植保无人机提升水稻病虫害防治效果

朱小的

摘要：近年来，随着植保无人机技术的发展，在此基础上衍生出了很多在各行各业的实际应用，尽管其中最典型的是航拍技术，但在农业中的植保应用也比较吸引眼球，并且已经初步形成较为完善的产业链。我国是农业大国，伴随无人机技术尤其是植保无人机的发展，其在农业生产中应用愈加广泛，尤其是病虫害防治方面。与传统病虫害防治作业方式相比，农用植保无人机具有灵活便捷、作业精准、绿色环保、操作简单及高智能等优点。但随着植保无人机的飞速发展，其暴露出诸多问题与缺点。本文通过对植保无人机的发展及技术情况分析，结合实际应用探讨当前国内植保无人机行业存在的关键问题，并提出相应解决方案，对植保无人机的使用推广具有现实意义。

关键词：植保无人机；农药减量；纹枯病；防效

0 引言

水稻（OryzasativaL.）是中国重要的粮食作物，水稻生产机械化是保证水稻高产的重要内容之一，也是保证中国粮食安全的重要措施之一。21世纪以来，随着农村劳动力的转移和劳动力成本的上涨，多熟制种植模式的兴起和生育期短、抗倒、产量高的水稻品种育成以及除草技术的改进，水稻种植方式发生了转变，直播成为水稻生产的主要方式之一。水稻纹枯病是上海郊区水稻生产上的主要病害之一，该病在水稻生产中普遍发生，主要危害叶鞘、叶片和穗颈。从水稻生育周期来看，水稻纹枯病一般从分蘖期开始发病，孕穗期至抽穗期达到发病高峰，乳熟期后病势减弱。近年来，由于水稻種植品种和栽培方式的改变以及栽培管理水平和施肥量的提高，使水稻纹枯病的发生日益严重，危害极大，给水稻的产量和品质带来了巨大威胁。同时，植保无人机因具有喷防精准、作业效率高、能解决劳动不足问题等诸多优点，在水稻病虫草害的防治中应用越来越广泛，但在实际应用中有些技术尚未成熟。

1 利用植保无人机进行水稻纹枯病的防治

水稻纹枯病是一种气候型流行性病害，该病喜高温高湿环境，植株发病时主要侵染水稻叶鞘、叶片和穗等部位，发病田块一般减产10%～20%，严重时损失达50%。在上海地区水稻纹枯病一直处于高发、频发态势，是水稻生产上的主要病害之一。近年来，防治水稻纹枯病除了栽培管理措施外，使用化学药剂仍是最有效、最广泛的防治手段。但传统的防治机械存在行走困难、喷洒效率低、药剂用量大、人工成本高等弊端，而植保无人机由于其具有操作简单、效率高、用水省、施药精准、对不同地域不同田块适应性强等诸多优点，在水稻生产上广受关注。近年来，植保无人机在农作物病虫害防治方面的应用越来越广泛，但在喷施药液过程中也易发生药液漂移、药液沉积困难等问题，从而影响防治效果。用植保无人机防治水稻病虫害试验中发现，植保无人机对稻飞虱、纹枯病等水稻植株基部病虫害的防效低于担架式机动喷雾机，但与背负式电动喷雾机的防效相仿。随着植保无人机施药技术的改进和药液量的增加，防治效果越来越理想。在药剂用量相同时，药液量越大，雾滴沉积效果越好，且水稻冠层上部的雾滴沉积量明显优于冠层下部，80%的农药剂量即能满足对稻飞虱的防治要求。在无人机减量施药防治稻纵卷叶螟试验中发现，每667m2施药液1L、农药减量10%和施药液1.5L、农药减量20%均可达到人工电动喷雾器的常规防治效果，且药液量越大，对稻纵卷叶螟的防效越好，农药利用率更高。在实际生产中，水稻病虫害的防治往往是几种病虫主治或兼治同时进行，本试验使用植保无人机施药、每667m2施药液为1.2L，23%醚菌·氟环唑SC减量用药20%，30%噻呋·戊唑醇SC和250g/L嘧菌酯SC分别减量用药10%对水稻纹枯病的防治效果，与常规农药剂量防治效果均没有显著差异。由此得出，对水稻冠层上部和下部的病虫采用无人机防治时，可结合田间实际发生情况，合理选择药剂进行减量控害；对于水稻茎基部病虫发生较重的田块，应适当提高农药施用量或增加相关助剂，以达到理想的防治效果。

2 利用植保无人机进行放稻螟赤眼蜂防治

植保无人机释放稻螟赤眼蜂30万头/hm2对水稻二化螟的相对防效较为理想；放蜂器投放数量120个/hm2相对防效最高；稻螟赤眼蜂放蜂量45万头/hm2，放蜂器投放数量90个/hm2对水稻二化螟的相对防效较为理想为67.7%，产量和挽回产量损失率最高，分别为11186.4kg/hm2和6.0%。水稻田释放稻螟赤眼蜂对二化螟有较好的防治效果，是稻田防治二化螟的重要生物防治措施，可减少化学药剂的使用，保护生态环境，对稻田的生态平衡具有重要意义。该试验受两个关键因素的影响，一是水稻二化螟发生期要精准预测预报，蜂卵相遇才能达到最好的效果，二是赤眼蜂田间存活时间、存活率和寄生能力受天气影响。植保无人机投放赤眼蜂平均日作业能力133hm2，较传统人工释放效率高20倍，放蜂效率高，节约时间，降低人工成本，可以短时间内大面积精准均匀释放稻螟赤眼蜂，适合大面积推广应用，但其防控效果是否优于人工释放还有待进一步研究。

3 利用植保无人机进行稻纵卷叶螟的防治

目前防治稻纵卷叶螟以施药为主，作业方式有人工喷施、地面机械喷施和植保无人机喷施。人工防治存在一些弊端，如田间作业时行走困难，劳动强度大，作业效率低，大容量喷雾下农药有效利用率低，对生态环境易造成危害等；由于水稻田的特殊作业条件，地面机械在田间作业困难，易压坏秧苗，作业成本高且农药利用率较低；而植保无人机作业效率高、成本低、施药效果好，克服了人工喷施劳动强度大及地面机械水田作业困难的问题。近年来植保无人机喷施农药防治水稻病虫害得到了广泛应用。农药剂型是影响农药实际使用效果的重要因素之一，优良的剂型能改善药滴雾化过程、减少雾滴飘移、增加农药在作物表面的持留量等，进而提高农药利用率。植保无人机采用低容量或超低容量喷雾，配套液剂必须具备抗蒸发、防飘移和安全性高的特点，纳米水性农药具有水溶性好、分布均匀、渗透性强、持效性好、沉降速度快和飘移范围小等特点，适宜植保无人机超低容量喷雾作业。本试验结果表明，在稻纵卷叶螟低龄幼虫高峰期，使用植保无人机喷施纳米农药5.7%甲维盐微乳剂和3%茚虫威超低容量液剂，在药后7～14d，对稻纵卷叶螟具有良好的杀灭效果，并表现出较高的卷叶防效，相应处理区的产量比清水对照高22%以上，且对水稻和田间其他生物安全。

4 氮素缺失

氮素是对作物生长、发育，以及最终产量影响最明显的元素，其含量变化会对光合作用，蛋白质合成以及碳氮代谢产生影响。氮素的缺乏会抑制作物地上部分和根系的生长，限制繁殖器官的形成和发育，并显著影响作物最终产量以及品质。因此，快速、精准、大面积地对水稻田间氮素需求情况进行诊断，并依据诊断结果实现精准施肥，是实现水稻田间精准管理和保证水稻产量的重要手段。传统的水稻氮营养诊断标准主要基于临界氮浓度曲线（criticalNconcentrationcurve，Nc）。临界氮浓度的概念，即作物达到最大生物量所需的最小氮浓度。基于临界氮浓度理论的氮营养指数（NitrogenNutritionIndex，NNI）。氮营养指数作为作物氮营养诊断的重要指标，能够定量描述作物的氮营养丰缺状况，为作物氮亏缺量的确定提供了理论依据。基于临界氮浓度理论，计算出超级杂交稻和常规稻的临界氮浓度曲线，并依据曲线确定了二者的氮亏缺量（Nand）与适宜施肥量，为水稻氮亏缺量的确定提供了理论支撑。虽然本研究利用无人机高光谱数据对水稻氮亏缺量反演取得了较好的效果，但对于实现基于无人机高光谱遥感的水稻精准追肥仍存在以下几点问题：（1）本文采用的归一化差值处理方法是基于各个采样期临界氮浓度状态的水稻光谱计算的，而这些光谱如果用于其他水稻光谱的计算时，可能会因为采样时间、水稻品种与发育状况等因素造成误差，进而影响氮亏缺量反演效果；（2）蝙蝠算法优化后的ELM算法也存在收敛精度不高，容易陷入局部最小值等问题。后续的研究重点应集中在如何在无人机高光谱数据中实时提取临界氮浓度状态下的水稻光谱与对反演算法的精度与鲁棒性进行优化这两方面上。

5 虾稻1号产量的影响

常規稻虾稻1号在虾稻共作模式中通过无人机直播可以获得较好的产量表现。其中，在无人机撒播的直播模式下产量为9.52t/hm2，无人机条播的直播模式下产量为8.52t/hm2，相较于现在流行的机械精量穴直播模式下产量（8.05t/hm2）显著增加了12.0%，该研究结果与前人的研究结果相似。但也有研究认为无人机撒播模式下产量显著低于机械穴直播，机械穴直播模式下有序的群体结构有助于水稻光温资源的有效利用，促进了田间有效穗的形成，提高了结实率和千粒重。这种产量的差异可能与播种量、播种深度以及后期的水肥管理相关。本研究中，水稻直播的播期是在6月7日，有效避开了2022年的高温干旱天气，同时该试验是在虾稻田块中进行，保证了田间水源的充足，合理的水肥管理使得田间未发生倒伏是实现产量稳定的关键。水稻直播方式不同导致建立的生长群体存在差异，间接影响了水稻对环境温度、光照和肥料养分等资源的响应机制，从而最终影响产量。构建合理的群体以增强叶片光合生产能力是稳定稻谷产量的前提，提高花后群体光合积累是作物群体质量的核心指标，这与本试验中无人机撒播直播模式下其叶片具有较高的叶绿素含量和净光合速率的结果一致。叶片作为水稻重要的源器官，通过碳捕获和再活化过程，为子粒提供各种营养组分。水稻早衰是制约直播稻发展的重要瓶颈，叶片早衰导致叶绿体的类囊体解体、线粒体外膜降解、液泡膜破裂，最后使水解酶释放到细胞质中，引起细胞凋亡和光合能力丧失，严重影响产量。旱播旱管模式下引发的叶片早衰导致水稻弱势粒的灌浆启动晚、获取光合同化产物的竞争力弱，使弱势粒不能通过正常的两段灌浆得到“补偿”，因而导致其生理活性彻底丧失和空瘪粒的大幅增加。如果水稻花后功能叶寿命能够延长1d，水稻产量可增加1%～2%，实现“扩源增库”，进而提高产量，因此花后叶片光合产物的积累能否满足子粒灌浆需求是实现稻谷产量稳定的关键。本研究中齐穗期至灌浆乳熟期，无人机撒播和无人机条播模式下的水稻叶片SPAD较机械精量穴直播分别显著增加9.45%和9.37%，在一定程度上表明无人机直播模式在延缓水稻早衰、增强花后叶片持绿性方面具有优势，对增加花后光合产物积累具有一定的贡献。

6 展望与思考

水稻无人机施肥也面临一些亟需解决的问题。在现有农用航空器限制条件下，应开发出作业续航更久、负载更高、自主作业能力更强的农用无人机，以提高施肥效率，现有20～30kg级的农用无人机用于水稻追肥作业，飞一个架次仅能完成0.27～0.40hm2，如果用于施底肥，仅能覆盖0.03～0.04hm2。目前，施肥无人机多以离心抛撒和涵道气吹为主，离心式抛撒作业有效幅宽与颗粒肥密度、甩盘转速、飞行高度密切相关，作业时较多的肥料颗粒会向侧面偏移，进而影响施肥均匀性和准确性，容易导致漏喷、重喷；涵道气吹有效幅宽与颗粒肥密度、风机转速和飞行高度密切相关，作业时较多的肥料颗粒会集中于中心区域，容易导致漏喷，因此，开发出有效幅宽大且施肥精准的播撒器将成为进一步提高无人机施肥效果的关键。无人机撒施颗粒肥，颗粒肥料入土浅或直接落于地表，导致肥料利用效率不高，需要优化肥水耦合技术；同时，还需要加强无人机稻田监测遥感准确性攻关，进而绘制出更加准确的施肥处方图。缺乏无人机配套的高效肥料及其助剂，施肥无人机负载提升是有天花板的，为兼顾“施肥效率和利用效果”，需要开发适应于无人机施用的浓缩型高效颗粒肥、水溶性更强的液体肥以及配套助剂。天气因素会影响无人机飞行和作业，以及施肥效果。喷施液体肥，施用效果通常受液体肥料浓度、空气湿度、空气温度等的影响，施用颗粒肥通常需要考虑叶面雨露和冠层稀密程度等。综上所述，无人机正处于高速发展阶段，但要真正实现大面积规范化使用，还需要不断改进设备以及研发完善配套的高效肥料及农艺技术。

7 结语

综上所述，植保无人机用50%戊唑·嘧菌酯SC15g/667m2防治水稻纹枯病时，药液用量为3L处理的防治效果最为理想，且对水稻生长安全。由于施药时，水稻纹枯病已处于发病盛期，这对试验最终的防治效果有一定的影响，故建议在纹枯病发病初期施药。水稻生产中使用无人机防治时，应根据田间纹枯病的实际发生情况调整用水量，以达到最佳防治效果。后续试验可研究阶梯式增加用水量至满负重下植保无人机施药的防治效果与防治成本之间的关系，从而探索出适合不同病虫害防治的最佳用水量及最具有经济效益的防治方案。

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