張 慧,肖 輝,周 濱,馬 喆,邢美楠,陳 晨,劉紅磊*
(1.天津市農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所,天津 300384; 2.天津市生態(tài)環(huán)境科學(xué)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(chǎn)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(hù)動(dòng)物棲息地等生態(tài)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(dá)州引入矮型互花米草[3],主旨是保灘護(hù)堤。但是,互花米草具有極強(qiáng)的耐鹽、耐淹和繁殖能力,其擴(kuò)張和定居速度超出了控制[2,4-7],其入侵領(lǐng)域北起遼寧省,南達(dá)廣西壯族自治區(qū)的北海,覆蓋了除海南島、臺(tái)灣島之外的全部沿海地區(qū)[4,7-10]。2003年,中國國家環(huán)??偩趾椭袊茖W(xué)院聯(lián)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(yán)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(dāng)?shù)厣锒鄻有韵陆?,同時(shí)帶來了航道堵塞、水質(zhì)劣化、灘涂荒廢等問題[13]。2006年通過生態(tài)經(jīng)濟(jì)損失評(píng)估體系發(fā)現(xiàn),互花米草對(duì)福建省造成的總損失為15.89億元,其中,經(jīng)濟(jì)效益損失為8.13億元,生態(tài)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(tài)系統(tǒng)損失[15]。隨著互花米草在我國東部沿海灘涂的不斷擴(kuò)張,對(duì)互花米草進(jìn)行除控已經(jīng)成為保護(hù)灘涂濕地生態(tài)功能與服務(wù)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(xué)防治等方法。物理防治是指應(yīng)用人力或機(jī)械裝置來控制互花米草的生長,如拔除幼苗、連續(xù)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(fèi)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?xí)性俅螏砦锓N入侵的可能[17]?;瘜W(xué)防治法是應(yīng)用各種藥物來消除外來入侵種,對(duì)藥劑的專一性、劑量以及施藥時(shí)間具有更精細(xì)的要求,尤其應(yīng)當(dāng)避免因藥劑不合理使用而殺滅本地其他非目標(biāo)物種。同時(shí),除控劑的效果也會(huì)受到風(fēng)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(shí)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(xué)方法具有見效快、費(fèi)用低、人力需求低等特點(diǎn)[13]。
探索有效的互花米草化學(xué)防治技術(shù)對(duì)保護(hù)我國海灘生態(tài)環(huán)境、加強(qiáng)濱海濕地的生態(tài)服務(wù)功能具有十分重要的意義。由于化學(xué)藥劑在不同地區(qū)、不同時(shí)間對(duì)互花米草除控效果差異很大,因此,本研究在借鑒現(xiàn)有互花米草除控產(chǎn)品的基礎(chǔ)上,通過盆栽試驗(yàn),篩選適宜的除草劑用量和復(fù)配效果,通過大田試驗(yàn)驗(yàn)證除控效果,并評(píng)價(jià)其生態(tài)安全性,為濱海濕地的生物多樣性保育和生態(tài)服務(wù)功能提升提供技術(shù)支撐。
盆栽試驗(yàn)在北大港農(nóng)場(chǎng)的溫室里進(jìn)行。大田試驗(yàn)在北大港濕地的濱海灘涂進(jìn)行(38°47′N,117°35′E),該區(qū)域?yàn)楹拥[粘土為主的鹽堿地。該區(qū)域?qū)儆跍貛Т箨懠撅L(fēng)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(qū)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(yōu)勢(shì)種。
依據(jù)已有研究效果且本地市場(chǎng)上容易購買等原則,選取了草甘膦和草胺磷2種農(nóng)藥,具體為43%草甘膦異丙胺鹽水劑(先正達(dá)南通作物保護(hù)有限公司產(chǎn)品)、200 g/L草銨膦水劑(僑昌現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)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(shè)計(jì)完全組合實(shí)驗(yàn),并設(shè)不施藥組為對(duì)照組,共16個(gè)處理組,每個(gè)處理組3次重復(fù)(表1)。
表1 草甘膦、草銨膦單用和復(fù)配盆栽試驗(yàn)設(shè)計(jì)Tab. 1 Single and compound pot experiment design of the effects of glyphosate and glufosinate on Spartina alterniflora
續(xù)表
溫室盆栽試驗(yàn)在天津市北大港試驗(yàn)基地的溫室進(jìn)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(fù)3次。幼苗長至35 cm時(shí)(3葉1心)),按試驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)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(diào)查根死亡情況。試驗(yàn)于2019年4月26日栽植互花米草;5月27日噴施農(nóng)藥;6月28日采用計(jì)數(shù)法調(diào)查除草效果,并采集地上植株,用烘干法測(cè)定生物量。計(jì)算互花米草死亡率與農(nóng)藥用量間的數(shù)量關(guān)系,確定死亡率在90%時(shí),草甘膦和草銨膦用藥量。
在天津北大港濕地選取1塊互花米草長勢(shì)均勻的灘涂。依據(jù)盆栽試驗(yàn)結(jié)果建立草甘膦、草銨膦用量與死亡率的關(guān)系,以死亡率為90%時(shí),草甘膦和草銨膦的濃度布置大田試驗(yàn),設(shè)置草甘膦+草銨膦2種除草劑復(fù)配組合,助劑為有機(jī)硅,并設(shè)不施藥對(duì)照,共3個(gè)處理,每個(gè)處理小區(qū)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(yàn)設(shè)計(jì)(表2)進(jìn)行葉面施藥,分別在第30天、60天調(diào)查死亡情況。施藥后第60天測(cè)定植物地上生物量、株高。
表2 互花米草大田除控試驗(yàn)設(shè)計(jì)Tab. 2 Field experimental design of the control effect of glyphosate and glufosinate on Spartina alterniflora
互花米草生長于海岸灘涂,海岸向海的方向地勢(shì)越來越低,根據(jù)漲潮時(shí)淹水的深度不同,設(shè)置了3個(gè)淹水深度。漲潮時(shí),噴灑在葉面的農(nóng)藥隨海水反復(fù)沖刷部分進(jìn)入海水,進(jìn)而對(duì)生物產(chǎn)生不定影響,因此通過模擬海水深度和農(nóng)藥實(shí)際使用情況設(shè)計(jì)了模擬實(shí)驗(yàn),探討不同淹水條件下農(nóng)藥對(duì)本地生物的影響。
供試生物為當(dāng)?shù)氐膬?yōu)勢(shì)種或常見物種白蛤(Mactraveneriformis)、青蛤(Cyclinasinensis)。設(shè)不施藥對(duì)照(水層深度0 cm),模擬海水水層3個(gè)深度20、50、100 cm,共計(jì)4個(gè)處理組(表3)。每個(gè)處理組放置白蛤、青蛤各50只,共計(jì)8口魚池(0.8 m×0.2 m×0.3 m)。按農(nóng)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(yàn)結(jié)束后采集生物樣本測(cè)定農(nóng)藥殘留及富集情況。生物富集系數(shù)(BCF)由下式計(jì)算:
表3 底棲生物安全性試驗(yàn)設(shè)計(jì)Tab. 3 Experimental design of benthic safety evaluation
(1)
式(1)中:H1為生物體內(nèi)農(nóng)藥含量,H2為水體中農(nóng)藥含量;BCF≤10為低富集,10
農(nóng)藥殘留測(cè)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(zhuǎn)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(jī)內(nèi),9 000 r/min離心10 min。移取上清液1 mL于另一個(gè)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(zhì)聯(lián)用儀上機(jī)測(cè)定。
數(shù)據(jù)處理采用R 3.5.1 (R Development Core Team)的 “Agricolae” 和 “Stats”數(shù)據(jù)包進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,圖表采用Sigmaplot 12.5 (Systat Software, Inc.)繪制。
盆栽試驗(yàn)中除草劑對(duì)互花米草死亡率和生物量的影響結(jié)果見圖1。除草劑復(fù)配的效果要好于單獨(dú)使用,其中,復(fù)配處理中的T7、T8、T9、T10、T11、T12、T13、T14、T15處理組與對(duì)照組差異顯著(p<0.05),死亡率分別達(dá)到26%、32%、40%、27%、48%、56%、51%、68%及89%,而對(duì)照組的死亡率僅為2%;與對(duì)照組相比,復(fù)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(dú)使用的T1至T6處理組,與對(duì)照組的死亡率無顯著差異,其中T6單獨(dú)處理組的死亡率最高為23%,與復(fù)配處理組相比,效果顯然不足。
圖1 盆栽試驗(yàn)中除草劑對(duì)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(duì)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(fù)配使用處理組T7-T15。
草甘膦、草銨膦單獨(dú)使用及其復(fù)配使用均顯著降低了互花米草的生物量(p<0.05),且復(fù)配效果好于單獨(dú)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(fù)配對(duì)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(duì)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(fù)配,該組的植物生物量為141.53 g,與對(duì)照組相比降低了62%。
以上結(jié)果表明,從死亡率和植物生物量2個(gè)指標(biāo)來看,草甘膦和草銨膦的復(fù)配效果明顯好于單獨(dú)使用,并且2種除草劑的用量越高,兩者的復(fù)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(fù)配組合(7 875+13 500 mL/hm2)的T15處理組。
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(jìn)行回歸分析,建立的數(shù)量關(guān)系如下:
Y=0.24X1+0.23X2-15.12
(2)
假設(shè)互花米草死亡率為90%時(shí),草甘膦與草銨膦之間用量關(guān)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(yīng)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(guān)系。當(dāng)死亡率為90%時(shí),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(yīng)用于下一步大田復(fù)配試驗(yàn)中。
施藥后第30天調(diào)查發(fā)現(xiàn),對(duì)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(duì)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(duì)照組的死亡率依然為0,與對(duì)照組差異顯著(p<0.05)。
除草劑復(fù)配DT2處理組對(duì)互花米草株高的影響顯著(p< 0.05),2個(gè)處理組均降低了互花米草株高,對(duì)照組的株高為132.80 cm,DT1、DT2處理組分別為123.00、91.00 cm。與對(duì)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(duì)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(duì)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(yàn)結(jié)果表明,除草劑復(fù)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(fù)配處理組為草甘膦9 450 mL/hm2、草銨膦13 500 mL/hm2的DT2處理組。
通過對(duì)白蛤、青蛤96 h的培養(yǎng)觀察發(fā)現(xiàn),各處理?xiàng)l件下白蛤、青蛤死亡數(shù)為0,說明該濃度下草甘膦、草銨膦對(duì)本土底棲生物影響很小。在生物體內(nèi)的積累試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),經(jīng)過96 h不間斷藥液培養(yǎng)后,白蛤、青蛤體內(nèi)均出現(xiàn)不同程度的農(nóng)藥殘留(表4),且藥液濃度越高體內(nèi)殘留量越多。草甘膦與草銨膦復(fù)合情況下,白蛤體內(nèi)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(nèi)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(nèi)的農(nóng)藥殘留量均要低于青蛤,即在S1、S2、S3模擬培養(yǎng)條件下,青蛤比白蛤體內(nèi)的殘留量提高了183%、274%和104%。從2種農(nóng)藥的4 d富集系數(shù)(表5)看,草甘膦對(duì)白蛤和青蛤均表現(xiàn)為低富集農(nóng)藥,草銨膦盡管表現(xiàn)為高富集農(nóng)藥,但體內(nèi)殘留量低。青蛤與白蛤相比,青蛤富集系數(shù)高于白蛤。
表4 白蛤、青蛤體內(nèi)農(nóng)藥殘留量Tab. 4 Pesticide residues in mollusks of Mactra veneriformis and Cyclina sinensis
表5 白蛤、青蛤的農(nóng)藥生物富集系數(shù)Tab. 5 Pesticide bioenrichment coefficient of mollusks of Mactra veneriformis and Cyclina sinensis
分析底棲生物的農(nóng)藥致死率、殘留量、富集系數(shù)發(fā)現(xiàn),2種農(nóng)藥的推薦用量不會(huì)導(dǎo)致底棲生物的死亡,但會(huì)在體內(nèi)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。
每種除草劑具有不同的除草機(jī)理。草銨膦作用于植物的谷氨酰胺合成酶(Glutamine Synthetase, GS),導(dǎo)致植物體內(nèi)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(dǎo)致植物死亡[23]。因其具有速效、活性高、低毒、環(huán)境兼容性好等特點(diǎn)使其在農(nóng)業(yè)上廣泛應(yīng)用。草甘膦主要是競(jìng)爭(zhēng)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(zhuǎn)化,使蛋白質(zhì)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(fā)現(xiàn),對(duì)西班牙灘涂濕地互花米草的除控研究中發(fā)現(xiàn)使用量在720~7 200 g/hm2時(shí)可以有效抑制互花米草的光合特性,如凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、光合色素和新分蘗數(shù)[22],并且草甘膦及其代謝物會(huì)以鐵和鋁的絡(luò)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(nóng)田中很好的應(yīng)用[25-26],其中草甘膦的使用最為廣泛且報(bào)道較多[10]。
本研究在現(xiàn)有互花米草除控技術(shù)和產(chǎn)品的基礎(chǔ)上,對(duì)草甘膦和草銨膦2種除控劑的單一和復(fù)配使用進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn),盆栽試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)2種除草劑的復(fù)配要好于單獨(dú)使用,具有較好的去除效果。大田試驗(yàn)結(jié)果表明,除草劑的復(fù)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(chǔ)上,提出的草甘膦、草銨膦復(fù)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(yōu)異,市場(chǎng)前景良好,增長迅速,但產(chǎn)品生產(chǎn)技術(shù)難度高、工藝路線復(fù)雜,國內(nèi)極少公司能夠規(guī)?;a(chǎn)。成本上,1 t草甘膦的價(jià)格在2萬元左右[27-28],而1 t草銨膦的價(jià)格在13萬元左右[29-30]。價(jià)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(chǎn)生的抗藥性,因此草甘膦和草銨膦的復(fù)配使用是一個(gè)折中、高效的方法。在以往研究中發(fā)現(xiàn),草甘膦、草銨膦的復(fù)配組合對(duì)藜(Chenopodium)、蓼(Polygonum)、狗尾草(Setaria)毒力效果提升,復(fù)配防效達(dá)到了相加效果[31]。同時(shí),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(fā)現(xiàn),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(duì)特定灘涂環(huán)境的除草劑配量仍然是下一步控制互花米草的探討內(nèi)容。另外,農(nóng)藥助劑作為一種超強(qiáng)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(xué)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(jìn)而達(dá)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(shí)間為7 d[34],但其生物安全性評(píng)價(jià)仍然是我們?cè)诖笠?guī)模使用時(shí)必須要關(guān)注的指標(biāo)。除草劑可以通過影響動(dòng)植物、土壤微生物數(shù)量和活性進(jìn)而影響該區(qū)域的生態(tài)環(huán)境安全。然而,也有研究表明,除草劑對(duì)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)沒有危害,主要因?yàn)槌輨┑慕到馑俾士?、植物攝取量多等原因[10,35]。在我們的生物安全性評(píng)價(jià)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),2種除草劑對(duì)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(nèi)殘留量較低,總體上2種除草劑的生態(tài)安全影響較小。喬沛陽等(2019)的研究也發(fā)現(xiàn)化學(xué)除草的方法對(duì)底棲動(dòng)物的種群和數(shù)量影響較小,且在11個(gè)月后動(dòng)物數(shù)量可以基本恢復(fù)[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(fù)合吸附劑Zr-MOF(UiO-67)能夠有效控制去除草甘膦農(nóng)藥,并且應(yīng)用前景廣闊[36]。因此,長期來看化學(xué)除控的生態(tài)危害要比預(yù)計(jì)值要低,對(duì)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(xué)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(xù)考慮除草劑在當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)中的代謝時(shí)效和生態(tài)毒性[37],為進(jìn)一步科學(xué)的防治互花米草打下堅(jiān)定的基礎(chǔ)。
互花米草作為灘涂濕地的生態(tài)入侵物種,采用化學(xué)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(fù)合配施驗(yàn)證除草效果。結(jié)果表明,草甘膦、草銨膦復(fù)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(dá)90%。草甘膦和草銨膦對(duì)本地常見底棲生物白蛤和青蛤致死率為0,體內(nèi)殘留量較低,在土壤和水體中的降解較快,具有大面積應(yīng)用前景,但該復(fù)配藥劑對(duì)其他生物及環(huán)境安全影響還需進(jìn)一步評(píng)估。