农药制剂研发的精细化、功能化与农业生产高效利用
来源：农药咨询网 | 发布时间：2023-02-01
摘要：农药制剂产品质量和性能对农药高效利用和药效发挥起着至关重要的作用。伴随着有害生物种类和发生规律、种植结构、植保策略、土地集约化以及劳动力结构等因素的不断变化，以及人们对农产品质量和环境安全要求的不断提高，农药使用逐步进入高效、低毒、智能、精准的新时期。农业实际生产需求推动了农药制剂的创新，农药制剂开发的精细化、功能化以及农药的高效利用已经成为现阶段乃至未来一段时期的主要研究方向。农药制剂由粗放的、经验式的研发方式，转变为注重生物活性和环境安全的精准、量化、微观的开发模式，积极开发新的农药剂型，建立针对靶标和施药场景的农药与靶标之间高效剂量传递调控机制，符合当下及未来农业生产的需求。
发布日期：2022-11-21 信息来源：《农药学学报》2022年第5期 作者：马英剑，甄硕，孙喆，于萌，赵锐，郭鑫宇，徐勇*，吴学民*（中国农业大学理学院应用化学系 农药创新研究中心）
农药制剂产品质量和性能对农药高效利用和药效发挥起着至关重要的作用。伴随着有害生物种类和发生规律、种植结构、植保策略、土地集约化以及劳动力结构等因素的不断变化，以及人们对农产品质量和环境安全要求的不断提高，农药使用逐步进入高效、低毒、智能、精准的新时期。这些变化对我国农药制剂的开发提出了更高的要求，已相继涌现出微囊剂、药肥、展膜油剂、水面漂浮颗粒剂、可分散油悬浮剂以及纳米农药制剂等新剂型。农业实际生产需求推动了农药制剂的创新，农药制剂开发的精细化、功能化以及农药的高效利用已经成为现阶段乃至未来一段时期的主要研究方向。农药制剂由粗放的、经验式的研发方式，转变为注重生物活性和环境安全的精准、量化、微观的开发模式，积极开发新的农药剂型，建立针对靶标和施药场景的农药与靶标之间高效剂量传递调控机制，符合当下及未来农业生产的需求。
随着材料、技术以及施药方式的不断更新，缓控释技术、纳米技术、功能化和省力化技术、植保无人飞机等迅速发展，农药剂型的种类、功能和研发方法不断丰富，农药制剂的研究开发进入了全新的快速发展时期。本文拟对近年来农药制剂加工新方法、新技术以及新剂型的研究开发和应用进展进行综述，并对其未来发展方向和应用前景进行展望，以期为新剂型的研发以及新方法和新技术在农药剂型加工中的应用提供参考。
1.农药制剂加工的精细化发展
农药的高效剂量传递是药效发挥的关键，这对农药产品的研发、质量和性能提出了更高的要求，农药制剂加工进入精细化是满足以上要求的有效手段。农药制剂加工的精细化包括配方筛选精细化、性能表征精细化、原材料质量监测和加工工艺及设备精细化等，其最终目标是实现农药有效成分由产品向靶标的高效剂量传递，最大限度地提高农药利用率和生物利用度。
1.1 农药制剂研发精细化
农药制剂研发的精细化，首先要转变制剂产品的研发思路，打破粗放的、经验式的研发模式，建立以防治对象、施药方式和施药器械为场景的精准、量化、微观的研究方法，同时引入新的表征手段和方法，对制剂产品的分散稳定、润湿、沉积、铺展以及渗透、吸收和传导等作用机制进行深入研究，在提升制剂理化稳定性的前提下，最大限度提高产品的生物活性以及对非靶标生物的安全性。
随着制剂理论基础研究以及先进仪器和技术的发展，多种精细化表征手段已被应用到农药制剂产品研发中，如用于制剂产品理化性能提升的分散剂吸附模型、多重光散射、X射线光电子能谱、扫描电镜、透射电镜、流变仪、电导率仪、Zeta电位仪等，以及用于提升界面性能、剂量传递和利用效率的动态表面张力、动态接触角、高速摄影、雾滴粒径分布和表面增强拉曼光谱等。以上研究方法和表征手段的应用使农药制剂的精细化研发进入了快速发展阶段。
1.1.1 农药制剂产品理化稳定性精细化研究
农药制剂按照分散度不同可以分为均相体系和非均相体系。在实际研发和生产中，可溶液剂、微乳剂、可分散液剂和乳油等均相体系的稳定性相对较高，而以悬浮剂、可分散油悬浮剂为代表的固/液非均相分散体系和以水乳剂、纳米乳剂为代表的液/液非均相分散体系均属于热力学和动力学不稳定体系，在实际生产和储存中经常出现晶体析出、分层沉淀、奥氏熟化、破乳等问题。近年来，一些新的表征手段逐渐被应用到农药制剂产品研发过程中，用于非均相体系稳定机理研究。
1.1.1.1 表面活性剂吸附行为研究
对于固/液和液/液非均相分散体系，粒子的分散和凝集是并存的，粒子的稳定主要依靠表面活性剂在表面或界面的吸附和定向排列所形成的静电作用和空间位阻。对于以水为分散介质的悬浮剂，研究人员研究了不同分散剂在原药颗粒上的吸附动力学和吸附热力学行为，以及pH值、离子强度、温度、原药晶型等对吸附量的影响，优化了分散剂达到最佳吸附状态的条件。同时，对于离子型分散剂还可以结合Zeta电位测定，对分散剂的吸附性能进行判断。而由于油类分散介质对吸附量的分析影响较大，导致目前针对可分散油悬浮剂中分散剂吸附行为的研究相对较少，王丽颖通过借鉴石油开采中分散剂的筛选方法，以正辛烷代替可分散油悬浮剂中的分散介质，结合悬浮剂中的分散剂吸附理论，建立了针对可分散油悬浮剂中分散剂吸附行为研究的方法。
1.1.1.2 流变学行为研究
流变学是研究材料流动和变形的学科，分散体系在外力作用下发生形变与流动的行为称为体系的流变性质，可利用流变学的测定结果预测非均相体系的物理稳定性，同时还可以进行表面活性剂、增稠剂种类和用量的筛选。Winzeler等经过研究认为，体系的物理稳定性与其流变类型有关，并将屈服值(yield value)作为体系物理稳定性的测定指标。而沈德隆等在Winzeler等的理论基础上进一步提出，以稳定度(屈服值和塑性黏度的比值)度量体系的物理稳定性更具有合理性，并认为悬浮体的稳定度应在0～1之间，稳定度越大，体系越稳定，只有当稳定度＞0.7时，悬浮体才能形成稳定性好的悬浮体系。界面流变可以提供溶液界面上可溶性吸附膜和不溶膜黏弹性质的信息，涉及到应力、形变和形变速率的关系。根据形变方式的不同，界面流变学主要可分为两种：界面扩张流变和界面剪切流变，其中，界面扩张流变对表面活性物质的吸附和脱附动力学更为敏感，通过界面扩张流变学研究乳化剂所形成的界面膜在外力作用下的流动和形变，是研究水乳剂乳状液稳定性的一种重要手段。
1.1.2 农药制剂产品表征手段精细化
1.1.2.1 X射线光电子能谱
表面活性剂在原药颗粒表面发生吸附后，通过X射线激发原药表面元素的电子进行跃迁产生光电子，但由于表面活性剂吸附后出现掩蔽作用，将使检测到的光电子吸收峰减弱，因此利用F、Cl、Br、Na等原药特有元素光电子峰强度的变化，可以对原药表面的表面活性剂吸附层厚度进行计算，从而筛选出更高吸附量的表面活性剂（图1）。计算公式见式(1)和式(2)。
图1 吡唑醚菌酯吸附分散剂550S前后的XPS全扫描测量谱图
式中：I0为初始光电子强度；Id为经过厚度为d吸附层后的光电子强度；d为吸附层厚度（nm）；λ(Ek)为光电子的平均逸出深度（nm）；Ek为光电子动能（eV）。
1.1.2.2 多重光散射技术
多重光散射技术通过穿透力极强的近红外脉冲光源的扫描，可快速、准确分析悬浮液、乳状液和泡沫液等体系的乳化、絮凝、沉淀、破裂等现象，并定量分析上述现象产生的速率以及粒子的平均粒径、浓度等特性。多重光散射技术与传统加速热贮不一样，可以在不破坏制剂样品的情况下对其稳定性进行快速预测分析，提升制剂产品开发的效率。如图2所示，Feng等利用多重光散射技术，对由不同乳化剂制成的阿维菌素纳米乳状液的稳定性进行了研究，对乳化剂的种类进行了快速筛选。
图2 采用多重光散射技术表征不同乳化剂制成的阿维菌素纳米乳状液的稳定性
1.1.2.3 其他表征手段
除上述方法和手段外，还有一些新的技术也已被应用到制剂稳定性的微观研究中，如利用扫描电子显微镜对吸附前后原药颗粒表面的微观形貌进行表征。Wang等利用扫描电子显微镜观察分散剂2700在不同晶型吡唑醚菌酯原药颗粒上吸附前后的微观变化（图3）；通过热分析技术研究了温度升高过程中分散剂的热稳定性和热分解动力学，以及分散剂在温度变化时的热稳定性机理；并通过红外光谱研究了原药和分散剂之间的作用力；利用X射线衍射研究了吸附前后原药晶体结构的变化等。
图3 两种晶型吡唑醚菌酯颗粒吸附分散剂2700前后的扫描电镜照片
1.1.3 农药制剂药效与利用率的提升
农药制剂产品精细化研发的最终目标是药效的提升，在保证制剂产品理化稳定性的基础上，农药制剂产品界面性能的提升对农药的高效剂量传递和药效发挥具有重要作用。农药从施用到被有效利用包括了雾化、沉积、附着铺展、渗透吸收和传导等过程，农药雾滴的蒸发、飘移、弹跳滚落是农药损失的主要途径。利用精细化的研究方法，通过室内模拟和田间测试相结合，研究雾滴在剂量传递中的运动规律与调控机制，最终实现农药制剂药效与利用率的提升。
1.1.3.1 雾滴的弹跳行为
雾滴与靶标的撞击行为如图4所示，雾滴弹跳行为抑制和调控是提高农药沉积量的有效手段。关于雾滴在多种作物靶标表面弹跳行为的研究较多，结果表明，弹跳行为主要与雾滴自身性质、靶标表面微观结构、载药体系的类型以及其他环境因素等有关。雾滴理化性质主要包括：雾滴的静态表面张力、动态表面张力、黏度、密度等。雾滴动力学主要包括：雾滴粒径大小、运动速度、撞击角度和位置等。关于表面活性剂调控雾滴与靶标的动态碰撞过程较为复杂。Wirth等研究发现，表面活性剂浓度必须远高于临界胶束浓度，才能有效减少雾滴弹跳；Song等分别研究了表面活性剂十二烷基硫酸钠、三硅氧烷分子和囊泡表面活性剂双(2-乙基己基)磺酸盐琥珀酸钠(AOT)水溶液和纯水在甘蓝叶片上的碰撞及弹跳行为，结果表明，AOT能够在雾滴碰撞变形的极短时间内扩散到甘蓝表面的微米或纳米结构中，通过对微、纳结构的润湿而限制雾滴运动，从而减少了弹跳和飞溅的发生。另外，表面活性剂对沉积的影响在疏水表面表现较为明显，同时还要考虑表面活性剂会导致雾滴变小，从而增加雾滴的飘移和蒸发。
图4 液滴撞击叶片表面后的行为
1.1.3.2 雾滴的润湿铺展
农药雾滴沉积后能否有效地润湿铺展是增加持留量、提高防治效果的关键。液滴中的表面活性剂分子通过非共价键相互作用而快速迁移并吸附于气-液和固-液界面，改变靶标的亲/疏水特性，使固-气界面被固-液界面取代，实现液滴的润湿铺展。因此，制剂产品中助剂的选择对润湿铺展起着重要作用。
药液在靶标表面的接触角是衡量润湿性能的重要参数，与此相关的润湿模型也不断完善，如Wenzel模型、Cassie模型以及Wenzel和CassieBaxter过渡态模型等（图5）。液滴在润湿铺展过程中需要不断克服粗糙表面的钉扎效应和滞留阻力，当润湿浸没深度大于三维立体结构高度时，可达到完全润湿的Wenzel模型状态。制剂产品中表面活性剂的添加需根据靶标表面亲/疏水性、粗糙程度、靶标固体表观表面自由能等因素进行选择：对于疏水表面，表面活性剂需达到一定浓度才能有效润湿铺展；而对于亲水表面，表面活性剂的添加要适量，以免液滴过度润湿铺展而流失。
图5 五种难润湿表面模型
1.1.3.3 有效成分的渗透、吸收和传导
农药施用后在靶标表面的渗透、吸收和传导性能对于提高农药利用率和防治效果，实现农药增效减量和减轻环境压力均具有重要意义。农药在靶标中的内吸传导行为与农药理化性质、靶标种类、生长时期、施药部位和农药剂型等因素有关。
农药施用到靶标后首先发生渗透吸收行为，但由于施药部位的生理结构差异，导致其渗透吸收方式也不同。亲脂性农药进入叶片组织时，会首先扩散到含水非原生质体，然后通过质膜进一步渗透到共质体中；亲水性农药可能通过叶片表皮的气孔或亲水小孔等进入叶片内部，进而分布在细胞质或细胞间隙内。农药在植物根部则首先被根毛吸附，再通过木质部导管中共质体和质外体两条途径进行传导。
农药的传导形式分为局部传导、向上传导和双向传导3种类型。局部传导的农药一般施用于植物组织表面，药液可以在同一叶片范围内传导，包括从叶尖到叶柄的横向传导和在叶片正反面间相互传导；向上传导的农药一般用于根部施药，药液被根系吸收后随着蒸腾流在植物木质部内向植物顶端传导至叶部；双向传导是农药可以在植物体内同时进行向上和向下传导。农药的传导行为不仅与农药有效成分本身性质、靶标特性有关，还与剂型、助剂等载药体系的选择有关。近年来，纳米材料等新型载药体系以及超铺展渗透性能助剂的开发使得农药制剂的功能更加丰富，传导行为得到很大改善。因此，在制剂产品开发时要充分考虑以上因素，合理设计合适的剂型，以提高农药的生物利用度和有效利用效率。
针对农药渗透吸收和传导行为的测试与表征难度较大，目前的测定方法包括同位素示踪、色谱法、生物测定和荧光染色等，但随着纳米技术的发展，通过纳米金属颗粒对表面增强拉曼光谱(SERS)信号的增强作用，在不破坏植物组织的情况下，已能够对部分农药有效成分的渗透、吸收、传导特性与分布进行实时检测(图6)。
图6 使用SERS监测噻菌灵对活罗勒叶的渗透的示意图
1.2 农药制剂生产精细化
1.2.1 原材料筛选精细化
农药生产的精细化首先要对原材料品质进行严格控制，农药制剂生产中各种原材料的质量是制剂产品生产的关键，如不同厂家原药的含量、晶型和杂质，助剂的质量、批次间的差异等都可能在一定程度上影响制剂生产。因此，应建立各种原材料的控制指标和精准分析方法，对各批次原材料进行精准把控，保证不同批次制剂产品质量的同一性和稳定性。
1.2.2 工业化生产精细化
连续化、密闭化、自动化及智能化已经成为农药制剂行业的发展方向和未来趋势。由于产品规格多，因此交叉污染是限制制剂生产的重要因素。与农药制剂生产安全化、数字化、智能化相关的关键技术及设备成为推动我国农药行业发展、实现农药质量提升、保障用药安全的关键。
农药制剂生产全面信息化还有一些问题需要解决，一些农药企业已初步完成了信息化建设，通过从销售订单、生产订单、销售出库到经营分析的全流程信息化，利用微信小程序结合电子签完成无纸化销售订单的回收，并与企业资源计划系统（ERP）自动对接；再通过ERP实现订单排期下推生成生产订单，并与数据采集与监视控制系统（SCADA）及生产控制系统对接，实现从原材料投放到成品产出全过程的智能化生产控制；在成品完成后，由追溯系统实现产品的入库、出库、经销商库存管理、终端用户营销等智能化管理等。同时，上线了商业智能分析系统，结合业财一体化分析模型，可自动输出经营报表，为经营分析提供数据支持和决策参考。
制剂生产精细化是一个复杂的系统工程，需要企业的采购、质检、生产、互联网技术、自动化和设备等部门通力协作，引入专业的智能制造设计单位，研究智能厂房设计与规划，制造执行系统，工厂智能物流，生产质量、设备、能源管理，数据采集、分析及应用等核心要素，这些精细化的生产手段可为制剂生产质量、批次同一性及生物活性的稳定性提供保障。
2.农药制剂加工的功能化发展
农业绿色发展、农药减施增效以及生态环境安全对新形势下农药制剂的发展提出了新的要求。农药制剂功能化体现在制剂的功能更丰富、用途更多样、靶标更精准、使用更安全，以最大限度地提升农药的利用效率。近年来，以缓控释制剂、纳米制剂、省力化制剂为代表的功能化制剂得到了快速发展。
2.1 农药缓控释微囊化
农药对农产品安全和环境的影响逐渐受到人们的重视，农药的高效利用和减量施用对减轻环境压力、提升农产品品质具有重要作用。经过“十三·五”期间技术攻关，我国水稻、小麦、玉米三大粮食作物上农药利用率达到40.6%，比2015年提高了4个百分点。农药缓控释技术具有控制释放、延长持效期、提高稳定性等特点，对农药的减施增效具有重要意义。其中，微囊悬浮剂是目前发展最快的缓控释剂型之一。经查询“中国农药信息网”可知，截至2022年8月，处于有效期内的农药微囊制剂产品共有306个，有效成分约40种（表1）。从中可看出，微囊制剂登记品种主要为杀虫剂，占比57.8%，同时兼顾杀菌剂、除草剂、卫生害虫防治以及种子处理等领域。
表1 微囊制剂主要品种
2.1.1 微囊制剂制备材料的发展
随着化学及材料科学的发展，应用于微囊制剂制备的材料也越来越多。常见的可用作农药微囊制剂的材料包括：天然高分子材料、改性天然高分子材料和人工合成高分子材料（表2）。材料种类和自身性质决定着微囊制剂的性能，而材料的选择在一定程度上取决于所用的制备方法以及农药有效成分的理化性质。
虽然目前用于微囊制剂制备的材料很多，但实际可应用于商品工业化生产的载体材料相对较少。天然高分子材料主要是一些天然的聚合物材料，安全环保，但由于聚合度较低，控释性能相对较弱；改性高分子材料主要是对天然高分子材料进行人工改性，以改善天然材料的控释性能，但成本相对较高且性能不稳定，使用比例并不高；目前应用较多的是人工合成高分子材料，具有成本低、载药量高及控释性能好等优点，但多数在环境中难降解，存在一定的环境安全风险。随着国际上对微塑料危害性的关注，常规化学合成材料的使用可能受到限制。因此，开发绿色环保可降解的材料是未来农药微囊制剂发展的重要方向之一。
表2 用于加工农药微囊制剂的材料
2.1.2 微囊制剂制备方法的发展
目前，关于微囊制剂的制备方法较多，根据成囊机理大致可分为3类：物理法、化学法和物理化学法。物理法包括：静电沉积法、沸腾床涂布法、空气悬浮法、离心挤压法、气相沉积法、喷雾干燥法等；化学法包括：原位聚合法、层层自组装法、界面聚合法等；物理化学法包括：溶胶-凝胶封装法、超临界CO2辅助法等。近年来随着微囊制剂制备技术的发展，还出现了微流体法、膜乳化法及分子包埋法等新的制备方法。
微囊制剂的制备方法取决于所选的材料、芯材的理化性质、应用场景、释放周期等因素。现有的微囊制剂制备方法都存在一定的局限性，很难应用于大规模工业化生产，目前制备农药微囊制剂主要采用界面聚合法和原位聚合法等。真正可用于农药微囊制剂工业化生产的微囊制剂技术需要具备以下条件：1)能够批量化连续生产；2)生产成本低，能被农药工业所接受；3)有成套的设备可供借鉴使用，操作简单；4)生产中不产生大量污染物等。
2.1.3 精准控释和智能释放成为微囊制剂未来发展方向
普通的微囊制剂主要通过被动扩散、囊壁侵蚀等方式进行有效成分的释放，因而经常出现速效性差、累积释放浓度达不到防治有害生物所需的最低浓度、释放速率过快或过慢等问题。利用物理、化学、生物等刺激方式，创制可自动感知有害生物相关信息，以最少用药量在最有利的时机控制有害生物的微囊制剂。目前，这种具有环境响应性的智能控释技术尚处于理论研究层面，通过囊壁材料的改性、特殊响应基团的引入，形成具有刺激响应性的材料并负载活性物质，利用光、pH值、温度、酶等非生物或生物刺激实现有效成分释放速率的精准调控，一方面可以提高农药的有效利用率和靶向性，另一方面对植物的免疫激活和抗逆性也具有重要作用。
2.2 农药纳米化
纳米材料具有小尺寸效应、大比表面积、高反应活性以及量子效应等，使得纳米材料在工业、医疗、能源和环境等领域被广泛应用。将纳米材料和技术应用到农药制剂加工中，有利于改善难溶性农药的分散性、稳定性与生物活性，促进农药对生物靶标表面的黏附性与渗透性，提高农药有效成分稳定性，控制药物释放速率，延长持效期等。随着农药减施增效、高效靶向传递和高效利用等要求的提出，使得纳米农药制剂在农业领域受到了极大关注。
2.2.1 纳米农药的表现形式
纳米技术是以1～100 nm大小的材料为研究对象，而目前国际上对于纳米农药还没有统一的定义，一般认为纳米农药是指通过纳米制备技术、使农药有效成分在制剂或/和使用分散体系中以纳米尺度(1～300nm)分散状态稳定存在的农药。纳米农药根据加工方式可分为以下3种类型。
2.2.1.1 自身具有生物活性的纳米颗粒
这类纳米颗粒主要是一些无机非金属材料和无机金属材料等，如纳米银、纳米硒、纳米氧化铜和氢氧化铜、纳米二氧化钛等，通过其自身所具有的生物活性或与农药协同使用，可达到更好的防治效果。Shang等通过自然光介导的还原方法，制备了羧甲基纤维素钠改性的银纳米悬浮剂，颗粒粒径在(13.53±4.72)nm左右，该银纳米颗粒对水稻白叶枯病致病菌（Xanthomonas oryzae pv. oryzae）具有较好的抑制作用，主要作用机理为提高病原菌细胞的通透性；同时他们还制备了纳米硒颗粒，采用冷冻切片和激光共聚焦扫描显微镜证明了Cy5-SE标记的硒纳米颗粒对松针和松枝具有良好的渗透性能，并通过产生活性氧可对松材线虫造成损伤，可以作为松材线虫病的防治新策略。
2.2.1.2 借助表面活性剂或物理手段实现农药纳米化
该方法采用自上而下的策略，使表面活性剂形成胶束或通过介质研磨等手段实现农药有效成分的高度分散，如纳米乳剂、纳米悬浮剂、纳米分散体等，此类方法对表面活性剂性能的要求较高，从而保证分散体系的经时稳定性。与乳油、微乳剂等剂型相比，显著减少了溶剂和助剂的使用量，但需要考虑制备过程中的能耗问题；此外，粒径大幅度减小、比表面积增大有助于显著改善其水分散性，提高非水溶性农药的溶解度及生物利用率。
2.2.1.3 基于纳米载体的纳米农药
通过吸附或者包封的方式将农药有效成分负载到无机材料或有机聚合物材料上，实现对有效成分的负载或封装，这种方式制备的纳米农药通常能够实现更多的功能，如智能响应释放、提高沉积量及渗透性、加强靶向传递、耐雨水冲刷性，以及刺激植物生长等。这类纳米载药体系主要分为以下两种：
1)农药有效成分的简单化负载或封装。该方法通过利用有机聚合物材料直接将农药包裹形成纳米囊或将农药吸附到二氧化硅、金属有机框架物、共价有机框架等具有良好生物相容性的纳米材料中。利用负载材料的分解和农药的扩散作用实现药物的缓慢释放，有效避免施用过程中受环境影响造成的农药分解损失，从而延长作用时间，减少农药施用次数及使用量。
2)功能型的纳米载药体系。功能型纳米载药体系通过功能材料的选择以及材料表面官能团修饰、响应组件的引入等，实现纳米载药体系的多功能性，如智能响应释放、减少雾滴弹跳、增加润湿铺展、提高黏附和耐雨水冲刷性能等。
2.2.2 纳米农药的渗透、吸收和转运
影响纳米农药在靶标内渗透、吸收和转运的因素主要包括两方面：
1)纳米粒子的自身特性,如粒径大小、形貌、化学组成和表/界面性质都会影响其在植物体内的转运，其中粒径大小影响比较显著。Tong等分别制备了平均粒径为97.87、478.41和2,322.15 nm的颗粒，并通过Cy5荧光分子标记的方法研究了不同粒径纳米颗粒在水稻根部的吸收行为，结果表明，小粒径的纳米颗粒可以被水稻根部吸收，而大粒径的纳米颗粒及微米颗粒则无法被水稻根部吸收（图7）。纳米粒子表面化学性质也会影响其在植物体内的吸收，有研究表明，带正电荷的粒子更容易被吸收到植物根中,而带负电荷的纳米粒子浓度较高时则更容易被转移到茎叶中；此外一些经过表面功能化修饰的纳米颗粒、阳离子树状大分子、碳纳米管、纳米硅、纳米银等也能改善在靶标体内的吸收，如经蔗糖修饰的TiO2纳米粒子在植物体内的荧光强度更高；采用阳离子树状大分子负载噻虫嗪，通过饲喂方法可以使纳米颗粒成功地进入中肠细胞并发挥药效。
图7 不同粒径纳米颗粒在水稻根部的渗透吸收行为
2)靶标表面理化性质和生理结构的差异使得纳米粒子进入植物体的能力有所不同。与动物细胞不同,植物细胞具有细胞壁,几乎没有吞噬作用，因此纳米材料在进入植物细胞之前必须穿透细胞壁和细胞质膜。植物细胞壁的孔径通常为3～8 nm，厚度为5～20 nm，一些学者认为，纳米颗粒可能通过诱导形成新的更大尺寸的细胞壁孔径，从而使更大的纳米颗粒可以被吸收。农药纳米粒子还可以通过细胞间隙或细胞壁绕过表皮及皮质细胞后到达内皮层，同时植物表面的蜡质层、蜡质层空隙等也会影响纳米粒子的渗透。大多数被子植物外皮有疏水结构凯氏带，也会对纳米颗粒的吸收产生影响。此外，同一植物的不同部位、不同生长期也可能影响纳米粒子从根到叶的运输。
除此之外，一些外部环境因素如温度、水分、有机质含量、微生物群落等也会影响纳米颗粒的吸收。2.2.3 纳米农药的安全性
纳米技术在农药高效利用方面取得了重要进展，但针对纳米材料-植物-环境相互作用，包括生物利用度、生物富集、飘移、毒性和农业生态系统安全等方面，仍缺乏足够的数据支撑，因此需要对纳米农药的暴露风险和环境毒性进行科学评估，以保证纳米农药在农业生产中的安全高效应用。
纳米农药一般由纳米材料和农药有效成分组成，二者在环境中易发生相互作用，表现出复合效应，在提高生物活性的同时，还有可能在环境归趋以及对环境中非靶标生物毒性等方面发生较大变化；此外，纳米载药体系在提高防效同时还可能影响植物的生长发育，但这种影响可能是促进也可能是抑制，具体取决于纳米材料和作物的种类。
纳米技术和材料科学的发展促进了纳米农药的开发，纳米农药应用于农业生产具有很多潜在的优势，尤其是在农药的高效精准靶向传递和高效利用方面，但目前针对纳米农药生态毒理学和环境归趋的研究仍十分有限，因此在推广使用前应构建纳米农药的环境监管体系，建立完善的纳米农药环境风险评估办法，推动环境友好型纳米农药的发展。
2.3 制剂省力化
随着土地流转和城镇化进程加快，人口结构的改变、劳动力成本增加成为制约农业发展的突出问题。高效安全、省时省力的农药制剂产品的开发使植保工作进入了高效化、绿色化、智能化、省力化和精准化的新时期，也成为未来农药制剂发展的热点之一。
2.3.1 省力化制剂的种类
省力化制剂通常不需要使用复杂的药械，通过简单、方便的施药方式即可将有效成分扩散至靶标，减少施药过程中耗费的人力物力，同时兼顾环保、高效的优点。省力化剂型包括颗粒剂、泡腾片剂、漂浮颗粒剂、展膜油剂、种衣剂、饵剂、烟剂等。其中，颗粒剂、泡腾片剂、漂浮颗粒剂和展膜油剂等使用方式简便，施药时可直接将制剂置于水中，或在进水口处施放用于水稻田中病虫草害的防治，是水稻田植保作业方式的创新。种子处理剂作为一种特殊的省力化制剂，利用包衣中的农药活性成分有效杀灭种子表面所携带的致病菌，在防治病虫害的同时，促进幼苗生长，提高产量，有助于减少作物后期农药施用次数。与乳油、可湿性粉剂等传统农药剂型相比，省力化制剂既达到了很好的防治效果，同时避免了高强度的田间植保作业；与传统的喷雾法、毒土法等相比，则避免了雾滴、粉尘飘移造成的环境污染，省时省力、施用简单、安全高效。
根据省力化制剂使用方式及应用场景的特点，决定了水田省力化制剂是其中重要的研究方向。以水田省力化制剂为例，省力化制剂主要经历了颗粒剂—高浓度颗粒剂、泡腾片剂、大粒剂—漂浮颗粒剂、展膜油剂的发展阶段。近年来，随着助剂性能的不断提升，尤其是具有高扩展性能表面活性剂的出现，使得以展膜油剂和漂浮颗粒剂为代表的省力化制剂在性能上得到大幅提升，相继出现了一些新产品，如4%噻呋酰胺（thifluzamide）展膜油剂、40%稻瘟灵（isoprothiolane）展膜油剂、8%噻嗪酮（buprofezin）展膜油剂、25%噁草•丙草胺（oxadiazon + pretilachlor）展膜油剂、16%丙草胺•吡嘧磺隆（pretilachlor + pyrazosulfuron-ethyl）漂浮大粒剂、17%苯•吡•西草净（mefenacet + pyrazosulfuron-ethyl + simetryn）漂浮颗粒剂等，这些产品对防治水稻中下部病虫害以及田间除草发挥了重要作用。
2.3.2 省力化制剂和器械的结合
省力化制剂的研发需要考虑有害生物的特性，同时结合省力化的施药器械和施药方式，才能实现真正的农业植保省力化。Yan等利用植保无人飞机与颗粒剂相结合，针对草地贪夜蛾防治的国家重大需求，研制出了形态和大小与雾滴类似的微米级农药颗粒，通过室内模拟试验和多地田间试验，阐明了微米级农药颗粒在玉米喇叭口的运动规律，明确了植保无人飞机撒施颗粒剂的飞行参数、施药时期和剂量等技术参数，每公顷玉米田只需要15 kg颗粒剂飞防撒施即可实现对草地贪夜蛾的快速精准防控。盈辉作物科学有限公司利用植保无人飞机对水面漂浮颗粒剂进行撒施，将省力化制剂与高效施药器械相结合，大大提高了水稻田的植保效率。唐伟等将噁草酮缓释颗粒剂应用于机插秧移栽水稻田（图8），在插秧的同时同步施药，不仅对杂草封闭防效好，而且省工省药，对栽培稻也安全。
图8 使用气吹式侧深施肥插秧机撒施缓释颗粒剂田间试验(左)及缓释颗粒剂在土表散落状态(右)
2.3.3 省力化制剂发展方向
随着农村劳动力结构的改变和劳动力成本的增加，省力化制剂逐渐受到重视，这对节约劳动力、降低劳动强度、提高生产效率、减少农药使用量及实现农药利用高效化均具有重要的意义。未来我国省力化制剂应加强以下几方面研究：
1)加强省力化制剂的理论研究，尤其是省力化制剂在水田的铺展性能研究，建立不同条件下的铺展及分布预测模型，为新品种的研究开发提供理论基础。
2)针对新型省力化制剂开发专用的助剂，尤其是环保型高扩展性能和高渗透性能的助剂，提高有效成分分布的均匀度，增强有效成分在靶标上的渗透、吸收及传导性能，提高防治效果。
3)针对特殊的劳动场景，开发新型的省力化制剂，并与相应的施药技术、施药器械相结合，如使用无人机进行颗粒剂的撒施等，使人们从复杂的生产劳动中解放出来，真正实现农业植保的省力化、高效化。
4)建立新型省力化制剂的评价体系和评价标准，提高产品质量和性能。
3 农业实际生产需求推动农药制剂创新
3.1 无人飞机飞防制剂和助剂
随着土地集约化发展、种植结构调整以及劳动力结构变化，使得施药作业人工成本不断增加，近年来，无人飞机飞防植保作为一种适应时代发展需求的高效施药方式得到快速发展，已在我国不同地区的多种农作物病虫害防治中得到应用。2021年，我国植保无人飞机保有量预估达到16万架，作业面积也高达14亿亩次（1 hm2=15亩）。
3.1.1 飞防制剂
植保无人飞机应用中涉及多个环节（图9），需考虑包括药液稀释稳定性、雾滴雾化和沉积、润湿铺展以及渗透吸收和传导等诸多因素，在应用过程中还要考虑制剂、药械和防治策略相结合。无人飞机飞防植保每公顷的喷雾量一般在7.5～22.5 L，药液稀释倍数较低，属于低容量或超低容量喷雾，因此在选用制剂产品时需要满足以下要求：1)低稀释倍数下具备较高的理化稳定性，短时间内不会出现分层沉淀、析油、絮凝及有效成分分解等问题；2)具有良好的兼容性，可最大限度满足多种制剂混合、制剂与肥料和桶混助剂混合的稳定性要求，同时还要与施药器械具有良好的兼容性，能保证雾滴的均匀度和穿透性；3)具有良好的界面性能，由于单位面积喷雾药液量较小，因此，药液需具有更小的蒸发飘移以及更高的沉积、润湿和铺展等性能，以保证充分发挥药效。目前，针对无人飞机飞防植保的专用制剂较少，大多数情况下是采用常规喷雾制剂产品进行喷洒，而关于低稀释倍数下制剂的稳定性、使用剂量、残留量以及对靶标作物与非靶标环境的安全性等均需要进一步评估，同时，更要关注无人飞机飞防植保中农药有效成分的高效剂量传递。
图9 植保无人飞机应用中的多个环节
3.1.2 飞防助剂
随着植保无人飞机行业的迅速发展，适用于植保无人飞机的桶混助剂的开发也发展迅速。目前，市面上的飞防助剂仍主要来源于传统的桶混喷雾助剂，按化学组成可分为有机硅类、植物油类、矿物油类、表面活性剂类、无机盐类和高分子类等，其主要功能包括调节雾滴大小和粒径分布，降低蒸发和飘移，增加有效成分沉积、铺展和渗透，提高耐雨水冲刷等。宋睿等通过研究5种表面活性剂及其不同添加量对农药药液润湿性、防蒸发性及沉积性能的影响，发现添加飞防助剂TAB78（2.0% AS-1与0.2% GD复配）后农药液滴接触角降低、雾滴蒸发时间延长、沉积覆盖率和沉积密度提高。Li等通过比较不同助剂对雾滴尺寸和速度的影响，发现4种助剂（Maisi、Maidao、Surun和AdseeAB-600）均能使液滴尺寸增大和速度提高。Zhao等研究了不同种类桶混助剂（SURFOM ADJ 8860和SURFOM ADJ 8872）在植保无人飞机应用中对药液理化性质、剂量传递效率及生物活性的影响，结果表明，使用性能良好的桶混助剂时，即使制剂使用量减少1/3也能获得优异的防治效果。刘晓慧等也发现，助剂的添加可以提高飞防药效，当添加10 mL/L的助剂倍达通时，可使飞防作业对棉铃虫的防效从64.00%提高到92.59%。
无人飞机飞防植保作为科技和时代发展的产物，已经在玉米、小麦、水稻、棉花、果树等作物上得到应用，而针对无人飞机飞防植保施药的标准、制剂与桶混助剂的标准和评价方法，以及环境影响评价标准和方法等亟需建立，以实现无人飞机飞防植保的健康发展和农药的减施增效，满足现代农业生产的要求。
3.2 药肥
化肥和农药作为重要的农业生产资料，对农业的增产增收起着重要作用，但化肥和农药的不合理使用既会造成环境污染，也是农作物病虫草害出现抗药性的根源之一。如何在保证农业生产的同时实现化肥和农药的减施增效，是现代农业亟需解决的问题，而药肥的出现为这一问题的有效解决提供了很好的思路。
药肥具有以下特点：1)省时省力；2)改善作业条件，保护人畜安全；3)提高效果，药、肥双减；4)药-肥互作，协同增效；5)符合农业可持续发展的趋势及精准农业、高效农业的要求。
3.2.1 我国药肥的发展现状
药肥产业涵盖农药和化肥领域，由于政策、技术研究及市场等方面的叠加因素，我国药肥目前尚处在发展过程中。经过近20多年的发展，截至2021年3月31日，在农业农村部农药登记有效期内的药肥产品数量为146个，具备有效农药登记证的药肥企业为68家，产能约180万吨，2019年年产量达70.4万吨，主要应用在甘蔗、玉米、小麦、花生等作物上防治小地老虎、蝼蛄、金针虫等地下害虫和立枯病、猝倒病等土传病害。
从历年登记数量统计（图10）可知：2016年之前，药肥产品登记总体呈缓慢发展趋势；2017至2018年登记数量爆发，其原因与市场发展需求相关，同时也与2017年《新农药管理条例》发布、《登记资料要求》修订，企业存在登记要求将提高的预期，因而将未来几年登记证件的申请计划提前有关。
图10 2011至2020年每年药肥登记数量
从主要药肥产品登记功能类型看，以杀虫和除草作用为主，还有一部分杀菌药肥，除草药肥占比20.55%，杀虫药肥占64.38%，杀菌药肥占13.70%，杀线虫药肥占1.37%。从主要登记有效成分看，苄嘧磺隆、苯噻酰草胺、阿维菌素、毒死蜱、噻虫嗪及噻虫胺等有效成分是药肥产品登记的主要成分（图11）。从登记的药肥产品剂型看则均为颗粒剂产品，目前尚未有液体形式的药肥产品登记。
图11 登记药肥产品的主要有效成分
3.2.2 药肥研究进展
有关药肥的研究最早见于1964年《日本东北农业实验场研究报告》中。20世纪60年代初，以本谷耕一为代表的研究人员将除草剂五氯苯酚（PCP）加入到肥料中作为基肥施用，研究结果表明，PCP能够抑制土壤中硝化细菌的代谢作用，使硝化作用受阻，PCP与肥料混合施用不但可以维持其除草效果，并且具有抑制土壤中硝化反应的作用，可减少氮肥的流失。20世纪60年代中期，美国科研人员发现扑草净能强烈抑制硝化作用和反硝化作用，减少氮的损失，还能增强生物固氮，增加土壤中的氮含量。前苏联曾推广由乐果和磷肥制成的颗粒肥料，以减少杀虫剂乐果乳剂在水溶液中的分解失效。这些研究结果为药肥产品的研发奠定了基础。我国针对药肥的研究始于20世纪80年代，其中多以尿素等化肥为载体，将农药包裹在尿素颗粒外表，虽已形成产品，但因效果不佳并未得到推广应用。
目前，常见的药肥类型主要有以下几种：
1)固体药肥。化肥类。化肥类药肥通常含有不同比例的氮、磷、钾，可为作物生长提供所需养分。由于此类药肥吸潮、结块、破碎等，因此农药助剂与生产工艺的选择是关键。此外，由于化肥类药肥中所含有的氮、磷、钾养分比例固定，不能很好地契合不同地区、不同田块的氮、磷、钾需求。
有机质类。这类药肥以有机生物刺激素为载体，其生物刺激素组成通常为腐植酸、氨基酸、海藻酸等，由于上述有机质类颗粒养分多元，成分复杂，农药与其负混时存在原药易分解，成品易吸潮、结块、析晶、破碎、胀气等问题，但有机质类药肥能很好地契合农户种植时撒施、沟施、穴施的施用场景，在防治病虫害的同时可有效改良土壤，增加土壤有机质含量，保水、保肥、保墒，增强土壤透气性，因此能有效提高土壤中肥料的吸收利用率和农产品品质。
2)液体药肥。将液体形态的肥料与农药制剂以科学稳定的方式复配一起，形成液体药肥。液体药肥分为清液型药肥与悬浮型药肥两种。二者复混后的稳定性是液体药肥需要关注的问题，因此需选择耐高盐的制剂体系。虽然液体药肥相对固体药肥占比较少，但是在作物苗床、移栽定植缓苗等时期由于滴灌冲施方便，可有效避免农药与肥料现混出现絮凝沉淀，降低药效堵塞喷头滴孔等情况，因此也是未来药肥发展的重要方向之一。
3)缓释药肥。采用包膜法生产的缓释药肥经过缓控释技术加工后，形成“肥料-农药-包膜”颗粒，药和肥有效成分都在膜内一起缓慢释放，提高了肥料的利用效率，延长了病虫草害防治的持效期。随着缓控释农药和肥料的发展，药肥也逐渐向智能控释的方向发展，目前研究较多的几种智能载体材料有：聚多巴胺、水凝胶和受温度、pH以及电场等外部刺激而改变的材料。纳米技术为载体材料的发展提供了新的方向，以纳米颗粒作为农药和肥料的载体，可以提高纳米药肥在植物叶面上的黏附性能，调节药物释放速率，提高农药和肥料的利用效率。
3.2.3 目前我国药肥发展中存在的问题
1)药肥中农药有效成分稳定性及均匀性。肥料主要是偏酸性或者偏碱性的多盐体系，因此药肥在贮存过程中容易出现农药有效成分分解的问题；此外，药肥中农药含量通常非常低，在生产过程中经常出现物料中农药有效成分均匀度不一致的问题，这与加工设备和工艺存在一定的关系。
2)农药与肥料配比的科学性和精准性。药肥中农药和肥料的配比既要满足植物生长对肥的要求，也要满足对病虫草害的有效控制，尤其对于具有缓控释性能的药肥产品。由于植物不同生长期对肥的需求以及病虫草害的发生时间存在差异，因此，如何有效控制药和肥的释放，满足植物不同时期药和肥的需求，是提升药肥功能的关键。
3)农药与肥料的混配性问题。农药与肥料之间有增效作用，但碱性肥料不能与有机磷酸酯、氨基甲酸酯、拟除虫菊酯类农药混用，否则会造成氮肥中的氨挥发损失，降低肥效。同时农药多为亲脂性，水溶性差，与肥料混配负载后，药剂很难随水再分散，靶向传递、靶标接触效率降低；化肥多为水溶性，在土壤中的随水分配传递效率高，但用量大，局部浓度高，与根系直接接触，易致其失水发生肥害。因此，肥料与农药的物化相容性及作物对二者的需求在时间与空间维度上不一致的问题仍亟需解决。
4)标签成分和使用技术标示不明，使用不当容易出现药害。部分药肥产品存在标签标示不清、注意事项不全、添加隐性成分、技术指导不够详细等问题，经常导致药害事件的发生。
5)市场竞争不规范、随意降低养分含量。部分药肥产品存在养分含量不足的问题，导致作物生长期内得不到足够的营养，后期发生脱肥、生长缓慢，使农户蒙受经济损失。
6)药肥登记管理难度大。登记管理办法中并无“药肥”的剂型，造成产品混杂，良莠不齐。同时登记评审时，只对农药有关实验进行评价，对于肥效部分不予评价，容易使不法商家“钻空子”，破坏市场平衡。
3.2.4 药肥未来发展趋势
1)高效、低毒、环境友好的农药有效成分与新型肥料载体相结合，丰富药肥产品种类。根据防治需求选择具有不同内吸传导特性的高效、低毒、环境友好的化学农药或生物源农药，同时扩展新型肥料载体种类，如生物有机肥等，除基础大量营养元素外，还应根据作物的类型添加不同的中微量元素；此外，在药肥的外观形态上，除颗粒状药肥以外，还可以通过螯合技术等开发液体药肥，丰富药肥制剂种类，满足不同使用方式的需求。
2)提升药肥质量，由粗放型向精细化、多功能方向发展。在提升药肥混合稳定性的基础上，通过助剂筛选提升有效成分的利用效率，实现药肥的提质增效。同时开展药肥产品精准控释和智能靶向传递研究，通过高分子包膜技术实现药和肥的单独精准控释，满足不同作物、不同生长期的需肥量要求以及不同病虫害精准防控的需求，实现药和肥的同时高效利用。
3)建立符合作物栽培与农艺模式的药肥施用综合解决方案，积极推进水、药、肥一体化。结合作物栽培模式、施用方式以及旋耕、施肥和灌溉(滴灌)等农艺措施，建立基于特种作物的水、药、肥一体化、精准化施用的综合解决方案，实现农药和肥料的高效利用以及农业生产的节本增效。
4)建立、健全和完善药肥相关标准体系，引领行业健康发展。目前，关于药肥已出台了相应的标准和技术规范，如2020年3月20日农业农村部发布的行业标准NY/T3589―2020《颗粒状药肥技术规范》、2021年8月25日中国农药工业协会发布的团体标准T/CCPIA100―2021《药肥产品标签标识规范》等，但均只针对颗粒状药肥，有关液体药肥、固体水溶性药肥、土壤调理剂、生物药肥等的规定还需进一步规范。此外，农业农村部也对颗粒状制剂的登记进行了限制，原则上不再批准土壤施药防治地上病虫害类颗粒剂产品的登记，进一步明确主要用于土传病害和地下害虫防治的颗粒剂登记。
4.总结与展望
世界人口持续增长，粮食需求不断增加，农药仍是粮食生产和安全的重要保障，而农药新品种研究开发周期长、投资大以及筛选成功率低，使得农药新品种的开发难度增加。农药制剂作为农药的最终使用形式，高效、绿色、安全、功能化制剂的研发对提高防治效果、延缓抗性产生、延长产品使用寿命具有重要作用。随着生产需求的变化和技术的进步，缓控释制剂、省力化制剂、纳米制剂、药肥等新剂型相继出现，以无人飞机飞防为代表的施药技术与施药装备快速发展，农药制剂正向着精准、高效、靶向、省力、智能化方向发展。制剂研发理论的增强、多种表征技术和方法的应用以及助剂产品性能的快速提升，使得农药制剂研发和生产进入了精细化时代，未来农药制剂要求具有稳定的理化性质、优良的対靶传输性能以及高效的生物活性，并且符合精准施药、高效利用和减施增效、农产品质量安全和环境安全的要求。
目前，我国农药制剂的研究已经取得长足的发展，但同时仍有一些问题有待解决：精细化的研发手段和智能化生产装备尚未普及；绿色环保可降解材料缺乏，仍处于缓释向控释发展的阶段；纳米农药仍处于研究阶段，相关标准、管理办法和环境归趋研究需进一步完善；省力化制剂仍以颗粒剂为主，功能化的产品研发有待加强；无人飞机飞防植保发展迅速，但专用制剂、相关标准亟待建立；药肥作为一种特有的制剂产品，如何根据病虫害发生规律和作物不同生长阶段对肥料的需求实现药和肥的协同增效和高效利用仍需进一步研究。
总之，任何一种新的剂型、方法或技术的出现，都有其特有的优势和时代背景，在农业可持续发展和高效、绿色植保理念的指引下，农药制剂的开发应遵循防治的实际需求，采用先进的研究方法和评价手段，在尝试中实现性能提升，为国家粮食安全、农产品质量安全和生态环境安全提供重要保障。