徐廣春, 徐 鹿, 石偉山, 王聰博, 胡雙女, 徐德進

(1.江蘇省農(nóng)業(yè)科學院植物保護研究所,江蘇南京 210014; 2.江蘇艾津農(nóng)化有限責任公司,江蘇南京 211511)

水稻的一生經(jīng)歷的病蟲害種類繁多,常見的蟲害主要有稻飛虱,以褐飛虱(Nilaparvatalugens)、灰飛虱(Laodelphaxstriatellus)為主;螟蟲,以稻縱卷葉螟(Cnaphalocrocismedinalis)、二化螟(Chilosuppressalis)為主,病害有稻瘟病、稻曲病、紋枯病等,生產(chǎn)上對其的防治仍以化學防治為主[1-3]?；瘜W防治過程中,噴霧方式仍占據(jù)著重要的位置[4-5]。目前在稻田的噴霧方式主要有常規(guī)人工噴施、地面機械噴施和航空植保無人機噴施[6],傳統(tǒng)的人工噴施存在作業(yè)勞動強度大、效率低、耗時長和對施藥人員易造成中毒等不足,地面機械噴施存在機械行走對地形要求高和下田作業(yè)對水稻生長發(fā)育影響等弊端,而植保無人機噴霧因其作業(yè)效率高、節(jié)水、可航線規(guī)劃飛行等優(yōu)勢[7-8],近年來在我國發(fā)展迅速,隨著農(nóng)村適齡勞動力城市轉移導致勞動力嚴重不足,農(nóng)業(yè)機械化需求將大大增加,植保無人機噴霧防治病蟲害的需求也將更為廣泛。植保無人機農(nóng)田大面積推廣使用將預示著我國開始向機械化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的模式邁進,也表明了我國在農(nóng)業(yè)科技上取得的巨大成就。稻田采用植保無人機噴灑農(nóng)藥,能達到控制水稻病蟲害的目的。實際應用場景中,影響植保無人機稻田噴霧防治有害生物防效的因素較多,本文擬從稻田施藥場景、植保飛防藥劑、噴霧的霧滴等方面進行綜述,希望能為進一步發(fā)揮新型植保無人機自身的優(yōu)勢提供必要的依據(jù)和參照。

1 稻田施藥場景

目前稻田常用的植保無人機主要為單旋翼植保無人機和多旋翼植保無人機(按機翼分)或者是電動植保無人機和油動植保無人機(按動力分)。由于考慮到安全性、可操作性等因素,江浙稻區(qū)常用的多為多旋翼電動植保無人機,施藥的時間集中于每年的7—9月,這段時間氣溫較高,濕度差異大。因此,這段時間施藥要考慮到氣候條件、地形、操作人員等因素的影響。

1.1 氣候因素的影響

在眾多氣象因素中,風對植保無人機噴霧農(nóng)藥防治病蟲害作業(yè)效果影響較高。對一般噴霧而言,風速超過3 m/s,則不適宜噴霧作業(yè)。有學者曾對植保無人機在靶標作物冠層上部1.5 m,風速2 m/s的條件下進行田間試驗發(fā)現(xiàn)植保無人機作業(yè)噴幅偏移可達半個噴幅以上[9]。另外,7—9月中的每一天不同時間點下的風速變化較大,這就加大了植保無人機作業(yè)的難度。筆者在江蘇省農(nóng)業(yè)科學院溧水基地每隔30 s監(jiān)測的水稻植株冠層上部1.5 m處風速的變化(以2018年7月24日07:00—11:00時的數(shù)據(jù)為例,每隔30 s左右為1次采集時間點)見圖1,監(jiān)測3 h內(nèi)的風速從無風到風速 5.4 m/s,變化幅度較大且不可控。因此,如何協(xié)調(diào)好施藥場景下的不可控外部條件,是植保無人機稻田噴霧作業(yè)過程中必須要考慮的關鍵問題。

除了風影響外,氣溫、光照、相對濕度等因素也會影響植保無人機作業(yè)的防治效果,但這些因素都直接或間接地影響到噴灑霧滴的蒸發(fā)、沉積等[10-13]。通常來講,江蘇地區(qū)每年7—9月的溫度相對較高(圖2為南京市溧水區(qū)7月的最高溫度),高溫下施藥易導致噴灑藥液霧滴蒸發(fā),同時還會加劇地表蒸騰作用,形成上升氣流,影響霧滴沉積。對于一些易光解的藥劑,如阿維菌素,強光照下很容易光解,進而影響防治效果[14]。隨著植保無人機夜航功能的開發(fā),開展植保無人機傍晚或夜間噴霧作業(yè),此時間段內(nèi)氣流相對比較平穩(wěn),另外一些諸如高溫、強光照等問題將得到很好的解決。目前,江蘇小部分地區(qū)正探索實施夜間噴霧作業(yè)防治水稻病蟲害。

1.2 地形的影響

在進行植保無人機噴霧作業(yè)時,必須考慮到地形的影響。盡可能是成片且連在一起的地域,如果地塊松散,植保無人機的效率就會受到明顯的影響。部分稻區(qū)的周邊布滿障礙物,如電線桿、樹木、高壓線等,這些都會影響植保無人機噴霧作業(yè)的效率,甚至增加飛行的危險系數(shù),更會直接導致藥液漏噴、少噴進而影響效果[15]。當高壓電存在時,其產(chǎn)生的磁場將會嚴重影響植保無人機正常噴霧作業(yè)的穩(wěn)定性。隨著植保無人機地形識別及跟隨技術的發(fā)展,也就是常說的定高技術,就很好地解決了丘陵地區(qū)植保無人機噴霧精度這一問題[16-17]。因此,在實施稻田無人機噴霧作業(yè)時,要盡可能地避免障礙物,尋找更合適的起落點,留足夠的邊界以達到安全、高效噴霧作業(yè)。

1.3 植保無人機自身因素的影響

近年來,隨著我國土地制度的改革,水稻種植專業(yè)合作社、種植專業(yè)大戶的產(chǎn)生帶動了植保無人機的使用范圍,從單一噴霧向噴霧、撒施顆粒、撒施種子等方向發(fā)展[17-19]。近年來,我國植保無人機的數(shù)量增長迅速,據(jù)中國農(nóng)業(yè)機械工業(yè)協(xié)會統(tǒng)計,2020年我國植保無人機的保有量有7萬多架,主要分布在江蘇、山東、安徽等地,其中江蘇省的植保無人機保有量居全國第一。隨著我國農(nóng)業(yè)向機械化、精準化方向發(fā)展,植保無人機的保有量將更進一步。雖然我國植保無人機的保有量不斷上升,但植保無人機的施藥面積占比相對還較低。同時,由于缺乏統(tǒng)一的植保無人機標準,各生產(chǎn)企業(yè)的植保無人機機型、性能差異加大,這就增加了田間病蟲害防治作業(yè)的難度。目前,深圳大疆創(chuàng)新科技有限公司和廣州極飛科技股份有限公司的產(chǎn)品占據(jù)了植保無人機的主要市場。2021年,大疆公司的無人機飛手們完成了10億畝次的作業(yè)面積。因此根據(jù)植保無人機機型的特點,經(jīng)過科學試驗后選擇合理的飛行速度、飛行高度、適合的噴頭(噴幅),做好合理噴霧航線規(guī)劃,是提高稻田植保無人機噴霧作業(yè)效率的關鍵有效手段[20-21]。

植保無人機的載液量和續(xù)航能力也是影響稻田病蟲害防治效率的重要因素。當前,植保無人機載液量在5～40 kg之間,其中10 kg載液量機型占比較大。稻田病蟲害防治過程中,較低載液量將直接導致噴霧時間較短,使得植保無人機的起飛和降落頻次較高,加載藥液次數(shù)較多,降低了噴霧速率。另外一方面,植保無人機的電池容量決定了噴霧時的飛行時間,對于熟練的施藥人員來講頻繁更換電池無疑增加了工作量,降低了工作效率[7,21]。

植保無人機上所配備的噴頭通常為液力式霧化噴頭和旋轉離心式噴頭。液力式霧化噴嘴常見的為扇形噴頭和錐形噴頭;而旋轉離心式噴頭常見的為轉盤式離心噴嘴。噴頭的霧化性能決定了藥液的噴灑質量進而影響了對病蟲害的防治效果[22-24]。

1.4 靶標自身的生物學特性

稻田噴霧時,由于水稻葉片本身較低的表面自由能和較高的傾角[25-26],造成了噴霧時霧滴因彈跳、滾落、濺射等行為而脫靶造成流失[27-31]。植保無人機在噴霧作業(yè)過程中,旋翼引起的下洗氣流易引起水稻冠層擾動,處于氣流旋渦中的植株搖擺幅度較大,利于噴灑霧滴的穿透[32-33];另一方面,水稻上常發(fā)生的一些病害,其病菌的孢子易借助旋翼攪動的氣流擴散傳播,造成病害的大流行。2021年,安徽省安慶部分稻區(qū)水稻稻曲病嚴重,植保無人機噴霧防治時,其旋翼引起的氣流導致稻曲病的黃色粉末懸浮在空氣中形成嚴重的黃色霾,導致了稻曲病病菌的2次傳播。

2 植保飛防農(nóng)藥制劑和助劑

目前,生產(chǎn)上缺乏植保無人機噴霧作業(yè)相應的農(nóng)藥制劑的標準,各種農(nóng)作物上的用藥劑量、稀釋倍數(shù)等均沒有統(tǒng)一的標準。噴霧作業(yè)藥劑使用量多參照經(jīng)驗或常規(guī)大容量噴霧的制劑量,這將直接影響了噴霧的質量,對環(huán)境也會造成一些負面影響。因此,稻田病蟲害植保無人機噴霧防治時,確定合適的農(nóng)藥制劑和農(nóng)藥用量顯得尤為重要。

2.1 飛防制劑

植保無人機噴霧防治病蟲害的飛速發(fā)展對相應配套使用的農(nóng)藥制劑也提出了新的要求,截至2021年年底,國內(nèi)尚沒有企業(yè)登記專用于植保無人機噴霧作業(yè)配套的飛防制劑。對于噴霧而言,由于我國登記的農(nóng)藥制劑絕大多數(shù)都是基于大容量噴霧前提下實施的,同時進行了相應的有效性和安全性評估,這些獲得的數(shù)據(jù)與飛防的數(shù)據(jù)存在較大差異,不具備同等參考性。當前缺乏評價飛防農(nóng)藥制劑相應的試驗方法和手段,也是導致飛防農(nóng)藥制劑登記缺失的重要原因。稻田病蟲害防治的實際應用場景下,乳油、微乳劑、水乳劑、懸浮劑、水劑、可分散油懸浮劑等劑型均有稻田應用的事例。在眾多登記的農(nóng)藥劑型中,超低容量液劑與飛防制劑較為接近,但也未明確其作為飛防的專用農(nóng)藥制劑[34-35]。截至2022年4月,通過中國農(nóng)藥信息網(wǎng)查詢獲得我國登記在水稻上的超低容量液劑共14個,其中廣西田園生化股份有限公司登記10個,占絕對優(yōu)勢;另外一種相對比較適合飛防的制劑是展膜油劑,目前登記在水稻上的有9個,其中殺蟲劑2個,殺菌劑4個,除草劑3個。近年來,納米農(nóng)藥制劑也是飛防制劑研究的重點,尤其是水基化納米農(nóng)藥制劑的研制利于解決水稻后期多種農(nóng)藥桶混使用的溶解性、兼容性和穩(wěn)定性問題,從而提高航空植保作業(yè)的效率[36-39]。

日本作為應用植保無人機較早的國家,登記的飛防劑型相對較多,低于所有登記農(nóng)藥制劑數(shù)量的7%。水稻是植保無人機應用的重要靶標作物,病蟲害防治中無人機植保工作約占36%,其作業(yè)面積占所有作物無人機植保作業(yè)面積的87%[40]。在相匹配的農(nóng)藥制劑方面,除草劑主要采用顆粒劑和展膜油劑撒施或灑滴施用;殺蟲劑和殺菌劑更多的是乳油、水乳劑、微乳劑、豆型顆粒劑等劑型,主要采用超低容量噴霧或撒施。與之對比,我國稻田相適應的飛防制劑研究還有較大的提升空間。

2.2 飛防助劑

由于農(nóng)藥制劑研發(fā)過程中要優(yōu)先考慮制劑配方體系的穩(wěn)定性,而過多的添加專一調(diào)節(jié)性的助劑(如抗蒸發(fā)劑、抗飄移劑或潤濕滲透劑等)會導致制劑配方體系的不穩(wěn)定性[41-44]。這就需要對飛防助劑開展系列研究。由于飛防過程中,農(nóng)藥制劑的稀釋倍數(shù)較常規(guī)噴霧要低很多,其中溶劑的含量在制劑總量占比中往往高于50%,超低容量液劑中占比甚至高達90%及以上[35,45]。溶劑的理化性能一定程度上決定了飛防效率的高低、藥效的好壞及安全性等。溶劑的黏度影響著噴灑藥液的分散,黏度越高越難分散不利于噴施[35];同時表面張力小的溶劑更利于藥液的分散以及在靶標上的潤濕滲透性[1]。溶劑體系的閃點直接決定了制劑產(chǎn)品閃點的高低,進而對運輸和使用的安全性起著重要作用。另外極性強的溶劑用量較大時易產(chǎn)生藥害。如二甲基甲酰胺(DMF)用量較大時,飛防過程中噴灑的藥滴會在水稻葉片上形成灼傷的斑點狀藥害。除了溶劑之外,飛防助劑更注重的應是藥液體系理化性能的調(diào)控。

病蟲害防治噴霧過程中,農(nóng)藥霧滴尤其是水基型農(nóng)藥霧滴的彈跳、飄移、蒸發(fā)、潤濕滲透以及沉積等均影響著農(nóng)藥藥效的發(fā)揮和對環(huán)境的安全性[41-42,46]。在飛防中,由于制劑的低稀釋倍數(shù),制劑中本身的助劑體系一定程度上能夠減少噴灑的霧滴在靶標表面的彈跳,展現(xiàn)出較好的潤濕滲透性。然而,飛防過程中助劑體系更關注的是霧滴的蒸發(fā)和飄移等[43-44,46]。霧滴的蒸發(fā)主要有2個方面,一方面是離開噴頭向靶標空間運行的過程中,一方面是在接觸到靶標后。據(jù)測算水基化農(nóng)藥在噴灑中因蒸發(fā)而致使農(nóng)藥損失1.5%～16.8%[47]。霧滴蒸發(fā)的動力學和熱力學影響因素較多,前人研究并建立了3種蒸發(fā)模型[13]。第1種是霧滴在界面上的接觸角不變而底部接觸半徑逐漸減小的模型(CCA模型);第2種是霧滴在接觸面底部的半徑不變而接觸角逐漸變小的模型(CCR模型);第3種是霧滴在界面上的接觸角和接觸半徑均變化的模型(Mix模型)。這些模型的建立有利于飛防作業(yè)中指導制劑中助劑種類的篩選和用量的確定。添加助劑可以調(diào)控霧滴的蒸發(fā)時間,不同助劑對農(nóng)藥霧滴在植物表面上的鋪展和蒸發(fā)差異不同,一定程度上隨著助劑比例的增加在植物表面的鋪展面積增加,與之相應的蒸發(fā)時間則減少。添加助劑Triton X-100可使直徑為300 μm的霧滴在葉片上的鋪展面積增加了2倍多,而蒸發(fā)時間則減少了44%[44]。當前研究絕大多數(shù)仍集中在對單個霧滴在不同靶標上的蒸發(fā)特性,而對空間霧滴的蒸發(fā)研究較少,對空間霧滴群的研究則更少,這主要取決于相應研究方法的缺失。另外,農(nóng)藥霧滴的飄移是飛防噴霧過程中不可避免的問題,尤其是近年來因農(nóng)村勞動力人口大量減少造成病蟲防治窗口期施藥人員的缺失而導致了植保無人機在技術不完備的條件下噴灑除草劑,因噴霧過程中霧滴的飄移而導致了藥害的產(chǎn)生。2021年通過對南京區(qū)域水稻種植大戶的走訪調(diào)查發(fā)現(xiàn),55%的種植大戶在無人機進行病蟲害防治中曾有發(fā)生藥害的經(jīng)歷,最常見如稻田噴灑除草劑后,稻田周邊的大豆、蠶豆等豆科作物因接觸到飄移的農(nóng)藥霧滴而出現(xiàn)卷葉、葉片皺縮、枯萎甚至死亡等現(xiàn)象;周邊20 m的魚塘因飛防作業(yè)后發(fā)生魚類中毒等。飛防過程中引起霧滴飄移的因素很多,具體可分三大方面即霧滴體系、作業(yè)模式和作業(yè)氣象條件。由于外界氣象因素的多變,在盡可能避免不利的氣象條件下開展飛防作業(yè),飛防的作業(yè)模式(即機型、噴頭類型、飛行速度和高度等)也相對穩(wěn)定,基于此減少霧滴飄移比較有效的方法就是調(diào)控霧滴體系。霧滴體系理化性質的改變可以達到減少霧滴飄移的目的,添加助劑是調(diào)控霧滴理化性質的簡便且有效的手段。霧滴的大小與飄移密切相關,一般霧滴越小越易飄移。在對4種Teejet噴頭噴霧下的霧滴譜分析結果表明,隨著霧滴體積中徑的增大,則霧滴飄移率降低[48]。一些植物油類助劑可以增加噴灑霧滴的霧滴體積中徑。在特定噴頭下,在水溶液中添加尿素,霧滴體積中徑增加3.26%,霧滴尺寸分布跨度增加6.33%,可顯著改變噴霧質量[49]。在6種不同助劑水溶液飛防作業(yè)測試中發(fā)現(xiàn)田間助劑可減少19%～65%的霧滴飄移,其中以添加Silwet DRS-60減飄能力最強[50];Fornasiero等利用防飄助劑和高飄移噴頭相結合成功減少約50%的藥量損失[51];馬學虎等通過助劑調(diào)節(jié)2%甲維鹽乳油的黏度和表面張力,使得農(nóng)藥霧滴的飄移率降低18%(風速4 m/s)和43%(風速5 m/s)[52]。因此在飛防藥液中選擇添加合適的助劑種類和用量,利于調(diào)控藥液的理化性質與靶標特性相匹配,在減少飄移、蒸發(fā)等的前提下達到減量增效的目的。

2.3 噴液量

稻田病蟲害防治過程中噴液量的不同將直接導致藥液的表面張力、農(nóng)藥在靶標表面的沉積量以及農(nóng)藥的沉積結構等存在較大差異,直接或間接地影響了農(nóng)藥對靶標有害物的防治效果。稻田植保無人機噴霧作業(yè)屬于超低容量噴霧,常采用噴量7.5～18 L/hm2藥液,是常規(guī)噴霧量的1.0%～2.4%。由于其噴液量少,濃度較高,其理化性能、安全性也與常規(guī)噴霧存在很大的差異。在不同噴霧量下(9.0、13.5、16.5 L/hm2)霧滴在水稻冠層的有效沉積率為35.5%～36.0%,總體來看差異不顯著;添加1%的噴霧助劑后,能顯著提高霧滴的有效沉積率[53]。顧中言等的研究表明,隨著稻田噴液量的增加,水稻葉片的持液量經(jīng)歷增加、達到最大值、隨之下降到穩(wěn)定值的過程,與最大值比,穩(wěn)定值減少持液量約50%,因此藥液在稻葉上的最大穩(wěn)定持留量一定程度上決定了噴霧量的多少[54]。噴霧量確定后,如何形成最佳的農(nóng)藥沉積結構以獲得最佳的生物效應是稻田田間農(nóng)藥使用追求的目標。

3 植保無人機飛防作業(yè)的防效

隨著近年我國植保無人機稻田施藥的大規(guī)模示范和應用,一定程度上積累了對病蟲害防治的經(jīng)驗,同時也提高了水稻施藥的機械化程度,大大減少了施藥人員高溫施藥中毒的現(xiàn)象。危害水稻的病蟲害種類較多,植保無人機施藥技術的興起一定程度上解決了一些傳統(tǒng)植保技術受限的弊端,也展現(xiàn)出對病蟲較好的防治效果。張海艷等的研究結果[21]表明同等情況下單旋翼植保無人機施藥獲得的防治效果要好于多旋翼植保無人機施藥獲得的防治效果,主要歸因于旋翼風場下霧滴沉積分布不同,單旋翼植保無人機在距離水稻植株頂端1.5 m,噴液量46.67 mL/hm2條件下作業(yè)對褐飛虱、稻縱卷葉螟和稻瘟病的防治效果分別為87.63%、76.67%和82.33%。噴液量為7.5～15.0 L/hm2防治水稻紋枯病的結果表明防效和噴液量呈正相關,防效最高可達84.20%。在稻縱卷葉螟防治的2個水稻生育期(分蘗末期和孕穗期)采用極飛P20四旋翼植保無人機按噴液量15、22.5 L/hm2噴霧,霧滴在冠層上部的沉積量介于0.38～0.67 μL/cm2之間,防效均高于80%[55]。植保無人機噴施納米農(nóng)藥防治水稻病蟲害的結果表明,納米農(nóng)藥施藥區(qū)對稻飛虱和稻縱卷葉螟的防效要好于農(nóng)戶自防田的防效;對水稻紋枯病和水稻稻曲病的防效略好于農(nóng)戶自防田的防效[56]。植保無人機釋放赤眼蜂3次后,放蜂區(qū)鉆蛀性螟蟲造成的枯心率為0.40%,對稻縱卷葉螟的卵寄生率為69.65%,展現(xiàn)出了一定的生物防治效果,也拓寬了植保無人機的使用途徑[57]。總體而言,隨著植保無人機性能(如噴液量)的提升,對水稻病蟲害的飛防效果較過去10年有了顯著的提升,一些影響噴霧效果的裝置(如噴頭、噴片)也逐步被改良完善,未來的應用范圍也將更廣泛。

4 展望

近年來,隨著我國土地制度的調(diào)整,糧食作物規(guī)?；N植管理模式快速發(fā)展,加上農(nóng)業(yè)人口老齡化導致農(nóng)村勞動力缺失的問題嚴重,未來水稻種植產(chǎn)業(yè)對植保無人機施藥的需求較大,因此植保無人機具有較好的發(fā)展前景。結合國內(nèi)外植保無人機水稻施藥研究的分析,未來植保無人機施藥技術的研究重點將集中在以下幾個方面。

(1)植保無人機機型和施藥相關的標準或技術規(guī)范將逐步完善。自2018年我國頒布了第1個植保無人機飛行行業(yè)標準NY/T 3213—2018以來,許多相關的標準和規(guī)范正在陸續(xù)制定和研究中。

(2)植保無人機飛控系統(tǒng)的完善[17]。當前,隨著植保無人機施藥技術要求對飛行任務和對靶的精確性越來越高,以及飛防作業(yè)中地理區(qū)域的復雜性、飛防過程中諸多因素的不確定性,飛控系統(tǒng)將引導植保無人機選擇最佳航線來完成稻田的施藥任務。

(3)單一系統(tǒng)或技術模塊在植保無人機上的有序整合。隨著水稻病蟲害識別系統(tǒng)[58]、水稻病蟲害施藥決策系統(tǒng)[20]、專一飛防制劑和助劑技術[35,39]、靜電噴霧使用技術[59]、農(nóng)藥對靶變量噴霧系統(tǒng)[60]等的完善,植保無人機在水稻病蟲害防治過程中將會實現(xiàn)高精準的對靶噴霧,提高農(nóng)藥有效利用效率,在獲得較好防效的同時減少農(nóng)藥霧滴的飄移,降低了對環(huán)境的影響。

總之,未來的植保無人機在稻田的施藥將會更智慧、更智能且工作效率更高,在發(fā)揮其技術優(yōu)勢的同時促進農(nóng)業(yè)機械化和現(xiàn)代化的發(fā)展。