一种快速预测莠去津对鸭跖草防治效果的方法

陈萍萍, 黄松涛, 于海燕, 崔海兰, 陈景超, 李香菊

(中国农业科学院植物保护研究所,北京 100193)

对除草剂防除杂草效果的预测是科学使用除草剂的重要技术支撑。建立早期判断杂草受除草剂伤害程度的方法,有利于快速评价除草剂对靶标杂草的生物活性,尤其是对一些除草剂的田间防治效果不理想的情况,可尽早采取补救措施,保证理想效果。目前,除草剂对杂草的田间防效主要采用生物测定的方法,例如通过药后14 d或 21 d 的杂草鲜重、株高等量化指标的变化进行综合评价[1-2]。此外,药后杂草靶标酶和氧化还原酶系活性等生理生化指标的变化也可用于除草剂药效的判定[3-4]。但上述方法或测定时间较长,或需复杂的仪器设备。

植物光合仪(plant photosynthesis meter)是荷兰EARS遥感公司开发的通过测量植物光合作用参数来判断植物生长状态是否健康的一种仪器。主要原理为植物光合作用中的光反应在叶绿体的类囊体膜中进行,该膜由脂质和蛋白质等组成,包含了上百个叶绿素分子簇。这一光合系统由1个反应中心和1个天线组成。植物吸收光能后,叶绿素天线吸收光子,激发电子发生能级跃迁的同时通过3种方式释放能量,绝大部分能量被“反应中心”捕获并参与光化学反应;少部分能量以热量形式散失,剩余部分激发子返回到低能态轨道,同时发出1个光子,即植物光合仪检测的荧光信号。植物受光合作用抑制剂类除草剂胁迫后,荧光信号降低,植物光合仪通过检测植物叶片这部分荧光信号的强弱来判断植物在除草剂胁迫后光合作用受抑制的程度。仪器工作时,首先测量在环境光线下植物叶片的荧光量(F);随后自动打开卤素灯使植物叶片光合作用迅速达到光饱和点,相应的荧光量增加到最大值(FM),通过公式(φp=1-F/FM)计算植物的光合效率(光合作用中光能的利用效率,用φp表示),即PPM[5]。一般来说,未受药害的植物PPM为70%～80%。喷施光合抑制型除草剂后,植物光合作用受到抑制,导致光合效率显著降低,PPM低至10%～40%时,植物正常生命活动会受到影响[6]。由于环境光会促使反应中心关闭,从而增加荧光量并降低光合作用效率。为了准确反映除草剂对植物光合作用的影响,植物光合仪工作时须保持周围弱光环境,要求在暗室或傍晚田间测量。由于这一测量过程可在几秒内完成,并且不破坏植物叶片,国内外已经用于施药后除草效果的早期快速非破坏性测定[7]。 荷兰Wageningen大学利用植物光合仪在温室测定了5类除草剂施药后1周对植物生长的影响,发现用PPM能较好地预测光合作用抑制剂对杂草的防治效果,但对草铵膦、磺草酮、2甲4氯的预测结果不理想[8]。王贵启等采用PPM研究了光合作用抑制型除草剂异丙隆防除冬小麦田5种主要杂草的最低致死剂量,结果表明,施药后2～4 d杂草的PPM与用药后14 d的杂草鲜重防效密切相关,可通过该值提早预测药后14 d杂草防效[7]。

光合作用抑制剂类除草剂是广泛用于田间杂草防治的一大类除草剂。其中,丝氨酸264结合位点的光系统Ⅱ抑制剂(PSⅡ inhibitors-serine 264 binders)应用普遍,有近80个有效成分,占常用除草剂品种的近1/4[9],如我国常用的除草剂莠去津、嗪草酮、异丙隆等;除此之外,组氨酸215结合位点光系统Ⅱ抑制剂 (PSⅡ inhibitors-histidine 215 binders) 如灭草松、溴苯腈和光系统Ⅰ抑制剂(PSⅠ electron diversion)如百草枯、敌草快也广泛用于农业生产。莠去津在结构上属于三氮苯类(triazines)除草剂,主要通过竞争性取代植物光合作用电子传递过程中的质体醌,与叶绿体 D1 蛋白上的 QB位点结合,阻断电子从 QA向 QB的传递,从而抑制植物光合作用,达到防除杂草的目的[8,10]。莠去津具有杀草谱广、持效期长、防除效果好、成本低廉等优点,既可以作为土壤处理剂,又可以作为茎叶处理剂。自20世纪80年代进入我国市场以来,迅速成为玉米田使用最广泛的除草剂品种之一。目前,我国约有2/3玉米田以莠去津或其混剂作为主要除草剂[11],登记的除草剂产品中有近1 000个含莠去津成分,如烟嘧·莠去津、硝·烟·莠去津、乙·莠等[12]。除玉米田外,莠去津还应用于甘蔗田和高粱田中,作为土壤处理剂和茎叶处理剂防除阔叶杂草和部分一年生禾本科杂草。莠去津作为茎叶处理,一般在杂草幼苗期喷施效果好,随着杂草叶龄提高,其防效逐渐降低;而施用莠去津后7 d左右肉眼才能够观察到杂草明显的受害症状,此时补施除草剂通常需加大施药剂量才能取得理想效果。生产中部分农户使用除草剂时也常常担心除草效果差,在未见到明显药效之前,进行二次补施。超量使用除草剂,导致除草剂浪费,也带来生态环境污染与后茬药害风险[13-14]。因此,亟需建立一种药后早期快速、非破坏性的预测莠去津对杂草防治效果的方法,指导莠去津科学使用。

本试验以鸭跖草为试材,测定不同剂量莠去津处理后鸭跖草叶片PPM随着时间的延长而变化的情况,建立PPM与鸭跖草鲜重防效的关系,以实现通过药后早期鸭跖草叶片PPM预测莠去津对鸭跖草防效的目的。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试种群:供试鸭跖草种群于2016年9月29日采集自河北省唐山市迁安市野鸡坨镇大杨官营村(编号HB-3-6,39°54′7.35″N,118°41′4.92″E)和河北省秦皇岛市昌黎县两山乡两山村(编号 HB-6-10,39°44′23.75″N,119°11′19.01″E)。2018年繁种备用。

供试药剂和仪器设备、设施:38%莠去津悬浮剂(山东滨农科技有限公司生产);行走式喷雾塔(型号为3WP-2000,农业农村部南京农业机械化研究所);光合测定仪(型号为PPM-MLHD,荷兰EARS技术工程公司);温室和暗室。

1.2 试验方法

1.2.1 试材培养 选用解除休眠的鸭跖草种子(发芽率85%以上),用无菌水冲洗 3 次,均匀放置在垫有双层滤纸的一次性培养皿上,每个培养皿加10 mL水。4 d后挑选4株长势一致的发芽幼苗,并移栽至按比例混合的培养基质(土壤 ∶凯茵营养土=3 ∶1,有机质含量3.5%,N、P、K含量均为0.25%)的花盆(10.5 cm×9 cm)中,从底部灌水至饱和。喷药前间苗,每盆保留3株,待鸭跖草长至3～4叶期时置喷雾塔内喷施莠去津(喷雾压力0.275 MPa)。

所有幼苗均放置在中国农业科学院植物保护研究所光照培养室内进行培养,其间保持土壤湿润,培养条件为光照14 h/黑暗10 h,白天温度(32±5) ℃,夜间温度(25±5) ℃,相对湿度 55%～75%。

1.2.2 试验处理及设计 莠去津设7个剂量,分别为0、318.75、637.5、956.25、1275、1 593.75、2 550 g a.i./hm2,喷液量367.5 L/hm2。

试验采用随机区组排列,每个处理重复3次。

1.2.3 测量方法 分别在施药前,喷施莠去津后1、2、3、4、5、6 d,将待测鸭跖草植株置于暗室内处理30 min,用植物光合仪测量鸭跖草第1张完全展开叶片,读取PPM。药后 21 d,剪取鸭跖草地上部分并称量鲜重,以未施用除草剂的处理作为对照。按照如下公式计算莠去津对鸭跖草的鲜重防效:

鲜重防效=(对照组杂草鲜重-处理组杂草鲜重)/对照组杂草鲜重×100%。

1.3 数据分析

采用SPSS 24.0软件对试验数据进行单因素方差分析(本试验采用施药前以及施药后1、2、4、6 d 鸭跖草叶片PPM和21 d鸭跖草的鲜重防效进行数据分析),应用Duncan’s新复极差法进行差异显著性检验(P< 0.05)。采用GraphPad Prism 8 软件绘制鸭跖草PPM及其鲜重防效的关系图。

2 结果与分析

2.1 喷施莠去津不同时间后鸭跖草叶片PPM的变化

由表1可知,施药前所有处理鸭跖草叶片PPM为70～80,处理间差异不显著(P>0.05),此为杂草种群PPM基础值。处理后1、2、4、6 d,清水对照组叶片的PPM与处理前基本一致,而喷施莠去津的所有处理在施药后1 d(药后次日)叶片PPM开始显著下降,随着莠去津施药量增加,鸭跖草PPM降幅变大。

表1 施用莠去津不同时间后鸭跖草叶片PPM变化Table 1 PPM value of C. communis leaves applied atrazine after different times

从表1可以看出,莠去津处理后1 d PPM均显著降低,而2、4、6 d测定的鸭跖草PPM与1 d测定的数值差异不显著(HB-3-6种群4 d时319、1 275 g a.i./hm2莠去津处理和6 d时319、638 g a.i./hm2莠去津处理除外)。由此可见,喷施莠去津后1 d鸭跖草光合作用即受到明显抑制,而施药后不同时间目测观察,上述处理组鸭跖草在测量时间内无明显表观受害症状。因施用莠去津后1～6 d鸭跖草PPM多数无显著差异,因此,药后1 d测得的鸭跖草叶片的PPM即可作为甄别其光合作用是否受抑制的参数。从2个种群测定结果看,HB-3-6种群和HB-6-10种群施药后PPM表现趋势一致。

2.2 不同剂量莠去津对鸭跖草鲜重防效

由表2可知,喷施莠去津21 d后,随着施用剂量的增加,莠去津对鸭跖草鲜重防效提高。当莠去津施用剂量为956 g a.i./hm2时,2个鸭跖草种群的鲜重防效均大于80%。

表2 施用莠去津后21 d鸭跖草鲜重防效Table 2 Control efficacy on fresh weight of C. communis applied atrazine after 21 days

2.3 鸭跖草PPM与鲜重防效的关系

由图1可以看出,喷施莠去津后,2个鸭跖草种群叶片测得的PPM与其鲜重防效密切相关。随着莠去津施用剂量的增加,鸭跖草PPM显著下降,鲜重防效提高。由表3可知,当叶片PPM<42时,鸭跖草鲜重防效可达95%以上;PPM为42～50时,鲜重防效为80%～95%;PPM为51～68时,鲜重防效为30%～80%;当PPM>68时,鲜重防效<7.6%。上述结果表明, 使用莠去津后1 d测定鸭跖草叶片PPM,即可较好地预测其鲜重防效。

表3 施用莠去津后1 d 鸭跖草PPM和21 d鲜重防效的关系Table 3 The relationship of PPM value of C. communis applied atrazine after 1 day and control efficacy on fresh weight after 21 days

3 结论与讨论

喷施光合作用抑制型除草剂后,杂草的光合作用受到抑制,部分除草剂使用后杂草表现受害症状较快,如百草枯、灭草松等在施用次日即可表现出明显受害症状;另一部分除草剂如莠去津、特丁津、嗪草酮、异丙隆等在用后早期(药后5～7 d前)一般不易通过肉眼观察到,以致于生产中在观察到杂草防治失败时再采取应对措施为时已晚。采用植物光合仪进行测定,药后次日即可明确判断莠去津不同处理对杂草抑制程度的差异,从而通过测定用药后杂草叶片早期的PPM来预测除草剂对杂草的最终防效。本研究得出,鸭跖草受莠去津伤害程度可通过药后1 d(次日)测定其叶片PPM来反映,从而实现莠去津对鸭跖草防效的早期预测,而本试验施药6 d后肉眼才能逐渐观察到鸭跖草受莠去津伤害。

前人研究了PPM对其他杂草防效的预测。王贵启等研究发现,喷施异丙隆后1 d杂草叶片PPM降低,PPM能较好地预测杂草14 d的鲜重防效,通过测定除草剂不同剂量下5种杂草的PPM,找出其对杂草的最低致死剂量,用于支撑异丙隆减量施用[7]。张宏军等研究了用PPM测定灭草松和特丁津混用的效果,结果表明,药后4 d 6种杂草PPM有明显降低,可预测杂草鲜重防效[6]。上述差异可能与不同药剂的结构、作用方式以及杂草种类不同有关。采用植物光合仪读数预测莠去津对鸭跖草的防除效果尚未见报道。鸭跖草是鸭跖草科鸭跖草属杂草[15],起源于亚洲东北部,广泛分布于我国大部分地区,主要危害玉米、大豆、瓜类、杂粮、小麦等作物,与作物竞争光、水、肥等生存资源。据报道,当鸭跖草密度为40株/m2时能够造成大豆减产17%～35%[16]。田间观察发现,鸭跖草是对莠去津敏感性较差的杂草,莠去津、特丁津等抑制光合作用的除草剂低浓度喷施,鸭跖草不容易被杀死,推荐剂量倍量施药早期从表型上也反应不敏感。因此,通过测定PPM,早期预测莠去津等除草剂对鸭跖草防效,对提早投入补救措施有指导作用。而且以鸭跖草测定的PPM为依据,决定防治田间杂草种群的施药量及是否需要补喷除草剂,对于田间比鸭跖草对莠去津更敏感的杂草如反枝苋、藜、龙葵等的防控也有参考价值。

喷施光合抑制型除草剂后,杂草叶片早期PPM与鲜重防效具有较好相关性,可根据PPM抑制程度判断除草剂防效,建立PPM和鲜重防效的对应关系。本研究以药后1 d 鸭跖草叶片PPM与21 d鲜重防效建立关系,发现喷施莠去津后1 d 鸭跖草PPM在42以下时,鸭跖草21 d鲜重防效大于95%,该施用剂量能有效防除鸭跖草,不用采取附加的除草措施;而当PPM为68以上时,鲜重防效低于7.6%,则要根据实际情况及时制定除草策略,采取二次补施除草剂等措施。

前人研究发现,当杂草的PPM<20时,异丙隆对杂草14 d的鲜重防效大于90%;当PPM>40时,药剂对杂草14 d的鲜重防效低于50%。而本研究采用莠去津处理后,致使杂草死亡的早期PPM偏高。PPM的差异可能由以下几个原因导致:(1)调查时间的不同。本研究鲜重调查时间为施用莠去津后21 d,与张宏军等使用异丙隆后 14 d 调查[5]在时间上有一定差异。(2)供试杂草对除草剂的敏感性有差异。(3)除草剂作用机制不同。异丙隆属于取代脲类除草剂,通过抑制杂草叶绿素合成,而莠去津通过阻断杂草光合作用中的电子传递发挥药效[17],异丙隆在杂草叶龄小的情况下药效发挥明显。(4)设计剂量的差异。异丙隆主要在播后苗前和苗后早期使用,苗后使用时需要采用较高剂量。对敏感杂草而言,除草剂剂量高容易导致PPM早期下降幅度大,致使杂草在14 d死亡。(5)采集的鸭跖草种群对莠去津耐受性高。有研究表明,部分地区鸭跖草对莠去津的敏感性下降[18],导致喷施莠去津后21 d致死鸭跖草相对应的早期PPM较高。本试验以鸭跖草为试材,研究了药后杂草叶片PPM变化趋势及其与21 d鲜重防效的关系,但不同杂草对莠去津的反应不同,后续试验应开展针对多种杂草及不同叶龄的试验研究,以取得更多科学数据支撑生产应用。

本研究建立了药后早期预测莠去津对鸭跖草防治效果的方法。在田间喷施莠去津后1 d,即可根据植物光合仪测定的PPM判断药剂对鸭跖草的防效。药后使用该方法预测鸭跖草防效灵敏度较高且检测周期短,不需要精准的仪器和较高的实验室成本,在田间就能完成快速测定。该方法为合理判定鸭跖草对莠去津的敏感性提供了一种高效便捷的方法,对早期预测莠去津防效及其减量施用有一定的实践意义。