我国植保无人机的应用与发展

袁玲花

（上海海丰现代农业有限公司，盐城 224153）

植保工作是农业生产中的重要环节。近年来，由于农业劳动力的不断减少，且随着高效农业的推进和智慧农业的发展，植保工作的机械化、智能化水平得到了进一步提高，尤其是具备效率高、安全性好、适用性广、日常维护简便等优势的植保无人机，受到了越来越多种植户的喜爱[1-3]。但是，植保无人机在其应用和发展过程中普遍存在载药量较少、续航能力相对传统机械差等问题。在此背景下，现笔者拟从农业生产的角度，对我国植保无人机的发展历史、分布与应用现状进行介绍，并在此基础上，对如何提高植保无人机的施药技术水平进行分析和探索，以期推动我国航空植保产业又快又好的发展。

1 我国植保无人机的发展历史

据统计，农用航空植保作业飞机可分为固定翼飞机和旋翼飞机，根据操纵方式可分为有人驾驶飞机和无人驾驶飞机（简称无人机）。其中，无人机根据其动力系统又分为燃油动力植保无人机和电池动力植保无人机[4]。多年来，世界各国都根据自身国情，选用了适用于本国的植保无人机。

1951年，我国在东北地区的大面积农场进行了第1次飞行器植保作业，这是因为东北地区河流较少、土地平整，适合采用航空植保飞机进行大面积作业，这也是20世纪全国航空植保产业发展缓慢，而东北地区航空植保产业发展相对较快的原因[5]。2006年，在第1次中日南京航空植保研讨会后，我国提出了无人机产业化发展的目标，并于2010年正式拉开了我国植保无人机产业化发展的序幕[6]。2014年，中央一号文件提出，要促进生态友好型农业发展，加强农用航空建设。2015年，国家农业农村部制定了《到2020年农药使用量零增长行动方案》，提出要大力推进农药减量控害，探索产出高效、产品安全、资源节约、环境友好的现代农业发展之路[7]。其后，研发了更适用于南方地区小地块、高秆作物、雨后、复杂地形作业的小型植保无人（直升）机，开始了植保无人机的大量应用和高速发展。

2 我国植保无人机的分布与应用现状

目前，植保无人机在我国各地的分布与应用现状主要表现为：在黑龙江、新疆等地区，因地块平整，植保无人机的应用规模较大；在山东、河南、安徽、江西、湖南、湖北等地区，因土地集中度低、单位地块规模小等，飞防作业的应用比例相对较低；在云南、贵州、四川、重庆、广西等地区，受限于地形、单块耕地面积等，飞防作业的应用不多[8]。

目前，在我国植保无人机除了在植保领域有所应用外，在棉花、水稻、麦、油菜、茶叶、烟草、果树等作物生产中的应用范围也越来越广。例如，用植保无人机进行水稻撒肥与撒种、棉花脱落剂施用、油菜籽播撒、草原草种子播撒、鱼虾塘饲料投撒、果树肥药喷洒等[9]。

据统计，2018年，我国植保无人机保有量达3.15万架，年作业面积突破2×107hm2[6]。2019年，我国植保无人机保有量达5万架，年作业面积达3×107hm2。2020年，我国植保无人机的年销售量达6万架，植保无人机保有量达11万架左右，年作业面积突破6.67×107hm2[9-10]。同时，我国现有植保无人机研发和组装的生产企业达300多家，龙头企业有10余家，产品覆盖单旋翼、多旋翼和油动、电动等多个品种[8]。目前，我国市场知名度较高的植保无人机品牌有“大疆”“极飞”等。随着植保无人机的进一步推广应用，植保无人机已逐渐成为我国农业生产不可或缺的一部分。

3 关于提高植保无人机施药技术水平的分析与探索

植保无人机飞防作业离不开植保无人机和“飞手”，且飞防效果除受植保无人机和“飞手”的影响外，还受飞防参数（飞防参数对植保无人机飞防效果的影响程度表现为速度>高度>雾滴粒径>旋翼风>喷施角度[11]）、药剂理化特性、靶标对象以及环境因素等的影响。因此，如何提高植保无人机施药技术水平，可主要从“飞手”、飞防药剂、植保无人机硬件设备三个方面进行分析与探索。

3.1 提高“飞手”的综合素质

由于“飞手”具有一定的准入门槛，且须具有娴熟的植保无人机飞行技能和相对扎实的植保知识，然而，目前在我国年龄较大的“飞手”的植保无人机飞行技能相对较差，年龄较小的“飞手”的植保知识又相对有所欠缺，故我国植保无人机“飞手”主要以80后、90后为主，且“飞手”的数量缺口达20万人左右[12]。针对“飞手”短缺的问题，建议相关部门或企业与职业院校建立联系，专业、系统地培养植保无人机“飞手”，使其掌握飞防的各项技能和专业知识（例如，让“飞手”在熟练操作植保无人机的基础上，对相关农作物的植保知识进行学习），这样既解决了“飞手”数量缺乏的问题，也解决了“飞手”综合素质低的问题，更能在一定程度上提高飞防作业的具体效果。

3.2 研发飞防药剂

不同于传统机械施药的高水量、低浓度，植保无人机飞防施药为低水量、高浓度，且很多飞防作业中应用的药剂若采用传统机械进行施药，极易造成药害，这不利于提高农药利用率。因此，飞防施药同传统机械施药在适用药剂选择上存在一定的差距。然而，目前我国飞防专用药剂短缺[7]，市场上大部分药剂是按传统机械的施药标准（用水量大、用药浓度低）进行制药的；同时，我国目前大多飞防作业的用水量少，而其药剂用量通常是采用传统机械的药剂用量，且其施用药剂多为粉剂或是利用多种农药复配而成，极易产生沉淀，在飞防施药过程中造成喷头堵塞，再加上受特定风场的影响，飞防施药过程中雾滴易蒸发或漂移，这些均在一定程度上影响了飞防的施药效果。因此，亟需系统研发能有效减轻雾滴蒸发、漂移，且符合飞防作业特点（低浓度、水剂、不易沉淀）的药剂，以提高植保无人机施药技术水平。

3.3 提高植保无人机硬件设备的研发水平

3.3.1 电 池

相对于燃油动力植保无人机，电动植保无人机具有成本更低、维护更方便、使用寿命更长、“飞手”上手更容易等优势[13]，但其载药量、飞行时间、作业面积等都与电池的供电能力有关，而目前市场上的电动植保无人机的电池多为锂电池，在其作业过程中，如果环境温度过低，会导致其充电困难且电池容量衰减，从而影响作业效率，这也是目前市场上电动植保无人机单架次的作业时间不长且作业面积相对较小的原因。例如，极飞XP2020的单架次作业时间仅为8 min左右，作业面积仅约为0.67 hm2。同时，由于植保无人机的承重能力有限，使用更为轻便的电池（蓄电量大、体积小、重量轻）能有效提高植保无人机的承载空间和承载重量。因此，亟需对电动植保无人机的电池进行研发，从而提高飞防作业效率。目前，植保无人机的定制锂电池在倍率性能、荷电保持能力及容量恢复性能、循环性能、热失控等安全风险方面，已有一定的突破[14]，但距离支撑电动植保无人机的规模化、智能化、高效化作业仍有一定的差距，还需进一步技术突破。

3.3.2 旋翼形式

由于电动多旋翼植保无人机具有可智能化控制、可靠性较高、“飞手”培训周期短、对“飞手”的操作水平要求低等特点，且其售价较低，农户更易接受，故电动多旋翼植保无人机在我国占有较大的市场份额[2]。同时，虽然多旋翼植保无人机的风场比单旋翼植保无人机更为紊乱，但是多旋翼植保无人机具有技术门槛低、旋翼较小、飞控系统相对稳定、价格相对较低等优势，故近几年国内市场主推的植保无人机仍是多旋翼植保无人机[15]。此外，不同旋翼形式的植保无人机的农药利用率不同，例如，多旋翼植保无人机施药喷雾3 h后的农药利用率（32.9%）与背负式电动喷雾器（28.5%）相当，低于背负式油动喷雾器（43.8%），略高于单旋翼植保无人机（26.6%），高于自走式喷杆喷雾机（15.9%）[16]。因此，未来仍需主要对电动多旋翼植保无人机进行相关研发。

3.3.3 喷雾方式

植保无人机的喷雾喷嘴主要有液力雾化喷嘴、旋转离心式雾化喷嘴、静电雾化喷嘴3种。目前，我国市场上使用较多的是液力雾化喷嘴（大疆）、旋转离心式雾化喷嘴（极飞），而静电雾化喷嘴仍处在试验研究阶段（美国、日本对静电雾化喷嘴的应用较为领先，2014年有文献称其已进入实际应用阶段[4,17]）。

液力雾化施药方式（利用液力雾化喷嘴）是通过压力泵对药液施加一定的压力，使药液从扇形压力喷嘴喷出，其优势是药液量较大、药液漂移量相对较少，缺点是药液雾化不均匀、雾滴直径差异相对较大、施用粉剂农药时喷头易堵塞。

旋转离心式雾化施药方式（利用旋转离心式雾化喷嘴）是通过电机带动离心喷头高速旋转，将药液带出后利用离心力甩出，其优点是药液雾化相对均匀，缺点是喷头配件容易出问题，只能利用植保无人机风场下压喷雾，且药液易产生漂移。

静电雾化施药方式（利用静电雾化喷嘴）能利用静电效应，使雾滴吸附于植株隐蔽部位，从而提高雾滴吸附效果，增加雾滴在标靶正面、背面的沉积率，能在一定程度上抑制雾滴漂移，虽然该方式较液力雾化施药方式、旋转离心式雾化施药方式的农药利用率更高，但其成本相对前两种施药方式也更高[17]，再加上系统复杂，且对电源要求较高[18]，喷施压力、喷嘴形态、电压等都会对雾滴的吸附效果产生一定影响[19]，故目前我国市场上的静电雾化植保无人机还较少。因此，静电雾化施药与离心雾化施药相结合应是今后植保无人机喷雾方式的重点研究方向[20]。

4 结语与展望

近年来，植保无人机飞防作为一种新的植保技术，以其特有的优势（安全、高效、适用性广、日常维护简便等）在国内得到了迅速推广应用。例如，植保无人机飞防作业对场地、飞行高度的要求低，不受地势地形和作物长势的影响，在作业过程中不会接触土壤与作物、不会破坏土壤物理结构[4]，在作业后不会对作物造成物理伤害，且不需要清理沟系；植保无人机载重小、用药浓度高，用较少的药量即可达到传统施药方式的施药效果，既符合国家“双减”号召，又能够节约生产成本。因此，随着植保相关从业人员数量的减少、科学技术的发展，植保无人机在我国农业生产上的应用必然越来越广。

当前实践表明，从技术层面看，植保无人机虽然具有效率高、安全性好、适用性广、日常维护简便等优势，但是也存在单块电池续航时间短、专用飞防药剂短缺、药剂雾滴易漂移等缺陷，亟需提高“飞手”的综合素质、研发飞防药剂、提高植保无人机硬件设备的研发水平等。从法律、规范层面看，由于我国航空植保产业起步晚，且行业标准的出台一般都有一定的滞后性，故亟需早日完善我国航空植保的行业标准，制定与完善植保无人机作业的行业标准，这对于促进植保无人机的进一步发展具有引导和推动作用。例如，今后可从国家层次和行业层次制定操作规程、喷洒标准、用药标准等方面的植保无人机行业标准。其中，在国家层次，需完善相关航空作业法律，并将其作为行业内航空植保作业规范制定的依据；在行业层次，在大量试验的基础上，明确相关药剂的施用量、施用方法、注意事项和相关作业程序，形成相关作业规范。

随着5G时代的到来，植保无人机智能化作业也将成为趋势，且随着相关硬件设备和软件的进一步研发，其应用范围也会得到进一步拓展，未来植保无人机在遥感监测、长势监测与估产、畜禽监管、播种授粉、农业灌溉等领域，也将受到越来越广泛的应用。例如，“智能化”可实现植保无人机在同一块地内的智能规划、多机协同作业，从而使作业效率大幅度提高；通过植保无人机可实现对相关病、虫、草害的及时诊断和防治，使植保防护更具针对性；通过植保无人机可实现对大田作物的营养诊断，且诊断方式更智能、更及时；通过植保无人机可实现对大田水肥的“无人化”“智能化”管理等。