稻田莖葉噴霧農藥沉積分布均勻性統計指標研究

徐德進，徐廣春，徐 鹿，王聰博，胡雙女，顧中言，邱白晶

（1.江蘇省農業科學院植物保護研究所，南京210014；2.江蘇大學現代農業裝備與技術教育部重點實驗室，江蘇鎮江212013）

水稻原產于亞洲，世界上一半人口以水稻為主糧[1]。每年稻田病蟲草害導致的水稻產量損失率可達50%以上[2]。農藥是保障水稻產量的關鍵物資，是水稻生產投入的主要資源[3-4]。農藥最佳使用效率是將理論上的最小劑量噴灑在作物靶標上并獲得預期生物效果[5]。稻田施藥以莖葉噴霧方式為主，科學的噴霧質量評價體系可為建立稻田高效施藥技術提供依據，對減少稻田農藥投入量有重要意義。

農藥霧滴漂移率、覆蓋率和分布均勻性是噴霧質量評價的主要指標[6]。農藥霧滴田間分布均勻性是指霧滴在噴霧靶標表面、水平或垂直空間內的分布均勻程度，一般用變異系數表示，變異系數越大，分布越不均勻[7]。農田噴霧現階段仍是要求全田無差別施藥，通常認為農藥沉積的均勻性越高，防效越好，即變異系數值越小，農藥沉積分布越均勻，農藥有效利用率越高[8]。手動噴霧器以“Z”字形擺動噴霧農藥霧滴沉積分布的變異系數值為0.49，且縱向變異系數低于橫向變異系數，原因是噴頭左右“Z”字形擺動，左右差異較大，而前后的差異僅與操作者的行進速度和握噴桿的高度有關[9-10]。含多噴頭的噴桿噴霧，因噴頭位置相對固定，噴霧時噴霧高度易保持，與傳統的手動噴霧器擺動噴霧相比變異系數顯著減小[11-13]。陳海濤等[14]對煙田中不同施藥器械噴霧的霧滴分布均勻性進行了比較，發現變異系數值為電動噴霧器＜手動噴霧器＜手動彌霧器＜機動噴霧機。王立軍等[15]發現采用雙流輔助噴霧技術可使霧滴分布的變異系數顯著減小。王俊等[16]研究發現風幕輔助氣流能夠有效增強玉米田噴桿噴霧機噴霧的穿透性，使霧滴在玉米冠層中的分布更加均勻。王明等[17]研究發現茶園使用植保無人機低容量噴霧的農藥利用率比傳統的大容量噴霧農藥利用率提高了9.7%～24.5%，但從植保無人機噴霧的變異系數值大于大容量噴霧。除變異系數外，宋淑然等[18]將收集位點沉積量的極差值與算術平均值的商定義為不均勻系數，用來比較水稻不同層間霧滴分布的均勻性，但該指數未被廣泛采用。

農藥防效與農藥霧滴的沉積分布均勻性高度相關。分布均勻性是評價不同施藥器械、施藥方式、施藥參數優劣的重要指標。變異系數和不均勻系數均為普通離散系數測度法指數，易受極大值和極小值影響而不能反映農藥沉積分布的全部面貌。特別是在田間條件下，農藥沉積量受到多個不可控因素，如取樣植株的個體差異、距離噴頭的位置差異、噴桿的晃動、風向風速等影響而出現極端數據。單純以變異系數作為統計指標評價施藥裝備、施藥方式或作業參數的優劣，易造成與客觀事實不符的錯誤結論。在國民收入分配不公平程度的評價中，發展了許多經濟學統計指標。在農藥田間沉積分布均勻性的評價中，我們可以將收集位點上的農藥沉積量視為個體收入值，通過引進經濟學中收入分配不公平程度測度指數進行綜合比較分析，從多重緯度對農藥分布的均勻程度進行評價。筆者擬通過引進新的統計學指標，對水稻田獲得的農藥沉積數據進行實證分析，并比較不同統計學指標描述農藥沉積分布均勻狀態及特征的異同，為建立標準化的噴霧質量評價體系提供理論依據。

1 材料與方法

試驗于2018年7月至2018年10月在江蘇省農業科學院溧水植物科學試驗基地完成。

1.1 試驗材料

水稻品種：“南粳46”。人工插秧，水稻株行距為15 cm×30 cm。生物染料為麗春紅-G，由北京恒業中遠化工有限公司提供。

1.2 試驗儀器

億豐丸山3WP-500CN自走式噴桿噴霧機，黑龍江省吉億豐農機有限公司；永佳3WF-2.6型彌霧機，臨沂三禾永佳動力有限公司；NS-16衛士牌手動噴霧器，山東衛士植保機械有限公司；AB135-S電子天平（精確至0.1 mg或0.01 mg），梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司；UV-9100紫外可見分光光度計，北京瑞利分析儀器廠。農藥噴霧霧滴采集裝置（自制）[19]。

1.3 試驗方法

1.3.1 試驗處理

在水稻分蘗期、孕穗期、揚花期分別采用手動噴霧器、彌霧機、自走式噴桿噴霧器進行葉面噴霧。試驗共設9個處理。自走式噴桿噴霧機采用出廠標配圓錐霧噴頭，噴孔直徑為1.1 mm，0.8 MPa工作壓力下噴頭流量為0.57 L/min，施藥液量為300 L/hm2。彌霧機葉輪轉速為6 500 r/min，配套動力為1E40F-3Z，噴頭流量1.5 L/min，施藥液量為350 L/hm2。手動噴霧器采用圓錐霧噴頭，噴孔直徑1.6 mm，0.3 MPa工作壓力下噴頭流量0.8 L/min，施藥液量為900 L/hm2。

1.3.2 農藥示蹤方法

以生物染料麗春紅-G作為農藥示蹤劑，每畝示蹤劑用量固定為50 g，噴霧前按施藥液量配制麗春紅-G溶液，噴霧完成后待水稻植株上麗春紅-G自然干燥后收回。

1.3.3 農藥沉積量的采集與測定方法

參照徐德進等[19]的方法，預先在室內確定每試驗小區內的取樣數及取樣位置，噴霧后1 h，每個取樣點取3株水稻，沿基部用剪刀剪斷，放入規格為28 cm×38 cm的聚乙烯袋中帶回實驗室。將取回的每個聚乙烯袋中的3株水稻用剪刀剪成1～2 cm長小段，放入250 mL燒杯中，先用30 mL清水清洗，再用30 mL清水漂洗。洗滌液轉移至塑料杯中，沉淀24 h后用移液器吸取4 mL上清液，在UV-9100紫外可見分光光度計510 nm處測定吸光值。根據徐德進等[19]制定的麗春紅-G標準曲線，由洗脫液體積和吸光度值計算每個取樣點麗春紅-G沉積量。

1.3.4 統計指標的計算方法

1.3.4.1 變異系數（CV）

標準差σ與沉積量的算術平均值X的比值，即按式（1）計算。

1.3.4.2 極差（全距）系數測度指數（CR）

最大沉積量Xmax與最小沉積量Xmin的差與算術平均值X的比值，即按式（2）計算。

1.3.4.3 絕對份額比例測度指數（I）

將沉積量數據從低到高進行排序，按采樣點數將沉積量分成五等份，計算各等份沉積量占總沉積量的比例，用I5ith分別表示，如第1個五等份比例記錄為I51th。

1.3.4.4 分位點比率測度指數（PR）

將沉積量數據從低到高進行排序，以高分位點所對應采樣點的沉積量除以某低分位點所對應的沉積量所得出的一個比率測度指數，按式（3）計算。

1.3.4.5 基尼系數（Gini）

基尼系數計算采用梯形面積法，先將n個樣點沉積量從低到高按1、2、3、…、i、…、n排列。式中Ni為樣點數累計比例，Pi為對應樣點沉積量累計比例。按式（4）計算。

1.3.4.6 阿特金森指數A（ε）

阿特金森指數A（ε）按式（5）計算。

式中：ε為不平等厭惡指數，ε值分別取0.5、1、2、5、10，n為采樣點數量，Xi為第i個取樣點的沉積量，X為算術平均沉積量。

1.3.4.7 泰爾指數（T）

泰爾指數T按式（6）計算。

式中：Xi為第i個取樣點的沉積量，X為算術平均沉積量。

1.3.4.8 均值對數偏差指數（MLD）

均值對數偏差指數MLD按式（7）計算。

式中：Xi為第i個取樣點的沉積量，X為算術平均沉積量。

1.4 數據統計與分析

利用EXCEL進行數據整理和圖形繪制，采用SPSS 16數據處理軟件進行相關性分析。

2 結果與分析

2.1 農藥沉積分布的普通離散系數分析

從表1中列出的變異系數結果可以看出，手動噴霧器、彌霧機及自走式噴桿噴霧機在水稻分蘗期、孕穗期、揚花期噴霧沉積量分布的變異系數值分別為0.39、0.31和0.42，自走式噴桿噴霧機在水稻分蘗期、孕穗期、揚花期的變異系數值分別為0.24、0.23、0.31，分別比手動噴霧器減小了38.46%、25.81%和26.19%。在水稻分蘗期和孕穗期，噴桿噴霧機噴霧的變異系數值明顯小于彌霧機，但在水稻揚花期，自走式噴桿噴霧機和彌霧機噴霧的變異系數值相近，分別為0.31和0.32。水稻分蘗期和孕穗期，彌霧機噴霧的變異系數值與手動噴霧器噴霧相近，但在揚花期明顯小于手動噴霧器。

從表1中列出的極差系數分析結果可以看出，手動噴霧器、彌霧機及自走式噴桿噴霧機在水稻分蘗期、孕穗期、揚花期噴霧沉積量分布的極差系數值在0.97～1.90。自走式噴桿噴霧機在水稻分蘗期、孕穗期、揚花期的極差系數值分別為1.10、1.04、1.52，分別比手動噴霧器減少了37.14%、6.55%和16.02%。在水稻分蘗期，噴桿噴霧機噴霧的極差系數值比彌霧機減少了42.11%，但在孕穗期和揚花期，自走式噴桿噴霧機噴霧的極差系數值比彌霧機分別增加了7.22%和24.59%。在水稻分蘗期，彌霧機噴霧的極差系數值大于手動噴霧器，但在孕穗期和揚花期，彌霧機噴霧的極差系數值均小于手動噴霧器。

表1 3種噴霧器械稻田莖葉噴霧農藥沉積分布的變異系數和極差系數比較

2.2 農藥沉積分布的份額比例分析

從表2中列出的絕對份額比例結果可以看出，自走式噴桿噴霧機在水稻分蘗期噴霧，第1個5分位比例分別比手動噴霧器、彌霧機噴霧增加了33.97%、37.18%；在孕穗期分別增加了27.67%、21.87%；在揚花期分別增加了24.55%、15.95%。自走式噴桿噴霧機在水分蘗期噴霧，第5個5分位比例分別比手動噴霧器、彌霧機噴霧減少了21.34%、24.50%；在孕穗期分別減少了11.62%、11.98%；在揚花期分別減少了24.45%、13.85%。彌霧機在水稻分蘗期噴霧，第1個5分位比例分別比手動噴霧器增加了33.97%；在孕穗期增加了27.67%；在揚花期增加了24.55%。彌霧機在水分蘗期噴霧，第5個5分位比例比手動噴霧器減少了21.34%；在孕穗期減少了11.62%；在揚花期減少了24.45%。

表2 3種噴霧器械稻田莖葉噴霧農藥沉積分布的絕對份額比例比較

從表3中列出的分位點比率可以看出，自走式噴桿噴霧機在水稻分蘗期、孕穗期、揚花期噴霧，4個分位點比率值均低于手動噴霧器和彌霧機。

表3 3種噴霧器械稻田莖葉噴霧農藥沉積分布的分位點比率比較

2.3 農藥沉積分布的集中度指標分析

從表4中可以看出，自走式噴桿噴霧機在分蘗期、孕穗期、揚花期水稻田噴霧，基尼系數值分別為0.11、0.13、0.16，均小于同一生育期內采用手動噴霧器、彌霧機噴霧處理的基尼系數值。

表4 3種噴霧器械稻田噴霧農藥沉積量分布集中度測度比較

阿特金森指數分析結果表明，隨厭惡程度值增加，對應的阿特金森指數值增加。值相同時，自走式噴桿噴霧機在每個生育期噴霧的阿特金森指數值均低于手動噴霧器和彌霧機。

均值偏差MLD指數分析結果表明，分蘗期自走式噴桿噴霧機＜手動噴霧器＜彌霧機、孕穗期和揚花期彌霧機＜手動噴霧器＜自走式噴桿噴霧機。

2.4 農藥沉積量分布不同統計指標關聯度分析

對19個統計指標進行兩兩相關性分析。變異系數、基尼系數分別與其他14、13個指標在P＜0.05上顯著相關。阿特金森指數A（0.5）、A（1）、A（2）、A（5）、A（10）分別與其他13、13、13、12、10個指標在P＜0.05水平上顯著相關。絕對份額比例中I51th、I52th、I55th分別與其他13、12、13個指標在在P＜0.05水平上顯著相關，但I53th、I54th僅與其他4、0個指標在P＜0.05水平上顯著相關。分位點比例中，PR90th/20th、PR90th/50th分別與其他12、11個指標顯著相關，PR60th/20th、PR80th/20th分別與其他9、4個指標顯著相關。極差系數與其他8個指標顯著相關。泰爾指數、均值偏差指數除互相顯著相關外，與其他指標均不相關。

2.5 3種噴霧器械稻田噴霧農藥沉積量分布均勻性比較

綜合不同指標的測定結果，以變異系數、基尼系數、阿特金森指數（ε=2）、絕對份額比例I51th、分位點比例PR90th/20th等5個指標判斷不同噴霧器械稻田噴霧農藥沉積分布均勻性，結果列于表5。

表5 3種噴霧器械在水稻3個生育期噴霧的農藥沉積量分布均勻性比較

從表5中可以看出，5個統計指標均顯示在水稻分蘗期、孕穗期、揚花期噴霧，自走式噴桿噴霧機噴霧農藥沉積分布的均勻性高于手動噴霧器和彌霧機噴霧；手動噴霧器在水稻分蘗期噴霧的均勻性高于彌霧機，但彌霧機在水稻孕穗期、揚花期噴霧的均勻性高于手動噴霧器。5個統計指標分析均表明，手動噴霧器在水稻3個生育期噴霧均勻性表現為孕穗期＞分蘗期＞揚花期；彌霧機在水稻3個生育期噴霧均勻性表現為孕穗期＞揚花期＞分蘗期；自走式噴桿噴霧機在水稻孕穗期和揚花期噴霧均勻性表現為孕穗期＞揚花期。

3 討 論

農藥導致的農業面源污染是我國農業生態環境整治的重點領域。21世紀以來，農藥使用技術迅速發展，傳統的大容量向低容量高濃度均勻噴霧發展。研究農藥霧滴在作物上的分布規律對科學選擇施藥器械及其施藥參數，提高農藥使用效率具有現實意義[20-22]。研究農藥分布問題首先要解決對農藥沉積分布均勻性的測度問題。現階段我國許多學者對農藥分布進行大量研究，但絕大多數研究局限于使用變異系數這一個統計指標[23]。農藥噴霧主要是在田間條件下進行，受不可控因素，如陣風、植株疏密度及空間遮蔽等影響，收集獲得的農藥沉積量或霧滴密度數據常出現異常值，單通過一個統計指標來評價分布均勻性，容易造成為了結果而誤用、濫用數據的現象，從而導致錯誤的結論。通過變異系數也只能進行噴霧均勻性的相對比較，無法利用變異系數值建立農藥噴霧均勻性的限制性標準。

將田間每一個收集農藥沉積量的單元視為個體，農藥噴霧過程可看作社會財富的分配過程，農藥沉積分布均勻性評價問題就轉換為收入分配不公平程度的測定問題。普通離散系數測度法、份額比例測度法、收入集中度測度法是收入分配不公平程度評價研究中使用的主要方法[24-25]。變異系數、極差系數屬于離散系數，反映單位均值上的離散程度。份額比例測度法又稱為“庫茲涅茲比率”，由1975年諾貝爾經濟學獎獲得者西蒙·庫茲涅茨提出。該法是將各個階層的收入比重與人口比重的差額的絕對值相加而得。收入集中度測度法就是通過實際收入分布與某一分布基準進行比較，對二者之間的差距利用不同方法進行表示的一種測度方法。基尼系數、阿特金森指數、泰勒指數、均值對數偏差指數是目前經濟學領域使用最多的收入集中度測度指標，其中基尼系數最為經常使用。基尼系數是赫希曼根據洛倫茨曲線提出的判斷分配平等程度的指標，基尼系數最大為1，最小等于0。基尼系數越接近0，表明收入分配越是趨向平等。國際慣例把0.2以下視為收入絕對平均，0.2～0.3視為收入比較平均；0.3～0.4視為收入相對合理；0.4～0.5視為收入差距較大，當基尼系數達到0.5以上時，則表示收入懸殊。國際上通常將0.4作為收入分配貧富差距的警戒線[26-27]。借鑒基尼系數評價貧富差距的標準，3種常用噴霧機械稻田噴霧的基尼系數值均小于0.3，說明以基尼系數為標準，稻田農藥田間分布是相對均勻的。自走式噴桿噴霧機水稻分蘗期、孕穗期、揚花期噴霧的基尼系數值均小于0.2，說明農藥沉積分布高度均勻。相關性分析結果顯示基尼系數和變異系數相關系數值達到了0.982，高度相關，如果單純比較變異系數值，無法做出科學的論斷。

不同的評價指標，有其優點，也有其難以克服的缺點。通過建立綜合指標評價體系，可以更好地比較分析不同施藥器械、施藥方法的噴霧均勻性。綜合不同指標的測定結果，建議以變異系數、基尼系數、阿特金森指數、絕對份額比例、分位點比例等5個指標作為判斷農藥沉積分布均勻性的統計學指標，多緯度分析農藥田間分布的均勻性。以水稻揚花期莖葉噴霧為例，采用噴桿噴霧機和彌霧機噴霧，植株采集測定的農藥沉積變異系數分別為0.31和0.32，僅從變異系數值判斷，二者均勻性相當，但噴桿噴霧機噴霧的I51th值較彌霧機噴霧提高了15.92%，I55th值降低了23.00%。噴桿噴霧機PR90th/20th值較彌霧機減小了33.10%，Gini值和A（2）值分別比彌霧機減少11.10%和19.28%。通過多個指標分析，可以明確得出噴桿噴霧機水稻揚花期莖葉噴霧的均勻性優于彌霧機噴霧的結論，彌補了變異系數分析結果的不足。