長(zhǎng)江流域冬小麥農(nóng)藥減量增效評(píng)價(jià)指標(biāo)研究與應(yīng)用

束放 郭永旺 秦萌 趙中華 王海波 唐啟義

摘要

本文基于2015年 2019年全國(guó)農(nóng)戶農(nóng)藥購(gòu)買和使用情況的抽樣調(diào)查，對(duì)長(zhǎng)江流域5省16個(gè)縣（市、區(qū)）冬小麥用藥情況8個(gè)指標(biāo)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。結(jié)果表明，以農(nóng)藥毒性指數(shù)評(píng)價(jià)小麥農(nóng)藥減量增效好于其他指標(biāo)，該指標(biāo)可為定量、合理評(píng)估小麥科學(xué)安全使用農(nóng)藥提供依據(jù)，并可作為政府決策、技術(shù)部門指導(dǎo)小麥生產(chǎn)用藥和減量使用的參考。

??關(guān)鍵詞

冬小麥;農(nóng)藥毒性指數(shù);農(nóng)藥減量增效

中圖分類號(hào)：

S48

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.16688/j.zwbh.2020640

Study and application of the evaluation indexes of wheat pesticide reduction and efficiency in the Yangtze River Basin

SHU Fang1，GUO Yongwang1，QIN Meng1，ZHAO Zhonghua1，WANG Haibo2，TANG Qiyi3*

（1.National Agrotechnical Extension and Service Center， Beijing100125， China; 2. Plant

Protection and Plant Quarantine Station of Jiangsu Province， Nanjing210036， China;

3. College of Agriculture and Biotechnology， Zhejiang University， Hangzhou310058， China）

Abstract

Based on the sampling survey of farmers’ pesticide purchase and use in China from 2015 to 2019， the monitoring data of eight indicators of winter wheat drug use in 16 counties （cities， districts） of five provinces in the Yangtze River Basin were statistically analyzed. The results showed that the toxicity index was better than other indexes in evaluating the reduction and efficiency of wheat pesticides. This index can provide a basis for quantitative and reasonable evaluation of the scientific and safe use of pesticides in wheat， and can be used as a reference for government decisionmaking and technical departments to guide the use of pesticides in wheat production.

Key words

winter wheat;pesticide toxicity index;pesticide reduction and efficiency

冬小麥?zhǔn)俏覈?guó)主要糧食作物之一，不同年份、不同地域小麥病蟲害發(fā)生情況不同，冬小麥上農(nóng)藥的使用品種和用藥量波動(dòng)較大。一直以來(lái)，人們對(duì)農(nóng)作物上農(nóng)藥減量增效的關(guān)注點(diǎn)主要在農(nóng)藥商品量（實(shí)物量）和折百量（有效成分量）上，但由于各個(gè)農(nóng)藥品種的含量、對(duì)靶標(biāo)生物毒性以及對(duì)環(huán)境的影響千差萬(wàn)別，僅靠商品量和折百量等傳統(tǒng)指標(biāo)不足以客觀評(píng)價(jià)農(nóng)藥減量增效工作[1 5]。作者依托全國(guó)農(nóng)藥械信息管理系統(tǒng)（ACMIS），對(duì)2015年 2019年長(zhǎng)江流域冬小麥用藥的農(nóng)戶抽樣調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以期通過(guò)對(duì)冬小麥畝用藥商品量、畝用藥折百量、毒性強(qiáng)度等指標(biāo)進(jìn)行綜合分析，篩選出能夠多角度反映農(nóng)藥用量變化趨勢(shì)、減量控害走向的指標(biāo)，明確能供政府、技術(shù)部門指導(dǎo)小麥生產(chǎn)用藥，合理評(píng)估小麥用藥的科學(xué)指標(biāo)，為農(nóng)藥科學(xué)安全使用和農(nóng)藥減量增效提供依據(jù)。

1材料與方法

1.1農(nóng)藥使用數(shù)據(jù)來(lái)源及調(diào)查指標(biāo)

選擇長(zhǎng)江中下游的江蘇、浙江、安徽、湖北、四川5省，共計(jì)16縣（市、區(qū)）（表1）開展了農(nóng)藥使用情況調(diào)查和數(shù)據(jù)收集。

從全國(guó)農(nóng)藥械信息管理系統(tǒng)（ACMIS）中調(diào)取2015年 2019年冬小麥農(nóng)藥使用量數(shù)據(jù)，包括中低毒面積比例、畝用藥商品量、畝用藥折百量、畝用藥成本、防治次數(shù)、桶混次數(shù)、毒性指數(shù)、毒性強(qiáng)度等8個(gè)指標(biāo)，其定義和計(jì)算公式如下：

中低毒面積比例=中低毒農(nóng)藥防治面積/該作物農(nóng)藥防治總面積×100%;

畝用藥商品量=農(nóng)藥商品用量/該作物種植面積;

畝用藥折百量=Σ[某農(nóng)藥畝用藥商品量×該農(nóng)藥有效成分含量];

畝用藥成本=Σ[某農(nóng)藥畝用藥商品量×某農(nóng)藥單價(jià)]。

防治次數(shù)=某種作物整個(gè)生長(zhǎng)季節(jié)用藥次數(shù)。

桶混次數(shù)=某種作物整個(gè)生長(zhǎng)季節(jié)用藥畝次/該作物種植面積。

毒性[6]是指某種農(nóng)藥對(duì)非靶標(biāo)生物（天敵昆蟲、人畜等）的毒害能力。毒性指數(shù)是單位面積農(nóng)作物上所使用的農(nóng)藥對(duì)非靶標(biāo)生物（天敵昆蟲、人畜等）毒害程度的度量。在評(píng)價(jià)農(nóng)藥毒性過(guò)程中，將中等毒性的農(nóng)藥種類的毒性因子系數(shù)取值為1（作為基準(zhǔn)）。鑒于不同等級(jí)毒性農(nóng)藥對(duì)非靶標(biāo)生物的影響隨農(nóng)藥濃度呈指數(shù)增加[7]，因此其他毒性等級(jí)農(nóng)藥種類的毒性因子系數(shù)（In）取值用下面公式來(lái)表達(dá)：

In=4n 3

n為毒性級(jí)別，各種農(nóng)藥毒性為微毒、低毒、中等毒、高毒和劇毒時(shí)，其毒性級(jí)別值分別為1，2，3，4和5。因此通過(guò)該式可得各個(gè)級(jí)別農(nóng)藥毒性因子系數(shù)I1～I(xiàn)5分別為0.062 5，0.25，1.0，4.0和16.0。然后定義毒性指數(shù)計(jì)算公式為：

毒性指數(shù)=Σ[某種農(nóng)藥畝用藥折百量×某種農(nóng)藥毒性因子系數(shù)In]。

農(nóng)藥毒性指數(shù)越高，對(duì)非靶標(biāo)生物，即對(duì)環(huán)境生物的毒害能力越強(qiáng)。

毒性強(qiáng)度=毒性指數(shù)/畝用藥折百量。

1.2調(diào)查原則及方法

農(nóng)藥使用量調(diào)查主要以農(nóng)作物種植生態(tài)區(qū)劃為依據(jù)，既考慮農(nóng)作物種植特點(diǎn)，又考慮生態(tài)地理?xiàng)l件對(duì)農(nóng)作物病蟲害發(fā)生的影響。

在選擇布點(diǎn)時(shí)考慮了以下幾個(gè)原則：一是一致性。試點(diǎn)縣農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平、社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件的相對(duì)一致性。二是代表性。試點(diǎn)縣作物種植結(jié)構(gòu)、耕作制度特點(diǎn)的代表性。三是典型性。常年病蟲發(fā)生、用藥特點(diǎn)及地理區(qū)域的典型性。四是規(guī)范性。試點(diǎn)縣調(diào)查農(nóng)戶樣本的規(guī)范性。

每個(gè)試點(diǎn)縣調(diào)查30個(gè)農(nóng)戶（含種植大戶）作為樣本點(diǎn)。樣本點(diǎn)選擇原則是：選擇3～5個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，每個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)選擇6～10個(gè)可反映當(dāng)?shù)剞r(nóng)藥使用水平的種植大戶、普通農(nóng)戶。

1.3數(shù)據(jù)分析

根據(jù)長(zhǎng)江流域16個(gè)縣（市、區(qū)）冬小麥農(nóng)藥使用數(shù)據(jù)，包括中低毒面積比例（%）、畝用藥商品量（g/667m2）、 畝用藥折百量（g/667m2）、畝農(nóng)藥成本（元/667m2）、 防治次數(shù)（次）、桶混次數(shù)（次）、毒性指數(shù)及毒性強(qiáng)度，采用DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng) V 18.10高級(jí)版[8]進(jìn)行方差分析、回歸分析、R型因子聚類分析，以及因子分析，篩選可以科學(xué)反映農(nóng)藥使用變化趨勢(shì)的調(diào)查指標(biāo)。

方差分析P值用以識(shí)別每個(gè)農(nóng)藥指標(biāo)在評(píng)價(jià)小麥農(nóng)藥使用在年度間或地點(diǎn)間的差異性是否有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。P≥0.05，可認(rèn)為年度或地點(diǎn)間農(nóng)藥用量水平差異不顯著;P<0.05，認(rèn)為年度或地點(diǎn)間農(nóng)藥用量水平有顯著差異;如果P<0.01則認(rèn)為差異極顯著。

R型因子聚類是將各個(gè)因子按其相似性進(jìn)行聚類，相似程度高的某幾個(gè)指標(biāo)，可能在評(píng)價(jià)農(nóng)藥使用水平過(guò)程中有相互重疊的效應(yīng)。篩選出來(lái)的指標(biāo)應(yīng)盡可能具有某個(gè)類別的代表性且因子間重疊部分較小。

R型因子分析是對(duì)R型聚類分析的進(jìn)一步量化統(tǒng)計(jì)分析。本研究采用最大似然法提取因子，提取的各個(gè)公共因子載荷的平方和為共同度，它反映了提取的幾個(gè)公共因子對(duì)該變量變化的解釋程度。剩下的不能解釋的部分為特殊方差。提取公共因子之后，對(duì)因子實(shí)施極大正交旋轉(zhuǎn)，以簡(jiǎn)化因子結(jié)構(gòu)。通過(guò)因子分析，將我們定義的8個(gè)指標(biāo)劃分為若干個(gè)抽象的因子類型。每個(gè)公共因子都提取了（或集中表達(dá)了）某幾種農(nóng)藥用量指標(biāo)的特征。因此通過(guò)因子分析確定哪些指標(biāo)用于評(píng)價(jià)小麥農(nóng)藥減量增效更有意義。

2結(jié)果與分析

2.1冬小麥農(nóng)藥用量評(píng)價(jià)指標(biāo)方差分析

2015年-2019年長(zhǎng)江流域5省16個(gè)縣（市、區(qū)）冬小麥農(nóng)藥用量抽樣調(diào)查指標(biāo)方差分析結(jié)果見表2和3。

不同縣（市、區(qū)）各個(gè)農(nóng)藥用量指標(biāo)的方差分析結(jié)果（表2）表明，各項(xiàng)指標(biāo)F值較大、顯著性檢驗(yàn)P值均小于0.01，達(dá)到極顯著水平。表明不同指標(biāo)在各個(gè)地區(qū)（區(qū)縣）之間，至少有一個(gè)區(qū)縣與其他縣存在極顯著差異。

不同年份各個(gè)農(nóng)藥用量指標(biāo)的方差分析結(jié)果（表3）表明，畝用藥成本、中低毒面積比例、防治次數(shù)、桶混次數(shù)及毒性指數(shù)的顯著性P值小于0.05，表明這幾個(gè)指標(biāo)在年度間存在顯著差異，其中畝用藥成本和中低毒面積比例有逐年上升的趨勢(shì)。毒性指數(shù)作為衡量農(nóng)藥對(duì)非環(huán)境靶標(biāo)毒性的指標(biāo)，從2016年開始呈逐年下降的趨勢(shì)。

以年份作為自變量x，各項(xiàng)指標(biāo)作為因變量y進(jìn)行直線回歸分析，發(fā)現(xiàn)只有畝用藥成本與年份之間可建立直線回歸方程：y= 6 381.835+3.177x，其相關(guān)系數(shù)r=0.967，F(xiàn)=43.10，P=0.007 3，顯示出顯著上升趨勢(shì)。這可能跟物價(jià)逐年上升，而這里沒(méi)有對(duì)農(nóng)藥成本進(jìn)行物價(jià)指數(shù)調(diào)整有關(guān)。

畝用藥商品量、畝用藥折百量和毒性強(qiáng)度，年份間統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)差異不顯著（P>0.05）。盡管他們沒(méi)有達(dá)到統(tǒng)計(jì)學(xué)上的顯著水平，但這3個(gè)指標(biāo)除毒性強(qiáng)度2019年略有上升，其他顯示的趨勢(shì)都是從2016年開始逐年下降。

2.2冬小麥農(nóng)藥用量評(píng)價(jià)指標(biāo)的R型因子聚類分析

R型聚類分析結(jié)果表明（圖1），8個(gè)評(píng)價(jià)長(zhǎng)江流域冬小麥農(nóng)藥用量指標(biāo)，當(dāng)類間距離大于0.6時(shí)可聚為2大類，一類是表述農(nóng)藥用量的，包括畝用藥商品量、畝用藥折百量、桶混次數(shù)、畝用藥成本和防治次數(shù)等5個(gè)指標(biāo)，且畝用藥商品量和畝用藥折百量?jī)蓚€(gè)指標(biāo)相似性程度很高。另一類是表述農(nóng)藥毒性的，包括毒性強(qiáng)度、毒性指數(shù)和中低毒面積比例3個(gè)指標(biāo)，這3個(gè)指標(biāo)的相似程度也較高。因此，小麥農(nóng)藥用量評(píng)價(jià)從農(nóng)藥用量和農(nóng)藥毒性兩個(gè)方面進(jìn)行分析較為合理。

2.3冬小麥農(nóng)藥用量評(píng)價(jià)指標(biāo)因子分析

進(jìn)一步采用因子分析方法對(duì)8個(gè)評(píng)價(jià)長(zhǎng)江流域冬小麥農(nóng)藥用量的指標(biāo)進(jìn)行各指標(biāo)關(guān)系的綜合分析，得到兩個(gè)綜合因子，其旋轉(zhuǎn)后的綜合因子見表4。

表4結(jié)果表明：第一個(gè)主因子在畝用藥商品量、 畝用藥折百量、畝用藥成本、防治次數(shù)、桶混次數(shù)及毒性指數(shù)這6個(gè)變量上有較大的載荷，該因子主要反映農(nóng)藥用量的使用水平，可將該因子稱為農(nóng)藥用量因子;第二個(gè)主因子在毒性強(qiáng)度、毒性指數(shù)和中低毒面積比例這3個(gè)指標(biāo)上有較大載荷，這3個(gè)指標(biāo)都是描述農(nóng)藥毒性大小的， 因此該主因子可稱為農(nóng)藥毒性因子。這與上述8個(gè)因子的R型聚類分析結(jié)果基本一致。因子1和因子2的累計(jì)方差貢獻(xiàn)為55.40%和82.07%，解釋系統(tǒng)變化程度已相當(dāng)可觀。

在第一個(gè)主因子中，除毒性強(qiáng)度外其余因子載荷系數(shù)均為正，表明這些因子指標(biāo)越大，農(nóng)藥用量水平越高。這類因子中，載荷系數(shù)較大的是畝用藥商品量、畝用藥折百量;因此衡量農(nóng)藥使用量大小的評(píng)價(jià)以畝用藥商品量、畝用藥折百量因子指標(biāo)為宜。在第二個(gè)主因子中，毒性強(qiáng)度和毒性指數(shù)的載荷系數(shù)為正，而中低毒面積比例的載荷系數(shù)為負(fù)，表明中低毒面積比例越大對(duì)環(huán)境毒性越小，這在評(píng)價(jià)毒性對(duì)環(huán)境的影響中也是合理的。毒性強(qiáng)度和毒性指數(shù)的載荷系數(shù)較大，因此衡量農(nóng)藥對(duì)環(huán)境毒性影響大小的評(píng)價(jià)以毒性強(qiáng)度和毒性指數(shù)這兩因子指標(biāo)為宜。在因子分析中，毒性指數(shù)在第一主因子和第二主因子上均有較大的載荷系數(shù)，其變化不僅影響到農(nóng)藥對(duì)環(huán)境毒性，而且影響到農(nóng)藥用量，因此可認(rèn)為農(nóng)藥毒性指數(shù)是冬小麥農(nóng)藥減施增效評(píng)價(jià)的關(guān)鍵因子。

2.4冬小麥農(nóng)藥用量指標(biāo)在冬小麥農(nóng)藥減施增效過(guò)程中的應(yīng)用

進(jìn)行農(nóng)藥減施增效技術(shù)效益評(píng)價(jià)有兩方面的考慮，一是在農(nóng)作物病蟲發(fā)生時(shí)，必須施用適當(dāng)?shù)霓r(nóng)藥以挽回病蟲對(duì)農(nóng)作物造成的損失;二是采用化學(xué)農(nóng)藥防治病蟲時(shí)，盡量避免對(duì)環(huán)境（非靶標(biāo)生物）造成不良影響，即化學(xué)防治帶來(lái)的環(huán)境毒性越小越好。這兩個(gè)方面就是我們?cè)谝蜃臃治鲋刑崛〉玫降膬蓚€(gè)主因子。在8個(gè)指標(biāo)中，農(nóng)藥毒性指數(shù)是唯一對(duì)這兩個(gè)主因子均有較大影響的農(nóng)藥使用強(qiáng)度指標(biāo)。

將反映農(nóng)藥使用水平的經(jīng)典指標(biāo)（畝用藥商品量和畝用藥折百量），以及本文提出的農(nóng)藥毒性指數(shù)和農(nóng)藥毒性強(qiáng)度指標(biāo)，以2015年為基數(shù)，分析 2015年-2019年我國(guó)長(zhǎng)江流域冬小麥上農(nóng)藥減施增效水平。這4個(gè)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)匯總結(jié)果分別列于表5。

從表5可以看出，自2015年以來(lái)冬小麥上的畝用藥商品量，2016年-2018年比2015年偏高，2019年呈現(xiàn)下降，但總的趨勢(shì)不明顯。

畝用藥折百量在2015年-2019年5年中，除2016年以外，指標(biāo)呈下降的趨勢(shì)。

毒性指數(shù)和毒性強(qiáng)度2017年-2019年呈現(xiàn)明顯下降的趨勢(shì)，且毒性指數(shù)在年份間存在顯著差異（表3）。

農(nóng)藥毒性強(qiáng)度比畝用藥折百量的下降趨勢(shì)更為明顯。

農(nóng)藥的使用與小麥病蟲發(fā)生程度密切相關(guān)，病蟲發(fā)生較重時(shí)，農(nóng)藥的使用量勢(shì)必較大。因此在衡量農(nóng)藥使用技術(shù)改進(jìn)，綠色防控的成效，采用本文提出的農(nóng)藥毒性強(qiáng)度指標(biāo)更為合適。因?yàn)樵撝笜?biāo)揭示了化學(xué)農(nóng)藥的使用對(duì)環(huán)境生物毒性強(qiáng)度的水平（按毒性當(dāng)量定義，中等毒性為1）。表2中各個(gè)地區(qū)冬小麥上使用的農(nóng)藥毒性強(qiáng)度有較大差異，說(shuō)明各地區(qū)選用的農(nóng)藥品種不同，從保護(hù)環(huán)境、綠色防控角度來(lái)看，部分地區(qū)農(nóng)藥品種結(jié)構(gòu)還存在調(diào)優(yōu)的潛力，可以使農(nóng)藥毒性強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)一步下降。

3討論

從以上分析可以看出，對(duì)小麥用藥指標(biāo)經(jīng)典的統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，即方差分析和線性回歸分析，雖然能看出各個(gè)指標(biāo)年度間的變化趨勢(shì)，但在冬小麥用藥綜合評(píng)價(jià)體系中，很難甄別各個(gè)指標(biāo)的重要性。并非某個(gè)指標(biāo)在年度間有顯著差異、或有某種趨勢(shì)，該指標(biāo)就是“重要”的。

小麥用藥多指標(biāo)的R型聚類分析直觀地揭示了各個(gè)指標(biāo)在綜合評(píng)價(jià)體系中的相似關(guān)系。它將8個(gè)指標(biāo)分為兩個(gè)類型：一類指標(biāo)與農(nóng)藥用量有關(guān)（畝用藥商品量、畝用藥折百量、畝用藥成本、防治次數(shù)和桶混次數(shù)），而另一類指標(biāo)則與農(nóng)藥毒性有關(guān)（中低毒面積比例、毒性指數(shù)及毒性強(qiáng)度），這使我們對(duì)小麥用藥綜合評(píng)價(jià)有了進(jìn)一步了解，即小麥用藥評(píng)價(jià)包括了農(nóng)藥毒性和農(nóng)藥用量?jī)蓚€(gè)方面。

進(jìn)一步的因子分析結(jié)果表明，在小麥農(nóng)藥用量的綜合評(píng)價(jià)中，兩個(gè)公共因子的累加貢獻(xiàn)率已達(dá)82.07%。而農(nóng)藥毒性指數(shù)在這兩個(gè)公共因子上均有較大的載荷，因此毒性指數(shù)兼具表達(dá)農(nóng)藥用量水平和農(nóng)藥毒性強(qiáng)度的意義。

與畝用藥商品量、畝用藥折百量、防治次數(shù)這些針對(duì)農(nóng)作物病蟲靶標(biāo)生物的指標(biāo)相比，農(nóng)藥毒性指數(shù)主要是表達(dá)農(nóng)藥施用對(duì)環(huán)境中非靶標(biāo)生物影響的大小。因此毒性指數(shù)的大小也是我們施用到農(nóng)田中的農(nóng)藥對(duì)環(huán)境生物，尤其是對(duì)人類影響大小的一個(gè)度量。例如阿維菌素和井岡霉素，它們對(duì)靶標(biāo)生物都是高效的。但是它們對(duì)環(huán)境生物的毒性相差很大，阿維菌素是高毒，而井岡霉素是微毒。

由此我們建議，在農(nóng)藥減施增效的評(píng)價(jià)工作中，從綠色防控、保護(hù)生態(tài)環(huán)境的角度來(lái)看，作物上農(nóng)藥的使用不僅僅是減量，應(yīng)該是在保障防病治蟲，農(nóng)作物增產(chǎn)增收的前提下，綜合考慮選用毒性指數(shù)低的農(nóng)藥，鼓勵(lì)農(nóng)藥減量化走出一條綠色發(fā)展道路。

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收稿日期：2020- 11-30修訂日期：2021 -01- 06

基金項(xiàng)目：

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2018YFD0200500）

* 通信作者

Email：qytang@zju.edu.cn