我国航空植保的发展现状及展望

1、我国植保无人机的发展历程

1951年，广州市第一次使用C-46型飞机开展蚊蝇防治，我国农业航空发展的序幕就此拉开。1958年，问世于南昌飞机制造厂的运-5型飞机，被广泛应用于农林播种、施肥和农药喷洒等，极大推动了我国农业航空的进步发展。1963年，飞防植保作业开始在小麦病虫草害的防治得到应用。上世纪90年代，轻型农药喷洒飞机在小麦、棉花等农作物的病虫防治和化学除草上得到广泛应用，同时也在草原灭蝗和森林害虫防治中发挥巨大作用。农业农村部公开信息显示(见图1)，2014年我国植保无人机保有量仅为695架，到2019年时，我国植保无人机市场保有量已超过5万架，跻身为全球植保无人机保有量最多的国家，植保作业面积也已超过5亿亩次。2020年，我国植保无人机保有量超过10万架，作业面积首次突破10亿亩次，标志着我国航空植保发展步入全新时代。到了2021年，我国植保无人机保有量预估达到16万架，作业面积也高达14亿亩次，我国无人机市场前景可期。此外，5G技术也早已开始在植保飞防行业中应用，2020年，首架5G网联植保无人机于重庆市农业科学院科研基地成功试飞，为30亩试验农田提供集无人机植保、农业大数据和遥感大数据为一体的精准农业服务。

近年来，国家通过制定相应的扶持政策，完善标准与补贴制度，加快推动植保无人机在国内的应用推广。早在2014年，河南省财政就列出给予植保无人机购机补贴的专项资金，到2017年9月，农业农村部、财政部、民航局3个部门联合下发《农业农村部办公厅、财政部办公厅、中国民用航空局综合司关于开展农机购置补贴引导植保无人飞机规范应用试点工作的通知》，并决定当年选择浙江(含宁波)、安徽、江西、湖南、广东、重庆6个省(市)，开展利用农机购置补贴引导植保无人飞机规范应用的试点工作。截至2019年先后又有吉林、湖北、江苏、甘肃、陕西、山东和宁夏等多个省份出台了最新植保无人机补贴政策。2021年4月6日，农业农村部发布了关于印发《2021—2023年农机购置补贴实施指导意见》的重要通知，其中明确了植保无人机进入国家补贴。

2、植保无人机概述

植保无人机，又可称为无人飞行器，主要由飞行平台(直升机、固定翼、多轴飞行器)、导航飞控和喷洒系统等3部分组成(见图2)，通过人为在地面遥控或导航飞控来实现喷洒作业。其中导航飞控与喷洒系统是植保无人机的核心部分。

2.1 飞行平台

植保无人机按照飞行平台构架类型可分为单旋翼、多旋翼和固定翼无人机3种类型(见表1)；按飞行动力则可分为电动和油动无人机2种类型(见表2）。

2.2 导航飞控

导航飞控系统相当于普通飞机的驾驶员，是植保无人机的控制核心，由无人机植保综合管理模块、高度控制子模块、航路导航控制子模块和喷雾控制子模块组成。无人机植保综合管理模块作为无人机控制的核心，具有管理不同模块间的信息交换、实现作业参数设定等人机交互功能。高度控制子模块可以精确测量无人机距离作物冠层的距离，并且实时调整铅垂方向升力使无人机稳定在所需求的作业高度上。航路导航控制子模块可以使无人机沿预先设定的作业航路飞行，随时调整飞行过程中可能出现的航线误差，从而实现精确导航。喷雾控制子模块则依据植保无人机的作业位置实时控制药剂喷洒作业开关，有效避免农药的漏喷和重喷。通过以上模块的协同作用不仅可以提升飞行平台的飞行质量，而且能够保障飞行安全和出色完成任务。

2.3 喷洒系统

喷杆、输液软管、药箱和喷头组成了喷洒系统。喷杆的材质一般都为碳纤维，而液管作为输送药液的通道，则可以将药箱、水泵、流量计和喷头等结构串联起来，材质多采用透明硅胶软管。药箱是储存药液的工具，需要具备快速插拔、自动联通喷嘴、防止药液滴漏的功能。喷头是喷洒系统的核心部件，且性能优劣直接影响关键性喷雾质量指标，如喷施作业中的施药量、雾滴大小和均匀度等。目前，国内市场上植保无人飞机喷头按雾化原理可分为液力式和离心式2类。液力式喷头喷洒，是通过液泵将药液“压出”到喷头中，经过小孔后以较大的初速度喷射出去，受到液体表面张力、空气阻力和重力等综合作用，逐渐失速形成液膜、液丝直至雾滴完成雾化过程，并形成一定的压力在喷嘴的喷孔处进行雾化。离心式喷头喷洒是将水“吸出”到离心雾化盘上，然后通过雾化盘的高速旋转将液体甩离，在离心力和空气阻力综合作用下完成雾化。

3、植保无人机的优势

早期，农作物病虫草害防治主要是通过背负式手动(电动)喷雾器，喷雾喷粉机，便携式、担架式和车载式机动喷雾器等传统植保机械进行作业。然而，从精准农业和环境保护角度出发，传统植保作业方式存在明显弊端：1)作业效率低，难以实现规模化作业。2)雾化质量不高，防治效果有待提高。3)农药浪费严重，存在环境污染风险。与传统植保机械相比，航空植保以其突出的优势获得了飞速发展且日趋成熟。1)用途广泛植保无人机用途广泛，不仅可以进行农药喷洒，还可以进行农田信息监测、航空施肥、病虫草害发生的预测预报和监测以及育苗授粉等作业。2)高效、安全和环保植保无人机喷洒速度可以达到人工喷洒速度的百倍以上，当有害生物发生面积大，短时期内暴发成灾时，植保无人机的优势特别明显。植保无人机利用远距离遥控操作进行喷洒相关作业，避免操作人员与农药直接接触，保障了喷洒作业时的安全。从生态环境方面来讲，植保无人机减少了农药和水的使用量，。3)省水、省工和省时植保无人机喷施农药，一般用水量为7.500～15 L/hm2，而传统施药方法用水量为225～450 L/hm2 。植保无人机作业可以省药50%，省水90%。每公顷地的服务价格仅需100多元，可减少一半以上的人工费用，用时短，只需要十几分钟，与传统喷药技术相比，既节约了成本，又节省了人力和时间。

4、植保无人机的应用

4.1在大田作物中的应用

大田作物是我国粮食生产和粮食安全的重要基础，由于种植面积广，通过传统植保机械进行施药，存在效率低、成本高等突出问题。近年来，由于农村劳动力的严重短缺，使用无人机进行大田作物植保作业面积不断扩大，其中作业面积前5名的作物依次是玉米、麦类、棉花、大豆和水稻。

4.2在蔬菜上的应用

基于我国人口基数大的现状，国内对蔬菜产量和品质均有极大需求。然而，传统露天蔬菜病虫害发生量大，施药次数多，且部分蔬菜受地形影响难以进行化学防治。例如，西兰花、白菜等十字花科蔬菜，作为日常生活中不可缺少的一类蔬菜，其病虫害种类多，发生情况复杂，农药用量大。当病虫严重发生时常常因无法得到及时的防治，使菜农遭受严重损失，而植保无人机的出现大大弥补了这一缺陷。2017年，袁伟方等应用植保无人机喷施150 g/L联苯·吡虫啉悬浮剂防治豇豆蓟马，结果表明，植保无人机处理区用药量比人工喷药处理区减少20 mL时，药后3 d植保无人机处理区平均防效(83.6%)仍优于人工喷药处理区(79.2%)。2018年，孙梅梅等在宁波余姚市开展植保无人机防治西兰花烟粉虱与鳞翅目害虫的田间防效试验，雾滴沉降效果试验表明利用植保无人机施药可以达到减药20%的目的。

4.3 在果树林木上的应用

果树业作为我国林业的重要组成部分，对我国经济发展具有重要促进作用。但是由于受地形、果树形状的影响，传统施药技术难以获得理想的防治效果。植保无人机的出现较大程度上克服了地形限制，在果树病虫害防治以及杂草防除等方面发挥了重要作用。2019年5月，王茜等在南宁市隆安县的3年生沃柑园中，对比研究了人工担架式喷雾和植保无人机喷雾防治柑橘溃疡病、控夏梢的效果和成本。结果表明：植保无人机喷雾展现出更为优异的防治效果，利用植保无人机喷雾防治的柑橘溃疡病病叶率和病情指数分别为2.20%和0.24，均低于人工担架式喷雾防治。此外，植保无人机喷雾控夏梢可增效20.3%，成本更低。松材线虫被称为“松树的癌症”，自1982年以来在我国各地林区迅速传播扩散，危害程度不断加深。为有效遏制松材线虫病疫情的扩散蔓延，确保松林资源安全，威海市于2020年6月利用植保无人机对全域松林(除经区、南海新区外)实施3轮施药以防治松材线虫病媒介昆虫活动，飞防区域涉及55个镇(街)，施药范围200万亩次。

5、植保无人机公司

5.1 植保无人机生产公司

目前，国内生产植保无人机的企业层出不穷，其中以大疆、极飞、羽人、高科新农、汉和等代表企业研发能力较强，每年都会有新的机型问世，表6是国内植保无人机生产的主要企业及其代表产品。

5.2 植保无人机线下租赁公司

近年来，植保无人机发展迅速，但是其市场价格高昂，对于普通农户来说仍是一笔较大的开支，并且后续的维护保养难度较大，这让许多农户望而却步。鉴于此，市场上出现了许多无人机租赁公司，提供植保飞防服务，表7列举了部分植保无人机线下租赁公司。

6、存在的问题

与物流、测绘和勘探等行业的无人机不同，植保无人机在设计与使用过程中，必须满足植保作业的特殊要求。尽管当前国内航空植保发展较快，但是植保无人机自身和飞防法律法规等方面存在诸多问题，在一定程度上限制了我国航空植保的应用与发展。

6.1 植保无人机存在的问题

1)无人机价格偏高，造成农业生产普及率低[52]。以大疆MG1为例，裸机价格为4万多元，如果加上10块电池和其他费用，配备整套设备需要8万～10万元，对于普通农户来说，成本投资较大。2)植保无人机电池可持续作业时间短，续航能力差，目前，大多数电动植保无人机续航时间仅为5~10 min，频繁更换电池不仅成本高，而且耽误作业时间。3)植保无人机载重小，一般仅为10～30 kg，大面积作业时需要频繁地更换药箱，直接影响到作业效率，从而影响到防治成本。

6.2 飞防药剂及助剂存在的问题

1)国内市场现有剂型难以满足飞防实际需求。目前，国内真正专门用于植保无人飞机施药的农药制剂、助剂还没有登记生产，仍然属于空白阶段。植保无人机需要采用沉降性好、安全性高的专用药剂，但目前这一类超低容量制剂仍较少，选择性也差，成为提升作业效益的瓶颈。2)国内飞防助剂市场亟待系统化和规范化。目前，我国对农药助剂管理还未正式提出明确的规定和要求，市面上的产品性能差异显著。

专业植保无人机技术人员是集无人机操作、维修养护于一身的复合型人才，需要熟悉植保无人机作业过程所涉及的作业计划、施药技术、地面组织与安全保障等环节。但目前专业队伍人才匮乏，国内高校飞行专业和培训机构屈指可数，且只对无人机操作熟悉，植保知识不足，容易造成药害。

7、展望

近几年来，中共三农文件中多次明确提出支持飞防在农业中的应用，“飞防”已然成了植保行业不断升温的热点话题，其在不断发展的同时，也带动了相关配套产业的快速发展。此外，越来越多的农户、种植户对飞防的认识从好奇、质疑到逐渐接受，对飞防效果的认识也变得更加理性，市场的需求进入井喷状态。随着科技的不断进步，传统的农耕方式正在发生改变，农业的现代化、规模化、专业化、标准化生产逐步成为时代潮流[57]。而植保无人机作为一项新兴技术，推广的速度只会变得越来越快，相信随着国家对植保无人机监管、研发、推广及财政补贴力度的加大，我国植保无人机所遇到的一系列问题都会迎刃而解，也会给农业生产带来翻天覆地的变化。