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      行業信息

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      植保無人飛機施用農藥應用研究進展及管理現狀
      責任編輯:左彬彬 來源:《農藥學學報》2023年第2期 日期:2023-04-28
       

      植保無人飛機是在機身上搭載施藥裝置,通過控制系統和傳感器操控實現對作物精準施藥的航空器械。按機翼類型可分為單旋翼、雙旋翼和多旋翼,按照動力源則分為油動和電動兩種。植保無人飛機具有作業效率高、節水省藥、機動靈活、對施藥人員安全等特點,且應用區域廣泛,特別適合于地面施藥器械難以到達的區域(丘陵、山地等)進行農藥噴霧作業。隨著我國農村勞動力向城市轉移,農村的勞動力嚴重不足,植保無人飛機施藥成為緩解農村施藥勞動力不足問題的重要途徑之一。


      我國植保無人飛機施藥起步較晚,但發展迅速,據統計,2021年我國植保無人飛機年作業面積已達0.93億公頃次,植保無人飛機數量達到16萬架(https://www.uastc.com/repository_zhibao/show/217.html),在植保無人飛機數量、作業面積和技術發展等方面處于世界領先地位。目前植保無人飛機的研究主要集中于霧滴在作物冠層的沉積分布、霧滴飄移、對病蟲害防控效果以及功能助劑的使用等方面,以實現提高霧滴分布、降低飄移和提高防效的目標。但目前針對植保無人飛機施藥后的膳食風險、環境風險和健康風險研究較少。此外,我國還未見有登記植保無人飛機專用藥劑,農藥標簽上也未標明適用于飛機防治(下簡稱″飛防″)的推薦使用劑量、安全間隔期等信息,與《農藥管理條例》關于農藥登記第十三條的要求存在偏差。目前我國飛防藥劑登記管理制度仍不完善,亟需制定相關的管理政策、登記要求和配套技術規范。因此,筆者從植保無人飛機的發展現狀、應用技術、風險研究進展以及國際航空植保藥劑登記管理經驗等方面進行綜述,以期為我國植保無人飛機施藥的科學健康發展和飛防藥劑的規范管理提供參考。


      1

      植保無人飛機的發展現狀


      日本由于耕地面積小,地形復雜多山,適合于植保無人飛機作業。日本是國際上最早研發植保無人飛機的國家,1990年日本雅馬哈公司生產出世界第一架用于噴灑農藥的植保無人飛機″R50″,而后快速發展成為植保無人飛機應用最先進的國家之一。2021年日本參與航空施藥的植保無人飛機有2,744架,操作人員9,842人,主要用于防治水稻、小麥、大豆和森林等病蟲害,防治面積達到了95.6萬公頃,占總耕地面積的1/5。日本植保無人飛機施藥遵守《關于無人直升機噴灑農藥的安全指南》和《關于無人多旋翼無人飛機噴灑農藥的安全指南》中的規定,且植保無人飛機用農藥需登記管理,截止至2022年9月,日本已登記的飛防藥劑產品有393個,包括70個殺蟲劑,83個殺菌劑,28個殺蟲殺菌劑混劑,208個除草劑,4個植物生長調節劑,主要劑型有乳油、微乳劑、水乳劑和顆粒劑,飛防藥劑登記數據庫由日本植保協會(JPPA)管理。在日本,植保無人飛機主要生產企業為雅馬哈,其占日本植保無人飛機市場的90%,主要為RMAX和FAZER系列單旋翼無人直升機,其余則為鈴木和Yama Motor等公司生產小型植保無人飛機。在2015年之前,日本植保無人飛機僅有單旋翼,之后日本公司開始推出多旋翼植保無人飛機。日本植保無人飛機作業主要為人工操控,如飛行速度、方向和噴灑間距由人工控制,飛行高度和姿態則為自動控制,除操控植保無人飛機人員外,還需輔助人員,負責監視植保無人飛機的飛行軌跡和提示作業周邊人員、車量以及障礙物情況。


      在韓國,2003年首次引進植保無人飛機,防控面積為0.2萬公頃;2019年則增加至約為194萬公頃,韓國的30%水稻耕地面積由植保無人飛機施藥;2020年制定了《無人飛機噴施農藥手冊》,使用植保無人飛機施藥需遵循該手冊。與日本一樣,韓國植保無人飛機所用農藥需要登記,目前,韓國已登記的飛防藥劑產品有203個,包括88個殺蟲劑、80個殺菌劑、6個殺蟲殺菌劑混劑和29個除草劑,主要劑型有懸浮劑、乳油、微乳劑、水分散粒劑和顆粒劑。與日本登記農藥不同的是,韓國登記農藥主要為殺蟲劑和殺菌劑,而日本則主要為除草劑。韓國基本不生產植保無人飛機,使用的植保無人飛機和施藥技術主要從中國和日本引進。


      目前,中國已超越日本和韓國,成為植保無人飛機擁有和使用大國。中國生產的植保無人飛機的主流企業有大疆、極飛、極目、高科、全豐和漢和等,且市場上應用的植保無人飛機以電動多旋翼為主。中國植保無人飛機作業時,設定飛行路線后可實現自主飛行,且具備主動避障功能,可輕松應對復雜作業環境。植保無人飛機除噴施農藥外,還可實現播種和施肥等,提高田間作業效率。


      美國、加拿大等農業發達國家是以大型地面植保機械和有人駕駛航空器為主體的有害生物防控施藥體系,施藥器械主要是固定翼飛機和載人直升機。歐盟則因航空噴灑農藥的飄移會對環境和人類健康產生風險,從而禁止航空噴施農藥,植保無人飛機僅被用于森林和陡坡葡萄園等無其他可行替代噴灑方案的特殊情況。


      2

      植保無人飛機施藥應用研究進展


      植保無人飛機施藥是新型高效施藥方式,其施藥霧滴沉積分布、防治效果、飄移數量均密切影響著農藥使用的有效性和安全性,國內外研究機構圍繞這3個方面取得重要進展。


      2.1  沉積分布研究


      施藥器械的霧滴沉積分布、沉積量和均勻性是影響防效的重要因素。研究表明,霧滴粒徑、下洗氣流、作業參數、環境風速、作物形態和噴霧助劑等因素均會影響植保無人飛機施藥沉積分布特征。噴頭類型可影響霧滴粒徑。Chen等研究了配置4種不同孔徑噴頭的多旋翼植保無人飛機噴施農藥時霧滴在水稻冠層的沉積分布,發現隨著霧滴粒徑的增加,在水稻冠層上下層的霧滴沉積率、滲透均隨之增加。漆海霞等研究發現,相較于液力式噴頭,離心式噴頭霧滴粒徑小,霧滴覆蓋密度大,在水稻植株上具有更好的霧滴穿透效果。植保無人飛機動力源和旋翼類型不同會產生不同的下洗氣流強度,從而影響霧滴的沉積分布。陳盛德等研究了影響兩種動力源單旋翼(油動單旋翼80-2型和電動單旋翼無人直升機HY-B-15L型)植保無人飛機噴施霧滴在水稻植株沉積均勻性的因素,發現作業高度會明顯影響前者的霧滴沉積均勻性,而對后者則為作業速度,主要因為前者產生的旋翼風場強于后者,作業時對水稻植株擾動大,從而影響霧滴沉積的均勻性。漆海霞等對比了單旋翼和多旋翼植保無人飛機的有效噴幅,發現單旋翼比多旋翼飛機有較大的有效噴幅,這可能與噴頭分布部位有關,因單旋翼植保無人飛機噴頭呈線性分布于噴桿上,多旋翼植保無人飛機噴頭呈圓形分布于旋翼正下方,從而導致霧滴分布及有效噴幅的差異。


      植保無人飛機的作業參數也會影響霧滴的沉積特征。植保無人飛機的作業參數主要為飛行速度、飛行高度和噴液量。Lv等發現,植保無人飛機在相同噴霧壓力和噴霧流量下,隨著飛機速度的提高,單位面積上的施藥量減少,從而降低了霧滴沉積密度、霧滴沉積覆蓋率和霧滴粒徑,同時霧滴分布的均勻性也隨之變差。陳盛德等在研究單旋翼植保無人飛機施藥霧滴在水稻冠層的沉積分布時發現,作業速度較慢時,因單位面積施藥液量的增加從而提高了霧滴在植株上的沉積量,且霧滴在下洗氣流作用下主要沉積在水稻植株中下層,穿透性好,而速度快時,則因水平氣流的作用導致霧滴主要沉積在水稻冠層;作業高度低時,單旋翼植保無人飛機的下洗氣流可加強藥液的傳輸而提高霧滴在植株上的沉積量,但同時對水稻植株擾動較大,從而會降低霧滴的穿透性。在環境中風速是影響霧滴沉積的主要因素。王玲等在風洞中研究了懸停狀態下植保無人飛機施藥在不同外界氣流風速下霧滴的沉積規律,發現外界氣流風速可顯著影響霧滴的沉積效果,且沉積高峰區隨風速增加而遠離噴頭。陳盛德等同樣發現,隨著風速的增加,霧滴沉積率呈指數下降,這主要是因為側風風速提高,導致霧滴飄移增加所致。因此,選擇植保無人飛機的適宜作業參數和環境參數(下洗氣流對作物擾動和側風影響小)以及較大的噴液量可有效提高霧滴沉積量。


      植保無人飛機施藥的霧滴沉積分布也與作物冠層形狀有關。樹冠層的形狀和葉片分布特征不同,也會影響霧滴的沉積分布和穿透性。Zhang等發現,使用四旋翼植保無人飛機在葡萄柚上噴施農藥時,自然叢狀開心型冠層上的液滴沉積密度高于紡錘形冠層。Tang等發現,使用四旋翼植保無人飛機在三角形(triangle-shaped tree)和倒三角形(inverted triangle-shaped tree)柑橘樹上噴施農藥,飛機在0.6~1.8 m高度作業時,霧滴在倒三角形柑橘樹下層的沉積密度比在三角形柑橘樹下層增加了36.5%~146.5%,且在倒三角形樹的下層,霧滴分布更為均勻。


      噴霧助劑(桶混助劑)是一種與農藥混合使用,用于改善藥液理化性質從而提高防控效果的物質。噴霧助劑可提高霧滴在有效靶區的沉積量,主要類型有油類(植物油類、礦物油類)、高分子聚合物類和有機硅類(表1)。


      表1  功能助劑類型及作用特點

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      何玲等研究發現,使用全豐飛防專用噴霧助劑烈鷹可使霧滴在水稻冠層的有效沉積效率增加1.28~1.36倍。陳曉等研究發現,采用電動四旋翼植保無人飛機施藥時,添加飛防助劑(ND800、G2801、倍達通)可有效提高氟啶蟲胺腈在棉花冠層的沉積密度。蘭玉彬等對比研究了6種助劑(Ultimate、Starguar4A、Starguar4、邁飛、倍達通和Atplus Mso-Hs 500)對植保無人飛機施藥霧滴沉積特性的影響,發現添加供試助劑可有效提高霧滴密度、覆蓋率和沉積量,其中植物油類助劑倍達通的使用,可顯著增加霧滴的霧滴體積中徑,且沉積量最大,這與倍達通有較好的抗蒸發能力有關,因此在田間作業時,可優選植物油類助劑來降低霧滴飄移,提高霧滴沉積。不同助劑配方不同,對霧滴理化性質改變的特點不同,通?稍黾屿F滴體積中徑、抗飄移、抗蒸發,增加在葉面的潤濕鋪展和抗彈跳等。如Ultimate可顯著降低霧滴表面張力和接觸角,具有良好的潤濕鋪展性,若在疏水作物表面施藥,可優先選擇Ultimate。因此在田間施藥時需基于作物類型和氣象條件選擇合適助劑方可達到理想防效。


      良好的霧滴沉積分布是保證防效的前提,在實際生產應用中如何提高霧滴沉積分布保證防效仍是研究重點,目前研究表明,植保無人飛機施藥在適宜的環境條件下,選擇合適的噴頭、作業參數,且添加助劑可有效提高霧滴的沉積分布和均勻性。然而我國植保無人飛機型號較多,不同型號對霧滴沉積分布的影響因素不同,沉積分布規律也可能不同,探索不同型號植保無人飛機間沉積分布規律的研究仍然不足,因此在未來研究中可加強研究不同型號植保無人飛機間沉積分布規律差異,總結規律,制定標準,以便為我國植保無人飛機的合理使用提供參考。


      2.2  防治效果研究


      對有害生物的實際防治效果一直是植保無人飛機施藥者關注的焦點。目前,植保無人飛機施藥和地面施藥方式的防效差異、減施增效及影響因素等已在水稻、小麥、玉米和棉花等大田作物上開展了較多的研究。


      對于水稻作物,Qin等研究發現,采用小型植保無人飛機噴施毒死蜱防治水稻稻飛虱時,在藥后3 d、10 d的防效分別為92%和74%,其殺蟲效果和持效期均優于擔架式噴霧器。寧國云等研究發現,植保無人飛機、擔架式噴霧機和背負式電動噴霧器3種施藥方式對水稻不同部位發生的病蟲害的防治效果存在差異,其中對于發生在水稻基部的病蟲害,如稻飛虱和紋枯病,采用擔架式機動噴霧機噴施的防效優于植保無人飛機和背負式電動噴霧器,而對水稻上部發生的稻縱卷葉螟和稻曲病,植保無人飛機和擔架式機動噴霧機施藥的防效相近,并優于背負式電動噴霧器。張亞莉等發現,多旋翼植保無人飛機按照金龜子綠僵菌油懸浮劑的常規推薦劑量的80%噴施,即可滿足防治水稻稻飛虱的要求。曾文等研究發現,四旋翼植保無人飛機噴施6%阿維•氯苯酰時,在減施20%條件下對稻縱卷葉螟的防治效果仍可達到人工背負式噴霧器的效果。孫梅梅等發現,植保無人飛機噴施75%肟菌•戊唑醇時,在添加助劑(懷農特)且減施15%的條件下,對稻曲病的防效仍可達到其推薦劑量時的防效。


      對于小麥作物,Qin等研究發現,使用N-3型植保無人飛機噴施三唑酮防治小麥白粉病時,在減施20%的情況下,藥后第7天的防效仍顯著高于使用背負式噴霧器按照推薦劑量施藥。Meng等發現,使用單旋翼油動植保無人飛機噴施添加了飛防專用助劑(烈鷹)的吡蟲啉防治麥蚜時,在減量20%時的防效仍與植保無人飛機和背負式噴霧器正常劑量施藥相當。Zhao等研究發現,非離子型表面活性劑Surfom ADJ 8860可降低霧滴表面張力、接觸角和潤濕時間,且可顯著抑制霧滴在葉片表面的反彈,增加有效成分的沉積量,提高霧滴在小麥葉片中的鋪展和黏附性能,在使用植保無人飛機噴灑戊唑醇時添加Surfom ADJ 8860,對小麥白粉病的防效可提高1.84倍,且在減施1/3的情況下其防效仍是空白處理的1.61倍。


      對于玉米作物,Wang等研究發現,在同等劑量下噴施植物生長調節劑EDAH(27%乙烯利+3% DA-6)對玉米生長調節的效果植保無人飛機優于背負式噴霧器,且使用前者減施20%時仍可達到后者施藥的效果。此外,王明等對比研究了使用單旋翼、六旋翼電動植保無人飛機、背負式手動噴霧器、電動噴霧器和擔架式動力噴霧機在茶園施藥時對茶小綠葉蟬的防效,發現施藥后4 d植保無人飛機與傳統施藥器械間的防效無顯著差異,而10d時植保無人飛機的防效為72.9%~75.6%,高于傳統施藥器械的防效(65.8%~71.6%),植保無人飛機施藥有更長的持效期,這可能與植保無人飛機施藥在茶葉上的沉積率比傳統施藥器械顯著提高有關。在棉花上,趙冰梅等研究發現,使用四旋翼植保無人飛機噴施50%氟啶蟲胺腈水分散粒劑在添加1.5%飛防專用助劑且減施30%藥量時,對棉蚜防治的速效性和持效性均優于植保無人飛機和電動噴霧器按推薦劑量施藥。因此,植保無人飛機在施藥時,添加合適的助劑可有效提高藥效,減少農藥使用量,降低農藥應用風險,且植保無人飛機施藥可節省水,節省勞力,提高作業效率。


      藥劑防效與其沉積特征密切相關,影響植保無人飛機施藥的防效因素主要為飛機的作業參數(飛行速度、高度和施藥液量)和藥劑劑型。曾文等研究發現,植保無人飛機噴施6%阿維•氯苯酰時,施藥液量增高可顯著影響其對稻縱卷葉螟的防效,即在施藥液量為22.5 L/hm2時,其對稻縱卷葉螟的防效顯著高于藥液量為15L/hm2。張亞莉等也發現,在使用植保無人飛機噴施金龜子綠僵菌防治稻飛虱時施藥液量可影響防效,施藥量為22.5 L/hm2(防效:40%~53%)時優于15 L/hm2(防效:35%~37%)。韓沖沖等發現,飛行高度會影響植保無人飛機噴施戊唑醇•肟菌酯對水稻稻瘟病和紋枯病的防效,在1.5~2.5 m作業高度時的防效與采用人工背負式噴霧器噴施無顯著差異,且在作業高度為2 m時防效最優,而在1.2 m和3 m時,植保無人飛機施藥的防效低于或顯著低于人工噴施處理,這與植保無人飛機飛行過低時旋翼擾動過高導致霧滴沉積量顯著下降有關。Qin等優化了小型植保無人飛機飛行高度和速度兩種作業參數對噴施毒死蜱防治稻飛虱的影響,得到最優的飛行高度(1.5 m)和速度(5 m/s)。因此,為達到較好的防效,植保無人飛機需要在合適的飛行速度、高度和施藥液量下作業。


      農藥劑型也是影響植保無人飛機施藥時防效的因素之一。沙帥帥等發現,使用P20植保無人飛機噴施吡蟲啉超低容量液劑對棉蚜的防效優于同等條件下噴施其乳油,而在同等施藥劑量下采用噴桿噴霧機噴施吡蟲啉乳油對棉蚜的防效則高于植保無人飛機,且有較好的持效性。鄭藝翔等發現,使用六旋翼植保無人飛機噴施吡蟲啉可溶性液劑和微乳劑對棉蚜的防效優于其水分散粒劑、懸浮劑和可濕性粉劑。王愛玉等發現,使用植保無人飛機噴施吡蟲啉防治棉蚜時,其可溶性液劑的防治效果最好,其他劑型的防效依次為水分散粒劑、乳油、可濕性粉劑。因此,篩選出適用于植保無人飛機且防效好的劑型,有利于提高藥劑防治效果,在后續登記用于植保無人飛機用藥時,需登記與植保無人飛機匹配且效果好的劑型。


      綜上所述,在使用植保無人飛機施藥時,選擇合適的作業參數、藥劑并添加適當的助劑,可有效改善防治效果,從而超越傳統施藥器械的防效。采用植保無人飛機施藥,在獲得較好防效的同時,也提高了作業效率和經濟效益。目前我國已開始制定《植保無人飛機噴施農藥防治大田作物病蟲害田間藥效試驗準則》,規定了植保無人飛機施藥時的田間試驗條件、試驗設計、試驗結果調查統計方法和作業質量指標等,該準則正處于批準階段,準則的制定將有效規范植保無人飛機適用藥劑藥效登記試驗,獲得規范科學試驗評價數據,有利于植保無人飛機的推廣應用。


      2.3  農藥飄移因素研究


      農藥飄移是指在施藥過程中或施藥后的一段時間內,農藥液滴或顆粒從空氣中的目標區向非目標區移動的過程。植保無人飛機作業高度顯著高于常規的地面施藥器械,且其噴施霧滴粒徑小,因而易產生飄移。飄移是造成農藥環境風險的主要因素。影響植保無人飛機噴施農藥而產生飄移的因素很多,如飛機噴桿長度、旋翼數量、噴頭型號、霧滴粒徑、作業參數、氣象條件和藥液性質等。目前關于植保無人飛機飄移研究的主要方式為田間實際研究和風洞模擬研究。


      Wang等研究了3種型號的單旋翼植保無人飛機(電動:HY-B-15L;油動:3CD-15,3WQF120-12)施藥時的飄移情況,發現三者的噴霧飄移量分別占總噴霧量的23.0%、9.4%和2.4%,且發現噴桿長度是影響飄移的主要因素,如HY-B-15L與3WQF120-12噴霧的霧滴粒徑(245和243 μm)相似,但HY-B-15L施藥的飄移比例是3WQF120-12的9.6倍,HY-B-15L噴桿長度是旋翼長度的95%,而3WQF120-12噴桿長度為旋翼長度56%,因此,飄移量較高可能是由于噴桿長度太長導致,同時霧滴易受下洗氣流的影響而更易飄移;此外,霧滴粒徑也是影響飄移的主要因素之一,HY-B-15L作業時的飄移比例是3CD-15(324 μm)作業的2.4倍。Wang等對比研究了六旋翼、八旋翼植保無人飛機和直升機作業時的飄移率,發現六旋翼植保無人飛機的飄移率小于八旋翼植保無人飛機和直升機,而八旋翼植保無人飛機與直升機無顯著差異。


      噴頭型號也可影響霧滴飄移。Wang等在風洞中研究了離心式噴頭在不同轉速下霧滴尺寸特征,并在室外測定了四旋翼電動植保無人飛機(P20)安裝該噴頭時的霧滴尺寸和風速對噴頭噴幅內沉積和飄移的影響,發現霧滴粒徑隨著噴頭轉速的增加而減小,且霧滴小于100和150 μm的占比增加,表示飄移風險增加,同時室外測試表明隨風速的增大和霧滴粒徑的減小,飄移率和90%累積飄移位置均增加。Wang等在風洞中對比研究了10種不同型號的噴頭(扇形噴頭、圓形噴頭和空氣射流噴頭)對霧滴飄移的影響,發現隨著噴頭尺寸的增加,霧滴粒徑逐漸增大,抗飄移能力逐漸增加,且發現空氣射流噴頭(IDK系列)的減飄效果最好。Chen等發現同種植保無人飛機上4種不同霧滴粒徑(95.21~185.09 μm)的噴頭噴施在水稻冠層上的霧滴累積飄移率范圍為23.06%~73.87%,霧滴累積飄移率和飄移距離隨著霧滴粒徑的增大而減小。植保無人飛機噴施的飄移也受旋翼下洗氣流的影響。文晟等采用數字模擬法模擬單旋翼植保無人飛機旋翼流場,研究了不同飛行速度下,植保無人飛機翼尖渦流形成對霧滴飄移的影響,發現在飛行速度大于3 m/s時,開始形成尾渦,且隨飛行速度和高度的增加,尾渦向機身后方擴散的距離越遠,尾渦會誘導機身下方霧滴向上飄移,在飛行速度為5 m/s,高度為3 m時,會導致38%霧滴形成空中飄移。


      在田間植保無人飛機實際應用中氣象因素和作業參數會影響飄移。石鑫等研究了環境風速、飛行高度和飛行速度三種因素對電動多旋翼植保無人飛機霧滴飄移的影響,發現側風風速為飄移的主要因素。Chen等發現植保無人飛機施藥時飄移距離與風速、噴霧角度(噴頭垂直向下為0°)和壓力有關,在固定噴霧角度和壓力時,飄移距離隨側風風速增加而增加,而飄移距離會隨噴霧角度的增加而減小,飄移距離與噴霧壓力為正相關,壓力越大,飄移越遠,因此,在施藥時,可據實際風速調整噴霧角度和壓力降低霧滴飄移。應用噴霧助劑可提高霧滴粒徑,降低小霧滴比例,從而降低飄移。曾愛軍等研究發現,Silwet DRS-60、邁飛和Y-20079等3種助劑的減飄率分別為43.3%、15.6%和5.2%,其中Silwet DRS-60的抗飄移效果最好,且在高溫低濕條件下,添加助劑的減飄效果較好。林金元等發現,植保無人飛機使用液力式噴頭噴施,添加助劑(邁飛、倍達通、DS10870)可顯著提高霧滴粒徑,降低粒徑小于150 μm小霧滴的比例,且植物油類噴霧助劑倍達通具有最佳的霧滴蒸發抑制率,可顯著降低飄移(90%累積飄移位置降低4.8~6.4 m)。Wang等發現不同助劑的抗飄移效果不同,其中抗飄移效果最好的依次為Silwet DRS60、MF和Y-20079。飛防助劑的效果與噴頭類型有一定關系,林金元研究發現,傳統液力式噴頭使用助劑時對霧滴粒徑的影響與射流噴頭(IDK)相反。


      由此可見,使用植保無人飛機施藥時影響農藥飄移的因素眾多,而為了推動植保無人飛機施藥的綠色發展,解決其飄移問題至關重要。一方面,在植保無人飛機設計時應考慮采用合適的旋翼類型,噴桿長度,噴頭的型號、位置和角度等,從源頭上降低飄移率;另一方面,在施藥時,需根據施藥環境確定合適的施藥參數,添加合適的抗飄移助劑,從而減少施藥飄移,提高農藥利用率,并降低農藥因飄移造成的環境風險。


      3

      植保無人飛機施藥應用風險研究進展


      3.1  施藥職業暴露健康風險


      人工背負式噴霧器施藥過程中農藥的過量暴露可能造成施藥人員急性中毒,長期低劑量接觸也可能威脅人體健康。植保無人飛機施藥雖實現人機分離,不與農藥直接接觸,但其飄移距離明顯大于常規地面施藥器械,飄移的霧滴會對施藥人員造成農藥暴露。研究表明,植保無人飛機施藥對操作者的暴露量顯著低于背負式噴霧。徐少卿等對比研究了多旋翼植保無人飛機和電動背負式噴霧器在水稻田中施用氯蟲苯甲酰胺和苯醚甲環唑時在施藥人員身上的農藥暴露量,發現采用多旋翼植保無人飛機施藥時在施藥人員身上的暴露量顯著低于采用背負式噴霧器。同樣,Yan等研究也發現,在豇豆田施藥時,采用背負式噴霧器施藥人員的農藥暴露量是植保無人飛機施藥的14.5倍。呂運濤等根據NY/T 3153-2017《農藥施用人員健康風險評估指南》對采用植保無人飛機在水稻田施用噁唑酰草胺時,配藥人員和飛機操作人員(簡稱飛手)的職業健康暴露風險進行了評估,發現飛手的健康風險為可接受(風險系數<1),而配藥人員健康風險為不可接受(風險系數>1),建議配藥人員使用不滲透的手套且加大手套更換的頻率,從而降低配藥人員的職業暴露風險。此外,植保無人飛機施藥時,因旋翼渦流作用飄移產生的部分藥液會吸附在機身上,從而導致飛手在施藥后收回植保無人飛機時產生農藥暴露。Liu等研究表明,植保無人飛機的旋翼氣流導致大量液滴附著在機身上,從而在機身上的污染是風送式噴霧機的5倍。


      綜上,采用植保無人飛機施藥時農藥暴露途徑主要有施藥前配藥暴露、施藥時農藥在空氣中飄移暴露和施藥后機身暴露,其中農藥在空中飄移的暴露風險較低,而配藥時暴露風險較高,需要密切關注。此外,植保無人飛機在施藥后機身上農藥的殘存量大,但是并未評估其暴露風險。目前關于植保無人飛機施藥的職業暴露風險僅評估了單一途徑的暴露風險,未綜合考慮3種暴露途徑的累積暴露風險,因此在后期的研究中可綜合評估3種途徑的累積暴露風險。最后,因植保無人飛機施藥時農藥的暴露途徑與使用傳統施藥器械時的不同,目前常用的職業健康風險評估模型是否適合還不清楚,因此,今后還需加強研究,累積數據,為評估現有健康風險評估模型或建立植保無人飛機施藥健康風險評估模型建立提供數據基礎。


      3.2  施藥殘留暴露膳食風險


      農產品中農藥殘留是人們關注的重點,采用植保無人飛機施藥可能增加農作物中的農藥沉積,從而提高其膳食風險。由于不同類型植保無人飛機的噴施特性不同,導致其霧滴粒徑不同,造成沉積分布不同,是否會造成農作物中可食部位的沉積量和消解動態的差異還不清楚。目前僅見有少量關于使用植保無人飛機施藥后農藥殘留沉積量和消解的研究報道。劉春來等對比研究了在同等施藥劑量下采用植保無人飛機和背負式噴霧器在水稻上噴施吡蚜酮后,發現植保無人飛機施藥在稻谷和植株上的初始沉積量分別是是背負式噴霧器的1.4倍和1.5倍,施藥14 d后,稻谷中吡蚜酮殘留量是背負式噴霧器的2.8倍,植株中是3.7倍,稻谷上的最終殘留小于最大殘留限量(MRL)。蒙艷華等發現植保無人飛機噴施戊唑醇在小麥穗中的初始沉積量和最終殘留分別是背負式噴霧器的1.2~1.8倍和1.6~2.2倍,在麥葉中分別為3.0~3.6倍和1.2~1.8倍。楚博等研究表明,植保無人飛機在茶園中噴施蟲螨腈、溴氰菊酯、茚蟲威等6種農藥后7 d,干茶葉中的農藥殘留量是背負式電動噴霧器的1.20~2.44倍。郭華偉等研究表明植保無人飛機在茶園中噴施蟲螨腈其初始沉積量是背負式噴霧器的1.07倍,而在新鮮葉片中消解半衰期無顯著差異,分別為3.9 d和4.2 d。美國國家農業化學品協會(NACA)曾比較了地面施藥和有人駕駛飛機噴施的農藥殘留,發現在相同施藥頻率和采收間隔期條件下,地面施藥產生的殘留與航空施藥相當或比其更高,可能是因有人駕駛飛機飛行高度高,飄移嚴重導致有效沉積量的降低,如姚偉祥等研究發現有人駕駛直升機在側風風速為1.1~2.3 m/s時,90%霧滴沉積飄移距離在27.61~48.94 m。農藥殘留是評估膳食風險的重要參數,是農藥登記試驗評價的重要內容,而目前植保無人飛機施藥條件下的農藥殘留研究較少,無法準確評估植保無人飛機施藥與傳統地面施藥器械施藥間的膳食風險差異。因此,亟需開展植保無人飛機與傳統施藥器械間施藥的農產品殘留差異對比研究,評估膳食風險差異,為規范植保無人飛機專用藥劑登記田間殘留試驗和技術評價提供數據支撐。


      3.3  施藥環境風險


      植保無人飛機噴施屬于超低容量噴施,施藥濃度高,且作業高度較高,產生農藥的飄移會危害到附近敏感作物,或者危害到天敵昆蟲類非靶標生物以及人類的安全。閆曉靜等研究發現相較于背負式噴霧器、植保無人飛機噴施新煙堿類農藥會顯著提高對非靶標生物蜜蜂的風險,研究發現在施藥區下風向5 m處,背負式電動噴霧器和多旋翼植保無人飛機的霧滴飄移率分別為0.50%和23.98%,在17 m時植保無人飛機的飄移率仍為2.79%,且飄移總量顯著高于背負式電動噴霧器。魯文霞等研究發現,P30四旋翼植保無人飛機在風速為0.1~4.0 m/s時,90%累積飄移距離在下風向的6~22 m。王瀟楠等發現,油動單旋翼植保無人飛機(3WQF80-10)在側風風速為0.76~5.5 m/s時,90%累積飄移霧滴沉降在噴霧區下風方向水平距離9.3~14.5 m。石鑫等發現電動多旋翼植保無人飛機在側風風速為1.1~7.0 m/s時,90%霧滴沉降在噴霧區下風向7.0~27.3 m。王國賓等發現,在使用P30電動四旋翼植保無人飛機在冬小麥田噴施除草劑時在不同的側風速下90%累積飄移距離為4.8~22.4 m。Xue等發現Z-3型單旋翼植保無人飛機在水稻田施藥時在非靶區的飄移量為12.9%,且90%霧滴累積飄移位置在8 m內。因此,植保無人飛機在施藥時由于作業高度高于傳統地面施藥器械,易受環境風速影響,其飄移量和飄移距離高于傳統地面施藥器械,從而提高了環境風險。目前,在對植保無人飛機飄移方面的研究主要為飄移距離、影響因素等方面,對非靶標生物的風險評估的報道僅見中國農業科學院植物保護研究所閆曉靜等的一篇對蜜蜂風險的報道,缺乏其他環境生物的風險評估的研究。此外,農藥施用除霧滴飄移產生風險外,還會沉積或流失到土壤中,對土壤生物(如蚯蚓、土壤微生物或小型節肢動物)產生風險。相較于傳統施藥方式,植保無人飛機施藥用水量少,且下洗氣流有助于藥液在作物冠層的沉積分布,藥液不易從葉片上流失到土壤中,因此,其環境風險可能較低,但是目前還無關于評估植保無人飛機施藥造成的土壤環境風險的報道。因此,目前關于植保無人飛機施藥的環境風險的研究有限,缺乏植保無人飛機施藥環境風險數據,無法構建環境風險評估模型,仍需加強無人飛機施藥對環境中非靶標生物、鄰近敏感作物安全性的研究,為建立植保無人飛機施藥環境風險評估指南提供數據,同時為植保無人飛機的推廣使用提供數據支撐。


      4

      國際上植保無人飛機應用中的農藥管理


      4.1  日本


      2019年以前,日本農藥登記的申請資料中要求應用于植保無人飛機的農藥在登記時需要開展殘留試驗,主要采用變更使用方式管理,即農藥在已經獲得地面常規噴霧使用登記前提下,申請登記用于植保無人飛機低容量噴霧。在2014年修訂的《關于農藥登記申請資料要求》中,對于常規噴霧的殘留試驗,需根據作物分類確定殘留試驗點數量。其中大宗作物需開展6個或更多的殘留試驗,一般作物需開展3個或更多殘留試驗,小宗作物為2個或以上殘留試驗。對于植保無人飛機噴霧,已采用地面施用方式登記的農藥,在施用方法上需要增加空中施用或無人直升機施用時,其試驗點數為所需點數的一半以上(例如,常規登記要求試驗點數為3個或3個以下的,無人飛機應當開展2個或2個以上)。然而,在2019年,日本農藥監管部門再次修訂了《關于農藥登記申請資料要求》,重新規定了采用植保無人飛機噴施農藥時的殘留試驗要求,即對于已登記的農藥,擬申請在標簽中增加植保無人飛機使用方式的,若單位面積有效成分用藥量在原登記范圍內,無需重復開展殘留試驗;否則,需進行殘留試驗。此外,對于新型植保無人飛機噴施農藥的劑型,若現存的良好農業規范(Good Agricultural Practice,GAP)試驗中已有足夠的數據,則可免除殘留試驗。農藥標簽是農藥管理的重要內容,直接指導施藥者科學安全使用農藥。日本飛防藥劑的標簽中會在施藥方法處標注適用于植保無人飛機噴霧,且明確標注稀釋倍數以及用藥量等信息。


      4.2  韓國


      在韓國,航空施用藥劑的登記要求與普通噴霧的要求一致,需要重新開展田間殘留試驗,不可使用葉面噴霧的殘留試驗數據申請減免,其試驗設計方法可與普通殘留試驗一致,但需要使用植保無人飛機進行噴施。韓國在初始制定的植保無人飛機使用農藥登記的殘留試驗標準中使用的飛機是無人直升機,試驗小區面積為525 m2,緩沖距離5 m,飛行速度15 km/h,飛行高度4 m,直線飛行距離為20 m。由于韓國人均耕地面積較小,因而微小型植保無人飛機用于航空植保作業的形式正越來越被廣大農戶接受?紤]到小型植保無人飛機體積小于無人直升機的特點,2019年韓國對試驗標準進行了修訂,設定小型植保無人飛機飛行高度為2~3 m,飛行速度為8~11 km/h。為了便于在比稻田更窄的田地使用,試驗面積設定為192 m2,緩沖距離為2 m,在登記用于植保無人飛機噴施的藥劑標簽中需標有″無人飛機″字樣。韓國非常重視在植保無人飛機登記試驗中對鄰近敏感作物的安全性,要求觀察鄰近敏感作物藥害情況。不同登記作物鄰近作物的種類不同,例如,如果登記作物為水稻,鄰近作物包括甘藍、萵苣、黃瓜、辣椒、菜豆、紫蘇;如果登記作物是旱地作物,鄰近作物包括甘藍、萵苣、黃瓜、辣椒、菜豆、紫蘇、玉米,從而最大程度地保證植保無人飛機施藥的環境安全性。


      4.3  美國和加拿大


      美國環境保護署(Environmental Protection Agency,EPA)在對現有的航空施用農藥產品進行風險評估時,并未考慮植保無人飛機,因此,EPA面臨一個關鍵問題,即允許″航空應用″的農藥標簽是否適用于植保無人飛機和其他無人駕駛飛行器(UAV)。目前,由于植保無人飛機可以精準施藥,減少對施藥人員的暴露風險,美國對植保無人飛機施用農藥的關注正逐漸上升,有可能放開對植保無人飛機的管制。在美國農藥項目對話委員會(PPDC)的《新興農業技術工作組最終報告》中指出,雖然植保無人飛機施藥有潛在的好處,但在安全性、操作和法規符合性方面也存在一些潛在的挑戰。與傳統的施藥技術相比,該技術引發的農藥飄移對施藥人員、旁觀者和野生動物的影響以及不同的施用方法是否會影響農藥的藥效、耐受性或造成作物藥害等還不清楚。2020年,美國作物生命協會(CLA)建立了植保無人飛機工作組,該工作組的任務是評估農藥的空中施藥和傳統施藥方法的現有數據,以確定在植保無人飛機應用背景下的等效性和潛在的風險差異。同時提出需要加強深入研究,綜合評價植保無人飛機,從而將其納入當前監管框架體系中。當前,EPA雖還未制定正式的針對植保無人飛機施用農藥的監管條例,但申請者可從美國聯邦航空管理局(FAA)獲得豁免,采用植保無人飛機噴施低風險農藥。


      加拿大有害生物管理局(PMRA)的《關于空中施用農藥的指令》中的飛機是指使用固定翼或單旋翼飛機,并且僅適用于有人駕駛飛機。根據《害蟲防治產品條例》,標簽上必須包含每種害蟲防治產品的使用說明,包括使用條件以及降低使用風險的方式。植保無人飛機噴施農藥代表了PMRA空中施用的一種新型方式。迄今為止,加拿大尚未提交使用植保無人飛機施用農藥的標簽修訂申請。由于PMRA尚未收到任何支持使用植保無人飛機進行農藥施用的數據或申請,因此無法判斷植保無人飛機施用農藥的風險。如確需植保無人飛機這種新型施藥方法,申請者則須向PMRA提交標簽修改申請,以及足夠的數據證明該施藥方式的安全性;否則,根據《害蟲控制產品法》不允許使用植保無人飛機施藥。


      5

      對于我國植保無人飛機使用農藥管理建議


      隨著我國老齡化的發展,勞動力的減少,植保無人飛機施藥將會成為我國未來植保領域的主要方式之一。而我國農耕面積大,作物種類和耕地類型繁多,農業生產方式和過程不同于日本和韓國,需在參考國外對飛防制劑管理經驗的同時,建立我國飛防專用藥劑殘留、環境、健康風險評價技術規范,完善我國農藥登記管理體系,推動我國航空植保的發展。因此,結合我國植保無人飛機藥劑管理方面存在的問題,提出如下建議:


      1)植保無人飛機噴施農藥屬于低容量噴霧,用水量少,稀釋倍數低,相較于傳統農藥噴施方式,由于噴霧高度較高,農藥易產生飄移,造成飄移風險,因此建議選擇藥效高、風險低、不易產生藥害、對天敵無害的農藥產品進行登記,以從源頭降低環境風險。


      2)植保無人飛機噴霧霧滴小,易在作物表面和冠層分散沉積,且農藥濃度高,因此,不確定植保無人飛機噴施后在作物上的初始沉積量是否與傳統施藥器械相同,目前此類研究仍較少,且測試方法不統一,獲得的數據不具可比性和代表性。目前,日本用于植保無人飛機的農藥在登記時,若單位面積用藥量不變,則可豁免田間殘留試驗,而在韓國仍需開展田間殘留試驗進行確認評價。因此,在我國是否需要開展田間殘留試驗仍需大量對比試驗數據,確認我國植保無人飛機與傳統試驗施藥間的殘留沉積量、最終殘留以及膳食風險差異,之后再確定是否開展植保無人飛機農藥登記殘留試驗。在此之前,可制定臨時的植保無人飛機施藥殘留試驗準則,為研究植保無人飛機施藥產生的農藥殘留和膳食風險提供參考。


      3)在我國建立的NY/T 2882-2016《農藥登記環境風險評估指南》和NY/T 3153-2017《農藥施用人員健康風險評估指南》中,對非靶標生物以及關于施藥人員健康風險暴露的評估均為在傳統噴霧場景下制訂的,其評估方式是否適合于植保無人飛機施藥場景仍需檢驗確認。因此建立適用于植保無人飛機施藥的環境風險評估、施藥人員健康風險評估模型,有助于完善我國農藥登記中農藥風險評估技術體系。此外,對于容易造成臨近作物藥害的藥劑(如除草劑),在進行飛防藥劑登記時,應充分考慮其環境風險和鄰近作物藥害,提高登記準入門檻。


      4)農藥標簽是農藥安全合理使用的基礎。在登記用于飛防藥劑的標簽上需要明確標注植保無人飛機施藥的使用方法、推薦使用劑量(稀釋倍數、用藥量)和使用技術要求(施用條件、施藥時期、最多使用次數等)等信息,明確飛防使用的注意事項,確保安全使用。

      來源:《農藥學學報》2023年第2期

      作者:安小康1,李富根2,閆曉靜1,徐軍1,羅媛媛2,黃修柱*,2,董豐收*,1(1. 中國農業科學院植物保護研究所;2. 農業農村部農藥檢定所)

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