隆志方，黃蕊，王繼紅，劉翔，劉貴陽

（1.益陽市赫山區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，湖南 益陽 413002；2.湖南省農(nóng)業(yè)環(huán)境生態(tài)研究所，長沙 410125；3.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)商學(xué)院，長沙410125；4.湖南美鑫隆生態(tài)環(huán)?？萍加邢薰荆L沙 410128）

水稻作為我國主要的糧食作物之一，其安全生產(chǎn)對保障我國糧食安全極為重要，但當(dāng)前稻米鎘（Cd）等重金屬超標(biāo)問題不容忽視，已經(jīng)嚴(yán)重影響到我國糧食安全甚至人類社會的可持續(xù)發(fā)展[1-3]。因此，減少Cd 在稻米中的積累與富集，降低我國人群的Cd 暴露風(fēng)險已刻不容緩。

在所有Cd 污染土壤修復(fù)技術(shù)中，葉面阻控技術(shù)是近年來興起的降低水稻Cd積累的重要農(nóng)藝調(diào)控措施之一[4]。科學(xué)選擇、合理噴施葉面阻控劑，通過調(diào)控水稻對重金屬Cd 的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)和代謝，或調(diào)節(jié)Cd在植株體內(nèi)的積累，從而降低稻米Cd含量，是一種低成本、易操作的污染耕地安全利用技術(shù)[5-7]。以往噴施葉面阻控劑一般以人工噴施為主要手段，而由前人對人工噴施農(nóng)藥和利用植保無人機(jī)噴施農(nóng)藥的對比研究可知，相較于無人機(jī)噴施，人工噴施農(nóng)藥不僅勞動強(qiáng)度較大，勞動力成本較高，而且容易漏噴，農(nóng)藥水霧難以到達(dá)水稻中下部葉片，從而導(dǎo)致農(nóng)藥的有效利用率較低，而利用植保無人機(jī)噴施農(nóng)藥則更有利于提高噴施均勻度，在提高其作業(yè)效率的同時還可減少勞動力成本[8-9]，由此可預(yù)測，利用植保無人機(jī)噴施葉面阻控劑同樣可提高其經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境效益。另外，若葉面阻控劑選擇不當(dāng)也會導(dǎo)致技術(shù)效果不佳，達(dá)不到理想的稻米降鎘效果[10-11]。目前葉面阻控劑主要包括3類：非金屬元素型葉面阻控劑[硅（Si）、磷（P）和硒（Se）等]、金屬型元素葉面阻控劑[鋅（Zn）、錳（Mn）和鐵（Fe）等]以及有機(jī)型葉面阻控劑（谷氨酸以及水楊酸等）[12-13]。其中，Zn和Mn都是植物生長所必需的微量元素，且由于植物吸收轉(zhuǎn)運(yùn)Cd2+所用的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（如IRT、NRAMP 與ZIP 等）與Zn2+和Mn2+相同，因此Zn2+、Mn2+和Cd2+在植物體內(nèi)主要表現(xiàn)為拮抗競爭作用，可以通過增加植物對Zn2+和Mn2+的吸收來減少Cd2+在植物體內(nèi)的富集[14-16]。有研究結(jié)果表明，Zn 和Mn 不僅能夠有效緩解Cd 對水稻幼苗的生物毒害作用，還可維持細(xì)胞內(nèi)的代謝平衡[17]；在大田試驗(yàn)中，葉面噴施鋅錳肥對不同小麥品種籽粒中的Cd含量都有顯著的降低作用，同時還能增加小麥產(chǎn)量[18]。植保無人機(jī)技術(shù)由于其作業(yè)效率高、噴施精準(zhǔn)、人工成本低且操作簡便的優(yōu)勢，近年來成為農(nóng)業(yè)“新寵”[19]。但目前學(xué)術(shù)界研究較多的主要是將植保無人機(jī)技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)藥噴灑以及病蟲害防治上，鮮少報(bào)道將植保無人機(jī)應(yīng)用于噴施葉面阻控劑以減輕植物受土壤重金屬污染脅迫的研究。將降鎘效果顯著的鋅錳型葉面阻控劑與植保無人機(jī)噴施技術(shù)相結(jié)合，是一種操作方便、成本低廉、噴施時間自由的污染控制新技術(shù)，可大規(guī)模推廣應(yīng)用。

植保無人機(jī)作業(yè)效果受多種飛行參數(shù)的影響，如噴嘴的排列間距及類型、飛行的速度及高度、風(fēng)速及溫度等，這些參數(shù)將通過影響霧滴在田間葉片上的穿透率、沉積量和均勻度，從而影響其作業(yè)效果[20]。相關(guān)田間試驗(yàn)結(jié)果表明，植保無人機(jī)作業(yè)效果受各飛行參數(shù)影響次序?yàn)椋核俣龋L(fēng)速）>高度>霧滴粒徑>旋翼風(fēng)>噴施角度[21-24]。在所有影響植保無人機(jī)作業(yè)效率的飛行參數(shù)中，飛行速度與高度最為關(guān)鍵。潘波等[25]發(fā)現(xiàn)，飛行高度和速度的變化對霧滴的穿透性及沉積分布影響顯著，飛行高度為6 m、速度為2.8 m·s-1為最佳施藥參數(shù)。同時，葉面阻控劑噴施濃度及相對應(yīng)的噴霧量也會影響作業(yè)效果，如果植保無人機(jī)噴霧量低，會直接降低農(nóng)藥對稻飛虱的防治效果[26]。隨著噴霧量的增加，噴施霧滴沉積量、穿透性和均勻度均隨之增加，繼而影響作業(yè)效率[27]。

本文對植保無人機(jī)的飛行速度、飛行高度、噴施濃度及噴霧量與鋅錳型葉面阻控劑稻米降Cd效果之間的關(guān)系進(jìn)行了研究，以期得到噴施葉面阻控劑最佳飛行參數(shù)，為植保無人機(jī)技術(shù)與鋅錳型葉面阻控劑配合使用提供參考依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)與材料

試驗(yàn)地點(diǎn)位于益陽市赫山區(qū)筆架山鄉(xiāng)合勝水稻種植產(chǎn)業(yè)合作社優(yōu)質(zhì)稻標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)基地，土壤類型為水稻土，土壤基本理化性質(zhì)見表1。

表1 試驗(yàn)田土壤理化性狀Table 1 Basic physicochemical properties of the tested soils

試驗(yàn)植保無人機(jī)：大疆T16 植保無人機(jī)，深圳市大疆創(chuàng)新科技有限公司生產(chǎn)。

供試水稻：試驗(yàn)1、試驗(yàn)2 均為黃華占；試驗(yàn)3 為黃華占與湘晚秈13號。

供試葉面阻控劑：鋅錳型葉面阻控劑，主要成分為Mn+Zn（≥10.0%），湖南美鑫隆生態(tài)環(huán)?？萍加邢薰旧a(chǎn)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)1 為驗(yàn)證植保無人機(jī)不同飛行高度的噴灑效果。

試驗(yàn)時間：2018 年6 月20 日，試驗(yàn)時天氣多云、無風(fēng)，溫度為30 ℃，相對濕度45%。

設(shè)置3個飛行高度處理，分別為2、3、4 m，并重復(fù)3 次。觀察記錄無人機(jī)噴霧在地面的霧散情況，對主要集中范圍進(jìn)行測量比較，以此確定T16植保無人機(jī)的最佳飛行高度。

具體操作：將T16 植保無人機(jī)置于試驗(yàn)區(qū)域，首先啟動無人機(jī)，待分別達(dá)到高度設(shè)定值2、3、4 m 時，打開噴霧系統(tǒng)，持續(xù)噴霧20 s，噴嘴數(shù)量為8 個，單噴頭流量為0.45 L·min-1，出水量為1.2 L。然后關(guān)閉噴灑系統(tǒng)，停止旋翼的轉(zhuǎn)動并將無人機(jī)移走，記錄噴灑后地面霧散形狀、噴幅距離、漏噴點(diǎn)位等指標(biāo)。以此測試并記錄2、3、4 m 飛行高度時的地面霧散情況。

試驗(yàn)2 為驗(yàn)證飛行速度、噴施濃度及噴霧量對水稻噴灑葉面阻控劑的降Cd效果。

試驗(yàn)時間：2018 年 8 月 2 日和 2018 年 8 月 6 日噴施兩次。

采用試驗(yàn)1 確定的最佳飛行高度，并使用定高模塊使其保持該高度。飛行速度設(shè)置3 個處理，分別為5、6、7 m·s-1，并標(biāo)記為J1、J2、J3；噴霧量設(shè)置 3 個處理，分別為1.2、2.4、3.6 L·min-1，分別標(biāo)記為R1、R2、R3；噴施濃度設(shè)置3 個處理，即葉面阻控劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為24%、12%、8%，并分別標(biāo)記為I1、I2、I3。對以上設(shè)置的參數(shù)進(jìn)行排列組合，田間分布圖見圖1，包括對照組（CK）在內(nèi)每個處理均重復(fù)3次，試驗(yàn)區(qū)總面積為3×104m2。

試驗(yàn)選取作物密度、作物生長條件、土壤條件等相對一致的矩形田塊進(jìn)行作業(yè)，以此減少其他因素對試驗(yàn)結(jié)果的影響。采用植保無人機(jī)的智能作業(yè)模式按矩形進(jìn)行作業(yè)，噴幅為5 m，每個處理區(qū)域作業(yè)時間為12 s，每個處理留5 m以上作業(yè)間隔，并在每個處理的噴施區(qū)域邊界做好標(biāo)記。

試驗(yàn)3 為驗(yàn)證植保無人機(jī)最佳作業(yè)條件下噴施鋅錳型葉面阻控劑水稻降Cd的效果。

在本試驗(yàn)中，為驗(yàn)證2018 年確定的植保無人機(jī)噴施葉面阻控劑的最佳作業(yè)條件下對不同品種水稻降Cd 效果，于2019 年在試驗(yàn)區(qū)內(nèi)種植我國南方區(qū)域大規(guī)模種植水稻品種黃華占與湘晚秈13號，并設(shè)計(jì)4個處理，分別為：黃華占噴施葉面阻控劑（HZn-Mn）、黃華占不噴施葉面阻控劑（HCK）、湘晚秈13 號噴施葉面阻控劑（XZn-Mn）、湘晚秈13 號不噴施葉面阻控劑（XCK），每個處理設(shè)置3 個平行，共12 個試驗(yàn)小區(qū)，每個試驗(yàn)小區(qū)面積為5 556 m2。

具體操作：采用試驗(yàn)1 與試驗(yàn)2 確定的無人機(jī)最佳作業(yè)條件，即飛行高度3 m，飛行速度5 m·s-1，噴施葉面阻控劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%，噴霧量為3.6 L·min-1，分別于黃華占與湘晚秈13 號始穗期與齊穗期于處理HZn-Mn和XZn-Mn的各試驗(yàn)小區(qū)噴施兩次鋅錳型葉面阻控劑。水稻其他水肥管理措施各處理均與當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)保持一致。

1.3 樣品采集與分析

水稻種植前分別于各試驗(yàn)小區(qū)均勻采取耕層（0~20 cm）土壤混合，并在室內(nèi)風(fēng)干后研磨，根據(jù)所測指標(biāo)要求過篩。于水稻成熟期均勻采取各處理小區(qū)水稻樣品，植株樣品帶回實(shí)驗(yàn)室后分離出籽粒，并用超純水洗凈后裝入信封袋中，于烘箱中105 ℃下殺青30 min，之后80 ℃條件下烘干備用。

土壤 pH 采用 pH 計(jì)（S220，Mettler Toledo，上海）在土水比為1∶2.5時進(jìn)行測定。

土壤全Cd 利用《土壤和沉積物12 種金屬元素的測定王水提取-電感耦合等離子體質(zhì)譜法》（HJ 803—2016）方法測定，消解后過濾定容，之后利用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（ICP-MS，Thermo Fisher，美國）測定消解液中Cd濃度。

土壤養(yǎng)分參考《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》進(jìn)行測定。

水稻糙米研磨過篩后利用HNO3-H2O2微波消解法消解（MARS 6MS5181，培安，美國），消解液過濾定容后利用ICP-MS測定其中總Cd濃度（GB 5009.268—2016）。

為保證數(shù)據(jù)可靠性，所有數(shù)據(jù)測定過程中均加入標(biāo)準(zhǔn)參比物質(zhì)及空白樣進(jìn)行質(zhì)量控制，土壤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)為GBW07386（GSS-30），植株標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)為GBW10049（GSB-27）。

1.4 數(shù)據(jù)分析

所有數(shù)據(jù)均測定至少3 個平行樣，用Excel 處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，用Origin 2021 進(jìn)行繪圖，并利用單因素方差分析（ANOVA）對數(shù)據(jù)進(jìn)行差異顯著性分析（SPSS 22.0）。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同飛行高度對植保無人機(jī)噴施效果的影響

由表2 及圖2 可知，植保無人機(jī)T16 的飛行高度對噴施效果有很大影響，當(dāng)飛行高度為2 m 的時候，通過地面霧散情況可知存在少許漏噴，噴幅為4.0 m，集中噴灑的范圍為1.9 m；當(dāng)飛行高度為3 m 的時候，噴幅為5.0 m，集中噴灑的范圍為2.4 m；當(dāng)飛行高度為4 m 的時候，噴幅為5.9 m，集中噴灑的范圍為1.7 m。地面噴灑情況如圖2 所示，可以看出隨著T16 植保無人機(jī)飛行高度的升高，其集中噴灑范圍首先是有一定的提高，到3 m 時達(dá)到最大值，而其最大有效面積隨著無人機(jī)飛行高度的升高而增大，但飛行高度達(dá)到3 m時其增長速度開始下降。

表2 不同飛行高度對植保無人機(jī)霧散情況的影響Table 2 Effects of different flight heights on fog dispersion of plant protection UAV

葉面阻控劑主要作用于植物葉片表面，一般認(rèn)為其作用于葉片上部分與下部分效果相同。由此分析得出，T16 在飛行高度為3 m、作業(yè)間距為5 m 的時候不會漏噴，在飛行高度為2 m 時噴灑范圍更小，噴灑均勻性更差，而飛行高度到4 m 的時候，噴灑范圍更大，均勻性好，但是同時藥液飄散多。所以，在其他作業(yè)條件相同時，3 m 為T16 植保無人機(jī)作業(yè)的最佳飛行高度。

2.2 不同飛行速度、噴施濃度及噴霧量對植保無人機(jī)噴施效果的影響

如表 3 所示，CK 處理的稻米 Cd 含量為 0.32 mg·kg-1，在相同飛行速度及噴施濃度下，水稻糙米降Cd效果隨著噴霧量增加而提升；而在相同噴施濃度及噴霧量下，降Cd效果隨飛行速度增加而下降，在相同飛行速度與噴霧量下，降Cd 效果在噴施鋅錳葉面阻控劑濃度為12%時達(dá)到最高。當(dāng)飛行速度由5 m·s-1升至7 m·s-1時，不同噴施組合鋅錳型葉面阻控劑的降Cd 效果逐漸降低。綜合分析認(rèn)為，植保無人機(jī)對水稻噴施鋅錳型葉面阻控劑的最佳作業(yè)條件是飛行高度3 m，飛行速度5 m·s-1，噴施葉面阻控劑濃度為12%，噴霧量為3.6 L·min-1，此條件下水稻降Cd 率最高，糙米 Cd 含量降低了 0.14 mg·kg-1，降鎘率達(dá)到43.5%，達(dá)到了谷類作物可食用標(biāo)準(zhǔn)限值（Cd≤0.2 mg·kg-1），經(jīng)濟(jì)與環(huán)境效益均達(dá)到最大值。

表3 不同處理下水稻糙米Cd含量及降Cd率Table 3 Total Cd concentration in brown rice and Cd reduction rate of different treatments

2.3 植保無人機(jī)最佳作業(yè)條件下鋅錳葉面鈍化劑水稻降Cd效果驗(yàn)證

對試驗(yàn)1、2 中確定的植保無人機(jī)在最佳作業(yè)條件下噴施葉面阻控劑對降低不同品種水稻糙米Cd含量的效果進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果如圖3 所示，相較于對照（HCK和XCK），經(jīng)無人機(jī)噴施鋅錳型葉面阻控劑后，HZn-Mn和XZn-Mn水稻糙米Cd 含量均顯著下降，分別下降了0.24 mg·kg-1和0.12 mg·kg-1，糙米降Cd率分別達(dá)到52.7%和62.1%。其中噴施葉面阻控劑后黃華占水稻糙米Cd 含量僅比我國《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中污染物限量》（GB 2762—2017）中規(guī)定的0.2 mg·kg-1高0.02 mg·kg-1，而經(jīng)處理后湘晚秈水稻糙米Cd 含量則降至0.08 mg·kg-1，達(dá)到國家規(guī)定谷類可食用標(biāo)準(zhǔn)。利用植保無人機(jī)在作業(yè)條件分別為飛行高度3 m、飛行速度5 m·s-1、噴施葉面阻控劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%、噴霧量為3.6 L·min-1條件下噴施鋅錳型葉面阻控劑大幅度降低了不同品種水稻糙米Cd 積累風(fēng)險，對降低我國居民食品Cd暴露風(fēng)險意義重大。

3 討論

近年來，植保無人機(jī)由于兼顧經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境效益而被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，但目前主要是用于噴施農(nóng)藥以防治水稻病蟲害[11]，而將植保無人機(jī)應(yīng)用于噴施重金屬葉面阻控劑以阻控重金屬在農(nóng)產(chǎn)品中的積累方面還鮮少報(bào)道。因此，探索植保無人機(jī)在重金屬污染耕地安全利用技術(shù)中的應(yīng)用效果，并確定其最佳工作條件對保障我國糧食安全意義重大。對鋅錳型葉面阻控劑的最佳噴施濃度與用量進(jìn)行探索還可在促使水稻籽粒降Cd效率達(dá)到最大化的同時避免浪費(fèi)，提高經(jīng)濟(jì)效益。

植保無人機(jī)的工作效率受到多種因素的影響，如植保無人機(jī)的作業(yè)高度、飛行速度及噴施濃度與用量等[10]。作業(yè)高度太低時，無人機(jī)的強(qiáng)風(fēng)場會導(dǎo)致水稻冠層向四周倒伏，從而影響霧滴穿透與附著；若飛行高度太高，同樣會使藥液在水稻上的霧滴明顯減少，影響作業(yè)效率[25]。邱白晶等[28]的研究結(jié)果顯示，植保無人機(jī)的飛行高度與飛行速度及其交互作用均對噴施農(nóng)藥的沉積濃度與沉積均勻度有極顯著的影響（P<0.01），進(jìn)而對工作效率產(chǎn)生影響。因此，為確保鋅錳型葉面阻控劑的降Cd 效果最大化，本研究通過比較植保無人機(jī)不同飛行高度、飛行速度、噴施濃度及噴霧量的作業(yè)效果，確定了田間最佳工作參數(shù)：飛行高度3 m，飛行速度5 m·s-1，噴施葉面阻控劑兌水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%，噴霧量為3.6 L·min-1。第二年驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果表明，在最佳工作參數(shù)下噴施鋅錳型葉面阻控劑，不同常規(guī)水稻品種糙米Cd 含量均顯著降低（P<0.01），黃華占與湘晚秈13 號糙米降Cd 率分別達(dá)到52.7%與62.1%。相較于人工噴施葉面阻控劑，本試驗(yàn)中利用植保無人機(jī)噴施鋅錳型葉面阻控劑降低水稻籽粒Cd 積累效果更為顯著，韓瀟瀟等[29]、張爍等[30]分別利用10 mmol·L-1的ZnSO4與MnCl2溶液在水稻開花期將其人工噴施于水稻葉面后，水稻籽粒Cd 濃度相比對照僅降低28.5%與23.8%。本研究中，利用植保無人機(jī)噴施葉面阻控劑的水稻糙米降Cd效率遠(yuǎn)高于上述研究中人工噴施的效率。這一方面可能是由于相較于人工噴施，利用植保無人機(jī)在最佳作業(yè)參數(shù)下噴施葉面阻控劑霧滴穿透性更高且更均勻[11，31-33]，更有利于葉面阻控劑防控水稻糙米Cd積累。如李艷大等[27]的研究結(jié)果表明人工噴施農(nóng)藥的藥液霧滴僅有7.57%到達(dá)水稻冠層下部，而利用植保無人機(jī)噴施則有約19.92%的藥液霧滴到達(dá)冠層下部，可以大幅度提高農(nóng)藥防控水稻病蟲害的效率。另一方面，本試驗(yàn)中所用的鋅錳型葉面阻控劑經(jīng)過多年的田間驗(yàn)證，具有高效穩(wěn)定的阻控Cd從水稻營養(yǎng)器官向稻米轉(zhuǎn)運(yùn)的能力。這主要是由于Zn2+與Mn2+與Cd2+具有相似的化學(xué)特性，水稻葉面噴施Zn2+與Mn2+后可與Cd2+產(chǎn)生拮抗競爭作用，由于目前仍未在水稻中發(fā)現(xiàn)Cd 的專屬轉(zhuǎn)運(yùn)通道，Cd 一般通過 Ca、Fe、Mn 與 Zn 等水稻生長必需陽離子的轉(zhuǎn)運(yùn)通道進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)，因而噴施鋅錳型葉面阻控劑增加葉片中Zn 與Mn 的含量，使其與Cd大量競爭轉(zhuǎn)運(yùn)體中的金屬位結(jié)合點(diǎn)，顯著抑制Cd2+從水稻根部向葉與籽粒中的轉(zhuǎn)移，從而直接影響水稻地上部Cd2+的轉(zhuǎn)運(yùn)，極大減少Cd向水稻籽粒運(yùn)輸[30，34]。

本研究在一定程度上證明了利用植保無人機(jī)噴施葉面阻控劑在防控農(nóng)作物重金屬積累方面應(yīng)用前景巨大。但由于植保無人機(jī)作業(yè)時相關(guān)影響因素較多，因此本研究結(jié)論是否可適用于其他條件、其他型號的無人機(jī)還有待繼續(xù)研究。當(dāng)飛行速度繼續(xù)降低時是否效果會更好也有待研究。

4 結(jié)論

（1）植保無人機(jī)對水稻噴施鋅錳型葉面阻控劑的最佳作業(yè)工作參數(shù)是飛行高度3 m，飛行速度5 m·s-1，噴施阻控劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)12%，噴霧量3.6 L·min-1。

（2）植保無人機(jī)在最佳工作參數(shù)下噴施葉面阻控劑，能顯著降低不同水稻品種的稻米Cd含量，和對照相比，黃華占和湘晚秈13 號的糙米Cd 含量分別下降了 0.24 mg·kg-1與 0.12 mg·kg-1，降 Cd 率分別達(dá)到52.7%與62.1%。

（3）利用植保無人機(jī)噴施“美鑫隆”鋅錳型葉面阻控劑不僅能有效管控稻米Cd 超標(biāo)風(fēng)險，而且作業(yè)效率高、噴施精準(zhǔn)、經(jīng)濟(jì)效益高，適合Cd 污染農(nóng)田區(qū)域大面積推廣與應(yīng)用。