南方二氯喹啉酸殘留藥害早期診斷和預警亟待研究

陳國奇， 田興山， 馮 莉

(廣東省農業科學院植物保護研究所/廣東省植物保護新技術重點實驗室，廣東廣州 510640)

隨著我國生產力水平和勞動力成本不斷上升，輕簡化、規模化和集約化農業耕作模式逐步興起，作物生產中越來越依賴省時、省工、高效、快捷的耕作管理模式[1]，因而田間雜草防控越來越依賴化學除草劑[2-4]。據國家統計局統計，2012年我國國內化學除草劑消費量高達113.8萬t，是2005年消費量(28.3萬t)的4倍多。然而，除草劑使用不當會引起農作物藥害[5]，造成巨大損失，尤其是我國農田多為小塊化經營，機械化程度和整體用藥水平較低，因而除草劑藥害事件時有發生[6-7]。

除草劑對作物產生藥害主要有2種類型[8]，一類是對當茬作物產生的藥害，即直接藥害；另一類是對后茬作物產生的藥害，即間接藥害，也稱為殘留藥害。目前對除草劑藥害的研究報道多為直接藥害，除草劑生產、供應商和農戶通常對直接藥害的防范意識更高。在多數情況下，直接藥害通過查詢相關田塊的近期用藥記錄和癥狀即可診斷[9]。而殘留藥害具有很大的危害性和隱蔽性，通常觀察到藥害癥狀時，作物已經出苗甚至到了種植后期，造成巨大損失，尤其是農戶不知道藥害根源，當作病害防治，投入大量人力和財力，錯過了補救的關鍵時期。因此，除草劑殘留藥害早期診斷技術體系的研究具有突出的生產指導意義。目前關于除草劑殘留藥害診斷的研究主要基于幼苗生長和形態學觀察，診斷往往只是針對已經發生殘留藥害的情況分析，而隱性殘留藥害檢測、殘留藥害的量化診斷和對作物生產風險的量化評估等基本問題亟需通過科學研究解決。

1 南方除草劑殘留藥害威脅嚴重

在我國南方高溫高濕的氣候條件下，土壤中殘留的除草劑分解相對較快，因而多年來南方除草劑藥害問題研究相對較少。而事實上，南方除草劑藥害形勢嚴峻，尤其是一些土壤殘留時間長(長殘留)的除草劑在南方更容易造成藥害。究其原因，一是，雜草在田間周年生長，一年多熟制的種植模式下田間控草頻繁，除草劑施用的頻度和累積劑量上升；二是，南方不同類型作物輪作頻繁更易引發殘留藥害；三是，隨著田間大量、頻繁地施用除草劑，抗藥性和耐藥性雜草問題日趨嚴重，而農戶往往會直接增加施藥量或施藥次數，尤其是增施一些價格較低的除草劑。隨機采訪發現，農戶在田間單次施藥劑量有時高達推薦劑量的3倍，甚至更高。根據市場調查數據(未公開發表資料)結合《中國統計年鑒2010》發布的數據[10]，2009年廣東省平均每公頃耕地中的除草劑施用費用和平均每公頃水稻田施用除草劑二氯喹啉酸的費用分別是全國平均水平的2.6倍和1.7倍。因此，近年來南方的除草劑殘留藥害問題開始被發現[11-12]。

2 二氯喹啉酸土壤殘留能引發明顯的或隱性的藥害

二氯喹啉酸(3，7-二氯-8-喹啉羧酸)是1988年在德國上市、1990年開始在我國稻田使用的稗屬雜草(Echinochloaspp.)特效除草劑[13]，可有效防除超過50種常見惡性雜草[14-16]，因而二氯喹啉酸是華南地區水稻田使用的主要除草劑之一。然而，該藥是典型的長殘留除草劑[13]，極易對多種重要作物產生明顯藥害[11，17-19]，包括煙草(Nicotianaspp.)、馬鈴薯(Solanumtuberosum)、豌豆(Pisumsativum)、甘薯(Dioscoreaesculenta)、番茄(Lycopersiconesculentum)、西瓜(Citrulluslanatus)、辣椒(Capsicumannuum)、茄子(Solanummelongena)、胡蘿卜(Daucuscarotavar.sativa)、大豆(Glycinemax)、水稻(Oryzasativa)等，并能對多種水生動植物造成毒害[20-23]。陳澤鵬等取無二氯喹啉酸用藥史的土壤(pH值5.48)添加0.8 mg/kg該藥后，發現其半衰期為22 d，并且在180 d后，仍然檢測到0.069～0.085 mg/kg的殘留量，進而推論稻田中一次施用二氯喹啉酸后，煙草的安全間隔期為342 d[24]。

在二氯喹啉酸殘留藥害嚴重的情況下，植株幼苗生長呈現明顯異常，如在煙草上表現為新葉畸形，葉片變窄變厚，葉片邊緣向葉背面內卷、皺縮，嚴重時出現線狀葉形，基部老葉葉形基本正常；在馬鈴薯上表現為植株明顯矮化和黃化，葉皺縮、卷曲、僵硬、發脆，葉柄和莖稈細小，根系不發達，長度只有正常植株的1/3左右。通常在田間觀察到藥害癥狀時，作物已經出苗并生長了一段時間，因而造成巨大損失，尤其是農戶在不知道藥害根源的情況下，當作病害加以防治，投入大量人力和財力，錯過補救的關鍵時期，導致大面積嚴重減產，或者即使有少量收成，商品率也極低，損失慘重。

此外，二氯喹啉酸殘留藥害不明顯時也會造成極大的作物生產損失，即隱性藥害。在二氯喹啉酸藥害程度相對較輕時，作物的藥害形態會緩慢地恢復，甚至有些情況對某些作物不造成可視的藥害癥狀，但是可能影響作物生長發育或農產品品質，進而導致生產損失。這種隱性藥害不容易被發現，但危害同樣巨大。例如，有研究表明，土壤中殘留的二氯喹啉酸能夠被番茄吸收并轉移到果實中積累，進而影響其品質和商品率[25]，并且在煙草的研究中得到同樣的結論[26]；此外，二氯喹啉酸濃度較低也可能干擾作物生長和生理，進而產生不明顯藥害[27]，或推遲作物的成熟期而造成生產損失[17]。更多關于二氯喹啉酸藥害癥狀和生態毒理學研究進展見宋穩成等的綜述論文[28]。

3 二氯喹啉酸殘留藥害早期診斷困難

二氯喹啉酸引起作物藥害的形態癥狀與其他激素類除草劑引起的藥害形態癥狀相似，甚至與某些病毒病害癥狀相似，這容易導致誤診，而其隱性藥害則不容易引起注意，農戶往往將作物減產歸咎于其他因素，如種子質量、土壤問題等。雖然可以通過測定土壤中的殘留含量來推測藥害來源，然而土壤溫度、顆粒組成、有機質含量、pH值等都可能對作物藥害程度和表征產生明顯影響[12，28]；并且不同作物對二氯喹啉酸殘留的敏感性不盡相同，更何況土壤農藥殘留量測定成本以及對儀器、試劑、操作等要求相對較高，因而土壤含量測定方法難以在生產中推廣。因此，二氯喹啉酸殘留藥害診斷難度很大，亟需探索新的高效而實用的早期診斷技術體系來回答諸如“如何量化診斷二氯喹啉酸土壤殘留藥害？”“如何將量化診斷結果與作物生產損失相對應，并用于相應的作物藥害風險評估？”等問題。因此，可根據植物對二氯喹啉酸敏感性機制和相關關鍵檢測指標的研究結果，探索建立相關的殘留藥害早期診斷體系。

4 植物對二氯喹啉酸敏感性的機制和相關檢測指標

二氯喹啉酸作為喹啉酸家族的一種激素類除草劑[29]，能夠誘導乙烯前體氨基環丙烷羧酸(ACC)的從頭合成[14]。許多研究表明，一些禾草類敏感型植株采用二氯喹啉酸處理后ACC含量大幅上升，繼而引起植株體內快速合成超量乙烯，并伴有副產品HCN過量積累，引起處理植株受毒害[30-31]；而激素誘導的乙烯合成也會促進脫落酸(ABA)的生物合成，進而引起植株體內活性氧積累、細胞凋亡和葉片衰老等[15，30，32-34]。相關分子水平的研究目前較少，且尚沒有取得廣泛認可的研究成果。據Grossmann報道，TIR1/AFB(生長素受體轉運抑制響應蛋白/生長素結合蛋白)是多種激素類除草劑的作用受體；對TIR1晶體結構模型的研究結果表明，上述受體很可能也是二氯喹啉酸的作用靶標，即二氯喹啉酸處理后可能引起ACC合成酶以及脫落酸生物合成通路上的關鍵物質NCED(9-順式-環氧類胡蘿卜素加雙氧酶蛋白)基因的表達[15]。更多關于二氯喹啉酸研究進展見Yasuor等的研究論文[14]和李崗等的綜述論文[35-36]。

大量研究結果表明，二氯喹啉酸抗性機制主要在于：(1)植物體內對于該藥誘導乙烯合成信號通路并不敏感；(2)植物體內解毒和抗氧化能力增強[14，35]。有研究表明，對二氯喹啉酸不敏感性的禾草類抗性植株在該藥處理后體內的乙烯和HCN含量并無明顯提高[30，37]。而對豬殃殃的研究發現，二氯喹啉酸處理后，敏感型植株體內的乙烯含量是抗性植株體內的3倍，脫落酸水平則是14倍[33]。植株體內抗氧化能力和解毒能力與其對該藥的敏感性密切相關[35，38]。例如，有研究表明，抗藥性植株體內的抗氧化酶，如SOD(超氧化物歧化酶)、CAT(過氧化氫酶)、APX(抗壞血酸過氧化物酶)、GR(谷胱甘肽還原酶)等，活性較高[18]。另外，細胞色素P450單加氧酶(是一種除草劑在作物體內的代謝解毒酶)活性與植株對二氯喹啉酸的敏感性緊密相關。有研究表明，添加細胞色素P450抑制劑馬拉硫磷(malathion)能使抗二氯喹啉酸的水稗(Echinochloaphyllopogon)失去抗性，進一步研究發現，抗性水稗植株體內的氰化物解毒酶β-CAS(β-氰丙氨酸合成酶)的活性是敏感型植株的2～3倍，而在馬拉硫磷處理后抗性和敏感型水稗植株體內的β-CAS酶活性均下降40%[14]；在對止血馬唐(Digitariaischaemum)的研究中得出了類似結論[37]。

5 總結

二氯喹啉酸由于藥效好、價格低廉、選擇性強，近年來在南方的使用量越來越大，尤其是田間抗藥性種群出現后，農戶容易隨意增加施用量和頻度，加上土地承包、加速流轉等社會現象，導致農田用藥背景不明，二氯喹啉酸土壤殘留藥害威脅不斷加劇。二氯喹啉酸土壤殘留藥害具有很高的隱蔽性和潛伏性，而目前相應的診斷知識模糊，還沒有數值化的診斷評估方法。

當前針對除草劑殘留藥害早期診斷技術的研究較少，有研究報道了葉片葉綠素色素含量快速測定可以用于診斷10%硝磺草酮懸浮液玉米的藥害情況[40]；也有研究報道可以借助花生生長指標判斷土壤二氯喹啉酸殘留藥害情況[41]；或者通過番茄根長來評估水體中二氯喹啉酸引起藥害風險[42]。

6 研究設想

我們需要找到更為敏感、實用的指示植物，進而基于研究指示植物在二氯喹啉酸脅迫下的形態學、解剖學、生理學等一系列觀察指標的變化，建立系統而完善的二氯喹啉酸殘留藥害早期診斷和風險評估技術體系，來量化研究有關問題，對二氯喹啉酸殘留藥害進行分級，并將不同的藥害等級與對應作物生產損失進行量化評估和預警，確保即使對隱性殘留藥害也能夠進行診斷和預警。此外，二氯喹啉酸藥害補救與土壤修復技術亟待研究開發。

參考文獻：

[1]李淑順，張連舉，強 勝. 江蘇中部輕型栽培稻田雜草群落特征及草害綜合評價[J]. 中國水稻科學，2009，23(2)：207-214.

[2]涂鶴齡. 我國農田雜草研究和防治進展[J]. 農藥，2001，40(3)：1-3.

[3]Zhang Z P. Development of chemical weed control and integrated weed management in China[J]. Weed Biology and Management，2003，3(4)：197-203.

[4]強 勝. 雜草學[M]. 北京：中國農業出版社，2003.

[5]Pannacci E，Covarelli G. Efficacy of mesotrione used at reduced doses for post-emergence weed control in maize(ZeamaysL.)[J]. Crop Protection，2009，28(1)：57-61.

[6]張朝賢，錢益新，胡祥恩，等. 合理用藥預防長殘效除草劑殘留藥害[J]. 雜草科學，1998(2)：2-4.

[7]王明勇，韓道一，耿繼光，等. 安徽省農作物藥害現狀及對策[J]. 安徽農學通報，2005，11(5)：44-45.

[8]王險峰，關成宏，辛明遠. 我國長殘效除草劑使用概況、問題及對策[J]. 農藥，2003，42(11)：5-10.

[9]吳文革，李澤福，張四海，等. 安徽江淮地區2006年中秈水稻結實不良情況調查[J]. 安徽農學通報，2006，12(13)：85-88.

[10]中華人民共和國國家統計局. 中國統計年鑒2009[M]. 北京：中國統計出版社，2010.

[11]韓錦峰，張志勇，劉華山，等. 稻田殘留二氯喹啉酸對后茬烤煙的危害及其修復研究進展[J]. 中國煙草學報，2013(1)：81-83.

[12]尹 冬，曾勇軍，章建其，等. 稻煙輪作區二氯喹啉酸殘留對烤煙藥害研究進展[J]. 江西農業學報，2012，24(8)：38-40.

[13]A herbicide used for post-emergence weed control on grass and turf[EB/OL]. (2013-09-09)[2013-12-09]. http：//sitem.herts.ac.uk/aeru/iupac/577.htm.

[14]Yasuor H，Milan M，Eckert J W，et al. Quinclorac resistance：a concerted hormonal and enzymatic effort inEchinochloaphyllopogon[J]. Pest Management Science，2012，68(1)：108-115.

[15]Grossmann K. Auxin herbicides：current status of mechanism and mode of action[J]. Pest management science，2010，66(2)：113-120.

[16]Grossmann K. Quinclorac belongs to a new class of highly selective auxin herbicides[J]. Weed Science，1998，46(6)：707-716.

[17]Bond J A，Walker T W. Effect of postflood quinclorac applications on commercial rice cultivars[J]. Weed Technology，2012，26(2)：183-188.

[18]Sunohara Y，Matsumoto H. Quinclorac-induced cell death is accompanied by generation of reactive oxygen species in maize root tissue[J]. Phytochemistry，2008，69(12)：2312-2319.

[19]Lovelace M L，Talbert R E，Scherder E F，et al. Effects of multiple applications of simulated quinclorac drift rates on tomato[J]. Weed Science，2007，55(2)：169-177.

[20]de Menezes C C，Leitemperger J，Santi A，et al. The effects of diphenyl diselenide on oxidative stress biomarkers inCyprinuscarpioexposed to herbicide quinclorac (Facet?)[J]. Ecotoxicology and Environmental Safety，2012，81：91-97.

[21]Pretto A，Loro V L，Menezes C，et al. Commercial formulation containing quinclorac and metsulfuron-methyl herbicides inhibit acetylcholinesterase and induce biochemical alterations in tissues ofLeporinusobtusidens[J]. Ecotoxicology and Environmental Safety，2011，74(3)：336-341.

[22]陶 玲，尹黎燕，李 偉. 除草劑二氯喹啉酸對粗梗水蕨有性繁殖的影響[J]. 武漢植物學研究，2007，25(6)：601-604.

[23]Resgalla C Jr，Noldin J A，Tamanaha M S，et al. Risk analysis of herbicide quinclorac residues in irrigated rice areas，Santa Catarina，Brazil[J]. Ecotoxicology，2007，16(8)：565-571.

[24]陳澤鵬，王 靜，萬樹青，等. 煙區土壤殘留二氯喹啉酸的消解動態[J]. 農藥，2007，46(7)：479-480，483.

[25]Lovelace M L，Hoagland R E，Talbert R E，et al. Influence of simulated quinclorac drift on the accumulation and movement of herbicide in tomato(Lycopersiconesculentum) plants[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry，2009，57(14)：6349-6355.

[26]王 靜. 土壤殘留二氯喹啉酸引起煙草畸形生長的研究[M]. 廣州：華南農業大學碩士學位論文，2004.

[27]袁樹忠，吳進才，徐建祥，等. 丁草胺等除草劑對水稻生理生化的影響[J]. 植物保護學報，2001，28(3)：274-278.

[28]宋穩成，余蘋中. 二氯喹啉酸的生態毒理學研究進展[J]. 農藥科學與管理，2006，27(9)：13-17.

[29]Han X L，Mei P，Liu Y，et al. Binding interaction of quinclorac with bovine serum albumin：a biophysical study[J]. Spectrochimica Acta Part A-Molecular and Biomolecular Spectroscopy，2009，74(3)：781-787.

[30]Grossmann K，Kwiatkowski J. The mechanism of quinclorac selectivity in grasses[J]. Pesticide Biochemistry and Physiology，2000，66(2)：83-91.

[31]Grossmann K，Scheltrup F. Selective induction of 1-aminocyclopropane-1-carboxylic acid(ACC) synthase activity is involved in the selectivity of the auxin herbicide quinclorac between barnyard grass and rice[J]. Pesticide Biochemistry and Physiology，1997，58(2)：145-153.

[32]Sunohara Y，Shirai S，Yamazaki H，et al. Involvement of antioxidant capacity in quinclorac tolerance inEleusineindica[J]. Environmental and Experimental Botany，2011，74：74-81.

[33]van Eerd L L，McLean M D，Stephenson G R，et al. Resistance to quinclorac and ALS-inhibitor herbicides inGaliumspuriumis conferred by two distinct genes[J]. Weed Research，2004，44(5)：355-365.

[34]Alonso-Simón A，García-Angulo P，Encina A，et al. Habituation of bean(Phaseolusvulgaris) cell cultures to quinclorac and analysis of the subsequent cell wall modifications[J]. Annals of Botany，2008，101(9)：1329-1339.

[35]李 崗，吳聲敢，吳長興，等. 稗草對二氯喹啉酸抗性研究進展[J]. 雜草科學，2012，30(2)：1-5.

[36]羅 沙，余柳青，劉都才，等. 稻田稗草對二氯喹啉酸的抗藥性研究進展[J]. 植物保護，2011，37(1)：7-10.

[37]Abdallah I，Fischer A J，Elmore C L，et al. Mechanism of resistance to quinclorac in smooth crabgrass(Digitariaischaemum)[J]. Pesticide Biochemistry and Physiology，2006，84(1)：38-48.

[38]苑學霞，郭棟梁，趙善倉，等. 二氯喹啉酸在水稻、土壤和田水中消解動態及殘留[J]. 生態環境學報，2011，20(6)：1138-1142.

[39]李晶新，韓錦峰，劉華山，等. 二氯喹啉酸對烤煙種子萌發及幼苗生長的影響[J]. 河南農業科學，2010(2)：37-39，48.

[40]郭建文. 玉米葉片SPAD值在除草劑藥害早期診斷中的應用[J]. 山西農業科學，2013，41(1)：86-88，91.

[41]徐子晶，逯 州，向殿福. 二氯喹啉酸藥害的生物測定[J]. 安徽農業科學，2010，38(23)：12762-12763，12772.

[42]de Barreda D G，Lorenzo E，Carbonell E A，et al. Use of tomato (Lycopersiconesculentum) seedlings to detect bensulfuron and quinclorac residues in water[J]. Weed Technology，1993，7(2)：376-381.