不同植保器械在水稻不同生育期喷施农药的沉积率及雾滴参数

张永强, 王飞钊, 谢锦钿, 张景欣, 林壁润,杨祁云, 沈会芳, 孙大元, 蒋成爱, 蒲小明*,

(1. 华南农业大学 资源环境学院，广州 510640；2. 广东省农业科学院植物保护研究所/广东省植物保护新技术重点实验室，广州 510640；3. 江门天禾农业服务有限公司，广东 江门 529222)

研究植保器械喷施农药的沉积率及雾滴参数对指导农作物科学使用农药具有重要参考价值。农药沉积率指农药喷施后沉积在靶标 (作物) 上的药量占总施药量的百分比[1]。国际上Mectcalf[2]首先提出了农药沉积率概念，指出大田喷雾只有25%～50% 沉积到作物上。Vercruysse 等[3]和Dekeyser 等[4]等也报道了果园喷施农药的沉积率为45%左右，且果园早期和晚期喷施差异显著。中国于1995 年开始进行农药沉积率研究工作，已在小麦[5]、水稻[6]、玉米[7]、棉花[8]、果树[9]、蔬菜[10]等开展测定工作，提出中国农药沉积率测算模型，并发布了农药沉积率的国家标准[1]。据报道，2020 年我国水稻、小麦、玉米三大粮食作物上的农药沉积率为40.6%，比2015 年提高4 个百分点[11]，实现了2020 年农药沉积率达到40%的目标，完成了农作物农药使用量零增长。

中国植保器械发展起步较晚，施药器械单一，长期以手动喷雾器为主。据调查，2017 年我国手动喷雾器的市场占有率仍达80%[12]，其农药有效沉积率仅为10%～30%[13]，工作效率低。发展和应用高效植保器械是提高农药利用率的关键。随着高效植保器械的发展，电动喷雾器逐渐取代了手动喷雾器；机动植保施药器械快速发展也加速了统防统治的推广率，如自走式喷杆喷雾机[14-15]、植保无人飞机[16]、无人驾驶喷雾机器人[12]等，植保器械的发展正给农业生产带来一场技术革命。

水稻作为中国主要粮食作物，2020 年中国水稻种植面积已达3 007.6 万公顷[17]。提高水稻上的农药沉积率有利于促进我国农药减施增效工作，但水稻上不同植保器械喷施后农药沉积率的差异及雾滴参数鲜见报道。本研究结合诱惑红示踪剂方法[18-19]，通过对使用不同植保器械在水稻不同生育期喷施农药的沉积率、药液沉积分布、雾滴大小和密度等参数的比较分析，科学评估不同植保器械对水稻田农药沉积率的影响，从而为水稻上农药减量控害和统防统治工作提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 供试材料和设备

1.1.1 示踪剂和药剂 示踪剂：诱惑红85 (天津多福源实业有限公司)。

药剂：6%阿维 · 氯苯酰悬浮剂 (abamectin +chlorantraniliprole 6% SC，先正达南通作物保护有限公司)，制剂使用量450 mL/hm2；325 g/L 苯甲 ·嘧菌酯悬浮剂(difenoconazole + azoxystrobin 325 g/L SC，先正达南通作物保护有限公司)，制剂使用量300 mL/hm2。

飞防助剂：U 伴 (先正达 (中国) 投资有限公司)，使用量150 mL/hm2。

1.1.2 仪器与耗材 YQ-16 型背负式手动喷雾器(台州市路桥益群喷雾器厂)；3WBD-16 型背负式电动喷雾器 (广东省博罗县东田实业有限公司)；极飞XP 2020 款农业无人飞机(UAV 极飞科技服务有限公司)；M204822 风速仪(北京中西远大科技有限公司)；HE810 温湿度仪(深圳市华图测控系统有限公司)；Bizhub 287 扫描仪(Konica Minolta中国)；Thermo VarioskanFlash 多功能酶标仪(Thermo Scientific/美国)。直径9 cm 的圆形滤纸(辽宁省抚顺民政滤纸厂)；双面白色纸卡硬纸(8 cm × 5 cm)，双头转向透明夹子，1.4 m 长竹杆。

1.2 试验方法

1.2.1 试验设计 分别在水稻苗期、封行期和破口期选用3 种植保器械喷雾，共分9 个处理，详见表1。

1.2.2 试验地点、水稻品种和喷施时间 试验在广东省南雄市全安镇进行，水稻品种为美香占2 号 (晚造，直播)。喷施时间分别为：①苗期，2020 年8 月11 日，多云，25～35 ℃，无持续风向1～2 级；②封行期，2020 年9 月12 日，多云，22～30 ℃，北风/微风；③破口期，2020 年9 月28 日，阴，20～27 ℃，北风/微风。

1.2.3 示踪剂诱惑红标准曲线制定 准确称取0.100 0 g 诱惑红于10 mL 容量瓶中，用纯净水定容，得到104μg/mL 的诱惑红溶液，适当稀释得到质量浓度分别为50.00、25.00、12.50、6.25、3.12、1.56、0.78 和0.39 μg/mL 的标准溶液，用多功能酶标仪于波长501 nm 处[19]测定吸光值。每个浓度重复3 次。取平均值绘制诱惑红质量浓度-吸光值标准曲线。

1.3 植保无人飞机喷雾处理

参照何玲等[20]的方法进行。设2 个试验点，每个试验点设3 个小区 (重复3 次)，水稻田间处理小区长16 m×宽60 m，每个小区之间设10 m 保护行，按照设定喷幅进行喷雾处理。将诱惑红 (参照表1) 作为示踪剂加入药液中，待水稻植株叶片无水滴时进行喷施，植保无人飞机作业参数为：飞行速度4.5 m/s，苗期作业高度为2 m，封行期为2.2 m，破口期为2.5 m。喷施开始前，在距起飞处前20、30 和40 m 处根据植保无人飞机作业喷幅设置3 条平行的雾滴采集带，植保无人飞机航线垂直于采集带，每条采集带从左至右依次布置采集点，共布置5 个采集点。每个采集点间隔1.0 m，总长度为4 m。在每个采集点处插1 根竹竿，将卡纸和滤纸分别通过双头夹布置到试验杆上、中、下3 个不同部位，分别距地面10、60 和90 cm (苗期设置2 个不同部位，分别距地面10 cm和50 cm)，测定水稻不同位置的药液沉积量及雾滴参数。

表1 不同处理参数Table 1 The parameters of different treatments

1.4 手动和电动喷雾器喷雾处理

参照蒲小明等[21]的方法。设2 个试验点，每个试验点设3 个小区 (重复3 次)，水稻田间试验小区设置为5 m × 5 m，小区之间隔离带为5 m。将诱惑红 (参照表1) 作为示踪剂加入药液中，待水稻植株叶片无水滴时进行喷施，喷头距离水稻株顶端距离约为30 cm。喷施前，将卡纸和滤纸分别通过双头夹布置到竹杆上、中、下3 个不同部位，分别距地面10、60 和90 cm (苗期设置2 个不同部位，分别距地面10 cm 和50 cm)，各层之间的卡纸和滤纸相互错开，每个小区设置3 个采集点(3 根竹竿)，测定不同位置的药液沉积量及雾滴参数。

1.5 农药沉积率测定

1.5.1 植保无人飞机 田间喷雾完成后，在每个采集点附近随机取1 株长势良好并具有代表性的水稻株放入自封袋内，每条采集带 (5 株水稻) 放入一个自封袋中，每小区共取15 株水稻，共3 袋。测定时向自封袋内加入4 L 自来水，振荡洗涤5 min，使诱惑红完全溶于水中。用多功能酶标仪测定洗涤液在501 nm 处的吸光值，依据诱惑红质量浓度-吸光值线性回归方程计算洗涤液中诱惑红的质量浓度，计算出每小区3 袋样品洗涤液的诱惑红含量。调查施药小区内的水稻株数，按公式(1) 计算农药沉积率[22]。

式中：βdep为农药沉积率，%；ρsmpl为样品的吸光值；ρblk为空白 (空白植株和洗脱液) 的吸光值；Fcal为诱惑红标准曲线的质量浓度函数；Vdil为洗脱液的体积，mL；ρ为种植密度，株/m2；m为单位面积诱惑红的施用总质量，g。

1.5.2 手动和电动喷雾器 田间喷雾完成后，采用对角线五点式取样法，每点取水稻1 株，共取5 株，放入自封袋内。测定时向自封袋内加入4 L自来水，振荡洗涤5 min。用多功能酶标仪测定洗涤液在501 nm 处的吸光值，依据诱惑红质量浓度-吸光值线性回归方程计算洗涤液中诱惑红的质量浓度。调查施药小区内的水稻株数，按 (1) 式计算农药沉积率。

1.6 数据处理

卡纸上雾滴面积和雾滴密度采用软件image JFiji (https://imagej.net/Fiji/Downloads) 分析，采用软件Graphpad Prism (https://www.graphpad.com)作图，并使用one-way ANOVA 比较处理间的差异显著性。

2 结果与分析

2.1 诱惑红标准曲线

在诱惑红最大吸收波长501 nm 处检测其吸光值，在质量浓度0.39～100.00 μg/mL 范围内，建立了诱惑红质量浓度x与吸光值y的线性回归方程y=0.024 7x+ 0.009 4，其相关系数R2为0.999 8。

2.2 水稻不同生育期使用3 种植保器械喷施农药的沉积率

由图1 可以看出，在水稻同一生育期使用不同植保器械喷施农药的沉积率差异较大。在水稻苗期，使用手动喷雾器、电动喷雾器和植保无人飞机喷施农药的平均沉积率分别为18.33%、24.58%和35.84%，水稻封行期分别为24.72%、35.28%和45.15%，水稻破口期分别为32.39%、40.29%和52.42%。差异显著性分析表明：水稻苗期、封行期和破口期喷施农药的沉积率，均是植保无人飞机＞电动喷雾器＞手动喷雾器。

图1 水稻不同生育期使用3 种植保器械喷施农药的沉积率比较Fig. 1 The comparison of pesticide deposition rates of different-stage rice plants sprayed with three kinds of instruments

同一植保器械在水稻不同生育期喷施农药的沉积率也存在差异，供试3 种植保器械的沉积率均是破口期＞封行期＞苗期。

2.3 水稻不同生育期使用3 种植保器械喷施农药后在水稻不同冠层的农药沉积分布

水稻苗期、封行期和破口期使用3 种植保器械喷施农药后，在田间植株上中下层的沉积分布情况如图2 所示。

苗期 (图2A)：使用手动喷雾器时，在水稻田间上层和下层的平均沉积量分别为1.148 和1.259 μg/cm2，使用电动喷雾器时分别为1.203 和1.124 μg/cm2，使用植保无人飞机时沉积量分别为1.191和0.896 μg/cm2。差异显著性分析表明：手动和电动喷雾器处理时上层和下层沉积量差异不显著，植保无人飞机处理时上层沉积量显著高于下层值(P＜0.01)。

封行期 (图2B)：使用手动喷雾器时，在水稻田间上、中和下层的平均沉积量分别为2.369、1.674 和1.467 μg/cm2，使用电动喷雾器时分别为2.190、2.206 和1.105 μg/cm2，使用植保无人飞机时分别为1.349、0.652 和0.417 μg/cm2。差异显著性分析表明：手动喷雾器、电动喷雾器和植保无人飞机处理时，上层或中层沉积量均显著高于下层。上述3 种植保器械喷施后，上层和中层沉积量之和占对应总沉积量的比例分别为73.38%、79.91%和82.75%，说明水稻封行期喷施的药液主要集中在植株上层和中层。

破口期 (图2C)：使用手动喷雾器喷施药液时，在水稻田间上、中、下层的平均沉积量分别为2.172、2.370 和1.213 μg/cm2，使用电动喷雾器时分别为2.115、2.268 和1.233μg/cm2，使用植保无人飞机时分别为0.976、0.700 和0.514 μg/cm2。差异显著性分析表明：手动喷雾器、电动喷雾器和植保无人飞机处理时，上层或中层沉积量均显著高于下层。上述3 种植保器械喷施后，上层和中层沉积量之和占对应总沉积量的比例分别为78.92%、78.04%和76.54%，说明水稻破口期喷施的药液也主要集中在植株上层和中层。

图2 水稻不同生育期使用3 种器械喷施药液在水稻田间不同层的沉积分布Fig. 2 The deposition distributions of different-stage rice plants sprayed with three kinds of instruments in the rice field

2.4 水稻不同生育期使用3 种植保器械喷施药液的雾滴参数比较

图3 显示了使用手动喷雾器、电动喷雾器和植保无人飞机在水稻苗期 (图3A)、封行期 (图3B)和破口期 (图3C) 喷施农药药液 (含诱惑红示踪剂)在田间植株不同层卡纸上的雾滴沉积情况。由图3可知，植保无人飞机的雾滴面积较小，且较均匀，而手动喷雾器和电动喷雾器由于喷施药液量较大，上层和中层雾滴覆盖度较高，尤其上层卡纸雾滴聚并现象明显，说明雾滴不同层的沉积量和雾滴大小对于药液在植株叶片上的沉积可能存在关联。

图3 水稻不同生育期使用3 种器械喷施药液在不同层卡纸上雾滴情况 (标尺=1 cm)Fig. 3 The droplets status on cardboards of different-stage rice plants sprayed with three kinds of instruments in the field (bar=1 cm)

2.4.1 雾滴大小及均匀度 水稻不同生育期使用3 种植保器械喷施农药药液在田间植株不同层卡纸上雾滴大小如图4 所示。

苗期 (图4A)：手动喷雾器处理后，植株下层和上层卡纸的平均雾滴面积分别为5.067 和5.329 mm2；电动喷雾器处理后，其平均雾滴面积分别为3.471 和3.984 mm2；植保无人飞机处理后，平均雾滴面积分别为0.288 和0.301 mm2。

封行期 (图4B)：手动喷雾器处理后，植株下层和中层卡纸的平均雾滴面积分别为1.566 和3.648 mm2；电动喷雾器处理后，平均雾滴面积分别为1.052 和1.503 mm2；植保无人飞机处理后，其分别为0.294、0.188 和0.278 mm2。

破口期 (图4C)：手动喷雾器处理后，植株下层、中层卡纸的平均雾滴面积分别为0.445 和1.364 mm2；电动喷雾器处理后，其分别为0.245和0.868 mm2；植保无人飞机处理后，其分别为0.274、0.285 和0.290 mm2。从雾滴大小的结果可知，植保无人飞机喷施在水稻各个生育期内的雾滴大小差异不显著，封行期和破口期内采用手动和电动喷雾器喷施后中层的雾滴大小均显著高于下层结果。

图4 水稻不同生育期使用3 种器械喷施药液在不同层卡纸上雾滴面积比较Fig. 4 The comparison of droplets area on cardboards of different-stage rice plants sprayed with three kinds of instruments

采用变异系数 (CV)分析了雾滴大小均匀度，即雾滴面积的均匀度，结果见表2。手动喷雾器、电动喷雾器和植保无人飞机在水稻生育期喷施药液的雾滴大小的平均变异系数分别为62.55%、53.28%和32.78%，说明植保无人飞机喷施药液的雾滴均匀度最好。

表2 不同处理雾滴大小变异系数Table 2 The coefficient variation (CV) of droplets size in different treatments

2.4.2 雾滴密度 在水稻不同生育期使用三种植保器械喷施农药药液，田间植株不同层卡纸上雾滴密度如图5 所示。

苗期 (图5A)：手动喷雾器处理后，植株下层、上层卡纸的平均雾滴密度分别为18.3 和18.2个/cm2；电动喷雾器处理后，平均雾滴密度分别为22.5 和21.5 个/cm2；植保无人飞机处理后，平均雾滴密度分别为37.0 和46.5 个/cm2。

封行期 (图5B)：手动喷雾器处理后，植株下层、中层卡纸的平均雾滴密度分别为29.6 和13.5个/cm2；电动喷雾器处理后，平均雾滴密度分别为40.9 和26.5 个/cm2；植保无人飞机处理后，平均雾滴密度分别为26.2、43.2 和68.2 个/cm2。

破口期 (图5C)：手动喷雾器处理后，植株下层和中层卡纸的平均雾滴密度分别为60.5 和45.3个/cm2；电动喷雾器处理后，平均雾滴密度分别为104.3 和65.5 个/cm2；植保无人飞机处理后，平均雾滴密度分别为16.0、32.8 和50.1 个/cm2。

图5 水稻不同生育期使用3 种器械喷施药液在不同层卡纸上雾滴密度比较Fig. 5 The comparison of droplets density on cardboards of different-stage rice plants sprayed with three kinds of instruments

从雾滴密度结果可知，由于苗期和封行期雾滴面积较大，卡纸上单位面积雾滴密度对应减少；植保无人飞机在封行期和破口期的雾滴密度从田间植株的上层至下层依次显著递减。

3 结论与讨论

本研究发现：同一水稻生育期使用植保无人飞机喷施的农药沉积率显著大于电动和手动喷雾器，且植保无人飞机在水稻苗期、封行期和破口期喷施农药的沉积率分别为35.84%、45.15%和52.42%；同一植保器械在水稻不同生育期喷施农药的沉积率也存在显著差异，即破口期＞封行期＞苗期。药液沉积主要集中在水稻植株的上层和中层。雾滴分布与器械种类和水稻植株生长形态相关。相对于传统施药器械，植保无人飞机喷施的雾滴小，且均匀度更好。

农药沉积率与植保器械种类和水稻生育期密切相关。本研究结果表明：在水稻的不同生育期，农药沉积率均以植保无人飞机处理最高，电动喷雾器次之，手动喷雾器最差，可见植保器械是影响农药沉积率的重要因素。近年来，随着植保无人飞机的大面积推广应用，在水稻病虫害防治中农药的沉积率已达49.1%，显著高于背负式常规喷雾技术[16]，本研究结果与之一致。此外，3 种植保器械在水稻破口期施药的农药沉积率均为最高，可能与水稻植株的生长形态相关。

农药药液在喷施过程中，雾滴在水稻冠层的沉积分布与喷雾器械、操作条件、气象条件、植株冠层结构和叶片表面特性等均相关[16]。本研究发现：除苗期外，在水稻封行期和破口期喷施时，药液主要沉积在上层和中层卡纸，这可能与水稻不同生育期的植株结构相关，此结果与徐德进等[23]报道的结果一致。雾滴大小及均匀度结果表明：植保无人飞机的雾滴大小各处理差异均不显著，且均匀度最好；而手动喷雾器和电动喷雾器处理后，各层卡纸上雾滴大小均为：苗期＞封行期＞破口期，推测原因是手动喷雾器和电动喷雾器用水量较大，且苗期植株较小，雾滴叠加而使卡纸上雾滴增大。分析表明，卡纸上雾滴密度与雾滴大小存在一定关联，由于苗期和封行期雾滴面积较大，因此卡纸上单位面积雾滴密度则对应减少。植保无人飞机在封行期和破口期施药时雾滴密度从上层卡纸至下层卡纸依次递减，而雾滴面积变化不大，可能是上层至下层的药液沉积量逐渐减少的原因。

相对于常规植保器械，植保无人飞机以较高的农药沉积率和药液雾化效果，在水稻病虫害防控中具有一定的优势。Qin 等[24]报道，使用植保无人飞机防控水稻褐飞虱的效果相比于担架式喷雾器具有更好的持效期和杀虫效果。李燕芳等[25]报道，采用植保无人飞机防治水稻主要病害的效果优于人工施药。目前植保无人飞机已广泛应用于水稻病虫害防治，同时可应用于播种、施肥、田间管理和病虫害监测等，表明其在农业生产领域发挥越来越重要的作用，有助于达到农药化肥减量增效控害的目的。