植保无人飞机是在机身上搭载施药装置,通过控制系统和传感器操控实现对作物精准施药的航空器械。按机翼类型可分为单旋翼、双旋翼和多旋翼,按照动力源则分为油动和电动两种。植保无人飞机具有作业效率高、节水省药、机动灵活、对施药人员安全等特点,且应用区域广泛,特别适合于地面施药器械难以到达的区域(丘陵、山地等)进行农药喷雾作业。随着我国农村劳动力向城市转移,农村的劳动力严重不足,植保无人飞机施药成为缓解农村施药劳动力不足问题的重要途径之一。
我国植保无人飞机施药起步较晚,但发展迅速,据统计,2021年我国植保无人飞机年作业面积已达0.93亿公顷次,植保无人飞机数量达到16万架(https://www.uastc.com/repository_zhibao/show/217.html),在植保无人飞机数量、作业面积和技术发展等方面处于世界领先地位。目前植保无人飞机的研究主要集中于雾滴在作物冠层的沉积分布、雾滴飘移、对病虫害防控效果以及功能助剂的使用等方面,以实现提高雾滴分布、降低飘移和提高防效的目标。但目前针对植保无人飞机施药后的膳食风险、环境风险和健康风险研究较少。此外,我国还未见有登记植保无人飞机专用药剂,农药标签上也未标明适用于飞机防治(下简称″飞防″)的推荐使用剂量、安全间隔期等信息,与《农药管理条例》关于农药登记第十三条的要求存在偏差。目前我国飞防药剂登记管理制度仍不完善,亟需制定相关的管理政策、登记要求和配套技术规范。因此,笔者从植保无人飞机的发展现状、应用技术、风险研究进展以及国际航空植保药剂登记管理经验等方面进行综述,以期为我国植保无人飞机施药的科学健康发展和飞防药剂的规范管理提供参考。
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植保无人飞机的发展现状
日本由于耕地面积小,地形复杂多山,适合于植保无人飞机作业。日本是国际上最早研发植保无人飞机的国家,1990年日本雅马哈公司生产出世界第一架用于喷洒农药的植保无人飞机″R50″,而后快速发展成为植保无人飞机应用最先进的国家之一。2021年日本参与航空施药的植保无人飞机有2,744架,操作人员9,842人,主要用于防治水稻、小麦、大豆和森林等病虫害,防治面积达到了95.6万公顷,占总耕地面积的1/5。日本植保无人飞机施药遵守《关于无人直升机喷洒农药的安全指南》和《关于无人多旋翼无人飞机喷洒农药的安全指南》中的规定,且植保无人飞机用农药需登记管理,截止至2022年9月,日本已登记的飞防药剂产品有393个,包括70个杀虫剂,83个杀菌剂,28个杀虫杀菌剂混剂,208个除草剂,4个植物生长调节剂,主要剂型有乳油、微乳剂、水乳剂和颗粒剂,飞防药剂登记数据库由日本植保协会(JPPA)管理。在日本,植保无人飞机主要生产企业为雅马哈,其占日本植保无人飞机市场的90%,主要为RMAX和FAZER系列单旋翼无人直升机,其余则为铃木和Yama Motor等公司生产小型植保无人飞机。在2015年之前,日本植保无人飞机仅有单旋翼,之后日本公司开始推出多旋翼植保无人飞机。日本植保无人飞机作业主要为人工操控,如飞行速度、方向和喷洒间距由人工控制,飞行高度和姿态则为自动控制,除操控植保无人飞机人员外,还需辅助人员,负责监视植保无人飞机的飞行轨迹和提示作业周边人员、车量以及障碍物情况。
在韩国,2003年首次引进植保无人飞机,防控面积为0.2万公顷；2019年则增加至约为194万公顷,韩国的30%水稻耕地面积由植保无人飞机施药；2020年制定了《无人飞机喷施农药手册》,使用植保无人飞机施药需遵循该手册。与日本一样,韩国植保无人飞机所用农药需要登记,目前,韩国已登记的飞防药剂产品有203个,包括88个杀虫剂、80个杀菌剂、6个杀虫杀菌剂混剂和29个除草剂,主要剂型有悬浮剂、乳油、微乳剂、水分散粒剂和颗粒剂。与日本登记农药不同的是,韩国登记农药主要为杀虫剂和杀菌剂,而日本则主要为除草剂。韩国基本不生产植保无人飞机,使用的植保无人飞机和施药技术主要从中国和日本引进。
目前,中国已超越日本和韩国,成为植保无人飞机拥有和使用大国。中国生产的植保无人飞机的主流企业有大疆、极飞、极目、高科、全丰和汉和等,且市场上应用的植保无人飞机以电动多旋翼为主。中国植保无人飞机作业时,设定飞行路线后可实现自主飞行,且具备主动避障功能,可轻松应对复杂作业环境。植保无人飞机除喷施农药外,还可实现播种和施肥等,提高田间作业效率。
美国、加拿大等农业发达国家是以大型地面植保机械和有人驾驶航空器为主体的有害生物防控施药体系,施药器械主要是固定翼飞机和载人直升机。欧盟则因航空喷洒农药的飘移会对环境和人类健康产生风险,从而禁止航空喷施农药,植保无人飞机仅被用于森林和陡坡葡萄园等无其他可行替代喷洒方案的特殊情况。
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植保无人飞机施药应用研究进展
植保无人飞机施药是新型高效施药方式,其施药雾滴沉积分布、防治效果、飘移数量均密切影响着农药使用的有效性和安全性,国内外研究机构围绕这3个方面取得重要进展。
2.1 沉积分布研究
施药器械的雾滴沉积分布、沉积量和均匀性是影响防效的重要因素。研究表明,雾滴粒径、下洗气流、作业参数、环境风速、作物形态和喷雾助剂等因素均会影响植保无人飞机施药沉积分布特征。喷头类型可影响雾滴粒径。Chen等研究了配置４种不同孔径喷头的多旋翼植保无人飞机喷施农药时雾滴在水稻冠层的沉积分布,发现随着雾滴粒径的增加,在水稻冠层上下层的雾滴沉积率、渗透均随之增加。漆海霞等研究发现,相较于液力式喷头,离心式喷头雾滴粒径小,雾滴覆盖密度大,在水稻植株上具有更好的雾滴穿透效果。植保无人飞机动力源和旋翼类型不同会产生不同的下洗气流强度,从而影响雾滴的沉积分布。陈盛德等研究了影响两种动力源单旋翼(油动单旋翼80-2型和电动单旋翼无人直升机HY-B-15L型)植保无人飞机喷施雾滴在水稻植株沉积均匀性的因素,发现作业高度会明显影响前者的雾滴沉积均匀性,而对后者则为作业速度,主要因为前者产生的旋翼风场强于后者,作业时对水稻植株扰动大,从而影响雾滴沉积的均匀性。漆海霞等对比了单旋翼和多旋翼植保无人飞机的有效喷幅,发现单旋翼比多旋翼飞机有较大的有效喷幅,这可能与喷头分布部位有关,因单旋翼植保无人飞机喷头呈线性分布于喷杆上,多旋翼植保无人飞机喷头呈圆形分布于旋翼正下方,从而导致雾滴分布及有效喷幅的差异。
植保无人飞机的作业参数也会影响雾滴的沉积特征。植保无人飞机的作业参数主要为飞行速度、飞行高度和喷液量。Lv等发现,植保无人飞机在相同喷雾压力和喷雾流量下,随着飞机速度的提高,单位面积上的施药量减少,从而降低了雾滴沉积密度、雾滴沉积覆盖率和雾滴粒径,同时雾滴分布的均匀性也随之变差。陈盛德等在研究单旋翼植保无人飞机施药雾滴在水稻冠层的沉积分布时发现,作业速度较慢时,因单位面积施药液量的增加从而提高了雾滴在植株上的沉积量,且雾滴在下洗气流作用下主要沉积在水稻植株中下层,穿透性好,而速度快时,则因水平气流的作用导致雾滴主要沉积在水稻冠层；作业高度低时,单旋翼植保无人飞机的下洗气流可加强药液的传输而提高雾滴在植株上的沉积量,但同时对水稻植株扰动较大,从而会降低雾滴的穿透性。在环境中风速是影响雾滴沉积的主要因素。王玲等在风洞中研究了悬停状态下植保无人飞机施药在不同外界气流风速下雾滴的沉积规律,发现外界气流风速可显著影响雾滴的沉积效果,且沉积高峰区随风速增加而远离喷头。陈盛德等同样发现,随着风速的增加,雾滴沉积率呈指数下降,这主要是因为侧风风速提高,导致雾滴飘移增加所致。因此,选择植保无人飞机的适宜作业参数和环境参数(下洗气流对作物扰动和侧风影响小)以及较大的喷液量可有效提高雾滴沉积量。
植保无人飞机施药的雾滴沉积分布也与作物冠层形状有关。树冠层的形状和叶片分布特征不同,也会影响雾滴的沉积分布和穿透性。Zhang等发现,使用四旋翼植保无人飞机在葡萄柚上喷施农药时,自然丛状开心型冠层上的液滴沉积密度高于纺锤形冠层。Tang等发现,使用四旋翼植保无人飞机在三角形(triangle-shaped tree)和倒三角形(inverted triangle-shaped tree)柑橘树上喷施农药,飞机在0.6～1.8 m高度作业时,雾滴在倒三角形柑橘树下层的沉积密度比在三角形柑橘树下层增加了36.5%～146.5%,且在倒三角形树的下层,雾滴分布更为均匀。
喷雾助剂(桶混助剂)是一种与农药混合使用,用于改善药液理化性质从而提高防控效果的物质。喷雾助剂可提高雾滴在有效靶区的沉积量,主要类型有油类(植物油类、矿物油类)、高分子聚合物类和有机硅类(表1)。
表1 功能助剂类型及作用特点
何玲等研究发现,使用全丰飞防专用喷雾助剂烈鹰可使雾滴在水稻冠层的有效沉积效率增加1.28～1.36倍。陈晓等研究发现,采用电动四旋翼植保无人飞机施药时,添加飞防助剂(ND800、G2801、倍达通)可有效提高氟啶虫胺腈在棉花冠层的沉积密度。兰玉彬等对比研究了6种助剂(Ultimate、Starguar4A、Starguar4、迈飞、倍达通和Atplus Mso-Hs 500)对植保无人飞机施药雾滴沉积特性的影响,发现添加供试助剂可有效提高雾滴密度、覆盖率和沉积量,其中植物油类助剂倍达通的使用,可显著增加雾滴的雾滴体积中径,且沉积量最大,这与倍达通有较好的抗蒸发能力有关,因此在田间作业时,可优选植物油类助剂来降低雾滴飘移,提高雾滴沉积。不同助剂配方不同,对雾滴理化性质改变的特点不同,通常可增加雾滴体积中径、抗飘移、抗蒸发,增加在叶面的润湿铺展和抗弹跳等。如Ultimate可显著降低雾滴表面张力和接触角,具有良好的润湿铺展性,若在疏水作物表面施药,可优先选择Ultimate。因此在田间施药时需基于作物类型和气象条件选择合适助剂方可达到理想防效。
良好的雾滴沉积分布是保证防效的前提,在实际生产应用中如何提高雾滴沉积分布保证防效仍是研究重点,目前研究表明,植保无人飞机施药在适宜的环境条件下,选择合适的喷头、作业参数,且添加助剂可有效提高雾滴的沉积分布和均匀性。然而我国植保无人飞机型号较多,不同型号对雾滴沉积分布的影响因素不同,沉积分布规律也可能不同,探索不同型号植保无人飞机间沉积分布规律的研究仍然不足,因此在未来研究中可加强研究不同型号植保无人飞机间沉积分布规律差异,总结规律,制定标准,以便为我国植保无人飞机的合理使用提供参考。
2.2 防治效果研究
对有害生物的实际防治效果一直是植保无人飞机施药者关注的焦点。目前,植保无人飞机施药和地面施药方式的防效差异、减施增效及影响因素等已在水稻、小麦、玉米和棉花等大田作物上开展了较多的研究。
对于水稻作物,Qin等研究发现,采用小型植保无人飞机喷施毒死蜱防治水稻稻飞虱时,在药后3 d、10 d的防效分别为92%和74%,其杀虫效果和持效期均优于担架式喷雾器。宁国云等研究发现,植保无人飞机、担架式喷雾机和背负式电动喷雾器3种施药方式对水稻不同部位发生的病虫害的防治效果存在差异,其中对于发生在水稻基部的病虫害,如稻飞虱和纹枯病,采用担架式机动喷雾机喷施的防效优于植保无人飞机和背负式电动喷雾器,而对水稻上部发生的稻纵卷叶螟和稻曲病,植保无人飞机和担架式机动喷雾机施药的防效相近,并优于背负式电动喷雾器。张亚莉等发现,多旋翼植保无人飞机按照金龟子绿僵菌油悬浮剂的常规推荐剂量的80%喷施,即可满足防治水稻稻飞虱的要求。曾文等研究发现,四旋翼植保无人飞机喷施6%阿维•氯苯酰时,在减施20%条件下对稻纵卷叶螟的防治效果仍可达到人工背负式喷雾器的效果。孙梅梅等发现,植保无人飞机喷施75%肟菌•戊唑醇时,在添加助剂(怀农特)且减施15%的条件下,对稻曲病的防效仍可达到其推荐剂量时的防效。
对于小麦作物,Qin等研究发现,使用N-3型植保无人飞机喷施三唑酮防治小麦白粉病时,在减施20%的情况下,药后第7天的防效仍显著高于使用背负式喷雾器按照推荐剂量施药。Meng等发现,使用单旋翼油动植保无人飞机喷施添加了飞防专用助剂(烈鹰)的吡虫啉防治麦蚜时,在减量20%时的防效仍与植保无人飞机和背负式喷雾器正常剂量施药相当。Zhao等研究发现,非离子型表面活性剂Surfom ADJ 8860可降低雾滴表面张力、接触角和润湿时间,且可显著抑制雾滴在叶片表面的反弹,增加有效成分的沉积量,提高雾滴在小麦叶片中的铺展和黏附性能,在使用植保无人飞机喷洒戊唑醇时添加Surfom ADJ 8860,对小麦白粉病的防效可提高1.84倍,且在减施1/3的情况下其防效仍是空白处理的1.61倍。
对于玉米作物,Wang等研究发现,在同等剂量下喷施植物生长调节剂EDAH(27%乙烯利+3% DA-6)对玉米生长调节的效果植保无人飞机优于背负式喷雾器,且使用前者减施20%时仍可达到后者施药的效果。此外,王明等对比研究了使用单旋翼、六旋翼电动植保无人飞机、背负式手动喷雾器、电动喷雾器和担架式动力喷雾机在茶园施药时对茶小绿叶蝉的防效,发现施药后4 d植保无人飞机与传统施药器械间的防效无显著差异,而10d时植保无人飞机的防效为72.9%～75.6%,高于传统施药器械的防效(65.8%～71.6%),植保无人飞机施药有更长的持效期,这可能与植保无人飞机施药在茶叶上的沉积率比传统施药器械显著提高有关。在棉花上,赵冰梅等研究发现,使用四旋翼植保无人飞机喷施50%氟啶虫胺腈水分散粒剂在添加1.5%飞防专用助剂且减施30%药量时,对棉蚜防治的速效性和持效性均优于植保无人飞机和电动喷雾器按推荐剂量施药。因此,植保无人飞机在施药时,添加合适的助剂可有效提高药效,减少农药使用量,降低农药应用风险,且植保无人飞机施药可节省水,节省劳力,提高作业效率。
药剂防效与其沉积特征密切相关,影响植保无人飞机施药的防效因素主要为飞机的作业参数(飞行速度、高度和施药液量)和药剂剂型。曾文等研究发现,植保无人飞机喷施6%阿维•氯苯酰时,施药液量增高可显著影响其对稻纵卷叶螟的防效,即在施药液量为22.5 L/hm2时,其对稻纵卷叶螟的防效显著高于药液量为15L/hm2。张亚莉等也发现,在使用植保无人飞机喷施金龟子绿僵菌防治稻飞虱时施药液量可影响防效,施药量为22.5 L/hm2(防效：40%～53%)时优于15 L/hm2(防效：35%～37%)。韩冲冲等发现,飞行高度会影响植保无人飞机喷施戊唑醇•肟菌酯对水稻稻瘟病和纹枯病的防效,在1.5～2.5 m作业高度时的防效与采用人工背负式喷雾器喷施无显著差异,且在作业高度为2 m时防效最优,而在1.2 m和3 m时,植保无人飞机施药的防效低于或显著低于人工喷施处理,这与植保无人飞机飞行过低时旋翼扰动过高导致雾滴沉积量显著下降有关。Qin等优化了小型植保无人飞机飞行高度和速度两种作业参数对喷施毒死蜱防治稻飞虱的影响,得到最优的飞行高度(1.5 m)和速度(5 m/s)。因此,为达到较好的防效,植保无人飞机需要在合适的飞行速度、高度和施药液量下作业。
农药剂型也是影响植保无人飞机施药时防效的因素之一。沙帅帅等发现,使用P20植保无人飞机喷施吡虫啉超低容量液剂对棉蚜的防效优于同等条件下喷施其乳油,而在同等施药剂量下采用喷杆喷雾机喷施吡虫啉乳油对棉蚜的防效则高于植保无人飞机,且有较好的持效性。郑艺翔等发现,使用六旋翼植保无人飞机喷施吡虫啉可溶性液剂和微乳剂对棉蚜的防效优于其水分散粒剂、悬浮剂和可湿性粉剂。王爱玉等发现,使用植保无人飞机喷施吡虫啉防治棉蚜时,其可溶性液剂的防治效果最好,其他剂型的防效依次为水分散粒剂、乳油、可湿性粉剂。因此,筛选出适用于植保无人飞机且防效好的剂型,有利于提高药剂防治效果,在后续登记用于植保无人飞机用药时,需登记与植保无人飞机匹配且效果好的剂型。
综上所述,在使用植保无人飞机施药时,选择合适的作业参数、药剂并添加适当的助剂,可有效改善防治效果,从而超越传统施药器械的防效。采用植保无人飞机施药,在获得较好防效的同时,也提高了作业效率和经济效益。目前我国已开始制定《植保无人飞机喷施农药防治大田作物病虫害田间药效试验准则》,规定了植保无人飞机施药时的田间试验条件、试验设计、试验结果调查统计方法和作业质量指标等,该准则正处于批准阶段,准则的制定将有效规范植保无人飞机适用药剂药效登记试验,获得规范科学试验评价数据,有利于植保无人飞机的推广应用。
2.3 农药飘移因素研究
农药飘移是指在施药过程中或施药后的一段时间内,农药液滴或颗粒从空气中的目标区向非目标区移动的过程。植保无人飞机作业高度显著高于常规的地面施药器械,且其喷施雾滴粒径小,因而易产生飘移。飘移是造成农药环境风险的主要因素。影响植保无人飞机喷施农药而产生飘移的因素很多,如飞机喷杆长度、旋翼数量、喷头型号、雾滴粒径、作业参数、气象条件和药液性质等。目前关于植保无人飞机飘移研究的主要方式为田间实际研究和风洞模拟研究。
Wang等研究了3种型号的单旋翼植保无人飞机(电动：HY-B-15L；油动：3CD-15,3WQF120-12)施药时的飘移情况,发现三者的喷雾飘移量分别占总喷雾量的23.0%、9.4%和2.4%,且发现喷杆长度是影响飘移的主要因素,如HY-B-15L与3WQF120-12喷雾的雾滴粒径(245和243 μm)相似,但HY-B-15L施药的飘移比例是3WQF120-12的9.6倍,HY-B-15L喷杆长度是旋翼长度的95%,而3WQF120-12喷杆长度为旋翼长度56%,因此,飘移量较高可能是由于喷杆长度太长导致,同时雾滴易受下洗气流的影响而更易飘移；此外,雾滴粒径也是影响飘移的主要因素之一,HY-B-15L作业时的飘移比例是3CD-15(324 μm)作业的2.4倍。Wang等对比研究了六旋翼、八旋翼植保无人飞机和直升机作业时的飘移率,发现六旋翼植保无人飞机的飘移率小于八旋翼植保无人飞机和直升机,而八旋翼植保无人飞机与直升机无显著差异。
喷头型号也可影响雾滴飘移。Wang等在风洞中研究了离心式喷头在不同转速下雾滴尺寸特征,并在室外测定了四旋翼电动植保无人飞机(P20)安装该喷头时的雾滴尺寸和风速对喷头喷幅内沉积和飘移的影响,发现雾滴粒径随着喷头转速的增加而减小,且雾滴小于100和150 μm的占比增加,表示飘移风险增加,同时室外测试表明随风速的增大和雾滴粒径的减小,飘移率和90%累积飘移位置均增加。Wang等在风洞中对比研究了10种不同型号的喷头(扇形喷头、圆形喷头和空气射流喷头)对雾滴飘移的影响,发现随着喷头尺寸的增加,雾滴粒径逐渐增大,抗飘移能力逐渐增加,且发现空气射流喷头(IDK系列)的减飘效果最好。Chen等发现同种植保无人飞机上4种不同雾滴粒径(95.21～185.09 μm)的喷头喷施在水稻冠层上的雾滴累积飘移率范围为23.06%～73.87%,雾滴累积飘移率和飘移距离随着雾滴粒径的增大而减小。植保无人飞机喷施的飘移也受旋翼下洗气流的影响。文晟等采用数字模拟法模拟单旋翼植保无人飞机旋翼流场,研究了不同飞行速度下,植保无人飞机翼尖涡流形成对雾滴飘移的影响,发现在飞行速度大于3 m/s时,开始形成尾涡,且随飞行速度和高度的增加,尾涡向机身后方扩散的距离越远,尾涡会诱导机身下方雾滴向上飘移,在飞行速度为5 m/s,高度为3 m时,会导致38%雾滴形成空中飘移。
在田间植保无人飞机实际应用中气象因素和作业参数会影响飘移。石鑫等研究了环境风速、飞行高度和飞行速度三种因素对电动多旋翼植保无人飞机雾滴飘移的影响,发现侧风风速为飘移的主要因素。Chen等发现植保无人飞机施药时飘移距离与风速、喷雾角度(喷头垂直向下为0°)和压力有关,在固定喷雾角度和压力时,飘移距离随侧风风速增加而增加,而飘移距离会随喷雾角度的增加而减小,飘移距离与喷雾压力为正相关,压力越大,飘移越远,因此,在施药时,可据实际风速调整喷雾角度和压力降低雾滴飘移。应用喷雾助剂可提高雾滴粒径,降低小雾滴比例,从而降低飘移。曾爱军等研究发现,Silwet DRS-60、迈飞和Y-20079等3种助剂的减飘率分别为43.3%、15.6%和5.2%,其中Silwet DRS-60的抗飘移效果最好,且在高温低湿条件下,添加助剂的减飘效果较好。林金元等发现,植保无人飞机使用液力式喷头喷施,添加助剂(迈飞、倍达通、DS10870)可显著提高雾滴粒径,降低粒径小于150 μm小雾滴的比例,且植物油类喷雾助剂倍达通具有最佳的雾滴蒸发抑制率,可显著降低飘移(90%累积飘移位置降低4.8～6.4 m)。Wang等发现不同助剂的抗飘移效果不同,其中抗飘移效果最好的依次为Silwet DRS60、MF和Y-20079。飞防助剂的效果与喷头类型有一定关系,林金元研究发现,传统液力式喷头使用助剂时对雾滴粒径的影响与射流喷头(IDK)相反。
由此可见,使用植保无人飞机施药时影响农药飘移的因素众多,而为了推动植保无人飞机施药的绿色发展,解决其飘移问题至关重要。一方面,在植保无人飞机设计时应考虑采用合适的旋翼类型,喷杆长度,喷头的型号、位置和角度等,从源头上降低飘移率；另一方面,在施药时,需根据施药环境确定合适的施药参数,添加合适的抗飘移助剂,从而减少施药飘移,提高农药利用率,并降低农药因飘移造成的环境风险。
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植保无人飞机施药应用风险研究进展
3.1 施药职业暴露健康风险
人工背负式喷雾器施药过程中农药的过量暴露可能造成施药人员急性中毒,长期低剂量接触也可能威胁人体健康。植保无人飞机施药虽实现人机分离,不与农药直接接触,但其飘移距离明显大于常规地面施药器械,飘移的雾滴会对施药人员造成农药暴露。研究表明,植保无人飞机施药对操作者的暴露量显著低于背负式喷雾。徐少卿等对比研究了多旋翼植保无人飞机和电动背负式喷雾器在水稻田中施用氯虫苯甲酰胺和苯醚甲环唑时在施药人员身上的农药暴露量,发现采用多旋翼植保无人飞机施药时在施药人员身上的暴露量显著低于采用背负式喷雾器。同样,Yan等研究也发现,在豇豆田施药时,采用背负式喷雾器施药人员的农药暴露量是植保无人飞机施药的14.5倍。吕运涛等根据NY/T 3153-2017《农药施用人员健康风险评估指南》对采用植保无人飞机在水稻田施用噁唑酰草胺时,配药人员和飞机操作人员(简称飞手)的职业健康暴露风险进行了评估,发现飞手的健康风险为可接受(风险系数＜1),而配药人员健康风险为不可接受(风险系数＞1),建议配药人员使用不渗透的手套且加大手套更换的频率,从而降低配药人员的职业暴露风险。此外,植保无人飞机施药时,因旋翼涡流作用飘移产生的部分药液会吸附在机身上,从而导致飞手在施药后收回植保无人飞机时产生农药暴露。Liu等研究表明,植保无人飞机的旋翼气流导致大量液滴附着在机身上,从而在机身上的污染是风送式喷雾机的5倍。
综上,采用植保无人飞机施药时农药暴露途径主要有施药前配药暴露、施药时农药在空气中飘移暴露和施药后机身暴露,其中农药在空中飘移的暴露风险较低,而配药时暴露风险较高,需要密切关注。此外,植保无人飞机在施药后机身上农药的残存量大,但是并未评估其暴露风险。目前关于植保无人飞机施药的职业暴露风险仅评估了单一途径的暴露风险,未综合考虑3种暴露途径的累积暴露风险,因此在后期的研究中可综合评估3种途径的累积暴露风险。最后,因植保无人飞机施药时农药的暴露途径与使用传统施药器械时的不同,目前常用的职业健康风险评估模型是否适合还不清楚,因此,今后还需加强研究,累积数据,为评估现有健康风险评估模型或建立植保无人飞机施药健康风险评估模型建立提供数据基础。
3.2 施药残留暴露膳食风险
农产品中农药残留是人们关注的重点,采用植保无人飞机施药可能增加农作物中的农药沉积,从而提高其膳食风险。由于不同类型植保无人飞机的喷施特性不同,导致其雾滴粒径不同,造成沉积分布不同,是否会造成农作物中可食部位的沉积量和消解动态的差异还不清楚。目前仅见有少量关于使用植保无人飞机施药后农药残留沉积量和消解的研究报道。刘春来等对比研究了在同等施药剂量下采用植保无人飞机和背负式喷雾器在水稻上喷施吡蚜酮后,发现植保无人飞机施药在稻谷和植株上的初始沉积量分别是是背负式喷雾器的1.4倍和1.5倍,施药14 d后,稻谷中吡蚜酮残留量是背负式喷雾器的2.8倍,植株中是3.7倍,稻谷上的最终残留小于最大残留限量(MRL)。蒙艳华等发现植保无人飞机喷施戊唑醇在小麦穗中的初始沉积量和最终残留分别是背负式喷雾器的1.2～1.8倍和1.6～2.2倍,在麦叶中分别为3.0～3.6倍和1.2～1.8倍。楚博等研究表明,植保无人飞机在茶园中喷施虫螨腈、溴氰菊酯、茚虫威等6种农药后7 d,干茶叶中的农药残留量是背负式电动喷雾器的1.20～2.44倍。郭华伟等研究表明植保无人飞机在茶园中喷施虫螨腈其初始沉积量是背负式喷雾器的1.07倍,而在新鲜叶片中消解半衰期无显著差异,分别为3.9 d和4.2 d。美国国家农业化学品协会(NACA)曾比较了地面施药和有人驾驶飞机喷施的农药残留,发现在相同施药频率和采收间隔期条件下,地面施药产生的残留与航空施药相当或比其更高,可能是因有人驾驶飞机飞行高度高,飘移严重导致有效沉积量的降低,如姚伟祥等研究发现有人驾驶直升机在侧风风速为1.1～2.3 m/s时,90%雾滴沉积飘移距离在27.61～48.94 m。农药残留是评估膳食风险的重要参数,是农药登记试验评价的重要内容,而目前植保无人飞机施药条件下的农药残留研究较少,无法准确评估植保无人飞机施药与传统地面施药器械施药间的膳食风险差异。因此,亟需开展植保无人飞机与传统施药器械间施药的农产品残留差异对比研究,评估膳食风险差异,为规范植保无人飞机专用药剂登记田间残留试验和技术评价提供数据支撑。
3.3 施药环境风险
植保无人飞机喷施属于超低容量喷施,施药浓度高,且作业高度较高,产生农药的飘移会危害到附近敏感作物,或者危害到天敌昆虫类非靶标生物以及人类的安全。闫晓静等研究发现相较于背负式喷雾器、植保无人飞机喷施新烟碱类农药会显著提高对非靶标生物蜜蜂的风险,研究发现在施药区下风向5 m处,背负式电动喷雾器和多旋翼植保无人飞机的雾滴飘移率分别为0.50%和23.98%,在17 m时植保无人飞机的飘移率仍为2.79%,且飘移总量显著高于背负式电动喷雾器。鲁文霞等研究发现,P30四旋翼植保无人飞机在风速为0.1～4.0 m/s时,90%累积飘移距离在下风向的6～22 m。王潇楠等发现,油动单旋翼植保无人飞机(3WQF80-10)在侧风风速为0.76～5.5 m/s时,90%累积飘移雾滴沉降在喷雾区下风方向水平距离9.3～14.5 m。石鑫等发现电动多旋翼植保无人飞机在侧风风速为1.1～7.0 m/s时,90%雾滴沉降在喷雾区下风向7.0～27.3 m。王国宾等发现,在使用P30电动四旋翼植保无人飞机在冬小麦田喷施除草剂时在不同的侧风速下90%累积飘移距离为4.8～22.4 m。Xue等发现Z-3型单旋翼植保无人飞机在水稻田施药时在非靶区的飘移量为12.9%,且90%雾滴累积飘移位置在8 m内。因此,植保无人飞机在施药时由于作业高度高于传统地面施药器械,易受环境风速影响,其飘移量和飘移距离高于传统地面施药器械,从而提高了环境风险。目前,在对植保无人飞机飘移方面的研究主要为飘移距离、影响因素等方面,对非靶标生物的风险评估的报道仅见中国农业科学院植物保护研究所闫晓静等的一篇对蜜蜂风险的报道,缺乏其他环境生物的风险评估的研究。此外,农药施用除雾滴飘移产生风险外,还会沉积或流失到土壤中,对土壤生物(如蚯蚓、土壤微生物或小型节肢动物)产生风险。相较于传统施药方式,植保无人飞机施药用水量少,且下洗气流有助于药液在作物冠层的沉积分布,药液不易从叶片上流失到土壤中,因此,其环境风险可能较低,但是目前还无关于评估植保无人飞机施药造成的土壤环境风险的报道。因此,目前关于植保无人飞机施药的环境风险的研究有限,缺乏植保无人飞机施药环境风险数据,无法构建环境风险评估模型,仍需加强无人飞机施药对环境中非靶标生物、邻近敏感作物安全性的研究,为建立植保无人飞机施药环境风险评估指南提供数据,同时为植保无人飞机的推广使用提供数据支撑。
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国际上植保无人飞机应用中的农药管理
4.1 日本
2019年以前,日本农药登记的申请资料中要求应用于植保无人飞机的农药在登记时需要开展残留试验,主要采用变更使用方式管理,即农药在已经获得地面常规喷雾使用登记前提下,申请登记用于植保无人飞机低容量喷雾。在2014年修订的《关于农药登记申请资料要求》中,对于常规喷雾的残留试验,需根据作物分类确定残留试验点数量。其中大宗作物需开展6个或更多的残留试验,一般作物需开展3个或更多残留试验,小宗作物为2个或以上残留试验。对于植保无人飞机喷雾,已采用地面施用方式登记的农药,在施用方法上需要增加空中施用或无人直升机施用时,其试验点数为所需点数的一半以上(例如,常规登记要求试验点数为3个或3个以下的,无人飞机应当开展2个或2个以上)。然而,在2019年,日本农药监管部门再次修订了《关于农药登记申请资料要求》,重新规定了采用植保无人飞机喷施农药时的残留试验要求,即对于已登记的农药,拟申请在标签中增加植保无人飞机使用方式的,若单位面积有效成分用药量在原登记范围内,无需重复开展残留试验；否则,需进行残留试验。此外,对于新型植保无人飞机喷施农药的剂型,若现存的良好农业规范(Good Agricultural Practice,GAP)试验中已有足够的数据,则可免除残留试验。农药标签是农药管理的重要内容,直接指导施药者科学安全使用农药。日本飞防药剂的标签中会在施药方法处标注适用于植保无人飞机喷雾,且明确标注稀释倍数以及用药量等信息。
4.2 韩国
在韩国,航空施用药剂的登记要求与普通喷雾的要求一致,需要重新开展田间残留试验,不可使用叶面喷雾的残留试验数据申请减免,其试验设计方法可与普通残留试验一致,但需要使用植保无人飞机进行喷施。韩国在初始制定的植保无人飞机使用农药登记的残留试验标准中使用的飞机是无人直升机,试验小区面积为525 m2,缓冲距离5 m,飞行速度15 km/h,飞行高度4 m,直线飞行距离为20 m。由于韩国人均耕地面积较小,因而微小型植保无人飞机用于航空植保作业的形式正越来越被广大农户接受。考虑到小型植保无人飞机体积小于无人直升机的特点,2019年韩国对试验标准进行了修订,设定小型植保无人飞机飞行高度为2～3 m,飞行速度为8～11 km/h。为了便于在比稻田更窄的田地使用,试验面积设定为192 m2,缓冲距离为2 m,在登记用于植保无人飞机喷施的药剂标签中需标有″无人飞机″字样。韩国非常重视在植保无人飞机登记试验中对邻近敏感作物的安全性,要求观察邻近敏感作物药害情况。不同登记作物邻近作物的种类不同,例如,如果登记作物为水稻,邻近作物包括甘蓝、莴苣、黄瓜、辣椒、菜豆、紫苏；如果登记作物是旱地作物,邻近作物包括甘蓝、莴苣、黄瓜、辣椒、菜豆、紫苏、玉米,从而最大程度地保证植保无人飞机施药的环境安全性。
4.3 美国和加拿大
美国环境保护署(Environmental Protection Agency,EPA)在对现有的航空施用农药产品进行风险评估时,并未考虑植保无人飞机,因此,EPA面临一个关键问题,即允许″航空应用″的农药标签是否适用于植保无人飞机和其他无人驾驶飞行器(UAV)。目前,由于植保无人飞机可以精准施药,减少对施药人员的暴露风险,美国对植保无人飞机施用农药的关注正逐渐上升,有可能放开对植保无人飞机的管制。在美国农药项目对话委员会(PPDC)的《新兴农业技术工作组最终报告》中指出,虽然植保无人飞机施药有潜在的好处,但在安全性、操作和法规符合性方面也存在一些潜在的挑战。与传统的施药技术相比,该技术引发的农药飘移对施药人员、旁观者和野生动物的影响以及不同的施用方法是否会影响农药的药效、耐受性或造成作物药害等还不清楚。2020年,美国作物生命协会(CLA)建立了植保无人飞机工作组,该工作组的任务是评估农药的空中施药和传统施药方法的现有数据,以确定在植保无人飞机应用背景下的等效性和潜在的风险差异。同时提出需要加强深入研究,综合评价植保无人飞机,从而将其纳入当前监管框架体系中。当前,EPA虽还未制定正式的针对植保无人飞机施用农药的监管条例,但申请者可从美国联邦航空管理局(FAA)获得豁免,采用植保无人飞机喷施低风险农药。
加拿大有害生物管理局(PMRA)的《关于空中施用农药的指令》中的飞机是指使用固定翼或单旋翼飞机,并且仅适用于有人驾驶飞机。根据《害虫防治产品条例》,标签上必须包含每种害虫防治产品的使用说明,包括使用条件以及降低使用风险的方式。植保无人飞机喷施农药代表了PMRA空中施用的一种新型方式。迄今为止,加拿大尚未提交使用植保无人飞机施用农药的标签修订申请。由于PMRA尚未收到任何支持使用植保无人飞机进行农药施用的数据或申请,因此无法判断植保无人飞机施用农药的风险。如确需植保无人飞机这种新型施药方法,申请者则须向PMRA提交标签修改申请,以及足够的数据证明该施药方式的安全性；否则,根据《害虫控制产品法》不允许使用植保无人飞机施药。
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对于我国植保无人飞机使用农药管理建议
随着我国老龄化的发展,劳动力的减少,植保无人飞机施药将会成为我国未来植保领域的主要方式之一。而我国农耕面积大,作物种类和耕地类型繁多,农业生产方式和过程不同于日本和韩国,需在参考国外对飞防制剂管理经验的同时,建立我国飞防专用药剂残留、环境、健康风险评价技术规范,完善我国农药登记管理体系,推动我国航空植保的发展。因此,结合我国植保无人飞机药剂管理方面存在的问题,提出如下建议：
1)植保无人飞机喷施农药属于低容量喷雾,用水量少,稀释倍数低,相较于传统农药喷施方式,由于喷雾高度较高,农药易产生飘移,造成飘移风险,因此建议选择药效高、风险低、不易产生药害、对天敌无害的农药产品进行登记,以从源头降低环境风险。
2)植保无人飞机喷雾雾滴小,易在作物表面和冠层分散沉积,且农药浓度高,因此,不确定植保无人飞机喷施后在作物上的初始沉积量是否与传统施药器械相同,目前此类研究仍较少,且测试方法不统一,获得的数据不具可比性和代表性。目前,日本用于植保无人飞机的农药在登记时,若单位面积用药量不变,则可豁免田间残留试验,而在韩国仍需开展田间残留试验进行确认评价。因此,在我国是否需要开展田间残留试验仍需大量对比试验数据,确认我国植保无人飞机与传统试验施药间的残留沉积量、最终残留以及膳食风险差异,之后再确定是否开展植保无人飞机农药登记残留试验。在此之前,可制定临时的植保无人飞机施药残留试验准则,为研究植保无人飞机施药产生的农药残留和膳食风险提供参考。
3)在我国建立的NY/T 2882-2016《农药登记环境风险评估指南》和NY/T 3153-2017《农药施用人员健康风险评估指南》中,对非靶标生物以及关于施药人员健康风险暴露的评估均为在传统喷雾场景下制订的,其评估方式是否适合于植保无人飞机施药场景仍需检验确认。因此建立适用于植保无人飞机施药的环境风险评估、施药人员健康风险评估模型,有助于完善我国农药登记中农药风险评估技术体系。此外,对于容易造成临近作物药害的药剂(如除草剂),在进行飞防药剂登记时,应充分考虑其环境风险和邻近作物药害,提高登记准入门槛。
4)农药标签是农药安全合理使用的基础。在登记用于飞防药剂的标签上需要明确标注植保无人飞机施药的使用方法、推荐使用剂量(稀释倍数、用药量)和使用技术要求(施用条件、施药时期、最多使用次数等)等信息,明确飞防使用的注意事项,确保安全使用。
来源：《农药学学报》2023年第2期
作者：安小康1,李富根2,闫晓静1,徐军1,罗媛媛2,黄修柱*,2,董丰收*,1(1. 中国农业科学院植物保护研究所；2. 农业农村部农药检定所)