朱海濱 馬中濤 徐棟 凌宇飛 魏海燕 高輝 邢志鵬 胡群張洪程

（揚(yáng)州大學(xué)/江蘇省作物栽培生理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/江蘇省糧食作物現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心/江蘇省優(yōu)質(zhì)粳稻產(chǎn)業(yè)工程研究中心，江蘇 揚(yáng)州225009；第一作者：13952421203＠163.com；*通訊作者：huqun＠yzu.edu.cn；hczhang＠yzu.edu.cn）

近年來(lái)，隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，越來(lái)越多的農(nóng)村青壯勞動(dòng)力進(jìn)城務(wù)工，致使農(nóng)村勞動(dòng)力不足，但當(dāng)前的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)尚未完成智能化、“無(wú)人化”轉(zhuǎn)型，仍有巨大的勞動(dòng)力需求，這就形成了日益突出的矛盾。在業(yè)內(nèi)開(kāi)始尋求輕簡(jiǎn)化栽培技術(shù)體系的時(shí)刻，我國(guó)正蓬勃發(fā)展的無(wú)人機(jī)產(chǎn)業(yè)給未來(lái)農(nóng)業(yè)發(fā)展指出了一條可行的道路，利用農(nóng)用無(wú)人機(jī)完成水稻的種子播種[1]、群體質(zhì)量調(diào)查與撒肥[2]、田間病害檢測(cè)與撒藥作業(yè)[3]等一系列生產(chǎn)任務(wù)。

水稻無(wú)人飛播技術(shù)本質(zhì)上是一種以農(nóng)用無(wú)人機(jī)進(jìn)行的水稻水直播技術(shù)。盡管直播稻在草害[4]、倒伏[5]、產(chǎn)量[6]等方面的競(jìng)爭(zhēng)力不如移栽稻，但其省時(shí)省力、高效節(jié)本的特點(diǎn)是移栽稻無(wú)法比擬的，并且其在現(xiàn)代耕作技術(shù)、現(xiàn)代栽培管理技術(shù)的支持下獲得了很大的進(jìn)步[7]。目前我國(guó)直播稻技術(shù)主要是采用機(jī)直播方式，以有人駕駛的大型地面機(jī)械為平臺(tái)進(jìn)行大面積作業(yè)，實(shí)現(xiàn)水稻生產(chǎn)的低成本和高效率。無(wú)人飛播技術(shù)同樣具有以上優(yōu)點(diǎn)，并且無(wú)人機(jī)在面對(duì)復(fù)雜地形時(shí)不存在運(yùn)輸行進(jìn)不便的問(wèn)題，這使得無(wú)人飛播技術(shù)優(yōu)勢(shì)更加明顯[8]。無(wú)視地面復(fù)雜地形這一優(yōu)點(diǎn)亦使得無(wú)人機(jī)獲取田間數(shù)據(jù)更加迅捷和準(zhǔn)確，如植株水分利用率[9]、植株氮素含量[10-11]、生物量[12-13]和病蟲(chóng)害[14]監(jiān)測(cè)以及倒伏區(qū)域識(shí)別[15]等，這為農(nóng)藝措施決策起到極為重要的輔助作用。此外，無(wú)人機(jī)還可以通過(guò)更換部件進(jìn)行施肥、撒藥等，更深程度地參與大田農(nóng)藝管理。因此，無(wú)人機(jī)可以同時(shí)作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐平臺(tái)和大田信息收集平臺(tái)[16]，是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)輕簡(jiǎn)化生產(chǎn)的理想途徑。無(wú)人機(jī)將作為未來(lái)農(nóng)場(chǎng)的重要農(nóng)機(jī)設(shè)備，與田間地面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、大田信息收集處理與決策系統(tǒng)一同實(shí)現(xiàn)智能化和“無(wú)人化”。文章綜述了農(nóng)用無(wú)人機(jī)的發(fā)展、分類與適合無(wú)人飛播的水稻“無(wú)人化”栽培技術(shù)體系，為未來(lái)農(nóng)用無(wú)人機(jī)發(fā)展和水稻生產(chǎn)“無(wú)人化”提供參考。

1 農(nóng)業(yè)航空飛播技術(shù)的發(fā)展

農(nóng)業(yè)航空飛播技術(shù)指通過(guò)使用各種農(nóng)業(yè)航空作業(yè)平臺(tái)，聯(lián)合農(nóng)業(yè)航空遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)農(nóng)作物或草木進(jìn)行播種的技術(shù)[17]?，F(xiàn)存最早的農(nóng)業(yè)航空播種記錄是1918年美國(guó)使用有人駕駛飛機(jī)進(jìn)行農(nóng)業(yè)播種作業(yè)[18]。首次使用無(wú)人機(jī)進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的國(guó)家是日本，于20世紀(jì)90年代在北海道地區(qū)開(kāi)始嘗試應(yīng)用。隨著無(wú)人機(jī)行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步，無(wú)人飛播技術(shù)的播種效率、精準(zhǔn)度、均勻度等都有了顯著提升，日本于2004年起用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的無(wú)人機(jī)數(shù)量超越有人駕駛飛行器。因此，無(wú)人飛播成為一種新趨勢(shì)[19]。

我國(guó)于20世紀(jì)50年代開(kāi)始使用飛機(jī)進(jìn)行播種造林活動(dòng)，1959年四川省涼山彝族自治州首次實(shí)現(xiàn)成功作業(yè)。我國(guó)早期使用的農(nóng)業(yè)航空器以經(jīng)簡(jiǎn)易改裝的運(yùn)-5飛機(jī)為主，只能適用于對(duì)精度和均勻度要求不高的草本類植物[1]。經(jīng)過(guò)數(shù)十年發(fā)展，我國(guó)農(nóng)業(yè)航空作業(yè)已由單一的有人駕駛航空器作業(yè)發(fā)展為有人駕駛航空器作業(yè)和無(wú)人駕駛航空器作業(yè)并存，后者仍有巨大發(fā)展?jié)摿?。我?guó)農(nóng)用無(wú)人機(jī)目前主要應(yīng)用于植保[20]和觀測(cè)[21]方面，在水稻播種方面仍處于起步階段，尚未成為一種主要播種方式。

2 水稻播種無(wú)人機(jī)分類

目前市場(chǎng)上銷售的農(nóng)用無(wú)人機(jī)機(jī)體以旋翼數(shù)分為單旋翼無(wú)人機(jī)和多旋翼無(wú)人機(jī)，前者主要以燃油為動(dòng)力，具有載重量大、續(xù)航長(zhǎng)、抗風(fēng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，但其價(jià)格昂貴、操控難度大、技術(shù)復(fù)雜；后者主要以電池為動(dòng)力，具有操作容易、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)，但其抗風(fēng)性差、續(xù)行較差、載重量較小?，F(xiàn)階段國(guó)內(nèi)農(nóng)用無(wú)人機(jī)的主要消費(fèi)群體為中小型農(nóng)戶、無(wú)人機(jī)職業(yè)操作者和基層涉農(nóng)單位，他們更注重?zé)o人機(jī)的操作難度和日常維護(hù)難易程度，故我國(guó)目前乃至未來(lái)幾年的市場(chǎng)都將是以多旋翼無(wú)人機(jī)為主。我國(guó)農(nóng)業(yè)無(wú)人機(jī)生產(chǎn)廠商主要有大疆、極飛、羽人等公司。深圳市大疆創(chuàng)新科技有限公司是世界消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)領(lǐng)域的巨頭，市場(chǎng)份額常年全球第一，T30是該公司最新農(nóng)用無(wú)人機(jī)型號(hào)，配有40 L撒播作業(yè)箱和具有40 kg最大載重能力，作業(yè)效率為每小時(shí)16 hm2；廣州極飛科技有限公司是國(guó)內(nèi)最早開(kāi)始商用無(wú)人機(jī)研發(fā)、制造與應(yīng)用服務(wù)的企業(yè)之一，是主打農(nóng)用無(wú)人機(jī)研制的先進(jìn)公司，P80是該公司主打新品，具有80 kg的標(biāo)準(zhǔn)起飛重量，載荷比高達(dá)0.45，可以搭載35 L睿噴智能藥箱或60 L睿播智能料箱；羽人無(wú)人機(jī)（珠海）有限公司以精確直播無(wú)人機(jī)聞名，其產(chǎn)品可播出水稻株行距，谷上飛10/20 KG水稻精量直播無(wú)人機(jī)可以調(diào)節(jié)行距20～30 cm，作業(yè)效率達(dá)到每小時(shí)2 hm2。

目前市場(chǎng)上主流的排種器根據(jù)原理可分為離心式和氣力式。前者靠離心力將種子均勻排入輸種管，具有適用于高速作業(yè)、可播撒多種作物種子或顆粒狀化肥、不易傷種、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)[22]；而后者靠氣流的作用力實(shí)現(xiàn)精密播種，又可分為氣吸式、氣壓式、氣送式，具有播幅寬、均勻性高、調(diào)控簡(jiǎn)便準(zhǔn)確的特點(diǎn)[23]。相對(duì)于地面播種機(jī)械，農(nóng)用無(wú)人機(jī)體積小、續(xù)行較短、穩(wěn)定性較差，更適合選用離心式排種機(jī)作為飛播部件，但離心播種的落種區(qū)域呈圓弧形，均勻性差，重播漏播風(fēng)險(xiǎn)大，故氣力式排種機(jī)仍然具有部分市場(chǎng)[24]。珠海羽人農(nóng)業(yè)航空公司精量條播機(jī)利用高壓氣體將種子彈射至土中，減小了機(jī)翼氣流和外界氣流對(duì)種子播撒軌跡的擾動(dòng)[25]，這對(duì)于提高無(wú)人飛播的落種均勻性和種子入土深度是極具啟發(fā)性的。黃小毛等[26]設(shè)計(jì)出一種無(wú)人機(jī)電驅(qū)離心條播式排種裝置，體積小巧，配合專用導(dǎo)種裝置，能夠有效抑制旋翼氣流對(duì)下落種子的擾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)高速、精量條播。而宋燦燦等[27]設(shè)計(jì)出一種利用氣流將種子沿不同的方向吹送出去以改善撒播均勻性效果的撒播裝置，發(fā)現(xiàn)在2 m的作業(yè)高度使用130°的錐角時(shí)落種均勻性受機(jī)身氣流影響較小，均勻性較好。

無(wú)人飛播均勻性除了受排種器種類影響外，與播種連續(xù)性也有較大關(guān)系。國(guó)內(nèi)外分別有通過(guò)光電傳感[28]、高頻無(wú)線電波[29]、電容[30]和機(jī)器視覺(jué)[31-32]監(jiān)測(cè)種子漏播與斷條現(xiàn)象，甚至以此作為調(diào)控實(shí)時(shí)播種速率的依據(jù)[33]。但電容法對(duì)小型種子播量監(jiān)測(cè)精度低，因?yàn)樾⌒头N子通過(guò)電容傳感器時(shí)引起的電容變化較小，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)易受寄生電容和環(huán)境的影響；機(jī)器視覺(jué)法則對(duì)農(nóng)機(jī)作業(yè)環(huán)境要求較高，并且其設(shè)備成本高昂，亦無(wú)法滿足無(wú)人機(jī)的作業(yè)需求[29]。

3 無(wú)人飛播水稻栽培技術(shù)體系要點(diǎn)

3.1 播種方式

水稻無(wú)人飛播技術(shù)本質(zhì)上是一種基于農(nóng)用無(wú)人機(jī)平臺(tái)，對(duì)水稻種子進(jìn)行播種的直播技術(shù)。水稻直播技術(shù)是指水稻種子直接由人工或機(jī)械直接播種于大田，不需要先苗床育秧、后移栽至大田的播種技術(shù)[34]，其根據(jù)土壤水分狀況以及播種后的灌溉方法可以分為以下3種：1）旱直播，即將干種子播入干土壤或含水量低于飽和田間持水量的土壤[35]；2）濕潤(rùn)直播，即將干種子或預(yù)萌發(fā)的種子播入含水量約等于飽和田間持水量、未有明顯水層的土壤[36]；3）水直播，即將預(yù)萌發(fā)的種子播入具有一定水層的土壤[37]。無(wú)人飛播技術(shù)主要采用水直播（或濕潤(rùn)直播）方式，以提高種子發(fā)芽率、出苗整齊度和促進(jìn)根系下扎，減少后期倒伏風(fēng)險(xiǎn)。

水稻直播技術(shù)又可按照播種方式分為撒直播、點(diǎn)直播和條直播，目前無(wú)人飛播以撒直播和條直播為主要播種方式。撒直播由于其播種部件體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，被大疆、極飛等公司普遍采用，并廣泛用于水稻生產(chǎn)。四川農(nóng)業(yè)大學(xué)伍志軍團(tuán)隊(duì)的撒播無(wú)人機(jī)能夠在丘陵地區(qū)智能篩選路線，自動(dòng)調(diào)節(jié)飛行高度和撒播速度，效率為每小時(shí)0.8 hm2，是人工撒播的18倍，其水稻產(chǎn)量經(jīng)測(cè)算約550.0 kg/667 m2，高于四川省平均水平。長(zhǎng)江大學(xué)盧碧林團(tuán)隊(duì)使用撒播無(wú)人機(jī)對(duì)水稻飛播、飛施、飛防、飛測(cè)作業(yè)，經(jīng)實(shí)測(cè)驗(yàn)收，產(chǎn)量達(dá)到641.8 kg/667 m2，比對(duì)照田塊增產(chǎn)11.5%，每667 m2節(jié)本增效200元以上。但是由于無(wú)人機(jī)飛行的穩(wěn)定性較差，加上種子下落時(shí)易受旋翼產(chǎn)生的擾流和外界大氣流動(dòng)影響，撒直播作業(yè)均勻度較差。相比于撒直播，條直播需要的部件體積大、質(zhì)量高，會(huì)在相當(dāng)程度上減少無(wú)人機(jī)僅有的載重量，且對(duì)無(wú)人機(jī)空中飛行穩(wěn)定性造成不良影響，這對(duì)于無(wú)人機(jī)機(jī)械性能是一種較大的考驗(yàn)。但珠海羽人農(nóng)業(yè)航空公司注意到條直播對(duì)于水稻精確定量播種的重要性，以條播無(wú)人機(jī)為特色，在農(nóng)用無(wú)人機(jī)市場(chǎng)上獨(dú)樹(shù)一幟。2020年清遠(yuǎn)市展示利用羽人精量直播無(wú)人機(jī)進(jìn)行水稻種植作業(yè)，它在5 min內(nèi)可以播種0.27 hm2，是人工作業(yè)的20倍，相較于移栽稻能夠減少50%以上成本。

3.2 機(jī)型選擇與飛行參數(shù)

結(jié)合田塊大小、無(wú)人機(jī)續(xù)航能力與操作難度綜合考慮，一般選擇載重量不低于10.0 kg的水稻直播無(wú)人機(jī)，載重量介于16.0～20.0 kg的無(wú)人機(jī)為最佳選擇[8]，但亦有學(xué)者認(rèn)為有效載重量為10 kg的機(jī)型處于效益曲線最佳結(jié)合點(diǎn)[17]。

水稻直播無(wú)人機(jī)一般以離地0.4～3.0 m高度、在空中以3.0～6.0 m/s速度作業(yè)。對(duì)于撒播無(wú)人機(jī)，其作業(yè)幅寬不應(yīng)低于4.0 m；而對(duì)于條播無(wú)人機(jī)，其作業(yè)行距應(yīng)為20.0～30.0 cm，行內(nèi)種子最大離散距離不應(yīng)超過(guò)8.0 cm[8]。目前相關(guān)公司在宣傳機(jī)型時(shí)都采用“S”型播種路線設(shè)定，但國(guó)內(nèi)已有部分農(nóng)戶采用雙“S”型路線播種，即在第一次完成“S”型播種作業(yè)后將路線設(shè)定旋轉(zhuǎn)90°，再次進(jìn)行“S”型播種作業(yè)，以此來(lái)保證播種均勻性。

3.3 品種選擇與種子處理

品種篩選是水稻增產(chǎn)和米質(zhì)改善的重要原因，但目前我國(guó)的主要水稻品種都是以移栽稻為育種目的的品種，急需選育適配無(wú)人飛播的水稻品種。根據(jù)水直播對(duì)水稻品種的要求，無(wú)人飛播水稻品種應(yīng)具備發(fā)芽率高且出苗快、生育期適宜、優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)、根系發(fā)達(dá)、矮稈抗倒伏、抗病蟲(chóng)害和抗逆性強(qiáng)等特點(diǎn)。還有學(xué)者認(rèn)為品種選擇需要根據(jù)早中晚季稻特定氣候要求細(xì)分：早稻品種還需要苗期耐寒、單季稻品種要抗高溫耐熱、晚稻品種要耐熱抗寒[38]。

種子處理是降低病蟲(chóng)害對(duì)種子侵害和促進(jìn)種子萌發(fā)、幼苗形態(tài)建成的主要措施。姜心祿等[39]通過(guò)比較不同種子處理方式發(fā)現(xiàn)，不論是水直播還是旱直播，將種子浸種48 h后催芽至露白時(shí)進(jìn)行直播，出苗率高、群體足、產(chǎn)量性狀合理，可獲得較高產(chǎn)量。對(duì)于無(wú)人飛播水稻而言，催芽種子的適宜長(zhǎng)度極為重要，催芽后胚芽過(guò)短會(huì)影響大田出苗時(shí)間，過(guò)長(zhǎng)則在播種時(shí)容易損傷種子[40]，甚至損壞播種設(shè)備，但此方向研究仍鮮有報(bào)道。孫志玲等[41]通過(guò)設(shè)置不同硒濃度處理發(fā)現(xiàn)，低濃度硒能夠在一定程度上提高水稻抗寒能力和出苗率，高濃度硒則為抑制，這為提高無(wú)人飛播水稻出苗率提供了新思路。此外，無(wú)人飛播水稻由于水稻種子直接暴露于地表，易受到地下害蟲(chóng)、鼠類和鳥(niǎo)類取食的威脅，故還需在播種前拌藥劑防蟲(chóng)、防鳥(niǎo)、防鼠[42]。

3.4 稻田“無(wú)人化”耕整

田塊在播種前需要旋耕整平，地表無(wú)殘?jiān)?，同時(shí)做到適當(dāng)沉實(shí)，上爛下實(shí)，并且地表有淺層泥漿[40]。有學(xué)者通過(guò)比較不同翻耕深度發(fā)現(xiàn)，翻耕越深越有利于水稻植株根系生長(zhǎng)發(fā)育，提高根冠比，并且秸稈還田處理比無(wú)秸稈還田處理效果更好，這可以改善無(wú)人飛播水稻根系集中于田塊表面的缺點(diǎn)[43-44]。

在水稻生產(chǎn)智能化、“無(wú)人化”的大背景下，整地工作也終將實(shí)現(xiàn)“無(wú)人化”。2016年，約翰迪爾和凱斯紐在荷蘭分別推出“無(wú)人化”駕駛拖拉機(jī)及其配套農(nóng)具，在全方位感應(yīng)和探測(cè)裝置的幫助下，其能夠偵測(cè)并避開(kāi)障礙物；2018年，日本久保田公司也推出了帶有自動(dòng)駕駛功能的拖拉機(jī)以減輕操作員體力負(fù)擔(dān)[45]。我國(guó)現(xiàn)已有無(wú)人整地機(jī)投入應(yīng)用的相關(guān)報(bào)道。吉林省榆樹(shù)市拓野農(nóng)機(jī)專業(yè)合作社利用無(wú)人駕駛系統(tǒng)，使每天需要3個(gè)操作員輪班干搶農(nóng)時(shí)成為歷史，并且晚上也可以進(jìn)行作業(yè)。無(wú)人駕駛整地機(jī)除了以上優(yōu)點(diǎn)外，作業(yè)精度也因高精度傳感器和定位而比有人駕駛整地機(jī)更高，并且可以利用激光整地配套設(shè)備實(shí)行更嚴(yán)苛的作業(yè)要求[46]。在水田耕整方面，由于水田犁底層高度不一，平地機(jī)容易發(fā)生深陷，不利于平地鏟與激光束平面平行，田間平整度難以達(dá)到理想要求[46]。華南農(nóng)業(yè)大學(xué)羅錫文院士團(tuán)隊(duì)研究提出改進(jìn)方案：以加速度計(jì)測(cè)量平地鏟較小傾角，同時(shí)以陀螺儀積分測(cè)量較大傾角，從而達(dá)到水平控制平地鏟的目的[47]。該團(tuán)隊(duì)還改進(jìn)平地機(jī)底盤(pán)，將水田平地機(jī)械與插秧底盤(pán)相結(jié)合，較窄的驅(qū)動(dòng)輪可以幫助實(shí)現(xiàn)更高效率的作業(yè)。這些改進(jìn)農(nóng)機(jī)配合無(wú)人拖拉機(jī)能夠更高效且精準(zhǔn)地實(shí)現(xiàn)水田平地作業(yè)。而在旱地耕整方面，揚(yáng)州大學(xué)張洪程院士團(tuán)隊(duì)將施基肥、秸稈旋耕還田、施種肥、開(kāi)溝播種、覆土鎮(zhèn)壓和開(kāi)排水溝等技術(shù)工序整合于耕種管整體智能機(jī)中，其搭載無(wú)人駕駛系統(tǒng)和北斗導(dǎo)航系統(tǒng)，能夠在規(guī)劃田間路徑后實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)走直、自動(dòng)掉頭轉(zhuǎn)彎、精確接行續(xù)行的“無(wú)人化”水稻種植作業(yè)，大幅減少農(nóng)機(jī)投入類型和用工投入。利用此款整體智能機(jī)可實(shí)現(xiàn)無(wú)人飛播稻田的耕整、基肥施用和開(kāi)溝等技術(shù)環(huán)節(jié)“無(wú)人化”。

3.5 “無(wú)人化”肥水管理

氮素是水稻植株個(gè)體生長(zhǎng)發(fā)育必需的營(yíng)養(yǎng)元素，具有提高水稻葉片光合能力[47]、延長(zhǎng)光合時(shí)間[48]和增加同化物[49]等作用。為了開(kāi)發(fā)水稻品種的增產(chǎn)潛力，僅靠土壤中的氮素養(yǎng)分很難達(dá)到穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)的生產(chǎn)需求，還需要添加外來(lái)氮素。目前我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的施氮方式主要是人工撒肥和地面機(jī)械施肥，前者具有效率低、工作強(qiáng)度大的缺點(diǎn)，后者則對(duì)地面地形要求高、作業(yè)經(jīng)濟(jì)閾值高，適合大面積的施肥。目前，控混肥一次性基施技術(shù)與“無(wú)人化”耕整一體機(jī)適配性較好，該技術(shù)可以在農(nóng)機(jī)進(jìn)行“無(wú)人化”整地時(shí)將氮肥同步施入大田，相較于傳統(tǒng)精確定量施肥具有工序簡(jiǎn)單、勞動(dòng)力需求小和改善米質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)產(chǎn)量也有所保證[50]，是未來(lái)水稻生產(chǎn)“無(wú)人化”的重要組成部分。而無(wú)人機(jī)可以通過(guò)機(jī)身上多光譜探頭監(jiān)測(cè)田間水稻群體長(zhǎng)勢(shì)[51]，能精準(zhǔn)而又快速地發(fā)現(xiàn)缺肥地點(diǎn)，完成中后期的肥料補(bǔ)施。孫志偉等[52]利用無(wú)人機(jī)RGB色彩數(shù)字圖像，建立氮營(yíng)養(yǎng)診斷方程，可以較為準(zhǔn)確地確定植株地上部和葉片生物量與氮濃度以及SPAD值。李克亮[53]通過(guò)使用多光譜相機(jī)，研究建立了一種基于標(biāo)準(zhǔn)種植比值法的無(wú)人機(jī)遙感水稻施氮水平診斷模型和施氮決策模型，開(kāi)發(fā)配套了水稻氮素營(yíng)養(yǎng)精準(zhǔn)管理決策支持系統(tǒng)。

適宜的水分管理亦是水稻穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)的必要條件之一。水分既是水稻生理生化反應(yīng)的介質(zhì)，又是植株光合作用的原料，其對(duì)水稻的產(chǎn)量[54]和品質(zhì)[55-56]有著極為重要的影響。目前，遙感技術(shù)被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)大田生產(chǎn)，無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)可以通過(guò)植被可見(jiàn)光、近紅外和短波紅外光譜特征為田間水分管理提供判斷依據(jù)[57]。無(wú)人機(jī)遙感所得數(shù)據(jù)可以與田間地面常駐傳感器所得數(shù)據(jù)相整合，傳導(dǎo)至智能灌溉系統(tǒng)服務(wù)器，由用戶遠(yuǎn)程決定是否進(jìn)行灌溉處理與調(diào)節(jié)田間持水量[58-59]。

3.6 病蟲(chóng)草害“無(wú)人化”防治

無(wú)人飛播水稻由于免受移栽植傷，分蘗早、分蘗節(jié)位低、高峰苗數(shù)提前，故田間封行早、通風(fēng)透光性差，相比于移栽稻更容易發(fā)生病蟲(chóng)害。病蟲(chóng)防治策略為“前期預(yù)防惡苗病，主治稻象甲，中期防治與移栽稻相似，后期重點(diǎn)防治稻縱卷葉螟、飛虱以及稻瘟病、紋枯病”[60]。而草害更是影響無(wú)人飛播水稻增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的主要限制因素，直播田雜草具有種類多、數(shù)量大、發(fā)生時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn)，其發(fā)生情況主要取決于土壤中雜草種子數(shù)量、土壤水分以及溫度等因素。水直播稻田因田間水分管理策略為“前期濕潤(rùn)、后期水層”，易發(fā)生濕性雜草；旱直播稻田則兼有濕性雜草和旱田雜草[62]。由于無(wú)人飛播田塊草害發(fā)生時(shí)間長(zhǎng)，具有多次高峰，故必須從源頭和生產(chǎn)過(guò)程兩個(gè)方面進(jìn)行防治。

水稻種子精選可以去除混雜的雜草種子，故能夠從根源上減少草害威脅。精選后的種子經(jīng)浸種催芽處理，可降低水稻種子本身所攜帶的害蟲(chóng)、病毒和病菌數(shù)量，提高種子發(fā)芽率和出苗整齊度，還可以促進(jìn)幼苗形態(tài)建成，加強(qiáng)幼苗抗性和促進(jìn)根系下扎。此外，播前宜配合無(wú)人耕整機(jī)的旋耕整地作業(yè)，將田間已有雜草種子翻入深土，隨后田間灌水，保持水層，使雜草種子或幼苗爛于土中；播后則宜利用無(wú)人機(jī)進(jìn)行化學(xué)防控作業(yè)，即“無(wú)人飛防”。無(wú)人飛防是利用植保無(wú)人機(jī)進(jìn)行農(nóng)藥噴灑作業(yè)的技術(shù)環(huán)節(jié)，是水稻病蟲(chóng)草害防治發(fā)展趨勢(shì)。早在2010年我國(guó)就出現(xiàn)了利用無(wú)人機(jī)進(jìn)行飛防的報(bào)道，應(yīng)用效果在2014年獲得大眾的初步認(rèn)可，隨后在主要農(nóng)作物上應(yīng)用比例不斷提高[63]。相比有人駕駛飛機(jī)噴藥，無(wú)人飛防對(duì)操作員的要求較低，其作業(yè)成本也得到降低；相比輪式植保機(jī)，不會(huì)對(duì)農(nóng)作物造成物理?yè)p傷，也不會(huì)破壞土壤物理結(jié)構(gòu)；相比人工打藥，無(wú)人飛防在提高作業(yè)效率的同時(shí)減少了農(nóng)戶、操作員與農(nóng)藥的接觸，減少了農(nóng)藥對(duì)人體的危害[64]。無(wú)人飛防利用旋翼引發(fā)的下旋風(fēng)，配合高物化噴頭，在低空和超低空作業(yè)時(shí)有效提高了噴霧的滲透能力，保證藥液到達(dá)所需部位，在減小藥量、減小污染和提高農(nóng)產(chǎn)品安全性方面卓有成效[65]。無(wú)人飛防技術(shù)還可以聯(lián)合氣象系統(tǒng)，做到無(wú)人機(jī)根據(jù)環(huán)境天氣調(diào)整作業(yè)路線，實(shí)現(xiàn)精確噴施[66]。這些技術(shù)最終將減少農(nóng)藥施用量，在減少農(nóng)產(chǎn)品農(nóng)藥殘留的同時(shí)降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本。同時(shí)，無(wú)人機(jī)的模塊化生產(chǎn)將允許其通過(guò)更換部件而達(dá)到一機(jī)多用，減少農(nóng)民購(gòu)機(jī)成本，促進(jìn)無(wú)人機(jī)更廣闊、更深入地參與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

3.7 “無(wú)人化”收獲

除了耕整地機(jī)械外，越來(lái)越多的收割機(jī)也正在實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛和精確作業(yè)。在2018年“農(nóng)業(yè)全過(guò)程無(wú)人作業(yè)試驗(yàn)”示范演示會(huì)，中聯(lián)重科通過(guò)傳感檢測(cè)、自動(dòng)控制、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)支持農(nóng)機(jī)作業(yè)軌跡，自動(dòng)躲避障礙物，并且可自動(dòng)調(diào)節(jié)收獲作業(yè)參數(shù)。豐疆公司的FJC888G智能無(wú)人收割機(jī)通過(guò)北斗衛(wèi)星RTK厘米級(jí)打點(diǎn)定位，誤差不超過(guò)2.5 cm，可自動(dòng)規(guī)劃收割路徑和邊距，其遙控器可以通過(guò)實(shí)時(shí)圖像傳播，將機(jī)械作業(yè)、前方視野、車尾圖像傳遞給操作員以方便其進(jìn)行調(diào)節(jié)與操作。2019年，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)羅錫文院士團(tuán)隊(duì)聯(lián)合雷沃重工，研發(fā)出一套主從導(dǎo)航收獲機(jī)系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于北斗衛(wèi)星定位和無(wú)線網(wǎng)連接，能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)人駕駛收割機(jī)和無(wú)人駕駛卸糧車的自主作業(yè)與農(nóng)機(jī)間聯(lián)動(dòng)，農(nóng)機(jī)間的橫向誤差不超過(guò)10 cm、縱向誤差則不超過(guò)20 cm。此外，黃東等[67]研究發(fā)現(xiàn)，機(jī)械聯(lián)合收獲損失率顯著高于機(jī)械分段收獲和手工收獲，機(jī)械分段收獲的損失率主要集中在田間脫粒環(huán)節(jié)，故分段精細(xì)脫粒以減少損失是“無(wú)人化”收割機(jī)的重要研制方向。同時(shí)，在禁止焚燒秸稈的條件下，智能收割機(jī)應(yīng)該同時(shí)肩負(fù)秸稈還田的任務(wù)，完成留高茬還田或者粉碎翻壓還田作業(yè)[68]，做到秸稈切割勻且碎，稻米機(jī)械損傷小。

4 展望

目前，主流的水稻直播無(wú)人機(jī)以電力作為能源，大部分機(jī)型載重量不超過(guò)30 kg，作業(yè)時(shí)間不超過(guò)10 min。盡管目前已有部分廠商使用快速插拔電池以達(dá)到提高大面積工作效率的目的，但無(wú)人機(jī)的電池性能仍是限制無(wú)人機(jī)作業(yè)的最大阻礙，因此改進(jìn)電池組材料極為重要。同時(shí)，可以采用新型機(jī)身材料、簡(jiǎn)化機(jī)身設(shè)計(jì)，追求無(wú)人機(jī)自身重量的降低，以增加載荷比和續(xù)航能力，提高經(jīng)濟(jì)效益。

另外，當(dāng)前大部分無(wú)人機(jī)價(jià)格為5萬(wàn)元人民幣左右，減去各地政府補(bǔ)貼，普遍仍需要3萬(wàn)多元人民幣，采購(gòu)成本依然較高。并且廠家提供的質(zhì)保時(shí)間一般不超過(guò)12個(gè)月，這導(dǎo)致了無(wú)人機(jī)過(guò)保后維修成本較高。另一方面，我國(guó)現(xiàn)有的無(wú)人機(jī)生產(chǎn)廠家繁多，國(guó)內(nèi)未形成一套成熟的行業(yè)生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致無(wú)人機(jī)部件通用性較差、部件價(jià)格高昂，希望能夠盡快實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)模塊化生產(chǎn)、部件接口標(biāo)準(zhǔn)化。

再者，應(yīng)該加快對(duì)無(wú)人機(jī)內(nèi)部機(jī)械對(duì)種子輸送損傷的系統(tǒng)研究，設(shè)計(jì)出適用性廣、故障率低、機(jī)械損傷小、播種精度高的排種器，進(jìn)一步研究包括種子浸種時(shí)間長(zhǎng)短、藥劑種類及其配比等方面的種子處理技術(shù)理論體系，提高水稻種子發(fā)芽率、成苗率，通過(guò)減少用種量來(lái)提高經(jīng)濟(jì)效益。

最后，隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)智能化、“無(wú)人化”與自動(dòng)化的不斷推進(jìn)，水稻無(wú)人飛播、地面無(wú)人機(jī)條播和無(wú)人機(jī)插秧將成為水稻播植的三種主要方式。無(wú)人飛播主攻復(fù)雜地形田塊，作為大面積平坦田塊地面無(wú)人條播的重要補(bǔ)充力量，一同滿足茬口緊張地區(qū)的水稻生產(chǎn)。無(wú)人機(jī)不僅是智能農(nóng)場(chǎng)、“無(wú)人化”農(nóng)場(chǎng)的重要實(shí)踐平臺(tái)，它根據(jù)系統(tǒng)計(jì)算和最終決策，在關(guān)鍵時(shí)期執(zhí)行肥料和藥劑的噴施作業(yè)。無(wú)人機(jī)還是重要的田間信息收集平臺(tái)，使農(nóng)戶足不出戶便可掌握田間情況，是無(wú)人農(nóng)藝措施的起點(diǎn)。甚至在物聯(lián)網(wǎng)的大趨勢(shì)下，無(wú)人機(jī)會(huì)實(shí)現(xiàn)自主巡航、自主決策、自主作業(yè)，農(nóng)戶僅需要進(jìn)行物料補(bǔ)充和日常維護(hù)工作。這樣的智慧農(nóng)業(yè)將極大減少人力需求，顯著提升水肥與藥劑的利用率，在節(jié)約成本的同時(shí)保障環(huán)境的生態(tài)安全，實(shí)現(xiàn)糧食的穩(wěn)產(chǎn)和增產(chǎn)。