植保無人機(jī)提升水稻病蟲害防治效果

朱小的

摘要：近年來，隨著植保無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展，在此基礎(chǔ)上衍生出了很多在各行各業(yè)的實際應(yīng)用，盡管其中最典型的是航拍技術(shù)，但在農(nóng)業(yè)中的植保應(yīng)用也比較吸引眼球，并且已經(jīng)初步形成較為完善的產(chǎn)業(yè)鏈。我國是農(nóng)業(yè)大國，伴隨無人機(jī)技術(shù)尤其是植保無人機(jī)的發(fā)展，其在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用愈加廣泛，尤其是病蟲害防治方面。與傳統(tǒng)病蟲害防治作業(yè)方式相比，農(nóng)用植保無人機(jī)具有靈活便捷、作業(yè)精準(zhǔn)、綠色環(huán)保、操作簡單及高智能等優(yōu)點。但隨著植保無人機(jī)的飛速發(fā)展，其暴露出諸多問題與缺點。本文通過對植保無人機(jī)的發(fā)展及技術(shù)情況分析，結(jié)合實際應(yīng)用探討當(dāng)前國內(nèi)植保無人機(jī)行業(yè)存在的關(guān)鍵問題，并提出相應(yīng)解決方案，對植保無人機(jī)的使用推廣具有現(xiàn)實意義。

關(guān)鍵詞：植保無人機(jī)；農(nóng)藥減量；紋枯病；防效

0 引言

水稻（OryzasativaL.）是中國重要的糧食作物，水稻生產(chǎn)機(jī)械化是保證水稻高產(chǎn)的重要內(nèi)容之一，也是保證中國糧食安全的重要措施之一。21世紀(jì)以來，隨著農(nóng)村勞動力的轉(zhuǎn)移和勞動力成本的上漲，多熟制種植模式的興起和生育期短、抗倒、產(chǎn)量高的水稻品種育成以及除草技術(shù)的改進(jìn)，水稻種植方式發(fā)生了轉(zhuǎn)變，直播成為水稻生產(chǎn)的主要方式之一。水稻紋枯病是上海郊區(qū)水稻生產(chǎn)上的主要病害之一，該病在水稻生產(chǎn)中普遍發(fā)生，主要危害葉鞘、葉片和穗頸。從水稻生育周期來看，水稻紋枯病一般從分蘗期開始發(fā)病，孕穗期至抽穗期達(dá)到發(fā)病高峰，乳熟期后病勢減弱。近年來，由于水稻種植品種和栽培方式的改變以及栽培管理水平和施肥量的提高，使水稻紋枯病的發(fā)生日益嚴(yán)重，危害極大，給水稻的產(chǎn)量和品質(zhì)帶來了巨大威脅。同時，植保無人機(jī)因具有噴防精準(zhǔn)、作業(yè)效率高、能解決勞動不足問題等諸多優(yōu)點，在水稻病蟲草害的防治中應(yīng)用越來越廣泛，但在實際應(yīng)用中有些技術(shù)尚未成熟。

1 利用植保無人機(jī)進(jìn)行水稻紋枯病的防治

水稻紋枯病是一種氣候型流行性病害，該病喜高溫高濕環(huán)境，植株發(fā)病時主要侵染水稻葉鞘、葉片和穗等部位，發(fā)病田塊一般減產(chǎn)10%～20%，嚴(yán)重時損失達(dá)50%。在上海地區(qū)水稻紋枯病一直處于高發(fā)、頻發(fā)態(tài)勢，是水稻生產(chǎn)上的主要病害之一。近年來，防治水稻紋枯病除了栽培管理措施外，使用化學(xué)藥劑仍是最有效、最廣泛的防治手段。但傳統(tǒng)的防治機(jī)械存在行走困難、噴灑效率低、藥劑用量大、人工成本高等弊端，而植保無人機(jī)由于其具有操作簡單、效率高、用水省、施藥精準(zhǔn)、對不同地域不同田塊適應(yīng)性強(qiáng)等諸多優(yōu)點，在水稻生產(chǎn)上廣受關(guān)注。近年來，植保無人機(jī)在農(nóng)作物病蟲害防治方面的應(yīng)用越來越廣泛，但在噴施藥液過程中也易發(fā)生藥液漂移、藥液沉積困難等問題，從而影響防治效果。用植保無人機(jī)防治水稻病蟲害試驗中發(fā)現(xiàn)，植保無人機(jī)對稻飛虱、紋枯病等水稻植株基部病蟲害的防效低于擔(dān)架式機(jī)動噴霧機(jī)，但與背負(fù)式電動噴霧機(jī)的防效相仿。隨著植保無人機(jī)施藥技術(shù)的改進(jìn)和藥液量的增加，防治效果越來越理想。在藥劑用量相同時，藥液量越大，霧滴沉積效果越好，且水稻冠層上部的霧滴沉積量明顯優(yōu)于冠層下部，80%的農(nóng)藥劑量即能滿足對稻飛虱的防治要求。在無人機(jī)減量施藥防治稻縱卷葉螟試驗中發(fā)現(xiàn)，每667m2施藥液1L、農(nóng)藥減量10%和施藥液1.5L、農(nóng)藥減量20%均可達(dá)到人工電動噴霧器的常規(guī)防治效果，且藥液量越大，對稻縱卷葉螟的防效越好，農(nóng)藥利用率更高。在實際生產(chǎn)中，水稻病蟲害的防治往往是幾種病蟲主治或兼治同時進(jìn)行，本試驗使用植保無人機(jī)施藥、每667m2施藥液為1.2L，23%醚菌·氟環(huán)唑SC減量用藥20%，30%噻呋·戊唑醇SC和250g/L嘧菌酯SC分別減量用藥10%對水稻紋枯病的防治效果，與常規(guī)農(nóng)藥劑量防治效果均沒有顯著差異。由此得出，對水稻冠層上部和下部的病蟲采用無人機(jī)防治時，可結(jié)合田間實際發(fā)生情況，合理選擇藥劑進(jìn)行減量控害；對于水稻莖基部病蟲發(fā)生較重的田塊，應(yīng)適當(dāng)提高農(nóng)藥施用量或增加相關(guān)助劑，以達(dá)到理想的防治效果。

2 利用植保無人機(jī)進(jìn)行放稻螟赤眼蜂防治

植保無人機(jī)釋放稻螟赤眼蜂30萬頭/hm2對水稻二化螟的相對防效較為理想；放蜂器投放數(shù)量120個/hm2相對防效最高；稻螟赤眼蜂放蜂量45萬頭/hm2，放蜂器投放數(shù)量90個/hm2對水稻二化螟的相對防效較為理想為67.7%，產(chǎn)量和挽回產(chǎn)量損失率最高，分別為11186.4kg/hm2和6.0%。水稻田釋放稻螟赤眼蜂對二化螟有較好的防治效果，是稻田防治二化螟的重要生物防治措施，可減少化學(xué)藥劑的使用，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，對稻田的生態(tài)平衡具有重要意義。該試驗受兩個關(guān)鍵因素的影響，一是水稻二化螟發(fā)生期要精準(zhǔn)預(yù)測預(yù)報，蜂卵相遇才能達(dá)到最好的效果，二是赤眼蜂田間存活時間、存活率和寄生能力受天氣影響。植保無人機(jī)投放赤眼蜂平均日作業(yè)能力133hm2，較傳統(tǒng)人工釋放效率高20倍，放蜂效率高，節(jié)約時間，降低人工成本，可以短時間內(nèi)大面積精準(zhǔn)均勻釋放稻螟赤眼蜂，適合大面積推廣應(yīng)用，但其防控效果是否優(yōu)于人工釋放還有待進(jìn)一步研究。

3 利用植保無人機(jī)進(jìn)行稻縱卷葉螟的防治

目前防治稻縱卷葉螟以施藥為主，作業(yè)方式有人工噴施、地面機(jī)械噴施和植保無人機(jī)噴施。人工防治存在一些弊端，如田間作業(yè)時行走困難，勞動強(qiáng)度大，作業(yè)效率低，大容量噴霧下農(nóng)藥有效利用率低，對生態(tài)環(huán)境易造成危害等；由于水稻田的特殊作業(yè)條件，地面機(jī)械在田間作業(yè)困難，易壓壞秧苗，作業(yè)成本高且農(nóng)藥利用率較低；而植保無人機(jī)作業(yè)效率高、成本低、施藥效果好，克服了人工噴施勞動強(qiáng)度大及地面機(jī)械水田作業(yè)困難的問題。近年來植保無人機(jī)噴施農(nóng)藥防治水稻病蟲害得到了廣泛應(yīng)用。農(nóng)藥劑型是影響農(nóng)藥實際使用效果的重要因素之一，優(yōu)良的劑型能改善藥滴霧化過程、減少霧滴飄移、增加農(nóng)藥在作物表面的持留量等，進(jìn)而提高農(nóng)藥利用率。植保無人機(jī)采用低容量或超低容量噴霧，配套液劑必須具備抗蒸發(fā)、防飄移和安全性高的特點，納米水性農(nóng)藥具有水溶性好、分布均勻、滲透性強(qiáng)、持效性好、沉降速度快和飄移范圍小等特點，適宜植保無人機(jī)超低容量噴霧作業(yè)。本試驗結(jié)果表明，在稻縱卷葉螟低齡幼蟲高峰期，使用植保無人機(jī)噴施納米農(nóng)藥5.7%甲維鹽微乳劑和3%茚蟲威超低容量液劑，在藥后7～14d，對稻縱卷葉螟具有良好的殺滅效果，并表現(xiàn)出較高的卷葉防效，相應(yīng)處理區(qū)的產(chǎn)量比清水對照高22%以上，且對水稻和田間其他生物安全。

4 氮素缺失

氮素是對作物生長、發(fā)育，以及最終產(chǎn)量影響最明顯的元素，其含量變化會對光合作用，蛋白質(zhì)合成以及碳氮代謝產(chǎn)生影響。氮素的缺乏會抑制作物地上部分和根系的生長，限制繁殖器官的形成和發(fā)育，并顯著影響作物最終產(chǎn)量以及品質(zhì)。因此，快速、精準(zhǔn)、大面積地對水稻田間氮素需求情況進(jìn)行診斷，并依據(jù)診斷結(jié)果實現(xiàn)精準(zhǔn)施肥，是實現(xiàn)水稻田間精準(zhǔn)管理和保證水稻產(chǎn)量的重要手段。傳統(tǒng)的水稻氮營養(yǎng)診斷標(biāo)準(zhǔn)主要基于臨界氮濃度曲線（criticalNconcentrationcurve，Nc）。臨界氮濃度的概念，即作物達(dá)到最大生物量所需的最小氮濃度。基于臨界氮濃度理論的氮營養(yǎng)指數(shù)（NitrogenNutritionIndex，NNI）。氮營養(yǎng)指數(shù)作為作物氮營養(yǎng)診斷的重要指標(biāo)，能夠定量描述作物的氮營養(yǎng)豐缺狀況，為作物氮虧缺量的確定提供了理論依據(jù)。基于臨界氮濃度理論，計算出超級雜交稻和常規(guī)稻的臨界氮濃度曲線，并依據(jù)曲線確定了二者的氮虧缺量（Nand）與適宜施肥量，為水稻氮虧缺量的確定提供了理論支撐。雖然本研究利用無人機(jī)高光譜數(shù)據(jù)對水稻氮虧缺量反演取得了較好的效果，但對于實現(xiàn)基于無人機(jī)高光譜遙感的水稻精準(zhǔn)追肥仍存在以下幾點問題：（1）本文采用的歸一化差值處理方法是基于各個采樣期臨界氮濃度狀態(tài)的水稻光譜計算的，而這些光譜如果用于其他水稻光譜的計算時，可能會因為采樣時間、水稻品種與發(fā)育狀況等因素造成誤差，進(jìn)而影響氮虧缺量反演效果；（2）蝙蝠算法優(yōu)化后的ELM算法也存在收斂精度不高，容易陷入局部最小值等問題。后續(xù)的研究重點應(yīng)集中在如何在無人機(jī)高光譜數(shù)據(jù)中實時提取臨界氮濃度狀態(tài)下的水稻光譜與對反演算法的精度與魯棒性進(jìn)行優(yōu)化這兩方面上。

5 蝦稻1號產(chǎn)量的影響

常規(guī)稻蝦稻1號在蝦稻共作模式中通過無人機(jī)直播可以獲得較好的產(chǎn)量表現(xiàn)。其中，在無人機(jī)撒播的直播模式下產(chǎn)量為9.52t/hm2，無人機(jī)條播的直播模式下產(chǎn)量為8.52t/hm2，相較于現(xiàn)在流行的機(jī)械精量穴直播模式下產(chǎn)量（8.05t/hm2）顯著增加了12.0%，該研究結(jié)果與前人的研究結(jié)果相似。但也有研究認(rèn)為無人機(jī)撒播模式下產(chǎn)量顯著低于機(jī)械穴直播，機(jī)械穴直播模式下有序的群體結(jié)構(gòu)有助于水稻光溫資源的有效利用，促進(jìn)了田間有效穗的形成，提高了結(jié)實率和千粒重。這種產(chǎn)量的差異可能與播種量、播種深度以及后期的水肥管理相關(guān)。本研究中，水稻直播的播期是在6月7日，有效避開了2022年的高溫干旱天氣，同時該試驗是在蝦稻田塊中進(jìn)行，保證了田間水源的充足，合理的水肥管理使得田間未發(fā)生倒伏是實現(xiàn)產(chǎn)量穩(wěn)定的關(guān)鍵。水稻直播方式不同導(dǎo)致建立的生長群體存在差異，間接影響了水稻對環(huán)境溫度、光照和肥料養(yǎng)分等資源的響應(yīng)機(jī)制，從而最終影響產(chǎn)量。構(gòu)建合理的群體以增強(qiáng)葉片光合生產(chǎn)能力是穩(wěn)定稻谷產(chǎn)量的前提，提高花后群體光合積累是作物群體質(zhì)量的核心指標(biāo)，這與本試驗中無人機(jī)撒播直播模式下其葉片具有較高的葉綠素含量和凈光合速率的結(jié)果一致。葉片作為水稻重要的源器官，通過碳捕獲和再活化過程，為子粒提供各種營養(yǎng)組分。水稻早衰是制約直播稻發(fā)展的重要瓶頸，葉片早衰導(dǎo)致葉綠體的類囊體解體、線粒體外膜降解、液泡膜破裂，最后使水解酶釋放到細(xì)胞質(zhì)中，引起細(xì)胞凋亡和光合能力喪失，嚴(yán)重影響產(chǎn)量。旱播旱管模式下引發(fā)的葉片早衰導(dǎo)致水稻弱勢粒的灌漿啟動晚、獲取光合同化產(chǎn)物的競爭力弱，使弱勢粒不能通過正常的兩段灌漿得到“補(bǔ)償”，因而導(dǎo)致其生理活性徹底喪失和空癟粒的大幅增加。如果水稻花后功能葉壽命能夠延長1d，水稻產(chǎn)量可增加1%～2%，實現(xiàn)“擴(kuò)源增庫”，進(jìn)而提高產(chǎn)量，因此花后葉片光合產(chǎn)物的積累能否滿足子粒灌漿需求是實現(xiàn)稻谷產(chǎn)量穩(wěn)定的關(guān)鍵。本研究中齊穗期至灌漿乳熟期，無人機(jī)撒播和無人機(jī)條播模式下的水稻葉片SPAD較機(jī)械精量穴直播分別顯著增加9.45%和9.37%，在一定程度上表明無人機(jī)直播模式在延緩水稻早衰、增強(qiáng)花后葉片持綠性方面具有優(yōu)勢，對增加花后光合產(chǎn)物積累具有一定的貢獻(xiàn)。

6 展望與思考

水稻無人機(jī)施肥也面臨一些亟需解決的問題。在現(xiàn)有農(nóng)用航空器限制條件下，應(yīng)開發(fā)出作業(yè)續(xù)航更久、負(fù)載更高、自主作業(yè)能力更強(qiáng)的農(nóng)用無人機(jī)，以提高施肥效率，現(xiàn)有20～30kg級的農(nóng)用無人機(jī)用于水稻追肥作業(yè)，飛一個架次僅能完成0.27～0.40hm2，如果用于施底肥，僅能覆蓋0.03～0.04hm2。目前，施肥無人機(jī)多以離心拋撒和涵道氣吹為主，離心式拋撒作業(yè)有效幅寬與顆粒肥密度、甩盤轉(zhuǎn)速、飛行高度密切相關(guān)，作業(yè)時較多的肥料顆粒會向側(cè)面偏移，進(jìn)而影響施肥均勻性和準(zhǔn)確性，容易導(dǎo)致漏噴、重噴；涵道氣吹有效幅寬與顆粒肥密度、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和飛行高度密切相關(guān)，作業(yè)時較多的肥料顆粒會集中于中心區(qū)域，容易導(dǎo)致漏噴，因此，開發(fā)出有效幅寬大且施肥精準(zhǔn)的播撒器將成為進(jìn)一步提高無人機(jī)施肥效果的關(guān)鍵。無人機(jī)撒施顆粒肥，顆粒肥料入土淺或直接落于地表，導(dǎo)致肥料利用效率不高，需要優(yōu)化肥水耦合技術(shù)；同時，還需要加強(qiáng)無人機(jī)稻田監(jiān)測遙感準(zhǔn)確性攻關(guān)，進(jìn)而繪制出更加準(zhǔn)確的施肥處方圖。缺乏無人機(jī)配套的高效肥料及其助劑，施肥無人機(jī)負(fù)載提升是有天花板的，為兼顧“施肥效率和利用效果”，需要開發(fā)適應(yīng)于無人機(jī)施用的濃縮型高效顆粒肥、水溶性更強(qiáng)的液體肥以及配套助劑。天氣因素會影響無人機(jī)飛行和作業(yè)，以及施肥效果。噴施液體肥，施用效果通常受液體肥料濃度、空氣濕度、空氣溫度等的影響，施用顆粒肥通常需要考慮葉面雨露和冠層稀密程度等。綜上所述，無人機(jī)正處于高速發(fā)展階段，但要真正實現(xiàn)大面積規(guī)范化使用，還需要不斷改進(jìn)設(shè)備以及研發(fā)完善配套的高效肥料及農(nóng)藝技術(shù)。

7 結(jié)語

綜上所述，植保無人機(jī)用50%戊唑·嘧菌酯SC15g/667m2防治水稻紋枯病時，藥液用量為3L處理的防治效果最為理想，且對水稻生長安全。由于施藥時，水稻紋枯病已處于發(fā)病盛期，這對試驗最終的防治效果有一定的影響，故建議在紋枯病發(fā)病初期施藥。水稻生產(chǎn)中使用無人機(jī)防治時，應(yīng)根據(jù)田間紋枯病的實際發(fā)生情況調(diào)整用水量，以達(dá)到最佳防治效果。后續(xù)試驗可研究階梯式增加用水量至滿負(fù)重下植保無人機(jī)施藥的防治效果與防治成本之間的關(guān)系，從而探索出適合不同病蟲害防治的最佳用水量及最具有經(jīng)濟(jì)效益的防治方案。

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