胡維月 席玉強(qiáng) 尹新明

（河南農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院，河南鄭州 450000）

航空機(jī)械用于病蟲草害防治由來已久。1911年，德國首次利用飛機(jī)噴灑農(nóng)藥防治森林害蟲；1949年，美國研制出農(nóng)用固定翼飛機(jī)；1987年日本研制出農(nóng)用無人直升機(jī)，到1990年日本推出世界第一架用于噴灑農(nóng)藥的小型植保無人機(jī)，開創(chuàng)了植保無人機(jī)用于田間病蟲草害防控的時(shí)代[1]。

2001年，北京一家公司引進(jìn)日本公司生產(chǎn)的RMAX型植保無人機(jī)，之后植保無人機(jī)開始逐步引起國內(nèi)科研部門的關(guān)注；2004年，農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所等機(jī)構(gòu)開始進(jìn)行關(guān)于農(nóng)用植保無人機(jī)的研究與推廣工作[2]；2008年，農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所研制出了中國第一架農(nóng)用植保無人機(jī)；2009—2012年多所研究單位開始探索植保無人機(jī)對(duì)水稻、小麥等作物病蟲害的防治效果；2013年國內(nèi)學(xué)術(shù)期刊上開始相繼發(fā)表植保無人機(jī)的相關(guān)研究結(jié)果[3]，此后國內(nèi)越來越多的研究人員開始投入到植保無人機(jī)的開發(fā)和應(yīng)用研究中。自2015年大疆發(fā)布MG-1型農(nóng)業(yè)無人機(jī)后，中國的飛防產(chǎn)業(yè)開始快速發(fā)展，植保無人機(jī)逐步成為中國智慧農(nóng)田管理中不可或缺的重要機(jī)械之一，中國對(duì)植保無人機(jī)的市場(chǎng)需求不斷增加。但是，國內(nèi)相關(guān)的產(chǎn)業(yè)服務(wù)體系尚不完善，至2018年中國才推出首個(gè)植保無人機(jī)技術(shù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。2019年4月，人力資源社會(huì)保障部正式將無人機(jī)駕駛員認(rèn)定為正式職業(yè)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截至2020年6月，我國現(xiàn)行的農(nóng)業(yè)航空標(biāo)準(zhǔn)有國家標(biāo)準(zhǔn)1項(xiàng)、農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)2項(xiàng)、民航行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)15項(xiàng)，主要以操作規(guī)范、噴灑裝備要求、安全評(píng)價(jià)、作業(yè)質(zhì)量及試驗(yàn)評(píng)價(jià)方法等要求為主。

目前，在世界航空機(jī)械的研究與發(fā)展中，美國、德國、歐洲等國家以大型直升機(jī)進(jìn)行農(nóng)事作業(yè)為主，而中國、日本、韓國等國家則將研究目標(biāo)放于小型植保無人機(jī)的開發(fā)中，這也與各國的農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)及農(nóng)業(yè)地形有關(guān)。美國、德國等國家以家庭農(nóng)場(chǎng)為主要的經(jīng)營方式，種植種類集中，利于大型航空機(jī)械的使用；中國、日本等國家受農(nóng)業(yè)經(jīng)營方式、種植結(jié)構(gòu)及地理環(huán)境等因素的影響，普通的農(nóng)業(yè)機(jī)械難以適應(yīng)多變的農(nóng)事活動(dòng)[4-6]。植保無人機(jī)相較于傳統(tǒng)農(nóng)用機(jī)械具有作業(yè)效率高、節(jié)水節(jié)藥、對(duì)人體危害性小、適應(yīng)性廣等特點(diǎn)，可在平原、丘陵、林地、濕地等多種地形中開展作業(yè)，同時(shí)不像地面機(jī)械在作業(yè)過程中會(huì)對(duì)作物產(chǎn)生損害。相信未來幾年內(nèi)，植保無人機(jī)的發(fā)展依舊迅速，針對(duì)植保無人機(jī)的研發(fā)與應(yīng)用也將日益增加。

1 中國植保無人機(jī)市場(chǎng)概況

中國總耕地面積約1.28億hm2，每年病蟲草鼠害發(fā)生面積逾4.67億公頃次，防治面積達(dá)5.67億公頃次，年均所需農(nóng)藥30萬t左右。20世紀(jì)末，中國就已經(jīng)成為世界上農(nóng)藥生產(chǎn)和使用大國，但農(nóng)藥有效利用率只有大約30%[7-9]，中國植保機(jī)械的發(fā)展與農(nóng)藥使用水平極不相稱。因此，迫切需要新型植保機(jī)械解決中國農(nóng)藥利用率較低的問題。自2010年以來，植保無人機(jī)在中國迅速發(fā)展，以植保無人機(jī)為應(yīng)用載體的低空低量航空施藥技術(shù)逐步成為研究熱點(diǎn)，高濃度低劑量的特點(diǎn)在一定程度上可提高農(nóng)藥利用率。

國內(nèi)研發(fā)出的植保無人機(jī)機(jī)型較多，其中以油動(dòng)多旋翼的機(jī)型開發(fā)產(chǎn)品最少，主流植保無人機(jī)多采用多旋翼電動(dòng)無人機(jī)[7，10]。多旋翼植保無人機(jī)機(jī)型以電池為動(dòng)力，技術(shù)門檻低、結(jié)構(gòu)和技術(shù)相對(duì)簡(jiǎn)單[11]。以目前市場(chǎng)上部分主流植保無人機(jī)技術(shù)參數(shù)（表1）來看，大疆植保無人機(jī)整機(jī)重量9.8～26.3 kg，作業(yè)效率能高達(dá)16.00 hm2/h，作業(yè)箱容積10～30 L，可裝備噴頭數(shù)量最多達(dá)16個(gè)，霧化粒徑在110～265 μm范圍內(nèi)。電動(dòng)多旋翼植保無人機(jī)工作效率高，能適應(yīng)多種作業(yè)環(huán)境，同時(shí)其相較于其他機(jī)型更易于操作與維修，相信未來幾年內(nèi)，中國植保無人機(jī)仍將以電動(dòng)多旋翼植保無人機(jī)為主。

表1 大疆農(nóng)用植保無人機(jī)型號(hào)技術(shù)參數(shù)對(duì)比

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，當(dāng)下中國有300多家植保無人機(jī)生產(chǎn)廠家、2 000家以上的企業(yè)從事農(nóng)用無人機(jī)生產(chǎn)與服務(wù)[12-13]。全國農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣服務(wù)中心初步統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，截至2020年11月中旬，全國專業(yè)化防治組織中植保無人機(jī)保有量約8萬架，作業(yè)面積大約5 300萬hm2。預(yù)計(jì)幾年內(nèi)，植保無人機(jī)市場(chǎng)從事飛防員培訓(xùn)派遣服務(wù)、無人機(jī)維修保養(yǎng)物流服務(wù)、噴灑植保服務(wù)、無人機(jī)租賃銷售、專用農(nóng)藥研發(fā)銷售等的人員需求量將超過40萬人[2]。

2 無人機(jī)專用藥劑及助劑發(fā)展現(xiàn)狀

植保無人機(jī)作業(yè)原理主要是利用自身旋翼產(chǎn)生的風(fēng)場(chǎng)使霧化后的霧滴向靶標(biāo)生物運(yùn)動(dòng)，但霧滴向靶標(biāo)運(yùn)動(dòng)過程中，易受溫度、濕度和自然風(fēng)等環(huán)境因素的影響，產(chǎn)生蒸發(fā)和飄移等造成環(huán)境問題，這就需要開發(fā)具有強(qiáng)沉降性、耐揮發(fā)性、抗飄移性等特點(diǎn)的低毒高效農(nóng)藥制劑降低霧滴飄移風(fēng)險(xiǎn)[14]。

植保無人機(jī)噴灑農(nóng)藥用水量?jī)H為傳統(tǒng)施藥方式的1/30，藥劑濃度相對(duì)較高，若施用不當(dāng)很容易造成農(nóng)藥殘留、環(huán)境污染等問題。2020年，通過比較背負(fù)式噴霧器和植保無人機(jī)在水稻田內(nèi)噴施吡蚜酮后的殘留量發(fā)現(xiàn)，植保無人機(jī)施藥后農(nóng)藥殘留量更高[15]；2021年，研究人員在茶園測(cè)試無人機(jī)施藥的霧滴沉積分布對(duì)害蟲防治效果及殘留量的研究中發(fā)現(xiàn)，無人機(jī)施藥相比傳統(tǒng)機(jī)械施藥農(nóng)藥利用率更高，但均勻性較差且農(nóng)藥殘留水平高[16]。因此，植保無人機(jī)使用普通農(nóng)藥進(jìn)行噴灑時(shí)，安全間隔期應(yīng)相應(yīng)延長(zhǎng)，而高殘留、分解性較差的農(nóng)藥則不適宜植保無人機(jī)的施用。此外，一些農(nóng)藥制劑類型還會(huì)造成霧化噴頭堵塞等問題。

國外針對(duì)植保無人機(jī)低容量高濃度噴霧特點(diǎn)，已經(jīng)研制出適合無人機(jī)噴施的飛防專用劑型——超低容量液劑，這種劑型相比其他劑型霧滴更小、滲透性更強(qiáng)、藥液覆蓋率更高。在日本，飛防專用藥劑登記已有266種，韓國也已登記110種[17-18]。長(zhǎng)久以來，中國植保無人機(jī)研究重心偏向于無人機(jī)技術(shù)參數(shù)的改良，只注重?zé)o人機(jī)本身的性能質(zhì)量，而忽視了藥劑對(duì)防治效果的影響。目前，國內(nèi)飛防專用藥劑和助劑的研制和試驗(yàn)尚處于起步階段。截至2018年，中國登記的超低容量液劑僅有12種，中國植保無人機(jī)所使用的農(nóng)藥則多為常規(guī)地面機(jī)械使用的藥劑，其并不能完全適應(yīng)無人機(jī)的作業(yè)要求[3]。因此，為了促進(jìn)中國植保無人機(jī)精準(zhǔn)施藥技術(shù)的發(fā)展，必須加快推進(jìn)植保無人機(jī)專用藥劑的開發(fā)和應(yīng)用研究，相關(guān)部門也應(yīng)建立完善的植保無人機(jī)施藥標(biāo)準(zhǔn)與安全監(jiān)管體系[7，16]。

3 農(nóng)業(yè)精準(zhǔn)施藥技術(shù)研究進(jìn)展

3.1 航空靜電噴霧技術(shù)

靜電噴霧技術(shù)是通過接觸式、電暈式及感應(yīng)式等充電方式使霧滴帶電，在高壓靜電的作用下，帶電藥液能夠主動(dòng)吸附于作物靶標(biāo)的正反面，達(dá)到吸附效果[19-20]。中國航空靜電噴霧技術(shù)研究始于2005年，而無人機(jī)靜電噴霧技術(shù)研究始于2015年[21-22]。目前，國內(nèi)對(duì)有人駕駛飛機(jī)已有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定航空靜電噴霧器的設(shè)備組成、主要技術(shù)指標(biāo)及注意事項(xiàng)等[23]，但缺少對(duì)植保無人機(jī)靜電噴霧系統(tǒng)整機(jī)的詳細(xì)說明和操作規(guī)范，且各研究人員選用的機(jī)型、旋翼數(shù)量、技術(shù)參數(shù)各不相同，這就降低了研究結(jié)果的可借鑒性。中國現(xiàn)階段應(yīng)重視基礎(chǔ)性研究和延續(xù)性試驗(yàn)，解決載重、靜電系統(tǒng)與播撒和飛控系統(tǒng)的整機(jī)協(xié)調(diào)性差、基礎(chǔ)性研究欠缺等問題，把單一強(qiáng)調(diào)對(duì)霧滴帶電的實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向?qū)夹g(shù)系統(tǒng)的整體研究[24]。

靜電噴霧技術(shù)具有能夠增加藥劑霧滴沉積、減少飄移和降低施藥量等方面的優(yōu)勢(shì)，可以有效解決植保無人機(jī)施藥技術(shù)方面的問題，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的精準(zhǔn)施藥。

3.2 農(nóng)藥變量噴霧技術(shù)

變量噴霧技術(shù)是通過分析農(nóng)田作物的實(shí)際情況，有針對(duì)性地調(diào)整噴施量和噴施方式，以最小農(nóng)藥噴施量達(dá)到最佳防治效果。變量噴霧技術(shù)工作過程主要涉及農(nóng)田信息獲取、數(shù)據(jù)處理與控制及對(duì)執(zhí)行動(dòng)作的感知等，現(xiàn)階段研究的變量噴霧技術(shù)主要有2種類型，即基于處方圖的變量噴霧技術(shù)和基于實(shí)時(shí)感知的變量噴霧技術(shù)。前者是根據(jù)分析后的農(nóng)田信息調(diào)整作業(yè)模式；后者則是作業(yè)過程中實(shí)時(shí)獲取農(nóng)田信息，并快速進(jìn)行判斷從而實(shí)現(xiàn)變量噴霧[25-26]。有研究表明，目前搭載變量噴霧技術(shù)的機(jī)械相比于傳統(tǒng)噴藥方式節(jié)藥50%以上，對(duì)靶識(shí)別成功率達(dá)60%以上[27]。

航空植保變量噴霧是全球研究的一個(gè)重要方向，在美國、日本等發(fā)達(dá)國家已有一定的研究與發(fā)展，中國對(duì)植保無人機(jī)變量噴霧也相繼進(jìn)行了探索性研究[28]。早在2014年，國內(nèi)就有學(xué)者設(shè)計(jì)了利用PWM技術(shù)控制的無人機(jī)機(jī)載農(nóng)藥變量噴灑系統(tǒng)，但沒有結(jié)合無人機(jī)作業(yè)參數(shù)進(jìn)行變量噴霧[29]；2017年，雖開始設(shè)計(jì)關(guān)于飛行速度和施藥流量自動(dòng)匹配的植保無人機(jī)動(dòng)態(tài)變量施藥系統(tǒng)，但沒有研究控制算法對(duì)控制效果的影響[30]；到2019年，開始有學(xué)者關(guān)注飛行速度的變化對(duì)施藥均勻性的影響，設(shè)計(jì)了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID的自適應(yīng)無人機(jī)變量噴霧系統(tǒng)[31]；最新的研究中，高銳濤等[32]設(shè)計(jì)了基于變量施藥處方圖的實(shí)時(shí)解譯系統(tǒng)，為植保無人機(jī)變量噴霧技術(shù)的發(fā)展提供了理論參考。

目前，國內(nèi)對(duì)變量噴霧技術(shù)在精準(zhǔn)施藥上的應(yīng)用研究尚處于探索階段，將變量噴霧技術(shù)應(yīng)用到植保無人機(jī)上的相關(guān)研究報(bào)道更少，加強(qiáng)對(duì)植保無人機(jī)變量噴霧系統(tǒng)的研究和應(yīng)用將會(huì)有效改善現(xiàn)階段的植保作業(yè)問題。

3.3 霧滴飄移控制技術(shù)

霧滴飄移是農(nóng)藥在使用過程中通過空氣向非靶標(biāo)運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象，包括飛行飄移和蒸發(fā)飄移。飄移會(huì)造成環(huán)境污染，甚至?xí)＜叭祟惿眢w健康、蜜蜂養(yǎng)殖等。因此，需要進(jìn)一步研究影響霧滴飄移與沉積行為的因素[33]。

2018年，研究人員采用油動(dòng)單旋翼植保無人機(jī)探索了不同施藥量棉花苗期噴霧霧滴沉積分布的規(guī)律[34]，之后研究人員深入研究了噴霧參數(shù)及助劑類型對(duì)農(nóng)藥霧滴沉積分布的影響[35-36]；除了關(guān)于噴霧參數(shù)及助劑類型的研究外，還有學(xué)者開始利用風(fēng)洞環(huán)境模擬無人機(jī)飛行噴霧試驗(yàn)，進(jìn)行霧化噴頭、噴霧助劑等對(duì)噴霧飄移影響的研究[37-38]；最新的研究中，研究人員開始更多地關(guān)注植保無人機(jī)在飛行過程中不同側(cè)向風(fēng)、環(huán)境風(fēng)速、飛行參數(shù)等對(duì)霧滴沉積和飄移的影響程度[39-41]。

中國對(duì)植保無人機(jī)噴霧飄移的研究還處于初步階段，深入研究不同因素對(duì)農(nóng)藥飄移的影響、下風(fēng)向的霧滴飄移規(guī)律以及農(nóng)藥飄移對(duì)非靶標(biāo)生物的影響對(duì)提升農(nóng)藥利用率和環(huán)境保護(hù)具有重要意義[42]。

4 結(jié)語

中國植保無人機(jī)的發(fā)展相較于世界其他國家起步較晚，最初的研究多是基于地面機(jī)械設(shè)備的相關(guān)硬件和施藥技術(shù)進(jìn)行再開發(fā)。因此，有些設(shè)備和技術(shù)并不能與植保無人機(jī)完美兼容，尤其在施藥技術(shù)方面，植保無人機(jī)雖然能有效提高農(nóng)藥利用率，但農(nóng)藥霧滴飄移、均勻性差、農(nóng)藥殘留等問題以及缺乏專用農(nóng)藥制劑都制約著植保無人機(jī)的進(jìn)一步推廣和應(yīng)用。目前，國內(nèi)在精準(zhǔn)施藥關(guān)鍵技術(shù)方面已經(jīng)有關(guān)于農(nóng)業(yè)航空靜電噴霧技術(shù)、農(nóng)藥變量噴霧技術(shù)、霧滴飄移控制技術(shù)的研究，但由于研究不夠深入且研究時(shí)使用的植保無人機(jī)型號(hào)各不相同，對(duì)照參考性不強(qiáng)，缺乏針對(duì)性，技術(shù)發(fā)展與國外發(fā)達(dá)國家仍有一定差距。無人機(jī)精準(zhǔn)施藥關(guān)鍵技術(shù)涉及多領(lǐng)域多學(xué)科的研究，尚需廣大研究人員進(jìn)一步開發(fā)和推廣應(yīng)用。