無人飛播水稻優質豐產“無人化”栽培技術體系探討與展望

朱海濱 馬中濤 徐棟 凌宇飛 魏海燕 高輝 邢志鵬 胡群張洪程

（揚州大學/江蘇省作物栽培生理重點實驗室/江蘇省糧食作物現代產業技術協同創新中心/江蘇省優質粳稻產業工程研究中心，江蘇 揚州225009；第一作者：13952421203＠163.com；*通訊作者：huqun＠yzu.edu.cn；hczhang＠yzu.edu.cn）

近年來，隨著中國經濟的迅猛發展，越來越多的農村青壯勞動力進城務工，致使農村勞動力不足，但當前的農業生產尚未完成智能化、“無人化”轉型，仍有巨大的勞動力需求，這就形成了日益突出的矛盾。在業內開始尋求輕簡化栽培技術體系的時刻，我國正蓬勃發展的無人機產業給未來農業發展指出了一條可行的道路，利用農用無人機完成水稻的種子播種[1]、群體質量調查與撒肥[2]、田間病害檢測與撒藥作業[3]等一系列生產任務。

水稻無人飛播技術本質上是一種以農用無人機進行的水稻水直播技術。盡管直播稻在草害[4]、倒伏[5]、產量[6]等方面的競爭力不如移栽稻，但其省時省力、高效節本的特點是移栽稻無法比擬的，并且其在現代耕作技術、現代栽培管理技術的支持下獲得了很大的進步[7]。目前我國直播稻技術主要是采用機直播方式，以有人駕駛的大型地面機械為平臺進行大面積作業，實現水稻生產的低成本和高效率。無人飛播技術同樣具有以上優點，并且無人機在面對復雜地形時不存在運輸行進不便的問題，這使得無人飛播技術優勢更加明顯[8]。無視地面復雜地形這一優點亦使得無人機獲取田間數據更加迅捷和準確，如植株水分利用率[9]、植株氮素含量[10-11]、生物量[12-13]和病蟲害[14]監測以及倒伏區域識別[15]等，這為農藝措施決策起到極為重要的輔助作用。此外，無人機還可以通過更換部件進行施肥、撒藥等，更深程度地參與大田農藝管理。因此，無人機可以同時作為農業生產實踐平臺和大田信息收集平臺[16]，是實現農業輕簡化生產的理想途徑。無人機將作為未來農場的重要農機設備，與田間地面監測系統、大田信息收集處理與決策系統一同實現智能化和“無人化”。文章綜述了農用無人機的發展、分類與適合無人飛播的水稻“無人化”栽培技術體系，為未來農用無人機發展和水稻生產“無人化”提供參考。

1 農業航空飛播技術的發展

農業航空飛播技術指通過使用各種農業航空作業平臺，聯合農業航空遙感監測技術對農作物或草木進行播種的技術[17]。現存最早的農業航空播種記錄是1918年美國使用有人駕駛飛機進行農業播種作業[18]。首次使用無人機進行農業生產的國家是日本，于20世紀90年代在北海道地區開始嘗試應用。隨著無人機行業的技術進步，無人飛播技術的播種效率、精準度、均勻度等都有了顯著提升，日本于2004年起用于農業生產的無人機數量超越有人駕駛飛行器。因此，無人飛播成為一種新趨勢[19]。

我國于20世紀50年代開始使用飛機進行播種造林活動，1959年四川省涼山彝族自治州首次實現成功作業。我國早期使用的農業航空器以經簡易改裝的運-5飛機為主，只能適用于對精度和均勻度要求不高的草本類植物[1]。經過數十年發展，我國農業航空作業已由單一的有人駕駛航空器作業發展為有人駕駛航空器作業和無人駕駛航空器作業并存，后者仍有巨大發展潛力。我國農用無人機目前主要應用于植保[20]和觀測[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 水稻播種無人機分類

目前市場上銷售的農用無人機機體以旋翼數分為單旋翼無人機和多旋翼無人機，前者主要以燃油為動力，具有載重量大、續航長、抗風性強的優點，但其價格昂貴、操控難度大、技術復雜；后者主要以電池為動力，具有操作容易、結構簡單、易維護的優點，但其抗風性差、續行較差、載重量較小。現階段國內農用無人機的主要消費群體為中小型農戶、無人機職業操作者和基層涉農單位，他們更注重無人機的操作難度和日常維護難易程度，故我國目前乃至未來幾年的市場都將是以多旋翼無人機為主。我國農業無人機生產廠商主要有大疆、極飛、羽人等公司。深圳市大疆創新科技有限公司是世界消費級無人機領域的巨頭，市場份額常年全球第一，T30是該公司最新農用無人機型號，配有40 L撒播作業箱和具有40 kg最大載重能力，作業效率為每小時16 hm2；廣州極飛科技有限公司是國內最早開始商用無人機研發、制造與應用服務的企業之一，是主打農用無人機研制的先進公司，P80是該公司主打新品，具有80 kg的標準起飛重量，載荷比高達0.45，可以搭載35 L睿噴智能藥箱或60 L睿播智能料箱；羽人無人機（珠海）有限公司以精確直播無人機聞名，其產品可播出水稻株行距，谷上飛10/20 KG水稻精量直播無人機可以調節行距20～30 cm，作業效率達到每小時2 hm2。

目前市場上主流的排種器根據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、可播撒多種作物種子或顆粒狀化肥、不易傷種、結構簡單的優點[22]；而后者靠氣流的作用力實現精密播種，又可分為氣吸式、氣壓式、氣送式，具有播幅寬、均勻性高、調控簡便準確的特點[23]。相對于地面播種機械，農用無人機體積小、續行較短、穩定性較差，更適合選用離心式排種機作為飛播部件，但離心播種的落種區域呈圓弧形，均勻性差，重播漏播風險大，故氣力式排種機仍然具有部分市場[24]。珠海羽人農業航空公司精量條播機利用高壓氣體將種子彈射至土中，減小了機翼氣流和外界氣流對種子播撒軌跡的擾動[25]，這對于提高無人飛播的落種均勻性和種子入土深度是極具啟發性的。黃小毛等[26]設計出一種無人機電驅離心條播式排種裝置，體積小巧，配合專用導種裝置，能夠有效抑制旋翼氣流對下落種子的擾動，實現高速、精量條播。而宋燦燦等[27]設計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，發現在2 m的作業高度使用130°的錐角時落種均勻性受機身氣流影響較小，均勻性較好。

無人飛播均勻性除了受排種器種類影響外，與播種連續性也有較大關系。國內外分別有通過光電傳感[28]、高頻無線電波[29]、電容[30]和機器視覺[31-32]監測種子漏播與斷條現象，甚至以此作為調控實時播種速率的依據[33]。但電容法對小型種子播量監測精度低，因為小型種子通過電容傳感器時引起的電容變化較小，監測系統易受寄生電容和環境的影響；機器視覺法則對農機作業環境要求較高，并且其設備成本高昂，亦無法滿足無人機的作業需求[29]。

3 無人飛播水稻栽培技術體系要點

3.1 播種方式

水稻無人飛播技術本質上是一種基于農用無人機平臺，對水稻種子進行播種的直播技術。水稻直播技術是指水稻種子直接由人工或機械直接播種于大田，不需要先苗床育秧、后移栽至大田的播種技術[34]，其根據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）濕潤直播，即將干種子或預萌發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，即將預萌發的種子播入具有一定水層的土壤[37]。無人飛播技術主要采用水直播（或濕潤直播）方式，以提高種子發芽率、出苗整齊度和促進根系下扎，減少后期倒伏風險。

水稻直播技術又可按照播種方式分為撒直播、點直播和條直播，目前無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，結構簡單，被大疆、極飛等公司普遍采用，并廣泛用于水稻生產。四川農業大學伍志軍團隊的撒播無人機能夠在丘陵地區智能篩選路線，自動調節飛行高度和撒播速度，效率為每小時0.8 hm2，是人工撒播的18倍，其水稻產量經測算約550.0 kg/667 m2，高于四川省平均水平。長江大學盧碧林團隊使用撒播無人機對水稻飛播、飛施、飛防、飛測作業，經實測驗收，產量達到641.8 kg/667 m2，比對照田塊增產11.5%，每667 m2節本增效200元以上。但是由于無人機飛行的穩定性較差，加上種子下落時易受旋翼產生的擾流和外界大氣流動影響，撒直播作業均勻度較差。相比于撒直播，條直播需要的部件體積大、質量高，會在相當程度上減少無人機僅有的載重量，且對無人機空中飛行穩定性造成不良影響，這對于無人機機械性能是一種較大的考驗。但珠海羽人農業航空公司注意到條直播對于水稻精確定量播種的重要性，以條播無人機為特色，在農用無人機市場上獨樹一幟。2020年清遠市展示利用羽人精量直播無人機進行水稻種植作業，它在5 min內可以播種0.27 hm2，是人工作業的20倍，相較于移栽稻能夠減少50%以上成本。

3.2 機型選擇與飛行參數

結合田塊大小、無人機續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的水稻直播無人機，載重量介于16.0～20.0 kg的無人機為最佳選擇[8]，但亦有學者認為有效載重量為10 kg的機型處于效益曲線最佳結合點[17]。

水稻直播無人機一般以離地0.4～3.0 m高度、在空中以3.0～6.0 m/s速度作業。對于撒播無人機，其作業幅寬不應低于4.0 m；而對于條播無人機，其作業行距應為20.0～30.0 cm，行內種子最大離散距離不應超過8.0 cm[8]。目前相關公司在宣傳機型時都采用“S”型播種路線設定，但國內已有部分農戶采用雙“S”型路線播種，即在第一次完成“S”型播種作業后將路線設定旋轉90°，再次進行“S”型播種作業，以此來保證播種均勻性。

3.3 品種選擇與種子處理

品種篩選是水稻增產和米質改善的重要原因，但目前我國的主要水稻品種都是以移栽稻為育種目的的品種，急需選育適配無人飛播的水稻品種。根據水直播對水稻品種的要求，無人飛播水稻品種應具備發芽率高且出苗快、生育期適宜、優質高產、根系發達、矮稈抗倒伏、抗病蟲害和抗逆性強等特點。還有學者認為品種選擇需要根據早中晚季稻特定氣候要求細分：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害對種子侵害和促進種子萌發、幼苗形態建成的主要措施。姜心祿等[39]通過比較不同種子處理方式發現，不論是水直播還是旱直播，將種子浸種48 h后催芽至露白時進行直播，出苗率高、群體足、產量性狀合理，可獲得較高產量。對于無人飛播水稻而言，催芽種子的適宜長度極為重要，催芽后胚芽過短會影響大田出苗時間，過長則在播種時容易損傷種子[40]，甚至損壞播種設備，但此方向研究仍鮮有報道。孫志玲等[41]通過設置不同硒濃度處理發現，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，這為提高無人飛播水稻出苗率提供了新思路。此外，無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、鼠類和鳥類取食的威脅，故還需在播種前拌藥劑防蟲、防鳥、防鼠[42]。

3.4 稻田“無人化”耕整

田塊在播種前需要旋耕整平，地表無殘渣，同時做到適當沉實，上爛下實，并且地表有淺層泥漿[40]。有學者通過比較不同翻耕深度發現，翻耕越深越有利于水稻植株根系生長發育，提高根冠比，并且秸稈還田處理比無秸稈還田處理效果更好，這可以改善無人飛播水稻根系集中于田塊表面的缺點[43-44]。

在水稻生產智能化、“無人化”的大背景下，整地工作也終將實現“無人化”。2016年，約翰迪爾和凱斯紐在荷蘭分別推出“無人化”駕駛拖拉機及其配套農具，在全方位感應和探測裝置的幫助下，其能夠偵測并避開障礙物；2018年，日本久保田公司也推出了帶有自動駕駛功能的拖拉機以減輕操作員體力負擔[45]。我國現已有無人整地機投入應用的相關報道。吉林省榆樹市拓野農機專業合作社利用無人駕駛系統，使每天需要3個操作員輪班干搶農時成為歷史，并且晚上也可以進行作業。無人駕駛整地機除了以上優點外，作業精度也因高精度傳感器和定位而比有人駕駛整地機更高，并且可以利用激光整地配套設備實行更嚴苛的作業要求[46]。在水田耕整方面，由于水田犁底層高度不一，平地機容易發生深陷，不利于平地鏟與激光束平面平行，田間平整度難以達到理想要求[46]。華南農業大學羅錫文院士團隊研究提出改進方案：以加速度計測量平地鏟較小傾角，同時以陀螺儀積分測量較大傾角，從而達到水平控制平地鏟的目的[47]。該團隊還改進平地機底盤，將水田平地機械與插秧底盤相結合，較窄的驅動輪可以幫助實現更高效率的作業。這些改進農機配合無人拖拉機能夠更高效且精準地實現水田平地作業。而在旱地耕整方面，揚州大學張洪程院士團隊將施基肥、秸稈旋耕還田、施種肥、開溝播種、覆土鎮壓和開排水溝等技術工序整合于耕種管整體智能機中，其搭載無人駕駛系統和北斗導航系統，能夠在規劃田間路徑后實現精準走直、自動掉頭轉彎、精確接行續行的“無人化”水稻種植作業，大幅減少農機投入類型和用工投入。利用此款整體智能機可實現無人飛播稻田的耕整、基肥施用和開溝等技術環節“無人化”。

3.5 “無人化”肥水管理

氮素是水稻植株個體生長發育必需的營養元素，具有提高水稻葉片光合能力[47]、延長光合時間[48]和增加同化物[49]等作用。為了開發水稻品種的增產潛力，僅靠土壤中的氮素養分很難達到穩產高產的生產需求，還需要添加外來氮素。目前我國農業生產的施氮方式主要是人工撒肥和地面機械施肥，前者具有效率低、工作強度大的缺點，后者則對地面地形要求高、作業經濟閾值高，適合大面積的施肥。目前，控混肥一次性基施技術與“無人化”耕整一體機適配性較好，該技術可以在農機進行“無人化”整地時將氮肥同步施入大田，相較于傳統精確定量施肥具有工序簡單、勞動力需求小和改善米質的優點，同時產量也有所保證[50]，是未來水稻生產“無人化”的重要組成部分。而無人機可以通過機身上多光譜探頭監測田間水稻群體長勢[51]，能精準而又快速地發現缺肥地點，完成中后期的肥料補施。孫志偉等[52]利用無人機RGB色彩數字圖像，建立氮營養診斷方程，可以較為準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]通過使用多光譜相機，研究建立了一種基于標準種植比值法的無人機遙感水稻施氮水平診斷模型和施氮決策模型，開發配套了水稻氮素營養精準管理決策支持系統。

適宜的水分管理亦是水稻穩產高產的必要條件之一。水分既是水稻生理生化反應的介質，又是植株光合作用的原料，其對水稻的產量[54]和品質[55-56]有著極為重要的影響。目前，遙感技術被廣泛應用于農業大田生產，無人機遙感技術可以通過植被可見光、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[57]。無人機遙感所得數據可以與田間地面常駐傳感器所得數據相整合，傳導至智能灌溉系統服務器，由用戶遠程決定是否進行灌溉處理與調節田間持水量[58-59]。

3.6 病蟲草害“無人化”防治

無人飛播水稻由于免受移栽植傷，分蘗早、分蘗節位低、高峰苗數提前，故田間封行早、通風透光性差，相比于移栽稻更容易發生病蟲害。病蟲防治策略為“前期預防惡苗病，主治稻象甲，中期防治與移栽稻相似，后期重點防治稻縱卷葉螟、飛虱以及稻瘟病、紋枯病”[60]。而草害更是影響無人飛播水稻增產穩產的主要限制因素，直播田雜草具有種類多、數量大、發生時間長的特點，其發生情況主要取決于土壤中雜草種子數量、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、后期水層”，易發生濕性雜草；旱直播稻田則兼有濕性雜草和旱田雜草[62]。由于無人飛播田塊草害發生時間長，具有多次高峰，故必須從源頭和生產過程兩個方面進行防治。

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。精選后的種子經浸種催芽處理，可降低水稻種子本身所攜帶的害蟲、病毒和病菌數量，提高種子發芽率和出苗整齊度，還可以促進幼苗形態建成，加強幼苗抗性和促進根系下扎。此外，播前宜配合無人耕整機的旋耕整地作業，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；播后則宜利用無人機進行化學防控作業，即“無人飛防”。無人飛防是利用植保無人機進行農藥噴灑作業的技術環節，是水稻病蟲草害防治發展趨勢。早在2010年我國就出現了利用無人機進行飛防的報道，應用效果在2014年獲得大眾的初步認可，隨后在主要農作物上應用比例不斷提高[63]。相比有人駕駛飛機噴藥，無人飛防對操作員的要求較低，其作業成本也得到降低；相比輪式植保機，不會對農作物造成物理損傷，也不會破壞土壤物理結構；相比人工打藥，無人飛防在提高作業效率的同時減少了農戶、操作員與農藥的接觸，減少了農藥對人體的危害[64]。無人飛防利用旋翼引發的下旋風，配合高物化噴頭，在低空和超低空作業時有效提高了噴霧的滲透能力，保證藥液到達所需部位，在減小藥量、減小污染和提高農產品安全性方面卓有成效[65]。無人飛防技術還可以聯合氣象系統，做到無人機根據環境天氣調整作業路線，實現精確噴施[66]。這些技術最終將減少農藥施用量，在減少農產品農藥殘留的同時降低農業生產成本。同時，無人機的模塊化生產將允許其通過更換部件而達到一機多用，減少農民購機成本，促進無人機更廣闊、更深入地參與農業生產。

3.7 “無人化”收獲

除了耕整地機械外，越來越多的收割機也正在實現自動駕駛和精確作業。在2018年“農業全過程無人作業試驗”示范演示會，中聯重科通過傳感檢測、自動控制、互聯網技術，實現精準支持農機作業軌跡，自動躲避障礙物，并且可自動調節收獲作業參數。豐疆公司的FJC888G智能無人收割機通過北斗衛星RTK厘米級打點定位，誤差不超過2.5 cm，可自動規劃收割路徑和邊距，其遙控器可以通過實時圖像傳播，將機械作業、前方視野、車尾圖像傳遞給操作員以方便其進行調節與操作。2019年，華南農業大學羅錫文院士團隊聯合雷沃重工，研發出一套主從導航收獲機系統，該系統基于北斗衛星定位和無線網連接，能夠實現無人駕駛收割機和無人駕駛卸糧車的自主作業與農機間聯動，農機間的橫向誤差不超過10 cm、縱向誤差則不超過20 cm。此外，黃東等[67]研究發現，機械聯合收獲損失率顯著高于機械分段收獲和手工收獲，機械分段收獲的損失率主要集中在田間脫粒環節，故分段精細脫粒以減少損失是“無人化”收割機的重要研制方向。同時，在禁止焚燒秸稈的條件下，智能收割機應該同時肩負秸稈還田的任務，完成留高茬還田或者粉碎翻壓還田作業[68]，做到秸稈切割勻且碎，稻米機械損傷小。

4 展望

目前，主流的水稻直播無人機以電力作為能源，大部分機型載重量不超過30 kg，作業時間不超過10 min。盡管目前已有部分廠商使用快速插拔電池以達到提高大面積工作效率的目的，但無人機的電池性能仍是限制無人機作業的最大阻礙，因此改進電池組材料極為重要。同時，可以采用新型機身材料、簡化機身設計，追求無人機自身重量的降低，以增加載荷比和續航能力，提高經濟效益。

另外，當前大部分無人機價格為5萬元人民幣左右，減去各地政府補貼，普遍仍需要3萬多元人民幣，采購成本依然較高。并且廠家提供的質保時間一般不超過12個月，這導致了無人機過保后維修成本較高。另一方面，我國現有的無人機生產廠家繁多，國內未形成一套成熟的行業生產標準，導致無人機部件通用性較差、部件價格高昂，希望能夠盡快實現無人機模塊化生產、部件接口標準化。

再者，應該加快對無人機內部機械對種子輸送損傷的系統研究，設計出適用性廣、故障率低、機械損傷小、播種精度高的排種器，進一步研究包括種子浸種時間長短、藥劑種類及其配比等方面的種子處理技術理論體系，提高水稻種子發芽率、成苗率，通過減少用種量來提高經濟效益。

最后，隨著農業生產智能化、“無人化”與自動化的不斷推進，水稻無人飛播、地面無人機條播和無人機插秧將成為水稻播植的三種主要方式。無人飛播主攻復雜地形田塊，作為大面積平坦田塊地面無人條播的重要補充力量，一同滿足茬口緊張地區的水稻生產。無人機不僅是智能農場、“無人化”農場的重要實踐平臺，它根據系統計算和最終決策，在關鍵時期執行肥料和藥劑的噴施作業。無人機還是重要的田間信息收集平臺，使農戶足不出戶便可掌握田間情況，是無人農藝措施的起點。甚至在物聯網的大趨勢下，無人機會實現自主巡航、自主決策、自主作業，農戶僅需要進行物料補充和日常維護工作。這樣的智慧農業將極大減少人力需求，顯著提升水肥與藥劑的利用率，在節約成本的同時保障環境的生態安全，實現糧食的穩產和增產。