《Precision Agriculture》：The nexus of formulation, application and digital technologies: very-low volume formulations as an enabler for future small, automated, precision application vehicles
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精准农业（Precision Agriculture, PA）利用数据实现植物保护产品（Plant Protection Products, PPP）等农业投入品的更精确施用，并借助精准与变量施用（Variable Rate Application, VRA）
精准农业（Precision Agriculture, PA）利用数据实现植物保护产品（Plant Protection Products, PPP）等农业投入品的更精确施用，并借助精准与变量施用（Variable Rate Application, VRA）设备完成作业。新兴的应用技术使得将这一流程缩小至小型自动化车辆成为可能，并在成本、效率、可持续性、安全性及操作人员需求方面带来诸多优势。配方设计是精准农业的一个全新且重要的组成部分：当前世代的PPP配方并非为极低容量施用（Very-Low Volume application, VLV，针对二维作物为5–50 L/ha）而设计，因此在VLV条件下可能会损失性能。专为VLV条件下表现优异而设计的配方，有望在VLV下维持甚至在某些情况下提升性能，并使施药设备能够缩小至小型自动化车辆，例如无人地面车辆（Unmanned Ground Vehicles, UGV）和无人驾驶飞行器（Unmanned Aerial Vehicles, UAV）。本研究旨在从实验室规模到田间规模探究经VLV优化的配方的性能，以及这种优化如何可能助力未来PPP的VLV精准施用。
研究方法制备了经VLV优化的悬浮剂（Suspension Concentrate, SC）配方，其中包含低剂量率的高铺展性和吸收增强型辅料（助剂），并对叶片沉积物的铺展性与覆盖率、叶片角质层渗透性以及生物学功效进行了评估。
结果显示，在VLV条件下，含有高铺展性辅料的配方保持了良好的覆盖率，而含有吸收增强型辅料的配方在角质层渗透测试中表现出增强的吸收效果。在对番茄植株进行的温室试验中，与较高喷雾量（200 L/ha）相比，不含这些辅料的配方在VLV（15 L/ha）条件下对抗病害感染的效果下降，而含有这些辅料的配方则表现出更佳的性能，接近较高喷雾量下的效果。在水稻田间试验中，当使用UAV施用时，含有高铺展性辅料的配方在VLV条件下对病害感染展现出比不含这些辅料的配方更高的功效。
研究结论表明，专为VLV喷雾施用设计的配方不仅能在标准喷雾量下取得良好功效，也能在使用UAV施药的VLV条件下达到同样效果，这是一种能够赋能未来VLV精准施用的配方设计技术。
论文解读文章
研究背景与问题
当前，精准农业（Precision Agriculture, PA）正借助数据和变量施用（Variable Rate Application, VRA）设备，实现对植物保护产品（Plant Protection Product, PPP）的更精确施用。新兴的施用技术，特别是无人驾驶飞行器（Unmanned Aerial Vehicle, UAV）和无人地面车辆（Unmanned Ground Vehicle, UGV），为将施药设备小型化、自动化提供了可能，这有望在成本、效率、可持续性和操作安全等方面带来显著优势。然而，现有世代的PPP配方并非为极低容量施用（Very-Low Volume application, VLV，针对二维作物定义为5–50 L/ha）而设计。研究表明，当使用UAV进行VLV施用时，许多传统产品的功效会随着喷雾量的降低而显著下降。因此，开发能够在VLV条件下保持甚至提升性能的专用配方，成为释放小型自动化精准施药平台潜力的关键技术瓶颈。本研究旨在系统性地探索VLV优化配方的性能，验证其从实验室到田间的可行性，并探讨其对未来精准农业技术发展的推动作用。
研究方法与技术路线
为探究配方设计对VLV施用性能的影响，研究人员采用了一套从实验室到田间的递进式研究体系。核心技术方法包括：
- 1.
配方设计与制备：制备了基于不同活性成分（Active Substance, AS）的悬浮剂（Suspension Concentrate, SC）配方。通过调整配方中的辅料（formulants），设计了四组对比配方：基础配方、高铺展性配方（含有机硅表面活性剂）、吸收增强型配方（含乙氧基化植物油等）以及兼具铺展与吸收增强功能的复合配方。
- 2.
实验室尺度叶片沉积分析：利用实验室轨道喷雾器（track-sprayer）对离体水稻叶片和苹果叶角质层进行可控喷雾。通过添加荧光示踪剂并结合图像分析软件（ImageJ），定量分析了不同喷雾量下叶片沉积物的覆盖率、费雷特直径（Feret length）及微观结构（如咖啡环效应）。
- 3.
角质层渗透实验：采用分离的苹果叶角质膜，模拟VLV和常规喷雾量，测量不同配方中AS通过角质层的渗透速率，以评估吸收增强辅料的效果。
- 4.
生物学功效评价：
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温室试验：在番茄植株上进行针对致病疫霉（Phytophthora infestans）的防治试验，比较不同配方在VLV和常规喷雾量下的防效差异。
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田间试验：在中国多省（黑龙江、辽宁、安徽、四川）的水稻田中，使用多种商用UAV（如DJI MG 1P、T20和XAG P20）进行施药，评估VLV优化配方对纹枯病和稻瘟病的田间防效，并与人工背负式喷雾器施药进行对比。
研究结果
1. 高铺展性（Set 1, 3, 4）
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发现：在VLV条件下（10–80 L/ha），含有高铺展性辅料（三硅氧烷非离子表面活性剂）的配方（配方2）在水稻叶片上形成了显著更大、覆盖率更高的沉积物。其覆盖率在VLV范围内基本恒定（约20%），而未含该辅料的配方（配方1）覆盖率很低（约4%）。这表明高铺展性有效补偿了因喷雾量降低导致的液滴数量减少。
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结论：低剂量（约20 g/ha）的高铺展性表面活性剂即可显著改善难润湿叶片（如水稻）上的覆盖率和沉积物尺寸，这是提升VLV生物功效的关键机制之一。
2. 高吸收增强（Set 2, 3）
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发现：角质层渗透实验显示，含有吸收增强辅料的配方（配方4、5）在10 L/ha的VLV条件下的AS穿透量，反而显著高于其在200 L/ha常规喷雾量下的穿透量。尽管VLV下的覆盖率（4–6%）远低于常规喷雾（30–42%）。
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结论：VLV条件下，AS与吸收增强辅料在干燥沉积物中的局部浓度大幅升高，加上咖啡环微观结构的富集效应，共同驱动了高效的生物递送。这颠覆了“高覆盖率等于高性能”的传统认知。
3. 综合效应（Set 3）
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发现：在番茄温室防效试验中，同时具备高铺展性和高吸收增强功能的复合配方（配方9）在所有测试剂量下均表现出最高的防效，尤其在15 L/ha的VLV条件下优势更为明显。
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结论：虽然两种机制可能不完全协同（铺展会降低局部浓度），但组合使用可提供最优的综合性能，其效果优于单独使用任何一种机制。
4. 田间验证（Set 4）
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发现：水稻田间试验证实，高铺展性配方（配方2）在UAV施用的VLV条件下（5.7–20 L/ha），其防效始终优于基础配方（配方1），尤其是在较低AS剂量率时差异更显著。其防效在低至5.7 L/ha时才开始下降，而基础配方在更高喷雾量下即已失效。
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结论：实验室尺度的发现成功转移到了田间实践。VLV优化配方能使UAV在极低喷雾量下仍保持可靠的生物功效，这对于推动小型自动化施药平台的应用至关重要。
讨论与结论
讨论总结：研究结果表明，VLV优化配方主要通过两种机制发挥作用：高铺展性（增加覆盖率）和高吸收增强（提高局部浓度驱动的渗透）。这两种机制的选择取决于AS的理化性质、目标植物和靶标生物。值得注意的是，研究挑战了“全覆盖才能高效”的传统观念，指出对于具有一定植物移动性的现代AS而言，即使覆盖率低至15–20%，通过优化配方也能实现优异的生物递送和功效。
研究结论：专为VLV喷雾施用设计的配方不仅能在标准喷雾量下取得良好功效，也能在使用UAV施药的VLV条件下达到同样效果。这种配方设计技术是实现未来VLV精准施用的关键赋能因素。结合VLV配方的小型自动化平台（UAV/UGV）在减少用水量、降低土壤压实、减轻操作者暴露风险、提高作业效率和降低成本方面具有显著优势，有望成为未来精准农业的重要解决方案。
