植保無人機在中國農業的發展前景

       保證糧食安全是中國的基本國策。然而,在當前中國糧食作物生產過程中,植保仍以手工、半機械化操作為主,據統計,中國目前使用的植保機械以手動和小型機(電)動噴霧機為主,其中手動施藥藥械、背負式機動藥械分別占國內植保機械保有量的93.07%和5.53%,拖拉機懸掛式植保機械約占0.57%,植保作業投入的勞力多、勞動強度大,施藥人員中毒事件時有發生。據報道,廣東省部分地區每天200元已請不到人工施藥。目前國內農藥用量越來越大,作業成本高,且浪費嚴重,資源有效利用率低下,作物產量和質量難以得到保障,同時帶來嚴重的水土資源汙染、生態係統失衡、農產品品質下降等問題,無法適應現代農業發展的要求。

       據統計,中國每年因防治不及時,病蟲害造成的糧食作物產量損失達10%以上。農用飛機航空作業效益高,以無人駕駛直升機航空噴施作業為例,綜合作業成本及收益對比分析結果顯示(微小型無人飛機的使用壽命按5a計,機動噴霧機與手動噴霧器按3a計),采用25kg有效載荷的單旋翼油動力無人機和15kg有效載荷的單旋翼電動無人機進行噴施作業的年度收益分別是機動噴霧機的33倍和25倍,是人工手動噴霧(不計算人工成本)的133倍和93倍(來源於作者根據生產實踐數據的推算);農用飛機航空作業速度快、突擊能力強、防控效果好,飛機飛行產生的下降氣流吹動葉片,能使葉片正反麵均能著藥,防治效果相比人工與機械提高15%~35%,應對突發、爆發性病蟲害的防控效果好;不受作物長勢的限製,可解決作物生長中後期地麵機械難以下田作業的問題,例如:作物生長至封行後行壟不清晰,特別是對於玉米等高稈作物,玉米大喇叭口期高度一般都在1.2 m以上,與拖拉機配套的普通懸掛式、牽引式噴杆噴霧機難以進入進行殺蟲劑、殺菌劑、除草劑以及催熟脫葉劑、增糖劑、葉麵肥料等噴灑作業,尤其在丘陵山區交通不便、人煙稀少或內澇嚴重的地區,地麵機械難以進入作業,航空作業可很好地解決這一難題。此外,與田間作業相比,飛機航空作業還有勞動用工少、作業成本低、不會留下轍印和損傷作物、不破壞土壤物理結構、不影響作物後期生長等特點,據統計報道,飛機航空作業與地麵機械作業相比,每公頃可減少作物損傷及其他支出(油料、用水、用工、維修、折舊等)約105元。中國是一個農業大國,發展高效、安全的現代生態農業是中國農業現代化建設的重要目標。因此,作為現代農業的重要組成部分和反映農業現代化水平的重要標誌之一,農業航空在中國現代農業發展中具有重大需求。應用農業航空植保技術對提高中國農作物病蟲害防治機械化水平,實行統防統治的專業化服務,提高農業資源的利用率,增強突發性大麵積病蟲害防控能力,緩解農村勞動力短缺,增強農業抗風險能力,保障國家糧食安全、生態安全,實現農業可持續發展具有十分重要的意義。

國內外農業航空產業發展現狀

國外的發展現狀

        從世界範圍來看,農業航空較發達的國家主要有美國、俄羅斯、澳大利亞、加拿大、巴西、日本、韓國等國家。美國是農業航空應用技術最成熟的國家之一,已形成較完善的農業航空產業體係,據統計,美國農業航空對農業的直接貢獻率為15%以上。目前美國有農用航空相關企業2000多家,已成立國家農業航空協會(National Agricultural Aviation Association,NAAA)和近40個州級農業航空協會,NAAA有來自於46個州的會員1800個。全國目前在用農用飛機4000多架(共有機型20多種,以有人駕駛固定翼飛機為主,約占88%),在冊的農用飛機駕駛員3200多名,年處理40%以上的耕地麵積,全美65%的化學農藥采用飛機作業完成噴灑,其中水稻施藥作業100%采用航空作業方式(此前,美國因農業勞動人工成本太高,一度放棄國內的水稻種植,大米全部進口。後來使用了航空作業,到20世紀70年代末期,一躍而成為世界上主要的稻米出口國之一)。

        國家大力扶持農業航空產業的發展是美國農業航空發達的重要原因之一。美國從上世紀70年代就開始研究航空噴施作業技術參數的優化模型,用戶輸入噴嘴、藥液、飛機類型、天氣因素等,通過對內部數據庫調用,即可預測可能產生的飄移、霧滴的運動和地麵沉積模式等。美國國會通過了豁免農用飛機每次起降100美元的機場使用費的議案,2014年白宮的預算中預計繼續投入73億美元支持該議案,以降低農業航空作業的成本;在NAAA的推動下,自2002年以來已投入約700萬美元用於農業航空技術研發,參議院已通過議案將繼續大力支持開發更高效、使用成本更低的農業航空相關技術。

       俄羅斯地廣人稀,擁有數目龐大的農用飛機作業隊伍,數量高達1.1萬架,作業機型以有人駕駛固定翼飛機為主,年處理耕地麵積約占總耕地麵積35%以上。澳大利亞、加拿大、巴西農業航空的發展模式與美國類似,目前主要機型為有人駕駛的固定翼飛機和旋翼直升機。加拿大農業航空協會(Canada Agricultural Aviation Association,CAAA)目前共有會員169個;巴西作為發展中國家,在國家政策的扶持下,包括農業航空在內的通用航空發展迅速,農業航空協會(Brazilian National Agricultural Aviation Association,SINDAG)目前共有單位會員143個,截至2008年3月,巴西注冊農用飛機約1050架。

       日本農民戶均耕地麵積較小,地形多山,耕地麵積較小,不適合有人駕駛固定翼飛機作業,因此日本農業航空以直升機為主。日本是最早將微小型農用無人機用於農業生產的國家之一,1990年,日本山葉公司推出世界第一架主要用於噴灑農藥的無人機,無人機在農林業方麵的應用發展迅速,日本農用無人機航空協會(Japan Unmanned Aerial Vehicle Association,JUAV)目前共有單位會員11個。據日本農林水產省統計,截止到2010年10月底,登記在冊的微小型農用無人機保有量為2346架,無人飛機操控手14163人,防治麵積96.3萬hm2,占航空作業38%,從2004年開始,水稻生產中微小型農用無人直升機的用量已超過有人駕駛直升機。日本目前用於農林業方麵的無人直升機以YAMAHA RMAX係列為主,該機被譽為“空中機器人”,植保作業效率為7~10 hm2/h,主要用於播種、耕作、施肥、噴灑農藥、病蟲害防治等作業。目前,采用微小型農用無人機進行農業生產已成為日本農業發展的重要趨勢之一。

       韓國於2003年首次引進直升機用於農業航空作業,農業航空作業麵積逐年增加,截至2010年,全國共有農用直升機121架(其中農用無人機101架,年植保作業麵積43460 hm2;有人駕駛直升機20架,年植保作業麵積55200 hm2),約80%的飛機歸地方的農協所有。韓國農林水產食品部和農協中央會計劃2013年飛機數量增至500架。

       綜上所述,農業航空技術是上述國家農業生產的重要組成部分,在農業生產中的應用比重不斷加大。根據農田飛行作業環境的適宜程度,國外農業航空大致分為有人駕駛和無人駕駛2種作業形式。在美國、俄羅斯、澳大利亞、加拿大、巴西等戶均耕地麵積較大的國家,普遍采用有人駕駛固定翼飛機作業,而在日本、韓國等戶均耕地麵積較小的國家,微小型無人機用於航空植保作業的形式正越來越被廣大農戶采納。

國內的發展現狀

       1951年5月,應廣州市政府的要求,中國民航廣州管理處派出一架C-46型飛機,連續2d在廣州市上空執行了41架次的滅蚊蠅飛行任務,揭開了中國農業航空發展的序幕。經過幾十年的發展,中國農業航空作業量逐年增加,至2012年,中國農林業航空年作業量約為31900 h。目前,中國農林業航空作業,以有人駕駛固定冀飛機和直升機為主,作業麵積約為200多萬hm2,無人直升機用於航空植保作業正逐漸興起,但仍處起步階段。

       1973年至2012年中國通用航空及農業航空作業量情況如圖1所示。從圖中可以看出,自1973年以來,中國農業航空年作業量基本上在20000~30000 h上下波動,增幅不明顯;中國通用航空起源於農業航空,1979年以前,農業航空在通用航空中占有很大比例,農業航空飛行作業時間幾乎等同於通用航空,然而,隨著中國改革開放的進一步深入,通用航空得到了長足發展,農業航空在通用航空中所占比例卻越來越小,到2012年農業航空所占比例已降至6.2%左右。中國農業航空作業時間在通用航空總飛行時間中所占比例正逐年下降,作為現代農業的重要組成部分和反映農業現代化水平的重要標誌之一,中國農業航空的發展水平顯然與中國的經濟發展及現代農業建設的需要極不相稱。

製約中國農業航空植保產業發展的主要問題分析

       中國農業航空的應用水平和國外相比差距較大,一方麵是中國的農用飛機數量少(僅占世界農用飛機總數的0.13%左右),農業航空年處理耕地麵積小(約占總耕地麵積的1.70%);另一方麵是農業航空配套技術及政策體係不完善,影響了農業航空產業的快速發展。製約中國農業航空植保產業發展的主要問題包括:

        農業航空政策法規體係不完善,缺乏詳細的發展戰略規劃農業航空作業涉及到民航、農機、植保、質檢等多個部門,目前存在監管部門不明確的問題。盡管中國於2010年出台了1000 m以下低空空域將逐步對民用領域開放的政策,對農業航空的發展具有一定的推動作用。但中國對農業航空的管理仍沿用現有民用航空標準,民航法規體係中的相關條款存在針對性不強、結合不緊密等問題。缺乏完善、規範的技術標準及作業規程;農業航空飛行作業申報審批手續複雜,不但提高了農業航空作業成本,還延誤了最佳作業時機,甚至導致作業失敗;至今尚未專門出台旨在推動、促進農業航空產業快速發展的國家政策,對農用飛機的采購、機場的使用、農用飛機燃油補貼等沒有相應的扶持政策。在國家層麵、行業內以及行業間缺少支持農業航空的整體發展戰略規劃。

農業航空配套核心科學技術研究不足

       通用航空丙類作業主要包括飛機播種、空中施肥、空中噴灑植物生長調節劑、空中噴施除草劑、飛機防治病蟲害、空中遙感等項目,根據中國民航局統計年報,截至2010年底,中國具有丙類作業經營許可的61家通用航空企業的飛機總數約400架,其中一些機型(例如中國自主研製的Y-5、Y-11約160架)已停產,進入了淘汰階段,但目前仍是中國農業航空的主力機型,超期服役。

農用飛機製造及配套的噴施技術等基礎科學研究、核心技術研發滯後,機型偏少,更新能力不足,產能不足,無法形成規模效益,導致價格、維護成本偏高,而成本又影響到銷售,導致需求減少,反過來影響到生產規模,由此形成惡性循環。此外,配套的噴施設備性能差,噴出的霧滴譜寬,對靶性差,進而無法彰顯農業航空植保技術的優勢。目前亟需解決的核心關鍵技術主要包括:

①農業航空噴施專用劑型不足:航空植保使用的農藥劑型及助劑的要求與地麵機械施藥有很大的不同,目前中國還缺乏與航空植保作業中采用的有人直升機、單軸和多軸無人機配套的農藥製劑相關技術標準,缺乏應用於無人機航空噴施中農藥藥液的表麵張力、黏度、農藥有效成份含量、劑型等的評價標準,缺乏航空施藥條件下,對農藥藥效與作物生理影響的室內、室外檢測標準。現有作業大多憑經驗或參考地麵噴霧確定劑量和配置方法,往往因為用量或配置不科學影響了作業質量,對環境造成較大的負麵影響。

②缺乏完善的航空噴施作業技術標準:中國采用航空噴施作業的時間較晚,大多采用有人駕駛的固定翼飛機進行航空植保作業,對於旋翼直升機,特別是單軸和多軸微小型農用無人機等機型噴施作業的相關技術參數缺乏係統深入的研究,尚未形成一套科學完善的判別標準和對不同作物、不同噴施劑型進行航空噴施時的作業時機、作業環境(溫度、濕度、風速)、飛行高度、飛行速度、航線規劃與導航控製等參數的優化選擇,以及滿足噴施作業要求所需要的沉積量、霧滴粒徑、霧滴沉積分布密度、農藥濃度等作業指標。

③缺乏高穩定、高可靠性的農用無人機自主飛行控製係統:雖然目前有人駕駛農用飛機的操控技術已較成熟,但在微小型農用無人機方麵,在低空飛行時,由於農田作物冠層結構而造成的複雜地效,對氣壓高度計的影響很大,飛行的穩定性難以保證,目前仍缺乏適合複雜農田環境下(海拔不同、地理位置不同、作物種類不同)作業的微小型農用無人機的高穩定、高可靠性的自主飛行控製係統,以適應田間超視距、超低空、隨時起降等特殊要求。

④缺乏高效輕量化的航空噴施裝備關鍵部件:有效任務載荷量及續航時間是農業航空作業飛機非常重要的兩項指標,直接關係到航空作業的效率,因此,在航空噴施裝備方麵必須滿足輕量化、低量噴施、均勻噴施的要求。

農業航空專業隊伍人才匱乏

       農業航空專業隊伍人才匱乏首先是由其“先天不足”引起的,農業航空執飛、機務等專業人員中,一部分通常來自其他航空領域,這部分人才的使用成本通常較高;另一部分來自國家招飛替補人員受訓後獲得,與航空運輸產業相比,人員素質相對略低。農業航空公司限於經濟效益和行業人才培養機製等原因,人才的後續培養比較滯後。國內屈指可數的高校飛行專業和培訓機構,相對於全國農業航空規模來說,隻能是杯水車薪。“先天的不足”加上“後天的營養不良”,農業航空專業隊伍人才成為航空業內人才資源最為貧瘠的地帶。

農業航空社會化服務體係不健全

       由於農業航空在農業生產中的重要作用沒有得到充分凸顯,中國與農業航空產業相配套的多種形式的社會化服務組織,包括租賃、中介、培訓、機修以及推廣、融資、保險等專業公司尚未形成規模,單個企業對上述服務的成本支出的承受力不夠,因此也缺少大麵積推廣的力度。此外,中國尚缺乏足夠適合於農業航空產業大發展的機場保障基地,也限製了農業航空事業的發展。

       對農業航空認識不足,與農業航空相適應的農田作業環境基礎建設被忽略,在製度上缺少對農業航空的公益性安排長期以來人們常常認為農業航空作業技術性強、價格高,農業生產中用不起飛機,對農業航空作業的整體高效益和低成本認識不足,造成農業航空的市場需求滯後,許多人仍處於旁觀狀態。此外,分散經營的生產模式,造成地塊小而分散,與農業航空規模化作業的模式不相符合。而且,各地在進行農田規劃時,缺少大規模的集約化經營安排,防風林、電力電信布線等未將農業航空作業納入考慮,對農用飛機的作業安全也造成了極大的威脅。


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