除草剂对滨海外来物种互化米草除控效果

张 慧，肖 辉，周 滨，马 喆，邢美楠，陈 晨，刘红磊*

(1.天津市农业科学院农业资源与环境研究所，天津 300384； 2.天津市生态环境科学研究院，天津 300191)

互花米草(Spartinaalterniflora)是一种多年生禾本科米草属植物，原产于美洲大西洋西海岸以及墨西哥湾，适于生活在潮间带，具有保滩促淤、消化碳排放、保护动物栖息地等生态功能[1-2]。我国于1979年从美国的佐治亚州引入高型互花米草、北卡罗来纳州引入中型互花米草和佛罗里达州引入矮型互花米草[3]，主旨是保滩护堤。但是，互花米草具有极强的耐盐、耐淹和繁殖能力，其扩张和定居速度超出了控制[2,4-7]，其入侵领域北起辽宁省，南达广西壮族自治区的北海，覆盖了除海南岛、台湾岛之外的全部沿海地区[4,7-10]。2003年，中国国家环保总局和中国科学院联合公布了首批入侵我国的外来入侵物种名单，互花米草作为唯一的海岸盐沼植物成为我国第一批入侵物种之一[2]。

互花米草的入侵严重影响了芦苇(Phragmitesaustrails)、海三棱藨草(Scirpusmarigueter)、红树林等土著植物的生长[11-12]，使得当地生物多样性下降，同时带来了航道堵塞、水质劣化、滩涂荒废等问题[13]。2006年通过生态经济损失评估体系发现，互花米草对福建省造成的总损失为15.89亿元，其中，经济效益损失为8.13亿元，生态效益损失为7.76亿元[14]。互花米草在江苏省可能带来0.16亿元的生态系统损失[15]。随着互花米草在我国东部沿海滩涂的不断扩张，对互花米草进行除控已经成为保护滩涂湿地生态功能与服务的紧要举措。

目前，防治互花米草的途径主要包括物理防治、生物防治、生物替代、化学防治等方法。物理防治是指应用人力或机械装置来控制互花米草的生长，如拔除幼苗、连续刈割、火烧、水淹、掩埋以及围堤等[10,16]；通常来说，单一的物理防治耗费巨大，难以有效控制互花米草。生物防治与生物替代的研究成果较少，尚不成熟；生物替代甚至会有再次带来物种入侵的可能[17]。化学防治法是应用各种药物来消除外来入侵种，对药剂的专一性、剂量以及施药时间具有更精细的要求，尤其应当避免因药剂不合理使用而杀灭本地其他非目标物种。同时，除控剂的效果也会受到风力、潮汐周期和茎叶上覆盖的沉积物等因素影响[18-19]。目前证实有效的互花米草除草剂包括草甘膦(Glyphosate)、草铵膦(Glufosinate)、咪唑烟酸(Imazapyr)、咪唑乙烟酸(Imazethapyr)等[20-22]。与物理方法、生物方法相比，化学方法具有见效快、费用低、人力需求低等特点[13]。

探索有效的互花米草化学防治技术对保护我国海滩生态环境、加强滨海湿地的生态服务功能具有十分重要的意义。由于化学药剂在不同地区、不同时间对互花米草除控效果差异很大，因此，本研究在借鉴现有互花米草除控产品的基础上，通过盆栽试验，筛选适宜的除草剂用量和复配效果，通过大田试验验证除控效果，并评价其生态安全性，为滨海湿地的生物多样性保育和生态服务功能提升提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

盆栽试验在北大港农场的温室里进行。大田试验在北大港湿地的滨海滩涂进行(38°47′N，117°35′E)，该区域为河砾粘土为主的盐碱地。该区域属于温带大陆季风气候;年均温度为12.9 ℃，其中1月和7月平均温度为-2.8 ℃和26.7 ℃；年均降水量在550 mm左右，多集中在7—8月份。该地区潮位频繁，最高潮位超过2 m。植被类型以互花米草、碱蓬(Suaedasalsa)、芦苇为优势种。

1.2 试验设计

依据已有研究效果且本地市场上容易购买等原则，选取了草甘膦和草胺磷2种农药，具体为43%草甘膦异丙胺盐水剂(先正达南通作物保护有限公司产品)、200 g/L草铵膦水剂(侨昌现代农业产品)。草甘膦、草铵膦的药剂制造商推荐量分别为5 250 mL/hm2、9 000 mL/hm2，按推荐量的50%、100%、150%用量，设计完全组合实验，并设不施药组为对照组，共16个处理组，每个处理组3次重复(表1)。

表1 草甘膦、草铵膦单用和复配盆栽试验设计Tab. 1 Single and compound pot experiment design of the effects of glyphosate and glufosinate on Spartina alterniflora

续表

1.3 温室盆栽试验方法

温室盆栽试验在天津市北大港试验基地的温室进行。用塑料箱(56 cm×41 cm×30 cm)做盆栽箱。每箱移植4丛互花米草(50至100株)，重复3次。幼苗长至35 cm时(3叶1心))，按试验设计进行叶面喷施除草剂。定期观察生长情况，30 d剪去地上部分茎叶，并调查根死亡情况。试验于2019年4月26日栽植互花米草；5月27日喷施农药；6月28日采用计数法调查除草效果，并采集地上植株，用烘干法测定生物量。计算互花米草死亡率与农药用量间的数量关系，确定死亡率在90%时，草甘膦和草铵膦用药量。

1.4 化学除控剂大田除控效果验证试验

在天津北大港湿地选取1块互花米草长势均匀的滩涂。依据盆栽试验结果建立草甘膦、草铵膦用量与死亡率的关系，以死亡率为90%时，草甘膦和草铵膦的浓度布置大田试验，设置草甘膦+草铵膦2种除草剂复配组合，助剂为有机硅，并设不施药对照，共3个处理，每个处理小区为100 m2(10 m×10 m)。于互花米草生长旺盛期(2019年7月25日)按试验设计(表2)进行叶面施药，分别在第30天、60天调查死亡情况。施药后第60天测定植物地上生物量、株高。

表2 互花米草大田除控试验设计Tab. 2 Field experimental design of the control effect of glyphosate and glufosinate on Spartina alterniflora

1.5 底栖生物安全性评价试验

互花米草生长于海岸滩涂，海岸向海的方向地势越来越低，根据涨潮时淹水的深度不同，设置了3个淹水深度。涨潮时，喷洒在叶面的农药随海水反复冲刷部分进入海水，进而对生物产生不定影响，因此通过模拟海水深度和农药实际使用情况设计了模拟实验，探讨不同淹水条件下农药对本地生物的影响。

供试生物为当地的优势种或常见物种白蛤(Mactraveneriformis)、青蛤(Cyclinasinensis)。设不施药对照(水层深度0 cm)，模拟海水水层3个深度20、50、100 cm，共计4个处理组(表3)。每个处理组放置白蛤、青蛤各50只，共计8口鱼池(0.8 m×0.2 m×0.3 m)。按农药推荐用量在水面喷洒并搅拌均匀。分别在24、48、72、96 h后记录死亡率，试验结束后采集生物样本测定农药残留及富集情况。生物富集系数(BCF)由下式计算：

表3 底栖生物安全性试验设计Tab. 3 Experimental design of benthic safety evaluation

(1)

式(1)中：H1为生物体内农药含量，H2为水体中农药含量；BCF≤10为低富集，101 000为高富集。

农药残留测定方法为，称取2 g试样(精确到0.01 g)于50 mL离心管中，加入20 mL去离子水，摇匀，于振荡器上振荡30 min，8 000 r/min离心10 min，取上清液转移至装有100 mg C18的50 mL离心管中，立即旋涡混合1 min。将离心管置于离心机内，9 000 r/min离心10 min。移取上清液1 mL于另一个空的15 mL离心管中，加入0.5 mL硼酸钠缓冲液和0.5 mL衍生剂，涡旋混合30 s，置于40 ℃水浴中衍生过夜，冷却后过滤，液质联用仪上机测定。

1.6 数据统计与分析

数据处理采用R 3.5.1 (R Development Core Team)的 “Agricolae” 和 “Stats”数据包进行统计分析，图表采用Sigmaplot 12.5 (Systat Software, Inc.)绘制。

2 结果与分析

2.1 盆栽试验下除草剂对互花米草死亡率、生物量的影响

盆栽试验中除草剂对互花米草死亡率和生物量的影响结果见图1。除草剂复配的效果要好于单独使用，其中，复配处理中的T7、T8、T9、T10、T11、T12、T13、T14、T15处理组与对照组差异显著(p<0.05)，死亡率分别达到26%、32%、40%、27%、48%、56%、51%、68%及89%，而对照组的死亡率仅为2%；与对照组相比，复配处理组的死亡率分别提高了965%、1 232%、1 576%、1 029%、1 888%、2 228%、2 019%、2 709%、3 591%。而单独使用的T1至T6处理组，与对照组的死亡率无显著差异，其中T6单独处理组的死亡率最高为23%，与复配处理组相比，效果显然不足。

图1 盆栽试验中除草剂对互花米草死亡率和生物量的影响Fig. 1 Effects of herbicides on the mortality and biomass of Spartina alterniflora in the pot experiment白色为对照组CK，灰色为单一使用除草剂处理组T1-T6，黑色为草甘膦和草铵膦的复配使用处理组T7-T15。

草甘膦、草铵膦单独使用及其复配使用均显著降低了互花米草的生物量(p<0.05)，且复配效果好于单独使用效果。其中T11处理组草甘膦推荐量100%和草铵膦推荐量100%复配对植物生物量的影响最大，T11处理组的植物生物量为134.83 g，与对照组的植物生物量373.17 g相比，降低了64%。其次是T15处理组草甘膦推荐量150%和草铵膦推荐量150%复配，该组的植物生物量为141.53 g，与对照组相比降低了62%。

以上结果表明，从死亡率和植物生物量2个指标来看，草甘膦和草铵膦的复配效果明显好于单独使用，并且2种除草剂的用量越高，两者的复配除控效果越好，其中效果最佳的是草甘膦推荐量150%和草铵膦推荐量150%的复配组合(7 875+13 500 mL/hm2)的T15处理组。

2.2 互花米草死亡率与农药用量的数量关系

以互花米草死亡率为Y值，草甘膦有效成分量为X1，草铵膦有效成分量为X2，进行回归分析，建立的数量关系如下：

Y=0.24X1+0.23X2-15.12

(2)

假设互花米草死亡率为90%时，草甘膦与草铵膦之间用量关系为：

X1=-0.95X2+443.54

(3)

由式(2)、(3)可以看出草甘膦与草铵膦均能提高互花米草的死亡率，且草铵膦应用效果要好于草甘膦。在固定死亡率的情况下，草甘膦与草铵膦呈此消彼长的关系。当死亡率为90%时，草铵膦用量为9 000 mL/hm2(100%推荐量)、13 500 mL/hm2(150%推荐量)，草甘膦的用量为11 475 mL/hm2、9 450 mL/hm2，将其应用于下一步大田复配试验中。

2.3 除草剂复配大田试验对互花米草死亡率、株高和生物量的影响

施药后第30天调查发现，对照组的死亡率为0，DT1、DT2处理组的死亡率均为85%(图2)，均与对照的除草效果差异显著(p< 0.05)。施药后第60天，DT1、DT2处理组的死亡率均略有增加，除控效果明显，均为89%，对照组的死亡率依然为0，与对照组差异显著(p<0.05)。

除草剂复配DT2处理组对互花米草株高的影响显著(p< 0.05)，2个处理组均降低了互花米草株高，对照组的株高为132.80 cm，DT1、DT2处理组分别为123.00、91.00 cm。与对照组相比，DT1、DT2处理组的高度降低了7%、18%。同样的，除草剂均显著降低了互花米草的生物量(p< 0.05)，对照组的生物量为676.27 g，DT1、DT2处理组分别为492.39、380.46 g。与对照组相比，DT1、DT2处理组的生物量分别降低了27%、44%。

上述大田试验结果表明，除草剂复配降低互花米草的株高、生物量，提高互花米草的死亡率。最佳复配处理组为草甘膦9 450 mL/hm2、草铵膦13 500 mL/hm2的DT2处理组。

2.4 除草剂对底栖生物致死率及农药残留的影响

通过对白蛤、青蛤96 h的培养观察发现，各处理条件下白蛤、青蛤死亡数为0，说明该浓度下草甘膦、草铵膦对本土底栖生物影响很小。在生物体内的积累试验发现，经过96 h不间断药液培养后，白蛤、青蛤体内均出现不同程度的农药残留(表4)，且药液浓度越高体内残留量越多。草甘膦与草铵膦复合情况下，白蛤体内的草甘膦残留量为0.05～0.27 mg/kg，草铵膦残留量0.34～1.69 mg/kg；青蛤体内的草甘膦残留量为0.10～0.79 mg/kg，草铵膦残留量为0.51～2.03 mg/kg。白蛤体内的农药残留量均要低于青蛤，即在S1、S2、S3模拟培养条件下，青蛤比白蛤体内的残留量提高了183%、274%和104%。从2种农药的4 d富集系数(表5)看，草甘膦对白蛤和青蛤均表现为低富集农药，草铵膦尽管表现为高富集农药，但体内残留量低。青蛤与白蛤相比，青蛤富集系数高于白蛤。

表4 白蛤、青蛤体内农药残留量Tab. 4 Pesticide residues in mollusks of Mactra veneriformis and Cyclina sinensis

表5 白蛤、青蛤的农药生物富集系数Tab. 5 Pesticide bioenrichment coefficient of mollusks of Mactra veneriformis and Cyclina sinensis

分析底栖生物的农药致死率、残留量、富集系数发现，2种农药的推荐用量不会导致底栖生物的死亡，但会在体内有残留，白蛤比青蛤更具抗药性，草甘膦比草铵膦更具安全性。

2.5 讨论

每种除草剂具有不同的除草机理。草铵膦作用于植物的谷氨酰胺合成酶(Glutamine Synthetase， GS)，导致植物体内氮代谢紊乱，使得铵积累过量，引起叶绿体解体、光合作用受抑制，最终导致植物死亡[23]。因其具有速效、活性高、低毒、环境兼容性好等特点使其在农业上广泛应用。草甘膦主要是竞争性抑制烯醇丙酮基莽草素磷酸合成酶，从而抑制苯丙氨酸、酪氨酸及色氨酸的转化，使蛋白质合成受阻，属于灭生性除草剂[24]，可防治田间多种杂草，有研究发现，对西班牙滩涂湿地互花米草的除控研究中发现使用量在720～7 200 g/hm2时可以有效抑制互花米草的光合特性，如净光合速率、气孔导度、光合色素和新分蘖数[22]，并且草甘膦及其代谢物会以铁和铝的络合物的形式存留于土壤中，减少了土壤危害[22]。这2种除草剂已在农田中很好的应用[25-26]，其中草甘膦的使用最为广泛且报道较多[10]。

本研究在现有互花米草除控技术和产品的基础上，对草甘膦和草铵膦2种除控剂的单一和复配使用进行了相关试验，盆栽试验发现2种除草剂的复配要好于单独使用，具有较好的去除效果。大田试验结果表明，除草剂的复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，在此基础上，提出的草甘膦、草铵膦复配处理的最佳用量为9 450、13 500 mL/hm2。效果上，草铵膦灭除效果优异，市场前景良好，增长迅速，但产品生产技术难度高、工艺路线复杂，国内极少公司能够规模化生产。成本上，1 t草甘膦的价格在2万元左右[27-28]，而1 t草铵膦的价格在13万元左右[29-30]。价格是一道无法跨越的鸿沟，且草甘膦面临的核心问题是植物产生的抗药性，因此草甘膦和草铵膦的复配使用是一个折中、高效的方法。在以往研究中发现，草甘膦、草铵膦的复配组合对藜(Chenopodium)、蓼(Polygonum)、狗尾草(Setaria)毒力效果提升，复配防效达到了相加效果[31]。同时，增加除草剂的剂量可以更好的提高互花米草的幼苗除控率和损伤率[19]。有研究还发现，高效氟吡甲禾灵、高效氟吡甲禾灵等除草剂一定程度上也可以抑制互花米草生长[10]。增加除草剂的筛选、针对特定滩涂环境的除草剂配量仍然是下一步控制互花米草的探讨内容。另外，农药助剂作为一种超强铺展剂，降低药液在叶片上的表面张力，使药液快速在叶片铺展、渗透[32-33]，是一种提高药效的有效途径，未来可以利用在互花米草的化学除控中。未来也可以考虑放牧和捕食等自然方法，比如添加玉田螺(Littorariairrorata)，来降低互花米草的生物量，进而达到控制互花米草生长的目的[17]。

草甘膦在施入土壤15 d后基本降解完全，草铵膦在土壤中的降解时间为7 d[34]，但其生物安全性评价仍然是我们在大规模使用时必须要关注的指标。除草剂可以通过影响动植物、土壤微生物数量和活性进而影响该区域的生态环境安全。然而，也有研究表明，除草剂对当地生态系统没有危害，主要因为除草剂的降解速率快、植物摄取量多等原因[10,35]。在我们的生物安全性评价试验中发现，2种除草剂对本地白蛤、青蛤的致死率为0；草铵膦在白蛤和青蛤的富集量均大于草甘膦；体内残留量较低，总体上2种除草剂的生态安全影响较小。乔沛阳等(2019)的研究也发现化学除草的方法对底栖动物的种群和数量影响较小，且在11个月后动物数量可以基本恢复[35]。另外，我们可以通过去除方法来解除除草剂危害，比如使用复合吸附剂Zr-MOF(UiO-67)能够有效控制去除草甘膦农药，并且应用前景广阔[36]。因此，长期来看化学除控的生态危害要比预计值要低，对大面积去除互花米草的入侵是一种有效、快速的方法。

本研究着重于互花米草的化学除控方式，以期为今后互花米草的除控研究提供参考，未来还要继续考虑除草剂在当地生态系统中的代谢时效和生态毒性[37]，为进一步科学的防治互花米草打下坚定的基础。

3 结论

互花米草作为滩涂湿地的生态入侵物种，采用化学法是一种有效的除控途径。本研究筛选了草甘膦和草铵膦2种除草剂，通过单一使用和复合配施验证除草效果。结果表明，草甘膦、草铵膦复配处理最佳用量为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，致死率可达90%。草甘膦和草铵膦对本地常见底栖生物白蛤和青蛤致死率为0，体内残留量较低，在土壤和水体中的降解较快，具有大面积应用前景，但该复配药剂对其他生物及环境安全影响还需进一步评估。