无人机施药法治理互花米草研究——以崇明北沿滩涂为例

李永涛

(上海崇明区林业站,上海 202150)

互花米草原产于北美东海岸,是一种耐盐耐淹的多年生盐沼植物,具有良好的抗风防浪、保滩护岸和促淤造陆能力,于1979年引入我国、试种成功后广泛推广[1-2]。互花米草以有性繁殖和无性繁殖2种方式进行扩散,扩散速度是芦苇等土著物种的3～5倍,具有“一年成活,两年长沸,三年外扩”的特点[3]。互花米草根系庞大,植株密集,引种后迅速侵占光滩,压缩本土盐沼植物芦苇和海三棱藨草的生长空间[4];其生境变化导致底栖动物种类和组成发生变化,鸻鹬类、雁鸭类、鹤类、震旦鸦雀等鸟类失去栖息、觅食和活动空间[5]。倒伏的互花米草密密实实地盖在滩涂上,导致以滩涂鱼虾蟹为食的水鸟无法顺利觅食[6-7]。中低潮滩互花米草连接成片形成“生物堤坝”,阻塞航道、影响航运,造成经济损失[8]。国家生态环境部已组织全面治理互花米草,沿海地区开展了多项互花米草治理项目,形成了多种治理技术。上海市绿化和市容管理局于2020年正式发布实施《互花米草生态控制技术规范》,为上海后续互花米草治理提供了技术支撑和技术规范。

崇明北沿是崇明地区重要的生态屏障之一,紧邻上海崇明东滩鸟类国家级自然保护区。2019年,崇明北沿北八滧港至崇启大桥滩涂互花米草面积达48 km2,且以每年3～4 km2的速度向东滩保护区扩张,威胁崇明生态环境安全和东滩保护区生态修复成果。该工程以北八滧港西侧约133 hm2区域作为先行试验区,探究无人机施药法治理互花米草,观察治理效果、总结技术要点、评估方法可行性,从而为崇明北沿滩涂大面积互花米草探索一套经济、可行、高效的治理技术。

1 互花米草治理技术

目前互花米草治理常见技术措施包括物理措施(刈割、水淹、挖掘等)、化学措施和生物措施(图1)。其中,生物措施通常与物理或化学措施相结合,在物理或化学措施完成后种植本土植物,恢复滩涂生境。

图1 互花米草治理常见方法与原理Fig.1 Common methods and principles of Spartina alterniflora management

2 无人机施药法治理互花米草工程

2.1 工程概况先行试验区位于崇明北沿北八滧港西侧、现状海塘大堤北侧,东西平均长约900 m,南北平均长约1 500 m,面积约133 hm2。试验区内互花米草盖度高、植株密集,且受潮汐影响滩涂环境复杂,部分区域淤泥较厚。

2.2 技术分析试验区所在海域风浪较大,互花米草多为匍匐状态,且潮滩环境复杂,部分区域泥泞不堪,不易采用刈割、水淹等物理措施。化学施药法具有高效、价格低廉、灭除效果好等优点,但可能危害底栖生物,具有一定的环境风险。

该工程综合考虑试验区滩涂环境和施工条件,从安全性、科学性、经济性角度出发,选用遥控植保机施药方式治理互花米草,并跟踪监测、评估施药后的环境风险,确定技术可行性。

2.3 质量控制要点

2.3.1施药时机选择。互花米草生长具有一定规律。上海地区互花米草种子一般每年2月发苗,3—7月快速生长,10月结果。在盖度高、光照强度低的互花米草群落冠层下,种子苗无法成活;随着盖度降低,种子苗存活率增加。因此,对于盖度高且群落稳定的区域而言,前期治理以营养繁殖生长苗为主;随着治理后地上部分植株茎叶萎蔫、盖度降低,种子苗会快速吐露生长。施药作业时要充分考虑种子苗生长和营养繁殖苗生长之间的关系,做到精准施策。

根据互花米草治理经验,无人机灭除控制作业应选择小潮汛、低潮期、晴朗、无风天气实施,喷湿茎叶时尽量避免药液滴落到土壤表面,且保证施药后6 h内不受雨水或潮水影响。该工程根据先行试验区外海侧最外围平均高程(现状约2.2 m)和该地区潮位时间表(2020年堡镇水文站资料),梳理出满足低潮历时要求的施药时间段。

施药时机的选择关乎整个项目进度控制和质量控制,与互花米草生长习性、天气适宜性、药效作用最短时限要求、前期施药效果情况等因素密切相关。特别是第一次施药时机的选择,是项目难点所在。6—8月互花米草种群进入扬花期,植株高度达30～40 cm,具备施药条件且药水能直接附着到茎叶上,不会流失到地面造成药量加大。考虑到要为后续新生互花米草植株的治理留出充足的时间,结合互花米草生长规律将第一次施药时间安排在5月中下旬,其后的历次施药或补药时机,除考虑天气、潮位的适宜性外,最重要的是观察前期施药效果及新生互花米草生长情况。

施药效果具有延后性,一般在施药后15～20 d才明显观察到,如不提前做好规划,加大效果检查力度,有可能错失下次施药或补药的潮位窗口期,造成工期延误和质量不达标。施药后应每隔10和20 d跟踪监测互花米草灭除效果,及时对漏喷区或效果不达标区再次施药,反复检查不少于3次。

2.3.2施药精准度及药剂配制。施药精准度即对植保无人机施药的偏差控制。这一关键性指标取决于一线技术人员的大量经验积累、随现场施工条件变化作出的技术优化和机器自身性能的不断升级。如不能将施药精准度控制在较小误差范围,无疑会大大降低施工质量,造成大面积遗漏,徒增无用功,引起复发率上升、工程费用增加、时间节点滞后等一连串的重大不利变化。

为保证治理效果,无人机采取“弓字航线”,施药时事先标记位置,力求不疏不漏;针对局部和斑块互花米草采取“螺旋航线”。施药后,对施药区域进行标识,避免漏打和重复施药;对根部重新长出的互花米草多次施药,直至植株完全枯死。

参照上海市林业标准化技术委员会发布的《互花米草生态控制技术规范》,药剂采用陶氏益农盖草能(主要成分10.8%高效氟吡甲禾灵乳油),用量1 500～2 100 mL/hm2,依经验加入飞行助剂,药剂采用二次稀释法对水配制成药水。该药剂是一种选择性苗后除草剂,具有较好的内吸传导性,能被杂草茎叶或根吸收并传输到整个植株,抑制茎和根的分生组织导致死亡。

2.4 互花米草治理过程试验区经过4次施药,治理效果非常直观,互花米草生长状态发生了巨大变化(表1)。施药前生长旺盛,颜色浓绿,盖度接近100%,经过多次施药及补药,经历了失绿变黄—失水萎蔫—变褐色并干枯—地上部分趋于枯死—地下部分变软、腐烂发黑并受损失活—植株完全死亡的变化过程(表1)。地上部分趋于枯死后,在大潮汛潮水作用或台风季风浪作用下被冲走,形成光滩或潮沟。

表1 2020年无人机施药法治理互花米草记录

2.5 药剂环境风险评估为评估无人机施药法治理互花米草引起的环境风险,该工程开展了跟踪监测,对比施药前后药物残留量及底栖动物变化情况。其中,药剂残留量反映施药后药剂有效成分的残留特征,指示环境风险[9];对环境变化较为敏感的底栖动物是监测、评价水体质量和环境污染程度的指示生物[10],其群落组成和特征在一定程度上反映了河口湿地的生境状况。

2.5.1监测方法。项目共设置3条调查样带。其中,2条样带设置在施药区域,1条样带设置在施药区域外作为对照,每条样带的高、中、低潮滩各设置1个采样区。调查在施药前及每次施药后11～27 d的低潮位晴朗或阴天进行,土样采集和底栖动物同步调查,其中土样交由独立法人资质的检测机构,底栖动物调查参照《海洋调查规范》(GB/T 12763.9—2007)。

2.5.2药物残留量。根据GB 2763—2019食品安全国家标准中农药最大残留量规定,主要检测氟吡甲禾灵和氟吡禾灵残留量。9月蟹类样品检测和对照区土样4次药剂含量检测均未检出0.5 μg/kg以上的氟吡甲禾灵和氟吡禾灵。而试验区土样药物残留量最大检测值为0.012 2 mg/kg,远小于常见农作物上限值(0.1～3.0 mg/kg),符合GB 2763—2019食品安全国家标准。

2.5.3底栖动物变化情况。该工程从物种变化、密度变化、生物量变化、生物多样性变化等维度分析底栖动物变化情况。其中,生物多样性采用Shannon-Wiener多样性指数(H′)、Pielou均匀度指数(J)、Margalef种类丰富度指数(d)等指标进行分析[11]。

2.5.3.1物种变化。与5月本底调查结果相比,对照区和施药区的物种数量均是增加状态,且增加的主要是大中型底栖动物,施药区增加了天津厚蟹、无齿螳臂相手蟹等大型土著物种。从物种分布角度出发,药剂未对底栖动物群落结构产生明显影响。从物种种类出发,施药区增加的日本旋卷蝇嬴蜚、鳞翅目幼虫、双翅目幼虫、星虫和摇蚊幼虫等一般为机会主义者,具有耐有机污染、个体较小、适应能力强等特点[12]。这是因为施药后互花米草死亡分解产生大量有机物质,为这些物种提供了有利的生存空间。

2.5.3.2优势种变化。绯拟沼螺是施药区和对照区不同月份均出现的优势种,是崇明北沿常见优势种。除了绯拟沼螺,中华拟蟹守螺、拟沼螺、背蚓虫和丝异蚓虫也是施药区和对照区的优势种。但是除了中华拟蟹守螺个体稍大,其他体型均偏小。原崇明滩涂常见个体较大的无齿螳臂相手蟹、天津厚蟹、河蚬、焦河蓝蛤等虽尚有分布,但已不再是优势物种。环境干扰导致底栖动物群落结构发生变化,优势种逐渐被个体小的物种所替代,说明该区域生物群落结构稳定性较弱。

施药区的背蚓虫和丝异蚓虫在6月和8月出现了种群优势,且优势度大于对照区,而绯拟沼螺优势度有所下降(表2),这可能由互花米草植株死亡分解产生充足营养物质和螺类对药剂较敏感导致。9月施药区背蚓虫优势度降低可能与营养物质较少有关。

表2 崇明北沿滩涂不同月份底栖动物优势种及优势度

表3 崇明北沿滩涂不同月份底栖动物多样性指数

2.5.3.3密度及生物量变化。底栖动物的生物量与密度密切相关,通常密度越高,生物量越大。同时,生物量的变化与群落中个体较大的底栖动物的分布和构成有关(如绯拟沼螺、中华拟蟹守螺等)。从图2可以看出,施药区底栖动物生物量变化与密度变化一致,而对照区底栖动物在8—9月密度增加但生物量下降,这是由对照区在8—9月个体较小的环节动物增加、大中型螺类数量减少导致。药剂产生的生境扰动改变了底栖动物结构和组成,进而对底栖动物密度和生物量均有一定影响。

图2 崇明北沿滩涂不同月份底栖动物密度和生物量变化Fig.2 Change of density and biomass of benthonic animal in different months in the tidal flats along the Northern Chongming

2.5.3.4生物多样性。对照区物种丰富度指数(d)和均匀度指数(J)在5—8月有所增加,但在9月物种丰富度指数下降,均匀度指数增加;物种多样性指数(H′)呈现一直增加趋势,说明人类活动会影响大型底栖动物的物种多样性。施药区1的物种丰富度指数(d)和均匀度指数(J)均呈振荡变化趋势,但变化不大;而物种多样性指数(H′)总体呈增加趋势。施药区2的物种丰富度指数(d)呈先增后稳定再下降的趋势,均匀度指数(J)和多样性指数(H′)则呈振荡变化趋势。因此,药剂产生的生境扰动在一定程度上影响底栖动物多样性,但总体来看各项多样性指数影响程度均较小。

药剂治理互花米草产生的区域生境波动,在一定程度上对底栖动物物种数、优势种、栖息密度、生物量以及生物多样性等产生了影响,但总体表现是趋好的、可控的,并未产生较大的群落结构更迭。随着工程结束,底栖动物可利用自然更替逐渐修复工程影响。药剂治理区域土壤药物残留量也是局部的、可控的、安全的。随着时间延长,药剂残留量会逐渐减少,不会引起较大范围的环境污染或水产品安全问题。

3 总结与建议

该工程在一个互花米草生长季内对试验区互花米草4次无人机施药,治理效果明显,灭除率高且形成大片光滩和潮沟。对比施药前后药物残留量及底栖动物变化情况,环境风险评估结果表明药剂治理区不利影响是局部的、可控的、安全的。因此,无人机施药法治理互花米草总体上治理效果明显、工程质量达标且风险可控,其技术要点主要是施药时机选择、施药精准度控制、药剂配制、施药效果判断和复发率控制。无人机施药法可以作为崇明北沿大面积互花米草有序灭除的有效技术之一。

互花米草扩张能力极强,建议互花米草治理完成后,自然光滩要及时人工种青、恢复本土盐沼植被,防止互花米草复发、提高滩涂生态系统稳定性。