一種快速預測莠去津對鴨跖草防治效果的方法

陳萍萍, 黃松濤, 于海燕, 崔海蘭, 陳景超, 李香菊

(中國農業科學院植物保護研究所,北京 100193)

對除草劑防除雜草效果的預測是科學使用除草劑的重要技術支撐。建立早期判斷雜草受除草劑傷害程度的方法,有利于快速評價除草劑對靶標雜草的生物活性,尤其是對一些除草劑的田間防治效果不理想的情況,可盡早采取補救措施,保證理想效果。目前,除草劑對雜草的田間防效主要采用生物測定的方法,例如通過藥后14 d或 21 d 的雜草鮮重、株高等量化指標的變化進行綜合評價[1-2]。此外,藥后雜草靶標酶和氧化還原酶系活性等生理生化指標的變化也可用于除草劑藥效的判定[3-4]。但上述方法或測定時間較長,或需復雜的儀器設備。

植物光合儀(plant photosynthesis meter)是荷蘭EARS遙感公司開發的通過測量植物光合作用參數來判斷植物生長狀態是否健康的一種儀器。主要原理為植物光合作用中的光反應在葉綠體的類囊體膜中進行,該膜由脂質和蛋白質等組成,包含了上百個葉綠素分子簇。這一光合系統由1個反應中心和1個天線組成。植物吸收光能后,葉綠素天線吸收光子,激發電子發生能級躍遷的同時通過3種方式釋放能量,絕大部分能量被“反應中心”捕獲并參與光化學反應;少部分能量以熱量形式散失,剩余部分激發子返回到低能態軌道,同時發出1個光子,即植物光合儀檢測的熒光信號。植物受光合作用抑制劑類除草劑脅迫后,熒光信號降低,植物光合儀通過檢測植物葉片這部分熒光信號的強弱來判斷植物在除草劑脅迫后光合作用受抑制的程度。儀器工作時,首先測量在環境光線下植物葉片的熒光量(F);隨后自動打開鹵素燈使植物葉片光合作用迅速達到光飽和點,相應的熒光量增加到最大值(FM),通過公式(φp=1-F/FM)計算植物的光合效率(光合作用中光能的利用效率,用φp表示),即PPM[5]。一般來說,未受藥害的植物PPM為70%～80%。噴施光合抑制型除草劑后,植物光合作用受到抑制,導致光合效率顯著降低,PPM低至10%～40%時,植物正常生命活動會受到影響[6]。由于環境光會促使反應中心關閉,從而增加熒光量并降低光合作用效率。為了準確反映除草劑對植物光合作用的影響,植物光合儀工作時須保持周圍弱光環境,要求在暗室或傍晚田間測量。由于這一測量過程可在幾秒內完成,并且不破壞植物葉片,國內外已經用于施藥后除草效果的早期快速非破壞性測定[7]。 荷蘭Wageningen大學利用植物光合儀在溫室測定了5類除草劑施藥后1周對植物生長的影響,發現用PPM能較好地預測光合作用抑制劑對雜草的防治效果,但對草銨膦、磺草酮、2甲4氯的預測結果不理想[8]。王貴啟等采用PPM研究了光合作用抑制型除草劑異丙隆防除冬小麥田5種主要雜草的最低致死劑量,結果表明,施藥后2～4 d雜草的PPM與用藥后14 d的雜草鮮重防效密切相關,可通過該值提早預測藥后14 d雜草防效[7]。

光合作用抑制劑類除草劑是廣泛用于田間雜草防治的一大類除草劑。其中,絲氨酸264結合位點的光系統Ⅱ抑制劑(PSⅡ inhibitors-serine 264 binders)應用普遍,有近80個有效成分,占常用除草劑品種的近1/4[9],如我國常用的除草劑莠去津、嗪草酮、異丙隆等;除此之外,組氨酸215結合位點光系統Ⅱ抑制劑 (PSⅡ inhibitors-histidine 215 binders) 如滅草松、溴苯腈和光系統Ⅰ抑制劑(PSⅠ electron diversion)如百草枯、敵草快也廣泛用于農業生產。莠去津在結構上屬于三氮苯類(triazines)除草劑,主要通過競爭性取代植物光合作用電子傳遞過程中的質體醌,與葉綠體 D1 蛋白上的 QB位點結合,阻斷電子從 QA向 QB的傳遞,從而抑制植物光合作用,達到防除雜草的目的[8,10]。莠去津具有殺草譜廣、持效期長、防除效果好、成本低廉等優點,既可以作為土壤處理劑,又可以作為莖葉處理劑。自20世紀80年代進入我國市場以來,迅速成為玉米田使用最廣泛的除草劑品種之一。目前,我國約有2/3玉米田以莠去津或其混劑作為主要除草劑[11],登記的除草劑產品中有近1 000個含莠去津成分,如煙嘧·莠去津、硝·煙·莠去津、乙·莠等[12]。除玉米田外,莠去津還應用于甘蔗田和高粱田中,作為土壤處理劑和莖葉處理劑防除闊葉雜草和部分一年生禾本科雜草。莠去津作為莖葉處理,一般在雜草幼苗期噴施效果好,隨著雜草葉齡提高,其防效逐漸降低;而施用莠去津后7 d左右肉眼才能夠觀察到雜草明顯的受害癥狀,此時補施除草劑通常需加大施藥劑量才能取得理想效果。生產中部分農戶使用除草劑時也常常擔心除草效果差,在未見到明顯藥效之前,進行二次補施。超量使用除草劑,導致除草劑浪費,也帶來生態環境污染與后茬藥害風險[13-14]。因此,亟需建立一種藥后早期快速、非破壞性的預測莠去津對雜草防治效果的方法,指導莠去津科學使用。

本試驗以鴨跖草為試材,測定不同劑量莠去津處理后鴨跖草葉片PPM隨著時間的延長而變化的情況,建立PPM與鴨跖草鮮重防效的關系,以實現通過藥后早期鴨跖草葉片PPM預測莠去津對鴨跖草防效的目的。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試種群:供試鴨跖草種群于2016年9月29日采集自河北省唐山市遷安市野雞坨鎮大楊官營村(編號HB-3-6,39°54′7.35″N,118°41′4.92″E)和河北省秦皇島市昌黎縣兩山鄉兩山村(編號 HB-6-10,39°44′23.75″N,119°11′19.01″E)。2018年繁種備用。

供試藥劑和儀器設備、設施:38%莠去津懸浮劑(山東濱農科技有限公司生產);行走式噴霧塔(型號為3WP-2000,農業農村部南京農業機械化研究所);光合測定儀(型號為PPM-MLHD,荷蘭EARS技術工程公司);溫室和暗室。

1.2 試驗方法

1.2.1 試材培養 選用解除休眠的鴨跖草種子(發芽率85%以上),用無菌水沖洗 3 次,均勻放置在墊有雙層濾紙的一次性培養皿上,每個培養皿加10 mL水。4 d后挑選4株長勢一致的發芽幼苗,并移栽至按比例混合的培養基質(土壤 ∶凱茵營養土=3 ∶1,有機質含量3.5%,N、P、K含量均為0.25%)的花盆(10.5 cm×9 cm)中,從底部灌水至飽和。噴藥前間苗,每盆保留3株,待鴨跖草長至3～4葉期時置噴霧塔內噴施莠去津(噴霧壓力0.275 MPa)。

所有幼苗均放置在中國農業科學院植物保護研究所光照培養室內進行培養,其間保持土壤濕潤,培養條件為光照14 h/黑暗10 h,白天溫度(32±5) ℃,夜間溫度(25±5) ℃,相對濕度 55%～75%。

1.2.2 試驗處理及設計 莠去津設7個劑量,分別為0、318.75、637.5、956.25、1275、1 593.75、2 550 g a.i./hm2,噴液量367.5 L/hm2。

試驗采用隨機區組排列,每個處理重復3次。

1.2.3 測量方法 分別在施藥前,噴施莠去津后1、2、3、4、5、6 d,將待測鴨跖草植株置于暗室內處理30 min,用植物光合儀測量鴨跖草第1張完全展開葉片,讀取PPM。藥后 21 d,剪取鴨跖草地上部分并稱量鮮重,以未施用除草劑的處理作為對照。按照如下公式計算莠去津對鴨跖草的鮮重防效:

鮮重防效=(對照組雜草鮮重-處理組雜草鮮重)/對照組雜草鮮重×100%。

1.3 數據分析

采用SPSS 24.0軟件對試驗數據進行單因素方差分析(本試驗采用施藥前以及施藥后1、2、4、6 d 鴨跖草葉片PPM和21 d鴨跖草的鮮重防效進行數據分析),應用Duncan’s新復極差法進行差異顯著性檢驗(P< 0.05)。采用GraphPad Prism 8 軟件繪制鴨跖草PPM及其鮮重防效的關系圖。

2 結果與分析

2.1 噴施莠去津不同時間后鴨跖草葉片PPM的變化

由表1可知,施藥前所有處理鴨跖草葉片PPM為70～80,處理間差異不顯著(P>0.05),此為雜草種群PPM基礎值。處理后1、2、4、6 d,清水對照組葉片的PPM與處理前基本一致,而噴施莠去津的所有處理在施藥后1 d(藥后次日)葉片PPM開始顯著下降,隨著莠去津施藥量增加,鴨跖草PPM降幅變大。

表1 施用莠去津不同時間后鴨跖草葉片PPM變化Table 1 PPM value of C. communis leaves applied atrazine after different times

從表1可以看出,莠去津處理后1 d PPM均顯著降低,而2、4、6 d測定的鴨跖草PPM與1 d測定的數值差異不顯著(HB-3-6種群4 d時319、1 275 g a.i./hm2莠去津處理和6 d時319、638 g a.i./hm2莠去津處理除外)。由此可見,噴施莠去津后1 d鴨跖草光合作用即受到明顯抑制,而施藥后不同時間目測觀察,上述處理組鴨跖草在測量時間內無明顯表觀受害癥狀。因施用莠去津后1～6 d鴨跖草PPM多數無顯著差異,因此,藥后1 d測得的鴨跖草葉片的PPM即可作為甄別其光合作用是否受抑制的參數。從2個種群測定結果看,HB-3-6種群和HB-6-10種群施藥后PPM表現趨勢一致。

2.2 不同劑量莠去津對鴨跖草鮮重防效

由表2可知,噴施莠去津21 d后,隨著施用劑量的增加,莠去津對鴨跖草鮮重防效提高。當莠去津施用劑量為956 g a.i./hm2時,2個鴨跖草種群的鮮重防效均大于80%。

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

2.3 鴨跖草PPM與鮮重防效的關系

由圖1可以看出,噴施莠去津后,2個鴨跖草種群葉片測得的PPM與其鮮重防效密切相關。隨著莠去津施用劑量的增加,鴨跖草PPM顯著下降,鮮重防效提高。由表3可知,當葉片PPM<42時,鴨跖草鮮重防效可達95%以上;PPM為42～50時,鮮重防效為80%～95%;PPM為51～68時,鮮重防效為30%～80%;當PPM>68時,鮮重防效<7.6%。上述結果表明, 使用莠去津后1 d測定鴨跖草葉片PPM,即可較好地預測其鮮重防效。

表3 施用莠去津后1 d 鴨跖草PPM和21 d鮮重防效的關系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 結論與討論

噴施光合作用抑制型除草劑后,雜草的光合作用受到抑制,部分除草劑使用后雜草表現受害癥狀較快,如百草枯、滅草松等在施用次日即可表現出明顯受害癥狀;另一部分除草劑如莠去津、特丁津、嗪草酮、異丙隆等在用后早期(藥后5～7 d前)一般不易通過肉眼觀察到,以致于生產中在觀察到雜草防治失敗時再采取應對措施為時已晚。采用植物光合儀進行測定,藥后次日即可明確判斷莠去津不同處理對雜草抑制程度的差異,從而通過測定用藥后雜草葉片早期的PPM來預測除草劑對雜草的最終防效。本研究得出,鴨跖草受莠去津傷害程度可通過藥后1 d(次日)測定其葉片PPM來反映,從而實現莠去津對鴨跖草防效的早期預測,而本試驗施藥6 d后肉眼才能逐漸觀察到鴨跖草受莠去津傷害。

前人研究了PPM對其他雜草防效的預測。王貴啟等研究發現,噴施異丙隆后1 d雜草葉片PPM降低,PPM能較好地預測雜草14 d的鮮重防效,通過測定除草劑不同劑量下5種雜草的PPM,找出其對雜草的最低致死劑量,用于支撐異丙隆減量施用[7]。張宏軍等研究了用PPM測定滅草松和特丁津混用的效果,結果表明,藥后4 d 6種雜草PPM有明顯降低,可預測雜草鮮重防效[6]。上述差異可能與不同藥劑的結構、作用方式以及雜草種類不同有關。采用植物光合儀讀數預測莠去津對鴨跖草的防除效果尚未見報道。鴨跖草是鴨跖草科鴨跖草屬雜草[15],起源于亞洲東北部,廣泛分布于我國大部分地區,主要危害玉米、大豆、瓜類、雜糧、小麥等作物,與作物競爭光、水、肥等生存資源。據報道,當鴨跖草密度為40株/m2時能夠造成大豆減產17%～35%[16]。田間觀察發現,鴨跖草是對莠去津敏感性較差的雜草,莠去津、特丁津等抑制光合作用的除草劑低濃度噴施,鴨跖草不容易被殺死,推薦劑量倍量施藥早期從表型上也反應不敏感。因此,通過測定PPM,早期預測莠去津等除草劑對鴨跖草防效,對提早投入補救措施有指導作用。而且以鴨跖草測定的PPM為依據,決定防治田間雜草種群的施藥量及是否需要補噴除草劑,對于田間比鴨跖草對莠去津更敏感的雜草如反枝莧、藜、龍葵等的防控也有參考價值。

噴施光合抑制型除草劑后,雜草葉片早期PPM與鮮重防效具有較好相關性,可根據PPM抑制程度判斷除草劑防效,建立PPM和鮮重防效的對應關系。本研究以藥后1 d 鴨跖草葉片PPM與21 d鮮重防效建立關系,發現噴施莠去津后1 d 鴨跖草PPM在42以下時,鴨跖草21 d鮮重防效大于95%,該施用劑量能有效防除鴨跖草,不用采取附加的除草措施;而當PPM為68以上時,鮮重防效低于7.6%,則要根據實際情況及時制定除草策略,采取二次補施除草劑等措施。

前人研究發現,當雜草的PPM<20時,異丙隆對雜草14 d的鮮重防效大于90%;當PPM>40時,藥劑對雜草14 d的鮮重防效低于50%。而本研究采用莠去津處理后,致使雜草死亡的早期PPM偏高。PPM的差異可能由以下幾個原因導致:(1)調查時間的不同。本研究鮮重調查時間為施用莠去津后21 d,與張宏軍等使用異丙隆后 14 d 調查[5]在時間上有一定差異。(2)供試雜草對除草劑的敏感性有差異。(3)除草劑作用機制不同。異丙隆屬于取代脲類除草劑,通過抑制雜草葉綠素合成,而莠去津通過阻斷雜草光合作用中的電子傳遞發揮藥效[17],異丙隆在雜草葉齡小的情況下藥效發揮明顯。(4)設計劑量的差異。異丙隆主要在播后苗前和苗后早期使用,苗后使用時需要采用較高劑量。對敏感雜草而言,除草劑劑量高容易導致PPM早期下降幅度大,致使雜草在14 d死亡。(5)采集的鴨跖草種群對莠去津耐受性高。有研究表明,部分地區鴨跖草對莠去津的敏感性下降[18],導致噴施莠去津后21 d致死鴨跖草相對應的早期PPM較高。本試驗以鴨跖草為試材,研究了藥后雜草葉片PPM變化趨勢及其與21 d鮮重防效的關系,但不同雜草對莠去津的反應不同,后續試驗應開展針對多種雜草及不同葉齡的試驗研究,以取得更多科學數據支撐生產應用。

本研究建立了藥后早期預測莠去津對鴨跖草防治效果的方法。在田間噴施莠去津后1 d,即可根據植物光合儀測定的PPM判斷藥劑對鴨跖草的防效。藥后使用該方法預測鴨跖草防效靈敏度較高且檢測周期短,不需要精準的儀器和較高的實驗室成本,在田間就能完成快速測定。該方法為合理判定鴨跖草對莠去津的敏感性提供了一種高效便捷的方法,對早期預測莠去津防效及其減量施用有一定的實踐意義。