南方二氯喹啉酸殘留藥害早期診斷和預(yù)警亟待研究

陳國(guó)奇， 田興山， 馮 莉

(廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所/廣東省植物保護(hù)新技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州 510640)

隨著我國(guó)生產(chǎn)力水平和勞動(dòng)力成本不斷上升，輕簡(jiǎn)化、規(guī)模化和集約化農(nóng)業(yè)耕作模式逐步興起，作物生產(chǎn)中越來(lái)越依賴省時(shí)、省工、高效、快捷的耕作管理模式[1]，因而田間雜草防控越來(lái)越依賴化學(xué)除草劑[2-4]。據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局統(tǒng)計(jì)，2012年我國(guó)國(guó)內(nèi)化學(xué)除草劑消費(fèi)量高達(dá)113.8萬(wàn)t，是2005年消費(fèi)量(28.3萬(wàn)t)的4倍多。然而，除草劑使用不當(dāng)會(huì)引起農(nóng)作物藥害[5]，造成巨大損失，尤其是我國(guó)農(nóng)田多為小塊化經(jīng)營(yíng)，機(jī)械化程度和整體用藥水平較低，因而除草劑藥害事件時(shí)有發(fā)生[6-7]。

除草劑對(duì)作物產(chǎn)生藥害主要有2種類型[8]，一類是對(duì)當(dāng)茬作物產(chǎn)生的藥害，即直接藥害；另一類是對(duì)后茬作物產(chǎn)生的藥害，即間接藥害，也稱為殘留藥害。目前對(duì)除草劑藥害的研究報(bào)道多為直接藥害，除草劑生產(chǎn)、供應(yīng)商和農(nóng)戶通常對(duì)直接藥害的防范意識(shí)更高。在多數(shù)情況下，直接藥害通過(guò)查詢相關(guān)田塊的近期用藥記錄和癥狀即可診斷[9]。而殘留藥害具有很大的危害性和隱蔽性，通常觀察到藥害癥狀時(shí)，作物已經(jīng)出苗甚至到了種植后期，造成巨大損失，尤其是農(nóng)戶不知道藥害根源，當(dāng)作病害防治，投入大量人力和財(cái)力，錯(cuò)過(guò)了補(bǔ)救的關(guān)鍵時(shí)期。因此，除草劑殘留藥害早期診斷技術(shù)體系的研究具有突出的生產(chǎn)指導(dǎo)意義。目前關(guān)于除草劑殘留藥害診斷的研究主要基于幼苗生長(zhǎng)和形態(tài)學(xué)觀察，診斷往往只是針對(duì)已經(jīng)發(fā)生殘留藥害的情況分析，而隱性殘留藥害檢測(cè)、殘留藥害的量化診斷和對(duì)作物生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)的量化評(píng)估等基本問(wèn)題亟需通過(guò)科學(xué)研究解決。

1 南方除草劑殘留藥害威脅嚴(yán)重

在我國(guó)南方高溫高濕的氣候條件下，土壤中殘留的除草劑分解相對(duì)較快，因而多年來(lái)南方除草劑藥害問(wèn)題研究相對(duì)較少。而事實(shí)上，南方除草劑藥害形勢(shì)嚴(yán)峻，尤其是一些土壤殘留時(shí)間長(zhǎng)(長(zhǎng)殘留)的除草劑在南方更容易造成藥害。究其原因，一是，雜草在田間周年生長(zhǎng)，一年多熟制的種植模式下田間控草頻繁，除草劑施用的頻度和累積劑量上升；二是，南方不同類型作物輪作頻繁更易引發(fā)殘留藥害；三是，隨著田間大量、頻繁地施用除草劑，抗藥性和耐藥性雜草問(wèn)題日趨嚴(yán)重，而農(nóng)戶往往會(huì)直接增加施藥量或施藥次數(shù)，尤其是增施一些價(jià)格較低的除草劑。隨機(jī)采訪發(fā)現(xiàn)，農(nóng)戶在田間單次施藥劑量有時(shí)高達(dá)推薦劑量的3倍，甚至更高。根據(jù)市場(chǎng)調(diào)查數(shù)據(jù)(未公開(kāi)發(fā)表資料)結(jié)合《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒2010》發(fā)布的數(shù)據(jù)[10]，2009年廣東省平均每公頃耕地中的除草劑施用費(fèi)用和平均每公頃水稻田施用除草劑二氯喹啉酸的費(fèi)用分別是全國(guó)平均水平的2.6倍和1.7倍。因此，近年來(lái)南方的除草劑殘留藥害問(wèn)題開(kāi)始被發(fā)現(xiàn)[11-12]。

2 二氯喹啉酸土壤殘留能引發(fā)明顯的或隱性的藥害

二氯喹啉酸(3，7-二氯-8-喹啉羧酸)是1988年在德國(guó)上市、1990年開(kāi)始在我國(guó)稻田使用的稗屬雜草(Echinochloaspp.)特效除草劑[13]，可有效防除超過(guò)50種常見(jiàn)惡性雜草[14-16]，因而二氯喹啉酸是華南地區(qū)水稻田使用的主要除草劑之一。然而，該藥是典型的長(zhǎng)殘留除草劑[13]，極易對(duì)多種重要作物產(chǎn)生明顯藥害[11，17-19]，包括煙草(Nicotianaspp.)、馬鈴薯(Solanumtuberosum)、豌豆(Pisumsativum)、甘薯(Dioscoreaesculenta)、番茄(Lycopersiconesculentum)、西瓜(Citrulluslanatus)、辣椒(Capsicumannuum)、茄子(Solanummelongena)、胡蘿卜(Daucuscarotavar.sativa)、大豆(Glycinemax)、水稻(Oryzasativa)等，并能對(duì)多種水生動(dòng)植物造成毒害[20-23]。陳澤鵬等取無(wú)二氯喹啉酸用藥史的土壤(pH值5.48)添加0.8 mg/kg該藥后，發(fā)現(xiàn)其半衰期為22 d，并且在180 d后，仍然檢測(cè)到0.069～0.085 mg/kg的殘留量，進(jìn)而推論稻田中一次施用二氯喹啉酸后，煙草的安全間隔期為342 d[24]。

在二氯喹啉酸殘留藥害嚴(yán)重的情況下，植株幼苗生長(zhǎng)呈現(xiàn)明顯異常，如在煙草上表現(xiàn)為新葉畸形，葉片變窄變厚，葉片邊緣向葉背面內(nèi)卷、皺縮，嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)線狀葉形，基部老葉葉形基本正常；在馬鈴薯上表現(xiàn)為植株明顯矮化和黃化，葉皺縮、卷曲、僵硬、發(fā)脆，葉柄和莖稈細(xì)小，根系不發(fā)達(dá)，長(zhǎng)度只有正常植株的1/3左右。通常在田間觀察到藥害癥狀時(shí)，作物已經(jīng)出苗并生長(zhǎng)了一段時(shí)間，因而造成巨大損失，尤其是農(nóng)戶在不知道藥害根源的情況下，當(dāng)作病害加以防治，投入大量人力和財(cái)力，錯(cuò)過(guò)補(bǔ)救的關(guān)鍵時(shí)期，導(dǎo)致大面積嚴(yán)重減產(chǎn)，或者即使有少量收成，商品率也極低，損失慘重。

此外，二氯喹啉酸殘留藥害不明顯時(shí)也會(huì)造成極大的作物生產(chǎn)損失，即隱性藥害。在二氯喹啉酸藥害程度相對(duì)較輕時(shí)，作物的藥害形態(tài)會(huì)緩慢地恢復(fù)，甚至有些情況對(duì)某些作物不造成可視的藥害癥狀，但是可能影響作物生長(zhǎng)發(fā)育或農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)，進(jìn)而導(dǎo)致生產(chǎn)損失。這種隱性藥害不容易被發(fā)現(xiàn)，但危害同樣巨大。例如，有研究表明，土壤中殘留的二氯喹啉酸能夠被番茄吸收并轉(zhuǎn)移到果實(shí)中積累，進(jìn)而影響其品質(zhì)和商品率[25]，并且在煙草的研究中得到同樣的結(jié)論[26]；此外，二氯喹啉酸濃度較低也可能干擾作物生長(zhǎng)和生理，進(jìn)而產(chǎn)生不明顯藥害[27]，或推遲作物的成熟期而造成生產(chǎn)損失[17]。更多關(guān)于二氯喹啉酸藥害癥狀和生態(tài)毒理學(xué)研究進(jìn)展見(jiàn)宋穩(wěn)成等的綜述論文[28]。

3 二氯喹啉酸殘留藥害早期診斷困難

二氯喹啉酸引起作物藥害的形態(tài)癥狀與其他激素類除草劑引起的藥害形態(tài)癥狀相似，甚至與某些病毒病害癥狀相似，這容易導(dǎo)致誤診，而其隱性藥害則不容易引起注意，農(nóng)戶往往將作物減產(chǎn)歸咎于其他因素，如種子質(zhì)量、土壤問(wèn)題等。雖然可以通過(guò)測(cè)定土壤中的殘留含量來(lái)推測(cè)藥害來(lái)源，然而土壤溫度、顆粒組成、有機(jī)質(zhì)含量、pH值等都可能對(duì)作物藥害程度和表征產(chǎn)生明顯影響[12，28]；并且不同作物對(duì)二氯喹啉酸殘留的敏感性不盡相同，更何況土壤農(nóng)藥殘留量測(cè)定成本以及對(duì)儀器、試劑、操作等要求相對(duì)較高，因而土壤含量測(cè)定方法難以在生產(chǎn)中推廣。因此，二氯喹啉酸殘留藥害診斷難度很大，亟需探索新的高效而實(shí)用的早期診斷技術(shù)體系來(lái)回答諸如“如何量化診斷二氯喹啉酸土壤殘留藥害？”“如何將量化診斷結(jié)果與作物生產(chǎn)損失相對(duì)應(yīng)，并用于相應(yīng)的作物藥害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估？”等問(wèn)題。因此，可根據(jù)植物對(duì)二氯喹啉酸敏感性機(jī)制和相關(guān)關(guān)鍵檢測(cè)指標(biāo)的研究結(jié)果，探索建立相關(guān)的殘留藥害早期診斷體系。

4 植物對(duì)二氯喹啉酸敏感性的機(jī)制和相關(guān)檢測(cè)指標(biāo)

二氯喹啉酸作為喹啉酸家族的一種激素類除草劑[29]，能夠誘導(dǎo)乙烯前體氨基環(huán)丙烷羧酸(ACC)的從頭合成[14]。許多研究表明，一些禾草類敏感型植株采用二氯喹啉酸處理后ACC含量大幅上升，繼而引起植株體內(nèi)快速合成超量乙烯，并伴有副產(chǎn)品HCN過(guò)量積累，引起處理植株受毒害[30-31]；而激素誘導(dǎo)的乙烯合成也會(huì)促進(jìn)脫落酸(ABA)的生物合成，進(jìn)而引起植株體內(nèi)活性氧積累、細(xì)胞凋亡和葉片衰老等[15，30，32-34]。相關(guān)分子水平的研究目前較少，且尚沒(méi)有取得廣泛認(rèn)可的研究成果。據(jù)Grossmann報(bào)道，TIR1/AFB(生長(zhǎng)素受體轉(zhuǎn)運(yùn)抑制響應(yīng)蛋白/生長(zhǎng)素結(jié)合蛋白)是多種激素類除草劑的作用受體；對(duì)TIR1晶體結(jié)構(gòu)模型的研究結(jié)果表明，上述受體很可能也是二氯喹啉酸的作用靶標(biāo)，即二氯喹啉酸處理后可能引起ACC合成酶以及脫落酸生物合成通路上的關(guān)鍵物質(zhì)NCED(9-順式-環(huán)氧類胡蘿卜素加雙氧酶蛋白)基因的表達(dá)[15]。更多關(guān)于二氯喹啉酸研究進(jìn)展見(jiàn)Yasuor等的研究論文[14]和李崗等的綜述論文[35-36]。

大量研究結(jié)果表明，二氯喹啉酸抗性機(jī)制主要在于：(1)植物體內(nèi)對(duì)于該藥誘導(dǎo)乙烯合成信號(hào)通路并不敏感；(2)植物體內(nèi)解毒和抗氧化能力增強(qiáng)[14，35]。有研究表明，對(duì)二氯喹啉酸不敏感性的禾草類抗性植株在該藥處理后體內(nèi)的乙烯和HCN含量并無(wú)明顯提高[30，37]。而對(duì)豬殃殃的研究發(fā)現(xiàn)，二氯喹啉酸處理后，敏感型植株體內(nèi)的乙烯含量是抗性植株體內(nèi)的3倍，脫落酸水平則是14倍[33]。植株體內(nèi)抗氧化能力和解毒能力與其對(duì)該藥的敏感性密切相關(guān)[35，38]。例如，有研究表明，抗藥性植株體內(nèi)的抗氧化酶，如SOD(超氧化物歧化酶)、CAT(過(guò)氧化氫酶)、APX(抗壞血酸過(guò)氧化物酶)、GR(谷胱甘肽還原酶)等，活性較高[18]。另外，細(xì)胞色素P450單加氧酶(是一種除草劑在作物體內(nèi)的代謝解毒酶)活性與植株對(duì)二氯喹啉酸的敏感性緊密相關(guān)。有研究表明，添加細(xì)胞色素P450抑制劑馬拉硫磷(malathion)能使抗二氯喹啉酸的水稗(Echinochloaphyllopogon)失去抗性，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，抗性水稗植株體內(nèi)的氰化物解毒酶β-CAS(β-氰丙氨酸合成酶)的活性是敏感型植株的2～3倍，而在馬拉硫磷處理后抗性和敏感型水稗植株體內(nèi)的β-CAS酶活性均下降40%[14]；在對(duì)止血馬唐(Digitariaischaemum)的研究中得出了類似結(jié)論[37]。

5 總結(jié)

二氯喹啉酸由于藥效好、價(jià)格低廉、選擇性強(qiáng)，近年來(lái)在南方的使用量越來(lái)越大，尤其是田間抗藥性種群出現(xiàn)后，農(nóng)戶容易隨意增加施用量和頻度，加上土地承包、加速流轉(zhuǎn)等社會(huì)現(xiàn)象，導(dǎo)致農(nóng)田用藥背景不明，二氯喹啉酸土壤殘留藥害威脅不斷加劇。二氯喹啉酸土壤殘留藥害具有很高的隱蔽性和潛伏性，而目前相應(yīng)的診斷知識(shí)模糊，還沒(méi)有數(shù)值化的診斷評(píng)估方法。

當(dāng)前針對(duì)除草劑殘留藥害早期診斷技術(shù)的研究較少，有研究報(bào)道了葉片葉綠素色素含量快速測(cè)定可以用于診斷10%硝磺草酮懸浮液玉米的藥害情況[40]；也有研究報(bào)道可以借助花生生長(zhǎng)指標(biāo)判斷土壤二氯喹啉酸殘留藥害情況[41]；或者通過(guò)番茄根長(zhǎng)來(lái)評(píng)估水體中二氯喹啉酸引起藥害風(fēng)險(xiǎn)[42]。

6 研究設(shè)想

我們需要找到更為敏感、實(shí)用的指示植物，進(jìn)而基于研究指示植物在二氯喹啉酸脅迫下的形態(tài)學(xué)、解剖學(xué)、生理學(xué)等一系列觀察指標(biāo)的變化，建立系統(tǒng)而完善的二氯喹啉酸殘留藥害早期診斷和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)體系，來(lái)量化研究有關(guān)問(wèn)題，對(duì)二氯喹啉酸殘留藥害進(jìn)行分級(jí)，并將不同的藥害等級(jí)與對(duì)應(yīng)作物生產(chǎn)損失進(jìn)行量化評(píng)估和預(yù)警，確保即使對(duì)隱性殘留藥害也能夠進(jìn)行診斷和預(yù)警。此外，二氯喹啉酸藥害補(bǔ)救與土壤修復(fù)技術(shù)亟待研究開(kāi)發(fā)。

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