直播稻田除草剂飞防技术现状与发展

戴玲玲， 孙 亮， 李 贵

(江苏省农业科学院植物保护研究所，江苏南京 210014)

近年来，水稻轻型栽培技术被日益广泛应用[1-3]，其中直播水稻在我国长江中下游稻区发展迅速，但水稻直播栽培显著改变了传统移栽水稻与杂草的生态竞争关系，同时直播稻田杂草种群和群落结构也发生了明显变化。由于直播水稻与杂草几乎同时萌发出苗，直播水稻营养生长期在生长势方面没有明显优势，因此直播稻田杂草防除难度明显提高，主要表现为：(1)杂草出草速度快。水稻播后30 d左右杂草发生量占直播稻全生育期杂草数量的60%～80%。(2)杂草发生量大，发生密度高。直播稻田杂草发生量比秧田杂草多10倍以上，杂草数量达500～700株/m2，最多可达千株以上。(3)杂草种类多，群落组成多样。直播稻田主要有稗草、千金子、狗尾草、马唐、鳢肠、陌上菜、矮慈姑、鸭舌草、异型莎草、碎米莎草、日照飘拂草等[4]，它们不仅与水稻竞争资源，同时可作为水稻病虫害的中间寄主，导致水稻减量约30%以上[5]。化学除草是目前生产上普遍的杂草防除措施[6-7]，所采用的施药器械有背负式手动或电动喷雾器、自走式喷雾器以及植保无人机等[8-9]。近几年来由于规模化种植程度和劳动力成本的提高[10]，植保无人机在生产中的需求得以迅速上升，其施药效率是人工施药效率的30～60倍[11-12]，具有喷洒均匀、药物附着率高、对环境污染小等特点[13]；同时无人机避免了人工或自走式喷雾器械对农作物和土壤的物理损伤，不影响作物后期生长[14-15]。尤其是在丘陵地区平整度差及地形不规则的稻田，与大中型施药机械相比，植保无人机具有灵活轻便、效率高、适应地形等优势[16-18]。目前国内使用较多的植保无人机有大疆、极飞、零度、守护者、天鹰兄弟等品牌[19-20]。但同时无人机飞防属于高浓度低容量喷雾，对环境要求较高，药液易受高温蒸发、风力飘移等因素影响[21]。

1 直播稻田除草剂飞防技术现状

1.1 直播稻田土壤处理除草剂飞防技术现状

目前应用于直播稻田土壤封闭处理的飞防除草剂品种主要有丙草胺、苄嘧磺隆和丁草胺等。沈丽丽等使用无人机和自走式喷雾器对直播稻田杂草进行土壤处理比较，药后28 d发现自走式器械处理小区杂草出苗数量明显多于植保无人机封闭处理小区，表明无人机的封闭效果较自走式喷雾器械好[22]。柏超等比较植保无人机和担架式机动喷雾机在直播稻田进行土壤封闭处理的效果，结果显示2种施药方式下丙草胺对靶标杂草均有较好的防效[23]。刘杰选择四翼、六翼、八翼等植保无人机进行直播稻田土壤处理的试验，结果显示各机型使用30%丙草胺乳油 (使用剂量为 100 mL/亩，1 hm2=15亩)+30%苄嘧磺隆水分散粒剂(使用剂量为8 g/亩)，封闭效果良好，对水稻出苗安全[24]。王会福等使用300 g/L丙草胺乳油对早稻直播田进行植保无人机飞防土壤封闭除草，结果显示对稗草、千金子、异型莎草、田皂角、丁香蓼等有较好的封闭效果[25]。

1.2 直播稻田茎叶处理除草剂飞防技术现状

2 直播稻田除草剂飞防技术发展的制约因素

2.1 续航时间短，有效荷载量小

植保无人机主要有固定翼和旋翼2种类型[36]，由燃油提供动力的固定翼无人机比旋翼无人机的承载量大，续航时间长，但是起飞需要专门的跑道或设备，目前植保无人机多使用由锂电池提供动力的旋翼无人机，其具有起降便利、方便携带、操作灵活的优势[37]。但旋翼无人机的荷载量小且续航时间为10～20 min[12]，多次起降会缩短无人机使用寿命且降低作业效率，同时现阶段农户使用的植保无人机一般承重药液为10～15 L，部分无人机荷载量可达35 L，但售价较高。由于用水量少，土壤封闭除草剂飞防时除草剂在土壤表层较难形成药膜，土壤墒情越差，越难形成药膜，封闭效果会越差[22]。植保无人机在直播稻田使用除草剂进行茎叶处理时，因为喷液量少，当田间杂草基数偏大时，靶标接受到的药液量偏少，会导致杂草死亡不彻底；其次茎叶处理可能涉及到的除草剂种类有4～5种，除草剂使用剂量大、兑水量少，药液浓度高，加之夏季高温、水稻秧苗小等因素，水稻易出现僵苗、植株矮化或叶片有灼伤斑等药害现象，影响水稻正常生长。

2.2 药液漂移，药害频繁发生

植保无人机飞防作业时的飞行高度一般为 2～3 m，喷出的药液雾滴粒径较小(100～200 μm)，虽然可提高药液在杂草上的附着面积，适当提高防效，但同时也会因飘移而影响周边作物生长，当外界风速为3级时，可产生超过50 m的漂移，对水稻田四周的农作物和树苗有一定伤害[38]。植保无人机应用较为先进的日本，为避免低容量喷雾产生漂移带来的药害，目前登记在水稻田的除草剂主要为撒施的颗粒剂和展膜油剂[39]。因此，有效降低除草剂药液漂移是完善直播稻田茎叶处理剂飞防技术的重要环节。

2.3 专用药剂、剂型研发滞后

植保无人机承载量小，药液浓度高，在飞防过程中容易因药液漂移产生重喷现象，导致水稻及周边作物产生药害。且除草剂飞防兑水量少，当田间杂草数量较多时，因部分杂草未接触到药液而导致防效降低。因此除草剂飞防需要活性高、安全性好的除草剂品种，目前直播稻田较常用于飞防的除草剂有丙草胺、氰氟草酯、五氟磺草胺、苄嘧磺隆等，但这些药剂均登记在常规使用条件下，缺乏对其飞防条件下雾滴沉降规律等应用技术的深入研究，尤其缺乏用于飞防条件下的专用药剂。

目前不仅用于植保无人机飞防的除草剂品种较少，而且除草剂剂型也主要集中于乳油、水乳剂、微乳剂、悬浮剂等[40]，而粉剂、可湿性粉剂等固体制剂中的填料容易堵塞、磨损无人机喷头，降低施药效率和防除效果，不适用于飞防用药[41]。以直播稻田土壤封闭处理飞防中使用频率最高的丙草胺为例，目前登记于直播稻田土壤处理的丙草胺(包括丙草胺复配制剂)共有73个产品，其中可分散油悬浮剂18个，乳油26个，可湿性粉剂27个，悬乳剂1个，微囊悬浮剂1个。

20世纪50年代左右开发的适用于飞机作业的超低容量液剂(ultralow volume concentrate，ULV)，是一种将农药有效成分和沸点较高的油类组合制成的农药剂型，外观为单相透明油状液体[42]，能够直接喷施，因其沸点比普通水剂农药高而不易蒸发和流失，且具有粒子直径较小(50～120 μm)、对叶片蜡质层有较强的亲和性能、低黏度和高稳定性等特点，有利于提高农药利用率。但其浓度较高、对油溶剂渗透性较强的特点也会因使用不当而产生药害。目前报道的超低容量液剂主要是指其在杀虫剂、杀菌剂上的应用，Wei等研究了氯虫苯甲酰胺·噻虫嗪超低容量液剂的制备及其对草地贪夜蛾的飞防控制，结果显示其防效较高，持效期较长，抗雨水淋溶[43]。樊骅采用植保无人机施用10%吡唑·戊唑醇超低容量液剂防治小麦田赤霉病，结果显示，药后7 d防效为93.06%，且作业效率较高[44]。我国已取得登记的超低容量液剂农药共22个[45]，其中有14个杀虫剂，7个杀菌剂和1个植物生长调节剂，除草剂方面的超低容量液剂暂时未见登记，相关的研究亦鲜见报道。

飞防专用药剂的研究进展缓慢，导致有效提高药剂利用率成为生产的迫切需求，纳米农药的出现和发展为提高农药利用率提供了新思路，成为飞防专用药剂研究的热点之一[46]。纳米农药是一种通过物理或(和)化学手段将农药有效成分以纳米尺寸存在于制剂中的一种农药形态[47-48]，包括通过机械手段直接将有效成分破碎加工成纳米级别，如微乳剂、纳米乳、纳米分散体等剂型[49-50]；以及利用一些生物类或非生物类纳米载体通过吸附、偶联、包裹及镶嵌的方式装载而成的如纳米球、纳米微囊、纳米凝胶等剂型[51-52]。由于纳米农药的尺寸小，表面积大，在水中的分散性强，不仅有利于农药有效成分在水中均匀分散和靶标叶面均匀分布，而且有利于克服不同农药成分混用中可能出现的分解、分层、沉淀、絮结等障碍[53-54]，从而有利于其充分发挥药效[55]。虽然纳米农药的微粒尺寸小，但由于其分散介质是水，属于胶体溶液易下落，因此并不会更加容易产生漂移[56]。纳米技术还可以构建纳米农药缓释系统，通过对纳米载体结构及有效成分颗粒大小等方面的研究可以有效控制释放速率[57]。Ye等尝试利用共轭物制备光响应壳交联纳米载体，用于光合抑制剂的传递和控释，该制剂在黑暗条件下少量释放，在光照条件下，杂草进行光合作用时，光控给药系统到达靶点释放光合抑制剂，杂草光合作用就会受到抑制[58]。此外，董欣欣等认为可以利用过量铜基纳米颗粒使叶绿体产生氧化损伤的特性，将其制备成新型除草剂[59]。但目前对于纳米除草剂的研究较纳米杀虫剂、杀菌剂滞后，且由于纳米载体的特殊性，其对于生态环境的安全性也倍受关注。

2.4 飞防助剂研发缓慢

Knoche研究了雾滴大小对茎叶处理除草剂性能的影响，结果表明在某一雾滴尺寸范围内，防效会随着雾滴粒径的降低而增加，且内吸型除草剂表现的更为明显[31]。但同时也有研究指出当雾滴粒径小于200 μm时容易产生漂移[60]，目前药液漂移是植保无人机飞防技术发展的重要制约因素。飞防助剂是指可提高药液在叶面上附着、展布、渗透等界面行为的物质[61]，飞防助剂的使用可以减少药液雾滴在飞防过程中的漂移，增加雾滴在靶标叶面的沉积，提高防除效率[62-64]，是植保无人机进行杂草防除的重要助力。何玲等发现添加助剂后，飞防药剂氯虫·噻虫嗪水分散粒剂雾滴沉积密度的增加比例最高可达50.4%[65]。宋睿等发现，3种非离子型表面活性剂均能显著延长70%吡蚜酮可湿性粉剂药液的蒸发时间(延长18.9%～41.5%)，提高防效[66]。陶波等比较了4种飞防助剂对25%氟磺胺草醚水剂、4%烟嘧磺隆可分散油悬浮剂、2.5%五氟磺草胺乳油在雾滴漂移、雾滴大小、表面张力和干燥时间等物理指标以及田间施用效果等方面的影响，结果显示4种助剂均有增加除草剂沉积率，降低药液漂移的作用，其中对水剂的作用最显著，此外对2.5%五氟磺草胺乳油的增效作用较为明显[28]。胡荣娟等在10%双草醚悬浮剂中添加适当助剂并应用于直播稻田进行无人机飞防，发现助剂可以提高双草醚防效，降低双草醚用量[67]。目前我国对飞防助剂的需求量较大，但取得登记的无人机飞防助剂较少，针对直播稻田无人机除草剂飞防助剂的研究严重滞后。

3 展望

近年来，植保无人机产业发展迅猛，2018年我国飞防作业面积已超过3亿亩次，植保无人机正逐渐成为病虫害防治的主要手段之一[10]，技术也逐渐成熟，但植保无人机在除草剂方面的应用较少，除草剂飞防使用面积在病虫草害飞防应用中的占比低于10%。直播稻田土壤湿润，适合杂草萌发生长，生产中需要对杂草进行安全高效的化学防除，基于规模化、机械化生产是水稻产业发展的必然趋势，植保无人机开展除草剂飞防的需求必然与日俱增。针对目前在直播稻田使用植保无人机进行除草剂飞防仍存在的制约因素，我们需要在以下方面进行积极探索。

3.1 优化植保无人机的配置与系统

针对无人机蓄电量的需求，目前有研究提出由太阳能和氢能混合能源提供动力，进而有效提高无人机续航能力[68]，有助于增加载药量。此外，有研究采用轻质材料组装植保无人机部件，通过整合人工智能和各种传感器，加强对杂草检测系统模块化无人机的研制，通过运行系统可以快速准确地检测杂草类型，并且根据杂草类型喷洒除草剂[69-70]。可以通过拍摄高分辨率无人机图像，生成稻田的杂草覆盖图，采用完全卷积网络生成处方图，为减少除草剂的使用提供帮助[71]。同时通过检测计划喷雾与实际喷雾间的空间相关性，不断调整优化无人机系统，提高无人机施药的精确性[72]。

3.2 加强飞防药剂种类、剂型、助剂的开发

目前直播稻田常用于飞防的除草剂均是登记在常规使用条件下，缺乏对飞防条件下专用药剂的研究，针对活性好、安全性高的除草剂品种，可以研究其在飞防条件下的雾滴沉降规律，改进其应用技术，根据其理化性质研发适用于飞防条件下的剂型，如超低容量液剂、纳米除草剂等，改善其在无人机飞防条件下的漂移现象，提高飞防条件下不同农药混用的可行性。同时，应开展飞防药剂的专用助剂研发，改善飞防中的雾滴沉降，提高除草剂药效表达，促进除草剂减量增效。

3.3 完善相应的行业标准及配套的栽培管理措施

与除草剂常规使用条件下的影响因素相似，除草剂无人机飞防依然需要相应的操作规程和农艺配套措施，直播稻播后苗前良好的平整度和土壤墒情有利于土壤处理剂在土壤表面成膜。恰当的水分管理有利于茎叶处理剂发挥药效。同时，优化植保无人机配置，加强对植保无人机飞手操作培训以及稻田后期的水肥管理，都将推动直播稻田除草剂飞防效率化、规模化、智能化的不断发展。