直播稻田除草劑飛防技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展

戴玲玲， 孫 亮， 李 貴

(江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所，江蘇南京 210014)

近年來，水稻輕型栽培技術(shù)被日益廣泛應(yīng)用[1-3]，其中直播水稻在我國長江中下游稻區(qū)發(fā)展迅速，但水稻直播栽培顯著改變了傳統(tǒng)移栽水稻與雜草的生態(tài)競爭關(guān)系，同時(shí)直播稻田雜草種群和群落結(jié)構(gòu)也發(fā)生了明顯變化。由于直播水稻與雜草幾乎同時(shí)萌發(fā)出苗，直播水稻營養(yǎng)生長期在生長勢方面沒有明顯優(yōu)勢，因此直播稻田雜草防除難度明顯提高，主要表現(xiàn)為：(1)雜草出草速度快。水稻播后30 d左右雜草發(fā)生量占直播稻全生育期雜草數(shù)量的60%～80%。(2)雜草發(fā)生量大，發(fā)生密度高。直播稻田雜草發(fā)生量比秧田雜草多10倍以上，雜草數(shù)量達(dá)500～700株/m2，最多可達(dá)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(shí)可作為水稻病蟲害的中間寄主，導(dǎo)致水稻減量約30%以上[5]?；瘜W(xué)除草是目前生產(chǎn)上普遍的雜草防除措施[6-7]，所采用的施藥器械有背負(fù)式手動(dòng)或電動(dòng)噴霧器、自走式噴霧器以及植保無人機(jī)等[8-9]。近幾年來由于規(guī)?；N植程度和勞動(dòng)力成本的提高[10]，植保無人機(jī)在生產(chǎn)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(huán)境污染小等特點(diǎn)[13]；同時(shí)無人機(jī)避免了人工或自走式噴霧器械對農(nóng)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(qū)平整度差及地形不規(guī)則的稻田，與大中型施藥機(jī)械相比，植保無人機(jī)具有靈活輕便、效率高、適應(yīng)地形等優(yōu)勢[16-18]。目前國內(nèi)使用較多的植保無人機(jī)有大疆、極飛、零度、守護(hù)者、天鷹兄弟等品牌[19-20]。但同時(shí)無人機(jī)飛防屬于高濃度低容量噴霧，對環(huán)境要求較高，藥液易受高溫蒸發(fā)、風(fēng)力飄移等因素影響[21]。

1 直播稻田除草劑飛防技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 直播稻田土壤處理除草劑飛防技術(shù)現(xiàn)狀

目前應(yīng)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(jī)和自走式噴霧器對直播稻田雜草進(jìn)行土壤處理比較，藥后28 d發(fā)現(xiàn)自走式器械處理小區(qū)雜草出苗數(shù)量明顯多于植保無人機(jī)封閉處理小區(qū)，表明無人機(jī)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(jī)和擔(dān)架式機(jī)動(dòng)噴霧機(jī)在直播稻田進(jìn)行土壤封閉處理的效果，結(jié)果顯示2種施藥方式下丙草胺對靶標(biāo)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(jī)進(jìn)行直播稻田土壤處理的試驗(yàn)，結(jié)果顯示各機(jī)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(huì)福等使用300 g/L丙草胺乳油對早稻直播田進(jìn)行植保無人機(jī)飛防土壤封閉除草，結(jié)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(shù)現(xiàn)狀

2 直播稻田除草劑飛防技術(shù)發(fā)展的制約因素

2.1 續(xù)航時(shí)間短，有效荷載量小

植保無人機(jī)主要有固定翼和旋翼2種類型[36]，由燃油提供動(dòng)力的固定翼無人機(jī)比旋翼無人機(jī)的承載量大，續(xù)航時(shí)間長，但是起飛需要專門的跑道或設(shè)備，目前植保無人機(jī)多使用由鋰電池提供動(dòng)力的旋翼無人機(jī)，其具有起降便利、方便攜帶、操作靈活的優(yōu)勢[37]。但旋翼無人機(jī)的荷載量小且續(xù)航時(shí)間為10～20 min[12]，多次起降會(huì)縮短無人機(jī)使用壽命且降低作業(yè)效率，同時(shí)現(xiàn)階段農(nóng)戶使用的植保無人機(jī)一般承重藥液為10～15 L，部分無人機(jī)荷載量可達(dá)35 L，但售價(jià)較高。由于用水量少，土壤封閉除草劑飛防時(shí)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(huì)越差[22]。植保無人機(jī)在直播稻田使用除草劑進(jìn)行莖葉處理時(shí)，因?yàn)閲娨毫可伲?dāng)田間雜草基數(shù)偏大時(shí)，靶標(biāo)接受到的藥液量偏少，會(huì)導(dǎo)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(xiàn)僵苗、植株矮化或葉片有灼傷斑等藥害現(xiàn)象，影響水稻正常生長。

2.2 藥液漂移，藥害頻繁發(fā)生

植保無人機(jī)飛防作業(yè)時(shí)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(dāng)提高防效，但同時(shí)也會(huì)因飄移而影響周邊作物生長，當(dāng)外界風(fēng)速為3級(jí)時(shí)，可產(chǎn)生超過50 m的漂移，對水稻田四周的農(nóng)作物和樹苗有一定傷害[38]。植保無人機(jī)應(yīng)用較為先進(jìn)的日本，為避免低容量噴霧產(chǎn)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(shù)的重要環(huán)節(jié)。

2.3 專用藥劑、劑型研發(fā)滯后

植保無人機(jī)承載量小，藥液濃度高，在飛防過程中容易因藥液漂移產(chǎn)生重噴現(xiàn)象，導(dǎo)致水稻及周邊作物產(chǎn)生藥害。且除草劑飛防兌水量少，當(dāng)田間雜草數(shù)量較多時(shí)，因部分雜草未接觸到藥液而導(dǎo)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(guī)使用條件下，缺乏對其飛防條件下霧滴沉降規(guī)律等應(yīng)用技術(shù)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(jī)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(jī)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(fù)配制劑)共有73個(gè)產(chǎn)品，其中可分散油懸浮劑18個(gè)，乳油26個(gè)，可濕性粉劑27個(gè)，懸乳劑1個(gè)，微囊懸浮劑1個(gè)。

20世紀(jì)50年代左右開發(fā)的適用于飛機(jī)作業(yè)的超低容量液劑(ultralow volume concentrate，ULV)，是一種將農(nóng)藥有效成分和沸點(diǎn)較高的油類組合制成的農(nóng)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(diǎn)比普通水劑農(nóng)藥高而不易蒸發(fā)和流失，且具有粒子直徑較小(50～120 μm)、對葉片蠟質(zhì)層有較強(qiáng)的親和性能、低黏度和高穩(wěn)定性等特點(diǎn)，有利于提高農(nóng)藥利用率。但其濃度較高、對油溶劑滲透性較強(qiáng)的特點(diǎn)也會(huì)因使用不當(dāng)而產(chǎn)生藥害。目前報(bào)道的超低容量液劑主要是指其在殺蟲劑、殺菌劑上的應(yīng)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(jié)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(jī)施用10%吡唑·戊唑醇超低容量液劑防治小麥田赤霉病，結(jié)果顯示，藥后7 d防效為93.06%，且作業(yè)效率較高[44]。我國已取得登記的超低容量液劑農(nóng)藥共22個(gè)[45]，其中有14個(gè)殺蟲劑，7個(gè)殺菌劑和1個(gè)植物生長調(diào)節(jié)劑，除草劑方面的超低容量液劑暫時(shí)未見登記，相關(guān)的研究亦鮮見報(bào)道。

飛防專用藥劑的研究進(jìn)展緩慢，導(dǎo)致有效提高藥劑利用率成為生產(chǎn)的迫切需求，納米農(nóng)藥的出現(xiàn)和發(fā)展為提高農(nóng)藥利用率提供了新思路，成為飛防專用藥劑研究的熱點(diǎn)之一[46]。納米農(nóng)藥是一種通過物理或(和)化學(xué)手段將農(nóng)藥有效成分以納米尺寸存在于制劑中的一種農(nóng)藥形態(tài)[47-48]，包括通過機(jī)械手段直接將有效成分破碎加工成納米級(jí)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(lián)、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(nóng)藥的尺寸小，表面積大，在水中的分散性強(qiáng)，不僅有利于農(nóng)藥有效成分在水中均勻分散和靶標(biāo)葉面均勻分布，而且有利于克服不同農(nóng)藥成分混用中可能出現(xiàn)的分解、分層、沉淀、絮結(jié)等障礙[53-54]，從而有利于其充分發(fā)揮藥效[55]。雖然納米農(nóng)藥的微粒尺寸小，但由于其分散介質(zhì)是水，屬于膠體溶液易下落，因此并不會(huì)更加容易產(chǎn)生漂移[56]。納米技術(shù)還可以構(gòu)建納米農(nóng)藥緩釋系統(tǒng)，通過對納米載體結(jié)構(gòu)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?yán)霉曹椢镏苽涔忭憫?yīng)殼交聯(lián)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(jìn)行光合作用時(shí)，光控給藥系統(tǒng)到達(dá)靶點(diǎn)釋放光合抑制劑，雜草光合作用就會(huì)受到抑制[58]。此外，董欣欣等認(rèn)為可以利用過量銅基納米顆粒使葉綠體產(chǎn)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(tài)環(huán)境的安全性也倍受關(guān)注。

2.4 飛防助劑研發(fā)緩慢

Knoche研究了霧滴大小對莖葉處理除草劑性能的影響，結(jié)果表明在某一霧滴尺寸范圍內(nèi)，防效會(huì)隨著霧滴粒徑的降低而增加，且內(nèi)吸型除草劑表現(xiàn)的更為明顯[31]。但同時(shí)也有研究指出當(dāng)霧滴粒徑小于200 μm時(shí)容易產(chǎn)生漂移[60]，目前藥液漂移是植保無人機(jī)飛防技術(shù)發(fā)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(zhì)[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(biāo)葉面的沉積，提高防除效率[62-64]，是植保無人機(jī)進(jìn)行雜草防除的重要助力。何玲等發(fā)現(xiàn)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(dá)50.4%[65]。宋睿等發(fā)現(xiàn)，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(fā)時(shí)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(shí)間等物理指標(biāo)以及田間施用效果等方面的影響，結(jié)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(dāng)助劑并應(yīng)用于直播稻田進(jìn)行無人機(jī)飛防，發(fā)現(xiàn)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(jī)飛防助劑較少，針對直播稻田無人機(jī)除草劑飛防助劑的研究嚴(yán)重滯后。

3 展望

近年來，植保無人機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，2018年我國飛防作業(yè)面積已超過3億畝次，植保無人機(jī)正逐漸成為病蟲害防治的主要手段之一[10]，技術(shù)也逐漸成熟，但植保無人機(jī)在除草劑方面的應(yīng)用較少，除草劑飛防使用面積在病蟲草害飛防應(yīng)用中的占比低于10%。直播稻田土壤濕潤，適合雜草萌發(fā)生長，生產(chǎn)中需要對雜草進(jìn)行安全高效的化學(xué)防除，基于規(guī)?；?、機(jī)械化生產(chǎn)是水稻產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然趨勢，植保無人機(jī)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(jī)進(jìn)行除草劑飛防仍存在的制約因素，我們需要在以下方面進(jìn)行積極探索。

3.1 優(yōu)化植保無人機(jī)的配置與系統(tǒng)

針對無人機(jī)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(dòng)力，進(jìn)而有效提高無人機(jī)續(xù)航能力[68]，有助于增加載藥量。此外，有研究采用輕質(zhì)材料組裝植保無人機(jī)部件，通過整合人工智能和各種傳感器，加強(qiáng)對雜草檢測系統(tǒng)模塊化無人機(jī)的研制，通過運(yùn)行系統(tǒng)可以快速準(zhǔn)確地檢測雜草類型，并且根據(jù)雜草類型噴灑除草劑[69-70]?？梢酝ㄟ^拍攝高分辨率無人機(jī)圖像，生成稻田的雜草覆蓋圖，采用完全卷積網(wǎng)絡(luò)生成處方圖，為減少除草劑的使用提供幫助[71]。同時(shí)通過檢測計(jì)劃噴霧與實(shí)際噴霧間的空間相關(guān)性，不斷調(diào)整優(yōu)化無人機(jī)系統(tǒng)，提高無人機(jī)施藥的精確性[72]。

3.2 加強(qiáng)飛防藥劑種類、劑型、助劑的開發(fā)

目前直播稻田常用于飛防的除草劑均是登記在常規(guī)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(guī)律，改進(jìn)其應(yīng)用技術(shù)，根據(jù)其理化性質(zhì)研發(fā)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(jī)飛防條件下的漂移現(xiàn)象，提高飛防條件下不同農(nóng)藥混用的可行性。同時(shí)，應(yīng)開展飛防藥劑的專用助劑研發(fā)，改善飛防中的霧滴沉降，提高除草劑藥效表達(dá)，促進(jìn)除草劑減量增效。

3.3 完善相應(yīng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及配套的栽培管理措施

與除草劑常規(guī)使用條件下的影響因素相似，除草劑無人機(jī)飛防依然需要相應(yīng)的操作規(guī)程和農(nóng)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(dāng)?shù)乃止芾碛欣谇o葉處理劑發(fā)揮藥效。同時(shí)，優(yōu)化植保無人機(jī)配置，加強(qiáng)對植保無人機(jī)飛手操作培訓(xùn)以及稻田后期的水肥管理，都將推動(dòng)直播稻田除草劑飛防效率化、規(guī)模化、智能化的不斷發(fā)展。