研究表明, 影响我国农业生产的杂草超过200种, 而其中30多种影响尤其严重^[13]。杂草是许多病虫害的中间寄主以及作物的水、肥竞争者, 会对农业生产造成较大的损失^[3]。以前, 农民投入大量的劳动力进行人工除草, 以减轻田间杂草对农业生产的影响, 从而提高作物产量^[13]。但是, 这种传统的生产方式并不能满足农业现代化的发展需求。

早在20世纪40年代中期, 2, 4-D就开始被用作防除田间阔叶杂草的除草剂; 60年代, 一些地区使用燕麦灵(Barban)防除田间野燕麦(Avena fatua)、五氯苯酚钠(Sodium pentachlorophenate)和除草醚(Nitrofen)防除水稻田间的稗草(Echinochloa crusgalli)^{[13, 14]}。70年代, 随着新型除草剂的不断引进和研制, 甲草胺(Alachlor)、利谷隆(Linuron)、百草枯(Gramoxone)^[15]等化学除草剂逐渐进入了大豆(Glycine max)、小麦(Triticum aestivum)、棉花(Gossypium hirsutum)、玉米(Zea mays)等作物的生产领域, 且适用的作物种类和区域不断扩大^{[13, 14]}, 包括美国孟山都(Monsanto)公司开发研制的草甘膦[N-(phosphonomethyl) glycine], 以及草甘膦铵盐、钠盐等一系列产品^[16]。草甘膦作为一种灭生性化学除草剂, 成为中国乃至全世界使用最为广泛、销量最大和发展速度最快的除草剂之一^{[17, 18, 19]}。它主要通过茎叶吸收后传导到植物组织, 影响蛋白质的合成, 并最终导致植物死亡, 可防除单子叶和双子叶、一年生和多年生、草本和灌木等40多科的杂草。特别是抗草甘膦的转基因作物问世以后, 草甘膦的使用量迅猛增长。1997年至1998年, 抗草甘膦大豆的种植面积从13%增加到36%, 草甘膦的使用量增加了81%, 成为美国使用量最大的大豆除草剂, 在除草剂市场上占很大优势^{[20, 21]}。

20世纪80年代以来, 我国研制出高效、低毒、选择性取代脲类的除草剂莎扑隆(Dymrone), 防除莎草科杂草^[22]。90年代引进的噻吩磺隆(Thifensulfuron methyl)对小麦和玉米田间的阔叶杂草有较好的防除效果^[23]; 氯吡嘧磺隆(Halosulfuron-methyl)作为一种新型的磺酰脲类除草剂, 对阔叶杂草和莎草有较好的选择防除效果, 先后在多个国家登记使用^[24]。2010年, 防除禾本科作物田间禾本科杂草的除草剂恶唑酰草胺在中国获得登记, 具有较大的发展空间^[25]。除草剂的使用面积由20世纪80年代的800多万hm²发展到21世纪初的7 000多万hm^2[14], 种类也日益繁多(表1)。同时, 除草剂的种类也在不断地增加, 截至2014年, 我国登记的除草剂已经达到720种, 其中包括大约20种不同剂型^[36]。但是, 随着除草剂的广泛使用, 其引起的环境和安全问题也不断得到重视, 除草剂的发展开始向高效、广谱、环保的方向进行。国家“ 十二五” 关于农药规划指出, 环保、高效的除草剂新品种将占除草剂市场的一半以上, 在农药中除草剂占的比重将会逐渐增大, 而剧毒、高残留的除草剂市场份额由原来的5%降低到3%以下^[37]。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 常用的化学除草剂及主要适用范围 Table 1 General chemical herbicides and primary scope of application 除草剂 Herbicide 主要适用作物 Crops mainly used on 防除对象 Control targets 参考文献 Reference 四唑嘧磺隆 Azimsulfuron 水稻 Oryza glaberrima 防除稗草、阔叶杂草和莎草科杂草 Controlling Echinochloa crusgalli, broadleaf weeds and cyperaceae weeds [26] 精恶唑禾草灵 Fenoxaprop-p-ethyl 水稻 Oryza glaberrima 野燕麦、狗尾草、燕麦、稗草、马唐 Avenafatua, Setaria viridis, Avena sativa, Echinochloa crusgalli, Digitaria sanguinalis [27] 2, 4-D 2, 4-D butylate 小麦、玉米、高粱 Triticum aestivum, Zea mays, Sorghum bicolor 阔叶杂草, 莎草 Broad-leaved weeds and sedges [28] 异丙隆 Isoproturon 小麦 Triticum aestivum 防除一年生杂草 Controlling annual weeds [29] 甲草胺 Alachlor 大豆、玉米、花生、棉花 Glycine max, Zea mays, Arachis hypogaea, Gossypium hirsutum 一年生禾本科杂草和阔叶杂草 Weeds annual grasses and broadleaf weeds [30] 乙草胺 Acetochlor 玉米、大豆、棉花 Zea mays, Glycine max, Gossypium hirsutum 一年生禾本科杂草和部分阔叶杂草 Weeds annual grasses and some broadleaf weeds [30] 广灭灵 Clomazone 大豆 Glycine max 一年生禾本科和阔叶杂草 Annual grasses and broadleaf weeds [31-32] 扑草净 Prometryn 玉米、大豆、棉花 Zea mays, Glycine max, Gossypium hirsutum 防除一年生禾本科及阔叶草 Control annual grasses and broadleaf weeds [30] 莠去津 Atrazine 玉米 Zea mays 防除多种一年生禾本科和阔叶杂草 Control many annual grasses and broadleaf weeds [33] 双草醚 Bispyribac-sodium 水稻、棉花 Oryza glaberrima, Gossypium hirsutum 防除稗草和大多数阔叶杂草 Control of barnyard grass and most other broadleaf weeds [34] 草甘膦 Glyphosate 棉花 Gossypium hirsutum 一年生、多年生杂草, 灭生性除草剂 Annuals, perennial weeds, fenurontca [17-19] 甲基磺草酮 Mesotrione 玉米 Zea mays 一年生阔叶杂草与部分禾本科杂草 Annual broad-leaved weeds and some grasses [35] 噻吩磺隆 Thifensulfuron methyl 小麦、玉米 Triticum aestivum, Zea mays 防除一年生阔叶杂草 Control annual broad-leaved weeds [23] 除草醚 Nitrofen 水稻 Oryza glaberrima 可防除一年生杂草, 抑制多年生杂草 Control annual weeds, perennial weed suppression [13] 氯吡嘧磺隆 Halosulfuron-methyl 小麦、玉米、水稻 Triticum aestivum, Zea mays, Oryza glaberrima 阔叶杂草, 莎草 Broad-leaved weeds and sedges [24]

表1 常用的化学除草剂及主要适用范围 Table 1 General chemical herbicides and primary scope of application

1.2.1 影响化学除草剂效果的因素 除草剂的除草效果受多种因素的影响, 温度、湿度、降水量均会对药效的发挥产生影响^{[38, 39]}, 同时, 其效率还受制于除草剂自身的特性, 许多除草剂对杂草的防除具有选择性^[40]。除草剂的药效除了受环境因素影响外, 还受植物生长状况的影响。植物体在适宜的环境条件下, 生长较快, 代谢旺盛, 除草剂容易被吸收, 且在植株中的传输速率较快, 效果较好; 在干旱胁迫下, 气孔关闭、蒸腾速率降低, 对除草剂的吸收减少, 药效降低^[41]。此外, 适当的施药时间对作物的安全性有较大的关系, 作物处于不同的生育时期或不同的阶段, 对除草剂的敏感程度不同。如玉米对除草剂的安全期在3-5叶期间, 不在此范围内施用除草剂则容易产生药害, 影响植物的正常生长^[42]。

在药液稀释过程中, 除草剂原药在喷施药液中只占很少的一部分, 大部分是水, 其硬度、pH对除草剂的药效均有影响。水的硬度通常用水中溶解的Ca²⁺和Mg²⁺的含量来衡量, 而高硬度的水对弱酸性除草剂(特别是草甘膦)有较大影响, 如100 g· hm^-2的草甘膦在不含Ca²⁺或Mg²⁺时的防除效果可在40%以上, 而在含有500 μ g· L^-1的Ca²⁺或Mg²⁺时其对杂草的防效只有15%左右^[43]。有研究表明, 用含有400~800 mg· L^-1Ca²⁺或Mg²⁺的水稀释麦草畏(Dicamba)或2, 4-D, 其防除地肤子(Kochia scoparia)的效果降低25%~45%^{[44, 45]}。同时, pH通过影响其溶解度进而影响其药效, 在低pH条件下, 烟嘧磺隆(Nicosulfuron)的溶解度降低, 显著降低其防除马唐(Digitaria sanguinalis)的效果^[46]。

1.2.2 化学除草剂对周边生物及环境的影响 除草剂的过量使用对周边的生物群体造成负面效应。在动物方面, 草甘膦影响哺乳动物的健康及生育。例如, 孕期的雌鼠在有草甘膦的条件下生活, 则胎儿及雌鼠均会发生一些酶和大脑功能的变异, 并影响骨骼系统的发育^{[47, 48]}。即使按照推荐的剂量长期使用除草剂, 依然会使生态平衡遭到破坏, 如使用草甘膦后, 雌性害虫的比例显著大于雄性的比例^[49]。而使用2, 4-D(2, 4-dichlorophenoxyacetic acid)和甲草胺(Alacor)后, 食叶昆虫的产卵量和生存量都显著下降。莠去津影响家蚕的生长发育, 容易使其死亡, 而且这种现象伴随着莠去津使用浓度的增加而越明显, 烟嘧磺隆对家蚕也具有较大的毒性, 对其造成的死亡率超过80%^[50]。

在植物方面, 除草剂的使用会影响物种的多样性^[51]。长期依赖草甘膦防除抗草甘膦作物田间的杂草, 使杂草的种群转移到对草甘膦敏感的田间作物中^[33], 造成杂草群落的转移, 并且促进了抗草甘膦杂草的产生^[52]。又如, 莠去津的长期、大面积使用, 导致人和动物的正常发育和生育受到影响^{[53, 54]}。因此, 长期使用单一除草剂不利于农业可持续发展和生态农业建设。除草剂施用后, 真正发挥作用的只占施用量的一小部分, 而大部分药剂都进入了土壤、水体和空气^[55], 对环境造成严重的污染。过量使用除草剂对环境造成的危害日益严重^[56], 如造成的土壤板结、地下水污染影响土壤中微生物的分布等^{[57, 58]}。化学除草剂的单一使用面临着环境、安全等各方面的压力, 以复混后较为环保、高效的优势取代之前单一使用的剧毒、高污染是其发展的必要趋势^[59]。

相对于化学除草剂, 生物除草剂的发展及应用较为缓慢^[62]。目前, 用于生物除草剂研制的真菌病原菌有壳单孢菌属(Ascochyta)、疫霉属(Phytophthora)、交链孢菌属(Alternaria)等^[63-64]; 细菌病原菌有无色杆菌属(Achranobacter)、柠檬酸细菌属(Citromyces)、产盐杆菌属(Alcalligenes)等^{[11, 64]}; 放线菌型生物除草剂则主要从土壤中分离获得^[65], 主要有野村菌属(Cordyceps)、链孢囊菌属(Streptospor angtum)、糖多孢菌属(Saccharopolyspora)等^[11]。这些不同来源的微生物为生物除草剂的进一步发展提供了空间。

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。此外, 利用胶孢炭疽菌菟丝子专化型(Colletotrichum gloeosporioides Sacc. f. sp. cuseutae)防治大豆田间菟丝子(Cuscuta chinensis), 也取得了成功^[66-67]。20世纪70年代末期, 王之樾等从罹病的列当(Orobanche cumana)中分离出镰刀菌(Fusarium orobanche), 并将其制成“ F798” 菌剂, 对列当有较好防效^[68]。21世纪初期, 袁树忠等从罹病的空心莲子草(Alternanthera philoxeroides)中分离得到镰孢菌属, 可有效防除喜旱莲子草和藜(Chenopodium album)^[69-70]; 强胜等^[71-73]研究发现, 链格孢菌(Alternaria alternata)可防除紫茎泽兰(Eupatorium adenophorum); 齐整小核菌(Sclerotium rolfsii)能有效防除加拿大一枝黄花(Solidago canadensis); 张剑等^[74]发现小孢拟盘多毛孢(Pestalotiopsis microspora)对狗尾草(Setaria viridis)、播娘蒿(Descurainia sophia)等杂草有显著的防除效果(表2)。

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 用于生物除草剂研究的病原真菌及其防治对象 Table 2 The herbicides used in biological research on microorganism and its targets 微生物种类 Microbial species 主要适用作物 Cropsmainly used on 主要防除对象 The primary targets 参考文献 Reference 镰刀菌属 Fusarium 西瓜 Citrullus lanatus 喜旱莲子草 Alternanthera philoxeroides [60] 胶孢炭疽菌 Colletotrichum golgeasporiodes 大豆 Glycine max 菟丝子 Cuscuta chinensis [58-59] 链格孢菌 Alternaria alternata 水稻、玉米 Oryza glaberrima, Zea mays 紫茎泽兰 Eupatorium adenophorum [63-64] 小孢拟盘多毛孢 Pestalotiopsis microspora 玉米、棉花 Zea mays, Gossypium hirsutum 马唐、狗尾草、播娘蒿等 Digitaria sanguinalis, Setariaviridis, Descurainia sophia , etc. [74] 画眉草弯孢霉 Curvularia eragrostidis 水稻、玉米 Oryza glaberrima, Zea mays 稗草Echinochloa crusgalli [78] 马唐黑粉菌 Ustilago syntherismae 水稻、玉米 Oryza glaberrima, Zea mays 马唐Digitaria sanguinalis [78] 内脐蠕孢菌 Drechslera gigantea 小麦、玉米、番茄等 Triticum aestivum, Zea mays, Lycopersicon esculentum, etc 马唐、蒺藜草、金色狗尾草 Digitaria sanguinalis, Cenchrus echinatus, Setaria glauca, etc. [80] 突脐蠕孢菌 Exserohilum longirostratum 小麦、玉米、番茄等 Triticum aestivum, Zea mays, Lycopersicon esculentum, etc 马唐、蒺藜草、金色狗尾草等 Digitaria sanguinalis, Cenchrus echinatus, Setaria glauca, etc. [80] 嘴突凸脐蠕孢菌 Exserohilum rostratum 小麦、玉米、番茄等 Triticum aestivum, Zea mays, Lycopersicon esculentum, etc 马唐、蒺藜草、金色狗尾草 Digitaria sanguinalis, Cenchrus echinatus, Setaria glauca, etc. [80]

表2 用于生物除草剂研究的病原真菌及其防治对象 Table 2 The herbicides used in biological research on microorganism and its targets

在国外, 20世纪80年代初期, 美国Abbott实验室发现, 疫霉属中的棕榈疫霉(Phytophthora palmivora)可防除莫伦藤(Morrenia odorata)等杂草^{[75, 76]}。马唐作为典型的恶性杂草之一, 具有极强的生命力, 其须根和芽的断节在适宜条件下均能长成完整植株^[77]。21世纪初, 美国路易斯安那理工大学采用分离杂草致病菌种的方式, 从患病马唐植株中分离出的居间弯孢霉(Curvularia intermedia)对马唐有特异防除作用, 以及之前报道的马唐黑粉菌(Ustilagosynth erismae)、画眉草弯孢霉(Curvularia eragrostidis)都可以作为马唐和稗草的生物防除剂^[78]。同时, 画眉草弯孢霉也可作为大豆、棉花等作物的田间生物除草剂^[79]。佛罗里达大学从马唐、龙爪茅(Dactyloctenium aegyptium)和石矛(Sorghum halepense)中分离的内脐蠕孢菌(Drechslera gigantea)、突脐蠕孢菌(Exserohilum longirostratum)和嘴突凸脐蠕孢菌(Exserohilum rostratum)3种病原菌按一定比例混合, 可以对马唐、蒺藜草(Cenchrus echinatus)、金色狗尾草(Setaria glauca)等7种杂草具有较好的防除效果, 并且不会对其他作物产生不利影响^[80](表2)。

除了传统的以微生物为主导的生物除草剂外, 加拿大还研发了以病毒为主的除草剂SolviNix^® LC, 美国也在2014年登记了病毒型除草剂^[60]。虽然突破了人们对传统生物除草剂的认识, 但是由于该类除草剂对环境要求高、专一性较强等局限性而暂时未能得到广泛应用^[60]。生物除草剂的发展相对于其他生物药剂较为缓慢, 2014年到2016年全球每年均登记上市40多种农药, 其中生物药剂分别占有1/2到1/3, 但是主要以杀虫剂和杀菌剂为主, 没有生物除草剂^{[31, 81, 82]}。

生物除草剂的许多自身特点, 成为其发展的重要制约因素^[60]。首先, 与化学除草剂相比, 生物除草剂作为活体的药剂, 对植物的侵染需要较长时间, 并且其潜伏期长、寄主相对单一、致死时间较长, 不能达到使用者所期盼的“ 药到草除” 的效果^[32]。其次, 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^[83]。最后, 农药相关政策的不完善使生物除草剂发展相对滞后。

研究表明, 化肥对生物除草剂的除草效果有影响。巨腔茎点霉(Phoma macrostoma)作为防止阔叶杂草的一种生物除草剂^[84], 当与硫酸钾混合使用时, 其药效显著降低^[85]。此外, 环境中的相对湿度对生物除草剂中病原菌的侵入和再侵染能力也有影响, 使防除效果降低^[86]。温度也会影响病原菌侵入后的发病速率, 一般而言, 在一定温度范围内, 温度高发病速率较快^[87]。总之, 生物除草剂的除草效果受到多种因素的影响, 导致生物除草剂在市场上的占有程度相对较低^[88]。

目前, 除草剂的复混使用已经取得了一定成果。南亚水稻旱播生产中, 面临着严重的杂草威胁。通过除草剂混配使用, 如四唑嘧磺隆加精恶唑禾草灵或四唑嘧磺隆加双草醚加精恶唑禾草灵, 可有效提高除草效果、延缓拮抗作用的产生^[34]。在小麦生产大国印度, 阔叶草严重影响着小麦的生产, 导致产量下降, 通过精恶唑禾草灵加2, 4-D或精恶唑禾草灵加异丙隆, 可显著抑制杂草生长^[1]。在大豆生产中, 咪唑乙烟酸 (Imazethapyr)与苯嘧磺草胺(Saflufenacil)和噻吩草胺(Dimethenamid-p)混合后, 除草效果和大豆产量都有明显提高, 并减少了单一除草剂的用量^[89]。莠去津作为玉米生产中经常使用的除草剂, 对玉米田中杂草的防除效果显著, 但其在作物上的残留时期较长。当其与酰胺类除草剂, 如与甲草胺、乙草胺等混配使用可适当减少莠去津的使用量, 以达到降低残留的目的^[90]。因此, 除草剂的混配使用在生产中具有重要地位。

在玉米和大豆间、套、轮作种植区域中, 通过不同除草剂混用, 可以达到在两种作物均存在的条件下除草的目的, 且对作物的伤害降到最低。在玉米-大豆带状种植模式下, 60%的乙· 嗪· 滴丁酯对大豆的生长有抑制作用, 而48%的灭草松效果不理想, 将二者复混使用, 不仅避免了负面的影响, 而且使大豆和玉米的产量分别增加39.7%和33.4%^[91]。大豆田间广泛使用的除草剂是乙草胺与广灭灵, 玉米田间使用的除草剂主要是乙草胺与莠去津; 而广灭灵和莠去津分别对玉米和大豆产生严重的药害^{[92, 93]}。研究发现, 大豆和玉米田间复混使用的除草剂有乙草胺和扑草净(Prometryn)等, 每公顷施用50%的乙草胺2.5 kg与25%的扑草净5.0 kg混配后效果最佳^[94]。同时有研究表明, 96%的精· 异丙甲草胺(S-metolachlor)乳油和50%扑草净可湿性粉剂分别在1 500 mL· hm^-2和1 500 g· hm^-2时, 对杂草的株防效和鲜重防效在90%以上; 但当其复混使用时, 达到相同的效果分别仅需96%的精· 异丙甲草胺乳油和50%扑草净可湿性粉剂1 125 mL· hm^-2和375 g· hm^-2, 显著降低了单一除草剂的用量, 减轻了杂草抗性的产生和其对环境造成的污染^[95]。2015年袁伟等^[96]研究表明, 8%炔草酯(Clodinafop-propargyl)1 200 mL· hm^-2与使它隆(Fluroxypyr)900 mL· hm^-2复混使用处理25 d后, 对禾本科杂草和阔叶杂草的防除效果明显高于其单一使用, 且均达到100%。

除草剂的复混使用在农业生产中发挥着重要的作用。首先, 除草剂的复混使用不仅显著提高了防除效果和杀草谱, 而且复混时的用量较单一使用时有所减少^{[96, 97]}。其次, 除草剂复混使用降低了其对环境的负面影响; 同时, 除草剂复混使用时, 单一除草剂的用量减少, 在一定程度上延缓了杂草抗性的产生, 增加了作物产量, 且降低了农药的残留^[89]。最后, 降低了除草剂对周边生物种群结构及分布的影响。因此, 除草剂的复混使用是目前除草剂高效、环保的利用方式, 对农业的可持续发展有重要的作用。

除草剂的复混使用促进了农业的绿色健康发展, 但是在除草剂的使用过程中, 助剂与除草剂复混也会对除草剂的药效有较大的影响。选择合适的除草剂与助剂复混, 可以使除草剂最大限度的发挥作用、减少用药量, 并能减少对环境的污染和生产的投入, 如单一使用稀禾定(Sethoxydim)110 d后对偃麦草(Elytrigiarepens)的防除效果为87%, 当其与不同的助剂混合使用后的防效显著提高, 最高可以达到99%^[98]。助剂的添加还能有效地防止不同配方除草剂复混而导致的药效降低。研究表明, 不同类型的除草剂复混以后其无机盐离子会发生交换反应, 使原有的药效丧失或衰减^[99]。通过采用添加适宜助剂的方法使除草剂能够保持原有的功效, 如苯达松的钠盐与稀禾啶的铵盐复混使用时, 钠离子与铵根离子发生离子间交换生成基本无效的稀禾啶钠盐, 加入BCG815助剂能有效降低交换量^[98]。在生物除草剂中添加助剂, 为微生物提供相对湿润的环境, 提高其活性, 使其在不利的环境条件下生存, 并成功地侵染植物组织^[100]。

在除草剂喷施的过程中, 由于叶面上的蜡质层和绒毛的存在, 经常伴随着药液分布不均匀, 影响除草效果。如果加入适量的油类助剂能够提高药滴在叶面上的附着程度, 降低表面张力和接触角, 最大限度发挥药效^[101]。农业生产中, 助剂并不是单一的使用, 而是采用多种助剂相结合的方式使用。助剂虽然能使除草剂达到增效降污的效果, 但不同的助剂之间也存在协同或拮抗作用^[102]。与化学除草剂相比, 生物除草剂助剂的选择应更加严格。生物除草剂中有效成分是活的微生物个体, 与各种助剂之间的兼容能力较差, 因此, 生物除草剂助剂的研发需要密切结合微生物的生活习性。