水稻噴霧技術(shù)與水稻株型冠層關(guān)系研究綜述

姬廣梅 朱德峰 張義凱 陳惠哲 張玉屏 向鏡

（1中國(guó)水稻研究所，杭州310006；2貴州水稻研究所，貴陽(yáng)550009；*通訊作者：cnrice@qq.com）

噴霧就是人工造霧，簡(jiǎn)單的說(shuō)就是用高壓系統(tǒng)將液體以極細(xì)微的水粒噴射出來(lái)，這些微小的人造霧顆粒能長(zhǎng)時(shí)間漂移、懸浮在空氣中，從而形成白色的霧狀，極像自然霧的效果，故曰噴霧。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，大到人工降雨改變小氣候，小到皮膚保養(yǎng)，噴霧在人們生活的方方面面起著重要作用并被廣泛應(yīng)用。近年來(lái)，我國(guó)大部分地區(qū)病蟲害發(fā)生較重，重大病蟲暴發(fā)強(qiáng)度大，次要病蟲上升為害加重，在可預(yù)見(jiàn)的將來(lái)，化學(xué)防治仍是防控病蟲害最有效的措施[1-6]。我國(guó)農(nóng)藥生產(chǎn)技術(shù)處于國(guó)際先進(jìn)水平，但農(nóng)藥有效利用率卻很低[7]。許多地方至今仍沿用20世紀(jì)50年代的大容量淋雨式噴霧法，由于施藥技術(shù)落后，致使農(nóng)藥噴灑不到位或不均勻，不能充分發(fā)揮藥劑的作用，造成了大量農(nóng)藥的浪費(fèi)和水土資源的污染[8-9]。因此，如何以最少的化學(xué)農(nóng)藥施用量，獲得最佳的病蟲害防治效果，最大程度保護(hù)農(nóng)田生態(tài)環(huán)境，顯得尤為迫切。

傳統(tǒng)農(nóng)藥使用技術(shù)和使用配比均是采用“一刀切”的原則，很少?gòu)陌袠?biāo)植物角度考慮改進(jìn)噴霧技術(shù)。作物農(nóng)藥施用有效利用率除與噴施機(jī)械、施藥方法、藥液組成有關(guān)外，與作物品種及株葉形態(tài)也密切相關(guān)。水稻是我國(guó)重要的糧食作物，稻谷產(chǎn)量占糧食總產(chǎn)量的近40%，我國(guó)有60%人口以稻米為主糧，因此，水稻對(duì)我國(guó)的口糧安全十分重要[10]。病蟲草等生物災(zāi)害是影響我國(guó)水稻穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)的重要因素之一，全國(guó)每年因水稻病蟲草危害造成的產(chǎn)量損失大約400萬(wàn)t[11]。我國(guó)水稻種植區(qū)域廣闊、品種類型多樣、種植方式多種，不同稻區(qū)、季節(jié)類型和品種類型的株高、葉形、株型，及冠層葉片分布存在較大差異。不同生育時(shí)期病蟲在植株的發(fā)生部位不同，有主要發(fā)生在水稻冠層上部，如稻瘟病、稻縱卷葉螟等；也有主要發(fā)生在植株下部，如螟蟲、紋枯病等。因此，結(jié)合水稻冠層株葉形態(tài)，研究農(nóng)藥噴霧的霧滴行為是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)噴霧技術(shù)研究的一大熱點(diǎn)。

1 主要的水稻噴霧技術(shù)及其存在問(wèn)題

1.1 水稻噴霧技術(shù)

噴霧在人們生活生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛，作用巨大，而針對(duì)不同用途的噴霧方法也不一。在農(nóng)業(yè)方面，要達(dá)到理想的噴霧效果，采用合適的噴霧方法十分必要。近年來(lái)，航空超低量噴霧技術(shù)在大面積農(nóng)場(chǎng)和森林地帶防治面積越來(lái)越大；靜電低量噴霧技術(shù)在果園防治病蟲害中得到推廣和應(yīng)用。因此，多種噴霧技術(shù)的融合和變革，是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展中噴霧技術(shù)研究的必然趨勢(shì)。

1.1.1 低容量噴霧

低容量噴霧霧滴小，重量輕，多為飄移性沉降；且小霧滴吸附能力強(qiáng)，不發(fā)生彈跳濺落，可以避免藥液的滾落和流失，藥液的分散度也高[2]。低容量噴霧技術(shù)因省工、省藥，提高病蟲害防治效果等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)應(yīng)用與推廣起步較早，防治面積廣泛。更新?lián)Q代的機(jī)動(dòng)彌霧機(jī)和改裝手動(dòng)噴霧器是國(guó)內(nèi)農(nóng)戶最普遍使用的低容量噴霧器械[3-6]。

1.1.2 航空噴霧

航空噴霧是在運(yùn)載平臺(tái)（飛行器）上掛接噴霧裝備進(jìn)行的空中作業(yè)，是一種高效、先進(jìn)的施藥技術(shù)，能及時(shí)防治大面積暴發(fā)性有害生物災(zāi)害，在丘陵山區(qū)、平原、水田和旱田等地區(qū)的農(nóng)業(yè)病蟲草害防治，以及滅蝗、林木害蟲防治等作業(yè)中發(fā)揮著不可替代的作用[12]?，F(xiàn)代航空噴霧技術(shù)經(jīng)歷了由常規(guī)容量向低容量和超低容量的轉(zhuǎn)變，主要特點(diǎn)有噴霧量大、藥量少、霧滴小、不受地形影響、作業(yè)速度快和成本低等。充分利用航空噴霧技術(shù)防治病蟲害，省藥、均勻度好、成本低、防治效果好，能有效減少農(nóng)藥對(duì)人畜的侵害，降低污染，保護(hù)環(huán)境[9]。因此，航空噴霧近些年在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中被廣泛的推廣和應(yīng)用，而關(guān)于如何控制航空噴霧霧滴飄移也是現(xiàn)代噴霧技術(shù)研究的一大熱點(diǎn)問(wèn)題[13-15]。

1.1.3 靜電噴霧

靜電噴霧是利用靜電高壓使農(nóng)藥?kù)F滴帶電，并在噴頭和目標(biāo)間形成靜電場(chǎng)，具有霧化均勻、飄失減少、粘附牢固、提高農(nóng)藥使用效果、減輕環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn)，不僅提高了靶標(biāo)命中率、減少農(nóng)藥施用量，而且降低了霧滴的大小、提高霧滴的覆蓋率，能更有效地沉積在葉片的表面和背部，現(xiàn)已成為國(guó)內(nèi)噴霧技術(shù)發(fā)展的一大趨勢(shì)[16-18]。

1.1.4 精準(zhǔn)噴霧

精準(zhǔn)施藥技術(shù)的核心是獲取農(nóng)田小區(qū)域內(nèi)病蟲草害的差異性，采取高效噴霧技術(shù)和變量施藥技術(shù)，按需施藥[19-20]。它主要由信息獲取系統(tǒng)、噴霧系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三部分組成。信息獲取方式有基于實(shí)時(shí)傳感器的方式和基于地理信息技術(shù)的信息獲取方式兩種；噴霧技術(shù)是精準(zhǔn)施藥技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，有低容量噴霧技術(shù)、靜電噴霧技術(shù)、仿形噴霧技術(shù)等多種噴霧技術(shù)；控制系統(tǒng)主要作用是精確、實(shí)時(shí)管理采集過(guò)程和執(zhí)行過(guò)程，是精準(zhǔn)施藥技術(shù)的核心環(huán)節(jié)[21]。精準(zhǔn)噴霧使施藥作業(yè)的智能、可控、精準(zhǔn)施藥量、準(zhǔn)確對(duì)靶等技術(shù)要求成為可能，解決了化學(xué)防治推廣應(yīng)用中的“瓶頸問(wèn)題”，提高了施藥技術(shù)水平，在實(shí)現(xiàn)抗災(zāi)、減損、增效、減少環(huán)境污染等目標(biāo)中發(fā)揮重要作用[22-23]。

1.2 存在的問(wèn)題

1.2.1 靶標(biāo)特點(diǎn)

不同靶標(biāo)植物生物學(xué)特性不同（株型、株高、葉表面等），形成的冠層也不一樣，現(xiàn)有的噴霧技術(shù)及噴霧器械沒(méi)有考慮靶標(biāo)植物的特殊性，一套噴霧技術(shù)施用所有靶標(biāo)植物，噴霧效果層次不齊，降低了噴霧有效率。

1.2.2 作物株型

隨著現(xiàn)在育種研究的不斷創(chuàng)新，同一作物不同品種間株型差異很大。水稻具有上垂直下披散、上披散下垂直、緊湊型、披散型等多種株型類型。隨著理想株型的提出，水稻株型越來(lái)越趨于矮稈，上3葉垂直堅(jiān)挺，下面葉片較為披散。對(duì)于不同類型水稻，秈稻品種一般株高較高，葉片寬大，除上3葉較挺直外，多數(shù)葉片披散，單株各分蘗較緊湊，通透性差；粳稻及秈粳稻品種株高較低，葉片狹長(zhǎng)挺直，單株各分蘗松散，通透性好。然而，從作物株型角度，研究作物冠層霧滴傳輸與沉積的機(jī)理機(jī)制鮮有報(bào)道。

1.2.3 作物生長(zhǎng)時(shí)期

作物不同生長(zhǎng)時(shí)期外形特征差別巨大。以水稻為例，水稻移栽后經(jīng)歷分蘗期、拔節(jié)期、抽穗期、揚(yáng)花期、齊穗期等多個(gè)生長(zhǎng)時(shí)期，株高不斷增高，分蘗數(shù)增加，特別是秈稻品種葉片從分蘗期直挺到逐漸披散，葉表面特性也不斷變化，蠟質(zhì)層增加。這就要求生產(chǎn)上噴霧時(shí)，應(yīng)考慮作物生長(zhǎng)時(shí)期，調(diào)整噴霧參數(shù)。然而，現(xiàn)代噴霧技術(shù)對(duì)此研究較少。

2 水稻株型與水稻噴霧的關(guān)系

作物株型是指作物的幾何形態(tài)特征與空間分布狀態(tài)及其與群體光能利用直接相關(guān)的生理生態(tài)機(jī)能性狀，株型的具體指標(biāo)一般包括葉型、莖型、穗型和根型等，其中葉型、莖型和穗型是影響冠層結(jié)構(gòu)的主要因素，也是影響水稻噴霧效果的重要因素[24]。水稻葉型包括葉形和葉表面特性兩部分。近年來(lái)，有關(guān)水稻葉表面特性對(duì)沉積效果的影響研究較多，取得了較好的成果。宋堅(jiān)利等[25]針對(duì)農(nóng)藥?kù)F滴難以在水稻葉片上沉積持留的問(wèn)題，以葉片顯微結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)研究了藥液在水稻葉片的主要沉積部位。朱金文等[26]從病蟲害的防治效果方面入手研究了葉片傾角、霧滴大小與施藥液量在水稻植株沉積的影響。徐廣春等[27]研究水稻葉片的表面特性和有機(jī)硅助劑si1wet-408溶液的單個(gè)霧滴在30°、45°和60°3個(gè)傾角水稻葉片正、反面的行為，認(rèn)為水稻葉面為低能葉面，只有silwet-408溶液的表面張力小于稻葉的臨界表面張力且溶液中的si1wet-408濃度達(dá)到臨界膠束濃度才能使霧滴很好的粘附在不同傾角的稻葉上并潤(rùn)濕展布。已有研究表明，葉表面特性對(duì)冠層霧滴沉積與分布有重大的影響。但是，水稻不同類型不同時(shí)期甚至不同種植區(qū)域之間株型差異很大，全面考慮葉型、莖型和穗型等對(duì)水稻噴霧影響的研究鮮見(jiàn)，制約了水稻病蟲防治的農(nóng)藥高效噴霧技術(shù)研究和發(fā)展。

3 水稻冠層結(jié)構(gòu)與水稻噴霧的關(guān)系

水稻冠層是水稻與外界環(huán)境發(fā)生相互作用的主要場(chǎng)所，水稻的許多生化物理過(guò)程，包括光合、呼吸、蒸騰和降水截獲等都發(fā)生在冠層。冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)是反映水稻生長(zhǎng)狀況及冠層形態(tài)變化的重要指標(biāo)。作物冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)涉及葉面積指數(shù)、冠層葉傾角、株高等多方面性狀。

3.1 葉面積指數(shù)

葉片是作物進(jìn)行光合作用的器官，其形狀、大小和數(shù)量及其空間散布性狀直接關(guān)系到群體中光環(huán)境的優(yōu)劣和光能利用率的高低。Watson確立的葉面積指數(shù)（LAI）是描述群體受光結(jié)構(gòu)的最基礎(chǔ)參數(shù)，“葉面積的差異能最強(qiáng)烈的影響到生長(zhǎng)量”。葉面積指數(shù)模式是作物生長(zhǎng)模擬的子模式[28]。LAI隨生育期而改變。在營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期，水稻的LAI逐漸增大，約在孕穗期至抽穗期達(dá)最高值。在生殖生長(zhǎng)后期，隨著葉片成熟、衰老，LAI逐漸減小。茂密封閉的冠層結(jié)構(gòu)，葉面積系數(shù)大，農(nóng)藥?kù)F滴與葉片表面接觸的機(jī)會(huì)較多，農(nóng)藥流失的幾率降低，農(nóng)藥有效利用率高；但如果植物的冠層結(jié)構(gòu)稀疏開(kāi)放，葉面積系數(shù)小，藥液就容易發(fā)生流失[29]。水稻田間噴霧時(shí)，應(yīng)充分考慮葉面積指數(shù)差異確定噴施的農(nóng)藥劑量。

3.2 葉傾角

在生態(tài)學(xué)研究中稱植物元素的傾角分布和它們的面積指數(shù)為群叢的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)。葉子向上半面某一點(diǎn)上的法線方向與Z軸（Z軸垂直于水平面指向天空）的夾角，稱為葉子在該點(diǎn)的葉傾角[30]。葉傾角是表征作物冠層幾何結(jié)構(gòu)的參數(shù)。作物群體的受光面積與群體葉傾角有直接關(guān)系，而群體最適葉面積指數(shù)在很大程度上也受葉傾角的影響。葉片傾角對(duì)藥液沉積的影響主要是不同的葉片傾角與霧滴的撞擊概率不同。葉片傾角小，霧滴與葉片的撞擊概率低。水稻的葉片傾角小，甚至接近于直立，且水稻的葉片不易被潤(rùn)濕，藥液霧滴容易從葉片表面上滾落，大霧滴沉積效果更差[31]。

3.3 株高

株高是作物株型育種中的重要問(wèn)題，株高因作物不同而異，隨著生產(chǎn)條件的改善，對(duì)株高的要求也不同。如果植株過(guò)矮，前期生長(zhǎng)速度慢，葉片容易密積重疊，立體空間分布低，空間利用率就低，葉面積指數(shù)也不容易提高。因此，稻麥品種適當(dāng)增加株高，對(duì)于降低葉片密集程度，保持中、下層葉片受光和后期谷粒充實(shí)都是有益的。植株較高不僅可降低葉面積密度，有利于CO2擴(kuò)散，而且有利于提高最適葉面積指數(shù)和群體光合效率。然而，稈高與耐肥抗倒性存在密切的關(guān)系，稈過(guò)高不僅不利于抗倒伏，而且不利于下部葉片受光，也不利于增加單位面積穗數(shù)。

冠層結(jié)構(gòu)對(duì)藥液在植株上的沉積有很重要的影響。徐德進(jìn)等[32－33]研究了噴霧器械、施液量及噴霧方式對(duì)農(nóng)藥?kù)F滴在水稻群體內(nèi)沉積分布的影響，方法是通過(guò)農(nóng)藥?kù)F滴采集裝置和水敏紙收集農(nóng)藥?kù)F滴。從以往的研究可知，水稻冠層結(jié)構(gòu)差異對(duì)藥液沉積有重要影響，進(jìn)而影響噴霧效果，結(jié)合水稻冠層結(jié)構(gòu)研究霧滴在冠層的傳輸與沉積是當(dāng)代水稻噴霧技術(shù)研究的重要方向。

4 小結(jié)

國(guó)內(nèi)外對(duì)噴霧器械、噴霧方式、霧滴本身特性和外部環(huán)境等因素對(duì)霧滴沉積的影響做了大量工作，噴霧技術(shù)、噴頭特性、噴霧方式、霧滴大小、霧滴速度、接觸角、表面張力、藥液粘度等對(duì)霧滴沉積影響很大。針對(duì)靶標(biāo)植物特性對(duì)霧滴沉積影響的研究，主要是植物表面結(jié)構(gòu)的顯微分析。

農(nóng)藥使用的目標(biāo)是害蟲、病菌、雜草或作物，這些生物靶標(biāo)在農(nóng)藥噴撒中并不是被動(dòng)的接收者，而是具有主動(dòng)選擇捕獲性的生命體。小麥、水稻葉片在農(nóng)藥噴霧中有“葉尖優(yōu)勢(shì)現(xiàn)象”，飛翔中的粘蟲對(duì)細(xì)霧滴捕獲能力是大霧滴的23～40倍，同樣的藥液在有些植物上的接觸角明顯大，而有些植物上的接觸角就小。目前，我國(guó)農(nóng)藥使用技術(shù)中沒(méi)有考慮生物靶標(biāo)的“特殊性”，不論植株高低，不論病蟲害種類，一種空心圓錐霧噴頭包打天下；同一表面特性的藥液，既用于葉片潤(rùn)濕性較好的棉花，又用于葉片很難濕潤(rùn)的水稻，造成藥液流失嚴(yán)重，違背了“生物最佳粒徑原理”和“靶標(biāo)適應(yīng)性原則”[34]。

因此，結(jié)合水稻冠層株葉形態(tài)，研究農(nóng)藥噴霧的霧滴行為，分析水稻冠層對(duì)農(nóng)藥噴霧的截留以及霧滴在冠層的沉積，對(duì)提高農(nóng)藥的有效利用率、降低農(nóng)藥在非靶標(biāo)環(huán)境中的投放量、提高農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量具有重要意義；同時(shí)為噴霧技術(shù)參數(shù)的優(yōu)化，以不同水稻層面為重點(diǎn)霧滴沉積層的噴霧器設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。