农药是防治农业有害生物的重要生产资料，为确保粮食产量稳定增长做出了应有的贡献。中国农药的单位面积施用量已从1991年的5.12 kg/hm²增长到2013年的10.95 kg/hm²，是世界平均水平的2.5倍；农药使用总量 (商品量) 从1991年的76.53万t快速增长到2013年的180.19万t，增长了135.5%^[1-2]。但是，长期以来，中国的农药利用率仅为20%～30%^[3-4]，大量农药进入环境后并未发挥其应有的作用，反而可能对生态环境、有益生物和人类本身造成有害影响。农用化学品 (农药和化肥) 是当前农业面源污染的重要组成部分，不合理和过量使用的农用化学品正通过地表径流、渗透进入水体，严重影响了水环境和生态环境^[5]。

中国政府高度重视农药的负面影响，先后制定了多项政策规划，将农业面源污染作为农业生态环境整治的重点领域。为立足化肥农药减施增效的战略需求，设立了国家重点研发计划“化学肥料和农药减施增效综合技术研发”。经过近年来农药科学使用技术研发与推广应用，2017年中国农药利用率已增加到38.8%^[6]，但仍有大量农药进入环境中。因此提高农药利用效率、减少农药用量已成为农药应用研究中迫切需要解决的重大课题。

在农作物病虫草害防治中，把在一块农田中喷施农药后沉积在靶标作物上的剂量相对于农药投入量之比值，称为“农药利用率”，实际指的是农药在靶标作物表面的沉积率，是衡量农药利用水平高低的基本参数，如公式 (1) 所示。

${P_1} = {n_1}/N \times 100$

(1)

式中：P₁为沉积率，n₁为沉积在靶标作物表面的农药剂量，N为农药投入量。

在使用茎叶除草剂防治杂草时，除草剂在靶标杂草上的沉积率可以算作是除草剂的利用率，但在防治病虫害时，沉积在靶标作物表面的药剂并不一定都能接触到有害生物，也就是说沉积在靶标作物表面的农药并不能保证一定能够杀死为害该靶标作物的有害生物，即农药在靶标作物表面的沉积率不等于农药的有效利用率。农药的有效利用率应该是杀死有害生物的农药剂量占农药投入量的比例，如 (2) 式。

${P_2} = {n_2}/N \times 100$

(2)

式中：P₂为有效利用率，n₂为杀死有害生物的农药剂量，N为农药投入量。

农药过量施用的主要原因之一是对不同种植体系中农药的损失规律和高效利用机理缺乏深入的认识，不清楚农药在田间的去向以及不同去向的农药与农药使用效率之间的关系。褐飞虱Nilaparvata lugens Stål是水稻上最主要的害虫之一，其栖息在水稻基部为害，严重时可造成水稻大量减产，甚至绝收。农药叶面喷雾是生产上防治褐飞虱最普遍的方法。本文拟以水稻褐飞虱为对象，在查阅室内毒力测定结果、田间防治指标、农药田间推荐剂量、农药在水稻植株上的沉积与分布、褐飞虱的田间分布等文献资料的基础上，通过分析叶面喷雾的农药在水稻种植体系中的主要去向及损失途径，剖析杀虫剂在防治褐飞虱时有效利用率极低的原因，旨在为研究农药高效施药技术或施药装备提供科学论据。

1 杀虫剂防治褐飞虱的有效利用率 1.1 导致褐飞虱种群90%死亡的杀虫剂致死剂量和致死浓度

致死剂量的药剂会导致褐飞虱个体死亡，但由于个体间的差异，每个个体所需要的致死剂量不同。将导致群体中50%个体死亡的剂量称为致死中量，用LD₅₀表示；用LD₉₀表示导致90%个体死亡的剂量，剂量单位为 (μg/头或μg/g)。同样，将导致群体中50%个体死亡的药剂浓度称为致死中浓度，用LC₅₀表示；LC₉₀则表示导致90%个体死亡的药剂浓度，浓度单位为 (mg/L)。

王荫长等^[7]于1995年测定了8种常规杀虫剂对采集自安徽省安庆地区的褐飞虱种群雌成虫的触杀毒力，结果见表1。刘泽文等^[8]于2000年在江苏省南京市江浦县 (现浦口区) 采集了褐飞虱种群，经室内用吡虫啉连续筛选21代后育成抗性品系，并以在室内不接触任何农药条件下持续饲养的褐飞虱种群为敏感品系，以2002年自南京江浦杂交水稻田采集的褐飞虱种群为田间品系，分别测定了4种杀虫剂对敏感、田间及抗性3个品系褐飞虱雌成虫的触杀毒力，结果列于表2。

上述试验结果 (表1和表2) 明确了这些杀虫剂导致褐飞虱种群成虫90%死亡的致死剂量。

2005年，王彦华等^[9]测定了10种常规杀虫剂对江苏省南京市稻田中褐飞虱种群3龄若虫的致死浓度，结果列于表3。

1.2 杀虫剂防治褐飞虱的田间推荐剂量

通过田间药效试验确定杀虫剂防治褐飞虱的田间推荐剂量。在进行防治褐飞虱的田间药效试验时，通常每个处理小区的面积为15～50 m²，小区间筑小田埂，防止施药后各小区内的田水互相流动而影响试验结果。供试农药至少设高、中、低3个处理剂量，设清水处理为对照，每处理最少4次重复，即4个小区，小区随机区组排列。在褐飞虱低龄若虫期并在百穴虫量为1 000～2 000头时进行试验。除极少数颗粒剂外，绝大多数试验采用背负式手 (电) 动喷雾器及药液量为750～900 kg/hm²的大容量喷雾施药。试验前调查虫口基数，于处理后1～3 d和7 d调查试验结果，或者根据试验农药的持效期调整调查次数和调查时间。从当地或附近气象站获取试验期间的气象资料，分析影响试验结果的气象因素。采用平行跳跃法调查田间虫量，每小区调查10～20点，每点2穴水稻，用白色瓷盘或塑料盘紧靠水稻基部，摇动或拍打稻丛，将褐飞虱振落于盘内，统计褐飞虱的虫量，计算防治效果^[10]。根据全国范围内2年8地的试验结果，一般将防治效果达到90%左右的农药剂量作为田间推荐剂量。

在公开资料^[11-15]上查询到的杀虫剂防治褐飞虱的田间推荐剂量和药液用量列于表4，按生产中防治稻飞虱的常规用量750～900 kg/hm²计算其他在资料中未提及的药液用量。

1.3 褐飞虱防治指标与杀虫剂的有效利用率

田间病虫害的种群数量增长到可造成经济损害而必须采取防治措施时的临界值为经济阈值，在实际防治中，经济阈值主要考虑的是防治费用应小于等于防治后的直接收益。达到经济阈值时的病虫害种群数量被称为田间防治指标^[16-18]。褐飞虱的防治指标列于表5^[19]。

以五 (2) 代100头/百穴的防治指标为基础，根据表1和表2的LD₉₀值计算导致田间发生虫量90%死亡的有效剂量及占田间推荐剂量的百分比，见表6和表7。按防治指标中的最高虫量100头/百穴和333 500穴/hm²水稻计，从表6和表7中可以看到，田间杀虫剂推荐剂量是田间虫量90%死亡所需剂量的千倍以上，甚至更高，即杀虫剂的实际利用率远不足0.1%。如果以六 (3) 代和七 (4) 代的防治指标为基准进行计算，则杀虫剂的有效利用率更低。

田间防治时褐飞虱的实际虫量可能多于防治指标，以表2中吡虫啉对褐飞虱田间品系的毒力为准，计算田间不同虫量时杀虫剂的有效利用率，结果列于表8。从表8可以看到：随着田间虫量的增加，杀虫剂的有效利用率升高，但当虫量达到1 000头/百穴时，杀死90%的虫量后田间仍然残余100头/百穴，达到了五 (2) 代防治指标的最高虫量，这种情况下，生产上常通过增加农药用量或者增加防治次数来控制褐飞虱的数量，从而又拉低了农药的有效利用率。2005年褐飞虱大发生，8月下旬，浙江省嘉兴市新丰镇观察圃的褐飞虱虫量达近1 000头/百穴，到9月下旬达近1万头/百穴；7月10日前后，中国水稻研究所观察圃的虫量为12头/百穴，到9月初超过1万头/百穴，农民施药8～10次以上，单位面积的用药量几乎为常年的2倍^[20]。江苏省兴化市2005年褐飞虱七 (4) 代、八 (5) 代虫量大、为害重，全市9.33万hm²水稻，七 (4)、八 (5) 代累计防治27.06 hm²，其中4代平均防治1.8次，5代平均防治1.1次^[21]。

根据表4中杀虫剂推荐用量和药液用量计算杀虫剂的田间使用浓度，再与表3中的LC₉₀值进行比较，结果列于表9。从中可以发现，除吡虫啉外，所有药剂的田间推荐使用浓度均高于褐飞虱虫群90%死亡的致死浓度，甚至高达10倍以上。而2005年江苏南京的褐飞虱对吡虫啉已有551.8倍的抗药性^[22]，不再适合防治水稻褐飞虱。

从以上分析可以看出，为了有效控制褐飞虱的危害，生产上已然采用了超量、超浓度使用农药的方式。

2 稻田中杀虫剂的主要去向及损失途径 2.1 杀虫剂在水稻植株上的沉积与分布状态造成的浪费

水稻是低表面能的疏水性作物^[23]。徐广春等^[24]于2012年测定的南粳44、南京11和武香糯8333 3种水稻叶片正、反面的临界表面张力值介于29.90～32.88 mN/m之间，采用药液量为750 kg/hm²以上的大容量喷雾，发现稻田常用农药中绝大多数药液的表面张力大于水稻的临界表面张力，药液中的表面活性剂的浓度达不到临界胶束浓度，药液在水稻表面的润湿性差、沉积率低。徐德进等^[25]于2011年以生物染料丽春红-G为示踪剂，采用比色法测定了丽春红-G在水稻植株上的沉积率，用表面张力大于水稻临界表面张力的清水溶解丽春红-G，通过手动喷雾器进行大容量喷雾，发现丽春红-G在水稻分蘖期、孕穗期和扬花期的沉积率分别为20.24%、34.25%和39.46%；在清水溶解的丽春红-G溶液中添加100 mg/L的表面活性剂TX-10，使溶液的表面张力小于水稻叶片的临界表面张力、溶液中的表面活性剂浓度达到临界胶束浓度，用手动喷雾器进行大容量喷雾后，丽春红-G在水稻分蘖期、孕穗期和扬花期的沉积率可分别增加到35.56%、43.87%和46.10%。这表明用手动喷雾器在稻田进行大容量喷雾时，多数药剂的沉积率不足40%，即使使用助剂降低药液的表面张力，水稻常用农药在水稻植株上的沉积率仍不足50%。

笔者曾用自制的雾滴采集装置按图1的方式在水稻孕穗期和扬花期检测了手动喷雾器大容量喷雾后示踪剂 (丽春红-G) 在水稻群体内的空间分布，其垂直方向的分布结果列于表10。从表10可以看到，沉积在水稻中层以上的示踪剂分别占82.58%和82.33%，而在水稻基部也主要沉积在表示叶片正面的载玻片上，沉积在表示茎秆垂直面的载玻片上的示踪剂分别只有1.17%和1.59%。说明手动喷雾器叶面喷洒的农药绝大多数沉积在水稻叶片的正面，即使在水稻基部也主要沉积在一些老叶的正面。在孕穗期和扬花期，示踪剂在表示叶片正面的载玻片上的沉积量分别占总沉积量的85.1%和84.9%^[26]，而沉积在基部褐飞虱栖息为害的茎秆部位的示踪剂不足总沉积量的2%。将手动喷雾器大容量喷雾后示踪剂在水稻植株上的沉积率乘以其在水稻基部的分布比例，得沉积在水稻基部茎秆部位的示踪剂只占喷洒量的0.40%～0.73%。说明采用手动喷雾器大容量叶面喷雾的方式防治褐飞虱，沉积在水稻基部褐飞虱为害部位的药量只占施药量的0.5%左右。

2.2 褐飞虱和杀虫剂在水稻基部不均匀分布导致的浪费

褐飞虱田间分布的基本状态是个体群，为典型的聚集分布^[27-29]。纂立正等^[27]在江苏太湖地区农业科学研究所选择常规单季晚梗稻田3块，在褐飞虱大量迁入阶段基本结束、种群处于稳定增长初期的8月3—5日，以随机取样的方法调查褐飞虱的田间分布状态，每样点l穴水稻，共调查4 396穴，将每穴虫量制成的田间观察频次列于表11。从表11中可看到褐飞虱的田间分布极不均匀，每穴10头以内的观察频次占全部样点的86.74%，其中没有褐飞虱的样点占5.44%，每穴20头以上的观察频次占全部样点的1.14%。褐飞虱获得致死剂量药剂后死亡。假设沉积在每穴水稻基部的杀虫剂剂量均等，并且足以控制每穴30头的最多虫量，那么对于每穴30头以下虫量的水稻而言，沉积在水稻基部的杀虫剂剂量则没有被完全利用，而对于根本没有褐飞虱的水稻则杀虫剂完全没有发挥作用，因而降低了杀虫剂的有效利用率。实际上分布在每穴水稻基部的杀虫剂剂量并不相等，有的多，有的少，甚至很少^{[26, 30-31]}，而杀虫剂分布少的水稻植株决定了对褐飞虱的防治效果。如果需保证剂量分布少的水稻植株上的杀虫剂能够有效防治虫量分布多的褐飞虱，那么就整个稻田而言，势必将降低农药的有效利用率 (图2)。

2.3 降落至田水中的杀虫剂不足以有效控制褐飞虱

在防治褐飞虱时，要求田间有0.05 m左右的水层并保持3～5 d。田间水层的作用是为了使落入田水中的杀虫剂能通过毛细现象从水稻基部向上传输，以便充分接触褐飞虱，同时通过内吸作用进入水稻植株内再发挥杀虫作用。然而由于田间水的体积大，大大稀释了落入其中的杀虫剂的浓度，导致杀虫剂的实际质量浓度远远低于室内测定的LC₁₀值 (表12)，因此并不足以有效杀死褐飞虱。

3 结论与展望

杀虫剂防治水稻褐飞虱的有效利用率低的原因，是因为田间喷洒的杀虫剂绝大多数不能集中到虫体上，甚至不能有效沉积在褐飞虱栖息为害的部位。采用叶面喷雾的方法防治在水稻基部为害的褐飞虱，实际只有质量分数为0.5%左右剂量的杀虫剂沉积在褐飞虱栖息的水稻基部茎秆部位，并且分布不均匀。此外由于褐飞虱呈聚集态分布，每穴水稻基部的褐飞虱数量不等，甚至一些水稻的基部没有褐飞虱。因此，要有效控制褐飞虱的危害，就需要剂量分布少的水稻基部的杀虫剂足以控制分布多的褐飞虱虫量，这对于杀虫剂分布多的植株，或者虫量分布少的植株而言，均会造成杀虫剂的浪费，从而降低其有效利用率。此外，喷洒时降落到田水中的约50%以上的杀虫剂，经田水稀释后其质量浓度极低，不足以有效杀死褐飞虱。因此，设法调控农药去向，使更多的农药沉积在病虫的发生部位，甚至根据病虫发生程度进行变量施药，必将减少农药浪费，提高农药的有效利用率。

杨燕涛等^[32]曾设计出一种防治稻飞虱的“T”形喷雾辅助装置，用于喷雾时压伏稻株，采用后退式喷雾时，使该装置位于喷头后方，采用前进式喷雾时，则使该装置位于喷头前方(图3)。总之使喷头处在压伏水稻的上方，可使更多的农药雾滴直接喷施到水稻基部，提高对稻飞虱的防治效果。如果在自走式喷杆喷雾机上也安装类似的装置，在喷雾作业时轻轻拨开水稻冠层部位的叶片，可使更多的农药雾滴沉积到水稻基部，从而达到调控农药去向的目的。

在自走式喷杆喷雾机上安装两套喷雾系统，一套用于叶面喷雾，防治在水稻冠层为害的病虫害，另一套系统进行冠层下喷雾，防治在水稻基部为害的褐飞虱及其他病虫害，从而避免防治水稻基部病虫害的药剂被水稻冠层截留，提高农药的有效利用率。发展智能植保机械，在自动获取田间有害生物信息的基础上，按需进行变量施药^[33-37]，是精准农业的发展目标。Tian^[38]研制的基于机器视觉的精准对靶智能喷雾机，可通过多摄像头机器视觉系统实时采集图像信息，以速度传感器采集机器速度信息，利用机载计算机对采集到的信息进行分析，并通过喷雾控制系统控制每个喷头的开关，实现精准变量施药。邱白晶等^[39]研制的基于地理信息技术的自动对靶变量喷雾控制装置，以地理信息系统 (GIS)、全球定位系统 (GPS)、遥感技术 (RS) 和决策支持系统 (DSS) 为基础，根据田间病虫分布差异，可自动改变作业参数，实施精确定位及定量管理，从而实现精准变量施药。虽然中国目前在基于图像传感器的作物病虫害探测等方面的研究水平与国外相比仍存在一定差距^[40]，但随着智能植保机械在有害生物识别方面以及施药计算方法等技术的不断创新与完善^[41-44]，以及人工智能的不断发展，终将实现依据有害生物在田间的差异性分布进行精准变量施药，彻底改变无差别地毯式的施药方式，从而大幅提高农药有效利用率，减少农药用量。