除草劑對濱海外來物種互化米草除控效果

張 慧，肖 輝，周 濱，馬 喆，邢美楠，陳 晨，劉紅磊*

(1.天津市農業科學院農業資源與環境研究所，天津 300384； 2.天津市生態環境科學研究院，天津 300191)

互花米草(Spartinaalterniflora)是一種多年生禾本科米草屬植物，原產于美洲大西洋西海岸以及墨西哥灣，適于生活在潮間帶，具有保灘促淤、消化碳排放、保護動物棲息地等生態功能[1-2]。我國于1979年從美國的佐治亞州引入高型互花米草、北卡羅來納州引入中型互花米草和佛羅里達州引入矮型互花米草[3]，主旨是保灘護堤。但是，互花米草具有極強的耐鹽、耐淹和繁殖能力，其擴張和定居速度超出了控制[2,4-7]，其入侵領域北起遼寧省，南達廣西壯族自治區的北海，覆蓋了除海南島、臺灣島之外的全部沿海地區[4,7-10]。2003年，中國國家環?？偩趾椭袊茖W院聯合公布了首批入侵我國的外來入侵物種名單，互花米草作為唯一的海岸鹽沼植物成為我國第一批入侵物種之一[2]。

互花米草的入侵嚴重影響了蘆葦(Phragmitesaustrails)、海三棱藨草(Scirpusmarigueter)、紅樹林等土著植物的生長[11-12]，使得當地生物多樣性下降，同時帶來了航道堵塞、水質劣化、灘涂荒廢等問題[13]。2006年通過生態經濟損失評估體系發現，互花米草對福建省造成的總損失為15.89億元，其中，經濟效益損失為8.13億元，生態效益損失為7.76億元[14]。互花米草在江蘇省可能帶來0.16億元的生態系統損失[15]。隨著互花米草在我國東部沿海灘涂的不斷擴張，對互花米草進行除控已經成為保護灘涂濕地生態功能與服務的緊要舉措。

目前，防治互花米草的途徑主要包括物理防治、生物防治、生物替代、化學防治等方法。物理防治是指應用人力或機械裝置來控制互花米草的生長，如拔除幼苗、連續刈割、火燒、水淹、掩埋以及圍堤等[10,16]；通常來說，單一的物理防治耗費巨大，難以有效控制互花米草。生物防治與生物替代的研究成果較少，尚不成熟；生物替代甚至會有再次帶來物種入侵的可能[17]。化學防治法是應用各種藥物來消除外來入侵種，對藥劑的專一性、劑量以及施藥時間具有更精細的要求，尤其應當避免因藥劑不合理使用而殺滅本地其他非目標物種。同時，除控劑的效果也會受到風力、潮汐周期和莖葉上覆蓋的沉積物等因素影響[18-19]。目前證實有效的互花米草除草劑包括草甘膦(Glyphosate)、草銨膦(Glufosinate)、咪唑煙酸(Imazapyr)、咪唑乙煙酸(Imazethapyr)等[20-22]。與物理方法、生物方法相比，化學方法具有見效快、費用低、人力需求低等特點[13]。

探索有效的互花米草化學防治技術對保護我國海灘生態環境、加強濱海濕地的生態服務功能具有十分重要的意義。由于化學藥劑在不同地區、不同時間對互花米草除控效果差異很大，因此，本研究在借鑒現有互花米草除控產品的基礎上，通過盆栽試驗，篩選適宜的除草劑用量和復配效果，通過大田試驗驗證除控效果，并評價其生態安全性，為濱海濕地的生物多樣性保育和生態服務功能提升提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

盆栽試驗在北大港農場的溫室里進行。大田試驗在北大港濕地的濱海灘涂進行(38°47′N，117°35′E)，該區域為河礫粘土為主的鹽堿地。該區域屬于溫帶大陸季風氣候;年均溫度為12.9 ℃，其中1月和7月平均溫度為-2.8 ℃和26.7 ℃；年均降水量在550 mm左右，多集中在7—8月份。該地區潮位頻繁，最高潮位超過2 m。植被類型以互花米草、堿蓬(Suaedasalsa)、蘆葦為優勢種。

1.2 試驗設計

依據已有研究效果且本地市場上容易購買等原則，選取了草甘膦和草胺磷2種農藥，具體為43%草甘膦異丙胺鹽水劑(先正達南通作物保護有限公司產品)、200 g/L草銨膦水劑(僑昌現代農業產品)。草甘膦、草銨膦的藥劑制造商推薦量分別為5 250 mL/hm2、9 000 mL/hm2，按推薦量的50%、100%、150%用量，設計完全組合實驗，并設不施藥組為對照組，共16個處理組，每個處理組3次重復(表1)。

表1 草甘膦、草銨膦單用和復配盆栽試驗設計Tab. 1 Single and compound pot experiment design of the effects of glyphosate and glufosinate on Spartina alterniflora

續表

1.3 溫室盆栽試驗方法

溫室盆栽試驗在天津市北大港試驗基地的溫室進行。用塑料箱(56 cm×41 cm×30 cm)做盆栽箱。每箱移植4叢互花米草(50至100株)，重復3次。幼苗長至35 cm時(3葉1心))，按試驗設計進行葉面噴施除草劑。定期觀察生長情況，30 d剪去地上部分莖葉，并調查根死亡情況。試驗于2019年4月26日栽植互花米草；5月27日噴施農藥；6月28日采用計數法調查除草效果，并采集地上植株，用烘干法測定生物量。計算互花米草死亡率與農藥用量間的數量關系，確定死亡率在90%時，草甘膦和草銨膦用藥量。

1.4 化學除控劑大田除控效果驗證試驗

在天津北大港濕地選取1塊互花米草長勢均勻的灘涂。依據盆栽試驗結果建立草甘膦、草銨膦用量與死亡率的關系，以死亡率為90%時，草甘膦和草銨膦的濃度布置大田試驗，設置草甘膦+草銨膦2種除草劑復配組合，助劑為有機硅，并設不施藥對照，共3個處理，每個處理小區為100 m2(10 m×10 m)。于互花米草生長旺盛期(2019年7月25日)按試驗設計(表2)進行葉面施藥，分別在第30天、60天調查死亡情況。施藥后第60天測定植物地上生物量、株高。

表2 互花米草大田除控試驗設計Tab. 2 Field experimental design of the control effect of glyphosate and glufosinate on Spartina alterniflora

1.5 底棲生物安全性評價試驗

互花米草生長于海岸灘涂，海岸向海的方向地勢越來越低，根據漲潮時淹水的深度不同，設置了3個淹水深度。漲潮時，噴灑在葉面的農藥隨海水反復沖刷部分進入海水，進而對生物產生不定影響，因此通過模擬海水深度和農藥實際使用情況設計了模擬實驗，探討不同淹水條件下農藥對本地生物的影響。

供試生物為當地的優勢種或常見物種白蛤(Mactraveneriformis)、青蛤(Cyclinasinensis)。設不施藥對照(水層深度0 cm)，模擬海水水層3個深度20、50、100 cm，共計4個處理組(表3)。每個處理組放置白蛤、青蛤各50只，共計8口魚池(0.8 m×0.2 m×0.3 m)。按農藥推薦用量在水面噴灑并攪拌均勻。分別在24、48、72、96 h后記錄死亡率，試驗結束后采集生物樣本測定農藥殘留及富集情況。生物富集系數(BCF)由下式計算：

表3 底棲生物安全性試驗設計Tab. 3 Experimental design of benthic safety evaluation

(1)

式(1)中：H1為生物體內農藥含量，H2為水體中農藥含量；BCF≤10為低富集，101 000為高富集。

農藥殘留測定方法為，稱取2 g試樣(精確到0.01 g)于50 mL離心管中，加入20 mL去離子水，搖勻，于振蕩器上振蕩30 min，8 000 r/min離心10 min，取上清液轉移至裝有100 mg C18的50 mL離心管中，立即旋渦混合1 min。將離心管置于離心機內，9 000 r/min離心10 min。移取上清液1 mL于另一個空的15 mL離心管中，加入0.5 mL硼酸鈉緩沖液和0.5 mL衍生劑，渦旋混合30 s，置于40 ℃水浴中衍生過夜，冷卻后過濾，液質聯用儀上機測定。

1.6 數據統計與分析

數據處理采用R 3.5.1 (R Development Core Team)的 “Agricolae” 和 “Stats”數據包進行統計分析，圖表采用Sigmaplot 12.5 (Systat Software, Inc.)繪制。

2 結果與分析

2.1 盆栽試驗下除草劑對互花米草死亡率、生物量的影響

盆栽試驗中除草劑對互花米草死亡率和生物量的影響結果見圖1。除草劑復配的效果要好于單獨使用，其中，復配處理中的T7、T8、T9、T10、T11、T12、T13、T14、T15處理組與對照組差異顯著(p<0.05)，死亡率分別達到26%、32%、40%、27%、48%、56%、51%、68%及89%，而對照組的死亡率僅為2%；與對照組相比，復配處理組的死亡率分別提高了965%、1 232%、1 576%、1 029%、1 888%、2 228%、2 019%、2 709%、3 591%。而單獨使用的T1至T6處理組，與對照組的死亡率無顯著差異，其中T6單獨處理組的死亡率最高為23%，與復配處理組相比，效果顯然不足。

圖1 盆栽試驗中除草劑對互花米草死亡率和生物量的影響Fig. 1 Effects of herbicides on the mortality and biomass of Spartina alterniflora in the pot experiment白色為對照組CK，灰色為單一使用除草劑處理組T1-T6，黑色為草甘膦和草銨膦的復配使用處理組T7-T15。

草甘膦、草銨膦單獨使用及其復配使用均顯著降低了互花米草的生物量(p<0.05)，且復配效果好于單獨使用效果。其中T11處理組草甘膦推薦量100%和草銨膦推薦量100%復配對植物生物量的影響最大，T11處理組的植物生物量為134.83 g，與對照組的植物生物量373.17 g相比，降低了64%。其次是T15處理組草甘膦推薦量150%和草銨膦推薦量150%復配，該組的植物生物量為141.53 g，與對照組相比降低了62%。

以上結果表明，從死亡率和植物生物量2個指標來看，草甘膦和草銨膦的復配效果明顯好于單獨使用，并且2種除草劑的用量越高，兩者的復配除控效果越好，其中效果最佳的是草甘膦推薦量150%和草銨膦推薦量150%的復配組合(7 875+13 500 mL/hm2)的T15處理組。

2.2 互花米草死亡率與農藥用量的數量關系

以互花米草死亡率為Y值，草甘膦有效成分量為X1，草銨膦有效成分量為X2，進行回歸分析，建立的數量關系如下：

Y=0.24X1+0.23X2-15.12

(2)

假設互花米草死亡率為90%時，草甘膦與草銨膦之間用量關系為：

X1=-0.95X2+443.54

(3)

由式(2)、(3)可以看出草甘膦與草銨膦均能提高互花米草的死亡率，且草銨膦應用效果要好于草甘膦。在固定死亡率的情況下，草甘膦與草銨膦呈此消彼長的關系。當死亡率為90%時，草銨膦用量為9 000 mL/hm2(100%推薦量)、13 500 mL/hm2(150%推薦量)，草甘膦的用量為11 475 mL/hm2、9 450 mL/hm2，將其應用于下一步大田復配試驗中。

2.3 除草劑復配大田試驗對互花米草死亡率、株高和生物量的影響

施藥后第30天調查發現，對照組的死亡率為0，DT1、DT2處理組的死亡率均為85%(圖2)，均與對照的除草效果差異顯著(p< 0.05)。施藥后第60天，DT1、DT2處理組的死亡率均略有增加，除控效果明顯，均為89%，對照組的死亡率依然為0，與對照組差異顯著(p<0.05)。

除草劑復配DT2處理組對互花米草株高的影響顯著(p< 0.05)，2個處理組均降低了互花米草株高，對照組的株高為132.80 cm，DT1、DT2處理組分別為123.00、91.00 cm。與對照組相比，DT1、DT2處理組的高度降低了7%、18%。同樣的，除草劑均顯著降低了互花米草的生物量(p< 0.05)，對照組的生物量為676.27 g，DT1、DT2處理組分別為492.39、380.46 g。與對照組相比，DT1、DT2處理組的生物量分別降低了27%、44%。

上述大田試驗結果表明，除草劑復配降低互花米草的株高、生物量，提高互花米草的死亡率。最佳復配處理組為草甘膦9 450 mL/hm2、草銨膦13 500 mL/hm2的DT2處理組。

2.4 除草劑對底棲生物致死率及農藥殘留的影響

通過對白蛤、青蛤96 h的培養觀察發現，各處理條件下白蛤、青蛤死亡數為0，說明該濃度下草甘膦、草銨膦對本土底棲生物影響很小。在生物體內的積累試驗發現，經過96 h不間斷藥液培養后，白蛤、青蛤體內均出現不同程度的農藥殘留(表4)，且藥液濃度越高體內殘留量越多。草甘膦與草銨膦復合情況下，白蛤體內的草甘膦殘留量為0.05～0.27 mg/kg，草銨膦殘留量0.34～1.69 mg/kg；青蛤體內的草甘膦殘留量為0.10～0.79 mg/kg，草銨膦殘留量為0.51～2.03 mg/kg。白蛤體內的農藥殘留量均要低于青蛤，即在S1、S2、S3模擬培養條件下，青蛤比白蛤體內的殘留量提高了183%、274%和104%。從2種農藥的4 d富集系數(表5)看，草甘膦對白蛤和青蛤均表現為低富集農藥，草銨膦盡管表現為高富集農藥，但體內殘留量低。青蛤與白蛤相比，青蛤富集系數高于白蛤。

表4 白蛤、青蛤體內農藥殘留量Tab. 4 Pesticide residues in mollusks of Mactra veneriformis and Cyclina sinensis

表5 白蛤、青蛤的農藥生物富集系數Tab. 5 Pesticide bioenrichment coefficient of mollusks of Mactra veneriformis and Cyclina sinensis

分析底棲生物的農藥致死率、殘留量、富集系數發現，2種農藥的推薦用量不會導致底棲生物的死亡，但會在體內有殘留，白蛤比青蛤更具抗藥性，草甘膦比草銨膦更具安全性。

2.5 討論

每種除草劑具有不同的除草機理。草銨膦作用于植物的谷氨酰胺合成酶(Glutamine Synthetase， GS)，導致植物體內氮代謝紊亂，使得銨積累過量，引起葉綠體解體、光合作用受抑制，最終導致植物死亡[23]。因其具有速效、活性高、低毒、環境兼容性好等特點使其在農業上廣泛應用。草甘膦主要是競爭性抑制烯醇丙酮基莽草素磷酸合成酶，從而抑制苯丙氨酸、酪氨酸及色氨酸的轉化，使蛋白質合成受阻，屬于滅生性除草劑[24]，可防治田間多種雜草，有研究發現，對西班牙灘涂濕地互花米草的除控研究中發現使用量在720～7 200 g/hm2時可以有效抑制互花米草的光合特性，如凈光合速率、氣孔導度、光合色素和新分蘗數[22]，并且草甘膦及其代謝物會以鐵和鋁的絡合物的形式存留于土壤中，減少了土壤危害[22]。這2種除草劑已在農田中很好的應用[25-26]，其中草甘膦的使用最為廣泛且報道較多[10]。

本研究在現有互花米草除控技術和產品的基礎上，對草甘膦和草銨膦2種除控劑的單一和復配使用進行了相關試驗，盆栽試驗發現2種除草劑的復配要好于單獨使用，具有較好的去除效果。大田試驗結果表明，除草劑的復配可以有效降低互花米草高度、生物量，提高互花米草的死亡率，在此基礎上，提出的草甘膦、草銨膦復配處理的最佳用量為9 450、13 500 mL/hm2。效果上，草銨膦滅除效果優異，市場前景良好，增長迅速，但產品生產技術難度高、工藝路線復雜，國內極少公司能夠規模化生產。成本上，1 t草甘膦的價格在2萬元左右[27-28]，而1 t草銨膦的價格在13萬元左右[29-30]。價格是一道無法跨越的鴻溝，且草甘膦面臨的核心問題是植物產生的抗藥性，因此草甘膦和草銨膦的復配使用是一個折中、高效的方法。在以往研究中發現，草甘膦、草銨膦的復配組合對藜(Chenopodium)、蓼(Polygonum)、狗尾草(Setaria)毒力效果提升，復配防效達到了相加效果[31]。同時，增加除草劑的劑量可以更好的提高互花米草的幼苗除控率和損傷率[19]。有研究還發現，高效氟吡甲禾靈、高效氟吡甲禾靈等除草劑一定程度上也可以抑制互花米草生長[10]。增加除草劑的篩選、針對特定灘涂環境的除草劑配量仍然是下一步控制互花米草的探討內容。另外，農藥助劑作為一種超強鋪展劑，降低藥液在葉片上的表面張力，使藥液快速在葉片鋪展、滲透[32-33]，是一種提高藥效的有效途徑，未來可以利用在互花米草的化學除控中。未來也可以考慮放牧和捕食等自然方法，比如添加玉田螺(Littorariairrorata)，來降低互花米草的生物量，進而達到控制互花米草生長的目的[17]。

草甘膦在施入土壤15 d后基本降解完全，草銨膦在土壤中的降解時間為7 d[34]，但其生物安全性評價仍然是我們在大規模使用時必須要關注的指標。除草劑可以通過影響動植物、土壤微生物數量和活性進而影響該區域的生態環境安全。然而，也有研究表明，除草劑對當地生態系統沒有危害，主要因為除草劑的降解速率快、植物攝取量多等原因[10,35]。在我們的生物安全性評價試驗中發現，2種除草劑對本地白蛤、青蛤的致死率為0；草銨膦在白蛤和青蛤的富集量均大于草甘膦；體內殘留量較低，總體上2種除草劑的生態安全影響較小。喬沛陽等(2019)的研究也發現化學除草的方法對底棲動物的種群和數量影響較小，且在11個月后動物數量可以基本恢復[35]。另外，我們可以通過去除方法來解除除草劑危害，比如使用復合吸附劑Zr-MOF(UiO-67)能夠有效控制去除草甘膦農藥，并且應用前景廣闊[36]。因此，長期來看化學除控的生態危害要比預計值要低，對大面積去除互花米草的入侵是一種有效、快速的方法。

本研究著重于互花米草的化學除控方式，以期為今后互花米草的除控研究提供參考，未來還要繼續考慮除草劑在當地生態系統中的代謝時效和生態毒性[37]，為進一步科學的防治互花米草打下堅定的基礎。

3 結論

互花米草作為灘涂濕地的生態入侵物種，采用化學法是一種有效的除控途徑。本研究篩選了草甘膦和草銨膦2種除草劑，通過單一使用和復合配施驗證除草效果。結果表明，草甘膦、草銨膦復配處理最佳用量為9 450、13 500 mL/hm2，可以有效的提高互花米草死亡率、降低生物量，致死率可達90%。草甘膦和草銨膦對本地常見底棲生物白蛤和青蛤致死率為0，體內殘留量較低，在土壤和水體中的降解較快，具有大面積應用前景，但該復配藥劑對其他生物及環境安全影響還需進一步評估。