陆生植物茎叶表面普遍存在疏水蜡质层^[1],具有保持表面干燥、增强抗逆性^[2]及降低病虫危害和侵染风险的作用^[3]。但恰是这一植物(包括作物)固有的防御结构,是造成水系农药液滴在茎叶表面高效回弹的主要原因^[4-5],甚至能达到叶片自清洁的程度^[6]。不同陆生植物和表面活性剂会表现出差异化的叶表喷雾驻留特性^[7],一些能消减药滴表面张力的助剂,以及可将药液微滴转变成非牛顿流体的添加剂被成功研发并应用^[8]。常见的农药助剂包括海藻酸钠、明胶、淀粉、有机硅高分子、高分子羧酸、磺酸盐、植物油脂等。中国年均农药助剂用量约在2～3万t^[9],在农药减量增效方面发挥着积极的作用。即便如此,目前农药利用率仍较为低下,粉剂和液体农药的利用率分别为10%和20%左右。在农业增产增效需求不断提高及环境保护措施日益加强的背景之下,开发高黏附农药助剂以实现农药减量增效的需求显得十分迫切。

在各种农药助剂体系中,可构建界面疏水缺陷的药液体系表现出十分出众的水系农药高黏附潜力。该体系最初与早期出现的层叠高分子定向纳米组装研究有关^[10],随后引入阴阳离子连续喷涂形成超薄膜的思路^[11],最终形成亲水缺陷界面介导的液滴捕获和累积方法^[12]。2016年,Maher等^[13]报道了借助高分子阴阳离子原位沉淀反应建立的高效药滴叶面附着方法,可将水剂在玻璃表面的附着率提高10倍以上。类似Maher等采用离子共聚方法制备高分子材料的研究并不鲜见,LPEI、PAA、壳聚糖(chitosan,CS)和海藻酸(alginate,AlgA)等天然和人工合成带电高分子材料被广泛用于纳米载体^[14-15]和水凝胶^[16]的研制中,但具体到阴/阳离子组合与农药及植物种类间的适用关系研究尚未见报道。因此,我们以疏水聚四氟乙烯膜、烟草和枇杷叶片表面为试验对象,以市售多聚阴、阳离子和阴、阳离子表面活性剂等为试验助剂,开展了基于两相喷雾方法与原位沉淀反应原理的高黏附农药助剂研究,最终采用廉价易得的市售大宗阴阳离子化合物,建立了农业应用可行性良好的新型高黏附农药助剂配方。

聚乙烯亚胺(polyethyleneimine,PEI,纯度为99%)、六偏磷酸钠(sodium hexametaphosphate,SHP,AR级)、聚丙烯酸(polyacrylic acid,PAA,质量分数为50%)和十二烷基苯磺酸钠(sodium dodecyl benzene sulfonate,LAS,AR级)均为上海麦克林生化科技有限公司产品; 辛烯基琥珀酸淀粉钠(starch sodium octenyl succinate,SSOS,纯度为95%)为佛山市德中化工科技有限公司产品; 羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖(hydroxypropyl trimethylammonium chloride chitosan,HACC,黏度40～80 mPa·s,纯度为95%)为酷尔化学科技北京有限公司产品; 壳聚糖(chitosan,CS,黏度小于200 mPa·s,AR级)为上海阿拉丁生化科技股份有限公司产品; 十二烷基二苯醚二磺酸钠(disodium 4-dodecyl-2,4'-oxydibenzenesulfonate,MADs,质量分数为50%)、双十二烷基二甲基一多胺一双季铵盐(bis dodecyl dimethyl-polyaminebis quaternary ammonium salt,SS2,纯度为95%)和十六烷基磺酸钠(1-hexadecanesulfonic acid sodium salt,SAS,AR级)均为浙江上虞斯莫有机化学研究所产品。试验药剂-嘧菌酯(azoxystrobin,AZOB,质量分数为25%)为市售产品阿米西达,栀子蓝色素为武汉拉那白医药化工有限公司产品,乙腈(HPLC级)为美国天地公司(Tedia)产品,乙酸乙酯(AR级)为上海凌峰化学试剂有限公司产品。其他试剂均为国产分析纯。C18色谱柱为美国沃特世公司(WATERS)产品,型号为sunfire^TM C18(250 mm×4.6 mm,5 μm)。疏水聚四氟乙烯膜(PTFE)为海宁德滤新材料科技有限公司光面滤膜,滤纸为杭州新兴纸业有限公司快速定性滤纸。供试烟草和枇杷品种分别为云烟85和塘栖平头大红袍,试验样品为新鲜成熟叶。

配制2组质量分数均为1.0%,pH值分别为自然及调节为5.0的10种阴阳离子单组分水溶液,其中阳离子4种(PEI、HACC、CS、SS2),阴离子6种(SHP、PAA、SSOS、MADs、LAS、SAS)。同时在阳离子溶液中额外溶解栀子蓝色素,达到质量分数为5%。PEI、SHP、PAA、SSOS、LAS和SAS水溶液的自然pH值依次为:9.6、6.5、2.8、5.7、8.0、7.5。对4种阳离子溶液分别单独喷雾,测量2种酸碱度溶液单相喷雾条件下的黏附效果,并对pH值为5.0的阳离子溶液组与阴离子溶液组做正交组合喷雾,测量黏附效果,初筛优选组合。各试验组均独立重复3次,并采用邓肯氏多重比较法分析试验组间差异显著性。

黏附效果评价采用相对附着率测定法进行,即以相同尺寸(2 cm×2 cm)PTFE膜与滤纸上栀子蓝色素附着量的比值大小(按等体积浸提液590 nm下吸光值计算)为评判黏附性能高低的标准,相对附着率大即为黏附性能强。计算公式为:相对附着率=PTFE膜浸提液吸光度/滤纸片浸提液吸光度。喷雾方式采用两相喷雾法,阴离子SHP、PAA、SSOS、LAS和SAS分别为A相,阳离子PEI、HACC、CS、SS2分别为B相。A、B两相的喷雾按先后喷雾(标记为ST)和45°夹角同时喷雾(标记为BS)2种方式进行试验,B相单喷对照组标记为SN,相对附着率测定与喷雾方法示意如图1所示。

图1 相对附着率测定与喷雾方法示意
Fig.1 Diagram for determination of relative adhesion rates and spray modes

配制2组质量分数分别为0.1%、0.3%,pH值均为5.0的PEI、HACC、CS、SS2、MADs、LAS、SAS、PAA的单组分水溶液。参照1.2.1节方法测定ST和BS 2种喷雾模式下的相对附着率,评价低质量分数助剂的促黏附性能。并按照B相、A相质量分数比分别为1:3、1:1、3:1,同上述方法进行相对附着率测定,筛选pH值为5.0情况下,优选高黏附助剂组合与对应质量分数比。

对前述4个阳离子组中的优选助剂质量分数与喷雾组合开展进一步适宜pH筛选,pH值梯度为4.0、5.0、6.0。由于CS在pH值为6.0的水溶液中溶解性差,故该组仅有4.0和5.0两个酸碱度处理组。进一步开展pH条件筛选的助剂配方见表1。以“ST-0.3% MADs-0.1% PEI”为例说明表1中优选组合含义为:ST表示先后喷雾,0.3% MADs表示MADs的质量分数为0.3%,0.1% PEI表示PEI的质量分数为0.1%,其余组合表示方法以此类推。

表1 开展pH条件筛选的助剂配方
Table 1 Formulas of adjuvants for pH conditional filtering

经上述优化后,优选8个助剂配方开展嘧菌酯叶片表面喷雾黏附效果测试,即无助剂对照CK,1 000倍稀释的嘧菌酯水溶液对照; Taz1,SN-pH6-0.3% SS2; Taz2,SN-pH5-0.3% HACC; Taz3,SN-pH5-0.3% CS; Taz4,BS-pH5-0.1% MADs-0.1% PEI; Taz5,BS-pH5-0.1% MADs-0.1% CS; Taz6,BS-pH4-0.1% PAA-0.1% SS2; Taz7,ST-pH6-0.1% SAS-0.3% HACC; Taz8,BS-pH5-0.3% SAS-0.1% HACC。将优选助剂应用到1 000倍嘧菌酯水溶液中开展黏附性能测试,两相喷雾助剂组合中A相为含A阴离子助剂的无农药水溶液,B相为含B阳离子助剂的1 000倍嘧菌酯水溶液。试验方法与1.2.1节中相对附着率测定相同,测试样片分别为PTFE膜、新鲜烟草和枇杷叶片。嘧菌酯含量采用HPLC法测定,HPLC主机为Waters e2695,检测器为Waters 2489紫外检测器,流动相为乙腈:0.1%磷酸水溶液=50:50,柱温35 ℃,流速1 mL/min,检测波长245 nm,色谱柱规格为sunfire^TM C18(250 mm×4.6 mm,5 μm)。

水溶液pH自然及pH值为5.0条件下,PEI与LAS等6种阴离子采用先后喷雾(ST喷雾)和BS夹角同时喷雾(BS喷雾)测得的相对附着率见表2,并对同配方组合在2种pH情况下的数据进行差异显著性分析,标记不同字母a或b代表差异显著,标记字母相同则表示差异不显著。从表2可以看出,在pH值调整为5.0后,7个配方组合的相对附着率得到显著升高,3个配方组合出现下降,二者相差2.3倍。对比各组数据发现LAS -PEI组合相对附着率整体上低于其他试验组; SAS -PEI组合在pH值为5.0情况下,BS喷雾较ST喷雾相对附着率相差最大达到0.41; MADs-PEI组4个相对附着率平均值为1.0,为全部处理组中最高。考虑到不同厂家产品可能存在差异及同一厂家不同产品批次间可能存在差异,后续试验选择调整溶液酸碱度。

表2 pH自然与pH值为5.0情况下PEI喷雾组的相对附着率
Table 2 Relative adhesion rates acquired from PEI group at natural pH and pH 5.0

CS、SS2、HACC等阳离子与阴离子的组合筛选均在pH值为5.0情况下进行,相关结果见表3,并对按阳离子种类分组的数据进行组内邓肯氏多重比较,标记字母方式与表2一致,字母不同代表差异显著。从表3可以看出,在pH值为5.0情况下,单喷质量分数为1.0%的CS和SS2即可获得较高相对附着率,附着率最高的两相喷雾组数据并未显著高于单喷对照组; HACC组中相对附着率最高的3个组分别出现在LAS、SAS、MADs与HACC的组合之中,其中BS -MADs -HACC组显著高于同组其他处理。由于质量分数1.0%(相当于100倍稀释)在农药施用实际中稀释比不够高,因此后续提高稀释倍数后进一步开展黏附效果测试。

表3 pH值为5.0情况下CS、SS2、HACC喷雾组的相对附着率
Table 3 Relative adhesion rates acquired from CS、SS2、HACC groups at pH 5.0

对低质量分数助剂提高水剂黏附率的效果进行测试,得到质量分数为0.1%的阳离子PEI、CS、SS2、HACC单相喷雾相对附着率分别为0.82±0.04、1.05±0.05、0.67±0.03、0.96±0.04。与质量分数为1%的同种助剂相比,平均值分别增减了-10.87%、-3.67%、-50.69%、29.73%。A、B两相助剂质量分数均为0.1%情况下的相对附着率如图2所示,标记字母不同代表差异显著。从图2可以看出,最高相对附着率1.41出现于MADs-PEI组合的BS喷雾条件下; SAS -PEI组合不论在ST喷雾或BS喷雾下,均获得高于1.1的相对附着率,但明显低于BS-MADs-PEI组; CS则在与MADs和LAS组合的BS喷雾条件下,获得2个高相对附着率1.22和1.18,二者差异不显著但明显高于同组其他处理; SS2与PAA的组合最高相对附着率为1.08; HACC与SAS组合获得ST和BS喷雾条件下分别为1.31和1.21的相对附着率; HACC与MADs组合在ST和BS喷雾条件下分别获得了1.06和1.07两个近似的相对附着率。

图2 助剂质量分数为0.1%情况下的相对附着率
Fig.2 Relative adhesion rates acquired when adjuvant being 0.1% in mass fraction

不同阴阳离子质量分数比下的相对附着率结果如图3所示,标记字母不同代表差异显著。从图3可以看出,MADs-PEI组合在ST喷雾条件下,质量分数比为3:1时相对附着率最高; BS喷雾条件下,质量分数比为1:1时,相对附着率最高,后者显著高于前者; SAS-PEI组合,在2种喷雾模式下,均是质量分数比为1:1时相对附着率最高。CS组中,MADs与CS质量分数比为1:1时,2种喷雾模式下均获得高相对附着率,明显高于ST喷雾模式下3:1和1:3组合; LAS-CS组合的BS喷雾模式整体明显高于ST模式。PAA-SS2组合在质量分数比为1:1和1:3条件下,分别于ST和BS 2种模式中获得同喷雾组最高相对附着率。HACC则在与LAS和SAS质量分数比为1:1和1:3条件下获得较高相对附着率。

图3 不同阴阳离子质量分数比情况下的相对附着率
Fig.3 Relative adhesion rates acquired at different mass fractions of anionic and cationic solutions

优选喷雾组合在不同pH情况下的相对附着率如图4所示。从图4(a)可以看出,PEI组优选试验组依次为BS-0.1% MADs-0.1%PEI-pH5.0、ST-0.3%MADs-0.1%PEI-pH4.0、BS-0.1%SAS-0.1%PEI-pH6.0、ST-0.1%SAS-0.1%PEI-pH5.0,其相对附着率较单独喷雾质量分数为0.3%的PEI分别提高了45.36%、35.05%、24.74%、18.56%,差异显著。从图4(b)可以看出,CS组最高相对附着率为BS-0.1% MADs-0.3%CS-pH5.0试验组获得的1.23,比相同pH下单独喷雾质量分数0.1%的CS溶液(相对附着率1.05)提高了17.14%。从图4(c)可以看出,SS2组最高相对附着率为1.14,由BS-0.1% PAA-0.1%SS2-pH4.0试验组产生,比相同质量分数SS2单独喷雾(相对附着率0.67)提高了70.15%。从图4(d)可以看出,HACC组最高相对附着率为1.31,产生于ST-0.1% SAS-0.1%HACC-pH5.0试验组,比相同质量分数HACC的单独喷雾对照提高了36.46%; BS-0.3% SAS-0.1%HACC-pH5.0试验组获得了第2高的相对附着率,比单喷雾对照组提高了33.33%。溶液酸碱度高低影响助剂电性强弱,不同pH条件可影响正负电性化合物静电共聚的速度和程度,并导致疏水官能团暴露数量和比例的不同,最终影响农药黏附效果。

图4 优选喷雾组合在不同pH情况下的相对附着率
Fig.4 Relative adhesion rates of optimal spraying patterns at different pH values

图5 终选助剂与嘧菌酯组合喷雾的相对附着率
Fig.5 Relative adhesion rates of azoxystrobin solution combined with finally optimal adjuvants

终选助剂与嘧菌酯组合喷雾的相对附着率如图5所示。图5中,CK为空白对照-1 000倍嘧菌酯水溶液,Taz1～Taz8与1.2.4节相同。从图5可以看出,PTFE膜、烟草叶片和枇杷叶片上嘧菌酯的相对附着率,均在添加试验助剂后获得不同程度的提高。多数试验组中,嘧菌酯在PTFE膜上相对附着率高于烟草叶片和枇杷叶片,这与前期以PTFE膜为对象开展配方筛选有关。PTFE膜与叶片之间的表面结构差异,造成了叶片组与PTFE组间的数值差异。此外,枇杷叶片上测得的相对附着率普遍低于烟草叶片,这可能与枇杷叶表绒毛较多,反弹水滴能力更强有关。综合对比发现,烟草和枇杷叶片上获得高相对附着率的前3组均依次为Taz7、Taz4、Taz8,分别比嘧菌酯对照CK(0.29)提高了2.27、1.96、1.68倍和1.17、0.82、0.58倍,且均差异显著。本研究基于市售PAA和PEI产品并未如Maher等^[13]一样获得10倍以上的相对黏附率提升,更高的促黏附性能出现在阴离子表面活性剂与多聚阳离子组合(如Taz7、Taz4、Taz8)上。这一方面可能与试验试剂的纯度不高,以及试验中采用的质量分数较低有关; 另一方面也表明基于中国现有的市售助剂供应情况,开展PEI与MADs和HACC与SAS构成的两相喷雾助剂研发,可以获得更好的黏附效果,生产原料也更容易获得。

本研究最终获得了3组优选配方:Taz7:ST-pH6-0.1%SAS-0.3%HACC、Taz4:BS-pH5-0.1%MADs-0.1%PEI和Taz8:BS-pH5-0.3%SAS-0.1%HACC。嘧菌酯在烟草叶片和枇杷叶片上的相对附着率分别较对照组提高了2.27、1.96、1.68倍和1.17、0.82、0.58倍。溶液酸碱度及助剂种类、质量分数、质量分数比等对农药黏附效果影响显著。具体到大田应用配方、施用方式与作用机理方面仍有待进一步研究。

按目前常规农药的利用率10%～20%计算^[17],农药利用率尚有80%～90%的可提升空间。农药助剂/增效剂研发与应用的目标和意义就存在于这80%～90%可提升空间之中。农药面源污染具有范围广和不能集中处理的特征,助剂和增效剂可有效减少农药的源头排放,因此是最直接有效的治理手段。当前市场主流的磺酸盐类、有机硅类和精油类单相喷雾助剂,已经在大田应用和实验室评价中体现出增效作用^[18]。两相喷雾体系作为一种新型高黏附农药助剂体系,能够有效减少因植物表面疏水结构造成的液滴反弹,且可以单相加药两相喷雾,在同等喷水总量的情况下,大幅减少农药用量。伴随两相喷雾体系的完善和应用拓展,会出现更多高黏附和促内吸配方,为农药减量施用技术开发和产业发展提供支撑。