杂交水稻制种工作中无人机技术的应用策略.pdf

JIANGXI NONGYE59栽培育种ZAIPEI YUZHONG杂交水稻制种工作中无人机技术的应用策略徐国娥，黄建良（南城县建昌镇便民服务中心，江西 南城 344700）摘要：在信息技术持续发展的背景下，农业无人机的使用率日益增长，适用的农作物范围也日益广阔，无人机技术趋于成熟。水稻是我国栽培面积第二大的的粮食作物，无人机在杂交水稻生产中的应用也日益广泛。农业无人机主要在检测、植保、制种等方面具有显著的应用价值，利用无人机开展制种作业，与传统人工作业相比具有安全性高、作业速度快、制种质量好等特性，相较于有人驾驶的机械而言，有效地降低了成本，适用于新时代农业的发展。关键词：杂交水稻；制种工作；无人机；策略传统杂交水稻制种属于劳动密集型的行业，由于工艺复杂，且机械化程度较低，杂交水稻制种生产成本居高不下。集成化、一体化、机械化是我国杂交水稻制种优化的必然趋势，将现代化机械技术运用到水稻种子生产中是我国现代种业发展的必然需求，而无人机的应用也是大势所趋。1 无人机遥感技术在水稻田间监测上的研究基于无人机广泛运用的背景，其遥感技术也日益精进，加以高光谱成像仪的辅助应用，现阶段已可以用无人机采集杂交水稻生长的图像数据，通过光谱检测、大数据分析构建数据库，而后构建数学模型，现阶段已经完成了对水稻栽培面积的估算、水稻长势检测、病虫草害检测、倒伏状况检测、产量预估等1。无人机遥感技术既有地面遥感的高灵敏度、方便性，同时也具备了卫星遥感速率大、覆盖面大等优点，但由于各类无人驾驶飞行器具有的优缺点不尽相同，在实际选择使用过程中要遵循因地制宜原则，具体优劣势如表 1 所示。由于生物发育阶段的变化以及生长环境的差异，杂交水稻的结构与组成表现出来的光谱性质会改变，通过人工检测与遥感数据相结合，可以进一步提高检测的精度2-3。表 1 不同类型农用无人机优劣势比较机型优势劣势电动无人机环保，起降方便，操作灵活，易于操作和维护，售价低，电机寿命长续航时间短，载荷量小，单架次作业面积较小，需配置发电机或多块电池油动无人机载荷量大，续航时间长，单架次作业面积大，药液穿透性好，稳定性较好机身大，灵活性相对较差，结构和控制系统复杂单旋翼无人机稳定性较好，下洗风场大，穿透力强，喷雾作业效果好结构较为复杂，操控难度较大，价格较高多旋翼无人机价格低，结构简单，易维护，自动化程度高，操作灵活，场地适应性好抗风能力弱，载荷相对较小，穿透力弱，喷雾作业效果略差2 水稻无人机直播技术现阶段杂交水稻飞播技术主要使用多旋翼的无人驾驶飞行器。多旋翼的无人驾驶飞行器主要依托于电力进行驱动，经济成本低，操作简便，安全性高，且易于后期的运维。无人机撒播装置可分为离心式和气力式。其中大疆创新于2017 年推出的 MG 无人机播撒系统采用的就是离心式播撒装置，彭东星等4-5研制和改进的离心式播撒设备，利用发电机调节物料流动速度，使出料口的流速可按需分配。但离心式撒播的水稻种子落地区呈圆弧形或环状，镶嵌得不牢固，撒播地不平整，容易出现重播和漏播等问题。宋灿灿等6使用六旋翼无人机搭载气力式撒播系统，通过气流吹送杂交水稻种子，同时实现了气排量根据无人机前进速度的不同而调整，大大增强了无人驾驶航空撒播时操作的平稳度7。我国的无人机直播技术尚在起步阶段，各种研究体系尚未健全，研究对象以杂交稻 F1 代和普通水稻种子为主，鲜有学者在水稻不育系种子的无人机直播技术领域进行深入的研究与探索7。3 水稻无人机植保技术自中国自主研发的“Z-3N”智能型农用植保机问世后，陆续出现了极飞、天途等无人机品牌，已经标识植保无人机在农业生产领域的多维度应用，并形成了现代技术管理体系。技术管理体系的形成不仅提高了植保无人机的作业效率和质量，还推动了农业产业的产销一体化发展。喷头设置方面，根据不同作物和病虫害情况，可以选择不同类型和规格的喷头，实现精准喷洒和药剂覆盖。配套药物的开发和应用也得到了重视。农业专家针对各类作物和害虫病虫害开展了专门的药物筛选和配方优化研究，确保农药的适用性和安全性。在植保无人机的飞防助剂方面，一些抗氧化剂、湿润剂和增黏剂等，可以有效提高农药在植物表面的附着性和渗透性，推动了产销一体化的农业产业价值链形成。开展施药工作的无人机主要采用无人机螺旋折JIANGXI NONGYE60栽培育种ZAIPEI YUZHONG叠机翼，其螺旋机翼转动时形成向下的气流，推动药物与杂交水稻叶子对接，同时气流也使杂交水稻的叶子摇摆，从而提高叶子与药物的接触几率，提高了施药效率8。3.1 病虫害防治作业3.1.1 返青期返青期以错期播栽、分期插秧为主，待全部移植完成后的 7 10 天左右，完成初始阶段的第一次喷药。该时期病虫害的防治重点对象为二化螟、稻飞虱等。返青期的杂交水稻苗矮小、密度小、田间分布较稀疏时，可选择小型喷头，在具体实施中雾化效果好，但穿透力较弱，因此可根据情况减少用水量，无人机飞行高度应距离杂交水稻 2米左右，喷幅应维持在 4 4.5 米，并在喷施过程中保证喷得均匀，无人机驾驶的速度应维持在每秒 8 10 米。3.1.2 分蘖期该时期的重点防治对象和药物类型，与返青时期基本相同。应根据农艺特点，重视肥水管理，以保证水稻长势良好。此阶段水稻植株高度急剧增长，用水量也可以适当加大，飞防作业飞机高度尽可能超过杂交水稻 1.5 米左右，并选择中小型喷嘴，此类喷头穿透力较好，可确保杀虫剂对作物的有效渗透，最大飞行速度为每秒 6 8 米，喷幅应维持在 3.5 4 米左右，注意保持适中的高度，飞行速度以保证杀虫剂的有效穿透力为宜。3.1.3 孕穗期该时期的防治重点为稻飞虱、稻曲病、纹枯病等，要重点关注稻飞虱和纹枯病的防治。因为孕穗期的杂交水稻生长茂密，风场穿透能力不如其他时期，并要注意在该时期的无人机的用水量要保持在 1200 毫升以上，驾驶速度要保持在每秒 5 米，无人机飞行高度应距离杂交水稻 2 2.5米，选择中型喷头，中型喷头可以满足较大范围的农田作业需求，并且能够实现喷幅控制和施药量的精确调节。无人机飞行的驾驶速度也应维持在每秒 5 米，这样可以保证喷洒均匀和作业效率的最佳平衡。最后，喷幅应维持在 3.5米左右，可以保证农药的有效覆盖范围，提高植保效果。遵循这些操作要求和参数设定，可以确保植保无人机作业的效果和质量，有助于减少浪费和环境负荷，实现植保无人机的高效、精准和可持续发展。3.1.4 扬花期该时期的防治重点为三化螟、稻曲病、稻瘟病。无人机飞行的速度应维持在 4 5 米每秒，无人机飞行高度应距离杂交水稻 2.5 米以上，选择大中型喷头，并保证无人机的平稳驾驶与操作，不能在开展喷施工作的稻田上方进行停留，避免无人机螺旋桨的风力将杂交水稻的叶秆吹折，尽量减少因操作不当造成的损失。3.2 叶面喷肥作业3.2.1 时段在实际制种过程中主要依靠赤霉素开展叶面喷肥作业。一般要保持在 25以上的温度环境下进行，并分为两次作业。第一次可在 10%的杂交水稻抽穗时开展作业，隔日再开展第二次作业。其中粉剂需要用乙醇溶液溶解再进行稀释处理。3.2.2 要求具体要求与杂交水稻扬花期的作业一样。3.3 注意事项3.3.1 持证上岗相关操作者应通过系统的培训并获得操作许可证，方能开展作业。3.3.2 做好准备工作为了有效保证工作开展的安全性，在作业前应做好准备工作。首先，对作业田块进行实地考察，明晰田块周围的地质环境，科学规划路径；其次，预先充分准备防护用品、药剂；再次，对作业地区的天气进行评测；最后，确定无人机作业技术参数，定期对无人机进行检查与维修。3.3.3 严格遵守操作规范相关操作者应当遵守作业守则，应当遵守无人机制造公司的工作提示和技术操作规程，进行正常作业。在操作无人机时应时刻监控其是否在相关操作者的可视区域内，高空作业中不得单独一人操作，最好以两人为一组进行操作，以防在出现意外事故后延误救援进度。相关操作者在高空作业中要站立在上风位置，不得逆风操作9。4 无人机喷施“920”技术4.1 不同母本在实际喷施工作开展中，不育系对“920”的敏感程度不一，导致其制种生长状况不一。4.2 不同播种方式在实际喷施作业中，不同的播种方式会导致不育系水稻的生长情况不同，抽穗特性也因此产生差别，对“920”喷施效果的影响也大相径庭。机插作业下，杂交水稻的生育期表 2 无人机对不同母本喷施“920”的效果水稻品种喷施时期喷施剂量（g/hm2）包颈粒率/%柱头全外露率/%Y58S抽穗 5%45%300 570 1 80%H638S 抽穗 5%45%300 570 1 80%丰源 A 抽穗 10%20%570 1 80%隆香 634A抽穗 27%570 191.7%4042A抽穗 30%135 195.3%4001S抽穗 5%922 193.2%33S抽穗 15%292 194.1%JIANGXI NONGYE61栽培育种ZAIPEI YUZHONG长，且分蘖速度快，成穗率较低，抽穗不整齐；无人机直播的母本在新生后期生育期较短，茎秆细长，成穗率较低，花期长短整齐而集中10。在喷施作业中，对“920”敏感的不育系机直播效果好，对“920”钝感的不育系机插效果好。飞播飞喷作业开展的效果并不显著，主要因为无人机飞播技术尚待进一步优化，难以避免杂交水稻播种不匀的情况出现，致使诸多单株生长发育情况不一，在水稻基数大的区域内主穗较多，而在水稻基数小的区域分蘖穗多11。4.3 用药量在实际使用中，低浓度喷施作业的溶液容量体积大，雾滴大，而且与遗撒到土壤上的比很大，效果也较差，并且，植物茎叶对“920”的营养，在较高浓度的情况下吸收效果也较好。敬树忠等12利用了百分之三的 GAs 乳油进行化学标记，并对无人机和人工作业中喷洒使用的化学药剂容量加以研究，研究表明无人机作业时，喷洒“920”浓度 240 g/hm2的效益可达到人工作业喷洒浓度 300 g/hm2的效益。4.4 种子质量和结实率在开展“920”喷施作业中，无人机的作业效率较高，优于人工作业，且后期制种结实率高，穗发芽率低，但二者的应用差异并不显著，说明借助无人机开展喷施作业能有效提高结实率，但不会影响杂交水稻田间种子的质量。除此之外，基于无人机开展的喷施作业并不影响种子的抗老化性能，能有效保障杂交水稻种子的耐贮性能。5 无人机辅助授粉技术李继宇等13将无人机的风力进行了划分，将其分为 X向、Y 向和 Z 向三个方向。其中，X 向是指水平且平行于无人机驾驶方向的风力；Y 向是指水平且垂直于无人机驾驶方向的风力；Z 向是指垂直于无人机驾驶地面的风力。这样的划分有助于理解无人机在授粉过程中的风力变化及其对花粉的影响。根据研究者的观察，无人机风场将花粉受力方向分成了两类。一类是直接将风能吹到花粉粒子上，通过 Y 向的风力将杂交水稻花穗的花粉吹起。另一类是作用于杂交水稻的茎秆和叶子等部位，通过振落和反弹作用将花粉散落，然后利用 Y 向的风力将杂交水稻花穗的花粉吹起。因此，可以看出 X 向、Y 向和 Z 向的风力都对杂交水稻的花粉产生作用，但其中 Y 向的作用最为显著。刘爱民等14在实验中发现，在自然风力小于 4 级的条件下，无人机辅助授粉的适用性极高。每天进行 2 3 次的无人机辅助授粉，可以覆盖约 4 5 公顷的作业面积。在地形复杂的山区环境下，利用无人机辅助授粉的结实率和产量可以达到甚至超过人工辅助授粉的结实率和产量，进而满足新时代杂交水稻制种全程机械化的指标。这一结果表明，无人机辅助授粉技术在自然风力较小的条件下具有显著的适用性，并且能够覆盖大面积的授粉作业。这为新时代杂交水稻制种全程机械化提供了可行性和可靠性的技术支持，有望进一步推动农业生产的高效、智能化发展。随着技术的不断进步和应用经验的积累，无人机辅助授粉将在农业领域发挥越来越重要的作用。6 结语综上所述，无人机作为新型现代农业发展的机具，已成为推动水稻制种产业高质量发展的量化指标。各类农机推广组织应顺应社会发展趋势，培育壮大完善一支专业化的农业“飞控”队伍，重点抓好专业人才培训体系建设、一体化营销体系构建，为促进乡村振兴和农业农村经济高速增长，奠定科技装备和能力的基础。参考文献1 潘竹栋，朱孔志，陈锦珠，等.农用植保无人机辅助杂交水稻制种授粉效果研究 J.江苏农机化，2022(3)：4.2 陶有凤，冯生强，敬树忠，等.四川杂交水稻机械化制种配套栽培技术 J.杂交水稻，2022，37(1)：4.3 龙玉玄，奉光辉，石泽汉，等.优质高产杂交水稻新组合强两优雄占制种技术 J.农业科技通讯，2022(3)：3.4 彭冬星.无人机搭载的水稻撒播机研究 D.长沙：湖南农业大学，2018.5 周龙.无人机悬挂式水稻直播机的设计与试验 D.雅安：四川农业大学，2018.6Song Cancann，宋灿灿，Zhou Zhiyan，等.农业物料撒播技术综述及其在无人直升机中应用的思考 C./第五届国际精准农业航空会议.2016.7 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