植保無人機作物生產應用研究進展

張延發 周婧 袁敏敏 高輝 吳成偉 鄭介松

摘 要：該文闡述了國內外植保無人機在農作物生產上應用現狀，歸納了農用植保無人機作業相較于其他植保作業方式的優勢與特點，分析了植保無人機發展和推廣中存在的問題，并展望了植保無人機應用的發展趨勢。

關鍵詞：無人機；植保；作物生產

中圖分類號 S252.3 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2018）22-0058-03

Abstract：The paper expounded the current status of plant protection applications at home and abroad，and summarized the advantages and characteristics of agricultural plant protection UAV operation compared with operations. The problems in developing and promoting plant protection UAV were also analyzed，and the paper prospected the development trend of plant protection UAV in crop production applications.

Key words：UAV；Plant protection；Crop production

農藥是重要的農業生產資料，農藥的施用對于保障我國糧食安全具有重要意義。然而，過頻過量施用農藥，不僅威脅到農產品的質量安全，而且導致農業面源污染加重、農業投入品資源浪費、農業生產成本增加等問題，不符合農業綠色化、高質化的發展方向。如何高效精準施藥已成為作物生產領域的重要課題，其中新一代植保無人機的示范推廣應用是其關鍵突破口[1]。

目前，農作物生產中的施藥方式以人工背負式、高地隙自走式噴桿噴霧為主，而植保無人機施藥僅占1%。人工背負式施藥雖具有隨時隨地作業、簡便易用的優點，但存在藥液用量大、作業效率低、農藥殘留多等問題。高地隙自走式噴桿噴霧機適用于水田、旱田作物和菜地的除草、殺蟲、滅菌等的噴灑作業，具有機械化自動化程度高、通過性好、施藥精準高效等優點，但也存在一次性投入成本高、坡地易傾覆、作物碾壓損傷相對大等問題。而植保無人機具有施藥效率和自動化程度高、能耗低、對作物無植傷、不受地形限制等優點，具有很高的推廣應用價值。

1 國內外植保無人機應用現狀

1.1 國外 1985年，世界第1臺噴藥無人機R-50肇始于日本Yamaha公司，成為航空植保的重要里程碑與植保無人機的發端[2]。日本山地多、田塊小而散，加之農業勞力短缺、人口老齡化等，促使植保無人機產業得以快速發展，是無人機飛防最為成熟的國家。日本現擁有登記在冊的植保無人機3000多架，作業面積超過100萬hm2。日本擁有大量的無人機培訓與保險服務公司，為無人機飛防全產業體系的服務精細化和完備化提供了可靠的保障。美國的農作物生產以大農場為主，經營規模大，往往使用載重量更大、續航時更長、工效比更高的有人機進行植保作業。其商業化無人機主要用于精準遙感監測與圖像識別，在農藥噴灑領域發展不快。韓國90%以上的植保無人機從中國進口，各地農業協會擁有的植保無人機數量占總數的80%[3-4]。此外，歐盟國家、巴西、阿根廷、澳大利亞等都已將無人機應用于植保作業。

1.2 國內 2004年，農業部南京農業機械化研究所等機構開展了農用植保無人機的研究與推廣工作。2010年，我國第1架商業農用植保無人機問世。在科技創新的驅動下，大疆、極飛、漢和、高科新農等一批無人機的品牌紛紛涉足作物生產領域。新思界產業研究中心發布的《2017—2021年植保無人機行業市場現狀及投資前景預測報告》顯示，截至2016年6月，我國農用植保無人機的保有量已達到4890架，成為全球農用植保無人機保有量第一的國家。有研究認為，預計到2020年，我國植保無人機需求量將達10萬架，從事飛防員培訓派遣服務、無人機維修保養物流服務、噴灑植保服務、無人機租賃銷售、專用農藥研發銷售等的從業人員需求量將超過40萬人。為了大力推進農藥減量控害，積極探索產出高效、產品安全、資源節約、環境友好的現代農業發展之路，2015年2月農業部印發了《到2020年農藥使用量零增長行動方案》，要求提升裝備水平，加快轉變病蟲害防控方式，大規模開展專業化統防統治，推行植保機械與農藝配套，提高防治效率、效果和效益，解決1家1戶“打藥難”“亂打藥”等問題。目前，河南、福建、山東、江蘇、浙江、安徽等省份紛紛推行農用植保無人機省內補貼政策，惠及一批病蟲防治專業化服務組織、新型農業經營主體[5-7]。可見，植保無人機作業已成為我國農業規模化、標準化、綠色化、高質量發展的重大需求和必然選擇。

2 植保無人機的類型與作業優勢

2.1 類型 （1）按能源動力劃分，可分為油動和電動2類。油動植保無人機具有載荷大、續航長等優點，但存在燃料使用污染大、結構復雜而維護難、造價高等缺點。電動植保無人機的優勢則在于綠色環保、易于操作、易于維護、造價低等，缺點是載荷少、續航短。在作物生產高質量、綠色化發展的新時代，電動植保無人機更具有生命力和發展的活力。（2）按機型結構分類，可分為固定翼和多旋翼2類。固定翼植保無人機具有穩定向下的大風場，霧化效果好，藥物穿透力強，抗風性較強。多旋翼植保無人機造價相對低、易于操作，但風場小、抗風性較弱、藥物穿透力有限[8]。可見，固定翼電動植保無人機更具推廣應用價值。

2.2 作業優勢 一是廣適性強。可不受地形地貌限制，在狹小不規整田塊、水田、沼澤地、丘陵地區等實現作業。二是綠色環保。與傳統方式相比，采用無人機噴藥，農藥利用率高、殘留少，減少了對水土氣等的污染[9]，農產品質量安全水平得到提升。三是精準可靠。一般為近地作業，導航系統精準，可遠距離操控，風場穩定向下，利用霧化器將含有飛防助劑的藥液進行霧化沉降，自動工作，操作簡便。四是工效比高。以極飛植保無人機為例，其噴灑工效約是傳統人工的60倍，每天可作業20hm2以上。

3 植保無人機的性能比較

農用無人機用途很多，可用于施藥、施肥、播種、授粉、測量、航拍、圖像識別等方面[10]，其中植保無人機在作物生產上應用最為廣泛。本文以中農網購（江蘇）電子商務有限公司為例，對其購置并已開展作物生產應用的3款植保無人機進行了性能參數比較（表1）。

單旋翼電動植保無人機體積大、飛機質量重、續航時間長，且載荷重、噴頭數量多、有效噴幅廣；而多旋翼電動植保無人機可折疊，方便攜帶，便于實現轉場規模化作業，且其是對稱的多旋翼，結構更加穩定牢固平衡。3款植保無人機中，極飛植保無人機可搭載多個不同的定位模塊，其中包括國產的北斗導航系統，可實現全自主飛行，精度可達1～2m，作業更加精準[11-12]，性能更加高端，更符合植保無人機發展方向。

4 制約因素

根據《江蘇統計年鑒》（2017），2016年全省水稻種植面積為229.5萬hm2，小麥為219.0萬hm2，稻麥占全省總播種面積的58.4%。水稻施藥至少“3防2控”，小麥施藥至少“1噴3防”，稻麥作物全生育期施藥次數多，且面積廣大，因而對于植保無人機產業的發展蘊涵著巨大的機遇。然而，植保無人機在作物生產應用上，尚面臨著一系列問題有待解決。

4.1 購機成本高昂 以極飛植保無人機為例，P30植保無人機（載重15kg）單機價格6萬元，P20植保無人機（載重10kg）單機價格5萬元，且一般要增配電池，加之需不定期維護檢修，存在其他可能的支出。高標配、重載荷、長航時的植保無人機單機購機成本則在10萬元以上。雖然植保無人機逐步加入試點補貼，但用戶仍需支付不少費用。這導致一般的農業經營主體購機意愿不強，經營面積大的購機少了難以實現全面飛防，經營面積小的一般采用人工背負式施藥降本。植保專業合作社等也因自身財力和服務范圍有限，購機積極性也不高，跨地區服務則面臨交通運輸費用大的制約。

4.2 配套服務不足 植保無人機操作人員需通過中國航空器擁有者及駕駛員協會（AOPA）組織的中國民航無人機駕駛員合格證考試，一般農業從業人員參訓參考者甚少，造成了職業飛手短缺，制約了植保無人機的更大面積示范推廣應用。同時，缺少植保無人機方面的保險機制，不能有效規避植保無人機作業失誤、自然災害影響等潛在風險。

4.3 作業規則缺失 國內植保無人機生產企業已超過100家。不同品牌的植保無人機在最大起飛重量、農藥容器容量、續航時間、有效噴幅等參數方面差異較大，缺少簡化統一協調選優的標準規范。植保無人機生產作業服務商單位面積作業收費高，且標準不一。如水稻單次作業收費達120～150元/hm2不等，使得農業經營主體想用用不起、一次性付款有壓力。同時，植保無人機廠家、服務商、農民專業合作社、家庭農場、保險商等之間缺少利益聯接、組合共贏機制，往往各自為政、單打獨斗，一二三產業融合發展不足。

5 發展趨勢

植保無人機集省力化、綠色化、自動化、智能化特征于一體，契合我國推進工業化、信息化、農業現代化發展與實施創新驅動發展、鄉村振興戰略等的重大需求，是實現新時代作物生產全程機械化的關鍵裝備，有著巨大的市場空間與廣闊的發展前景。

為了更好地服務現代農業建設，應加快研發自主航線規劃、自主導航、自主作業、自主懸停、重載荷、長航時[13-14]、輕機重、高質量、低成本、易維護的新一代植保無人機及其移動端操作平臺[15-16]，優化設計強度高、耐腐蝕、質量輕的噴桿[17]，改良噴嘴[18-19]，創新作物全生產季綠色農藥套餐及精準植保技術，提供全程服務，規范作業規則，顯著提升植保無人機科技含量與作業質效，實現增產提質減藥保效目標，助力產業興旺與鄉村振興。

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（責編：張宏民）