直播稻田除草劑飛防技術現狀與發展

戴玲玲， 孫 亮， 李 貴

(江蘇省農業科學院植物保護研究所，江蘇南京 210014)

近年來，水稻輕型栽培技術被日益廣泛應用[1-3]，其中直播水稻在我國長江中下游稻區發展迅速，但水稻直播栽培顯著改變了傳統移栽水稻與雜草的生態競爭關系，同時直播稻田雜草種群和群落結構也發生了明顯變化。由于直播水稻與雜草幾乎同時萌發出苗，直播水稻營養生長期在生長勢方面沒有明顯優勢，因此直播稻田雜草防除難度明顯提高，主要表現為：(1)雜草出草速度快。水稻播后30 d左右雜草發生量占直播稻全生育期雜草數量的60%～80%。(2)雜草發生量大，發生密度高。直播稻田雜草發生量比秧田雜草多10倍以上，雜草數量達500～700株/m2，最多可達千株以上。(3)雜草種類多，群落組成多樣。直播稻田主要有稗草、千金子、狗尾草、馬唐、鱧腸、陌上菜、矮慈姑、鴨舌草、異型莎草、碎米莎草、日照飄拂草等[4]，它們不僅與水稻競爭資源，同時可作為水稻病蟲害的中間寄主，導致水稻減量約30%以上[5]。化學除草是目前生產上普遍的雜草防除措施[6-7]，所采用的施藥器械有背負式手動或電動噴霧器、自走式噴霧器以及植保無人機等[8-9]。近幾年來由于規模化種植程度和勞動力成本的提高[10]，植保無人機在生產中的需求得以迅速上升，其施藥效率是人工施藥效率的30～60倍[11-12]，具有噴灑均勻、藥物附著率高、對環境污染小等特點[13]；同時無人機避免了人工或自走式噴霧器械對農作物和土壤的物理損傷，不影響作物后期生長[14-15]。尤其是在丘陵地區平整度差及地形不規則的稻田，與大中型施藥機械相比，植保無人機具有靈活輕便、效率高、適應地形等優勢[16-18]。目前國內使用較多的植保無人機有大疆、極飛、零度、守護者、天鷹兄弟等品牌[19-20]。但同時無人機飛防屬于高濃度低容量噴霧，對環境要求較高，藥液易受高溫蒸發、風力飄移等因素影響[21]。

1 直播稻田除草劑飛防技術現狀

1.1 直播稻田土壤處理除草劑飛防技術現狀

目前應用于直播稻田土壤封閉處理的飛防除草劑品種主要有丙草胺、芐嘧磺隆和丁草胺等。沈麗麗等使用無人機和自走式噴霧器對直播稻田雜草進行土壤處理比較，藥后28 d發現自走式器械處理小區雜草出苗數量明顯多于植保無人機封閉處理小區，表明無人機的封閉效果較自走式噴霧器械好[22]。柏超等比較植保無人機和擔架式機動噴霧機在直播稻田進行土壤封閉處理的效果，結果顯示2種施藥方式下丙草胺對靶標雜草均有較好的防效[23]。劉杰選擇四翼、六翼、八翼等植保無人機進行直播稻田土壤處理的試驗，結果顯示各機型使用30%丙草胺乳油 (使用劑量為 100 mL/畝，1 hm2=15畝)+30%芐嘧磺隆水分散粒劑(使用劑量為8 g/畝)，封閉效果良好，對水稻出苗安全[24]。王會福等使用300 g/L丙草胺乳油對早稻直播田進行植保無人機飛防土壤封閉除草，結果顯示對稗草、千金子、異型莎草、田皂角、丁香蓼等有較好的封閉效果[25]。

1.2 直播稻田莖葉處理除草劑飛防技術現狀

2 直播稻田除草劑飛防技術發展的制約因素

2.1 續航時間短，有效荷載量小

植保無人機主要有固定翼和旋翼2種類型[36]，由燃油提供動力的固定翼無人機比旋翼無人機的承載量大，續航時間長，但是起飛需要專門的跑道或設備，目前植保無人機多使用由鋰電池提供動力的旋翼無人機，其具有起降便利、方便攜帶、操作靈活的優勢[37]。但旋翼無人機的荷載量小且續航時間為10～20 min[12]，多次起降會縮短無人機使用壽命且降低作業效率，同時現階段農戶使用的植保無人機一般承重藥液為10～15 L，部分無人機荷載量可達35 L，但售價較高。由于用水量少，土壤封閉除草劑飛防時除草劑在土壤表層較難形成藥膜，土壤墑情越差，越難形成藥膜，封閉效果會越差[22]。植保無人機在直播稻田使用除草劑進行莖葉處理時，因為噴液量少，當田間雜草基數偏大時，靶標接受到的藥液量偏少，會導致雜草死亡不徹底；其次莖葉處理可能涉及到的除草劑種類有4～5種，除草劑使用劑量大、兌水量少，藥液濃度高，加之夏季高溫、水稻秧苗小等因素，水稻易出現僵苗、植株矮化或葉片有灼傷斑等藥害現象，影響水稻正常生長。

2.2 藥液漂移，藥害頻繁發生

植保無人機飛防作業時的飛行高度一般為 2～3 m，噴出的藥液霧滴粒徑較小(100～200 μm)，雖然可提高藥液在雜草上的附著面積，適當提高防效，但同時也會因飄移而影響周邊作物生長，當外界風速為3級時，可產生超過50 m的漂移，對水稻田四周的農作物和樹苗有一定傷害[38]。植保無人機應用較為先進的日本，為避免低容量噴霧產生漂移帶來的藥害，目前登記在水稻田的除草劑主要為撒施的顆粒劑和展膜油劑[39]。因此，有效降低除草劑藥液漂移是完善直播稻田莖葉處理劑飛防技術的重要環節。

2.3 專用藥劑、劑型研發滯后

植保無人機承載量小，藥液濃度高，在飛防過程中容易因藥液漂移產生重噴現象，導致水稻及周邊作物產生藥害。且除草劑飛防兌水量少，當田間雜草數量較多時，因部分雜草未接觸到藥液而導致防效降低。因此除草劑飛防需要活性高、安全性好的除草劑品種，目前直播稻田較常用于飛防的除草劑有丙草胺、氰氟草酯、五氟磺草胺、芐嘧磺隆等，但這些藥劑均登記在常規使用條件下，缺乏對其飛防條件下霧滴沉降規律等應用技術的深入研究，尤其缺乏用于飛防條件下的專用藥劑。

目前不僅用于植保無人機飛防的除草劑品種較少，而且除草劑劑型也主要集中于乳油、水乳劑、微乳劑、懸浮劑等[40]，而粉劑、可濕性粉劑等固體制劑中的填料容易堵塞、磨損無人機噴頭，降低施藥效率和防除效果，不適用于飛防用藥[41]。以直播稻田土壤封閉處理飛防中使用頻率最高的丙草胺為例，目前登記于直播稻田土壤處理的丙草胺(包括丙草胺復配制劑)共有73個產品，其中可分散油懸浮劑18個，乳油26個，可濕性粉劑27個，懸乳劑1個，微囊懸浮劑1個。

20世紀50年代左右開發的適用于飛機作業的超低容量液劑(ultralow volume concentrate，ULV)，是一種將農藥有效成分和沸點較高的油類組合制成的農藥劑型，外觀為單相透明油狀液體[42]，能夠直接噴施，因其沸點比普通水劑農藥高而不易蒸發和流失，且具有粒子直徑較小(50～120 μm)、對葉片蠟質層有較強的親和性能、低黏度和高穩定性等特點，有利于提高農藥利用率。但其濃度較高、對油溶劑滲透性較強的特點也會因使用不當而產生藥害。目前報道的超低容量液劑主要是指其在殺蟲劑、殺菌劑上的應用，Wei等研究了氯蟲苯甲酰胺·噻蟲嗪超低容量液劑的制備及其對草地貪夜蛾的飛防控制，結果顯示其防效較高，持效期較長，抗雨水淋溶[43]。樊驊采用植保無人機施用10%吡唑·戊唑醇超低容量液劑防治小麥田赤霉病，結果顯示，藥后7 d防效為93.06%，且作業效率較高[44]。我國已取得登記的超低容量液劑農藥共22個[45]，其中有14個殺蟲劑，7個殺菌劑和1個植物生長調節劑，除草劑方面的超低容量液劑暫時未見登記，相關的研究亦鮮見報道。

飛防專用藥劑的研究進展緩慢，導致有效提高藥劑利用率成為生產的迫切需求，納米農藥的出現和發展為提高農藥利用率提供了新思路，成為飛防專用藥劑研究的熱點之一[46]。納米農藥是一種通過物理或(和)化學手段將農藥有效成分以納米尺寸存在于制劑中的一種農藥形態[47-48]，包括通過機械手段直接將有效成分破碎加工成納米級別，如微乳劑、納米乳、納米分散體等劑型[49-50]；以及利用一些生物類或非生物類納米載體通過吸附、偶聯、包裹及鑲嵌的方式裝載而成的如納米球、納米微囊、納米凝膠等劑型[51-52]。由于納米農藥的尺寸小，表面積大，在水中的分散性強，不僅有利于農藥有效成分在水中均勻分散和靶標葉面均勻分布，而且有利于克服不同農藥成分混用中可能出現的分解、分層、沉淀、絮結等障礙[53-54]，從而有利于其充分發揮藥效[55]。雖然納米農藥的微粒尺寸小，但由于其分散介質是水，屬于膠體溶液易下落，因此并不會更加容易產生漂移[56]。納米技術還可以構建納米農藥緩釋系統，通過對納米載體結構及有效成分顆粒大小等方面的研究可以有效控制釋放速率[57]。Ye等嘗試利用共軛物制備光響應殼交聯納米載體，用于光合抑制劑的傳遞和控釋，該制劑在黑暗條件下少量釋放，在光照條件下，雜草進行光合作用時，光控給藥系統到達靶點釋放光合抑制劑，雜草光合作用就會受到抑制[58]。此外，董欣欣等認為可以利用過量銅基納米顆粒使葉綠體產生氧化損傷的特性，將其制備成新型除草劑[59]。但目前對于納米除草劑的研究較納米殺蟲劑、殺菌劑滯后，且由于納米載體的特殊性，其對于生態環境的安全性也倍受關注。

2.4 飛防助劑研發緩慢

Knoche研究了霧滴大小對莖葉處理除草劑性能的影響，結果表明在某一霧滴尺寸范圍內，防效會隨著霧滴粒徑的降低而增加，且內吸型除草劑表現的更為明顯[31]。但同時也有研究指出當霧滴粒徑小于200 μm時容易產生漂移[60]，目前藥液漂移是植保無人機飛防技術發展的重要制約因素。飛防助劑是指可提高藥液在葉面上附著、展布、滲透等界面行為的物質[61]，飛防助劑的使用可以減少藥液霧滴在飛防過程中的漂移，增加霧滴在靶標葉面的沉積，提高防除效率[62-64]，是植保無人機進行雜草防除的重要助力。何玲等發現添加助劑后，飛防藥劑氯蟲·噻蟲嗪水分散粒劑霧滴沉積密度的增加比例最高可達50.4%[65]。宋睿等發現，3種非離子型表面活性劑均能顯著延長70%吡蚜酮可濕性粉劑藥液的蒸發時間(延長18.9%～41.5%)，提高防效[66]。陶波等比較了4種飛防助劑對25%氟磺胺草醚水劑、4%煙嘧磺隆可分散油懸浮劑、2.5%五氟磺草胺乳油在霧滴漂移、霧滴大小、表面張力和干燥時間等物理指標以及田間施用效果等方面的影響，結果顯示4種助劑均有增加除草劑沉積率，降低藥液漂移的作用，其中對水劑的作用最顯著，此外對2.5%五氟磺草胺乳油的增效作用較為明顯[28]。胡榮娟等在10%雙草醚懸浮劑中添加適當助劑并應用于直播稻田進行無人機飛防，發現助劑可以提高雙草醚防效，降低雙草醚用量[67]。目前我國對飛防助劑的需求量較大，但取得登記的無人機飛防助劑較少，針對直播稻田無人機除草劑飛防助劑的研究嚴重滯后。

3 展望

近年來，植保無人機產業發展迅猛，2018年我國飛防作業面積已超過3億畝次，植保無人機正逐漸成為病蟲害防治的主要手段之一[10]，技術也逐漸成熟，但植保無人機在除草劑方面的應用較少，除草劑飛防使用面積在病蟲草害飛防應用中的占比低于10%。直播稻田土壤濕潤，適合雜草萌發生長，生產中需要對雜草進行安全高效的化學防除，基于規模化、機械化生產是水稻產業發展的必然趨勢，植保無人機開展除草劑飛防的需求必然與日俱增。針對目前在直播稻田使用植保無人機進行除草劑飛防仍存在的制約因素，我們需要在以下方面進行積極探索。

3.1 優化植保無人機的配置與系統

針對無人機蓄電量的需求，目前有研究提出由太陽能和氫能混合能源提供動力，進而有效提高無人機續航能力[68]，有助于增加載藥量。此外，有研究采用輕質材料組裝植保無人機部件，通過整合人工智能和各種傳感器，加強對雜草檢測系統模塊化無人機的研制，通過運行系統可以快速準確地檢測雜草類型，并且根據雜草類型噴灑除草劑[69-70]。可以通過拍攝高分辨率無人機圖像，生成稻田的雜草覆蓋圖，采用完全卷積網絡生成處方圖，為減少除草劑的使用提供幫助[71]。同時通過檢測計劃噴霧與實際噴霧間的空間相關性，不斷調整優化無人機系統，提高無人機施藥的精確性[72]。

3.2 加強飛防藥劑種類、劑型、助劑的開發

目前直播稻田常用于飛防的除草劑均是登記在常規使用條件下，缺乏對飛防條件下專用藥劑的研究，針對活性好、安全性高的除草劑品種，可以研究其在飛防條件下的霧滴沉降規律，改進其應用技術，根據其理化性質研發適用于飛防條件下的劑型，如超低容量液劑、納米除草劑等，改善其在無人機飛防條件下的漂移現象，提高飛防條件下不同農藥混用的可行性。同時，應開展飛防藥劑的專用助劑研發，改善飛防中的霧滴沉降，提高除草劑藥效表達，促進除草劑減量增效。

3.3 完善相應的行業標準及配套的栽培管理措施

與除草劑常規使用條件下的影響因素相似，除草劑無人機飛防依然需要相應的操作規程和農藝配套措施，直播稻播后苗前良好的平整度和土壤墑情有利于土壤處理劑在土壤表面成膜。恰當的水分管理有利于莖葉處理劑發揮藥效。同時，優化植保無人機配置，加強對植保無人機飛手操作培訓以及稻田后期的水肥管理，都將推動直播稻田除草劑飛防效率化、規模化、智能化的不斷發展。