化学除草剂在农业中的应用.doc

化学除草剂在农业中的应用王波 王海波 玉永雄（重庆市牧草与草食家畜重点实验室 重庆 北碚 400716）摘要：概述了化学除草剂的作用机理、使用现状，以及在我国农业生产中的应用范围与使用效果，指出了化学除草在实际应用中存在的问题，并依据国内外化学除草剂的发展方向，对现代农业化学除草的研究和应用进行了前景展望。关键词：化学除草剂；分类方法；作用机理1. 化学除草剂概述杂草对农作物的危害众所周知，全世界约有1800种以上的杂草每年给农业生产造成严重的经济损失。以水稻为例，因杂草危害每年损失稻谷达5000万吨，价值120亿美元1。因此，杂草防除一直是农业生产中的重要问题。在人类有农耕历史的几千年来，就不断与杂草做斗争。但从具体应用来看，防除杂草不外乎人工除草和化学防除。人工除草在很长一段时间是人类最基本的同杂草做斗争的手段，但因其需要较多的劳动力，而且费时费力，除草效果又很差，杂草很快就会再度蔓延，特别是在地势高低起伏的山区，更增加了杂草防除作业的难度。而发展近半个多世纪的化学除草方法，因其具有省时、省工、除草效果好、彻底抑制等的优点，成为目前农业中杂草防除的重要措施。化学除草是指使用化学除草剂进行杂草防治的过程。化学除草固然有其高效的特点，但在实际使用中，或多或少要对主栽作物产生影响或有药物残留，如何使其对主栽品种的药害降到最低，对食物链的最高层人类影响减到最小，成为目前亟待解决的问题2。2. 化学除草剂的分类及作用机理 2.1 化学除草剂的不同分类方法 化学除草剂按照不同的分类标准，可分为以下几类3： 按施用方法的不同分为：直面处理：多为选择性强的除草剂或是地表植被要更换的灭生性除草剂。带状处理：多为灭生性除草剂被选择性应用。 按施用目标的不同分为：茎叶处理除草剂：将除草剂溶液兑水，以细小的雾滴均匀的喷洒在植株上，如盖草能、草甘膦等。土壤处理除草剂：将除草剂均匀地喷洒到土壤上形在一定厚度的药层，当杂草种子的幼芽、幼苗及其根系被接触吸收而起到杀草作用，如西玛津、扑草净、氟乐灵等，可采用喷雾法、浇洒法、毒土法施用。茎叶、土壤处理剂：可作茎叶处理，也可作土壤处理，如阿特拉津等。 按除草剂在植物体中的传导方式的不同分为：触杀性除草剂：药剂与杂草接触时，只杀死与药剂接触的部分，起到局部的杀伤作用，如除草醚、百草枯等。内吸性除草剂：药剂被根系或叶片、芽鞘或茎部吸收后，传导到植物体内，使植物死亡。如草甘膦、扑草净等。内吸传导、触杀综合型除草剂：具有内吸传导、触杀型双重功能，如杀草胺等。 按除草剂对杂草生理生化作用方式的不同分为： 作用于光合作用的化学除草剂。作用于呼吸作用的化学除草剂。作用于有丝分裂的化学除草剂。作用于细胞膜的化学除草剂。 按除草剂选择特性的不同分为：选择性除草剂：除草剂对不同种类的苗木，抗性程度也不同，此药剂可以杀死杂草，而对作物无害。如盖草能、氟乐灵、扑草净、西玛津、果尔等。非选择性除草剂（灭生性除草剂） ：除草剂对所有植物都有毒性，只要接触绿色部分，不分作物和杂草，都会受害或被杀死。主要在播种前、播种后出苗前、苗圃主副道上使用。如草甘膦等。 按除草剂施用时间：苗前处理除草剂(preemergence herbicide)：这类除草剂在杂草出苗前施用，对未出苗的杂草有效，对出苗杂草活性低或无效。如大多数酰胺类、取代脲类除草剂等。苗后处理剂（postemergence herbicide）：这类除草剂在杂草出苗后施用，对出苗的杂草有效，但不能防除未出苗的杂草，如喹禾灵、2-甲-4-氯和草甘膦等。苗前兼苗后处理剂（或苗后兼苗前处理剂）：这类除草剂既能作为苗前处理剂，也能作为苗后处理剂，如甲磺隆和异丙隆等。 按对杂草和作物的选择性的不同分为：禾本科杂草除草剂：主要用来防除禾本科杂草的除草剂，如芳氧苯氧丙酸类除草剂能防除很多一年生和多年生禾本科杂草，对其它杂草无效。又如二氯喹啉酸，对稻田稗草特效，对其它杂草无效或效果不好。莎草科杂草除草剂：主要用来防除莎草科杂草的除草剂，如莎扑隆，能在水、旱地防除多种莎草，但对其它杂草效果不好。阔叶杂草除草剂：主要用来防除阔叶杂草的除草剂，如2,4-D、百草敌、苯达松和苯磺隆。广谱除草剂：有效地防除单、双子叶杂草的除草剂，烟嘧磺隆（玉农乐）能有效地防除玉米地的禾本科杂草和阔叶杂草。又如灭生性的草甘膦对大多数杂草有效。 按除草剂的化学结构不同分为：芳氧类；苯甲酸类；二硝基苯胺类；酰胺类；脲；氨基甲酸酯；硫代氨基甲酸酯；酚醚；睛；三N苯类；脂肪族类；有机磷类；杂环类；有机砷类；其他有机除草剂；无机类除草剂等； 2.2 典型化学除草剂作用机理 2.2.1 化学除草剂在植物体内的吸收和传导除草剂进入植物体内并传导到作用部位是其杀死植物的第一步4。如果除草剂不能被植物吸收，或吸收后不能被传导到作用部位，就不能发挥除草活性。除草剂进入植物体内及在植物体内的传导方式因施用方法及除草剂本身的特性不同而异。掌握除草剂的吸收和传导特性有助于正确使用除草剂，提高除草效果。（一）除草剂的吸收1土壤处理除草剂的吸收，有如下几种情形发生：根吸收；幼芽吸收 2茎叶处理除草剂的吸收，除草剂喷施到达植物叶片后，有如下几种情形发生：药滴滴到土壤中；变成气体挥发掉；被雨水冲走；溶剂挥发后变成不定形或定性结晶沉积在叶面；脂溶性除草剂渗透到角质层后，滞留在脂质组分中；除草剂被吸收，穿过角质层或透过气孔进入细胞壁和木质部等非共质体中，或继续进入共质体5。 （二）除草剂的传导1短距离传导 除草剂被植物根、叶吸收后，必须在植物体内移动，才到达作用部位。有些除草剂从进入点到达作用部位所移动的距离很短，这类除草剂主要是苗前处理剂、茎叶处理的光合作用抑制剂。2长距离传导 对很多苗后处理除草剂来说，长距离的传导才能更有效杀灭杂草，特别是多年生杂草。如果长距离传导的除草剂量不够，则杂草不能完全被杀死，只部分枯死或生长受到抑制，杂草很快可恢复生长。 2.2.2 化学除草剂的除草机理除草剂被植物根、芽吸收后，作用于特定位点，干扰植物的生理、生化代谢反应，导致植物生长受抑制或死亡6。除草剂对植物的影响分初生作用和次生作用7。初生作用是指除草剂对植物生理生化反应的最早影响，即在除草剂处理初期对靶标酶或蛋白质的直接作用。由于初生作用而导致的连锁反应，进一步影响到植物的其它生理生化代谢，被称为次生作用。虽然除草剂千差万别，但究其杀草原理却有规律可寻，按照杀草原理，它们可以分为四类：影响光合作用的除草剂，影响以氨基酸、脂肪酸为主的有机化合物合成及代谢的除草剂，影响细胞分裂和植物生长的除草剂，还有杀草原理仍未搞清楚的除草剂8。（一）抑制光合作用光合作用包括光反应和暗反应。在光反应中，通过电子传递链将光能转化成化学能储藏在ATP；在暗反应中，利用光反应获得的能量，通过Calvin-Benson途径或Hatch-Slack-KortschaK途径将CO2还原成碳水化合物。除草剂主要通过以下途径来抑制光合作用：抑制光合电子传递链、分流光合电子传递链的电子、抑制光合磷酸化、抑制色素的合成和抑制水光解9。（二）抑制脂肪酸合成脂类是植物细胞膜的重要组成成份。现已发现有多种除草剂抑制脂肪酸的合成和链的伸长。如芳氧苯氧丙酸类、环已烯酮类，硫代胺基甲酸酯类、哒嗪酮类。芳氧苯氧丙酸类和环已烯酮类除草剂的靶标酶均是乙酰辅酶A羧化酶。常称作乙酰辅酶A羧化酶抑制剂10。（三）抑制氨基酸的合成除草剂主要通过抑制芳香氨基酸合成、支链氨基酸合成、谷氨酰胺合成而抑制植物生长。（四）干扰激素平衡最早合成的有机除草剂苯氧乙酸类（如2.4-D、2-甲-4-氯）以及苯甲酸类除草剂具有植物生长素的作用。植物通过调节生长素合成和降解、输入和输出速度以及共轭作用（包括可逆和不可逆共轭）来维持不同组织中的生长素正常的水平。其中可逆共轭作用最为重要。激素型除草剂处理植物后，由于缺乏调控它在细胞间浓度，所以，植物组织中的激素（激素型除草剂）浓度极高，而干扰植物体内激素的平衡，影响植物的形态发生，最终导致植物死亡。（五）抑制微管与组织发育植物细胞的骨架主要是由微管和微丝组成。它们保持细胞形态，在细胞分裂、生长和形态发生中起着重要的作用。目前，还没有商品化的除草剂干扰微丝。大量研究明确了很多除草剂直接干扰有丝分裂纺锤体，使微管的机能发生障碍或抑制微管的形成。如二硝基苯胺类除草剂与微管蛋白结合，抑制微管蛋白的聚合作用，导致纺锤体微管不能形成，使得细胞有丝分裂停留在前、中期，而影响正常的细胞分裂，导致形成多核细胞以及肿根11。3. 化学除草剂的应用及其存在的主要问题 3.1 化学除草剂的应用概述近半个世纪以来，化学除草剂发展十分迅速，世界上约有200种以上的化学除草剂投入市场。1960年化学除草剂销售值占农药总销售值的20%，1970年上升至34.8%，1980年增长至41%。化学除草剂销售值平均每年以15.6%的速度增长。从1960年的1.7亿美元提高到1985年的63.31美元。美国是使用化学除草剂较多的国家，1984年除草剂产量34万吨，化学除草面积达15亿亩。英国75%的耕地使用化学除草剂。日本使用化学除草剂面积相当于水稻种植面积的1.5倍。中国于1956年开始进行农田化学除草剂试验，至今已有40年以上的历史。19561967年，主要是开展除草剂试验，以防除水稻、水麦田杂草为主，兼顾大豆和杂粮作物的，主要用2，4-D、2，4，5-T、二-甲-四-氯、敌稗、除草醚等除草剂，至1967年全国化学除草面积达33万公顷。19671977年，以试验和防除稻、麦、大豆田杂草为主，兼顾棉田、花生和杂粮作物田杂草防除，20世纪70年代中期化学除草面积达170万公顷。1978年以后，以试验和防除稻、麦、大豆、棉田杂草为主，兼顾杂粮的经济作物田杂草防除。随着70年代末国外新型高效除草剂的引进和应用，我国化学除草面积进一步扩大，至80年代中、后期化学除草面积达1300万公顷。90年代以来，由于一次性化学除草技术的推广和应用，农田化学除草日益为广大农民所接受，化学除草面积在90年代初期猛增至2300万公顷，至1995年，更增至4000万公顷，占全国农作物播种面积的1/4以上。据估计2000年，我国农田化学除草面积达6700万公顷12。我国除草剂的研制开发始于20世纪50年代。50年代中期开始生产五氯酚钠，末期生产2，4，5-T，60年代初开始生产 2，4-D、除草醚、敌稗、茅草枯等。70年代在国内合成并生产了稗草稀、西玛津、燕麦灵、敌草隆、草甘膦等十余个品种，年生产量700800t。1986年全国已有18个除草剂品种进行了注册登记，1990年生产品种已增至20个以上。据统计，目前我国生产的除草剂原药品种已超过40个，单、混制剂各100个以上。原药品种中，以苯氧羧酸、二苯醚酰胺、氨基甲酸酯、取代脲、有机磷、三氮苯和磺酰脲类为主。同时我国科学工作者正在对咪唑啉酮类和三唑并嘧啶类新型除草剂进行研究。近年来，除草剂生产的年增长率远高于杀虫剂。在19921995年间，除草剂生产的年增长率分别达17.67%，23.17%，18.18%和14.66%。全国除草剂生产量在农药生产总量中所占比例逐年提高已由1997年的7.82%上升到1999年的20.17%13。 3.2 化学除草剂在实际应用中亟待解决的问题随着农业生产的发展和科学技术的进步,适合农田施用的化学除草剂品种不断增加，化学除草剂在农药中的比重越来越大,农田施用化学除草剂的面积越来越广,农民对化学除草剂的依赖性越来越强。化学除草剂的应用,给农业生产带来了诸多优越性:减轻了农民的劳动强度,并节约了开支；有效地控制了农田杂草的滋生,提高了农作物产量；由于农田杂草得到控制,农作物病虫害的中间寄主减少，从而减轻了农作物病虫害的发生14。专家预测,在今后一段时期,化学除草剂在农药中的增长速度还将加快。化学除草剂的应用尽管在农业生产中显示出了诸多优越性，但在实际应用中所出现的问题亦不能忽视，近年来农田应用化学除草剂出现的主要问题有:3.2.1农田杂草群落演替加速随着种植业结构调整和耕作制度变革，特别是连续使用化学除草剂后，由于敏感性杂草的消失和耐药性杂草幸存并不断繁殖，农田杂草种群变化和群落演替加速，一些次要杂草逐渐成为主要杂草，多年生杂草和农田难治、恶性杂草发展而为害加重。例如，在田间长期连续使用2，4-D后禾本科杂草成为优势种；在果园长年使用百草枯，使多年生莎草、白茅成为严重问题；草甘膦是一种能有效防治多种多年生杂草的除草剂，但是当草甘膦将其他竞争力强的杂草防治后，一些生长力更强的阔叶杂草仍可以成为优势种群15。而且由于我国农村农业劳动力不断向第二、三产业转移，农田管理放松，一些地区农田草害呈加重趋势。3.2.2除草剂药害豆磺隆、氯磺隆、普施特和阿特拉津等，具有用药量少、除草效果好、杀草谱广和用药成本低的优点，但这些除草剂品种有在土壤中的残效期过长（有的可达23年），对后茬敏感作物能造成严重减产，甚至绝产的致命缺点。由于缺乏对后茬作物的安全性评价，尤其是一些地区盲目用药，致使一些长残效除草剂对后茬作物造成严重药害给农业产带来了较大的经济损失。更为严重的是，到目前为止长残效除草剂的为害还未被农民所广泛认识，在一些地区这些长残效除草剂品种仍然在大面积使用。而且，由于相对落后的农药工业，常出现农药产品杂质超标的现象。如本是十分安全的苄嘧磺隆，也由于产品杂质超标，1998年在一些地区水稻造成了药害15。3.2.3抗药性杂草问题抗药性杂草是全球关注的严重问题。例如，自20世纪50年代的欧洲发现抗2，4-D的铺散鸭趾草和野胡萝卜以来，在51个国家和地区已有153种杂草（其中91种双子叶杂草，62种单子叶杂草）、251个杂草生物型对此种类型的化学除草剂产生了抗药性。而且，自70年代中期以来，全球抗药性杂草生物型的发生一直呈上升趋势，80年代中期后，几乎呈直线上升，在这些抗药性杂草中，抗药性双子叶杂草数量明显多于单子叶杂草。尤其是对高活性除草剂ALS抑制剂类产生抗药性的杂草生物型增长速度十分惊人。当人们正欲接受抗草甘膦转基因作物时，在澳大利亚、美国及南非先后出现了抗草甘膦的瑞士黑麦草、在马来西亚出现了抗草甘膦的牛筋草、在美国出现了抗草甘膦的塘蒿。我国也报道了塘蒿、稗草、看麦娘等5种杂草生物型对百草枯、丁草胺、杀草丹、绿麦隆等除草剂产生了抗药性15。3.2.4农药剂型落后综观国内外农药剂型发展的趋势，农药剂型正朝着水性、粒状、缓释、多功能和省力化的方向发展，一些安全、经济、省力化的新剂型正兴起。目前，我国农药研制年产量稳定在90100万t，其中传统制剂品种乳油（EC）就超过制剂总产量的50%，可湿性粉剂（WP）占10%左右。乳油耗用大量的苯、二甲苯等有机溶剂量，随着农药使用，每年都有数十万吨对环境有危害的有机溶剂施向田间，污染环境；可湿性粉剂由于加工颗粒粒径较大，生物效果受到限制。随着社会经济的发展，人们对环境质量的要求越来越高，在发达国家，要求禁止使用芳香烃溶剂的呼声高涨，尤其是在蔬菜、果树上使用乳油遭到了强烈的抵制，美国环境保护局（EPA）已经禁止二甲苯的使用。以水基制剂代替油基制剂，以粒状代替粉剂的新剂型已成为国际上农药制剂的发展方向15，4. 前景的展望入世以来，我国农业种植结构调整正全面展开，作物复种指数的增加、耕作制度的变革，农村农业现代化的发展，农业科学技术的推广，农村劳动力继续向第二、三产业的转移，人们提高作物单产愿望的增加，抗除草剂转移基因作物的推广应用16，必将推动除草剂的研制、开发、生产、销售和应用的进一步发展，农田杂草综合治理必将更加广泛和深入，在21世纪我国技术农业中会发挥更加重要的作用。目前，在发达国家由于环境保护的原因，正努力大量减少化学除草剂的使用剂量和次数，努力摆脱对除草剂的依赖17。人们已认识到，除草剂并不是万能的，杂草综合治理才是持续控制杂草危害的根本出路。参考文献1 徐明文，王