稻田莖葉噴霧農(nóng)藥沉積分布均勻性統(tǒng)計指標(biāo)研究

徐德進(jìn)，徐廣春，徐 鹿，王聰博，胡雙女，顧中言，邱白晶

（1.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所，南京210014；2.江蘇大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)教育部重點實驗室，江蘇鎮(zhèn)江212013）

水稻原產(chǎn)于亞洲，世界上一半人口以水稻為主糧[1]。每年稻田病蟲草害導(dǎo)致的水稻產(chǎn)量損失率可達(dá)50%以上[2]。農(nóng)藥是保障水稻產(chǎn)量的關(guān)鍵物資，是水稻生產(chǎn)投入的主要資源[3-4]。農(nóng)藥最佳使用效率是將理論上的最小劑量噴灑在作物靶標(biāo)上并獲得預(yù)期生物效果[5]。稻田施藥以莖葉噴霧方式為主，科學(xué)的噴霧質(zhì)量評價體系可為建立稻田高效施藥技術(shù)提供依據(jù)，對減少稻田農(nóng)藥投入量有重要意義。

農(nóng)藥霧滴漂移率、覆蓋率和分布均勻性是噴霧質(zhì)量評價的主要指標(biāo)[6]。農(nóng)藥霧滴田間分布均勻性是指霧滴在噴霧靶標(biāo)表面、水平或垂直空間內(nèi)的分布均勻程度，一般用變異系數(shù)表示，變異系數(shù)越大，分布越不均勻[7]。農(nóng)田噴霧現(xiàn)階段仍是要求全田無差別施藥，通常認(rèn)為農(nóng)藥沉積的均勻性越高，防效越好，即變異系數(shù)值越小，農(nóng)藥沉積分布越均勻，農(nóng)藥有效利用率越高[8]。手動噴霧器以“Z”字形擺動噴霧農(nóng)藥霧滴沉積分布的變異系數(shù)值為0.49，且縱向變異系數(shù)低于橫向變異系數(shù)，原因是噴頭左右“Z”字形擺動，左右差異較大，而前后的差異僅與操作者的行進(jìn)速度和握噴桿的高度有關(guān)[9-10]。含多噴頭的噴桿噴霧，因噴頭位置相對固定，噴霧時噴霧高度易保持，與傳統(tǒng)的手動噴霧器擺動噴霧相比變異系數(shù)顯著減小[11-13]。陳海濤等[14]對煙田中不同施藥器械噴霧的霧滴分布均勻性進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)變異系數(shù)值為電動噴霧器＜手動噴霧器＜手動彌霧器＜機(jī)動噴霧機(jī)。王立軍等[15]發(fā)現(xiàn)采用雙流輔助噴霧技術(shù)可使霧滴分布的變異系數(shù)顯著減小。王俊等[16]研究發(fā)現(xiàn)風(fēng)幕輔助氣流能夠有效增強(qiáng)玉米田噴桿噴霧機(jī)噴霧的穿透性，使霧滴在玉米冠層中的分布更加均勻。王明等[17]研究發(fā)現(xiàn)茶園使用植保無人機(jī)低容量噴霧的農(nóng)藥利用率比傳統(tǒng)的大容量噴霧農(nóng)藥利用率提高了9.7%～24.5%，但從植保無人機(jī)噴霧的變異系數(shù)值大于大容量噴霧。除變異系數(shù)外，宋淑然等[18]將收集位點沉積量的極差值與算術(shù)平均值的商定義為不均勻系數(shù)，用來比較水稻不同層間霧滴分布的均勻性，但該指數(shù)未被廣泛采用。

農(nóng)藥防效與農(nóng)藥霧滴的沉積分布均勻性高度相關(guān)。分布均勻性是評價不同施藥器械、施藥方式、施藥參數(shù)優(yōu)劣的重要指標(biāo)。變異系數(shù)和不均勻系數(shù)均為普通離散系數(shù)測度法指數(shù)，易受極大值和極小值影響而不能反映農(nóng)藥沉積分布的全部面貌。特別是在田間條件下，農(nóng)藥沉積量受到多個不可控因素，如取樣植株的個體差異、距離噴頭的位置差異、噴桿的晃動、風(fēng)向風(fēng)速等影響而出現(xiàn)極端數(shù)據(jù)。單純以變異系數(shù)作為統(tǒng)計指標(biāo)評價施藥裝備、施藥方式或作業(yè)參數(shù)的優(yōu)劣，易造成與客觀事實不符的錯誤結(jié)論。在國民收入分配不公平程度的評價中，發(fā)展了許多經(jīng)濟(jì)學(xué)統(tǒng)計指標(biāo)。在農(nóng)藥田間沉積分布均勻性的評價中，我們可以將收集位點上的農(nóng)藥沉積量視為個體收入值，通過引進(jìn)經(jīng)濟(jì)學(xué)中收入分配不公平程度測度指數(shù)進(jìn)行綜合比較分析，從多重緯度對農(nóng)藥分布的均勻程度進(jìn)行評價。筆者擬通過引進(jìn)新的統(tǒng)計學(xué)指標(biāo)，對水稻田獲得的農(nóng)藥沉積數(shù)據(jù)進(jìn)行實證分析，并比較不同統(tǒng)計學(xué)指標(biāo)描述農(nóng)藥沉積分布均勻狀態(tài)及特征的異同，為建立標(biāo)準(zhǔn)化的噴霧質(zhì)量評價體系提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

試驗于2018年7月至2018年10月在江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院溧水植物科學(xué)試驗基地完成。

1.1 試驗材料

水稻品種：“南粳46”。人工插秧，水稻株行距為15 cm×30 cm。生物染料為麗春紅-G，由北京恒業(yè)中遠(yuǎn)化工有限公司提供。

1.2 試驗儀器

億豐丸山3WP-500CN自走式噴桿噴霧機(jī)，黑龍江省吉億豐農(nóng)機(jī)有限公司；永佳3WF-2.6型彌霧機(jī)，臨沂三禾永佳動力有限公司；NS-16衛(wèi)士牌手動噴霧器，山東衛(wèi)士植保機(jī)械有限公司；AB135-S電子天平（精確至0.1 mg或0.01 mg），梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司；UV-9100紫外可見分光光度計，北京瑞利分析儀器廠。農(nóng)藥噴霧霧滴采集裝置（自制）[19]。

1.3 試驗方法

1.3.1 試驗處理

在水稻分蘗期、孕穗期、揚花期分別采用手動噴霧器、彌霧機(jī)、自走式噴桿噴霧器進(jìn)行葉面噴霧。試驗共設(shè)9個處理。自走式噴桿噴霧機(jī)采用出廠標(biāo)配圓錐霧噴頭，噴孔直徑為1.1 mm，0.8 MPa工作壓力下噴頭流量為0.57 L/min，施藥液量為300 L/hm2。彌霧機(jī)葉輪轉(zhuǎn)速為6 500 r/min，配套動力為1E40F-3Z，噴頭流量1.5 L/min，施藥液量為350 L/hm2。手動噴霧器采用圓錐霧噴頭，噴孔直徑1.6 mm，0.3 MPa工作壓力下噴頭流量0.8 L/min，施藥液量為900 L/hm2。

1.3.2 農(nóng)藥示蹤方法

以生物染料麗春紅-G作為農(nóng)藥示蹤劑，每畝示蹤劑用量固定為50 g，噴霧前按施藥液量配制麗春紅-G溶液，噴霧完成后待水稻植株上麗春紅-G自然干燥后收回。

1.3.3 農(nóng)藥沉積量的采集與測定方法

參照徐德進(jìn)等[19]的方法，預(yù)先在室內(nèi)確定每試驗小區(qū)內(nèi)的取樣數(shù)及取樣位置，噴霧后1 h，每個取樣點取3株水稻，沿基部用剪刀剪斷，放入規(guī)格為28 cm×38 cm的聚乙烯袋中帶回實驗室。將取回的每個聚乙烯袋中的3株水稻用剪刀剪成1～2 cm長小段，放入250 mL燒杯中，先用30 mL清水清洗，再用30 mL清水漂洗。洗滌液轉(zhuǎn)移至塑料杯中，沉淀24 h后用移液器吸取4 mL上清液，在UV-9100紫外可見分光光度計510 nm處測定吸光值。根據(jù)徐德進(jìn)等[19]制定的麗春紅-G標(biāo)準(zhǔn)曲線，由洗脫液體積和吸光度值計算每個取樣點麗春紅-G沉積量。

1.3.4 統(tǒng)計指標(biāo)的計算方法

1.3.4.1 變異系數(shù)（CV）

標(biāo)準(zhǔn)差σ與沉積量的算術(shù)平均值X的比值，即按式（1）計算。

1.3.4.2 極差（全距）系數(shù)測度指數(shù)（CR）

最大沉積量Xmax與最小沉積量Xmin的差與算術(shù)平均值X的比值，即按式（2）計算。

1.3.4.3 絕對份額比例測度指數(shù)（I）

將沉積量數(shù)據(jù)從低到高進(jìn)行排序，按采樣點數(shù)將沉積量分成五等份，計算各等份沉積量占總沉積量的比例，用I5ith分別表示，如第1個五等份比例記錄為I51th。

1.3.4.4 分位點比率測度指數(shù)（PR）

將沉積量數(shù)據(jù)從低到高進(jìn)行排序，以高分位點所對應(yīng)采樣點的沉積量除以某低分位點所對應(yīng)的沉積量所得出的一個比率測度指數(shù)，按式（3）計算。

1.3.4.5 基尼系數(shù)（Gini）

基尼系數(shù)計算采用梯形面積法，先將n個樣點沉積量從低到高按1、2、3、…、i、…、n排列。式中Ni為樣點數(shù)累計比例，Pi為對應(yīng)樣點沉積量累計比例。按式（4）計算。

1.3.4.6 阿特金森指數(shù)A（ε）

阿特金森指數(shù)A（ε）按式（5）計算。

式中：ε為不平等厭惡指數(shù)，ε值分別取0.5、1、2、5、10，n為采樣點數(shù)量，Xi為第i個取樣點的沉積量，X為算術(shù)平均沉積量。

1.3.4.7 泰爾指數(shù)（T）

泰爾指數(shù)T按式（6）計算。

式中：Xi為第i個取樣點的沉積量，X為算術(shù)平均沉積量。

1.3.4.8 均值對數(shù)偏差指數(shù)（MLD）

均值對數(shù)偏差指數(shù)MLD按式（7）計算。

式中：Xi為第i個取樣點的沉積量，X為算術(shù)平均沉積量。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

利用EXCEL進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和圖形繪制，采用SPSS 16數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 農(nóng)藥沉積分布的普通離散系數(shù)分析

從表1中列出的變異系數(shù)結(jié)果可以看出，手動噴霧器、彌霧機(jī)及自走式噴桿噴霧機(jī)在水稻分蘗期、孕穗期、揚花期噴霧沉積量分布的變異系數(shù)值分別為0.39、0.31和0.42，自走式噴桿噴霧機(jī)在水稻分蘗期、孕穗期、揚花期的變異系數(shù)值分別為0.24、0.23、0.31，分別比手動噴霧器減小了38.46%、25.81%和26.19%。在水稻分蘗期和孕穗期，噴桿噴霧機(jī)噴霧的變異系數(shù)值明顯小于彌霧機(jī)，但在水稻揚花期，自走式噴桿噴霧機(jī)和彌霧機(jī)噴霧的變異系數(shù)值相近，分別為0.31和0.32。水稻分蘗期和孕穗期，彌霧機(jī)噴霧的變異系數(shù)值與手動噴霧器噴霧相近，但在揚花期明顯小于手動噴霧器。

從表1中列出的極差系數(shù)分析結(jié)果可以看出，手動噴霧器、彌霧機(jī)及自走式噴桿噴霧機(jī)在水稻分蘗期、孕穗期、揚花期噴霧沉積量分布的極差系數(shù)值在0.97～1.90。自走式噴桿噴霧機(jī)在水稻分蘗期、孕穗期、揚花期的極差系數(shù)值分別為1.10、1.04、1.52，分別比手動噴霧器減少了37.14%、6.55%和16.02%。在水稻分蘗期，噴桿噴霧機(jī)噴霧的極差系數(shù)值比彌霧機(jī)減少了42.11%，但在孕穗期和揚花期，自走式噴桿噴霧機(jī)噴霧的極差系數(shù)值比彌霧機(jī)分別增加了7.22%和24.59%。在水稻分蘗期，彌霧機(jī)噴霧的極差系數(shù)值大于手動噴霧器，但在孕穗期和揚花期，彌霧機(jī)噴霧的極差系數(shù)值均小于手動噴霧器。

表1 3種噴霧器械稻田莖葉噴霧農(nóng)藥沉積分布的變異系數(shù)和極差系數(shù)比較

2.2 農(nóng)藥沉積分布的份額比例分析

從表2中列出的絕對份額比例結(jié)果可以看出，自走式噴桿噴霧機(jī)在水稻分蘗期噴霧，第1個5分位比例分別比手動噴霧器、彌霧機(jī)噴霧增加了33.97%、37.18%；在孕穗期分別增加了27.67%、21.87%；在揚花期分別增加了24.55%、15.95%。自走式噴桿噴霧機(jī)在水分蘗期噴霧，第5個5分位比例分別比手動噴霧器、彌霧機(jī)噴霧減少了21.34%、24.50%；在孕穗期分別減少了11.62%、11.98%；在揚花期分別減少了24.45%、13.85%。彌霧機(jī)在水稻分蘗期噴霧，第1個5分位比例分別比手動噴霧器增加了33.97%；在孕穗期增加了27.67%；在揚花期增加了24.55%。彌霧機(jī)在水分蘗期噴霧，第5個5分位比例比手動噴霧器減少了21.34%；在孕穗期減少了11.62%；在揚花期減少了24.45%。

表2 3種噴霧器械稻田莖葉噴霧農(nóng)藥沉積分布的絕對份額比例比較

從表3中列出的分位點比率可以看出，自走式噴桿噴霧機(jī)在水稻分蘗期、孕穗期、揚花期噴霧，4個分位點比率值均低于手動噴霧器和彌霧機(jī)。

表3 3種噴霧器械稻田莖葉噴霧農(nóng)藥沉積分布的分位點比率比較

2.3 農(nóng)藥沉積分布的集中度指標(biāo)分析

從表4中可以看出，自走式噴桿噴霧機(jī)在分蘗期、孕穗期、揚花期水稻田噴霧，基尼系數(shù)值分別為0.11、0.13、0.16，均小于同一生育期內(nèi)采用手動噴霧器、彌霧機(jī)噴霧處理的基尼系數(shù)值。

表4 3種噴霧器械稻田噴霧農(nóng)藥沉積量分布集中度測度比較

阿特金森指數(shù)分析結(jié)果表明，隨厭惡程度值增加，對應(yīng)的阿特金森指數(shù)值增加。值相同時，自走式噴桿噴霧機(jī)在每個生育期噴霧的阿特金森指數(shù)值均低于手動噴霧器和彌霧機(jī)。

均值偏差MLD指數(shù)分析結(jié)果表明，分蘗期自走式噴桿噴霧機(jī)＜手動噴霧器＜彌霧機(jī)、孕穗期和揚花期彌霧機(jī)＜手動噴霧器＜自走式噴桿噴霧機(jī)。

2.4 農(nóng)藥沉積量分布不同統(tǒng)計指標(biāo)關(guān)聯(lián)度分析

對19個統(tǒng)計指標(biāo)進(jìn)行兩兩相關(guān)性分析。變異系數(shù)、基尼系數(shù)分別與其他14、13個指標(biāo)在P＜0.05上顯著相關(guān)。阿特金森指數(shù)A（0.5）、A（1）、A（2）、A（5）、A（10）分別與其他13、13、13、12、10個指標(biāo)在P＜0.05水平上顯著相關(guān)。絕對份額比例中I51th、I52th、I55th分別與其他13、12、13個指標(biāo)在在P＜0.05水平上顯著相關(guān)，但I(xiàn)53th、I54th僅與其他4、0個指標(biāo)在P＜0.05水平上顯著相關(guān)。分位點比例中，PR90th/20th、PR90th/50th分別與其他12、11個指標(biāo)顯著相關(guān)，PR60th/20th、PR80th/20th分別與其他9、4個指標(biāo)顯著相關(guān)。極差系數(shù)與其他8個指標(biāo)顯著相關(guān)。泰爾指數(shù)、均值偏差指數(shù)除互相顯著相關(guān)外，與其他指標(biāo)均不相關(guān)。

2.5 3種噴霧器械稻田噴霧農(nóng)藥沉積量分布均勻性比較

綜合不同指標(biāo)的測定結(jié)果，以變異系數(shù)、基尼系數(shù)、阿特金森指數(shù)（ε=2）、絕對份額比例I51th、分位點比例PR90th/20th等5個指標(biāo)判斷不同噴霧器械稻田噴霧農(nóng)藥沉積分布均勻性，結(jié)果列于表5。

表5 3種噴霧器械在水稻3個生育期噴霧的農(nóng)藥沉積量分布均勻性比較

從表5中可以看出，5個統(tǒng)計指標(biāo)均顯示在水稻分蘗期、孕穗期、揚花期噴霧，自走式噴桿噴霧機(jī)噴霧農(nóng)藥沉積分布的均勻性高于手動噴霧器和彌霧機(jī)噴霧；手動噴霧器在水稻分蘗期噴霧的均勻性高于彌霧機(jī)，但彌霧機(jī)在水稻孕穗期、揚花期噴霧的均勻性高于手動噴霧器。5個統(tǒng)計指標(biāo)分析均表明，手動噴霧器在水稻3個生育期噴霧均勻性表現(xiàn)為孕穗期＞分蘗期＞揚花期；彌霧機(jī)在水稻3個生育期噴霧均勻性表現(xiàn)為孕穗期＞揚花期＞分蘗期；自走式噴桿噴霧機(jī)在水稻孕穗期和揚花期噴霧均勻性表現(xiàn)為孕穗期＞揚花期。

3 討 論

農(nóng)藥導(dǎo)致的農(nóng)業(yè)面源污染是我國農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境整治的重點領(lǐng)域。21世紀(jì)以來，農(nóng)藥使用技術(shù)迅速發(fā)展，傳統(tǒng)的大容量向低容量高濃度均勻噴霧發(fā)展。研究農(nóng)藥霧滴在作物上的分布規(guī)律對科學(xué)選擇施藥器械及其施藥參數(shù)，提高農(nóng)藥使用效率具有現(xiàn)實意義[20-22]。研究農(nóng)藥分布問題首先要解決對農(nóng)藥沉積分布均勻性的測度問題。現(xiàn)階段我國許多學(xué)者對農(nóng)藥分布進(jìn)行大量研究，但絕大多數(shù)研究局限于使用變異系數(shù)這一個統(tǒng)計指標(biāo)[23]。農(nóng)藥噴霧主要是在田間條件下進(jìn)行，受不可控因素，如陣風(fēng)、植株疏密度及空間遮蔽等影響，收集獲得的農(nóng)藥沉積量或霧滴密度數(shù)據(jù)常出現(xiàn)異常值，單通過一個統(tǒng)計指標(biāo)來評價分布均勻性，容易造成為了結(jié)果而誤用、濫用數(shù)據(jù)的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致錯誤的結(jié)論。通過變異系數(shù)也只能進(jìn)行噴霧均勻性的相對比較，無法利用變異系數(shù)值建立農(nóng)藥噴霧均勻性的限制性標(biāo)準(zhǔn)。

將田間每一個收集農(nóng)藥沉積量的單元視為個體，農(nóng)藥噴霧過程可看作社會財富的分配過程，農(nóng)藥沉積分布均勻性評價問題就轉(zhuǎn)換為收入分配不公平程度的測定問題。普通離散系數(shù)測度法、份額比例測度法、收入集中度測度法是收入分配不公平程度評價研究中使用的主要方法[24-25]。變異系數(shù)、極差系數(shù)屬于離散系數(shù)，反映單位均值上的離散程度。份額比例測度法又稱為“庫茲涅茲比率”，由1975年諾貝爾經(jīng)濟(jì)學(xué)獎獲得者西蒙·庫茲涅茨提出。該法是將各個階層的收入比重與人口比重的差額的絕對值相加而得。收入集中度測度法就是通過實際收入分布與某一分布基準(zhǔn)進(jìn)行比較，對二者之間的差距利用不同方法進(jìn)行表示的一種測度方法。基尼系數(shù)、阿特金森指數(shù)、泰勒指數(shù)、均值對數(shù)偏差指數(shù)是目前經(jīng)濟(jì)學(xué)領(lǐng)域使用最多的收入集中度測度指標(biāo)，其中基尼系數(shù)最為經(jīng)常使用?；嵯禂?shù)是赫希曼根據(jù)洛倫茨曲線提出的判斷分配平等程度的指標(biāo)，基尼系數(shù)最大為1，最小等于0。基尼系數(shù)越接近0，表明收入分配越是趨向平等。國際慣例把0.2以下視為收入絕對平均，0.2～0.3視為收入比較平均；0.3～0.4視為收入相對合理；0.4～0.5視為收入差距較大，當(dāng)基尼系數(shù)達(dá)到0.5以上時，則表示收入懸殊。國際上通常將0.4作為收入分配貧富差距的警戒線[26-27]。借鑒基尼系數(shù)評價貧富差距的標(biāo)準(zhǔn)，3種常用噴霧機(jī)械稻田噴霧的基尼系數(shù)值均小于0.3，說明以基尼系數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)，稻田農(nóng)藥田間分布是相對均勻的。自走式噴桿噴霧機(jī)水稻分蘗期、孕穗期、揚花期噴霧的基尼系數(shù)值均小于0.2，說明農(nóng)藥沉積分布高度均勻。相關(guān)性分析結(jié)果顯示基尼系數(shù)和變異系數(shù)相關(guān)系數(shù)值達(dá)到了0.982，高度相關(guān)，如果單純比較變異系數(shù)值，無法做出科學(xué)的論斷。

不同的評價指標(biāo)，有其優(yōu)點，也有其難以克服的缺點。通過建立綜合指標(biāo)評價體系，可以更好地比較分析不同施藥器械、施藥方法的噴霧均勻性。綜合不同指標(biāo)的測定結(jié)果，建議以變異系數(shù)、基尼系數(shù)、阿特金森指數(shù)、絕對份額比例、分位點比例等5個指標(biāo)作為判斷農(nóng)藥沉積分布均勻性的統(tǒng)計學(xué)指標(biāo)，多緯度分析農(nóng)藥田間分布的均勻性。以水稻揚花期莖葉噴霧為例，采用噴桿噴霧機(jī)和彌霧機(jī)噴霧，植株采集測定的農(nóng)藥沉積變異系數(shù)分別為0.31和0.32，僅從變異系數(shù)值判斷，二者均勻性相當(dāng)，但噴桿噴霧機(jī)噴霧的I51th值較彌霧機(jī)噴霧提高了15.92%，I55th值降低了23.00%。噴桿噴霧機(jī)PR90th/20th值較彌霧機(jī)減小了33.10%，Gini值和A（2）值分別比彌霧機(jī)減少11.10%和19.28%。通過多個指標(biāo)分析，可以明確得出噴桿噴霧機(jī)水稻揚花期莖葉噴霧的均勻性優(yōu)于彌霧機(jī)噴霧的結(jié)論，彌補(bǔ)了變異系數(shù)分析結(jié)果的不足。