我国杂草学研究现状及其发展策略

强 胜

（南京农业大学杂草研究室，南京 210095）

草害一直困扰着农业生产。我国有杂草1 400余种，其中严重危害的有130余种，分为5区、7亚区杂草植被类型。在每年投入235亿元杂草防治费用的情况下，杂草仍然导致粮食减产5千万t，直接经济损失近千亿元。自20世纪70年代以来广泛推广应用化学除草剂，当前我国化除面积已占播种面积的60%，基本上形成了以化学防除为主体的杂草防除技术体系［1］。我国除草剂在农药市场中的比重已经达到25%以上。而在国际上除草剂已几乎占到整个农药市场的一半。大量化学除草剂的使用除带来环境污染等问题外［2］，更令人关注的是抗药性杂草种群迅速上升，产生新的杂草问题，敏感杂草种群灭绝，农田杂草多样性遭到破坏，导致农业和生态危机，已经直接威胁作物生产安全和影响到农业可持续发展［3］；由于推行省工节本的农业轻型栽培技术，加重了草害发生；外来杂草的入侵也产生了新的杂草问题［4］。杂草群落演变，已经成为杂草成灾的主要原因。

杂草科学除了上述为农业生产提供杂草治理的理论、方法和关键技术支撑的应用属性外，还兼有重要的基础理论特性。外来入侵生物、转基因环境安全许多机制以及目前受关注的生物均质化问题，均基于杂草科学的基本原理或是属于杂草科学范畴；杂草科学问题已经成为当今人类关注的全球环境变化的焦点之一。转基因作物的研制和产业化最成功的基因性状是抗（耐）除草剂转基因作物［5］，杂草抗药性研究将会贡献出更多的抗性机制和抗性基因，培育新的抗除草剂作物［3，6］。杂草的形成与人类农业生产活动密切相关，杂草起源与进化的研究有助于揭开农业文明起源、作物起源等困扰人类的基本科学问题。生物除草机制的研究有助于揭示自然界存在的植物与植物、植物与其他生物的相互作用。

1 杂草学发展规律、研究特点和现状

杂草防治是研究杂草发生、危害及其防治理论和防治技术的科学，属于杂草科学（weed science）范畴。杂草和化学防除为两个最核心和最基本的内容。其中，杂草是基础，没有杂草也就不需要有杂草防治，而杂草科学的形成和发展是与化学除草剂的研制和广泛使用密切相关的，化学除草剂在未来相当长的一段时间仍然是杂草防除的重要手段。显然，这是一门理论与实践性很强的综合性交叉学科，既涉及农业科学的各个分支，又与植物学、生态学、有机化学、生物化学、植物生理学、分子生物学等领域息息相关。需要通过在群落、种群、个体、细胞、分子水平上研究杂草的生物生态学、多样性，揭示杂草形成、演化和发生危害的本质规律性，发展生物、生态、化学等防除技术，建立杂草有效治理技术与杂草资源综合利用相结合的杂草可持续管理体系。20世纪是杂草科学尤其是化学除草剂形成发展乃至达到鼎盛的时期。但是，近20年来生物科学研究的飞速发展，推动并影响到杂草科学的发展方向，转基因抗除草剂作物的商业化已经改变了除草剂的研制、生产、推广和销售的格局，导致了草甘膦为主导的除草剂单一化趋势，随之而来的杂草抗药性以及与此有关的转基因作物的环境安全问题也越显突出，影响到以除草剂为主体的化学防除技术体系的可持续发展［6］；除草剂作用靶标的深入研究已经改变着传统的除草剂研制方式；杂草生物防治和生物除草剂的研制和发展、通过生态调控途径的杂草可持续管理技术的发展和应用，将改变完全依赖化学除草剂的状态。这些都已极大地拓展了杂草防治的内涵和研究领域，也昭示杂草科学由其化学时代向生物学时代的转变。另一方面，随着外来杂草入侵导致的环境安全问题逐渐被人们所关注，形成了以田园杂草与环境外来杂草并重的杂草防治格局［7］。此外，除草剂的施用、杂草的机械、物理防治方法涉及物理和农业机械工程，除草剂的合成和生产涉及化工，杂草生态学及其生态控制涉及作物栽培与耕作，转基因抗除草剂作物的研制涉及分子生物学、生物工程和育种学，杂草检疫和外来入侵植物的管理涉及管理学科的原理。

2 国内研究现状与存在差距

近10年来国家自然科学基金立项的杂草科学相关的课题200余项。它们大多为中青年学者所承担，培养了一批该领域的学术带头人和学术骨干。特别是培养了百余名杂草科学的博士和硕士等高级专门人才，为未来发展奠定了人才基础。其中，外来入侵植物立项最多，占30%。外来植物入侵机制列有2个重点项目，恶性外来杂草如紫茎泽兰（10项）、互花米草（12项）、空心莲子草（8项）、豚草和加拿大一枝黄花（各4项）等有较多的关注。由于外来入侵植物的地域性特点赋予这些研究的中国特色，对有效控制外来入侵植物危害产生了积极意义；已经在国际主流杂志发表数10篇论文，特别是紫茎泽兰氮素分配机制增强竞争性的研究发表在国际知名杂志PNAS和Ecology上，在国际上产生了重要影响，这也是我国在杂草科学领域重大的突破［8］。其次，是化学除草剂的研制及其环境毒理占24%。我国首次发现了抗草甘膦野芥菜种群，也报道了我国多种杂草分别抗不同种类除草剂的案例，并对部分种类的抗性机制进行了解析［9－10］；通过除草剂作用靶标以及对靶设计以期合成新的除草剂品种是其中立项的重要方向，也促进了我国新型除草剂的创制，一些产品已经产业化或正在产业化，显示出良好的前景。化感作用研究约占20%，虽然主要研究植物与植物通过化学物质产生相互作用，但多数研究是围绕化感物的抑草及其作用机制；水稻化感作用物质基础的阐明以及水稻与杂草间的化感相互作用、化感水稻品种培育等研究具有特色和一定国际影响［11－12］。受杂草生物生态学领域项目资助，建立了收集有千余种杂草子实和近3 000种杂草植株标本的杂草标本室，出版了《中国杂草志》，开设了“中国杂草信息系统”、“外来入侵植物网站”，点击近百万人次，在国内外产生了重要的影响。生物除草剂研究领域结合其他项目共同的资助，已经在生物除草剂机理研究方面取得了长足的进展，先后发表相关SCI论文10余篇；申请及获得国家发明专利20余项，其中，国际专利2项；特别是四氨酸类物质作为新的光系统II抑制剂的发现具有原创性，引起了国际学术界的关注［13－14］。近年来的杂草稻和转基因作物生态风险受到重视，其中“转基因水稻基因外逃”得到重点立项［15］。

总之，本学科近年来有了长足的发展，加之外来生物入侵、转基因作物环境安全均涉及杂草科学问题，使该领域的关注度得到显著提升［16－17］。过去10年来科学基金项目立项的总体布局反映了杂草科学本身的发展规律，也基本符合实践对本领域的需求。只是在生物防除、杂草多样性、杂草抗药性等领域的支持力度与其发展和社会需求有一定的差距。就本领域在农业生产中的重要地位而言，在重点、重大以及重点人才基金资助立项需要加强。就杂草学科的战略地位和重要性，总体项目立项偏少，也一定程度影响到人才环境和学科本身的发展。

国内杂草科学研究总体水平与国际先进水平有较大差距，基础研究薄弱，在转基因抗除草剂作物研制、杂草基因组研究、除草功能基因研究、杂草抗药性监测和机理方面研究、数字和信息技术在杂草识别、监测及其防治中的应用等方面尤为明显；杂草科学的拔尖和领军人才严重缺乏，研究团队太少。

3 产业需求趋势与重点研究领域

杂草生物学与生态学：杂草生物生态学是研究杂草学特性、多样性和与环境相互关系的学科领域，主要包括杂草种类区系、重要杂草生物、生理生化特性、发生规律、种群动态和群落分布、杂草种子库等规律。重点支持关键地区杂草多样性调查研究、基于3S的信息资料采集处理和数据库及信息服务系统建设、杂草的起源进化、杂草繁育系统及种群遗传、杂草遗传多样性、杂草种子库动态及传播机制、杂草分布与生物均质化、杂草生理与生化适应机制、外来植物入侵机制、杂草群落演替规律、寄生杂草与寄主相互作用、杂草生态调控的原理及其方法等。

杂草化学防治技术：杂草化学防治是研究化学除草剂、作用原理及其应用技术的学科领域，主要包括除草剂创制、作用机理和靶标、除草剂合成和剂型、除草剂施用技术、杂草抗药性、除草剂毒理及残留等。重点支持新型除草剂的合成，新颖活性化合物的作用机理，新除草作用靶标发现，除草剂环境毒理、残留及其治理方法的原理，杂草抗药性检测和监测技术，杂草抗药性调查及其形成机制，抗性基因的发掘及其在抗除草剂作物中的利用等。

杂草生物防治技术：杂草生物防治是研究利用杂草生物天敌控制杂草的技术及其原理。主要包括杂草天敌资源、专化性、杂草与其他生物的相互作用、抑制作用机理和作用靶标等。重点支持重要杂草天敌资源的系统调查和除草潜力的评价，生物防治的方法及其原理，新颖生物源化合物结构，除草作用机制和靶标，化感作用及其机理，化感抑草及其在作物育种中的应用，除草活性物的代谢途径及其关键基因。

杂草综合防治技术：杂草综合防治是研究利用各种技术方法防治杂草的技术及其原理。主要包括基于杂草预测预报和防治经济学基础上的杂草管理方法、杂草其他防治技术及其综合应用效应、杂草治理的理论和策略等。重点支持杂草的农业、物理、机械、杂草检疫等防治技术及原理，转基因生物环境安全评价和外来入侵植物风险评价技术基础，杂草资源化利用原理，杂草预测预报的理论与方法，杂草防治经济学基础。

杂草的起源与演化的研究：杂草是伴随人类生产和生活活动而逐渐演化形成的，与作物的起源具有在时间和地点上的一致性，中国是农业文明和作物的主要发源地，有着丰富的研究资源。通过古生物学、生态学、分子生物学、基因组学等研究手段与方法，交叉协同开展研究。该研究成果将有助于揭示外来生物入侵、植物起源的本质问题、促进农作物起源的研究，特别对解决全球气候变化、生物均质化趋势等环境问题有重要意义，也将为杂草防治技术实践提供基础理论［18－19］。

杂草群落演替规律的研究：杂草群落演替，已经成为我国杂草成灾的主要原因。除草剂大量长期使用一方面使敏感种群消失，另一方面导致抗药性种群形成，外来植物入侵导致优势种的改变，作物轻型栽培技术的推广应用导致农田生态环境改变，产生新的杂草问题等，已经直接影响到久以建立起来的以化学除草为主体的防治技术体系，威胁到我国粮食生产安全。采用植物学、生态学、生物化学、分子生物学、信息技术等学科的方法从群落、种群、分子等多层次、多水平、多途径开展交叉综合研究，在群落、种群和分子水平上揭示杂草群落演替规律［3］。

生物源除草剂的研究：杂草的生物防治是解决当前杂草防治面临的杂草抗药性、除草剂单一化挑战的重要途径，也是适应可持续农业的发展方向。利用我国特有的杂草生物防治多样性资源，采用植物生理学、植物病理学、有机化学、生物物理学、生物化学、分子生物学等学科的方法从个体、细胞、分子等多层次、多水平、多途径开展交叉综合研究，在分子水平上揭示杂草与生物间的相互作用机制，为创制具有自主知识产权的生物源除草剂奠定理论基础［20］。

4 促进杂草学发展的策略

基于杂草科学关系到农业生产安全，以及与全球环境问题、转基因作物环境安全密切相关，应适当增加杂草防治学科在基金面上项目的配额，加大对该领域重点、重大以及重点人才基金资助立项力度。选择有杂草科学研究基础的机构支持杂草科学学术团队建设，凝练特色和研究方向，促进团队整体研究水平提高。

加强在杂草防治领域科研环境建设，推进杂草多样性信息中心、杂草抗性检测监测中心的建立。因为，在农业生产、环境保护、国际交往和公众认知方面对杂草标本和种质、种类、分布、危害、杂草抗药性预测、预报等信息的社会需求十分迫切，目前的资源远不能满足，杂草抗药性信息几乎还是空白。根据杂草发生危害的地域特点，配合杂草科学部门相关重点实验室和野外台站建设工作，分别在北方和南方建设杂草及其防治科学研究中心，而在主要农作物的产区侧重于应用基础和应用技术研究的杂草学科建设。

加强杂草科学人才基地和发起短期培训计划，组织有培训资源的专门研究机构开展杂草学教师和研究生的实习，组织全国短期杂草知识和防治技术培训班，普及相关知识。

5 国际合作

杂草抗药性现状调查、快速检测和监测不仅关系到我国除草技术体系的安全，也关系国际除草剂产业发展，需要密切加强国际间抗药性杂草信息、检测技术和控制方法的交流。

外来杂草具有国际间相互入侵性的特点，要阐明外来杂草入侵机制并制定相应的管理策略，迫切需要加强国际间协作开展起源与入侵地间地理分布、生理生态适应性和种群遗传结构等比较研究。

杂草生物防除技术会涉及国际间自然天敌引进利用、杂草与其他生物相互作用及作用机制和靶标等的基础理论研究，需要在研究方法和技术等方面的学术交流。

选派科研人员到国际先进实验室或周边相关国家开展学术交流和合作研究，聘请一批高水平的海外杂草学家和优秀科技人才团队到国内从事合作研究、学术交流、技术培训或工作任职。开展国际间杂草科学研究生的合作培养。

加强与美国农业研究局（ARS）、加拿大农业与食品局（AFC）和澳大利亚科学院（CSIRO）以及欧盟等国家农业科研机构建立双边或多边合作关系。通过双边或多边合作基金寻求在杂草科学研究中的立项。

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