從雜草說起

      “鋤禾日當(dāng)午，汗滴禾下土。”在烈日下彎腰鋤草的農(nóng)夫，是表現(xiàn)農(nóng)事勞作之艱辛的永恒形象。幾千年來，農(nóng)田雜草一直是困擾農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、影響作物產(chǎn)量的頑敵。宋詩(shī)《種稗嘆》有云：“稻苗欲秀稗先出，拔稗飼牛惟恐遲”，寫出了農(nóng)民對(duì)稗草的厭惡之情，而稗草直到今天仍是稻田主要雜草之一。

《憫農(nóng)》的詩(shī)歌形象（圖片來源：https://www.gushixuexi.com/）

      農(nóng)田雜草種類很多，與人類馴化并栽培了幾千年的作物相比，它們可謂“野性十足”——生命力旺盛、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、繁殖力高。雜草與作物競(jìng)爭(zhēng)水、肥、光照及生長(zhǎng)空間，阻礙機(jī)械播種和收獲，還能攜帶病菌和害蟲。如果農(nóng)田雜草控制不好，很可能出現(xiàn)“草盛豆苗稀”的慘狀，作物收成將大打折扣。

雜草茂盛的玉米田（供圖：黃紅娟）

      1895年，法國(guó)人觀察到從葡萄藤蔓上滴落的硫酸銅噴劑能殺滅一些雜草，這一偶然發(fā)現(xiàn)成為農(nóng)田化學(xué)除草的開端。一百多年來，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和化學(xué)工業(yè)的發(fā)展，化學(xué)除草劑產(chǎn)品不斷推陳出新，更加注重提高除草效率，降低對(duì)作物、人畜和環(huán)境的毒性，提高選擇性或擴(kuò)大殺滅譜。當(dāng)前全世界生產(chǎn)的除草劑達(dá)300種以上。

      農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不可或缺

      使用除草劑防除雜草便捷、高效，大大減少人工成本，深受廣大農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者歡迎。早在1956年，我國(guó)黑龍江農(nóng)墾就開始在小麥田試驗(yàn)除草劑。上世紀(jì)80年代起，幾種重要的除草劑實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化生產(chǎn)并大面積推廣應(yīng)用，引發(fā)了耕作制度變革。如今，我國(guó)農(nóng)田雜草防控早已從“人力時(shí)代”進(jìn)入以除草劑為主的“化學(xué)時(shí)代”，玉米、水稻、小麥、大豆等主要作物除草劑應(yīng)用面積率均達(dá)100%，“鋤禾日當(dāng)午”的場(chǎng)景已難得一見。

      我國(guó)田園雜草有1400多種，嚴(yán)重危害的130余種（參考文獻(xiàn)2）。不同地域、不同作物或不同季節(jié)，農(nóng)田雜草種類各不相同。據(jù)全國(guó)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣服務(wù)中心統(tǒng)計(jì)，2017年我國(guó)雜草發(fā)生面積0.92億公頃次，防治面積1.04億公頃次，挽回糧食損失0.27億噸，而雜草導(dǎo)致的平均減產(chǎn)仍有9.7%（參考文獻(xiàn)2）。

      我國(guó)除草劑用量逐年遞增，2021 年，在全國(guó)種植業(yè)中使用的、按照有效成分折算的24.8萬(wàn)噸農(nóng)藥中，除草劑占40%以上（參考文獻(xiàn)2）。除草劑已超過殺蟲劑、殺菌劑，成為農(nóng)藥用量之首，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中不可或缺的投入品。

不同種類的除草劑產(chǎn)品

      除草劑如何除草？

      所謂雜草，不過是長(zhǎng)錯(cuò)了地方的植物。它們有些甚至是作物的近親，在外觀上和作物很相像，如小麥與節(jié)節(jié)麥、水稻與稗草。那么問題來了，面對(duì)作物與雜草，如何防止除草劑不辨“敵我”？針對(duì)這個(gè)關(guān)鍵問題，人們有幾種聰明的辦法——

      一種辦法是在作物播種前或出苗前用除草劑處理土壤，殺死剛剛出土的雜草幼苗，這是打了個(gè)“時(shí)間差”。雜草和作物通常屬于不同的植物門類，這使得人們能針對(duì)二者的差異，研發(fā)出具有選擇性的除草劑。對(duì)于殺滅譜廣而選擇性不強(qiáng)的除草劑，或?qū)τ谂c作物屬于同一門類的雜草，則需要仔細(xì)選擇用藥品種和施藥時(shí)間，并將用量嚴(yán)格控制在對(duì)作物安全的范圍內(nèi)。此外，還可以培育能耐受除草劑的作物品種，使它們自帶“防毒”技能。這些方法說來輕巧，但無(wú)一不蘊(yùn)含著許多科學(xué)問題與技術(shù)難題，是科技人員攻關(guān)的熱點(diǎn)。

麥田里生長(zhǎng)的雜草“節(jié)節(jié)麥”（供圖：黃紅娟）

      除草劑類似于雜草的“毒藥”，光看名稱就能感受到幾分“殺氣”，如：百草枯、麥草畏、敵草快、滅草松、撲草凈……它們能極其有效地干擾植物代謝途徑中的各種酶類，破壞重要的細(xì)胞結(jié)構(gòu)與生命活動(dòng)，讓雜草殞命。讓我們來了解一下除草劑的“武功秘笈”——

      一些除草劑能抑制光合作用。大家知道，光合作用是植物生命的根本，植物依靠光合作用將太陽(yáng)光轉(zhuǎn)化為自身所需的糖類等營(yíng)養(yǎng)成分。除草劑能阻礙參與光合作用的色素，如類胡蘿卜素合成，令雜草患上“白化病”，還能阻斷光合作用的關(guān)鍵步驟，使雜草難以維生。

      一些除草劑能抑制呼吸作用。呼吸作用是植物的重要生命活動(dòng)，為自身提供能量，維持正常生理代謝過程。除草劑能抑制呼吸作用的關(guān)鍵步驟，使細(xì)胞不能產(chǎn)生足夠能量，生命無(wú)以為繼。

      一些除草劑能抑制重要的功能物質(zhì)合成。例如通過抑制脂肪酸合成，破壞植物細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)，使細(xì)胞不能正常生長(zhǎng)和分裂。通過抑制一些重要的氨基酸合成，影響植物產(chǎn)生蛋白質(zhì)和次生代謝產(chǎn)物，干擾重要的生理生化過程。還有一些除草劑能抑制纖維素、維生素等關(guān)鍵物質(zhì)合成，導(dǎo)致雜草死亡。

      除草劑還可以是生長(zhǎng)抑制劑，通過干擾生長(zhǎng)激素代謝或轉(zhuǎn)運(yùn)，使植物體內(nèi)激素含量和比例發(fā)生改變，導(dǎo)致細(xì)胞不能正常生長(zhǎng)和發(fā)育，產(chǎn)生扭曲和畸形，最終死亡。

      可見除草劑家族雖屬于不同的功夫門派，卻都能直擊要害，招招斃命。

麥田里的雜草蓋過了麥苗

      抗性問題不容忽視

      正如抗生素濫用能產(chǎn)生耐藥的“超級(jí)細(xì)菌”，單一類型除草劑持續(xù)大量使用，雜草也有可能進(jìn)化出對(duì)除草劑的抗性，成為“超級(jí)雜草”。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前全球已有272種雜草對(duì)168種除草劑產(chǎn)生了抗性（ www.weedscience.org），成為除草劑應(yīng)用面臨的一大挑戰(zhàn)。

      為防治抗性雜草或難治雜草，農(nóng)民不得不加大除草劑用量，這進(jìn)一步增加了對(duì)雜草抗性的選擇壓力，結(jié)果可能產(chǎn)生更多種類、更強(qiáng)抗藥性的超級(jí)雜草，形成惡性循環(huán)。我國(guó)20世紀(jì)90年代以前鮮有雜草抗藥性報(bào)道，而隨著除草劑的廣泛使用，雜草抗藥性發(fā)展迅速，目前已成為世界上雜草抗性危害最為嚴(yán)重的國(guó)家之一，尤以麥田和稻田中的抗性雜草問題最為突出。

稻田里生長(zhǎng)的稗草（供圖：黃紅娟）

      俗話說“見招拆招”，面對(duì)不同種類的“毒藥”，雜草能施展出許多巧妙的本領(lǐng)以抵抗傷害。除草劑作用的蛋白基因被稱為“靶基因”，雜草中的靶基因會(huì)發(fā)生突變，導(dǎo)致除草劑對(duì)靶蛋白結(jié)合活性下降甚至無(wú)法結(jié)合，“毒藥”就會(huì)失靈。此外，雜草還能使靶基因大量復(fù)制或過量表達(dá)，以克服除草劑毒性。

      抗性雜草能減少除草劑向體內(nèi)滲透和運(yùn)輸，或通過主動(dòng)運(yùn)輸將除草劑轉(zhuǎn)移到“安全地點(diǎn)”（如液泡中）或細(xì)胞外，還能進(jìn)化出“解毒”能力，將除草劑降解為低毒或無(wú)毒的物質(zhì)。還有一些雜草，接觸過除草劑的葉片迅速枯萎死亡，使得除草劑無(wú)法轉(zhuǎn)移到其他部位，不影響整體生長(zhǎng)。

雜草對(duì)除草劑產(chǎn)生抗性的主要方式

      抗藥性雜草不僅造成作物減產(chǎn)，也是除草劑超量使用的原因之一。因此，應(yīng)當(dāng)精準(zhǔn)選擇除草劑種類和防治時(shí)期，輪換使用不同作用機(jī)制的除草劑，發(fā)展除草劑減量與替代技術(shù)，盡可能延緩雜草抗性發(fā)展，延長(zhǎng)除草劑的壽命。同時(shí)，有必要深入研究雜草抗性機(jī)理，加強(qiáng)抗性發(fā)生監(jiān)測(cè)，最大程度發(fā)揮除草劑的防治效果。

      避免藥害

      當(dāng)除草劑用量或用法不當(dāng)，或遇到不利的天氣、環(huán)境條件與土壤狀況，作物接受的除草劑劑量超過了其耐受范圍，生長(zhǎng)就會(huì)受到傷害，術(shù)語(yǔ)稱發(fā)生了“藥害”。噴施除草劑田塊的作物、鄰近作物或后茬作物都可能發(fā)生藥害，其癥狀包括畸形、褪綠、壞死、落葉、矮化、生育期延遲、產(chǎn)量降低等。有的除草劑在土壤中能夠殘留2年以上，必須選擇對(duì)除草劑不敏感的后茬作物。當(dāng)前我國(guó)除草劑藥害頻發(fā)，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中需要高度關(guān)注的問題。

除草劑使用不當(dāng)導(dǎo)致作物褪綠（供圖：黃紅娟）

      過量使用除草劑，不僅增加生產(chǎn)成本，產(chǎn)生藥害，還會(huì)降低植物多樣性，造成環(huán)境污染和生態(tài)損害。過度依賴化學(xué)除草的弊端逐漸凸顯，為人們敲響了警鐘。

      出色的耐除草劑作物

      硬幣有兩面，除草劑也不例外。一面是對(duì)提高除草能力的需求，另一面則是對(duì)作物產(chǎn)生藥害的風(fēng)險(xiǎn)。如果有強(qiáng)力的除草劑，再配合不怕除草劑的作物，是不是就能走出這條“無(wú)間道”？——于是草甘膦/草銨膦加耐除草劑作物這對(duì)“黃金搭檔”誕生了。

      草甘膦和草銨膦堪稱除草劑界的“尖子生”，它們殺草譜廣，在土壤中易降解，無(wú)殘留無(wú)污染，對(duì)人和哺乳動(dòng)物低毒，使用后雜草不易產(chǎn)生抗性，而且使用方便、價(jià)格便宜，對(duì)難治雜草防除效果理想。然而它們強(qiáng)大到幾乎“一切通吃”，既能殺死雜草也能殺死作物，要想在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中使用，必須配合耐受除草劑的作物新品種。

草甘膦和草銨膦的分子結(jié)構(gòu)（圖片來源：百度百科）

      科學(xué)家首先從自然界中篩選到天生能耐受草甘膦或草銨膦的微生物及植物，從中分離獲得不敏感的靶基因，再將這些特別的基因?qū)胱魑铮湍芘嘤瞿褪艹輨┑?a href="http://m.gowu797.com/" target="_blank">轉(zhuǎn)基因作物。

      截至2022年，全球轉(zhuǎn)基因作物種植面積超過2億公頃，其中88%的轉(zhuǎn)基因作物含有耐除草劑基因（參考文獻(xiàn)3）。隨著轉(zhuǎn)基因作物種植面積不斷擴(kuò)大，草甘膦和草銨膦也成為全球銷售量最大、使用面積最廣的除草劑。種植耐除草劑作物顯著簡(jiǎn)化了除草流程、降低了生產(chǎn)成本、守護(hù)了農(nóng)田收成，是轉(zhuǎn)基因作物研究和應(yīng)用的成功典范。

      除草劑雖好，但要想用好它，往往面臨著除草效果、藥害、雜草抗性等多重因素相互制約的選擇困境。道阻且長(zhǎng)，只有不斷創(chuàng)新除草劑產(chǎn)品并完善其應(yīng)用技術(shù)，才有望突破困境，走出一條高效、安全、生態(tài)的科技除草之路。

      文章來源于田邊的小蘿，作者，田邊的小蘿

      感謝中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所雜草創(chuàng)新任務(wù)提供學(xué)術(shù)指導(dǎo)

      參考文獻(xiàn)：

      1.吳文君，羅萬(wàn)春，農(nóng)藥學(xué)（第二版），中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社，2020

      2.李香菊，近年我國(guó)農(nóng)田雜草防控中的突出問題與治理對(duì)策，植物保護(hù)，2018，44（5）：77-84　

      3.李香菊，我國(guó)耐除草劑轉(zhuǎn)基因作物研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用前景，植物保護(hù)，2023，49（5）：316-324　　

      4.張玲玲，徐凡，李嘉文，等，雜草對(duì)除草劑抗性機(jī)理研究進(jìn)展，農(nóng)藥學(xué)學(xué)報(bào)，doi：10.16801/j.issn.1008-7303.2024.0043