“花菜－蚯蚓”种养模式对杂草发生的影响及除草剂对蚯蚓的急性毒性评价

李涛 孟丹丹 郭水良 袁国徽 钱振官 杨伟萍 范洁群 吕卫光

摘要 為了摸清蚯蚓活动对杂草发生的影响以及除草剂对蚯蚓的急性毒性，2017年-2019年连续3年调查了“花菜-蚯蚓”种养模式下田间杂草物种数、总草密度和生物量，同时测定了17种除草剂对威廉环毛蚓的急性毒性。结果表明，与花菜单一种植模式相比，“花菜-蚯蚓”种养模式显著降低了田间杂草物种数、总草密度和生物量，减轻了杂草危害。不同除草剂对威廉环毛蚓的急性毒性存在较大的差异。采用滤纸法处理48 h，丙草胺、高效氟吡甲禾灵和噁唑酰草胺对威廉环毛蚓的急性毒性最高，LD50分别为1.1、1.8 μg/cm2和7.1 μg/cm2。其次为灭草松，LD50为70.3 μg/cm2。乙羧氟草醚、吡嘧磺隆、氰氟草酯、五氟磺草胺、硝磺草酮、嘧啶肟草醚和烟嘧磺隆对威廉环毛蚓的急性毒性相对较低，LD50均大于1 200 μg/cm2。采用人工土壤法处理14 d，灭草松对威廉环毛蚓的急性毒性最高，LD50为50.3 mg/kg。其次为二甲戊灵、草铵膦和丙草胺，LD50分别为111.9、137.4 mg/kg和169.5 mg/kg。双草醚、氰氟草酯、硝磺草酮和苯唑草酮对威廉环毛蚓的急性毒性相对较低，LD50均大于500 mg/kg。基于滤纸法和人工土壤法的测定结果，丙草胺、灭草松、噁唑酰草胺、高效氟吡甲禾灵、草铵膦和二甲戊灵对威廉环毛蚓具有相对较高的急性毒性，不建议用于“作物-蚯蚓”种养农田防除杂草。

关键词 除草剂; 急性毒性; 威廉环毛蚓; 杂草; “花菜-蚯蚓”种养

中图分类号： S 482.4

文献标识码： A

DOI： 10.16688/j.zwbh.

2020340

Effects of cauliflower-earthworm co-culture farming on weed occurrence and acute toxicity evaluation of herbicides on earthworm

LI Tao1， MENG Dandan2， GUO Shuiliang2， YUAN Guohui1， QIAN Zhenguan1，YANG Weiping3， FAN Jiequn1*， L Weiguang1*

（1. Shanghai Academy of Agricultural Sciences， Shanghai 201403， China; 2. College of Life and Environmental

Sciences， Shanghai Normal University， Shanghai 200234， China; 3. Agricultural Technology Extension

Service Station of Zhangyan Town， Jinshan District， Shanghai 201514， China）

Abstract

In order to determine the effect of earthworm activities on weed occurrence and the acute toxicity of herbicides to earthworm， we investigated the weed species number， total weed density and biomass in the cauliflower-earthworm co-culture farming system from 2017 to 2019 and evaluated the acute toxicity of 17 herbicides to Pheretima guillelmi. The results showed that the practice of cauliflower-earthworm co-culture farming significantly reduced weed species number， total weed density and biomass compared with cauliflower mono-culture farming. The acute toxicity of herbicides to P.guillelmi varied. Exposed for 48 h by using filter paper contact test， pretilachlor， haloxyfop-P-methyl and metamifop had the highest acute toxicity to P.guillelmi， with  LD50 values of 1.1， 1.8 and 7.1 μg/cm2， respectively， followed by bentazone， with  LD50value of 70.3 μg/cm2. Fluoroglycofen， pyrazosulfuron-ethyl， cyhalofop-butyl， penoxsulam， mesotrione， pyribenzoxim and nicosulfuron had relatively low acute toxicity to Pguillelmi， all with an LD50 value greater than 1 200 μg/cm2. Exposed for 14 d by using artificial soil test， bentazone had the highest acute toxicity to P.guillelmi with an LD50 value of 50.3 mg/kg， followed by pendimethalin， glufosinate-ammonium and pretilachlor， with  LD50 values of 111.9， 137.4 and 1695 mg/kg， respectively. The acute toxicity of bispyribac-sodium， cyhalofop-butyl， mesotrione， and topramezone to Pguillelmi was relatively low， and their LD50 values were all greater than 500 mg/kg. The results of acute toxicity tests showed that pretilachlor， bentazone， metamifop， haloxyfop-P-methyl， glufosinate-ammonium and pendimethalin had relatively high acute toxicity to P.guillelmi， and they were not recommended to be applied in the crop-earthworm co-culture farming.

Key words

herbicide; acute toxicity; Pheretima guillelmi; weed; cauliflower-earthworm co-culture

以低休耕率、农用化学品高投入和土地密集耕作为特点的集约农业为人类带来较高作物产量的同时，也引起一些负面问题，如生态退化、面源污染、地力下降、残留毒性和生物多样性丧失等[1-2]。发展资源节约型、环境友好型和生态保育型农业是现代农业的发展方向，是转变经济增长方式、实现可持续发展的迫切需要[3]。根据互利共生原则构建的生态种养模式，一直被认为是有效解决生态环境与农产品质量安全同时并举的重要途径，具有较高的经济和生态效益。种养结合可改善农业生态环境、消解农业废弃物和提高农产品品质，实现农业的可持续发展[4]。

种养结合在国内外早已有之，主要模式包括稻田生态种养模式和菜田生态种养模式[4]。当前，针对“稻-渔”“稻-鸭”等稻田生态种养模式的研究较多，如魏守辉等[5]研究发现，稻田养鸭可减轻杂草危害，减少除草剂用量;李涛等[6]报道，“稻-鳝”种养降低了田间杂草的丰富度、多样性和均匀度。往农田接种蚯蚓的“作物-蚯蚓”种养模式是一种典型的菜田生态种养模式。蚯蚓被称为“生态系统工程师”，其在改良土壤、消解农业废弃物、提高土壤养分和作物产量方面的作用早已为人所知[7]。基于互利共生原则建立“作物-蚯蚓”种养模式是一种高效的生态农业模式。一方面，作物为蚯蚓的生长提供适宜的生境，作物的残枝落叶还可供蚯蚓取食;另一方面，蚯蚓的活动可改善土壤的生态环境，粪便还可提高土壤肥力。采用这种模式，不但可以强化蚯蚓在农业生产中的生态功能，提高作物生长潜力，而且可以让种植户获得更高的经济产值，因为蚯蚓本身是一种重要的中药材和动物蛋白[8-9]。

“作物-蚯蚓”种养模式已在上海市郊推广了近10年。种植户采用该种模式时，通常往农田接种威廉环毛蚓Pheretima guillelmi 50～100 kg/667 m2。威廉环毛蚓是上海的本地物种，体型较大，体长90～250 mm，宽度为5～10 mm，成年蚯蚓体重约5 g，大的可以达到10 g[10]。郑宪清等研究了“作物-蚯蚓”种养模式下，蚯蚓活动对土壤微生物群落和作物产量的影响[11]。李双喜等研究表明，蚯蚓活动提高了土壤养分含量[12]。然而，“作物-蚯蚓”种养模式对农田杂草发生的影响未见报道。事实上，蚯蚓是重要的种子捕食者和运输者，影响着土壤中杂草种子的数量和分布。蚯蚓在挖洞穴时可吞食杂草种子并影响其发芽力。蚯蚓还可将杂草种子带到较深的土层中，从而影响杂草种子的出苗[13-14]。

使用化学除草剂是现代农业中治理杂草的主要手段。“作物-蚯蚓”种养农田，如何安全地使用除草剂防除田间杂草，实现作物和蚯蚓双丰收，是需要解决的一个重要问题。“作物-蚯蚓”种养农田使用除草剂时，既要考虑除草效果，还要充分考虑除草剂对养殖蚯蚓的安全性。王彦华等2012年报道了22种除草剂对蚯蚓的急性毒性，但其供试的蚯蚓为赤子爱胜蚓Eisenia foetida，测试的除草剂品种中，大部分在当今农业生产中已很少使用，部分品种甚至已经禁用，如甲磺隆和百草枯[15]。现代除草剂工业高速发展，新品种层出不穷，评价生产中常用除草剂对蚯蚓的毒性效应，对于实施和推广“作物-蚯蚓”种养模式具有重要的意义。

因此，本研究的主要目标是：1）通过调查“花菜-蚯蚓”种养农田杂草发生情况，研究“作物-蚯蚓”种养模式对农田杂草发生的影响;2）测定常用除草剂对威廉环毛蚓的急性毒性，明确除草剂对威廉环毛蚓的剂量-效应关系，为实施和推广“作物-蚯蚓”种养模式提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 “花菜-蚯蚓”种养田杂草调查

试验设在上海市崇明区三星镇瀛西果蔬专业合作社（31°41′15″N，121°54′00″E）。该区平均海拔4 m，属北亚热带季风气候，盛行东南风，温暖湿润，夏季湿热，冬季干冷，年均降水量1 003.7 mm，降水集中在4月-9月，年均气温15.3℃，≥10℃年均积温2 559.6℃。试验地土壤pH 8.7、有机质10.0 g/kg，全氮1.01 g/kg、全磷0.62 g/kg、全钾10.22 g/kg、速效氮33.16 mg/kg、速效磷10.31 mg/kg、速效钾70 mg/kg。合作社已连续开展菜田养殖蚯蚓10年，生产上以花菜和芋艿、玉米进行轮作，每年8月底种植花菜，品种‘台松，种植方式为小苗移栽，行距60 cm。种花菜的同时，每667m2接种50 kg威廉环毛蚓。2017年-2019年连续3年调查“花菜-蚯蚓”种养田杂草发生情况。调查时挑选5块地势平坦、大小接近（约3 000 m2）的“花菜-蚯蚓”种养田开展杂草调查。于花菜移栽后45 d左右，采用随机取样计数法，每块田调查10个点，每个点面积1 m2，记录杂草物种数、总草密度和生物量，以合作社内未接种蚯蚓的花菜单一种植田为对照，试验期间不使用除草剂，其他栽培和管理措施相同，比较“花菜-蚯蚓”种养田和花菜单一种植田杂草发生差异。

1.2 常用除草劑对蚯蚓的急性毒性测定

1.2.1 供试除草剂

选择当前农业生产中常用的17种除草剂开展试验。供试除草剂原药如下：90%二氯喹啉酸（quinclorac），江苏省激素研究所股份有限公司生产;96%灭草松（bentazone），安徽丰乐农化有限责任公司生产;95%2甲4氯（MCPA），江苏健谷化工有限公司生产;96%噁唑酰草胺（metamifop），安徽众邦生物工程有限公司生产;95%双草醚（bispyribac-sodium）、98%吡嘧磺隆（pyrazosulfuron-ethyl），江苏瑞邦农化股份有限公司生产;98%五氟磺草胺（penoxsulam），美国陶氏益农公司生产;95%嘧啶肟草醚（pyribenzoxim），安徽圣丰生化有限公司生产;97%氰氟草酯（cyhalofop-butyl），江苏中旗科技股份有限公司生产;98%丙草胺（pretilachlor），山东滨农科技有限公司生产;95%草铵膦（glufosinate-ammonium），利尔化学股份有限公司生产;97%高效氟吡甲禾灵（haloxyfop-P-methyl）、95%乙羧氟草醚（fluoroglycofen-ethyl），江苏长青农化股份有限公司生产;96%二甲戊灵（pendimethalin），山东天成生物科技有限公司生产;97%苯唑草酮（topramezone），巴斯夫欧洲公司生产;97%硝磺草酮（mesotrione），江苏丰山集团股份有限公司生产;95%烟嘧磺隆（nicosulfuron），江苏龙灯化学有限公司生产。所有供试除草剂原药均从市场购买获得。

1.2.2 供试蚯蚓

供试蚯蚓为威廉环毛蚓，由上海瀛西果蔬专业合作社提供。试验开始前先在室内（20～25℃，相对湿度60%～70%）装有土的周转箱中预养15 d。挑选大小一致且环带明显的健康蚯蚓开展试验，蚯蚓个体重量约2～2.5 g。按照Fründ等[16]推荐的方法检查蚯蚓的健康状态。

1.2.3 试验方法

1.2.3.1 滤纸法

参照欧洲共同体推荐的滤纸接触法（OECD-guideline No.207）开展试验[17]。先将预培养后的威廉环毛蚓放置在用蒸馏水湿润的滤纸上清肠24 h（20℃，全黑暗）。选取直径10 cm的培养皿，内置一层相同直径的滤纸。通过预试验明确各供试除草剂有效浓度范围后，将供试除草剂原药用丙酮以等比级差稀释成5个浓度梯度。每个培养皿中加入2 mL配制好的药液，对照处理加入2 mL丙酮。然后将添加了药液或丙酮的培养皿放置在通风橱中24 h，待丙酮完全挥发后加入2 mL蒸馏水润湿滤纸。每个培养皿中加入清肠的蚯蚓1条，10条蚯蚓为一组，并视为1次重复，整个试验重复3次。然后将培养皿置于20℃，相对湿度75%的人工气候箱（MLR-352H， Sanyo Electric Co.， Ltd.， Osaka， Japan）中黑暗培养。于48 h调查蚯蚓死亡数，计算死亡率，以蚯蚓前尾部对机械刺激无反应视为死亡。当对照组死亡率低于10%时为有效测定数据。计算蚯蚓死亡率。

1.2.3.2 人工土壤法

参照欧洲共同体推荐的标准方法（OECD-guideline No.207）配制人工土壤[17]。人工土壤由10%泥炭藓，20%高岭土，69%石英砂和1%碳酸钙组成。将供试除草剂原药用丙酮溶解后拌于10 g石英砂中，待丙酮完全挥发后与490 g人工土壤充分混匀，加入蒸馏水调节人工土壤含水量至35%。将含有药剂的人工土壤装入1 250 mL的黑色带盖塑料盒中，每个塑料盒添加10条预先在人工土壤中驯养并清肠24 h的蚯蚓。塑料盒盖上钻有通气孔，便于气体交换。然后将塑料盒置于20℃，相对湿度75%的人工气候箱中光照黑暗各12 h培养（光照强度400～800 lx）。根据预试验结果，每个药剂设置5个浓度，每个浓度设置3次重复，以添加丙酮的人工土壤为对照。第14天调查蚯蚓死亡数，计算死亡率，以蚯蚓前尾部对机械刺激无反应视为死亡。当对照组死亡率低于10%时为有效测定数据。蚯蚓死亡率按照以下公式计算。

P=（Pt-C）（100-C）×100%，

式中：P为死亡率;Pt为处理组死亡率;C为对照组死亡率。

1.3 数据处理

“花菜-蚯蚓”种养田和花菜单一种植田同一年份的杂草调查数据（杂草物种数、总草密度和生物量）采用SPSS 20.0统计软件进行配对样本t测验，在α=0.05水平上进行分析比较。除草剂对蚯蚓的急性毒性试验所得数据采用DPS 7.5统计软件进行处理，以供试除草剂浓度的对数值和蚯蚓死亡率的几率值进行回归分析，计算半致死剂量LD50、95%置信限和卡方值。

2 结果与分析

2.1 不同种植模式花菜田杂草物种数、总草密度和生物量

2017年-2019年调查，整个试验区共调查到杂草9种，分别为硬草Sclerochloa dura （L.） Beauv.、菵草Beckmannia syzigachne （Steud.） Fern.、早熟禾Poa annua L.、鹅肠菜Myosoton aquaticum （L.） Moench、荠Capsella bursa-pastoris （L.） Medic.、刺果毛茛Ranunculus muricatus L.、泥胡菜Hemisteptia lyrata （Bunge） Fischer & C. A. Meyer、鐵苋菜Acalypha australis L.和碎米荠Cardamine hirsuta L.。其中铁苋菜和碎米荠只在花菜单一种植田出现。2017年-2019年“花菜-蚯蚓”种养田分别调查到杂草7、8种和7种，其中优势杂草为鹅肠菜和荠。花菜单一种植田3年均调查到杂草9种，优势杂草为鹅肠菜、荠和硬草（图1）。“花菜-蚯蚓”种养田3年调查的总草密度和生物量分别为74.2、62.1、55.8株/m2和204.7、186.7、177.5 g/m2，而花菜单一种植田总草密度和生物量分别为124.5、97.5、86.4株/m2和296.3、257.4、266.2 g/m2（图2，图3）。方差分析结果表明，“花菜-蚯蚓”种养田的杂草物种数、总草密度和生物量均显著低于花菜单一种植田，降低了田间杂草的危害。

2.2 除草剂对蚯蚓的急性毒性

在滤纸法和人工土壤法试验中，丙酮对照组的蚯蚓生长正常，未见死亡，表明本试验数据合理有效。

2.2.1 滤纸法结果

滤纸法测定结果表明，不同除草剂对威廉环毛蚓的急性毒性不同。威廉环毛蚓与部分供试除草剂接触后，出现挣扎扭曲、环带肿大充血、身体糜烂断裂等症状。采用滤纸法处理48 h调查，丙草胺、高效氟吡甲禾灵和噁唑酰草胺对威廉环毛蚓的急性毒性最高，LD50分别为1.1、1.8 μg/cm2和7.1 μg/cm2。其次为灭草松，LD50为70.3 μg/cm2。除此外，其他供试除草剂对威廉环毛蚓的急性毒性相对较低，LD50均大于100 μg/cm2（表1）。

2.2.2 人工土壤法结果

与滤纸法测定的结果类似，采用人工土壤法测定时，不同供试除草剂对威廉环毛蚓的急性毒性也表现出一定的差异。采用人工土壤法处理14 d调查，灭草松对威廉环毛蚓的急性毒性相对较高，LD50为50.3 mg/kg。其次为二甲戊灵、草铵膦和丙草胺，LD50分别为111.9、137.4 mg/kg和169.5 mg/kg。再次为高效氟吡甲禾灵、二氯喹啉酸、2甲4氯、噁唑酰草胺和嘧啶肟草醚，LD50分别为2525、2710、3021、3027 mg/kg和323.3 mg/kg。而其他供试除草剂对威廉环毛蚓的LD50均大于400 mg/kg（表1）。

3 讨论

我国人均资源有限，种养结合可以使资源利用最大化，经济和生态效益显著[18]。“作物-蚯蚓”种养模式是一种重要的菜田生态模式。蚯蚓被称为“生态系统工程师”，其在改良土壤、消解农业废弃物和提高土壤养分方面的作用早已为人所知[19]。我们通过连续调查发现，在“花菜-蚯蚓”种养模式中，蚯蚓活动降低了田间杂草物种数、总草密度和生物量，减轻了杂草危害，可减少除草剂投入量。蚯蚓以腐烂的有机物为食，虽然蚯蚓不会直接取食杂草植株，但却是重要的种子捕食者和转运者[13]。Li等的研究表明，蚯蚓可吞食杂草种子，经过蚯蚓肠道的种子，一部分被消化，一部分发芽力受到破坏[20]。此外，Regnier等的研究发现，蚯蚓可将三裂叶豚草Ambrosia trifida L.的种子带到0.5～22 cm的土层中，当种子埋藏达到一定的深度时，将影响杂草幼苗的发生[21]。以上两点可能是导致“花菜-蚯蚓”种养模式农田杂草危害减轻的主要原因。

“作物-蚯蚓”种养农田如何科学合理地使用除草剂防除杂草是保证该模式成功实施的关键。“作物-蚯蚓”种养农田使用除草剂防除杂草时，需充分考虑除草剂对养殖蚯蚓的安全性。开展除草剂对蚯蚓的急性毒性研究，可以快速地对除草剂的毒性做出初步的判断。滤纸法和人工土壤法是开展化学品对蚯蚓急性毒性试验的标准方法。滤纸法简便易操作且重复性好，其试验结果可初步反映化学品对蚯蚓的潜在毒性。人工土壤法的测定结果客观准确，可为化学品对蚯蚓的毒性提供较为准确的信息[15]。本研究结果表明，不同除草剂对蚯蚓的急性毒性不同。采用滤纸法处理48 h调查结果表明，在供试的除草剂中，丙草胺、高效氟吡甲禾灵和噁唑酰草胺对威廉环毛蚓的急性毒性最高，其次为灭草松。采用人工土壤法处理14 d调查结果表明，灭草松对威廉环毛蚓的急性毒性相对较高，其次为二甲戊灵、草铵膦和丙草胺。采用滤纸法和人工土壤法测定的结果，虽然略有不同，但整体趋势基本一致。综合滤纸法和人工土壤法的测定结果，丙草胺、灭草松、噁唑酰草胺、高效氟吡甲禾灵、草铵膦和二甲戊灵对威廉环毛蚓表现出相对较高的急性毒性，“作物-蚯蚓”种养农田应尽量避免使用这些除草剂。

现代集约农业降低了农田中蚯蚓的数量，减弱了蚯蚓在农业生产中的生态功能，往农田接种蚯蚓的“作物-蚯蚓”种养模式可以改变这种不利的状况。评价常用除草剂对蚯蚓的急性毒性，可为“作物-蚯蚓”种养农田安全使用除草剂提供技术支撑，实现作物和蚯蚓双丰收。本研究采用除草剂原药开展试验，毒性数据值是除草剂原药的单独作用效果，但在实际的农业生产中一般使用除草剂制剂防除杂草，制剂对蚯蚓的毒性与原药会有所不同，需要进一步的研究。

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（责任编辑：田 喆）