高分子助劑在減少農藥飄移中的應用及研究進展

黃桂珍，鄭 麗，葉嘉烘，曹 沖，張 磊*，黃啟良*

(1.中國農業科學院植物保護研究所，北京 100193；2.汕頭市深泰新材料科技發展有限公司，廣東 汕頭 030801)

引言

2020年，我國小麥、水稻、玉米三大主糧作物上農藥利用率(根據發布數據的測算方法，實際為葉面沉積率)為40.6%[1]，約60%的農藥沒有沉積在預定的靶標區域。其中，約30%的農藥在霧滴離開噴頭向靶標作物冠層空中運行的過程中因蒸發飄移而損失，是農藥流失的主要環節[2，3]。隨著我國農業現代化、機械化進程的加快，農業經營方式的快速轉變，農村勞動力短缺和人工成本的急劇增加，以及快速發展的專業化統防統治工作的需求，對適用范圍廣、作業效率高、節水節藥農業航空植保機械噴霧方式，特別是植保無人飛機施藥的需求越來越迫切。截至2022年底，植保無人飛機已廣泛應用于玉米、水稻、小麥等大田作物和棉花、煙草、茶樹、果樹等經濟作物上有害生物化學防治，主要防治對象包括玉米螟、稻飛虱、稻縱卷葉螟、水稻紋枯病、蚜蟲、小麥白粉病等常見病蟲害和闊葉類及禾本科雜草[4]；植保無人飛機保有量達到15萬架，防治面積達10 400萬hm2次，植保無人飛機的保有量和防治面積均居世界首位[5]。

相比常量噴霧施藥技術，植保無人飛機噴液量少、霧滴細、噴頭距離冠層高，霧滴在離開噴頭向作物冠層運行過程中，水分蒸發導致霧滴粒徑變小，加劇了霧滴運行速度的衰減，導致霧滴飄移損失[6，7]；一方面造成農藥浪費，另外也對施藥人員[8]和非靶標生物[9]產生農藥暴露風險，是業界研究的熱點。為解決農藥飄移問題，國外最早采用設置飄移緩沖區(spray buffer zones)防止飄移為害[10]，但根據室內6種不同風速下UAV施藥霧滴飄移分布情況測定結果，飄移緩沖區應至少預留>22 m[11]；包括其他施技術上采用的在噴施作業區邊界設置防風林(windbreaks)[12]，在噴霧機上加裝風機和風囊而發展的風送噴霧技術，以及后續發展的罩蓋式噴霧技術、防風罩、防飄擋板等[6，13]，并不能適合于我國多數應用場景?；陟F滴飄移的內在機制，通過助劑調控藥液性質，抑制蒸發和飄移的助劑得到廣泛使用，并逐漸成為普遍采用的飄移為害阻控方法[14，15]。特別是近年具有保濕功能的化妝品等日化領域高分子助劑，在農藥制劑[16]及植保無人機施藥[17]中作為抑制蒸發等功能助劑使用，表現出了優于傳統乳化劑等小分子助劑所沒有的農藥分散微粒包裹及霧滴抗蒸發性能，成為行業關注的熱點。

本文綜述農藥飄移的過程行為及規律機制，分析高分子助劑減少農藥飄移的性能與原理，以為高分子助劑合理使用和農藥減施增效提供技術依據。

1 農藥飄移

2005年，國際標準化組織 (ISO)將噴霧過程中在氣流作用下脫離靶標區域的農藥定義為噴霧飄移(spray drift)；并特別指出，農藥飄移物包括霧滴、干燥的顆?；蛘哒魵馊N形態[18]。

1.1 蒸氣形態的農藥飄移 主要是低沸點或高揮發性農藥向大氣中揮發形成的，屬于農藥的直接損失[19]。比較典型的農藥，如2，4-D、麥草畏等，因揮發性飄移導致了非防控區域的作物藥害，引起了業界對揮發性農藥飄移的關注[20，21]。

1.2 干燥的顆粒形態的農藥飄移，主要包括兩種類型 一種是直接使用的固體農藥制劑，如粉劑使用中的粉塵飄移；早期人類將砷酸鈣等無機農藥的粉劑裝在麻布袋子中，通過拍打袋子將農藥擴散到空中，一部分沉積到作物上，一部分形成干燥的顆粒形態的農藥飄移；包括后來通過噴粉機噴施六六六粉劑，同樣產生了大量干燥的顆粒形態的農藥飄移。當時施藥者更關注的是農藥的沉積效果，短距離的飄移并未形成藥害而被忽視。另一種是兌水使用形成懸浮液的農藥制劑。如可濕性粉劑，農藥分散顆粒粒徑一般在20～30 μm，兌水藥液霧化形成的霧滴，在空中運行中蒸發形成的農藥蒸發飄移。

1.3 小于100 μm的細霧滴形態的農藥飄移 是農藥飄移的最主要形式，主要與其粒徑密切相關。Norman等研究了不同粒徑霧滴的飄移可能性及模式，明確了不同粒徑霧滴在空間運行的距離(表1)[22]。由此可以預測不同施藥方式下霧滴的飄移情況。

表1 霧滴通過靜態空氣后的最終速度

2 農藥飄移的過程行為特征

農藥飄移是細霧滴在自然風速影響下無法在靶標上沉積而運移至非靶標區的物理運動，是應用場景中多因素協同導致的結果，人類對農藥飄移的關注主要是基于其對飄移所產生為害的接受程度。從農藥霧滴離開噴頭霧化區域進入空間并向作物冠層運行的過程來看，環境條件、噴霧模式和霧滴特性是引起農藥飄移損失的主控因素[3]。表觀層面上看，飄移是環境中的風將霧滴帶離靶標區域的結果；對于研究者，由于環境因素是不可人為調控的，霧滴初速度是藥械決定的，因此大都將研究重點放在了農藥霧滴及其自身演變上。

蒸發形態的農藥飄移，主要是低沸點農藥揮發所致。農藥分子逃逸霧滴水界面的束縛，分子擴散進入空中，在空中聚集或凝結在氣流攜帶下進入非靶標區域而引起藥害；主要是跟農藥分子及藥液性質有關，而且是一個動態的過程行為，霧滴邊運行邊釋放，釋放速度與界面性質有關。

干燥的顆粒形態的農藥飄移，主要是早期固體農藥制劑直接使用所致，可濕性粉劑等噴施后霧滴在空中水分蒸發形成的干燥顆粒形態的農藥飄移占比很少。顆粒形態的農藥飄移主要跟粒徑相關，Norman等[23]在1964年發表農藥使用及飄移的論文，綜述了前人關于飛機和陸地施藥中有害粉塵的飄移結果，明確了顆粒沉降速度與其粒徑成正比的研究結果。

霧滴形態的農藥飄移，主要源于霧滴的粒徑及其空中運行中的演變。根據牛頓第二定律，霧滴在空中的沉降速度與其粒徑的平方成正比；由此不難理解，霧滴的飄移量與藥液霧化后細小霧滴的比例相關。美國農業工程師協會(ASAE)制定S-572號標準，將霧滴按粒徑分為細小霧滴(<100 μm)、小霧滴(100～175 μm)、中等霧滴(175～250 μm)、較大霧滴(250～375 μm)、大霧滴(375～450 μm)和超大霧滴(>450 μm)。經過施藥溫濕度(T=20～35℃，RH=30～60%)、風速(1～3 m/s)、噴霧高度(0.4～1.0 m)等多場景下霧滴粒徑對飄移距離的靈敏度分析發現，<100 μm的霧滴為恒飄霧滴，100～150 μm的霧滴為飄移敏感霧滴[6，7]。霧滴在空中運行中的演變，主要源于霧滴的“水性”特征。薛士東等[24]在研究霧滴空中相互作用和群體空間傳遞和演化規律中發現，霧滴水分蒸發促使霧滴粒徑變小，霧滴粒徑變小導致了其空間運行速度的衰減，兩因素疊加加劇了霧滴飄移。Wolf等[25]試驗表明，100 μm的霧滴在空中(T=25℃，RH=30%)運行75 cm后，其粒徑縮減為約50 μm。

需要強調的是，霧滴形態的飄移，在高溫環境時，水蒸汽在空氣中的質量擴散系數增加，質量傳遞速率加快；在低濕環境時，霧滴表面與空氣中水蒸汽的濃度差增加，加速水分子從霧滴表面擴散到環境中，將加劇霧滴粒徑的衰減。

3 高分子助劑減少農藥飄移的研究及應用

在認識到農藥飄移為害之后，人類就開始了減少飄移為害的研究，并隨著對飄移現象及過程行為與規律研究和認知的不斷深入，形成了系列技術，并進行了應用。高分子助劑就是近年來從化妝品等日化領域引入的一種高效農藥飄移調控產品，基于化妝品的保濕功能，在農藥制劑及植保無人機施藥中作為抑制蒸發功能助劑使用，形成了調控農藥藥液性質減少飄移的技術。

與小分子表面活性劑結構類似，高分子助劑具有典型的親水鏈段和疏水鏈段，但其親水鏈段和疏水鏈段種類、比例、排列順序及分布與小分子表面活性劑明顯不同，使其結構更為復雜；在溶液中通過締合，形成自組裝結構，導致獨特的流變行為和溶液性質[26]。

高分子助劑作為配方助劑使用在農藥制劑中，其特殊結構帶來的高能乳化、潤濕、分散、懸浮、增加附著與沉積、保水、緩釋等功能，除了可滿足制劑形成與穩定的要求外，還在改善制劑兌水稀釋后的藥液性能等方面表現出了獨有的優勢[16，17]。作者[16]使用功能高分子助劑制備了 40%苯醚甲環唑·吡唑醚菌酯水乳劑，以懸浮劑作為對照，對藥劑的對靶傳遞性能進行了研究，功能高分子助劑不僅能保持制劑體系的穩定，而且能在藥液中以一定的空間立體網狀結構存在，通過在油水界面形成致密高分子自組裝結構(圖1)，抑制農藥向霧滴表面擴散，改變了霧滴蒸發特性，從而減少揮發性飄移。

圖1 高分子助劑在水溶液體系中形成自組裝結構的剖面示意圖

高分子助劑作為桶混助劑使用，通過在水溶液中能形成層狀液晶(圖2)，以納米層狀液晶鎖住水分，延緩液滴中水分的蒸發速度，并通過超分子聚合物中疏水基團的締和作用，使液滴表面與靶標表面形成范德華力作用，使助劑具有良好的抑制蒸發飄移作用，研究發現，高分子聚合物類助劑對噴霧霧滴粒徑大小也有一定的調節作用，可改善藥液霧滴的粒徑分布，減少<100 μm的小霧滴的生成。

圖2 高分子助劑在水溶液體系中形成層狀液晶結構的剖面示意圖

4 高分子助劑發展建議

2021年中央1號文件明確提出要持續推進農藥減量增效，推廣農作物病蟲害綠色防控產品和技術。高分子助劑已經在農藥制劑和對靶劑量傳遞性能等方面表現出制劑穩定、霧滴抗蒸發等性能，特別是其能更好適應植保無人飛機多靶標防治施藥場景中多藥混打、高濃度、久儲存等對農藥制劑和助劑的性能要求，應用前景廣闊。

但農藥使用完全有別于化妝品等應用場景，農藥的使用是將農藥分散在“開放”的生態系統中，具有一定的公眾性。需要基于實際應用場景的防控需求，進行高效高分子助劑的設計與制備；基于農作物典型區域栽培與農藝模式及健康生長需求，與生態系統中多要素進行協同，構建高效精準使用技術。

我國實行農藥登記、生產許可、經營許可管理制度，在國家農藥減施增效需求下，使用高分子助劑減少農藥飄移等損失，提高農藥有效利用率，是最為有效的技術途徑。但是，相對于土壤等作物生長的生態環境，助劑和農藥一樣都是“外源物質”，也需要加強其質量控制、性能評價及使用限量等標準的制定。