高分子助剂在减少农药飘移中的应用及研究进展

黄桂珍，郑 丽，叶嘉烘，曹 冲，张 磊*，黄啟良*

(1.中国农业科学院植物保护研究所，北京 100193；2.汕头市深泰新材料科技发展有限公司，广东 汕头 030801)

引言

2020年，我国小麦、水稻、玉米三大主粮作物上农药利用率(根据发布数据的测算方法，实际为叶面沉积率)为40.6%[1]，约60%的农药没有沉积在预定的靶标区域。其中，约30%的农药在雾滴离开喷头向靶标作物冠层空中运行的过程中因蒸发飘移而损失，是农药流失的主要环节[2，3]。随着我国农业现代化、机械化进程的加快，农业经营方式的快速转变，农村劳动力短缺和人工成本的急剧增加，以及快速发展的专业化统防统治工作的需求，对适用范围广、作业效率高、节水节药农业航空植保机械喷雾方式，特别是植保无人飞机施药的需求越来越迫切。截至2022年底，植保无人飞机已广泛应用于玉米、水稻、小麦等大田作物和棉花、烟草、茶树、果树等经济作物上有害生物化学防治，主要防治对象包括玉米螟、稻飞虱、稻纵卷叶螟、水稻纹枯病、蚜虫、小麦白粉病等常见病虫害和阔叶类及禾本科杂草[4]；植保无人飞机保有量达到15万架，防治面积达10 400万hm2次，植保无人飞机的保有量和防治面积均居世界首位[5]。

相比常量喷雾施药技术，植保无人飞机喷液量少、雾滴细、喷头距离冠层高，雾滴在离开喷头向作物冠层运行过程中，水分蒸发导致雾滴粒径变小，加剧了雾滴运行速度的衰减，导致雾滴飘移损失[6，7]；一方面造成农药浪费，另外也对施药人员[8]和非靶标生物[9]产生农药暴露风险，是业界研究的热点。为解决农药飘移问题，国外最早采用设置飘移缓冲区(spray buffer zones)防止飘移为害[10]，但根据室内6种不同风速下UAV施药雾滴飘移分布情况测定结果，飘移缓冲区应至少预留>22 m[11]；包括其他施技术上采用的在喷施作业区边界设置防风林(windbreaks)[12]，在喷雾机上加装风机和风囊而发展的风送喷雾技术，以及后续发展的罩盖式喷雾技术、防风罩、防飘挡板等[6，13]，并不能适合于我国多数应用场景。基于雾滴飘移的内在机制，通过助剂调控药液性质，抑制蒸发和飘移的助剂得到广泛使用，并逐渐成为普遍采用的飘移为害阻控方法[14，15]。特别是近年具有保湿功能的化妆品等日化领域高分子助剂，在农药制剂[16]及植保无人机施药[17]中作为抑制蒸发等功能助剂使用，表现出了优于传统乳化剂等小分子助剂所没有的农药分散微粒包裹及雾滴抗蒸发性能，成为行业关注的热点。

本文综述农药飘移的过程行为及规律机制，分析高分子助剂减少农药飘移的性能与原理，以为高分子助剂合理使用和农药减施增效提供技术依据。

1 农药飘移

2005年，国际标准化组织 (ISO)将喷雾过程中在气流作用下脱离靶标区域的农药定义为喷雾飘移(spray drift)；并特别指出，农药飘移物包括雾滴、干燥的颗粒或者蒸气三种形态[18]。

1.1 蒸气形态的农药飘移 主要是低沸点或高挥发性农药向大气中挥发形成的，属于农药的直接损失[19]。比较典型的农药，如2，4-D、麦草畏等，因挥发性飘移导致了非防控区域的作物药害，引起了业界对挥发性农药飘移的关注[20，21]。

1.2 干燥的颗粒形态的农药飘移，主要包括两种类型 一种是直接使用的固体农药制剂，如粉剂使用中的粉尘飘移；早期人类将砷酸钙等无机农药的粉剂装在麻布袋子中，通过拍打袋子将农药扩散到空中，一部分沉积到作物上，一部分形成干燥的颗粒形态的农药飘移；包括后来通过喷粉机喷施六六六粉剂，同样产生了大量干燥的颗粒形态的农药飘移。当时施药者更关注的是农药的沉积效果，短距离的飘移并未形成药害而被忽视。另一种是兑水使用形成悬浮液的农药制剂。如可湿性粉剂，农药分散颗粒粒径一般在20～30 μm，兑水药液雾化形成的雾滴，在空中运行中蒸发形成的农药蒸发飘移。

1.3 小于100 μm的细雾滴形态的农药飘移 是农药飘移的最主要形式，主要与其粒径密切相关。Norman等研究了不同粒径雾滴的飘移可能性及模式，明确了不同粒径雾滴在空间运行的距离(表1)[22]。由此可以预测不同施药方式下雾滴的飘移情况。

表1 雾滴通过静态空气后的最终速度

2 农药飘移的过程行为特征

农药飘移是细雾滴在自然风速影响下无法在靶标上沉积而运移至非靶标区的物理运动，是应用场景中多因素协同导致的结果，人类对农药飘移的关注主要是基于其对飘移所产生为害的接受程度。从农药雾滴离开喷头雾化区域进入空间并向作物冠层运行的过程来看，环境条件、喷雾模式和雾滴特性是引起农药飘移损失的主控因素[3]。表观层面上看，飘移是环境中的风将雾滴带离靶标区域的结果；对于研究者，由于环境因素是不可人为调控的，雾滴初速度是药械决定的，因此大都将研究重点放在了农药雾滴及其自身演变上。

蒸发形态的农药飘移，主要是低沸点农药挥发所致。农药分子逃逸雾滴水界面的束缚，分子扩散进入空中，在空中聚集或凝结在气流携带下进入非靶标区域而引起药害；主要是跟农药分子及药液性质有关，而且是一个动态的过程行为，雾滴边运行边释放，释放速度与界面性质有关。

干燥的颗粒形态的农药飘移，主要是早期固体农药制剂直接使用所致，可湿性粉剂等喷施后雾滴在空中水分蒸发形成的干燥颗粒形态的农药飘移占比很少。颗粒形态的农药飘移主要跟粒径相关，Norman等[23]在1964年发表农药使用及飘移的论文，综述了前人关于飞机和陆地施药中有害粉尘的飘移结果，明确了颗粒沉降速度与其粒径成正比的研究结果。

雾滴形态的农药飘移，主要源于雾滴的粒径及其空中运行中的演变。根据牛顿第二定律，雾滴在空中的沉降速度与其粒径的平方成正比；由此不难理解，雾滴的飘移量与药液雾化后细小雾滴的比例相关。美国农业工程师协会(ASAE)制定S-572号标准，将雾滴按粒径分为细小雾滴(<100 μm)、小雾滴(100～175 μm)、中等雾滴(175～250 μm)、较大雾滴(250～375 μm)、大雾滴(375～450 μm)和超大雾滴(>450 μm)。经过施药温湿度(T=20～35℃，RH=30～60%)、风速(1～3 m/s)、喷雾高度(0.4～1.0 m)等多场景下雾滴粒径对飘移距离的灵敏度分析发现，<100 μm的雾滴为恒飘雾滴，100～150 μm的雾滴为飘移敏感雾滴[6，7]。雾滴在空中运行中的演变，主要源于雾滴的“水性”特征。薛士东等[24]在研究雾滴空中相互作用和群体空间传递和演化规律中发现，雾滴水分蒸发促使雾滴粒径变小，雾滴粒径变小导致了其空间运行速度的衰减，两因素叠加加剧了雾滴飘移。Wolf等[25]试验表明，100 μm的雾滴在空中(T=25℃，RH=30%)运行75 cm后，其粒径缩减为约50 μm。

需要强调的是，雾滴形态的飘移，在高温环境时，水蒸汽在空气中的质量扩散系数增加，质量传递速率加快；在低湿环境时，雾滴表面与空气中水蒸汽的浓度差增加，加速水分子从雾滴表面扩散到环境中，将加剧雾滴粒径的衰减。

3 高分子助剂减少农药飘移的研究及应用

在认识到农药飘移为害之后，人类就开始了减少飘移为害的研究，并随着对飘移现象及过程行为与规律研究和认知的不断深入，形成了系列技术，并进行了应用。高分子助剂就是近年来从化妆品等日化领域引入的一种高效农药飘移调控产品，基于化妆品的保湿功能，在农药制剂及植保无人机施药中作为抑制蒸发功能助剂使用，形成了调控农药药液性质减少飘移的技术。

与小分子表面活性剂结构类似，高分子助剂具有典型的亲水链段和疏水链段，但其亲水链段和疏水链段种类、比例、排列顺序及分布与小分子表面活性剂明显不同，使其结构更为复杂；在溶液中通过缔合，形成自组装结构，导致独特的流变行为和溶液性质[26]。

高分子助剂作为配方助剂使用在农药制剂中，其特殊结构带来的高能乳化、润湿、分散、悬浮、增加附着与沉积、保水、缓释等功能，除了可满足制剂形成与稳定的要求外，还在改善制剂兑水稀释后的药液性能等方面表现出了独有的优势[16，17]。作者[16]使用功能高分子助剂制备了 40%苯醚甲环唑·吡唑醚菌酯水乳剂，以悬浮剂作为对照，对药剂的对靶传递性能进行了研究，功能高分子助剂不仅能保持制剂体系的稳定，而且能在药液中以一定的空间立体网状结构存在，通过在油水界面形成致密高分子自组装结构(图1)，抑制农药向雾滴表面扩散，改变了雾滴蒸发特性，从而减少挥发性飘移。

图1 高分子助剂在水溶液体系中形成自组装结构的剖面示意图

高分子助剂作为桶混助剂使用，通过在水溶液中能形成层状液晶(图2)，以纳米层状液晶锁住水分，延缓液滴中水分的蒸发速度，并通过超分子聚合物中疏水基团的缔和作用，使液滴表面与靶标表面形成范德华力作用，使助剂具有良好的抑制蒸发飘移作用，研究发现，高分子聚合物类助剂对喷雾雾滴粒径大小也有一定的调节作用，可改善药液雾滴的粒径分布，减少<100 μm的小雾滴的生成。

图2 高分子助剂在水溶液体系中形成层状液晶结构的剖面示意图

4 高分子助剂发展建议

2021年中央1号文件明确提出要持续推进农药减量增效，推广农作物病虫害绿色防控产品和技术。高分子助剂已经在农药制剂和对靶剂量传递性能等方面表现出制剂稳定、雾滴抗蒸发等性能，特别是其能更好适应植保无人飞机多靶标防治施药场景中多药混打、高浓度、久储存等对农药制剂和助剂的性能要求，应用前景广阔。

但农药使用完全有别于化妆品等应用场景，农药的使用是将农药分散在“开放”的生态系统中，具有一定的公众性。需要基于实际应用场景的防控需求，进行高效高分子助剂的设计与制备；基于农作物典型区域栽培与农艺模式及健康生长需求，与生态系统中多要素进行协同，构建高效精准使用技术。

我国实行农药登记、生产许可、经营许可管理制度，在国家农药减施增效需求下，使用高分子助剂减少农药飘移等损失，提高农药有效利用率，是最为有效的技术途径。但是，相对于土壤等作物生长的生态环境，助剂和农药一样都是“外源物质”，也需要加强其质量控制、性能评价及使用限量等标准的制定。