究仍鲜有报道。孙志玲等[41]通过设置不同硒浓度处理发现，低浓度硒能够在一定程度上提高水稻抗寒能力和出苗率，高浓度硒则为抑制，这为提高无人飞播水稻出苗率提供了新思路。此外，无人飞播水稻由于水稻种子直接暴露于地表，易受到地下害虫、鼠类和鸟类取食的威胁，故还需在播种前拌药剂防虫、防鸟、防鼠[42]。

3.4 稻田“无人化”耕整

田块在播种前需要旋耕整平，地表无残渣，同时做到适当沉实，上烂下实，并且地表有浅层泥浆[40]。有学者通过比较不同翻耕深度发现，翻耕越深越有利于水稻植株根系生长发育，提高根冠比，并且秸秆还田处理比无秸秆还田处理效果更好，这可以改善无人飞播水稻根系集中于田块表面的缺点[43-44]。

在水稻生产智能化、“无人化”的大背景下，整地工作也终将实现“无人化”。2016年，约翰迪尔和凯斯纽在荷兰分别推出“无人化”驾驶拖拉机及其配套农具，在全方位感应和探测装置的帮助下，其能够侦测并避开障碍物；2018年，日本久保田公司也推出了带有自动驾驶功能的拖拉机以减轻操作员体力负担[45]。我国现已有无人整地机投入应用的相关报道。吉林省榆树市拓野农机专业合作社利用无人驾驶系统，使每天需要3个操作员轮班干抢农时成为历史，并且晚上也可以进行作业。无人驾驶整地机除了以上优点外，作业精度也因高精度传感器和定位而比有人驾驶整地机更高，并且可以利用激光整地配套设备实行更严苛的作业要求[46]。在水田耕整方面，由于水田犁底层高度不一，平地机容易发生深陷，不利于平地铲与激光束平面平行，田间平整度难以达到理想要求[46]。华南农业大学罗锡文院士团队研究提出改进方案：以加速度计测量平地铲较小倾角，同时以陀螺仪积分测量较大倾角，从而达到水平控制平地铲的目的[47]。该团队还改进平地机底盘，将水田平地机械与插秧底盘相结合，较窄的驱动轮可以帮助实现更高效率的作业。这些改进农机配合无人拖拉机能够更高效且精准地实现水田平地作业。而在旱地耕整方面，扬州大学张洪程院士团队将施基肥、秸秆旋耕还田、施种肥、开沟播种、覆土镇压和开排水沟等技术工序整合于耕种管整体智能机中，其搭载无人驾驶系统和北斗导航系统，能够在规划田间路径后实现精准走直、自动掉头转弯、精确接行续行的“无人化”水稻种植作业，大幅减少农机投入类型和用工投入。利用此款整体智能机可实现无人飞播稻田的耕整、基肥施用和开沟等技术环节“无人化”。

3.5 “无人化”肥水管理

氮素是水稻植株个体生长发育必需的营养元素，具有提高水稻叶片光合能力[47]、延长光合时间[48]和增加同化物[49]等作用。为了开发水稻品种的增产潜力，仅靠土壤中的氮素养分很难达到稳产高产的生产需求，还需要添加外来氮素。目前我国农业生产的施氮方式主要是人工撒肥和地面机械施肥，前者具有效率低、工作强度大的缺点，后者则对地面地形要求高、作业经济阈值高，适合大面积的施肥。目前，控混肥一次性基施技术与“无人化”耕整一体机适配性较好，该技术可以在农机进行“无人化”整地时将氮肥同步施入大田，相较于传统精确定量施肥具有工序简单、劳动力需求小和改善米质的优点，同时产量也有所保证[50]，是未来水稻生产“无人化”的重要组成部分。而无人机可以通过机身上多光谱探头监测田间水稻群体长势[51]，能精准而又快速地发现缺肥地点，完成中后期的肥料补施。孙志伟等[52]利用无人机RGB色彩数字图像，建立氮营养诊断方程，可以较为准确地确定植株地上部和叶片生物量与氮浓度以及SPAD值。李克亮[53]通过使用多光谱相机，研究建立了一种基于标准种植比值法的无人机遥感水稻施氮水平诊断模型和施氮决策模型，开发配套了水稻氮素营养精准管理决策支持系统。

适宜的水分管理亦是水稻稳产高产的必要条件之一。水分既是水稻生理生化反应的介质，又是植株光合作用的原料，其对水稻的产量[54]和品质[55-56]有着极为重要的影响。目前，遥感技术被广泛应用于农业大田生产，无人机遥感技术可以通过植被可见光、近红外和短波红外光谱特征为田间水分管理提供判断依据[57]。无人机遥感所得数据可以与田间地面常驻传感器所得数据相整合，传导至智能灌溉系统服务器，由用户远程决定是否进行灌溉处理与调节田间持水量[58-59]。

3.6 病虫草害“无人化”防治

无人飞播水稻由于免受移栽植伤，分蘖早、分蘖节位低、高峰苗数提前，故田间封行早、通风透光性差，相比于移栽稻更容易发生病虫害。病虫防治策略为“前期预防恶苗病，主治稻象甲，中期防治与移栽稻相似，后期重点防治稻纵卷叶螟、飞虱以及稻瘟病、纹枯病”[60]。而草害更是影响无人飞播水稻增产稳产的主要限制因素，直播田杂草具有种类多、数量大、发生时间长的特点，其发生情况主要取决于土壤中杂草种子数量、土壤水分以及温度等因素。水直播稻田因田间水分管理策略为“前期湿润、后期水层”，易发生湿性杂草；旱直播稻田则兼有湿性杂草和旱田杂草[62]。由于无人飞播田块草害发生时间长，具有多次高峰，故必须从源头和生产过程两个方面进行防治。

水稻种子精选可以去除混杂的杂草种子，故能够从根源上减少草害威胁。精选后的种子经浸种催芽处理，可降低水稻种子本身所携带的害虫、病毒和病菌数量，提高种子发芽率和出苗整齐度，还可以促进幼苗形态建成，加强幼苗抗性和促进根系下扎。此外，播前宜配合无人耕整机的旋耕整地作业，将田间已有杂草种子翻入深土，随后田间灌水，保持水层，使杂草种子或幼苗烂于土中；播后则宜利用无人机进行化学防控作业，即“无人飞防”。无人飞防是利用植保无人机进行农药喷洒作业的技术环节，是水稻病虫草害防治发展趋势。早在2010年我国就出现了利用无人机进行飞防的报道，应用效果在2014年获得大众的初步认可，随后在主要农作物上应用比例不断提高[63]。相比有人驾驶飞机喷药，无人飞防对操作员的要求较低，其作业成本也得到降低；相比轮式植保机，不会对农作物造成物理损伤，也不会破坏土壤物理结构；相比人工打药，无人飞防在提高作业效率的同时减少了农户、操作员与农药的接触，减少了农药对人体的危害[64]。无人飞防利用旋翼引发的下旋风，配合高物化喷头，在低空和超低空作业时有效提高了喷雾的渗透能力，保证药液到达所需部位，在减小药量、减小污染和提高农产品安全性方面卓有成效[65]。无人飞防技术还可以联合气象系统，做到无人机根据环境天气调整作业路线，实现精确喷施[66]。这些技术最终将减少农药施用量，在减少农产品农药残留的同时降低农业生产成本。同时，无人机的模块化生产将允许其通过更换部件而达到一机多用，减少农民购机成本，促进无人机更广阔、更深入地参与农业生产。

3.7 “无人化”收获

除了耕整地机械外，越来越多的收割机也正在实现自动驾驶和精确作业。在2018年“农业全过程无人作业试验”示范演示会，中联重科通过传感检测、自动控制、互联网技术，实现精准支持农机作业轨迹，自动躲避障碍物，并且可自动调节收获作业参数。丰疆公司的FJC888G智能无人收割机通过北斗卫星RTK厘米级打点定位，误差不超过2.5 cm，可自动规划收割路径和边距，其遥控器可以通过实时图像传播，将机械作业、前方视野、车尾图像传递给操作员以方便其进行调节与操作。2019年，华南农业大学罗锡文院士团队联合雷沃重工，研发出一套主从导航收获机系统，该系统基于北斗卫星定位和无线网连接，能够实现无人驾驶收割机和无人驾驶卸粮车的自主作业与农机间联动，农机间的横向误差不超过10 cm、纵向误差则不超过20 cm。此外，黄东等[67]研究发现，机械联合收获损失率显著高于机械分段收获和手工收获，机械分段收获的损失率主要集中在田间脱粒环节，故分段精细脱粒以减少损失是“无人化”收割机的重要研制方向。同时，在禁止焚烧秸秆的条件下，智能收割机应该同时肩负秸秆还田的任务，完成留高茬还田或者粉碎翻压还田作业[68]，做到秸秆切割匀且碎，稻米机械损伤小。

4 展望

目前，主流的水稻直播无人机以电力作为能源，大部分机型载重量不超过30 kg，作业时间不超过10 min。尽管目前已有部分厂商使用快速插拔电池以达到提高大面积工作效率的目的，但无人机的电池性能仍是限制无人机作业的最大阻碍，因此改进电池组材料极为重要。同时，可以采用新型机身材料、简化机身设计，追求无人机自身重量的降低，以增加载荷比和续航能力，提高经济效益。

另外，当前大部分无人机价格为5万元人民币左右，减去各地政府补贴，普遍仍需要3万多元人民币，采购成本依然较高。并且厂家提供的质保时间一般不超过12个月，这导致了无人机过保后维修成本较高。另一方面，我国现有的无人机生产厂家繁多，国内未形成一套成熟的行业生产标准，导致无人机部件通用性较差、部件价格高昂，希望能够尽快实现无人机模块化生产、部件接口标准化。

再者，应该加快对无人机内部机械对种子输送损伤的系统研究，设计出适用性广、故障率低、机械损伤小、播种精度高的排种器，进一步研究包括种子浸种时间长短、药剂种类及其配比等方面的种子处理技术理论体系，提高水稻种子发芽率、成苗率，通过减少用种量来提高经济效益。

最后，随着农业生产智能化、“无人化”与自动化的不断推进，水稻无人飞播、地面无人机条播和无人机插秧将成为水稻播植的三种主要方式。无人飞播主攻复杂地形田块，作为大面积平坦田块地面无人条播的重要补充力量，一同满足茬口紧张地区的水稻生产。无人机不仅是智能农场、“无人化”农场的重要实践平台，它根据系统计算和最终决策，在关键时期执行肥料和药剂的喷施作业。无人机还是重要的田间信息收集平台，使农户足不出户便可掌握田间情况，是无人农艺措施的起点。甚至在物联网的大趋势下，无人机会实现自主巡航、自主决策、自主作业，农户仅需要进行物料补充和日常维护工作。这样的智慧农业将极大减少人力需求，显著提升水肥与药剂的利用率，在节约成本的同时保障环境的生态安全，实现粮食的稳产和增产。