過度施肥和濫用農藥會導致土壤、水體和空氣的污染，對生態環境造成嚴重影響。施肥植保一體化能夠更加精準地調控農作物所需的養分和植物保護藥劑的使用，避免過度施肥和濫用農藥的現象，從而減少養分和農藥浪費，提高資源利用效率，同時防止因為作物種植對環境造成負面影響。無人機通過搭載特定的噴灑設備，根據土壤和植物分析數據來調整肥料的配比和用量，并按照農田或植物的需求來準確噴灑肥料，確保植物得到適合的營養，因此，探究無人機技術在施肥植保一體化中的應用效果，并制定相應策略，就被賦予了充分的研究價值。
1 施肥植保一體化中無人機技術的應用效果 1.1 提高施肥效率 無人機配備了GPS定位系統以及相關的傳感器技術，可實時獲取農田的土壤信息、作物需求以及環境條件等數據。通過對這些數據的分析和處理，無人機可根據作物的營養需求量進行準確的施肥。無人機所搭載的噴灑設備能夠根據預設的施肥劑量和作物需求，在適當的位置和時間完成施肥任務[1]。 與傳統的施肥方式相比，無人機可更加精確地投放施肥劑，如2022年極飛科技XAG推出 P100 Pro/P100 2023款農業無人飛機，便能以13.8米/秒的飛行速度，在20 kg/667 m2的施肥規格下，用12分鐘完成約500 kg肥料的播撒，這樣不僅可節約施肥劑的使用量，還能夠提高施肥效果，使作物吸收養分更加均勻和高效，從而提高了施肥的效率。 1.2 減少環境污染 無人機在施肥過程中能夠通過精確的定位和高精度的噴灑設備，將施肥劑精確地投放到目標區域，避免了農田之外的環境受到不必要的施肥。相比傳統的施肥方式，無人機技術可有效減少施肥劑的流失和漂移，降低對土壤、水源以及周圍生態環境的污染風險。根據大疆官網發布的數據顯示，截止2022年9月，DJI大疆農業無人飛機累計減少3000噸農藥浪費;累計節水8700萬噸,累計減少碳排放1029萬噸 。 1.3 提高作物質量 無人機可通過高空拍攝和傳感器檢測，及時獲得作物生長情況和病蟲害信息，并進行準確的噴灑和施肥。這有助于及時發現作物問題并采取相應的措施，提高作物質量和產量。 通過搭載先進的航拍設備，無人機可對農田進行定期或不定期的高空拍攝。這些航拍圖像可通過圖像處理和分析技術，提供高分辨率的作物生長信息。無人機還可攜帶各種類型的傳感器，如紅外線傳感器、多光譜傳感器等，用于檢測作物的生長狀態、葉面積指數、氮素含量等重要參數[2]。 借助實時獲取的作物生長信息和傳感器檢測結果，無人機可對作物進行精確的噴灑和施肥。根據作物的實際需求，無人機可準確計算所需的營養元素和農藥劑量，并在適當的時間和位置進行投放，及時的監測和精確的施肥讓無人機能夠有效地對作物進行管理和保護，全國農技中心的調查數據就顯示，到2021年為止，以無人機構筑的航空植保統防統治效果比農民自防效果提高10％至20％，農藥利用率提高10％以上。 施肥植保一體化中無人機技術的應用策略 2.1 基于施肥要求選擇無人機設備 在進行施肥植保一體化工作時，要進行土壤檢測以了解土壤的養分含量和pH值。這將幫助確定適合作物生長的肥料類型和施用量。根據土壤檢測結果，制定適當的施肥計劃，選擇不同的施肥方法，如基肥、追肥、葉面噴施等。基肥是在播種或移栽前施加于整個田地的肥料。而追肥則是在作物生長期間分次追加的肥料。葉面噴施可通過噴霧器將液態肥料均勻噴灑在玉米葉片上[3]。除了施肥，還要關注植物保護。使用合適的農藥來防治病蟲害，并注意遵循正確的施藥劑量和時間。 以玉米為例，玉米屬于高氮作物，在玉米生長期間，需要保證氮肥的充足供應以促進其正常生長和發育。例如選擇含有高氮比例的肥料來保證玉米生長階段獲取足夠的營養，而基于這些施肥要求，對于無人機的選擇，要考慮荷載能力、飛行時間、精確性等指標，考慮到玉米田地的面積較大，需要選擇能夠攜帶足夠的肥料和農藥量的無人機。通常建議選擇具有至少5 kg以上的有效載荷能力，同時，無人機的飛行時間應在40～60分鐘以上。且在玉米生長期，需要分次追加高氮比例的肥料，因此需要多次任務操作，所以必須選擇易于操作且安全性能較高的無人機，以此滿足玉米生長期多次追肥的要求。 2.2 基于植保要求應用無人機技術 玉米、小麥等高氮作物對氮需求較大，但過量的氮肥施用可能導致土壤中的氮含量超過作物需要的水平，從而引發土壤污染。這可能導致氮淋溶和氮揮發，對水體和空氣質量造成負面影響。通過沖刷或滲漏，過量的氮肥可能進入河流、湖泊和水庫等水體，導致水體富營養化。這會刺激藻類和其他水生植物的生長，形成藻華，破壞水體生態平衡，引起水體缺氧問題。為了減輕高氮施肥對環境的潛在影響，需要使用無人機收集土壤樣本，整理和清洗土壤養分分析數據，確保數據的準確性和一致性[4]。選擇與氮肥需求相關的特征變量，如土壤氮含量、pH值、有機質含量等，并使用回歸分析、機器學習算法（如多元線性回歸、支持向量機等）或其他數學建模方法，根據特征選擇的變量，建立預測作物氮肥需求的模型。使用已有的土壤養分數據和相應的作物氮肥施用量，將數據分為訓練集和驗證集。通過對訓練集進行模型訓練，然后對驗證集進行模型驗證，評估模型的準確性和可靠性。使用已建立的模型，輸入新的土壤養分數據和環境信息，預測作物在不同區域和生長階段所需的氮肥施用量，基于模型的輸出，生成精確的施肥計劃。該計劃將明確無人機在每個區域和階段需要施加的適量氮肥，以滿足作物的需求并減少養分流失風險，同時防止過度施肥，對作物種植區的附近環境帶來負面影響。 2.3 機型和硬件的合理選擇 根據施肥植保任務的需求，無人機盡量選擇多旋翼（如四旋翼或六旋翼）無人機或固定翼無人機。多旋翼無人機具有垂直起降和懸停能力，在小范圍內靈活操作，而固定翼無人機則適用于大范圍、長距離的植保作業[5]。 在噴灑系統選擇上，要盡可能選擇與無人機配套的噴灑系統，確保其能夠均勻、可調節地噴灑農藥或肥料。這包括選擇適當的液體容器、泵浦、管道和噴灑噴頭等，液體容器的容量根據農田面積和作物需要施用的農藥或肥料量而確定，一般可以選擇100升到1000升等不同容量。泵浦的流量一般選擇10～50 L/min等不同流量范圍，壓力一般在2～4。管道直徑需根據所選泵浦的流量和作物需求來選擇，一般選用直徑為1/2英寸到3/4英寸的管道，材質優先選擇耐腐蝕材質，如PVC管道。噴灑方式根據作物類型和施藥目標，選擇合適的噴灑方式，如霧化噴頭、扇形噴頭等。 此外，還要選擇高性能的飛行控制系統，確保無人機能夠穩定、精準地執行任務。這包括選擇合適的飛控主板、慣性測量單元（IMU）和GPS等。在需要避免障礙物的環境中操作時，要考慮配備避障系統，如激光雷達或超聲波傳感器。這有助于提高安全性和飛行穩定性。無人機的電池系統需選擇高容量、高性能的電池，以支持長時間的植保作業。考慮到電池壽命和充電時間，優選可更換電池或快速充電技術，以減少中斷時間。 3 總結 無人機技術在施肥植保一體化中能提高施肥和植物保護的精準性、縮短作業時間，具體而言，無人機可以根據作物需求和土壤狀況進行精確施肥，避免過量或不足的施肥問題，從而提高施肥效果，降低了營養浪費和環境污染的風險。在應用無人機技術時，要利用無人機搭載的高清攝像設備，對農田進行病蟲害的實時監測，及早發現并采取相應的防控措施，并根據前期監測數據和作物需求，精確投放施肥劑和農藥，通過自動化的操作，提高施肥和植物保護的效果。 參考文獻： [1]王榮,曹冬林,柳亞輸,等.自平衡精量施藥施肥植保機的設計與試驗[J].農機化研究,2019(3):124-129. [2]林洪振. 水田植保施肥裝備自動駕駛與無人自主作業系統研究[D].上海:上海交通大學,2023. [3]丁國皊.淮北地區小麥無人機噴藥施肥技術[J].農業開發與裝備,2021(10):35-36. [4]韓二鋒,李佳民.植保無人機在現代智慧農業生產中的應用[J].廣東蠶業,2023(5):81-83. [5]吳雄杰.無人機施肥植保一體化技術的研究與探索[J].農業開發與裝備,2023(6):20-21.
文章來源：鄄城縣農業農村局