植保无人飞机施用农药剂型与助剂现状及进展

李彦飞，冯泽腾，王国强，张小军

（中农立华生物科技股份有限公司，北京 100052）

我国是一个以农业为主的国家，其基础耕地面积约1.20亿hm2，病虫害防控总面积达4.67亿hm2次，防控效果的好坏直接影响着我国的农业生产效率。传统的喷施方式主要依靠手工操作，不仅喷雾效果差、费用高，而且容易引起人员中毒等[1]。而利用无人飞机开展植保作业，具有高效、省时、省力等优点，可以在某种程度上弥补传统农药施用方法上的缺陷，是实现高效、安全植保作业的一条有效途径。近年来，我国农业航空产业发展迅速，其中尤以植保无人飞机为代表的农业航空技术的突飞猛进和广泛运用，引起了人们的高度重视和广泛关注[2-3]。植保领域的无人飞机航空施药作业是一种高效且成本较低的新型作业方式，相比传统的人工施药和地面机械施药方法，它具有更高的农药利用率，并能有效应用于高秆作物、水田和丘陵山地等。此外，这种作业方式对于大面积突发性病虫害的预防和控制，解决农民劳动力不足和降低农药对操作人员的伤害等都具有显著的优势[4-5]。植保无人飞机机动敏捷，无需特别起降场地，特别适用于在我国广而分散的狭小地块以及被居民区环绕着的农业地域作业。因此，植保无人飞机航空喷施已经成为一种极具优势的施药新途径，可以有效地减少农药使用量，降低农药残留并提升防治效果。

此外，随着国内土地流转率不断地提高，农业规模化生产已成为发展趋势，我们亟需采取规模化、机械化的新技术来实现作物保护[6]。农业部提出了化肥农药减施行动方案，旨在实现2020年化肥农药使用量零增长的目标，推动农业可持续发展，减少对环境的损害和提高农产品质量。本文回顾了我国植保无人飞机使用技术方面的情况，对我国植保领域中飞防技术所使用的农药剂型、制剂与助剂的发展状况和存在的问题进行了较为系统的论述，同时还从飞防技术、药剂应用及标准等方面对今后发展提出了一些建议，希望能为我国飞防植保的可持续发展提供一些借鉴。

1 无人飞机农药剂型与制剂

1.1 基本要求

1.1.1 农药要求（1）对农药高效性的要求

传统的农药喷洒方式有2种：一种为人工背负式喷雾，另一种为机械喷雾。一般情况下，人工背负式喷雾用水量为224.89～449.78 L/hm2，无人飞机喷雾的用水量为7.50～22.49 mL/hm2，通常无人飞机的用水量是传统施药的1/30～1/20。过量施用农药会对靶标作物及环境等造成不利影响，因此采用低剂量、高效农药进行喷施是未来发展的必由之路。

植保工作者为无人飞机施药技术的实际应用开展了大量的试验，结论显示：与传统的喷施方法相比，该技术能显著降低喷施药液的有效用量，同时，其防控效果也得到提升，从而对农业生产效率起到更好的促进作用[7]。在植保无人飞机作业模式下，氟啶虫胺腈的用量比常规作业模式下降低了100.4 g/hm2以上，吡虫啉的使用量仅为30.0～60.0 g/hm2，噻虫嗪为60.0～90.0 g/hm2。改进后的药剂，可以有效地降低农药的用量，提高有效成分的利用率。此外，这类药剂的研究和开发将为植保无人飞机作业提供保障，提高其混配性和作业的高效性[7]。

（2）对农药毒性的要求

农药本身的毒性会对人类健康和环境产生重要的影响，其评价指标主要有4种，分别是急性毒性、亚慢性毒性、慢性毒性和残留毒性。急性毒性是衡量农药毒性强弱的一个重要指标，常用致死中量（LD50）表示在一定条件下，被试生物一半死亡的药剂用量。在我国，农药的毒性可以分为5个级别，具体是：剧毒（1～50 mg/kg）、高毒（51～100 mg/kg）、中等毒（101～500 mg/kg）、低毒（501～5 000 mg/kg）和微毒（5 000 mg/kg以上）。

我国的农药相关管理规定明确指出了农药使用者不应该使用禁用农药，不能在蔬菜、水果、茶叶、菌类及中药材的生产中使用剧毒及高毒农药，也不能将其应用于水生作物的病虫害防治。植保无人飞机施药对农药毒性有较高的要求，因此，在使用无人飞机喷施药剂时，要根据实际情况进行筛选，避免使用不符合安全标准的药剂。

（3）对农药安全间隔期的要求

农药的安全间隔期指从最末一次施药到收获的时间，通常是从喷施农药后到降低到最大允许残留量所需要的时间。在使用中，不同种类药剂，其理化特性和安全间隔时间都有很大的差别，并且同一品种药剂因剂型的不同，安全间隔期也有很大的差别。植保无人飞机喷施的药剂浓度一般比传统喷施高出30多倍，对残留方面的要求较高。因此，采用无人飞机施药时，需适当延长安全间隔期时间，并不宜将高残留量和低降解的药剂应用于植保无人飞机上。

1.1.2 剂型分类与特点

农药原药通常是不能直接施用的，必须加入助剂、溶剂、载体等，通过加工而制备成制剂。制剂有3个重要指标：含量、有效成分、剂型。目前国内使用最多的是水剂、乳油、悬浮剂、可分散油悬浮剂、可溶性粉剂及水分散粒剂等。传统药剂的用水量很大，经过稀释后会产生大颗粒，容易导致喷嘴堵塞，所以并不是每一种药剂都适用于无人飞机“飞防”[8-9]。植保无人飞机所需的水量较少，在稀释后很容易发生结晶、絮凝、沉淀等现象，导致喷嘴堵塞，甚至出现药害[10]。因此，要按照飞防特性来选择合适的药剂，首先要选用适合超低量喷雾的药剂，例如油剂、超低量喷雾剂等，可以不经稀释处理，直接进行超低容量喷雾[11]。其次是选用具有更高溶解性和分散性的药剂，例如可溶液剂、水剂、水乳剂、微乳剂、乳油、油乳剂、水分散粒剂、悬浮剂及微囊悬浮剂等[12]。不同的药剂对作物的黏附、铺展和渗透性不同，因此，不同的喷洒方法会造就不同的雾化效果，从而达到的防控效果也不相同[13]。

超低容量液剂是一款飞防专用药剂，与其他剂型相比，具有以下突出特点：雾滴更细，药液覆盖率更高，渗透性更好。为提高农药喷施的效率，可以采用超低容量液剂的相关农药，以确保药剂使用可以取得优异的防治效果，并且可以避免浪费，从而提高有效成分利用率。

1.1.3 剂型与制剂使用要求

在植保无人飞机的使用过程中，需要注意的问题有：药剂稀释的稳定性、雾化、弹跳、黏附、沉积、润湿铺展和渗透传导等，如图1所示。同时要考虑剂型、制剂、器械和防控策略等。无人飞机飞防的喷雾量通常为7.5～22.5 L/hm2，药液稀释倍数比较低，是一种低容量或超低容量喷雾。所以，在选择制剂产品的时候，必须要达到如下的条件：（1）在低稀释倍数下，具有较高的理化稳定性，在短时间内不会出现分层析油、絮凝、沉淀及有效成分分解等问题。（2）兼容性好，能最大程度地满足多种药剂混合，药剂与肥料、桶混药剂混合时的稳定性需求，与施药设备兼容性好，以确保喷雾药液的均匀分散和渗透。（3）要有优异的界面特性，因为喷施的药剂量很低，所以药液雾滴的蒸发及飘移要小，分散、润湿、铺展及沉积要好，这样才能使药剂的效果得到最大程度的发挥。目前，国内外仅有少数几种专门用于无人飞机飞防的药剂，多为普通喷施制剂，且在低稀释倍数条件下，药剂的稳定性、使用剂量、残留量、对靶标作物和非靶标环境的安全性等方面都有待深入研究，尤其是在无人飞机飞防过程中，其活性组分的高效剂量传递更值得关注[13]。

图1 植保无人飞机药剂应用中的传递过程

1.2 国内外现状

1.2.1 国内现状

在1975年以前，飞机施药都是按常规用量，喷施量为30～40 kg/hm2，每架飞机的防治面积约为25～30 hm2，但因为飞机施药时间比较集中，施药面积较大，所以不能很好地满足现实际情景下的农业生产需要[14]。从1975年起，国内对超低容量喷雾制剂的研制工作处于起步阶段。由于很难制造出超低容量药剂，因而仅限用于森林病虫害防治。目前在飞机上采用的超低容量喷雾，由于其雾滴直径仅为80 μm，且极易飘移，对非靶标区产生潜在风险。因此，在使用药剂时，应选用适宜于低容量喷雾的药剂，以降低对环境的污染[15]。

超低容量液剂是一种用于超低容量喷雾的特殊剂型，要想取得理想的防控效果，需要与相应的药械相结合使用，并采用超低容量喷雾法进行作业[16]。超低容量液剂基本为油剂，它的雾滴非常细小，只能在没有风的情况下进行作业。它的优点是雾滴更细，药液更多，渗透力更好[17-18]。

目前，国内对超低容量液剂的研发和注册仍处于初步摸索阶段，如南京荣诚公司、河南金田地、安徽华垦、广西康赛德、广西田园及南宁德丰富公司都已经注册了一些新的产品，但是这些产品数量都很少，不能满足迅速发展的飞防需求[13]。当前，仍以常规制剂剂型为主，其在飞防上的适用性和要求如表1所示。

表1 农药剂型飞防适应性及飞防要求

植保无人飞机具有快速、低耗水、雾滴粒径小等特点，药剂雾滴在沉降阶段极易挥发，飘散到工作区域之外，或飘浮在空气中[19-20]。在实际应用中，药剂的剂型及使用量、雾滴粒径及密度、无人飞机飞行参数、药液在靶标作物上的沉积分布的均匀性等都会对无人飞机防治病虫害产生重要影响[21]。近几年，以纳米制剂为代表的新型药剂在飞防上已获得良好的效果，且新的制剂技术及应用技术的发展为无人飞机专用药剂的研制开辟了一条新途径。然而，在无人飞机飞防方面，还有许多药剂的使用难题与混配技术有待解决[22-24]。

在精准作业过程中，以提升综合防控管理及作业效率为目标，达到扩展应用范围或兼治效果。目前，可用于无人飞机飞防的常用药剂剂型的最佳混配次序通常是：水分散粒剂（干悬浮剂）、悬浮剂、微胶囊悬浮剂、水剂、可溶液剂、水乳剂、微乳剂、乳油、专用助剂。

在开展飞防工作时，除了要选择好药剂外，还要注意剂型的选择。目前，适合植保无人飞机使用的7种剂型，按照降序依次为：水剂、可溶性粉剂、水乳剂、微乳剂、悬浮剂、水分散粒剂、乳油。其他剂型也可作为飞防制剂使用，但有特定的使用条件。例如，在传统剂型中，可湿性粉剂由原药、助剂和填料等组成，是一种粉碎到一定细度的粉末制剂。通常情况下，其颗粒比较大，当稀释浓度较高时，就会形成沉积物，从而导致喷嘴的堵塞。所以在飞防中，使用可湿性粉剂时，一定要对它的细度、分散性和悬浮性能进行优化。

1.2.2 国外现状

从全球来看，美国、俄罗斯、澳大利亚、加拿大、巴西、日本、韩国是比较先进的农业航空国家。美国的植保飞防产业比较完善，拥有世界上较为先进的植保飞防技术。日本是全球使用植保无人飞机作业较早的国家。截至2020年11月6日，日本已注册的无人飞机农药制剂共316个（表2），约占该国总注册农药制剂数量的6.2%。

表2 日本无人飞机飞防农药登记基本情况（截至2020 年11 月）

从表2中可以看到，日本在植保无人飞机上使用的药剂主要有杀虫剂、杀菌剂、杀虫杀菌混合剂、除草剂及植物生长调节剂。除草剂仅在水稻田有登记，在水稻田中已经登记的除草剂剂型主要为展膜油剂和颗粒剂，施药方式为无人飞机颗粒撒施、无人飞机展膜油剂撒滴施药。杀菌剂、杀虫剂、杀菌杀虫混合剂登记的剂型有乳油、水乳剂、颗粒剂和微乳剂，用药方式以颗粒撒施或低容量喷雾。日本无人飞机进行低容量喷雾时，其药剂浓度通常在4～16倍之间，最常见的是8倍，施用液量在8～16 L/hm2之间。

2 无人飞机农药助剂

2.1 定义与分类

无人飞机助剂也叫航空助剂、航空喷施助剂、航空植保助剂、专用助剂等。在进行农药喷洒前，将其加入到喷药桶或药箱中，搅拌均匀，可以对药液的物理化学特性进行改进，如表面张力、防飘移、润湿性、铺展性、黏附性等[25]，这样就可以提升无人飞机的工作质量和工作效率。利用无人飞机助剂，实现了无人飞机超低量喷施，既能保证防控质量，又能降低农药用量以及对环境的污染。

虽然新的无人飞机农药制剂的开发周期比较漫长，但是可以在已有的药剂中加入无人飞机农药助剂来缓解其挥发和飘移，从而推动航空喷雾技术更好地为我国的农业提供服务，这不失为一种有效措施。另外，在施药过程中，因为无人飞机农药制剂药液的浓度比较高，所以当与其他农药混合使用时，会产生絮凝、沉淀等问题，加入一些具有兼容作用的辅助助剂，以增加药液的稳定性[26]。加入无人飞机农药助剂可以加速农药雾滴的沉降，从而有效地降低了农药飘移损失，同时也减少了农药重喷、漏喷等现象，还可以防止药剂挥发，增强药液的润湿渗透性，极大地促进了药液的吸收。

随着我国农药减施增效技术的不断发展，人们对无人飞机农药助剂的认知不断加深。根据近年来助剂品种发展和使用情况，无人飞机农药助剂主要可以划分为有机硅类、矿物油类、植物油类、表面活性剂类、无机盐类等，其使用所需的环境条件见表3。

表3 常见助剂的使用环境条件

2.2 发展现状

19世纪末期桶混助剂开始出现，但还没有应用于农业；20世纪早期有研究表明，在农药中加入油作为助剂，可以提高药剂的杀虫和灭菌效果[27]；1940—1950年，由于人们对表面活性剂的进一步研究，农药助剂被大量地用于农业领域；1960—1970年，有人发现加入农药助剂可以降低农药用量，并且在农药中加入有机硅助剂可以提高药液在叶片上的吸附能力[28]。

近年来，在精准农业需求和政府支持下，农业航空迅速发展起来。“十三五”期间（2016—2020年），我国科技部、农业部均将农业航空技术列为重点支持项目，例如“十三五”国家重点研发计划课题“基于低空遥感的作物追肥变量管理技术与装备”和“无人机变量喷药控制分析平台的研发”。早在“十二五”期间（2011—2015年），国家已经启动了“微小型无人机遥感信息获取与作物养分管理技术”和“主要粮食作物航空植保无人机”2个项目。“十四五”期间（2021—2025年），随着我国各级政府部门、农机器械企业以及高校、研究机构等的大力支持，植保无人飞机技术在国内迅速发展，而无人飞机农药助剂技术也获得了相当程度的发展。

国内喷雾助剂的发展相对滞后，目前以地面常规喷雾助剂为主。尽管在人工施肥体系中曾有添加沉降剂的报道，但其尚未实现大规模应用。近年来，为了满足植保无人飞机喷雾的技术需求，国内外的农药助剂企业先后研发出了一批无人飞机喷雾专用助剂，并在应用中取得了较好的成效[29-30]。

无人飞机农药助剂优异的理化性能及喷雾性能能够充分满足药效稳定及增效需求，带动无人飞机施药技术的进步。针对各种应用需要，市面上可供选择的飞防助剂品种日益增多。无人飞机农药专用助剂已成飞防植保绿色防控体系建设中的“幕后英雄”。

3 飞防助剂的管理与标准规范

在国际上，美国、澳大利亚、德国、加拿大等均对无人飞机农药助剂进行了登记和使用，取得了一定的管理经验。对于助剂所涉及的成分和在无人飞机上应用的助剂，都要提交相关的数据，并在获得登记后方可使用。

美国是国际上第一个对助剂进行规范的国家。20世纪80年代早期，美国环保署（EPA）按照不同物质的毒性及接触危险程度，将农药助剂划分成4类[31-32]。澳大利亚农兽药管理局（APVMA）公布了《澳大利亚农药助剂产品登记管理指南》，自2009年2月9日后允许对其单用和商品化的农用助剂进行注册[33]。德国将农药助剂分成2类，即桶混助剂和加工助剂，按照《植物保护法》的要求，桶混助剂实施注册许可证和正向列表，加工助剂实施负向列表，而加工型杀虫剂实施负向列表[34]。按照欧盟SANCO/12638/2011的指导方针，德国对已注册的商品构成改变实行分级管理，按其改变的程度将其划分为2种类型，即显著改变和非显著改变[35]。加拿大有害生物管理局在2004年颁布了一项关于农用助剂的监管规定，该规定将在2005年1月9日生效。

自实施农药登记管理以来，我国主要关注的是对活性物质的监管，而对助剂的安全问题研究与监管则处于初级阶段。农业部农药检定所于2010年4月下旬主办的《中美农药助剂管理研讨会》首次就农药助剂管理进行了讨论[36]。HG/T4576—2013《农药乳油中有害溶剂限量》于2013年度颁布，其中对有害溶剂限量作了详细的说明。《禁限用农药助剂名单》（征求意见稿）已于2015年度通过中国农药信息网站向公众发布。所涉及的禁限用助剂、溶剂包括乙二醇甲醚、壬基酚等9种禁用助剂和苯、甲醇等75种限用助剂。值得注意的是，该名单征求意见稿发布至今将近8年，正式稿仍未出台。新《农药管理条例》颁布实施后，《农药登记管理办法》明确规定，要依据助剂的毒性和危害程度，及时调整和更新禁用、限用助剂的目录和限量，并对其进行管理，如需加入该特殊助剂，须提供相关试验数据。虽然目前还没有针对无人飞机农药助剂使用的规范，但其开发和使用却引起了行业的高度重视。目前，我国已出台了《植物油类植保无人机农药喷洒专用助剂》《农药桶混助剂标签规范》《农药桶混助剂润湿性评价方法及施用限量》《防飘移桶混助剂施用限量及评价方法》等有关的团体标准。

4 存在的问题

4.1 剂型与制剂方面

没有用于飞防的专用药剂，植保无人飞机就像是一个空壳子[37]。由于植保无人飞机的需水量很小，因此在使用过程中极易发生絮凝、沉淀和结晶现象，从而导致喷洒装置阻塞，甚至受损。如果采用超低容量喷雾，雾滴极易飘移，且易对非靶标区域产生药害[38]。由于市场需求及技术发展，缓控释制剂、省力化制剂、纳米制剂、药肥等新剂型先后涌现，无人飞机飞防技术及相关设备得到迅速发展，促使农药制剂向精确、靶标、高效省功、智能化方向发展。随着制剂研发理论的深入、多种表征技术和方法的广泛运用，再加上助剂产品性能的迅速提升，农药制剂的研发和生产已经步入了一个精细化时代。未来的农药制剂需要具备稳定的理化性质、优良的对靶传递性能和高效的生物活性，同时还需要满足精准施药、高效利用和减施增效、农产品质量安全和环境安全的要求[39]。当前，无人飞机飞防需要的药剂主要存在以下问题。

（1）药剂的稀释稳定性不佳

药剂的稀释稳定性是无人飞机飞防过程中一个重要指标。无人飞机飞防一般使用低容量或超低容量喷雾，稀释药液经常会出现沉淀、结晶、絮凝等状况，导致无人飞机喷口被堵塞，使飞防作业无法正常进行。

（2）多种药剂混配的稳定性差

考虑到效率问题，无人飞机飞防施药必然是将多种药剂混配使用，由于用水量的限制在混用的过程中药剂易在药箱中出现分层、絮凝、胶化、聚团、结晶等不稳定现象，从而堵塞喷头或降低药效。

（3）雾滴粒径难以控制

常规喷雾的雾滴直径一般为200～300 μm，飞防制剂雾滴直径较小，但针对不同防治靶标，雾滴粒径的要求不同，防治飞行害虫一般选用10～50 μm；防治叶面爬行类害虫及植物病害一般选用30～150 μm。目前的飞防药剂很难达到“因地制宜”。

（4）抗挥发和抗飘散能力差

现实飞防喷雾作业中，由于器械喷药参数、气象条件、药液体系以及作物和靶标的生理生化构成，会造成药液雾滴发生飘失和流失问题。而现有的防飘移助剂很难达到理想的雾化效果以及较窄的雾滴粒径分布（80%粒径为50～100 μm），减少小雾滴（粒径≤50 μm）产生，因此，无法有效地控制飞防雾滴的飘移与挥发。

（5）耐雨水冲刷性能差

耐雨水冲刷性能是飞防药剂的关键指标之一，药物在叶面上的保持能力是药物持效性的关键指标，更长的药剂滞留时间可以提高整体的药效和防控能力。目前的飞防药剂因为研发应用周期较短，只有少数品种添加后具有一定的耐雨水冲刷性能，但效果并不理想。

4.2 助剂方面

国内市场现有助剂难以满足所有飞防实际需求，现阶段国内用于植保飞防施药的农药制剂、助剂还没有正式登记生产，依然属于空白阶段。沉降性好、安全性高的专用药剂是植保飞防的施药首选，但目前该类超低容量制剂不仅数量少，而且选择性差，已成为提升作业效益的瓶颈[40]。飞防药剂的全生命周期传递包含分散传递、空间传递、界面传递和吸收传递。相比传统人工施药，飞防药剂要求药液分散性好，具有多种药剂或药肥混合低倍率稀释液稳定性好，雾化的药液粒径适中、飘移或蒸发少，高浓度药液接触靶标后能够快速铺展、黏附、吸收传导等，因此飞防药剂需要多种功能的助剂，以提升药液的传递效率。当前，国家尚未对无人机农药助剂进行规范，市场上各种无人机农药助剂的使用效果参差不齐。

4.3 标准方面

目前飞防药剂管理制度仍不完善，存在管理政策不明确、登记要求未制定、试验准则未形成等问题。同时，未批先用，或随意混配，各种助剂多，存在安全隐患。现在国家还未有相关飞防药剂正式登记，因此，国家需加强对飞防专用药品的研发登记方面相应政策的制定，以促进航空植保施药安全。国家有关部门需加快飞防药剂的研究试验登记以满足市场需求，同时借鉴美国、日本、韩国等已有的飞防农药制剂登记国家的经验，以促进适合我国农药飞防作业的特色制剂和助剂的发展。

4.4 应用技术方面

目前我国生产飞防制剂和助剂的厂家非常少，飞防技术的应用相比于发达国家还是比较落后。此外，无人机在推广应用方面也存在诸多问题，种植户的操作水平有限，大多数操作人员没有经过正规严格的培训，对无人机飞防技术的应用与推广产生一定的限制。很多种植户在进行无人机作业时，对其喷幅大小、无人机的飞行速度和高度等方面都是凭借经验来判断。在实际操作中难免会出现无人机速度过快或者高度过高，进而造成药量不足及药液飘移等问题。

5 展望

植保无人机对农药制剂的要求较高。多年来，尽管国内外专业人士在农药制剂研发、生产和推广等方面进行了较多研究，但仍然无法达到预期目的，需不断加强科研院所、企业和农业科研人员之间的合作，加速市场推广的进程。此外，还应加强对无人机作业人员的植物保护知识的培训，掌握基础的农药知识，才能解决各种可能出现的问题，让无人机植保产业步入快轨[41]。由于无人机等新技术的运用和推广，农药施用方法也在随之改变。飞防技术的迅速发展为农药剂型、制剂和助剂的开发带来了新的机遇和挑战。随着纳米农药或其他新技术的发展，将会给今后的飞防药剂提供更多的可供使用的选择，同时有助于促进我国农药制剂和助剂的进一步快速发展。近年来，随着中央三农文件的出台，国家对飞防技术的大力推广和应用，飞防技术已经成为植物保护领域的一个热门技术，并在持续发展的过程中，推动了与之有关的附属产业迅速发展。另外，随着农民和种植户对飞防药剂的认识从最初的好奇和怀疑到逐渐认可，对飞防的认识逐渐趋于理性，对飞防药剂的需求也呈现出稳定的增长态势。科技发展使农业生产向现代化、规模化和专业化方向发展，产品规范化已逐渐成为一种必然，也是一种发展趋势。植保无人机施药作为一种新型的技术，通过加强植保无人机监管、研发和推广以及财政补助等方面的支持，将有助于解决目前在植保无人机施药过程中所面临的一系列难题，并使其在农业生产过程中发挥重要作用。