除草剂药害的预防和消减措施研究

张梦杰，王 洋，杨小琴，宋凤斌，齐晓宁，刘胜群，孙露莹，卜险峰，王彦国

(1.中国科学院 东北地理与农业生态研究所 黑土区农业生态重点实验室，吉林 长春 130102；2.中国科学院大学，北京 100049；3.吉林省农业技术推广总站, 吉林 长春 130021；4.吉林省德惠市同太乡农业站, 吉林 德惠 130315)

0 引 言

杂草会影响作物的产量和品质，据统计杂草危害造成了水稻产量损失高达40%[1]。随着农业生产中杂草的数量和种类不断增加，使用化学除草剂成为一种趋势，化学除草剂的使用大大提高了消灭杂草的效率，降低了人力成本和经济成本，进而使作物的产量得到较大提高，但是也带来了一系列作物药害问题。如大风天气喷施除草剂对临近敏感作物造成的漂移药害，除草剂误用或过量使用对当茬作物造成的当季药害[2]，长效残留除草剂对后茬作物造成的残留药害[3]等。除草剂药害问题不仅影响了作物的生长发育、产量和质量，威胁食品安全，也破坏了生态环境的平衡，造成了巨大的经济损失和生态损失[4]。为解决除草剂药害问题，前人做了大量研究，如通过物理化学修复方法来减少除草剂在土壤中的残留及修复畸形生长的烟株[5]，使用不同缓解剂缓解大豆除草剂药害[6-7]和玉米药害[8]，利用生物技术缓解长效残留除草剂对移栽水稻的药害[9]等。各种措施基本可以分为两类：减少除草剂使用量的预防措施和降解残留除草剂的消减措施。本文综述近年来比较有效的预防和消减措施，分析其研究进展和局限性，探究未来研究方向，为农业生产规范使用除草剂和缓解除草剂不合理使用造成的药害提供理论指导。

1 预防措施

1.1 除草剂的复混使用

除草剂的复混使用(Herbicides combination or Herbicides mixing)通常是将作用类型或有效成分不同的除草剂或助剂按一定的比例混合使用，可以起到扩大杀草谱、增强药效和减轻药害的效果[10]。在控制广谱杂草方面，混合除草剂通常比单一除草剂更有效，可以延缓杂草的抗性发育[11]。袁伟等[12]研究表明，8%炔草酯(Clodinafop-propargyl)1 200 mL·hm-2与使它隆(Flu-roxypyr)900 mL·hm-2复混使用时，不仅可以防除禾本科杂草，对阔叶杂草的效果也很显著。在增强药效方面，有研究表明，苯嘧磺草胺(Saflufenacil)和噻吩草胺(Dimethenamid-p)混合后使用，不仅可以增强大豆田杂草防治效果，而且可以减少单个除草剂用量，同时还可以增加大豆产量[13]。在玉米-大豆间作体系中，单一除草剂化学防除效果较差，容易对作物产量造成损害，而除草剂复混使用不仅能有效防除杂草，对作物安全[14]，而且可显著促进间作玉米和大豆增产[15-16]。

此外，一些长效残留型除草剂可与残留时间短的除草剂混用，达到减少除草剂残留的效果。如实际生产中，莠去津作为一种安全高效的玉米除草剂，残留时间长且易对后茬作物造成伤害，常与乙草胺等酰胺类除草剂混用，从而达到减少莠去津用量，减轻农药残留危害[17]。但有研究指出，长期使用低剂量联合复混除草剂有可能会出现交叉抗性(即杂草会对两种混用的除草剂同时产生抗药性)[18]。

1.2 安全剂

除草剂安全剂(Safener)，又称为解毒剂(Antidote)、保护剂(Protectant)，指用来保护作物免受除草剂药害，从而增加作物安全性和提高杂草防效的化合物[19]。自1962年首次提出安全剂的概念，目前市面上已经有30多种安全剂商品化并投入使用[20-21]。目前，安全剂的作用方式主要以减少作物药害和提高抗性为主[22]。在减少药害方面，既可以包被种子以保护作物种子不受药害，又能通过减少作物吸收除草剂来保护作物减轻药害。第一个商业化生产的安全剂是1,8-萘酐(NA)，用NA浸种过的玉米喷施硫代氯基酸酯除草剂时不会产生药害[23]。1983年，孟山都推出了氟拉唑安全剂用于高粱种子的处理，用来预防孟山都的复方草胺对高粱的药害[24]。由Ciba-Geigy公司开发的安全剂解草胺腈(CGA-43089)，可以用作种衣剂来减轻异丙甲草胺对高梁的伤害[25]，也可以通过防止异丙甲草胺破坏高粱幼苗叶片上的蜡质层来降低高粱胚芽鞘对异丙甲草胺的吸收，从而减少药害可能[26]。二氯乙酰胺解毒剂(BAS 145-138)，则是通过降低玉米幼苗生长组织中甲草胺的浓度来发挥效果的[27]。在提高抗性方面，通过补充药害后作物缺乏的某种物质来增强抗性，提高作物抵御药害的能力。小麦安全剂浸种的试验表明，使用安全剂除了会增强小麦对除草剂的耐受性外，还能在小麦幼苗建成过程中发挥一系列的保护和促进生长作用[28]。植物生长调节剂如芸苔素内酯可以促进植物生长、增强作物抗性，也可以作为一种安全剂来预防除草剂药害[29]。寸植贤和杨肖艳等[30]研究表明，施加芸苔素内酯类安全剂可以缓解乙草胺等除草剂对玉米地上部鲜重和株高的抑制作用，但是效果受除草剂种类和玉米品种的影响。

利用安全剂保护作物免受除草剂药害都得到了很好的证实[31]。叶非等研究表明，在一定的除草剂残留浓度范围内，施加R-28725能够显著提高玉米株高、株鲜重和产量达到缓解药害的效果[32]。除草剂与安全剂联合使用对黑麦草种群存活频率净增加了5.0% ～ 46.5%，且田间除草率也相应提高[33]。但关于安全剂的作用机理尚无定论，具体机理还需要结合分子层面来解释。此外，安全剂种类和应用浓度对不同作物的影响也需要结合具体的试验验证。

1.3 生物除草剂

化学除草剂因其能够快速有效消灭杂草而使得其被大规模使用，不仅造成了除草剂在土壤中的残留[34]，还导致了很多抗性杂草的出现[35]。如草甘膦的大面积集约使用，导致了草甘膦抗性杂草的广泛进化[36]。长期使用单一化学除草剂不利于发展可持续农业和生态农业的建设，而单靠除草剂复混和施加助剂(生物炭等)也只能延缓杂草抗药性的进化[10]。生物除草剂的出现是农业可持续发展的重要一步[37]。因此，研制安全、高效、绿色环保型除草剂特别是发展生物除草显得十分迫切[38-39]。

生物除草剂(Bio-herbicide)是指利用自然界中的生物(包括微生物、植物和动物)或其组织、代谢物，工业化生产的用于除草的生物制剂。生物除草剂包括动物源除草剂、植物源除草剂和微生物除草剂，目前的研究重点仍在微生物除草剂[40-41]。国外画眉草弯孢霉(Curvulariaeragrostidis)已被用于大豆、棉花等作物的田间生物除草，防控效果良好[42]。在我国，20 世纪 60 年代研发的“鲁保一号”是最早应用于生产的生物除草剂之一，并在大豆菟丝子防治方面取得了显著效果[43]。周荣仁等也开展了放线菌代谢产物防除杂草的有益探索[44]。目前世界上已经发现了百余种能产生具有除草活性天然产物的植物、植物提取物、化感物质和一些微生物，被用作生物除草剂来控制杂草生长[45]。潘玉梅等发现，黄荆条水提取液对飞机草的形态、生长和光合作用均有抑制效应，可作为防治飞机草的生物除草剂[46]。也有研究表明，桉树精油具有潜在的生物除草活性，可作为除草剂的替代物[47]。

生物除草剂的毒性低于大多数化学除草剂，且具有高选择性，对目标杂草之外的作物负面影响较小[48]，甚至在解决日益严重的化学除草剂抗药性问题方面发挥重要作用，具有较好的应用前景[49-50]，但在应用上仍有局限性。首先，与化学除草剂相比，生物除草剂发挥效果需要的周期较长，且目标单一、保质期短。单从防效来看，短期内任何微生物除草剂都难与化学除草剂相比[51]。其次，生物除草剂杀草谱狭窄，选择性较差，且需要增大用量来提高防效[52]。另外，生物除草剂的整个研发、生产以及运输过程中，都需投入较多的资金及设备，导致其成本较高，影响推广[38]。生物除草剂是否会对人畜有害也不清楚，仍需进一步验证。

1.4 抗性品种研发

抗性品种主要包括两个方面，对杂草有他感作用的作物品种和抗除草剂的作物品种。培育对杂草有他感作用的作物品种是减少除草剂使用的一种农艺方法。在农田生态系统中，杂草或作物的分泌物可引起杂草与作物之间的化感作用(指植物生长过程中产生的次生代谢产物(化感化合物)，通过信息抑制其他植物的生长，发育并加以排除的现象)[53]。基于这种现象，研究者们开始培育对杂草有抑制作用的作物新品种。并已证明，水稻种质资源中确实存在着具有化感作用潜质的品种[54]。但是，由于目前利用化感物质作为生物除草剂防治杂草逐渐成为研究热点[55-56]，抗性品种多集中于抗除草剂作物品种的研发。抗除草剂作物品种培育的途径主要包括传统育种方法和转基因技术。基于诱变筛选的传统育种方法是利用作物自然进化过程中出现的抗除草剂的遗传差异，采用自然突变或者人工诱变的手段，经过反复筛选和鉴定，以获得抗除草剂突变的基因型，再通过常规育种手段选育抗除草剂的作物品种[57]。魏松红等应用紫外线和叠氮化钠诱变得到对40 mL·hm-2浓度草甘膦有耐性的小麦植株[58]；Pozniak等以叠氮化钠为诱变剂，采用系谱法逐代选择，成功获得了抗咪唑啉酮类除草剂的小麦[59]。科学家还掌握了导入除草剂不敏感基因而培育作物品种的方法[60]。特别是20世纪80年代，植物转基因技术的成熟为抗除草剂作物品种培育奠定了技术基础，从而开创了抗除草剂作物应用的新局面[61]。从世界第一例转基因作物-烟草问世以来，已经推广种植的抗除草剂作物主要有玉米、水稻、大豆、油菜及棉花等[62]。Cui等从可变白蚁菌(Optericolavariabilis)中克隆出一种新的抗草甘膦基因，优化后将其转入应用广泛的粳稻品种中槐11号中，培育出了高抗草甘膦转基因水稻，其对草甘膦的耐受性是野生型水稻的240倍左右[63]。

培育对杂草有他感作用的作物品种虽然可以抑制杂草并减少除草剂使用量，但是在减少杂草分泌化感物质对作物产生的异毒作用方面仍需进一步考虑[64-65]。在培育抗除草剂作物品种方面，基于公众对转基因农作物安全性的考虑，转基因作物的生物安全性问题依旧备受争议[66]，且种植抗除草剂作物有“杂草化”的风险，容易导致抗性杂草的产生[60]。而传统杂交育种方法则有周期长的局限性，运用非转基因手段，辅以分子标记手段培育抗除草剂作物仍将是一个重要途径[57]。

2 消减措施

2.1 传统机械方法

传统机械方法是指通过物理手段减少土壤中除草剂的残留量来减轻作物药害[5]。正确使用除草剂(包括准确的用量和正确的用药时期)是保证除草效果的先决条件，温度、湿度及土壤状况等是影响药效与产生药害的主要环境条件。高温高湿气候容易造成除草剂药害的发生，而大风天气则容易造成除草剂的漂移，对临近敏感作物造成药害。当作物出现药害症状时，适当的翻耕会使残留除草剂暴露在土壤表层，加速除草剂的降解，减轻药害[5]。对于较为严重的药害，浇水灌溉稀释土壤中除草剂残留量也是减轻药害的一种手段。

传统机械方法只是通过翻耕灌溉等物理手段来减少土壤中除草剂的残留量，即费时费力，又容易造成水土流失、养分淋溶和肥力损失等后果，环境风险高[67]。

2.2 生物炭

生物炭(Biochar)是一种富含碳的生物质热解材料。生物炭由于其发达的孔隙结构和巨大的比表面积，拥有较强的吸附性能，可以吸附土壤中残留的农药，在生产中常常作为一种污染土壤的改良剂[67]。生物炭施入土壤后会改变土壤与农药之间原有的吸附/脱附平衡，进而影响农药在土壤中的环境行为(迁移、吸附和降解)[68]；应用生物炭吸附土壤中残留的除草剂，已经成为一种消减除草剂药害的重要手段[69]。生物炭还具有降低土壤中农药淋溶和迁移与耗散速度的作用[70]。有研究表明，添加生物炭可以吸附土壤中残留的阿特拉津[71]和敌草隆，且生物炭剂量越高，对敌草隆的吸附能力越强[72]。在表层土中添加生物炭作为吸附层时，可以减轻农药的浸出[73]。Tatarkova等人的试验证明，土壤中生物炭的添加降低了除草剂4-氯-2-甲基苯氧基乙酸(MCPA)的浸出和耗散[74]。但是也有研究表明，生物炭的加入会刺激微生物，从而导致除草剂的微生物降解率升高。因此，生物炭如何影响土壤中除草剂的降解取决于哪种作用占主导地位[67,75]。

加入生物炭在消减作物除草剂药害的同时会降低除草剂的药效，可能会影响除草效果[76]。所以，添加生物炭这一措施是有使用前提的。首先可以吸附上茬作物残留的除草剂，减少改种其他作物的除草剂药害。其次，在东北地区玉米高光效种植模式下[77]，可以减少土壤封闭除草剂对间作双子叶作物的药害。在生物炭吸附剂存在下，除草剂的残留量降低。可以考虑将生物炭作为一种过滤性吸附材料，用于除草剂残留浸出严重的地区[78]。由于生物炭强劲的除草剂吸附力，且结构稳定，因此在土壤中可以保存数百年至数千年[79]，而生物炭施入是不可逆的，长期存在是否会对土壤造成损害尚不清楚。有研究表明，生物炭的改性可能导致农药残留在改性土壤中积累，成为新的污染源[80]。需要关注的是，生物炭的吸附效果随生物炭的施加剂量而变化，要想保持较好的吸附效果则需要加大生物炭用量，考虑到经济可行性，需要探索生物炭施用阈值。

2.3 腐殖酸

腐植酸(Humic acid)是一种天然有机高分子混合物，其结构复杂，含有多种官能团，具有络合、螯合、离子交换及吸附等功能[81]。这些功能决定了添加腐殖酸既能改善土壤质量，增强植物抗逆性，又能促进农药等物质的降解[82]。土壤中的腐殖质作为一种反应产物且毒性较低的天然解毒剂，可以促进阿特拉津的光诱导降解反应[83]。Chan等[84]和Garbin等[85]的研究结果表明，一定范围内低浓度的腐植酸可以增强除草剂莠去津的光降解，添加腐植酸缓解残留除草剂的药害效果良好。汤鸣强等的研究表明，施用含有腐植酸的水溶肥可以促进除草剂的降解，降低土壤中草甘膦和乙草胺的残留量[86]。腐殖酸还可以在一定程度上缓解水环境中除草剂的毒性。有研究表明，在一定浓度范围内，腐植酸会显著抑制硅藻中三氯生(TCS)的生物毒性和累积量[87]。腐植酸对多数化学除草剂都有不同程度的增效作用，从而可以减少除草剂的用量，达到减少除草剂残留对作物的药害。如：腐植酸铵与草甘膦配合使用时，草甘膦药效可提高10 %～15 %[88]；腐植酸铵与烟嘧磺隆、2，4-D丁酯配合使用不仅可提高药效20 %[89-90]，而且还能促进玉米生长，增加其抗旱性[91]。

有研究证实，腐植酸同样会吸附残留的除草剂，甲草胺与腐植酸(72.9%)和生物炭(70.2%)的结合强度相当，但吸附机制不同[78]，腐植酸主要是对极性、高水溶性离子农药具有高亲和力，且通过与腐植酸官能团的特异性相互作用而吸附。杨炜春等人[92]的研究表明，腐植酸对阿特拉津的吸附效果显著，且腐植酸对阿特拉津的吸附量与吸附时间符合对数和双曲线函数关系[93]。添加腐植酸还可以增加蒙脱石对除草剂的吸附作用[94]。此外，添加腐植酸还可以通过促进残留除草剂的降解和强化代谢调控，降低毒性以保证农作物品质[90]。

但腐殖酸在消减除草剂药害方面仍有一定的局限性，一是腐植酸的施加对土壤理化性质和微生物群落有一定的影响，且针对不同除草剂药害的使用浓度仍不确定[95]。二是单独施加腐植酸反而会抑制莠去津[96]和2，4-D丁酯[97]的光解速率，只有当腐植酸和Fe(Ⅲ)共同存在时才会表现出促进作用，其相关机理还需继续探究。三是腐植酸对丁草胺的光降解效果与腐植酸种类有关，可能是腐植酸的纯度和腐植酸本身结构特性的差异引起的[98]。另外，腐植酸吸附除草剂的能力也会受土壤性质的影响。研究表明，随着pH值的增加，腐植酸与莠去津结合的能力降低[99]。

2.4 微生物降解

微生物降解是大多数除草剂在土壤中消失的主要途径[100]。土壤微生物具有氧化还原作用、矿化作用、水解作用及脱氯作用等各种化学能力，可以有效降解残留的除草剂[101]。从上世纪50年代开始，已经分离出数百种能够降解各种除草剂的微生物[100]。如分离自胡椒根际土壤的枯草芽杆菌Bs-15在土壤中降解草甘膦的潜力试验结果表明，Bs-15可以减轻含草甘膦除草剂的污染，增加草甘膦残留土壤的微生物功能多样性，从而增强草甘膦残留土壤的生物修复[102]；从活性污泥中分离的枯草芽孢杆菌菌株Y3，可以有效降解土壤中残留的二甲戊灵(一种苯胺类除草剂)[103]；接种菌株ZB-1的土壤降解土壤中氟磺胺草醚的速率均高于未接种的土壤[104-105]；从农药厂污水处理的活性污泥中分离出的鞘氨醇单胞菌(Sphingomonaspaucimobilis)DC-6，作为乙草胺降解菌株能够完全矿化甲草胺、乙草胺和丁草胺[106]。微生物由于其数量、种类、功能和代谢类型的多样性在降解残留除草剂中占据了很重要的地位，分离和筛选高效降解菌株为残留除草剂的土壤和水环境等的生物修复提供了有力保障[101]。

微生物降解作为一种无毒、无二次污染且价格低廉的途径，是消减残留除草剂的重要解决方法，具有很好的发展前景[101]。但是，由于受微生物种类和环境因素的影响，如温度、pH、营养物质、氧含量、底物浓度等[107]，使得微生物降解途径在自然环境下的实践应用效果大打折扣，降解性能并不理想，因此，必须结合现代生物技术进行改造，构建稳定性强和生态适应性高的降解工程菌使之能更有效地应用于实际生产[108]。除此之外，目前已知的除草剂降解分离株大部分是细菌，有关真菌的报道较少。真菌降解阿特拉津效率高且效果好，但是在降解酶及基因水平研究方面却比较缓慢[109-110]。考虑到真菌种群在自然环境中的重要性，未来需要加强真菌在除草剂分解代谢中的作用和分子水平的研究[104]。

3 结论与展望

消减除草剂药害的方法很多，但找到一种经济有效的预防、消减除草剂药害的方法仍然是一个难题。研发具有高活性且对作物安全无毒的新型除草剂，资金投入大，研发周期长，针对已有的除草剂研究药害的预防和消减是目前最有效的手段。根据以上研究进展，得出如下结论：

(1)正确使用除草剂，把握准确用量和正确施用时间是提高药效、消减药害的基础；

(2)作用类型或有效成分不同的除草剂复混使用，可以扩大杀草谱、减少除草剂使用剂量，是消减除草剂药害的一种有效手段；

(3)除草剂安全剂通过保护种子和提高幼苗抗性能有效预防除草剂对作物产生的药害；

(4)生物炭、腐植酸等外源物质通过影响除草剂在土壤中的环境行为促进药效的提高和药害的消减；

(5)土壤微生物为残留除草剂的土壤和水环境等的生物修复提供了有力保障；

(6)生物除草剂因其安全、高效且环保而具有广阔的应用前景，但研发应用任重道远；

(7)通过转基因手段培育的抗除草剂作物品种因其安全性还备受争议，基于传统手段下抗性品种的选育在预防除草剂药害方面将发挥更大作用。

随着化学除草剂的大规模使用，使得抗性杂草广泛进化，促使人们重新努力寻找新的杂草管理技术[36]。基于现代网络的发展，针对杂草的发生，应用智能除草系统，实时监测杂草生长状况并适时消除，作为一种经济、环保且可持续的杂草管理方式[111]，逐渐成为研究热点。关于智能除草系统已有报道，赵博等人为了减少农药的施用量，设计了由智能控制器、喷嘴和安装支架组成的智能杂草识别系统，并试验于不同环境。结果表明，该智能杂草识别系统在不同的环境下都是有效的，能够快速、可靠、准确地对杂草进行定位，实现精准对靶喷药[112]。由于定时、定量、定位消灭杂草，大大的提高了作物安全性，减少除草剂污染。截止目前，智能除草系统仍偏重理论研究，实际应用不足，应结合实际，因地制宜，推动智能除草系统落地发展。长远来看，智能除草系统的研发推广可能会是未来解决杂草和除草剂药害问题的根本方法[113]。除此之外，由于掌上信息高速发展，未来可以研发基于手机客户端的智能除草软件，结合已有报道的除草系统，让管理者利用碎片化的时间随时随地，采集作物实景图像，精准定位喷施除草剂，查杀杂草。